【文章內(nèi)容簡介】 換后輸出的數(shù)字信號有8位的，10位的，12位的，14位的或是16位的。它的工作原理主要有逐次逼近法、雙積分法、電壓頻率轉(zhuǎn)換法。在本次的課題中A/D轉(zhuǎn)換輸出的信號是10位的信號。 功率模塊電路本次設(shè)計(jì)的溫度控制的方法采用的是通斷控制的方式。就是通過改變一個周期內(nèi)加熱器的導(dǎo)通跟關(guān)閉從而來實(shí)現(xiàn)對溫度的控制的效果。本次的系統(tǒng)中的控制電路中，控制的硬件主要是由雙向可控硅輸出型觀點(diǎn)耦合器MOC3014和雙向可控硅BTA41組成。（即con端輸入為低電平），由于二極管正極有一個5V的電壓輸入，高于負(fù)極，此時二極管導(dǎo)通，即MOC3014的1到2能形成一個回路產(chǎn)生電流，進(jìn)而輸出端的雙向可控硅導(dǎo)通，從而能夠觸發(fā)外部的雙向可控硅BTA41的導(dǎo)通，達(dá)到是整個電路通路，能夠?qū)﹀仩t產(chǎn)生功率；反之，，BTA41也關(guān)斷，加熱器也關(guān)斷，從而達(dá)到功率的控制效果。 功率控制輸出電路光電耦合器又稱光電隔離器，簡稱光耦。它是通過光為媒介傳輸信號，所以其傳輸?shù)臅r間快，距離遠(yuǎn)，信號完整度高。本次課題需要的是能夠?qū)崟r的控制水溫即能夠?qū)崟r的控制功率，所以對輸入跟輸出信號的隔離效果要好，而光耦正好能滿足這個要求。光耦合器即可以完成光的發(fā)射跟接受，最最主要的是若在光的傳輸過程中遇到的介質(zhì)不易光的傳輸，但是他自帶信號放大器能夠最大程度上減小誤差，保證實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。其工作原理就是當(dāng)一個電信號輸入后，此時光耦能夠驅(qū)動一個發(fā)光二極管，在光耦內(nèi)有一個光探測器，當(dāng)接受到發(fā)光二極管發(fā)來的光線后，該光探測器接能夠產(chǎn)生一個光電流，再經(jīng)過光耦的進(jìn)一步放大減小誤差，在經(jīng)過放大后的電流信號直接輸出。這就完成了一個電—光—電的轉(zhuǎn)換，從而起到輸入、輸出、隔離的作用。雙向可控硅是在普通的可控硅的基礎(chǔ)上發(fā)展過來的，它是由兩只反極性并聯(lián)的可控硅組成，在這兩個可控硅中只要加一個觸發(fā)電路，就可以實(shí)現(xiàn)控制，比較的適合用在交流控制的電路中。而在本次的課題中雙向可控硅配合光電耦合器能很好的控制功率的輸入跟輸出。在本次課題的過程中由于單片機(jī)的電壓輸入為5V，而為了使做出的實(shí)物顯得簡潔一些，于是采用了一個直流降壓電路連接在220V的電壓上，與鍋爐共用一個電壓。將220V的交流電要變成5V的直流電，先是要對220V的交流電進(jìn)行變壓，變壓得到的打壓仍然是交流電，將此時的交流電經(jīng)過整流電路后變成直流電。，而外接一個電容的效果是為了起到濾波的作用。 直流降壓電路 按鍵處理本次課題的按鍵一共3個按鍵，。KEY1是自整定按鍵，KEY2是給定溫度的升高，KEY3是給定溫度的降低。其中在按鍵的過程中若是但按一下KEY2或是KEY3鍵，若是長按KEY2或是KEY3鍵，則溫度的提升或是降低的單位為1攝氏度。 按鍵模塊電路圖 顯示模塊電路本次課題的顯示模塊采用的是LCD12864的微型液晶屏。12864代表水平位置顯示128個點(diǎn)，豎直位置顯示64個點(diǎn)。通過對芯片寫入數(shù)據(jù)，從而控制點(diǎn)的亮滅，進(jìn)而能夠顯示字符、數(shù)字、漢字或者自定義的圖形。用于作于本次課題中的溫度實(shí)時顯示。圖 在本次的課題中當(dāng)中在啟動電源是LCD顯示屏顯示水的當(dāng)前的溫度，默認(rèn)的PID的三個參數(shù)和默認(rèn)的給定溫度。金陵科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 第4章 PID算法控制設(shè)計(jì)4 PID算法控制設(shè)計(jì) PID算法控制簡介PID（Proportional Integral Differential）控制是比例、積分、微分控制的英文簡寫。PID控制在日常生活生產(chǎn)中都有廣泛的應(yīng)用。PID控制器的基本原理：依照系統(tǒng)的設(shè)定值與被調(diào)量實(shí)測值的誤差，然后根據(jù)誤差的比例、積分、微分三個環(huán)節(jié)的各種各樣的組合來算出被控對象的控制量。如上圖所示，圖中的虛線框內(nèi)的內(nèi)容整體是PID控制器，它的輸入是被調(diào)量實(shí)測值與設(shè)定值 組成的控制偏差信號:= (式1)它的輸出是比例、積分、微分的線性組合對于這偏差信號來說，也就是PID的公式： (式2)按照控制要求的不同以及被控對象動態(tài)特性的不一樣，公式(2)中還能改成其他的調(diào)節(jié)，比如：PI調(diào)節(jié)和PD調(diào)節(jié)。接下來要介紹的是PID的基本原理和參數(shù)整定等一系列的問題。 PID的基本原理和參數(shù)整定1．PID控制規(guī)律的特點(diǎn)（1）比例控制器 比例控制器是最簡單的控制器，它的控制規(guī)律公式如下 (式3)在上面的式子中，Kp是比例系數(shù)；是控制量的最初的值，在啟動控制系統(tǒng)時的控制量也是它。能從下圖中看出，關(guān)于誤差，比例控制器能在瞬間反應(yīng)出來，誤差剛一發(fā)生，比例控制器就及時發(fā)出信號使被控量向著減小誤差的目標(biāo)改變，比例系數(shù)Kp能決定控制信號作用的強(qiáng)弱。 比例控制器的階躍響應(yīng)比例控制器盡管非常容易迅捷，可是一旦想要控制帶有自平衡性的被控對象，就會有可能存在靜差。盡管通過增大Kp能縮小靜差，可是當(dāng)比例系數(shù)Kp的值變得很大的時候，整個系統(tǒng)的動態(tài)性能會很糟糕，還有可能導(dǎo)致被控量振蕩等問題。（2）比例積分控制器想要把比例控制中存在的靜差給去除掉，就要在比例的上面另外加積分作用，形成比例積分PI控制器，它的控制規(guī)律是 （式4)。PI控制器處理誤差的方法是分成兩個結(jié)構(gòu)：一是根據(jù)比例的一部分，另外就是具有累計(jì)的部分，所謂的積分控制就是這樣的。一旦當(dāng)偏差出現(xiàn)的時候，此時積分就會生效，把偏差統(tǒng)計(jì)起來，接著就會把偏差慢慢的減小，直到?jīng)]有，那么控制器才會罷休。所以，在比例的基礎(chǔ)上加上積分，能很好的改善穩(wěn)態(tài)性能，從而去除系統(tǒng)的靜差。 PI控制器對單位階躍輸入的階躍響應(yīng)顯而易見，假如我們讓積分時間變得過長，反而會導(dǎo)致作用效果減弱，那么反過來就會增強(qiáng)。太長會使去除的過程會很慢，但能較好的提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。（3）比例積分微分控制器盡然我們把積分環(huán)節(jié)用進(jìn)去，能起到去除靜差的作用，可這會大大的降低整體的響應(yīng)速率，想要使整個流程加速，就必須在誤差出現(xiàn)的同時，不僅做出瞬間的反應(yīng)對于偏差量，還要對變化產(chǎn)生及時的對應(yīng)，換一種說法是把偏差扼殺在搖籃里。但是為了能很好的控制，我們能在PI控制器上加上微分環(huán)節(jié)，就是所謂的比例積分微分控制器（PID控制器）。PID控制器的控制規(guī)律是 (式5)在上面的公式中，稱為微分時間。，這是一個很理想化的圖，在實(shí)際當(dāng)中很難實(shí)現(xiàn)，在偏差產(chǎn)生變化的一剎那就會有一個沖激式的瞬態(tài)響應(yīng)，那是微分控制作用產(chǎn)生的。 理想PID控制器的階躍響應(yīng)由微分部分的控制作用 (式6)根據(jù)上面可知，在任何情況下的偏差有一點(diǎn)變化，它都能發(fā)出控制信號，來調(diào)動整個輸出的調(diào)整，從而來防止偏差發(fā)生轉(zhuǎn)變。它們的關(guān)系為：變得越快，控制量越大，從而導(dǎo)致校正時反饋的量也會變得非常的大。所以把微分環(huán)節(jié)加入的好處是：使系統(tǒng)穩(wěn)定，能很好的減少超調(diào)量，加快系統(tǒng)運(yùn)作速度等等一系列的作用。2．?dāng)?shù)字PID控制算法 過程控制在生產(chǎn)過程當(dāng)中，一般使用的PID控制，它所對應(yīng)的控制公式是 (式7)那么它的控制算法表達(dá)式為 (式8)在上面的公式中，是控制量；是被控量與設(shè)定值的偏差。想要讓單片機(jī)達(dá)成PID這個算法，那就要把公式(3)變?yōu)殡x散式，就能把積分的運(yùn)算部分給取代掉，然后微分就用差分方程來運(yùn)算表現(xiàn)，即 (式9) (式10)在上面的公式中，T是采樣周期；k是采樣周期的序號，其中k的值為：0、2……。把公式(9)以及公式(10)寫入公式(8)就能得到對應(yīng)的差分方程，如下公式 (式11)在上面公式中，是第 k個采樣時候的控制量。假如把被控對象時間常數(shù)和采樣周期T對比，結(jié)果相對小的話，這樣的類似還是合情合理的，而且和控制的連續(xù)性成效相似。想要完成理想的微分只用模擬調(diào)節(jié)器是比較困難的，但是采用計(jì)算機(jī)就能完成公式(10)所表現(xiàn)的差分運(yùn)算，所以我們把公式(11)稱為理想微分?jǐn)?shù)字PID控制器。一般的數(shù)字PID控制器基本上都擁有兩種算法，如下所示。開始設(shè)置各參數(shù)采樣輸入計(jì)算計(jì)算輸出返回(1)位置型算法模擬調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)是具有連續(xù)性的動作，一切瞬時的輸出控制量 u 相對應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置。通過公式(11)得到，那么閥門的位置將會和輸出控制量來自數(shù)字控制器所相互對應(yīng)，所以被叫做位置型算式（簡稱位置式）。，由于積分環(huán)節(jié)的功能是把固定一段時間的偏差信號進(jìn)行累加，所以，通過計(jì)算機(jī)來計(jì)算位置型算法會比較麻煩，不但會造成存儲單元不夠用的情況，還會讓編程更加的復(fù)雜化，所以我們要采用另外一種算法，也是就是增量型算法。(2)增量型算法按照公式(11)可以很容易的得到第（k1）個采樣周期的控制量，即 (式12)把公式(11)和公式(12)相減，那么能取得第k個采樣時候控制量的增量，即 (式13)在上面的公式中，是比例增益；是積分系數(shù)，；是微分系數(shù)。因?yàn)楣?13)中相對于第k個采樣時期閥門位置的增量，所以把公式(13)稱為增量型算式。所以，第k個采樣時期的實(shí)際控制量如下公式所示 （式14）但是在編程中，我們要把公式簡化，把公式(13)改為 （式15）上式公式中， ；；。因而可知，想要通過與得到，那我們只要三個歷史數(shù)據(jù)就能實(shí)現(xiàn)：,和。，這上面的歷史數(shù)據(jù)能保存，采用的是平移法，這在編程的時候，能接著使用下去，這樣能達(dá)到很好的效果：簡單、運(yùn)算速度快等等。增量型算法只是在上面算法的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)的，它的輸出只是對應(yīng)于前一次的控制輸出量，以增量的形式來體現(xiàn)，而且根本沒把位置型算法的本質(zhì)改變，所以它也依然反應(yīng)位置開度相對于執(zhí)行機(jī)構(gòu)。假如想把控制量的增量給輸出，那使用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)得有保持位置功能。數(shù)字PID控制器一般都是利用D/A轉(zhuǎn)換器來輸出控制量的，接著就在D/A轉(zhuǎn)換器中實(shí)現(xiàn)功能：數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號，轉(zhuǎn)化的模擬信號有可能是電流信號（4～20 mA）或者是電壓信號（0～5 V），接著利用放大驅(qū)動裝置來響應(yīng)于執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在下一個控制量到來之前信號有效的時間將會持續(xù)。所以，D/A轉(zhuǎn)換器擁有零階保持器的功用。 開始設(shè)置各參數(shù)首次輸出返回本次采樣輸入計(jì)算偏 增量型算法流程圖金陵科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 第5章 軟件部分設(shè)計(jì)5 軟件部分設(shè)計(jì) 系統(tǒng)流程圖主程序的作用在進(jìn)行系統(tǒng)初始化的基礎(chǔ)上應(yīng)該包含這幾個子程序：溫度的測量，按鍵的掃描處理，PID算法控制，驅(qū)動電路。： 系統(tǒng)主程序流程圖