【文章內(nèi)容簡介】 人機(jī)通道設(shè)計(jì)微機(jī)控制系統(tǒng)中除了與生產(chǎn)過程進(jìn)行信息傳遞的過程輸入、輸出通道與接口處，還有與操作人員進(jìn)行信息交換的輸入、輸出設(shè)備或器件，這種人機(jī)聯(lián)系的設(shè)備或器件稱為人機(jī)接口。由人機(jī)接口輸入程序或數(shù)據(jù)，完成各種控制操作，顯示生產(chǎn)過程的工藝狀況與運(yùn)行結(jié)果。這種人機(jī)接口的典型裝置是一個(gè)操作顯示臺(tái)或操作顯示面板。本系統(tǒng)的顯示接口采用單片機(jī)控制對(duì) LED 數(shù)碼管進(jìn)行動(dòng)態(tài)掃描的方法。而鍵盤輸入接口也采用掃描方式來進(jìn)行按鍵處理，同時(shí)采用555報(bào)警器蜂鳴報(bào)警。1．按鍵電路鍵盤是由若干個(gè)按鍵組成的開關(guān)矩陣，它是單片機(jī)最簡單的信息輸入裝置，操作員通過鍵盤向單片機(jī)系統(tǒng)輸入數(shù)據(jù)或命令，實(shí)現(xiàn)簡單的人機(jī)通信。按鍵是以開關(guān)的狀態(tài)來設(shè)置控制功能和輸入數(shù)據(jù)。按鍵的作用只是簡單地實(shí)現(xiàn)開關(guān)的接通或斷開，但必須有一套相應(yīng)的程序與之配合，來解決按鍵的識(shí)別，鍵值的產(chǎn)生以及防止抖動(dòng)等工作。非編碼鍵盤有獨(dú)立式連接的和矩陣式連接的，一般矩陣式連接的非編碼鍵盤只適合鍵盤數(shù)目多的情況，由于本系統(tǒng)的按鍵比較少，所以采用獨(dú)立式非編碼鍵盤。(1) 獨(dú)立式鍵盤獨(dú)立式按鍵是指直接用I/O口線構(gòu)成的單個(gè)按鍵電路。每個(gè)獨(dú)立式按鍵單獨(dú)占有一根I/O口線，每根I/O口線上的按鍵工作狀態(tài)不會(huì)影響其他I/O口線上的工作狀態(tài)。（a）查詢方式（b）中斷方式 獨(dú)立式按鍵電路（a）為查詢方式的獨(dú)立式鍵盤電路，通過I/O口線連接，將每個(gè)按鍵的一端接到單片機(jī)的I/O口，另一端接地，這是最簡單的方法。（b）為中斷方式的獨(dú)立式鍵盤電路。各個(gè)按鍵都連接到一個(gè)與門上，當(dāng)有任何一個(gè)按鍵按下時(shí)，都會(huì)使與門輸出為低電平，從而引起單片機(jī)的中斷，它的優(yōu)點(diǎn)在于不用在主程序中反復(fù)查詢按鍵，而等到有鍵按下，單片機(jī)才去執(zhí)行相應(yīng)的鍵處理程序。本設(shè)計(jì)采用中斷方式的獨(dú)立式鍵盤電路。(2) 按鍵去抖動(dòng)為了讓CPU能準(zhǔn)確讀出與按鍵相連的口線的狀態(tài)，并對(duì)每一次按鍵只做一次鍵輸入處理，就必須去抖動(dòng)。常用去抖動(dòng)的方法有兩種，硬件去抖動(dòng)，軟件去抖動(dòng)。本設(shè)計(jì)中采用軟件去抖動(dòng)。即在單片機(jī)獲得口線為低的信息后，不是立即認(rèn)定S已經(jīng)被按下，而是延時(shí)10~20 ms時(shí)間后再次檢查口線輸入，如果仍為低，說明S鍵的確按下，避開了按鍵按下的抖動(dòng)時(shí)間。并且在檢測到按鍵釋放后再延時(shí)10~20ms，消除后沿的抖動(dòng)，然后再對(duì)鍵值做處理。2．?dāng)?shù)碼管顯示電路顯示電路的顯示器主要有發(fā)光二極管LED和液晶顯示器LCD。由于本系統(tǒng)對(duì)節(jié)能要求不高，所以選用LED數(shù)碼管顯示器。LED顯示器有兩種顯示方式，即靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)顯示。靜態(tài)顯示只適合顯示器數(shù)目較少的情況。所以本系統(tǒng)采用動(dòng)態(tài)掃描顯示。(1) 數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示的工作原理所謂動(dòng)態(tài)顯示就是用掃描方式輪流點(diǎn)亮LED顯示器的各個(gè)位。特點(diǎn)是：將多個(gè)8段LED顯示器同名端的段選線復(fù)接在一起，只用一個(gè)4位I/O控制各個(gè)LED顯示器的公共陰極輪流接地，逐一掃描點(diǎn)亮，使每位LED顯示該位應(yīng)當(dāng)顯示的字符。恰當(dāng)?shù)剡x擇點(diǎn)亮LED的時(shí)間間隔（1ms~5ms），會(huì)給人一種視覺暫停效應(yīng)，似乎多位LED都在“同時(shí)”顯示。(2) 數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示接口電路，數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示接口電路是把所有的8個(gè)筆畫段的同名端連在一起，而每個(gè)顯示器的公共極COM是各自獨(dú)立地接受I\O線控制。本系統(tǒng)采用8155芯片作為單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的I\O擴(kuò)展，8155的PA口作為LED的字型輸出口，為提高亮度，由74LS244驅(qū)動(dòng)段選碼。8155的PC口作為LED的位選控制口，LED共陽極接法，由反向驅(qū)動(dòng)器74LS06驅(qū)動(dòng)LED顯示器，提高驅(qū)動(dòng)能力。動(dòng)態(tài)顯示的操作由軟件完成。 4位LED動(dòng)態(tài)顯示接口電路3．蜂鳴報(bào)警電路本設(shè)計(jì)中，蜂鳴報(bào)警電路采用一片時(shí)基電路555（）R、C是定時(shí)元件；8155的PC5口是輸入觸發(fā)信號(hào)，下降沿有效，加在555的TR端（2腳）；u0是輸出信號(hào)其中，輸出脈沖寬度=。由圖中參數(shù)可知。電路的工作原理：(1) 沒有觸發(fā)信號(hào)時(shí)電路工作在穩(wěn)態(tài)：無觸發(fā)信號(hào)即為高電平時(shí)，電路工作在穩(wěn)定狀態(tài)——Q=0，為低電平，TD飽和導(dǎo)通。(2) u1下降沿觸發(fā)：當(dāng)下降沿到來時(shí)，電路被觸發(fā)，立即由穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài)——Q=1，=、TD截止。因?yàn)?，由高電平跳變到低電平時(shí)，比較器C2的輸出跳變?yōu)?，基本RS觸發(fā)器立刻被置成1狀態(tài)，即暫穩(wěn)態(tài)。 蜂鳴報(bào)警電路原理圖 (3) 暫穩(wěn)態(tài)的維持時(shí)間：在暫穩(wěn)態(tài)期間，電路中有一個(gè)定時(shí)電容C充電的漸變過程，充電回路是Vcc→R→C→地，時(shí)間常數(shù)τ1=RC。在電容上電壓上升到2Vcc/3以前，顯然電路將保持暫穩(wěn)態(tài)不變。(4) 自動(dòng)返回（暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束）時(shí)間：隨著C充電過程的進(jìn)行，逐漸升高，當(dāng)上升到2Vcc/3時(shí)，比較器C1輸出0，立即將基本RS觸發(fā)器復(fù)位到0狀態(tài)，即Q=0，=，TD飽和導(dǎo)通，暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束。(5) 恢復(fù)過程：當(dāng)暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束后，定時(shí)電容C將通過飽和導(dǎo)通的晶體三極管TD放電，時(shí)間常數(shù)為τ2=RCES?C，（RCES是TD的飽和導(dǎo)通電阻，很小），經(jīng)3~5τ2后，C放電完畢，恢復(fù)過程結(jié)束?；謴?fù)過程結(jié)束后，電路返回到穩(wěn)定狀態(tài)，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器又可接收新的輸入觸發(fā)信號(hào)。小 結(jié)系統(tǒng)以AT89C52為控制核心。前向通道是系統(tǒng)獲取信息數(shù)據(jù)的組成部分，它的性能好壞直接決定了整個(gè)系統(tǒng)的精度，而且一旦產(chǎn)生較大誤差，將無法消除。因此前向通道必須高精確度。以帶光電隔離的過零觸發(fā)型雙向晶閘管 AC—SSR 為后項(xiàng)通道，通過正脈沖觸發(fā)雙向晶閘管導(dǎo)通，觸發(fā)脈沖由過零檢測電路產(chǎn)生。人機(jī)接口的典型裝置是一個(gè)操作顯示臺(tái)或操作顯示面板。本系統(tǒng)的顯示接口采用單片機(jī)控制對(duì) LED 數(shù)碼管進(jìn)行動(dòng)態(tài)掃描的方法。而鍵盤輸入接口也采用掃描方式來進(jìn)行按鍵處理，同時(shí)采用555報(bào)警器蜂鳴報(bào)警。具體設(shè)計(jì)了以 AT89C52 單片機(jī)為核心，K型熱電偶為溫度傳感器，MAX6675芯片為溫度轉(zhuǎn)換元件,由雙向晶閘管 AC—SSR 構(gòu)成溫度反饋信息給單片機(jī)，并由按鍵、LED 數(shù)碼顯示器及報(bào)警電路等組成電烤箱溫度控制閉環(huán)系統(tǒng)。15PID溫控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和仿真 第三章 系統(tǒng)控制方案第三章 系統(tǒng)控制方案 PID 控制 PID的概述PID的發(fā)展過程，很大程度上是它的參數(shù)整定方法和參數(shù)自適應(yīng)方法的研究過程。自Ziegler和Nichols提出 PID 參數(shù)整定方法起，有許多技術(shù)已經(jīng)被用于PID控制器的手動(dòng)和自動(dòng)整定。PID控制是迄今為止最通用的控制方法。大多數(shù)反饋控制用該方法或其較小的變形來控制。PID調(diào)節(jié)器及其改進(jìn)型是在工業(yè)過程控制中最常見的控制器(至今在全世界過程控制中用的84%仍是純 PID 調(diào)節(jié)器，若改進(jìn)型包含在內(nèi)則超過90%)[19]。 PID 控制的基本理論及特點(diǎn)PID控制器是一種比例、積分、微分并聯(lián)控制器。它是最廣泛應(yīng)用的一種控制器。PID控制器的數(shù)學(xué)模型可以用公式（）表示[[] 丁海生, 等. 微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)[M]. 北京：清華大學(xué)出版社, 1998．]： （）其中：為控制器的輸出為控制器輸入，它是給定值和被控對(duì)象輸出值的差，稱偏差信號(hào)為控制器的比例系數(shù)為控制器的積分時(shí)間為控制器的微分時(shí)間在PID控制器中，它的數(shù)學(xué)模型由比例、積分、微分三部分組成。這三部分分別是：(1)比例部分比例部分?jǐn)?shù)學(xué)表達(dá)式為： （）偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即有控制作用，使控制量朝著減小偏差的方向變化，控制作用強(qiáng)弱取決于比例系數(shù)，越大，則過渡過程越短，控制結(jié)果的穩(wěn)態(tài)誤差也越??；但越大，超調(diào)量也越大，越容易產(chǎn)生振蕩，導(dǎo)致動(dòng)態(tài)性能變壞，甚至?xí)归]環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。故而，比例系數(shù)，選擇必須適當(dāng)，才能取得過渡時(shí)間少、穩(wěn)態(tài)誤差小而又穩(wěn)定的效果。(2)積分部分積分部分?jǐn)?shù)學(xué)表達(dá)式為： （）從積分部分的數(shù)學(xué)表達(dá)式可以知道，只要存在偏差，則它的控制作用就會(huì)不斷地積累，輸出控制量以消除偏差?？梢?，積分部分的作用可以消除系統(tǒng)的偏差?？墒欠e分作用具有滯后特性，積分控制作用太強(qiáng)會(huì)使系統(tǒng)超調(diào)加大，控制的動(dòng)態(tài)性能變差，甚至?xí)归]環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。積分時(shí)間對(duì)積分部分的作用影響極大。當(dāng)較大時(shí)，則積分作用較弱，這時(shí)，有利于系統(tǒng)減小超調(diào)，過渡過程不易產(chǎn)生振蕩。但是消除誤差所需時(shí)間較長。當(dāng)較小時(shí)，則積分作用較強(qiáng)。這時(shí)系統(tǒng)過渡過程中有可能產(chǎn)生振蕩，消除誤差所需的時(shí)間較短。(3)微分部分微分部分?jǐn)?shù)學(xué)表達(dá)式為： （）微分控制得出偏差的變化趨勢，增大微分控制作用可加快系統(tǒng)響應(yīng)，減小超調(diào)量，克服振蕩，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但使系統(tǒng)抑制干擾的能力降低。微分部分的作用強(qiáng)弱由微分時(shí)間決定。越大，則它抑制e(t)變化的作用越強(qiáng)，越小，它反抗變化的作用越弱。它對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性有很大的影響。在計(jì)算機(jī)直接數(shù)字控制系統(tǒng)中，控制器是通過計(jì)算機(jī)PID控制算法程序?qū)崿F(xiàn)的。PID計(jì)算機(jī)直接數(shù)字控制系統(tǒng)大多數(shù)是采樣數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)。進(jìn)入計(jì)算機(jī)的連續(xù)時(shí)間信號(hào)，必須經(jīng)過采樣和整量化后，變成數(shù)字量，方能進(jìn)入計(jì)算機(jī)的存貯器和寄存器，而在數(shù)字計(jì)算機(jī)中的計(jì)算和處理，不論是積分還是微分，只能用數(shù)值計(jì)算去逼近。在數(shù)字計(jì)算機(jī)中，PID控制規(guī)律的實(shí)現(xiàn)，也必須用數(shù)值逼近的方法。當(dāng)采樣周期相當(dāng)短時(shí)，用求和代替積分，用差商代替微商，使 PID 算法離散化，將描述連續(xù)時(shí)間 PID算法的微分方程，變?yōu)槊枋鲭x散時(shí)間 PID 算法的差分方程，即為數(shù)字PID 位置型控制算式，如下式（）： （）式中：為k采樣周期時(shí)的輸出為k采樣周期時(shí)的偏差為采樣周期 即有 （）其中、分別為比例、積分、微分系數(shù)。 模糊控制傳統(tǒng)的PID類型控制器由于其在簡易的控制結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)當(dāng)中，這一點(diǎn)在目前是眾人皆知的。根據(jù)1989年日本電子設(shè)備制造商聯(lián)盟的一份國家過程控制系統(tǒng)調(diào)查，超過90%的控制環(huán)類型是PID型。PID方程式簡單而且能依據(jù)不同的控制對(duì)象輕易的被采用，但是如果控制系統(tǒng)是高階和非線性的，它就不會(huì)有良好的控制表現(xiàn)[[] Yongli Huang, Seiji Yasunobu. A General Practical Design Method for Fuzzy PID Control from Conventional PID Control[R]. Tsukuba, JAPAN: Institute of Engineering Mechanics and Systems, University of Tsukuba, 2000]。 模糊控制的概述1965年，美國加里福尼亞大學(xué) Zadeh 教授發(fā)表了《模糊集合論》一文，標(biāo)志著模糊數(shù)學(xué)的誕生。模糊自動(dòng)控制是以模糊數(shù)學(xué)為理論基礎(chǔ)，即以模糊集合論，模糊語言變量和模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種計(jì)算機(jī)數(shù)字控制，屬于智能控制方法。隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，各個(gè)領(lǐng)域?qū)ψ詣?dòng)控制系統(tǒng)控制精度、響應(yīng)速度、系統(tǒng)穩(wěn)定性與適應(yīng)能力的要求越來越高，所研究的系統(tǒng)也日益復(fù)雜多變。模糊控制從1974年到現(xiàn)在，有三十多年的歷史。在這段時(shí)間中模糊控制已經(jīng)歷了二個(gè)階段，即簡單模糊控制階段和自我完善模糊控制階段。模糊控制在實(shí)踐應(yīng)用中，具有許多傳統(tǒng)控制無法與之比擬的優(yōu)點(diǎn)，其中主要是：(1) 使用語言方法，可不需要掌握過程的精確數(shù)學(xué)模型。(2) 對(duì)于具有一定操作經(jīng)驗(yàn)、但非控制專業(yè)的工作者，模糊控制易于掌握。(3) 操作人員易于通過人的自然語言進(jìn)行人機(jī)界面聯(lián)系，這些模糊條件語句很容易加入到過程的控制環(huán)節(jié)上。(4) 采用模糊控制，過程的動(dòng)態(tài)響應(yīng)品質(zhì)優(yōu)于常規(guī) PID 控制，并對(duì)過程參數(shù)的變化具有較強(qiáng)的適應(yīng)性[[] 李士勇. 模糊控制神經(jīng)控制和智能控制論[M]. 哈爾濱