【文章內(nèi)容簡介】 維修投運整定簡單的特點，能夠解決變量關(guān)系不太復(fù)雜的簡單控制系統(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間較大時，可采用串級控制。串級控制系統(tǒng)中存在兩個控制器，兩個控制器相串聯(lián)克服控制通道時間常數(shù)較大的缺點，從而加快系統(tǒng)的響應(yīng)。若系統(tǒng)中存在純滯后時，會使系統(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，可有效補償純延遲環(huán)節(jié)的死區(qū)時間，從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。盡管傳統(tǒng)的PID控制對簡單線性系統(tǒng)有很好的控制效果，但在工業(yè)生產(chǎn)過程中，許多被控對象隨著負(fù)荷變化或干擾因素影響，其對象特性參數(shù)或結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，或者缺乏對象精確的數(shù)學(xué)模型，此時可將模糊控制技術(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)驗作為知識存入計算機中。根據(jù)現(xiàn)場實際情況，運用模糊推理實時調(diào)整PID參數(shù)以滿足對象的控制要求，保持被控對象良好的動、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，使對象具有自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)的特點，能適應(yīng)環(huán)境變化具有較強的魯棒性，較優(yōu)的控制目標(biāo)，對于解決非線性、模型不確定性等問題，能取得很好的控制效果。對于被控對象的部分信息已知，另部分信息未知的系統(tǒng)，采用灰色PID控制來預(yù)測其未知部分的信息，從而使含灰參數(shù)的控制得到一定程度的白化，提高對象的控制質(zhì)量和魯棒性。有些系統(tǒng)含有多個變量，對于變量互不相關(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、積分時間TI和微分時間TD三個參數(shù)的整定，三個參數(shù)的選取是PID控制器控制質(zhì)量好壞的關(guān)鍵。因而準(zhǔn)確選取三個參數(shù)尤為重要。一般整定方法主要有四種。理論計算的方法是在獲取廣義對象數(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、極點配置法和零極相消法等，借助于計算機，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，有時會因優(yōu)化算法無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，記下此時的比例度和衰減周期，求出控制器的PID參數(shù)。經(jīng)驗湊試法是長期的生產(chǎn)實踐中總結(jié)出來的一種整定方法，它是根據(jù)各種控制規(guī)律對系統(tǒng)控制質(zhì)量的影響來進行的一種行之有效的方法。在整定過程中，實行先比例，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)為無窮大，TD置為0，按經(jīng)驗數(shù)據(jù)設(shè)定比例系數(shù)，使系統(tǒng)達到4∶1的衰減振蕩曲線。然后加入積分作用，將積分時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)達到4∶1的衰減曲線。如果需引入微分作用(較大的滯后對象，如溫度控制對象)，可取TD=(1/3～1/4)TI，然后對比例度進行湊試，直到曲線達到滿意為止。經(jīng)驗湊試法的關(guān)鍵是“看曲線，調(diào)參數(shù)”，因此必須了解3個參數(shù)變化對過渡過程曲線的影響。一般情況下，增大比例系數(shù)KP會加快系統(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，但對干擾的抑制能力會減弱。在對同一對象進行整定時，由于參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響不敏感，整定參數(shù)的結(jié)果可能會不唯一。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現(xiàn)其控制功能的重要環(huán)節(jié)，本章通過對各種控制系統(tǒng)的不同控制方式特點與應(yīng)用的研究，針對輸液保溫器的控制目標(biāo)及控制特點，確定了輸液保溫器的控制方式采用常規(guī)數(shù)字PID控制實現(xiàn)。第四章 單片機簡介及硬件概述 單片機的選用單片機是智能儀器的核心，它的選擇將決定儀器的總體結(jié)構(gòu)。單片機的性能指標(biāo)，如字長、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)情況與價格也是非常重要的因素。單片機的字長定義為并行數(shù)據(jù)總線的線數(shù)。字長是首先考慮的一個特性，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)行操作的時間，關(guān)系到模擬分辨率，計算準(zhǔn)確度、字節(jié)長度和并行輸入輸出寬度等。對于通常的順序控制一般可選用一位單片機；對于家用電器及一些簡單控制等計算工作量少，計算精度和速度要求不高的控制系統(tǒng)可選用字長為4位的單片機；對于溫度控制等計算精度要求較高，處理速度較快的控制系統(tǒng)可選用8位單片機；對于計算精度高、處理速度快的控制系統(tǒng)可選用16位單片機。確定字長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。一般來說，指令條數(shù)越多，針對特定操作的指令也必然增多，可實現(xiàn)處理速度加快與程序量減少。對于控制系統(tǒng)來說，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位單片機可滿足控制要求。尤其是MCS51系列8位單片機，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系列單片機是80年代由美國Intel公司推出的一種高性能8位單片機。它的片內(nèi)集成了并行I/O、串行I/O口、16位定時器/計數(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)計系統(tǒng)的具體要求，選用了單片機中的主流產(chǎn)品：MCS8051為控制單元。理由為：，對于本設(shè)計來說，速度與字長夠用了。，很便捷的擴展外圍電路。，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)計要求。 8051單片機 內(nèi)部基本結(jié)構(gòu)，它包含下列功能部件。（1） 一個8位的微處理器CPU。（2） 4KB的片內(nèi)程序存儲器（ROM）。（3） 128字節(jié)的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器和128字節(jié)的特殊功能寄存器。（4） 4個8位并行I/O端口。（5） 2個16位的定時器/計數(shù)器。（6） 允許兩級嵌套的中斷控制系統(tǒng)。（7） 一個全雙工串行口。（8） 64KB的外部程序和64KB的外部數(shù)據(jù)存儲器的擴展空間和控制電路。（9） 1個片內(nèi)振蕩器和時鐘發(fā)生電路。8051單片機內(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)成一個整體。 8051單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖 8051單片機引腳功能8051單片機時采用HMOS工藝制造，外形為40條引腳的雙列直插式封裝。因為受芯片引腳數(shù)量的限制，有很多引腳具有雙功能，各引腳的功能說明如下：（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，接外部石英和微調(diào)電容的一端；使用外部時鐘時，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，接外部石英晶體和微調(diào)電容的另一端；使用外部時鐘時，該引腳用于輸入外部時鐘脈沖。 8051單片機引腳圖 MCS51系列單片機時鐘源(1) RST/VPD RST為復(fù)位信號輸入端，在該引腳上保持兩個機器周期（24個時鐘周期）以上的高電平時，可使單片機內(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，可通過VPD腳為單片機內(nèi)部RAM內(nèi)部提供電源，以保護片內(nèi)RAM中的信息不丟失，使主電源恢復(fù)后能繼續(xù)正常運行。（2）ALE/PROG ALE為地址所存信號，在訪問外部存儲器時，ALE用于所存P0口送出的低8位地址信號，在不訪問外部存儲器時，ALE以時鐘振蕩頻率的1/6的固定頻率輸出，因而它又可用作外部定時及其他需要，用示波器觀察ALE引腳上的脈沖信號是判斷單片機芯片是否正常工作的一種簡便方法。需要注意的時，每當(dāng)CPU訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過1個ALE脈沖。ALE能驅(qū)動8個LSTTL門輸入。PROG位該引腳的第二功能，用作8751內(nèi)部EPROM編程時的編程脈沖輸入端。（3）PSEN 外部存儲器ROM的讀選通信號。當(dāng)訪問外部ROM時，PSEN將產(chǎn)生負(fù)脈沖作為外部ROM的讀選通信號；在訪問外部RAM或ROM時不會產(chǎn)生有效的PSEN信號。PSEN可驅(qū)動8個LSTTL門輸入端。（4）EA/VPP EA為訪問程序存儲器的控制信號。當(dāng)EA接高電平時，CPU訪問程序存儲器分兩種情況：①當(dāng)要訪問的地址在0000H～0FFFH范圍時，CPU選擇片內(nèi)的程序存儲器；②當(dāng)訪問的地址超過0FFFH時，則選擇外部程序存儲器。當(dāng)EA接低電平時，CPU只訪問外部程序存儲器。對于片內(nèi)無程序存儲器的如8031單片機，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；第二功能時在訪問外部存儲器時，分時作低8位數(shù)據(jù)總線使用。在對8751片內(nèi)EPROM進行編程和校驗時，P0口用于傳送低8位數(shù)據(jù)總線使用。在對8751片內(nèi)EPROM進行編程和校驗時，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8個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4個LSTTL負(fù)載。（3）P2口（～） 第一功能時作內(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器時，作高8位地址總線。在對8751片內(nèi)EPROM進行編程和校驗時，、～（4KB EPROM需12位地址）。P2口每位能驅(qū)動4個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；對于第二功能來說，8跟引腳各有不同的功能。P3口每位能驅(qū)動4個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（定時器0外部脈沖輸入）T1（定時器1外部脈沖輸入）WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫脈沖輸出）RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀脈沖輸出） 復(fù)位電路當(dāng)MCS5l系列單片機的復(fù)位引腳RST(全稱RESET)出現(xiàn)2個機器周期以上的高電平時，單片機就執(zhí)行復(fù)位操作。如果RST持續(xù)為高電平，單片機就處于循環(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，自動實現(xiàn)復(fù)位操作。圖中電容C和電阻R對電源＋5V來說構(gòu)成微分電路。上電后，保持RST一段高電平時間，由于單片機內(nèi)的等效電阻的作用，不用圖中電阻R，也能達到上電復(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，單片機自動復(fù)位，并且在單片機運行期間，用開關(guān)操作也能使單片機復(fù)位。本設(shè)計采用上電復(fù)位。該復(fù)位電路簡單易行，但缺點是在遇到較強干擾或瞬間斷電時，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，復(fù)位端電容器上仍儲有相當(dāng)?shù)碾姾?，致電源電壓恢?fù)時復(fù)位端不能產(chǎn)生復(fù)位信號，程序跑飛或造成死機。因此如果使用此中電路必須注意死機問題。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，第一條指令總是從0000H單元開始。若上電時或掉電后再上電不能正常復(fù)位，PC等寄存器為隨機數(shù)，程序就不能正確執(zhí)行，此時稱為“死機”。 定時器/計數(shù)器8051單片機內(nèi)有2個16位的加1計數(shù)器，分別為定時器/計數(shù)器T0和定時器/計數(shù)器T1。每個定時/計數(shù)器均是1個16位的二進制計數(shù)器，分別由2個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。計數(shù)功能：計數(shù)器的功能是對外部事件進行計數(shù)，外部事件的發(fā)生以輸入脈沖表示，因此計數(shù)功能的實質(zhì)是對外來脈沖進行計數(shù)，，外部輸入脈沖的負(fù)跳變時，計數(shù)器進行加1。定時功能：定時功能也是通過計數(shù)器的計數(shù)來實現(xiàn)的，這時的計數(shù)脈沖來自單片機的內(nèi)部，即每個機器周期產(chǎn)生一個計數(shù)脈沖，也就是每個機器周期計數(shù)器加1。由于1個機器后期等于12個振蕩周期，因此計數(shù)頻率為振蕩頻率的1/12，當(dāng)時時間即為計數(shù)個數(shù)乘以機器周期。定時/計數(shù)器工作時，每接收到1個計數(shù)脈沖（機器周期或外部事件）則在設(shè)定的初值基礎(chǔ)上自動加1，當(dāng)所有位都位1時，再加1就會產(chǎn)生溢出，將向CPU提出1次“定時/計數(shù)器溢出中斷請求”，同時相應(yīng)的標(biāo)志位被置1（TF0、TF1）。當(dāng)定時/計數(shù)器采用不同的工作方式和設(shè)置不同的初值時，產(chǎn)生溢出中斷的定時值和計數(shù)值將不同，從而可以適應(yīng)不同的定時或計數(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確定和變更。不論是定時或是計數(shù)工作，定時器都不占用CPU的時間，除非定時/計數(shù)器溢出，才可中斷CPU的當(dāng)前操作。 定時器/計數(shù)器的控制寄存器TMOD為一個特殊功能寄存器SFR，其字節(jié)地址為89H，不可位尋址。TMOD用于選擇定時/計數(shù)工作方式、設(shè)置定時/計數(shù)器的工作狀態(tài)。它的高4位用于對T1的控制，低4位用于對T0的控制，TMOD的控制地址為89H。其格式如下：D7D6D