【文章內容簡介】 數(shù)值公式 （）近似計算。如果采樣周期T足夠小，這種逼近可相當準確，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“準連續(xù)控制”。 式（）表示的控制算法提供了執(zhí)行機構的位置(如閥門開度)，所以稱為位置式PID控制算法。當執(zhí)行機構需要的不是控制量的絕對數(shù)值，而是其增量（例如去驅動步進電機）時，由式（）可導出提供增量的PID控制算法著只要將式： （）及 （）相減就可以導出下面的公式 （）式（）稱為增量式PID控制算法。式（）也可進一步改寫為： （）其中： 可見增量式算法只需要保持現(xiàn)時以前的3個時刻的偏差值即可。增量式PID算法與位置式相比，有下列優(yōu)點：（1），位置式算法每次輸出與整個過去狀態(tài)有關，計算式中要用到過去偏差的累加值，容易產生較大的累計誤差。而增量式只需計算增量，當存在誤差或精度不足時，對控制量計算的影響較小。（2），控制從手動切換到自動時，必須首先將計算機的輸出值設置為原始閥門開度，才能保證無沖擊切換。如果采用增量算法，則由于式中不出現(xiàn)項，易于實現(xiàn)手動到自動的無沖擊切換。此外，在計算機發(fā)生故障時，由于執(zhí)行機構本身有寄存作用，故可仍然保持在原位。但是增量式PID算法也有不足之處：由于積分截斷誤差大，使系統(tǒng)存在靜態(tài)誤差；溢出的影響較大。式（）在單片機上還是不容易實現(xiàn)，我們可以將其繼續(xù)轉換： （）其中：為PID參數(shù)，為采樣值，r為輸入的設定值。PID控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下：（1）比例環(huán)節(jié)：及時成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號e(t),偏差一旦產生，控制器立即產生控制作用，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)的無差度。積分作用取決于積分時間常數(shù)Ti，Ti越大，積分作用越弱，反之則越強。（3）微分環(huán)節(jié)：能反映偏差信號的變化趨勢（變化速率），并能在偏差信號值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減小調節(jié)時間。PID參數(shù)整定在數(shù)字控制系統(tǒng)中，PID參數(shù)是影響調節(jié)品質的重要參數(shù)，閉環(huán)系統(tǒng)正式使用前，必須對PID參數(shù)進行整定，整定點通常設定在目標值。整定PID參數(shù)的原則:（1）要使控制系統(tǒng)的過程過渡時間盡量短（2）最大偏差和超調量要?。?）擾動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調節(jié)規(guī)律的概念出發(fā)，根據對象的特性和控制準確度的要求從理論上得出各參數(shù)的整定數(shù)據。從PID的理論概念分析可知:①要使過渡過程盡可能短,應選較小的P,較短的Ti和適量的Td②要使超調量盡量小，使系統(tǒng)減幅振蕩，應選較大的P,較長的Ti和盡可能短Td整定時既要滿足前者，又不可忽視后者，從優(yōu)選法的觀點出發(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)的整定應該根據爐體的具體使用情況而定。若在系統(tǒng)的調節(jié)過程中不會有過大的階躍擾動出現(xiàn),D應盡可能小,甚至不用（2）經驗法：實際上是一種試湊法。PID參數(shù)預先放在哪里以及反復試湊的程序是經驗法的核心,整定參數(shù)預先放置的位置要根據對象特性而定。試湊程序可先用P,再加I,最后再D。例如擴充臨界比例度法、擴充響應曲線法，現(xiàn)場實驗法等等都屬于這種類型。在運用數(shù)字PID控制時，我們必須先選擇一個合適的采樣周期。對于采樣周期的選擇，(c)可以看出，一個連續(xù)變化的信號，經采樣后變成一個脈沖序列。由經驗可知，采樣頻率越高，離散模擬信號越接近連續(xù)輸入函數(shù)。但若采樣頻率過高，在實時控制系統(tǒng)中將會把許多寶貴的時間用在采樣上，從而失去了實時控制的機會。為了使采樣結果既不失真，又不會因采樣頻率太高而浪費時間，我們采用香農定理。(c) 脈沖采樣圖香農定理指出，如果是有限帶寬信號，即, 而是的理想采樣信號；若采樣頻率 （）則一定可以由采樣信號唯一地決定出原始信號,也就是說，若，則由可完全恢復。香農定理只給出了“有限帶寬”時實現(xiàn)采樣信號完全恢復模擬信號的最小頻率為。但不是所有信號都是“有限帶寬”，所以，在實際應用中，所取的實際采樣頻率f s比2f max大，一般f s必須至少取4f max。PWM是英文脈沖寬度調制的首個字母縮寫，是一種被廣泛應用的調速技術。PWM輸出的平均電壓為： （）其中，T為PWM周期，T1為高電平時間，T2為低電平時間，叫做占空比。對于pwm來說占空比是一個重要參數(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）調寬調頻法 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）調寬調頻法 這種方法是同時改變t1，t2。這種使周期也隨之改變。（4）定頻調寬法這種方法是使用周期T（或頻率）保持不變，而同時改變t1和t2。 前兩種方法由于在調速時改變了控制脈沖的周期，當控制脈沖的頻率與系統(tǒng)的固有頻率接近時，就會引起振蕩，所以應該盡量避免。PWM控制信號的產生方法有四種：(1) 分立元件組成的PWM信號發(fā)生器 這種方法是利用分立的電子元件組成的PWM信號電路。他是早期的方式，現(xiàn)在已經不用了。(2) 軟件模擬法 利用單片機的一個I/O引腳，通過軟件對該引腳不斷的輸出高低電平來實現(xiàn)PWM波輸出。這種方法要占用CPU的一定量時間。(3) 專用PWM集成電路 從PWM控制技術出現(xiàn)之日起，就有芯片制造商生產專用的PWM集成電路芯片，現(xiàn)在市場上已有許多種。這些芯片除了有信號發(fā)生功能外，還有“死區(qū)”調節(jié)功能，保護功能。在用單片機控制直流電動機中，使用專用PWM集成電路可以減輕單片機負擔，工作更可靠，但價格貴。(4) 單片機的PWM口 新一代的單片機增加了許多功能，其中包括PWM功能。單片機通過初始化設置，使其能自動地發(fā)出PWM脈沖波，只有改變占空比時，CPU才進行干預。但價格比較貴。以上介紹的這些知識在相關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)省時間并更好地理解這篇文章和作者的設計意圖與方法。這只是一個簡單介紹，如果有哪些地方介紹得不夠清楚，讀者可以查閱相關的書籍或者資料。 。要完成測速工作，我們需要知道車輪的轉速或者車輪旋轉一周所用的時間。本次設計所采用的方法是：在黑色的橡膠車輪上刷上一條白線，傳感器正對著車輪，車輪在轉動時，輸出端就會輸出脈沖信號。具體來說，黑色的物體不反光，所以只有在白線經過時傳感器才導通并輸出一定的電壓，這時三極管將導通，并在c極輸出一個低電平。圖中電阻R2為一可調電阻，調節(jié)其阻值可改變檢測的靈敏度，當然，靈敏度越高越容易受到干擾。電容C1和R2并聯(lián)構成低通濾波器，防止高頻干擾。CR2值的選取和小車的最高轉速有關。T=C1*R2應該小于車輪旋轉一周的時間。三極管在這里起到對信號的放大整形的作用。，即外部中斷0的輸入口。測速原理將在軟件設計時詳細介紹。圖2..(a) 測速電路本次研究老師提供的是四線反饋直流電機一共有4根導線與直流電機相連，兩根是直流電機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轉動時反饋正弦波，直流電機每轉一圈就反饋一個周期的正弦波，我們使用的四線直流電機是自帶減速箱的，減速比為100:1,即直流電機轉100轉，經過減速箱之后輸出一轉，在12V驅動電源下，四線反饋直流電機每分鐘對外輸出35轉，反饋3500個周期的正弦波。所以我們只需要數(shù)出正弦波的個數(shù)就能夠知道電機的具體位置，具體操作是：滯留反饋電機輸出一轉的時間是60/35=，每輸出一轉就回饋100個正弦波，也就是每個正弦波的周期是17ms。，能識別的電平時間長度是17/2。具體的反饋說明在后面程序編寫時說明(b) 電機的速度反饋電路 芯片電源的設計該機器人的設計時，用雙電源，其中一個12V的蓄電池為電機提供驅動電壓，另一個12V的為單片機和L293D及其他芯片提供5V的電壓。(b)所示，(a)所示，可見開關按下時并不是立刻變?yōu)榈碗娖剑谟筛唠娖降降碗娖降淖兓^程中會出現(xiàn)毛刺，因此在一次的按下過程中單片機可能不是認為是只按下一次而是錯誤地認為已按下多次。因此在鍵盤處理程序中要加延時去抖動程序。 (a) 按鍵波形圖 (b)按鍵外形圖(c)所示，K5，K6控制機器人的前進和后退，K7，(c) 按鍵電路K8控制機器人的左右格檔。 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，編程時鐘信號的頻率應該低于晶振頻率的1/16，即，如果選用的晶振頻率為33MHz，編程時鐘信號的頻率則不能超過2MHz。如果要將其和電腦連接實現(xiàn)在線編程則還需要外加一些電路。通常的做法是用MAX232芯片實現(xiàn)單片機TTL電平到電腦RS232電平之間的轉換，從而進行通信。這里給出一種更為簡單的連接方式，可以不用MAX232芯片。將DB25插頭接在電腦上，通過電阻分壓，～，（當然需要軟件支持）。 本次設計將單片機的燒寫電路直接做在控制板上，用起來十分方便，不用拆芯片，為以后的程序調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 軟件設計在編寫程序前我們至少要考慮兩個問題：第一，采用何種語言；第二，選用哪一種編程軟件作為開發(fā)平臺。單片機的編程語言大致有兩種，匯編語言和C語言。匯編語言是低級語言，C語言是高級語言。本次設計采用C語言是因為它更有利于開發(fā)和維護，節(jié)省開發(fā)時間并減少工作量。然后，選用Keil C51作為開發(fā)平臺。Keil C51是美國Keil Software公司出品的51系列兼容單片機C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，C語言在功能上、結構性、可讀性、可維護性上有明顯的優(yōu)勢，因而易學易用。比如，C語言可以讓開發(fā)者不必過多地關心運算如何實現(xiàn)等等一些底層的東西，而只考慮用語言直接去實現(xiàn)系統(tǒng)功能。Keil C51軟件提供豐富的庫函數(shù)和功能強大的集成開發(fā)調試工具，全Windows界面。另外重要的一點，只要看一下編譯后生成的匯編代碼，就能體會到Keil C51生成的目標代碼效率非常之高，多數(shù)語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開發(fā)大型軟件時更能體現(xiàn)高級語言的優(yōu)勢。 流程圖設計做完了以上的兩步，我們還不能馬上就寫程序。通常我們還應該對程序的總的結構作一個規(guī)劃，以使我們能夠從總體上把握它。程序的結構化水平以及合理性很大程度上受制于這一步。開始初始化設置動作2（后退）動作1（前進）動作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；，即前進兩步。結束動作3（左格檔）是i否否否否是是是是 總程序結構框圖 子程序的編寫延時1毫秒子程序：//功能：利用循環(huán)達到延時作用//參數(shù)：count:次數(shù) 總延時為1ms*次數(shù)//void delay1ms（word count）//晶振=12Mhz {char i,j。 for{i=0,icount。i++} for{j=0。j120。j++} 。}反饋子程序/