【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 數(shù)值公式 （）近似計(jì)算。如果采樣周期T足夠小，這種逼近可相當(dāng)準(zhǔn)確，被控過程與連續(xù)控制過程十分接近，我們把這種情況稱為“準(zhǔn)連續(xù)控制”。 式（）表示的控制算法提供了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置(如閥門開度)，所以稱為位置式PID控制算法。當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要的不是控制量的絕對(duì)數(shù)值，而是其增量（例如去驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)）時(shí)，由式（）可導(dǎo)出提供增量的PID控制算法著只要將式： （）及 （）相減就可以導(dǎo)出下面的公式 （）式（）稱為增量式PID控制算法。式（）也可進(jìn)一步改寫為： （）其中： 可見增量式算法只需要保持現(xiàn)時(shí)以前的3個(gè)時(shí)刻的偏差值即可。增量式PID算法與位置式相比，有下列優(yōu)點(diǎn)：（1），位置式算法每次輸出與整個(gè)過去狀態(tài)有關(guān)，計(jì)算式中要用到過去偏差的累加值，容易產(chǎn)生較大的累計(jì)誤差。而增量式只需計(jì)算增量，當(dāng)存在誤差或精度不足時(shí)，對(duì)控制量計(jì)算的影響較小。（2），控制從手動(dòng)切換到自動(dòng)時(shí)，必須首先將計(jì)算機(jī)的輸出值設(shè)置為原始閥門開度，才能保證無(wú)沖擊切換。如果采用增量算法，則由于式中不出現(xiàn)項(xiàng)，易于實(shí)現(xiàn)手動(dòng)到自動(dòng)的無(wú)沖擊切換。此外，在計(jì)算機(jī)發(fā)生故障時(shí)，由于執(zhí)行機(jī)構(gòu)本身有寄存作用，故可仍然保持在原位。但是增量式PID算法也有不足之處：由于積分截?cái)嗾`差大，使系統(tǒng)存在靜態(tài)誤差；溢出的影響較大。式（）在單片機(jī)上還是不容易實(shí)現(xiàn)，我們可以將其繼續(xù)轉(zhuǎn)換： （）其中：為PID參數(shù)，為采樣值，r為輸入的設(shè)定值。PID控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下：（1）比例環(huán)節(jié)：及時(shí)成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)e(t),偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差。（2）積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無(wú)差度。積分作用取決于積分時(shí)間常數(shù)Ti，Ti越大，積分作用越弱，反之則越強(qiáng)。（3）微分環(huán)節(jié)：能反映偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)（變化速率），并能在偏差信號(hào)值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減小調(diào)節(jié)時(shí)間。PID參數(shù)整定在數(shù)字控制系統(tǒng)中，PID參數(shù)是影響調(diào)節(jié)品質(zhì)的重要參數(shù)，閉環(huán)系統(tǒng)正式使用前，必須對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行整定，整定點(diǎn)通常設(shè)定在目標(biāo)值。整定PID參數(shù)的原則:（1）要使控制系統(tǒng)的過程過渡時(shí)間盡量短（2）最大偏差和超調(diào)量要?。?）擾動(dòng)作用后減幅振蕩的次數(shù)盡量少整定的方法主要有：（1）理論整定法：所謂理論整定法是從PID調(diào)節(jié)規(guī)律的概念出發(fā)，根據(jù)對(duì)象的特性和控制準(zhǔn)確度的要求從理論上得出各參數(shù)的整定數(shù)據(jù)。從PID的理論概念分析可知:①要使過渡過程盡可能短,應(yīng)選較小的P,較短的Ti和適量的Td②要使超調(diào)量盡量小，使系統(tǒng)減幅振蕩，應(yīng)選較大的P,較長(zhǎng)的Ti和盡可能短Td整定時(shí)既要滿足前者，又不可忽視后者，從優(yōu)選法的觀點(diǎn)出發(fā)考慮到PID參數(shù)的折中選取，故將P和I整定到中間值,而D參數(shù)的整定應(yīng)該根據(jù)爐體的具體使用情況而定。若在系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過程中不會(huì)有過大的階躍擾動(dòng)出現(xiàn),D應(yīng)盡可能小,甚至不用（2）經(jīng)驗(yàn)法：實(shí)際上是一種試湊法。PID參數(shù)預(yù)先放在哪里以及反復(fù)試湊的程序是經(jīng)驗(yàn)法的核心,整定參數(shù)預(yù)先放置的位置要根據(jù)對(duì)象特性而定。試湊程序可先用P,再加I,最后再D。例如擴(kuò)充臨界比例度法、擴(kuò)充響應(yīng)曲線法，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)法等等都屬于這種類型。在運(yùn)用數(shù)字PID控制時(shí)，我們必須先選擇一個(gè)合適的采樣周期。對(duì)于采樣周期的選擇，(c)可以看出，一個(gè)連續(xù)變化的信號(hào)，經(jīng)采樣后變成一個(gè)脈沖序列。由經(jīng)驗(yàn)可知，采樣頻率越高，離散模擬信號(hào)越接近連續(xù)輸入函數(shù)。但若采樣頻率過高，在實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中將會(huì)把許多寶貴的時(shí)間用在采樣上，從而失去了實(shí)時(shí)控制的機(jī)會(huì)。為了使采樣結(jié)果既不失真，又不會(huì)因采樣頻率太高而浪費(fèi)時(shí)間，我們采用香農(nóng)定理。(c) 脈沖采樣圖香農(nóng)定理指出，如果是有限帶寬信號(hào)，即, 而是的理想采樣信號(hào)；若采樣頻率 （）則一定可以由采樣信號(hào)唯一地決定出原始信號(hào),也就是說(shuō)，若，則由可完全恢復(fù)。香農(nóng)定理只給出了“有限帶寬”時(shí)實(shí)現(xiàn)采樣信號(hào)完全恢復(fù)模擬信號(hào)的最小頻率為。但不是所有信號(hào)都是“有限帶寬”，所以，在實(shí)際應(yīng)用中，所取的實(shí)際采樣頻率f s比2f max大，一般f s必須至少取4f max。PWM是英文脈沖寬度調(diào)制的首個(gè)字母縮寫，是一種被廣泛應(yīng)用的調(diào)速技術(shù)。PWM輸出的平均電壓為： （）其中，T為PWM周期，T1為高電平時(shí)間，T2為低電平時(shí)間，叫做占空比。對(duì)于pwm來(lái)說(shuō)占空比是一個(gè)重要參數(shù)。以下4種方法都可以改變占空比的值。 PWM波形（1）定寬調(diào)頻法 這種方法是保持t1不變，只改變t2，這種使周期T（或頻率）也隨之改變。（2）調(diào)寬調(diào)頻法 這種方法是保持t2不變，而改變t1，這種使周期（或頻率）也隨之改變。 （3）調(diào)寬調(diào)頻法 這種方法是同時(shí)改變t1，t2。這種使周期也隨之改變。（4）定頻調(diào)寬法這種方法是使用周期T（或頻率）保持不變，而同時(shí)改變t1和t2。 前兩種方法由于在調(diào)速時(shí)改變了控制脈沖的周期，當(dāng)控制脈沖的頻率與系統(tǒng)的固有頻率接近時(shí)，就會(huì)引起振蕩，所以應(yīng)該盡量避免。PWM控制信號(hào)的產(chǎn)生方法有四種：(1) 分立元件組成的PWM信號(hào)發(fā)生器 這種方法是利用分立的電子元件組成的PWM信號(hào)電路。他是早期的方式，現(xiàn)在已經(jīng)不用了。(2) 軟件模擬法 利用單片機(jī)的一個(gè)I/O引腳，通過軟件對(duì)該引腳不斷的輸出高低電平來(lái)實(shí)現(xiàn)PWM波輸出。這種方法要占用CPU的一定量時(shí)間。(3) 專用PWM集成電路 從PWM控制技術(shù)出現(xiàn)之日起，就有芯片制造商生產(chǎn)專用的PWM集成電路芯片，現(xiàn)在市場(chǎng)上已有許多種。這些芯片除了有信號(hào)發(fā)生功能外，還有“死區(qū)”調(diào)節(jié)功能，保護(hù)功能。在用單片機(jī)控制直流電動(dòng)機(jī)中，使用專用PWM集成電路可以減輕單片機(jī)負(fù)擔(dān)，工作更可靠，但價(jià)格貴。(4) 單片機(jī)的PWM口 新一代的單片機(jī)增加了許多功能，其中包括PWM功能。單片機(jī)通過初始化設(shè)置，使其能自動(dòng)地發(fā)出PWM脈沖波，只有改變占空比時(shí)，CPU才進(jìn)行干預(yù)。但價(jià)格比較貴。以上介紹的這些知識(shí)在相關(guān)的資料上都能夠找到，之所以把它們綜合在一起是考慮到這樣做有利于讀者節(jié)省時(shí)間并更好地理解這篇文章和作者的設(shè)計(jì)意圖與方法。這只是一個(gè)簡(jiǎn)單介紹，如果有哪些地方介紹得不夠清楚，讀者可以查閱相關(guān)的書籍或者資料。 。要完成測(cè)速工作，我們需要知道車輪的轉(zhuǎn)速或者車輪旋轉(zhuǎn)一周所用的時(shí)間。本次設(shè)計(jì)所采用的方法是：在黑色的橡膠車輪上刷上一條白線，傳感器正對(duì)著車輪，車輪在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，輸出端就會(huì)輸出脈沖信號(hào)。具體來(lái)說(shuō)，黑色的物體不反光，所以只有在白線經(jīng)過時(shí)傳感器才導(dǎo)通并輸出一定的電壓，這時(shí)三極管將導(dǎo)通，并在c極輸出一個(gè)低電平。圖中電阻R2為一可調(diào)電阻，調(diào)節(jié)其阻值可改變檢測(cè)的靈敏度，當(dāng)然，靈敏度越高越容易受到干擾。電容C1和R2并聯(lián)構(gòu)成低通濾波器，防止高頻干擾。CR2值的選取和小車的最高轉(zhuǎn)速有關(guān)。T=C1*R2應(yīng)該小于車輪旋轉(zhuǎn)一周的時(shí)間。三極管在這里起到對(duì)信號(hào)的放大整形的作用。，即外部中斷0的輸入口。測(cè)速原理將在軟件設(shè)計(jì)時(shí)詳細(xì)介紹。圖2..(a) 測(cè)速電路本次研究老師提供的是四線反饋直流電機(jī)一共有4根導(dǎo)線與直流電機(jī)相連，兩根是直流電機(jī)的電源線另外的兩根則是反饋線，這兩根反饋線的作用是直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)反饋正弦波，直流電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈就反饋一個(gè)周期的正弦波，我們使用的四線直流電機(jī)是自帶減速箱的，減速比為100:1,即直流電機(jī)轉(zhuǎn)100轉(zhuǎn)，經(jīng)過減速箱之后輸出一轉(zhuǎn)，在12V驅(qū)動(dòng)電源下，四線反饋直流電機(jī)每分鐘對(duì)外輸出35轉(zhuǎn)，反饋3500個(gè)周期的正弦波。所以我們只需要數(shù)出正弦波的個(gè)數(shù)就能夠知道電機(jī)的具體位置，具體操作是：滯留反饋電機(jī)輸出一轉(zhuǎn)的時(shí)間是60/35=，每輸出一轉(zhuǎn)就回饋100個(gè)正弦波，也就是每個(gè)正弦波的周期是17ms。，能識(shí)別的電平時(shí)間長(zhǎng)度是17/2。具體的反饋說(shuō)明在后面程序編寫時(shí)說(shuō)明(b) 電機(jī)的速度反饋電路 芯片電源的設(shè)計(jì)該機(jī)器人的設(shè)計(jì)時(shí)，用雙電源，其中一個(gè)12V的蓄電池為電機(jī)提供驅(qū)動(dòng)電壓，另一個(gè)12V的為單片機(jī)和L293D及其他芯片提供5V的電壓。(b)所示，(a)所示，可見開關(guān)按下時(shí)并不是立刻變?yōu)榈碗娖?，而在由高電平到低電平的變化過程中會(huì)出現(xiàn)毛刺，因此在一次的按下過程中單片機(jī)可能不是認(rèn)為是只按下一次而是錯(cuò)誤地認(rèn)為已按下多次。因此在鍵盤處理程序中要加延時(shí)去抖動(dòng)程序。 (a) 按鍵波形圖 (b)按鍵外形圖(c)所示，K5，K6控制機(jī)器人的前進(jìn)和后退，K7，(c) 按鍵電路K8控制機(jī)器人的左右格檔。 Atmel89Sxx芯片都具有在線編程功能（InSystem Programming），其串行編程模式更是容易操作。，，注意，編程時(shí)鐘信號(hào)的頻率應(yīng)該低于晶振頻率的1/16，即，如果選用的晶振頻率為33MHz，編程時(shí)鐘信號(hào)的頻率則不能超過2MHz。如果要將其和電腦連接實(shí)現(xiàn)在線編程則還需要外加一些電路。通常的做法是用MAX232芯片實(shí)現(xiàn)單片機(jī)TTL電平到電腦RS232電平之間的轉(zhuǎn)換，從而進(jìn)行通信。這里給出一種更為簡(jiǎn)單的連接方式，可以不用MAX232芯片。將DB25插頭接在電腦上，通過電阻分壓，～，（當(dāng)然需要軟件支持）。 本次設(shè)計(jì)將單片機(jī)的燒寫電路直接做在控制板上，用起來(lái)十分方便，不用拆芯片，為以后的程序調(diào)試提供了很好的支持，加快了程序開發(fā)的速度。 (a) AT89s51串行編程模式(b) 在線代碼下載電路3 軟件設(shè)計(jì)在編寫程序前我們至少要考慮兩個(gè)問題：第一，采用何種語(yǔ)言；第二，選用哪一種編程軟件作為開發(fā)平臺(tái)。單片機(jī)的編程語(yǔ)言大致有兩種，匯編語(yǔ)言和C語(yǔ)言。匯編語(yǔ)言是低級(jí)語(yǔ)言，C語(yǔ)言是高級(jí)語(yǔ)言。本次設(shè)計(jì)采用C語(yǔ)言是因?yàn)樗欣陂_發(fā)和維護(hù)，節(jié)省開發(fā)時(shí)間并減少工作量。然后，選用Keil C51作為開發(fā)平臺(tái)。Keil C51是美國(guó)Keil Software公司出品的51系列兼容單片機(jī)C語(yǔ)言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，C語(yǔ)言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢(shì)，因而易學(xué)易用。比如，C語(yǔ)言可以讓開發(fā)者不必過多地關(guān)心運(yùn)算如何實(shí)現(xiàn)等等一些底層的東西，而只考慮用語(yǔ)言直接去實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。Keil C51軟件提供豐富的庫(kù)函數(shù)和功能強(qiáng)大的集成開發(fā)調(diào)試工具，全Windows界面。另外重要的一點(diǎn)，只要看一下編譯后生成的匯編代碼，就能體會(huì)到Keil C51生成的目標(biāo)代碼效率非常之高，多數(shù)語(yǔ)句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開發(fā)大型軟件時(shí)更能體現(xiàn)高級(jí)語(yǔ)言的優(yōu)勢(shì)。 流程圖設(shè)計(jì)做完了以上的兩步，我們還不能馬上就寫程序。通常我們還應(yīng)該對(duì)程序的總的結(jié)構(gòu)作一個(gè)規(guī)劃，以使我們能夠從總體上把握它。程序的結(jié)構(gòu)化水平以及合理性很大程度上受制于這一步。開始初始化設(shè)置動(dòng)作2（后退）動(dòng)作1（前進(jìn)）動(dòng)作4（右格檔）自主表演模式：，2次；右扭腰，2次；左右各1次，放音；；左格檔一下；；；右格檔一下；；；左格檔一下；再后退一步，右格檔一下；，即前進(jìn)兩步。結(jié)束動(dòng)作3（左格檔）是i否否否否是是是是 總程序結(jié)構(gòu)框圖 子程序的編寫延時(shí)1毫秒子程序：//功能：利用循環(huán)達(dá)到延時(shí)作用//參數(shù)：count:次數(shù) 總延時(shí)為1ms*次數(shù)//void delay1ms（word count）//晶振=12Mhz {char i,j。 for{i=0,icount。i++} for{j=0。j120。j++} 。}反饋?zhàn)映绦?