【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 維修投運(yùn)整定簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，能夠解決變量關(guān)系不太復(fù)雜的簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的控制問題。當(dāng)系統(tǒng)中變量間關(guān)系復(fù)雜，使得控制通道的滯后時(shí)間較大時(shí)，可采用串級(jí)控制。串級(jí)控制系統(tǒng)中存在兩個(gè)控制器，兩個(gè)控制器相串聯(lián)克服控制通道時(shí)間常數(shù)較大的缺點(diǎn)，從而加快系統(tǒng)的響應(yīng)。若系統(tǒng)中存在純滯后時(shí)，會(huì)使系統(tǒng)控制延遲，降低系統(tǒng)穩(wěn)定性。采用大林控制算法或Smith預(yù)估PID控制算法，可有效補(bǔ)償純延遲環(huán)節(jié)的死區(qū)時(shí)間，從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。盡管傳統(tǒng)的PID控制對(duì)簡(jiǎn)單線性系統(tǒng)有很好的控制效果，但在工業(yè)生產(chǎn)過程中，許多被控對(duì)象隨著負(fù)荷變化或干擾因素影響，其對(duì)象特性參數(shù)或結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，或者缺乏對(duì)象精確的數(shù)學(xué)模型，此時(shí)可將模糊控制技術(shù)應(yīng)用于PID控制器中。利用人工智能的方法將操作人員的調(diào)整經(jīng)驗(yàn)作為知識(shí)存入計(jì)算機(jī)中。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，運(yùn)用模糊推理實(shí)時(shí)調(diào)整PID參數(shù)以滿足對(duì)象的控制要求，保持被控對(duì)象良好的動(dòng)、靜態(tài)性能。將PID控制與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等智能控制技術(shù)相結(jié)合，使對(duì)象具有自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)的特點(diǎn)，能適應(yīng)環(huán)境變化具有較強(qiáng)的魯棒性，較優(yōu)的控制目標(biāo)，對(duì)于解決非線性、模型不確定性等問題，能取得很好的控制效果。對(duì)于被控對(duì)象的部分信息已知，另部分信息未知的系統(tǒng)，采用灰色PID控制來(lái)預(yù)測(cè)其未知部分的信息，從而使含灰參數(shù)的控制得到一定程度的白化，提高對(duì)象的控制質(zhì)量和魯棒性。有些系統(tǒng)含有多個(gè)變量，對(duì)于變量互不相關(guān)的多變量系統(tǒng)，可采用多回路PID控制，將相關(guān)的多個(gè)變量系統(tǒng)采用解耦控制。 PID控制參數(shù)整定方法PID控制的參數(shù)整定方法包括比例系數(shù)KP、積分時(shí)間TI和微分時(shí)間TD三個(gè)參數(shù)的整定，三個(gè)參數(shù)的選取是PID控制器控制質(zhì)量好壞的關(guān)鍵。因而準(zhǔn)確選取三個(gè)參數(shù)尤為重要。一般整定方法主要有四種。理論計(jì)算的方法是在獲取廣義對(duì)象數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，并根據(jù)控制質(zhì)量的要求，通過理論計(jì)算出控制器的最佳參數(shù)方法，經(jīng)典的方法有頻率響應(yīng)法、極點(diǎn)配置法和零極相消法等，借助于計(jì)算機(jī)，利用優(yōu)化方法或線性二次型指標(biāo)，找出控制指標(biāo)下的PID控制參數(shù)最優(yōu)值。這種方法工作量大，比較繁瑣，有時(shí)會(huì)因優(yōu)化算法無(wú)解析性而以失敗告終。這是一種目前使用較多的方法。在閉環(huán)的控制系統(tǒng)中，先將控制器變?yōu)榧儽壤饔?，即將TI放大“∞”位置上，TD放在“0”位置上。在干擾作用下，從大到小地逐漸改變控制器的比例度，直至系統(tǒng)產(chǎn)生等幅振蕩(即臨界振蕩)，得到臨界增益和臨界振蕩周期，由此得到P，PI，PID三種情況的參數(shù)整定值。衰減曲線法通過使系統(tǒng)產(chǎn)生衰減振蕩來(lái)整定PID參數(shù)。具體方法為：在閉環(huán)的控制系統(tǒng)中，先將控制器變?yōu)榧儽壤饔?，并將比例度預(yù)置在較大的數(shù)值上。在系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定后，用改變給定值的辦法加入階躍干擾，觀察被控變量記錄曲線的衰減比，然后從大到小改變比例度，直至出現(xiàn)4∶1衰減比為止，得到衰減比例度，記下此時(shí)的比例度和衰減周期，求出控制器的PID參數(shù)。經(jīng)驗(yàn)湊試法是長(zhǎng)期的生產(chǎn)實(shí)踐中總結(jié)出來(lái)的一種整定方法，它是根據(jù)各種控制規(guī)律對(duì)系統(tǒng)控制質(zhì)量的影響來(lái)進(jìn)行的一種行之有效的方法。在整定過程中，實(shí)行先比例，后積分，最后微分的順序，即首先只整定比例系數(shù)，將PID控制器的TI設(shè)為無(wú)窮大，TD置為0，按經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)設(shè)定比例系數(shù)，使系統(tǒng)達(dá)到4∶1的衰減振蕩曲線。然后加入積分作用，將積分時(shí)間先取為衰減周期的一半值，比例度增加10%～20%，再根據(jù)曲線的變化情況調(diào)整參數(shù)，直至系統(tǒng)達(dá)到4∶1的衰減曲線。如果需引入微分作用(較大的滯后對(duì)象，如溫度控制對(duì)象)，可取TD=(1/3～1/4)TI，然后對(duì)比例度進(jìn)行湊試，直到曲線達(dá)到滿意為止。經(jīng)驗(yàn)湊試法的關(guān)鍵是“看曲線，調(diào)參數(shù)”，因此必須了解3個(gè)參數(shù)變化對(duì)過渡過程曲線的影響。一般情況下，增大比例系數(shù)KP會(huì)加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，有利于減少靜差，但過大的比例系數(shù)會(huì)使系統(tǒng)有較大的超調(diào)并產(chǎn)生振蕩使穩(wěn)定性變差。增大積分時(shí)間TI將減少積分作用，有利于減少超調(diào)使系統(tǒng)穩(wěn)定，但系統(tǒng)消除靜差的速度變慢。增加微分時(shí)間TD有利于加快系統(tǒng)的響應(yīng)，使超調(diào)減少，穩(wěn)定性增加，但對(duì)干擾的抑制能力會(huì)減弱。在對(duì)同一對(duì)象進(jìn)行整定時(shí)，由于參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響不敏感，整定參數(shù)的結(jié)果可能會(huì)不唯一。一般認(rèn)為，只要滿足系統(tǒng)的性能指標(biāo)即可。 本章小結(jié)控制系統(tǒng)控制方式的選擇是確保儀器實(shí)現(xiàn)其控制功能的重要環(huán)節(jié)，本章通過對(duì)各種控制系統(tǒng)的不同控制方式特點(diǎn)與應(yīng)用的研究，針對(duì)輸液保溫器的控制目標(biāo)及控制特點(diǎn)，確定了輸液保溫器的控制方式采用常規(guī)數(shù)字PID控制實(shí)現(xiàn)。第四章 單片機(jī)簡(jiǎn)介及硬件概述 單片機(jī)的選用單片機(jī)是智能儀器的核心，它的選擇將決定儀器的總體結(jié)構(gòu)。單片機(jī)的性能指標(biāo)，如字長(zhǎng)、速度、尋址方式、寄存器數(shù)目、中斷、總線結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)的功能、輔助器件等均是需要考慮的因素，此外，可靠性、供應(yīng)情況與價(jià)格也是非常重要的因素。單片機(jī)的字長(zhǎng)定義為并行數(shù)據(jù)總線的線數(shù)。字長(zhǎng)是首先考慮的一個(gè)特性，它直接影響數(shù)據(jù)的精度、尋址能力、指令的數(shù)目和執(zhí)行操作的時(shí)間，關(guān)系到模擬分辨率，計(jì)算準(zhǔn)確度、字節(jié)長(zhǎng)度和并行輸入輸出寬度等。對(duì)于通常的順序控制一般可選用一位單片機(jī)；對(duì)于家用電器及一些簡(jiǎn)單控制等計(jì)算工作量少，計(jì)算精度和速度要求不高的控制系統(tǒng)可選用字長(zhǎng)為4位的單片機(jī)；對(duì)于溫度控制等計(jì)算精度要求較高，處理速度較快的控制系統(tǒng)可選用8位單片機(jī)；對(duì)于計(jì)算精度高、處理速度快的控制系統(tǒng)可選用16位單片機(jī)。確定字長(zhǎng)要考慮是否容易編程，一般而言，8位微處理器已能滿足大多數(shù)智能儀器的要求。一般來(lái)說(shuō)，指令條數(shù)越多，針對(duì)特定操作的指令也必然增多，可實(shí)現(xiàn)處理速度加快與程序量減少。對(duì)于控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，要求較豐富的邏輯判斷指令和外圍設(shè)備控制指令，一般選用8位單片機(jī)可滿足控制要求。尤其是MCS51系列8位單片機(jī)，有七種尋址方式，不僅可尋址64K的程序空間，還可尋址64K的數(shù)據(jù)空間，共有111條指令，其中包括乘除指令和位操作指令。MCS51系列單片機(jī)是80年代由美國(guó)Intel公司推出的一種高性能8位單片機(jī)。它的片內(nèi)集成了并行I/O、串行I/O口、16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，典型的為8038051及8751。它們的管腳及指令系統(tǒng)完全兼容，只是在結(jié)構(gòu)及特性上有一些差異。8031片內(nèi)無(wú)ROM，必須外接EPROM才能應(yīng)用；8051片內(nèi)具有4KB字節(jié)的掩膜ROM；8751片內(nèi)具有4KB字節(jié)的紫外線可擦除電可編程的EPROM。根據(jù)本設(shè)計(jì)系統(tǒng)的具體要求，選用了單片機(jī)中的主流產(chǎn)品：MCS8051為控制單元。理由為：，對(duì)于本設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，速度與字長(zhǎng)夠用了。，很便捷的擴(kuò)展外圍電路。，工作可靠性高。，與之配套的外圍電路很廣泛。6. MCS8051的4KB字節(jié)的ROM已能夠滿足設(shè)計(jì)要求。 8051單片機(jī) 內(nèi)部基本結(jié)構(gòu)，它包含下列功能部件。（1） 一個(gè)8位的微處理器CPU。（2） 4KB的片內(nèi)程序存儲(chǔ)器（ROM）。（3） 128字節(jié)的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和128字節(jié)的特殊功能寄存器。（4） 4個(gè)8位并行I/O端口。（5） 2個(gè)16位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。（6） 允許兩級(jí)嵌套的中斷控制系統(tǒng)。（7） 一個(gè)全雙工串行口。（8） 64KB的外部程序和64KB的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展空間和控制電路。（9） 1個(gè)片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘發(fā)生電路。8051單片機(jī)內(nèi)部位單總線結(jié)構(gòu)，以上功能部件均通過內(nèi)部總線相連，構(gòu)成一個(gè)整體。 8051單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖 8051單片機(jī)引腳功能8051單片機(jī)時(shí)采用HMOS工藝制造，外形為40條引腳的雙列直插式封裝。因?yàn)槭苄酒_數(shù)量的限制，有很多引腳具有雙功能，各引腳的功能說(shuō)明如下：（1）VCC 芯片工作電源，接+5V。（2）VSS 電源接地端。（1）XTAL1 內(nèi)部晶體振蕩電路的反相器輸入端。使用內(nèi)部振蕩電路時(shí)，接外部石英和微調(diào)電容的一端；使用外部時(shí)鐘時(shí)，該引腳接地。（2）XTAL2 內(nèi)部晶體振蕩電路的反相器輸出端。使用內(nèi)部振蕩電路時(shí)，接外部石英晶體和微調(diào)電容的另一端；使用外部時(shí)鐘時(shí)，該引腳用于輸入外部時(shí)鐘脈沖。 8051單片機(jī)引腳圖 MCS51系列單片機(jī)時(shí)鐘源(1) RST/VPD RST為復(fù)位信號(hào)輸入端，在該引腳上保持兩個(gè)機(jī)器周期（24個(gè)時(shí)鐘周期）以上的高電平時(shí)，可使單片機(jī)內(nèi)部完成復(fù)位操作。VPD為該引腳的第二功能，是內(nèi)部RAM備用電源的輸入端。當(dāng)主電源VCC一旦發(fā)生掉電或電壓降低到一定值時(shí)，可通過VPD腳為單片機(jī)內(nèi)部RAM內(nèi)部提供電源，以保護(hù)片內(nèi)RAM中的信息不丟失，使主電源恢復(fù)后能繼續(xù)正常運(yùn)行。（2）ALE/PROG ALE為地址所存信號(hào)，在訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，ALE用于所存P0口送出的低8位地址信號(hào)，在不訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，ALE以時(shí)鐘振蕩頻率的1/6的固定頻率輸出，因而它又可用作外部定時(shí)及其他需要，用示波器觀察ALE引腳上的脈沖信號(hào)是判斷單片機(jī)芯片是否正常工作的一種簡(jiǎn)便方法。需要注意的時(shí)，每當(dāng)CPU訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過1個(gè)ALE脈沖。ALE能驅(qū)動(dòng)8個(gè)LSTTL門輸入。PROG位該引腳的第二功能，用作8751內(nèi)部EPROM編程時(shí)的編程脈沖輸入端。（3）PSEN 外部存儲(chǔ)器ROM的讀選通信號(hào)。當(dāng)訪問外部ROM時(shí)，PSEN將產(chǎn)生負(fù)脈沖作為外部ROM的讀選通信號(hào)；在訪問外部RAM或ROM時(shí)不會(huì)產(chǎn)生有效的PSEN信號(hào)。PSEN可驅(qū)動(dòng)8個(gè)LSTTL門輸入端。（4）EA/VPP EA為訪問程序存儲(chǔ)器的控制信號(hào)。當(dāng)EA接高電平時(shí)，CPU訪問程序存儲(chǔ)器分兩種情況：①當(dāng)要訪問的地址在0000H～0FFFH范圍時(shí)，CPU選擇片內(nèi)的程序存儲(chǔ)器；②當(dāng)訪問的地址超過0FFFH時(shí)，則選擇外部程序存儲(chǔ)器。當(dāng)EA接低電平時(shí)，CPU只訪問外部程序存儲(chǔ)器。對(duì)于片內(nèi)無(wú)程序存儲(chǔ)器的如8031單片機(jī)，EA引腳必須接地。VPP為該引腳的第二功能，用作8751內(nèi)部EPROM的21V編程電源的輸入端。（1）P0口（～） 第一功能是作8位漏極開路型的雙向I/O口線；第二功能時(shí)在訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，分時(shí)作低8位數(shù)據(jù)總線使用。在對(duì)8751片內(nèi)EPROM進(jìn)行編程和校驗(yàn)時(shí)，P0口用于傳送低8位數(shù)據(jù)總線使用。在對(duì)8751片內(nèi)EPROM進(jìn)行編程和校驗(yàn)時(shí)，P0口用于傳送低8位地址和編程代碼。P0口每位都能驅(qū)動(dòng)8個(gè)LSTTL負(fù)載。（2）P1口（～） 作內(nèi)部帶上拉電阻的8位準(zhǔn)雙向I/O口。P1口每位都能驅(qū)動(dòng)4個(gè)LSTTL負(fù)載。（3）P2口（～） 第一功能時(shí)作內(nèi)部帶上拉電阻的8位準(zhǔn)雙向I/O線；第二功能是在訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，作高8位地址總線。在對(duì)8751片內(nèi)EPROM進(jìn)行編程和校驗(yàn)時(shí)，、～（4KB EPROM需12位地址）。P2口每位能驅(qū)動(dòng)4個(gè)LSTTL負(fù)載。（4）P3口（～） 第一功能作內(nèi)部帶上拉電阻的8位準(zhǔn)雙向I/O線；對(duì)于第二功能來(lái)說(shuō)，8跟引腳各有不同的功能。P3口每位能驅(qū)動(dòng)4個(gè)LSTTL負(fù)載。 P3口各位的第二功能P3口引腳第二功能(串行口輸入)RXD（串行口輸入）TXD（串行口輸出）INT0（外部中斷0輸入）INT1（外部中斷1輸入）T0（定時(shí)器0外部脈沖輸入）T1（定時(shí)器1外部脈沖輸入）WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫脈沖輸出）RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀脈沖輸出） 復(fù)位電路當(dāng)MCS5l系列單片機(jī)的復(fù)位引腳RST(全稱RESET)出現(xiàn)2個(gè)機(jī)器周期以上的高電平時(shí)，單片機(jī)就執(zhí)行復(fù)位操作。如果RST持續(xù)為高電平，單片機(jī)就處于循環(huán)復(fù)位狀態(tài)。根據(jù)應(yīng)用的要求，復(fù)位操作通常有兩種基本形式：上電復(fù)位和開關(guān)復(fù)位。上電復(fù)位要求接通電源后，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)復(fù)位操作。圖中電容C和電阻R對(duì)電源＋5V來(lái)說(shuō)構(gòu)成微分電路。上電后，保持RST一段高電平時(shí)間，由于單片機(jī)內(nèi)的等效電阻的作用，不用圖中電阻R，也能達(dá)到上電復(fù)位的操作功能。 復(fù)位電路圖上電復(fù)位要求電源接通后，單片機(jī)自動(dòng)復(fù)位，并且在單片機(jī)運(yùn)行期間，用開關(guān)操作也能使單片機(jī)復(fù)位。本設(shè)計(jì)采用上電復(fù)位。該復(fù)位電路簡(jiǎn)單易行，但缺點(diǎn)是在遇到較強(qiáng)干擾或瞬間斷電時(shí)，復(fù)位端電平隨電容器充放電特性變化，往往電源電壓低至RAM區(qū)數(shù)據(jù)不能保持時(shí)，復(fù)位端電容器上仍儲(chǔ)有相當(dāng)?shù)碾姾?，致電源電壓恢?fù)時(shí)復(fù)位端不能產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)，程序跑飛或造成死機(jī)。因此如果使用此中電路必須注意死機(jī)問題。復(fù)位后主要的特殊功能寄存器均被置為初值。我們編寫程序時(shí)，第一條指令總是從0000H單元開始。若上電時(shí)或掉電后再上電不能正常復(fù)位，PC等寄存器為隨機(jī)數(shù)，程序就不能正確執(zhí)行，此時(shí)稱為“死機(jī)”。 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器8051單片機(jī)內(nèi)有2個(gè)16位的加1計(jì)數(shù)器，分別為定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T0和定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T1。每個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器均是1個(gè)16位的二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，分別由2個(gè)8位寄存器拼裝而成。T0由TH0(高8位)和TL0（低8位）構(gòu)成，T1由TH1（高8位）和TL1（低8位）構(gòu)成。計(jì)數(shù)功能：計(jì)數(shù)器的功能是對(duì)外部事件進(jìn)行計(jì)數(shù)，外部事件的發(fā)生以輸入脈沖表示，因此計(jì)數(shù)功能的實(shí)質(zhì)是對(duì)外來(lái)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，，外部輸入脈沖的負(fù)跳變時(shí)，計(jì)數(shù)器進(jìn)行加1。定時(shí)功能：定時(shí)功能也是通過計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這時(shí)的計(jì)數(shù)脈沖來(lái)自單片機(jī)的內(nèi)部，即每個(gè)機(jī)器周期產(chǎn)生一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖，也就是每個(gè)機(jī)器周期計(jì)數(shù)器加1。由于1個(gè)機(jī)器后期等于12個(gè)振蕩周期，因此計(jì)數(shù)頻率為振蕩頻率的1/12，當(dāng)時(shí)時(shí)間即為計(jì)數(shù)個(gè)數(shù)乘以機(jī)器周期。定時(shí)/計(jì)數(shù)器工作時(shí)，每接收到1個(gè)計(jì)數(shù)脈沖（機(jī)器周期或外部事件）則在設(shè)定的初值基礎(chǔ)上自動(dòng)加1，當(dāng)所有位都位1時(shí)，再加1就會(huì)產(chǎn)生溢出，將向CPU提出1次“定時(shí)/計(jì)數(shù)器溢出中斷請(qǐng)求”，同時(shí)相應(yīng)的標(biāo)志位被置1（TF0、TF1）。當(dāng)定時(shí)/計(jì)數(shù)器采用不同的工作方式和設(shè)置不同的初值時(shí)，產(chǎn)生溢出中斷的定時(shí)值和計(jì)數(shù)值將不同，從而可以適應(yīng)不同的定時(shí)或計(jì)數(shù)控制要求。工作方式的選擇及初值的設(shè)置均可通過初始化編程來(lái)確定和變更。不論是定時(shí)或是計(jì)數(shù)工作，定時(shí)器都不占用CPU的時(shí)間，除非定時(shí)/計(jì)數(shù)器溢出，才可中斷CPU的當(dāng)前操作。 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的控制寄存器TMOD為一個(gè)特殊功能寄存器SFR，其字節(jié)地址為89H，不可位尋址。TMOD用于選擇定時(shí)/計(jì)數(shù)工作方式、設(shè)置定時(shí)/計(jì)數(shù)器的工作狀態(tài)。它的高4位用于對(duì)T1的控制，低4位用于對(duì)T0的控制，TMOD的控制地址為89H。其格式如下：D7D6D