【文章內(nèi)容簡介】 分時間； Td調(diào)節(jié)器的微分時間?？刂泣c(diǎn)目前包含三種比較簡單的 PID控制算法，分別是：增量式算法，位置式算法，微分先行。這三種 PID算法雖然簡單，但各有特點(diǎn)，基本上能滿足一般控制的大多數(shù)要求。 實(shí)際上，位置式與增量式控制對整個閉環(huán)系統(tǒng)并無本質(zhì)區(qū)別。增量型算法僅僅是就是方法的改進(jìn)，而沒有改變位置型算法的本質(zhì)。 PID 算法的運(yùn)用由于計(jì)算機(jī)控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時刻的偏差值來計(jì)算控制量。因此，在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，必須首先對式（31）進(jìn)行離散化處理，用數(shù)字形式的差分方程代替連續(xù)系統(tǒng)的微分方程，此時積分項(xiàng)和微分項(xiàng)可用求和及增量式表達(dá)。對溫度的控制算法，采用技術(shù)成熟的 PID算法，對于時間常數(shù)比較大的系統(tǒng)來說，其近似于連續(xù)變化，因此用數(shù)字 PID完全可以得到比較好的控制效果。簡單的比例調(diào)節(jié)器能夠反應(yīng)很快，但不能完全消除靜差，控制不精確，為了消除比例調(diào)節(jié)器中殘存的靜差，在比例調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上加入積分調(diào)節(jié)器，積分器的輸出值大小取決于對誤差的累積結(jié)果，在誤差不變的情況下，積分器還在輸出直到誤差為零，因此加入積分調(diào)節(jié)器相當(dāng)于能自動調(diào)節(jié)控制常量，消除靜差，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。積分器雖然能消除靜差，但使系統(tǒng)響應(yīng)速度變慢。進(jìn)一步改進(jìn)調(diào)節(jié)器的方法是通過檢測信號的變化率來預(yù)報(bào)誤差，并對誤差的變化作出響應(yīng)，于是在 PI調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上再加上微分調(diào)節(jié)器，組成比例、積分、微分(PID)調(diào)節(jié)器，微分調(diào)節(jié)器的加入將有助于減小超調(diào)，克服振蕩，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，同時加快了系統(tǒng)的穩(wěn)定速度，縮短調(diào)整時間，從而改善了系統(tǒng)的動態(tài)性能，其控制規(guī)律為： 010)( udteTteKuip ?????(32)單片機(jī)是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時刻的誤差值計(jì)算控制變量，不能直接計(jì)12算公式中的積分項(xiàng)和微分項(xiàng)，采用數(shù)值計(jì)算法逼近后，PID 的調(diào)節(jié)規(guī)律可以通過數(shù)值公式 010)]([ ueTeKuiijdiip ???????(33)計(jì)算，如果采樣取得足夠小，這種逼近可相當(dāng)準(zhǔn)確，被控過程與連續(xù)過程十分接近。我們變換上式(33)得： ][211 iiipiii eDeIKuu ??????????(34)把△e i = ei ei1,△ 2 ei=△e i △e i1帶人上式（34）得： )]2()[( 2111 ?????? ???? iiiiiipi eeDIKu(35)式中 ei=W—Yi，W 為設(shè)定值，Y i為第 i次實(shí)際輸出值，K p為比例系數(shù)，積分系數(shù)I=T/Ti，微分系數(shù) D=Td/T，T 為采樣周期，以(35)式來編程比較方便。用 PID控制算法實(shí)現(xiàn)溫度控制是這樣一個反饋過程：比較實(shí)際溫度和設(shè)定爐溫得到偏差，通過對偏差的處理獲得控制信號，再去調(diào)節(jié)電加熱爐的加熱功率，從而實(shí)現(xiàn)對爐溫的控制，由于電阻爐一般都是下一階段對象和帶純滯后的一階對象，所以式中 Kp、K d和 Ki的選擇取決于電阻爐的響應(yīng)特性和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)。本程序先將用戶設(shè)定溫度和鍋爐實(shí)際溫度 T比較，計(jì)算出偏差 ei，然后分兩種情況進(jìn)行計(jì)算控制變量：1．e i大于等于設(shè)定的偏差 e時，由于積分控制器使系統(tǒng)響應(yīng)速度變慢，不采用積分控制器調(diào)節(jié)，直接使用 PD調(diào)節(jié)，獲得比較快的動態(tài)響應(yīng)，計(jì)算 Pd和 Pp，最終得到控制量獲得比較快的動態(tài)響應(yīng)。2．e i小于設(shè)定的設(shè)定的偏差 e時，正常的分別計(jì)算 Pi、Pd 和 Pp，然后根據(jù)算法公式計(jì)算出控制變量。13 小結(jié)本章對單片機(jī)控制技術(shù)，以及 PID控制算法進(jìn)行了深入分析，著重闡述了單片機(jī)結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)，以及 PID算法的使用，為設(shè)計(jì)提供了硬件基礎(chǔ)與軟件資源，為下一步的設(shè)計(jì)做好準(zhǔn)備。144 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)概況本系統(tǒng)是采用以 AT89C51單片機(jī)為核心的溫度控制系統(tǒng)，通過溫度傳感器采樣實(shí)時溫度，并通過變送器將溫度最終轉(zhuǎn)換為電壓信號通過 A/D轉(zhuǎn)換器 0808將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，送入單片機(jī)與給定值進(jìn)行比較，通過運(yùn)用 PID算法得出控制結(jié)果，送顯示并進(jìn)行控制?？傮w設(shè)計(jì)方案見如圖 3所示?？撮T狗報(bào)警提醒通信接口LED 顯示鍵盤 微型控制機(jī)AT89C51溫度檢測PT100驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)8 路 D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832測量變送8 路 A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809加熱電阻溫度圖 3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案圖 功能模塊 單片機(jī)控制模塊A/T89C51是整個系統(tǒng)的控制核心，將采集來的數(shù)據(jù)與設(shè)定值進(jìn)行比較，利用 PID算法得出結(jié)果并送輸出。整個控制系統(tǒng)的程序就下載到單片機(jī)中去?？撮T狗測量變送15A/T89C51仿真圖如圖 4所示。圖 4 單片機(jī)仿真 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與采集模塊 A/D0808AD0808是 CMOS的 8位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，采用逐次逼近原理進(jìn)行 A/D轉(zhuǎn)換，芯片內(nèi)有模擬多路轉(zhuǎn)換開關(guān)和 A/D轉(zhuǎn)換兩大部分，可對 8路 0～5V 的輸入模擬電壓信號分時進(jìn)行轉(zhuǎn)換。模擬多路開關(guān)由 8路模擬開關(guān)和 3位地址鎖存譯碼器組成，可選通 8路模擬輸入中的任何一路，地址鎖存信號 ALE將 3位地址信號 ADDA、ADDB、ADDC 進(jìn)行鎖存，然后由譯碼電路選通其中的一路，被選中的通道進(jìn)行 A/D轉(zhuǎn)換。A/D 轉(zhuǎn)換部分包括比較器、逐次逼近寄存器（SAR） 、256R 電阻網(wǎng)絡(luò)、樹狀電子開關(guān)、控制與時序電路等。另外 ADC0809輸出具有 TTL三態(tài)鎖存緩沖器，可直接連到 CPU數(shù)據(jù)總線上。實(shí)時溫度經(jīng)過傳感器的檢測并通過變送器將其轉(zhuǎn)換成模擬的電壓信號，而 A/D0808則用來采集電壓信號并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號存儲在單片機(jī)中，以便后續(xù)對數(shù)據(jù)的處理。其硬件仿真圖如圖 5所示。16圖 5 A/D0808 仿真圖 按鍵選擇模塊系統(tǒng)采用了兩個按鍵用來進(jìn)行溫度的設(shè)定，一個進(jìn)行溫度加，一個進(jìn)行溫度減。每按下一次，溫度就相應(yīng)的加一或減一。按照設(shè)計(jì)要求，溫度的設(shè)定范圍為 50150度，其仿真如圖 6所示。圖 6 按 鍵 示 意 圖 顯示模塊顯示模塊采用兩個 7段共陰極數(shù)碼管，一個用來顯示實(shí)時溫度，一個用來顯示設(shè)定溫度。并用 74LS04來驅(qū)動數(shù)碼管。其仿真圖如圖 7所示。17圖 7 顯示示意圖 報(bào)警模塊當(dāng)實(shí)時溫度高于或低于設(shè)定溫度 5度以上時，系統(tǒng)就會報(bào)警，報(bào)警指示燈紅燈亮。如圖 46所示。圖 46 報(bào)警示意圖 輸出模塊經(jīng)過數(shù)據(jù)的運(yùn)算，單片機(jī)通過 ，通過導(dǎo)通時間的長短來控制加熱的強(qiáng)度，以達(dá)到精確控制的效果。當(dāng)溫度在設(shè)定溫度的正負(fù) 5度之內(nèi)時，系統(tǒng)進(jìn)行 PID運(yùn)算控制；當(dāng)高于設(shè)定溫度 5度時，停止加熱；當(dāng)?shù)陀谠O(shè)定溫度5度時，全功率加熱。由于仿真軟件自身?xiàng)l件的原因，使用綠色的 LED燈代替，當(dāng)綠燈亮?xí)r，表示正在加熱，不亮?xí)r，停止加熱。仿真圖如 47所示。圖 8 加熱示意圖18 總體方案的實(shí)現(xiàn)和元器件清單 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)圖如圖 9所示。圖 9 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案圖其中：1．單片機(jī)采用的是 MCS51系列的89C51，其集成了中央處理器 CPU、隨機(jī)存儲器RAM、程序存儲器 ROM或 EPROM、定時器/計(jì)數(shù)器、中斷控制器及串型和并行 I/O接口等部件。單片機(jī)主要應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域，用來實(shí)現(xiàn)對信號的檢測、數(shù)據(jù)的采集以及對應(yīng)用對象的控制。它具有體積小、重量輕、價格低、可靠性高、耗電少和靈活機(jī)動等許多優(yōu)點(diǎn)。單片機(jī)是微型計(jì)算機(jī)的一個重要分支，特別適合用于智能控制系統(tǒng)。2．實(shí)時的溫度測量由于條件的限制直接用模擬電壓來代替?zhèn)鞲衅骷白兯推?，?808來采樣和轉(zhuǎn)換溫度。19 元器件清單系統(tǒng)所需的元器件清單如表41所示。表41 系統(tǒng)配置清單表序號 部件名稱 所屬類 數(shù)量1 AT89C51 Microprocessor ICs 12 A/D0808 Data Converters 13 7SEGMPX4CC Optoelectronics 24 BUTTON Switchesamp。Relays 35 LEDGREEN Optoelectronics 16 LEDRED Optoelectronics 17 74LS373 TTL 74LS series 18 RESPACK8 Resistors 19 74LS04 TTL 74LS series 810 NOT Simulator Primitives 111 NOR Simulator Primitives 212 POTHG Resistors 113 電容 Capacitors 214 CLOCK Simulator Primitives 215 CRYSTAL Miscellaneous 116 電阻 Resistors 117 INPUT 終端 418 GROUND 終端 719 VSOURCE Simulator Primitives 1 小結(jié)系統(tǒng)硬件是設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，在設(shè)計(jì)軟件程序之前，要對系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)有個深入的了解，本章詳細(xì)介紹了整個系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和各模塊的選型，介紹了系統(tǒng)的概況，使讀者對總20體的設(shè)計(jì)有個大致了解。215 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) Protues7 軟件概況PROTUES是一種基于標(biāo)準(zhǔn)仿真殷勤 SOICE3F5的混合電路仿真工具，既可以仿真模擬電路，又可以仿真數(shù)字電路以及數(shù)字、模擬混合電路，其最大特色在于能夠仿真基于控制器的系統(tǒng)。它 是 目 前 最 好 的 仿 真 單 片 機(jī) 及 外 圍 器 件 的 工 具 。 雖然目前國內(nèi)推廣剛起步，但已受到單片機(jī)愛好者、從事單片機(jī)教學(xué)的教師、致力于單片機(jī)開發(fā)應(yīng)用的科技工作者的青睞。Proteus 是世界上著名的 EDA工具(仿真軟件)，從原理圖布圖、代碼調(diào)試到單片機(jī)與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到 PCB設(shè)計(jì)，真正實(shí)現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計(jì)。是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB 設(shè)計(jì)軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設(shè)計(jì)平臺，其處理器模型支持805 HC1PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC3AVR、ARM、8086 和 MSP430等，2022 年即將增加 Cortex和 DSP系列處理器，并持續(xù)增加其他系列處理器模型。在編譯方面，它也支持 IAR、Keil 和 MPLAB等多種編譯。其程序界面如圖 10所示。22圖 10 Protues7 工作界面PROTUES 軟件的功能特點(diǎn)介紹如下：1．原理布圖 2．PCB 自動或人工布線 3．SPICE 電路仿真　 革命性的特點(diǎn)： 1．互動的電路仿真。用戶甚至可以實(shí)時采用諸如 RAM，ROM，鍵盤，馬達(dá)，LED，LCD， AD/DA，部分 SPI 器件，部分 IIC 器件。 2．仿真處理器及其外圍電路?？梢苑抡?51 系列、AVR、PIC、ARM、等常用主流單片機(jī)。還可以直接在基于原理圖的虛擬原型上編程，再配合顯示及輸出，能看到運(yùn)行后輸入輸出的效果。配合系統(tǒng)配置的虛擬邏輯分析儀、示波器等，Protues 建立了完備的電子設(shè)計(jì)開發(fā)環(huán)境。同時它還具有 4 大功能模塊：智能原理圖設(shè)計(jì)（ISIS） ，完善的電路仿真功能（Prospice） ，獨(dú)特的單片機(jī)協(xié)同仿真功能（VSM） ，實(shí)用的 PCB 設(shè)計(jì)平臺。Protues 提供了豐富的資源：231．Protues 可提供的仿真元器件資源：仿真數(shù)字和模擬、交流和直流等數(shù)千種元器件，有 30 多個元件庫。 2．Protues 可提供的仿真儀表資源 ：示波器、邏輯分析儀、虛擬終端、SPI 調(diào)試器、I2C 調(diào)試器、信號發(fā)生器、模式發(fā)生器、交直流電壓表、交直流電流表。理論上同一種儀器可以在一個電路中隨意的調(diào)用。3．除了現(xiàn)實(shí)存在的儀器外，Protues 還提供了一個圖形顯示功能，可以將線路上變化的信號，以圖形的方式實(shí)時地顯示出來，其作用與示波器相似，但功能更多。這些虛擬儀器儀表具有理想的參數(shù)指標(biāo)，例如極高的輸入阻抗、極低的輸出阻抗。這些都盡可能減少了儀器對測量結(jié)果的影響。 4．Protues 可提供的調(diào)試手段 Protues 提供了比較豐富的測試信號用于電路的測試。這些測試信號包括模擬信號和數(shù)字信號。 WAVE6000 軟件簡介 軟件概況WAVE6000 是南京偉福公司的單片機(jī)開發(fā)編譯軟件，采用中文界面。用戶源程序大小不受限制，有豐富的窗口顯示方式，能夠多方位、動態(tài)地展示程序的執(zhí)行過程。其項(xiàng)目管理功能強(qiáng)大，可使單片機(jī)程序化大為小，化繁為簡，便于管理。另外，其書簽、斷點(diǎn)管理功能以及外設(shè)管理功能等為 51 單片機(jī)的仿真帶來極大的便利。 程序界面WAVE6000 界面如圖 11 所示。24圖 11 WAVE6000 界面 子程序設(shè)定本設(shè)計(jì)使用了較多的子程序，命名皆以其功能作用為名，目的是增加程序的可讀性。總程序見附錄。 程序流程控制系統(tǒng)的程序主要包括：采樣、標(biāo)度變換、控制計(jì)算、控制輸出、中斷、顯示、報(bào)警、調(diào)節(jié)參數(shù)修改、溫度設(shè)定及修改。其中控制算法采用數(shù)字 PID 調(diào)節(jié)，應(yīng)用增量型控制算法，并對積分項(xiàng)進(jìn)行改進(jìn)，以達(dá)到更好的控制效果。根據(jù)課題要實(shí)現(xiàn)的功能及要求，WAVE6000 軟件的獨(dú)立控制部分設(shè)計(jì)。各個程序的流程圖如下。1．主程序流程圖主程序主要實(shí)現(xiàn)了對系統(tǒng)的初始化，并通過調(diào)用子程序?qū)崿F(xiàn)將運(yùn)算結(jié)果與極限值25進(jìn)行比較，從而確定跳轉(zhuǎn)方向，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的報(bào)警功能及運(yùn)算功能。主程序流程圖如圖 12 所示。Ui(k)Umin T1 中斷加熱報(bào)警顯示Ui(k)=Umax Ui(k)Umax 報(bào)警停止加熱Ui(k)=Umin加熱不報(bào)警停止加熱不報(bào)警設(shè)置對棧指針