【文章內(nèi)容簡介】 e(t)很小，只要出現(xiàn)變化趨勢，就有控制作用輸出，因此有超前控制之稱。4. PID運算規(guī)律PID運算的數(shù)學(xué)表達式是： 　　　(5)實際在控制系統(tǒng)除了希望消除靜態(tài)誤差，還要求能加快調(diào)節(jié)過程。在偏差出現(xiàn)的瞬間，或在偏差變化的瞬間，不但要對偏差量做出立即響應(yīng)（比例環(huán)節(jié)的作用），而且要根據(jù)偏差的變化趨勢預(yù)先給出適當?shù)募m正(微分環(huán)節(jié)的作用)。PID控制器正好可以用來實現(xiàn)這一功能?！ID算法的數(shù)字化在模擬系統(tǒng)中，其過程控制方式就是將被測參數(shù)，如溫度、壓力、流量、成分、液位等，由傳感器轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的標準信號送入調(diào)節(jié)器中與給定值進行比較，然后把運算得到的差值經(jīng)PID運算后送到執(zhí)行機構(gòu)，改變進給量以達到自動調(diào)節(jié)的目的。這種系統(tǒng)多用電動(或氣動)單元組合儀表DDZ(或QDZ)來完成。而在數(shù)字系統(tǒng)中，是用數(shù)字調(diào)節(jié)器來模擬調(diào)節(jié)器的。其調(diào)節(jié)過程是先對參數(shù)進行采樣。并通過模擬量輸入通道將模擬量變成數(shù)字量。這些數(shù)字量由計算機按一定控制算法進行運算處理，運算結(jié)果由模擬量輸出通道輸出，并通過執(zhí)行機構(gòu)去控制生產(chǎn)，以達到調(diào)節(jié)的目的。由于計算機控制是采樣控制，它只能根據(jù)采樣時刻的偏差來計算控制量。因此，在計算機控制系統(tǒng)中，必須首先對(1)式進行離散化處理，用數(shù)字形式的微分方程代替連續(xù)系統(tǒng)的微分方程，此時積分項和微分項可用來求和增量式表示： 　　　(6) 　　　(7) 將式(6)和(7)代入(1)式，則可得到離散的PID表達式 　　　(8)式中 ：采樣周期，必須使T足夠小，才能保證系統(tǒng)有一定的精度； ：第K次采樣時的偏差值。 ：第(K1)次采樣時的偏差值。 K：采樣序號，k=0，１……。 ：第Ｋ次采樣時調(diào)節(jié)器的輸出 由于(8)式的輸出值與閥門開度的位置一一對應(yīng)，因此，通常把(8)式稱為位置型PID的位置控制算式，根據(jù)遞推原理，可寫出(k1)次的PID輸出表達式： 　　　(9)用式(8)減去(9)式可得： 　　　(10)式中 由(8)式可知要計算第k次輸出值P(k)，只需要知道P(K1)，E(k)，E(K1)，E(k2)即可，比用式(8)簡單很多，移項后得到表達式(11)。= （11） 上式表示第k次輸出的增量，等于第k次與第k1次調(diào)節(jié)器的輸出的差值，因此把(11)式稱為增量式PID控制算式。用微型機實現(xiàn)位置式和增量式控制算式的原理如圖19所示。(a)位置式PID控制(b)增量式PID控制圖1９　兩種PID控制原理圖從(8)式可以得到位置式PID控制算法可以看出，位置型PID控制算法的缺點是因為全量輸出，所以每次輸出都與過去的狀態(tài)有關(guān)，計算時要對e(k)進行累加，這樣不僅計算煩瑣，而且為保存E(j)還要占用很多內(nèi)存，計算機運算的工作量大。因為計算機的輸出對應(yīng)的是執(zhí)行機構(gòu)的實際位置，如果計算機出現(xiàn)故障，P(k)的大幅度變化，會引起執(zhí)行機構(gòu)的位置的大幅度變化，這種情況往往是生產(chǎn)實踐中不允許的，在某些場合，還可能造成重大的生產(chǎn)事故。從(11)式得到的增量式PID控制算法可以看出，對于增量式PID控制算法，計算機輸出的控制增量△P(k)對應(yīng)的是本次執(zhí)行機構(gòu)位置(如閥門開度)的增量。對應(yīng)閥門實際位置的控制量，目前采用較多的是利用算式P(k)=P(k1)十△P(k)通過軟件來完成。增量式控制雖然只是在算法上作了一點改進，但卻帶來了不少的優(yōu)點：1. 由于計算機輸出增量，所以誤動作時影響小，必要時可用邏輯判斷的方法去除。2. 手動自動切換時沖擊小，便于實現(xiàn)無擾動切換。此外，當計算機發(fā)生故障時，由于輸出通道或執(zhí)行裝置具有信號的鎖存作用，故能保持原值。位置式控制算法中，由手動自動切換時，必須首先使計算機的輸出值等于閥門開度，才能保證無擾動切換，這將給程序設(shè)計帶來困難。增量式控制只與本次偏差值有關(guān)，與閥門原來的位置無關(guān)，因而增量算法易于實現(xiàn)手動/自動的無擾動切換而不產(chǎn)生失控，所以容易獲得較好的調(diào)節(jié)品質(zhì)。3. 算式中不需要累加，控制增量△P(k)的確定僅與最近三次的采樣值有關(guān)，所以較容易通過加權(quán)處理而獲得較好的控制效果。而位置式控制算式中，不僅需要對E(j)進行累加，而且計算機的任何故障都會引起P(k)大幅度變化，對生產(chǎn)不利。綜上可以得出，在計算機系統(tǒng)中一般都采用增量式PID控制算法，而不使用位置式PID控制算法。第二章　硬件設(shè)計　設(shè)計思路結(jié)晶器振動控制系統(tǒng)的設(shè)計思想是以MC9S12DG128單片機為核心，通過單片機控制外圍芯片及電路。通過MC9S12DG128單片機與D/A5660轉(zhuǎn)換器構(gòu)成波形發(fā)生器，即MCU在其數(shù)據(jù)線上送出一系列按一定規(guī)律變化的數(shù)據(jù)信息，通過D/A轉(zhuǎn)換器和運算放大器轉(zhuǎn)化為電壓信號。結(jié)晶器振動信號采集通過A/D7367和傳感器完成，PID控制部分的作用是實現(xiàn)采集回來的數(shù)字信號與波形發(fā)生信號的PID運算，然后輸出控制信號?？傮w設(shè)計框圖如圖21所示。本設(shè)計的主要任務(wù)是把波形發(fā)生器發(fā)出的波形信號和采集回來的波形信號進行PID運算來輸出控制信號，PID運算的參數(shù)信號可以通過鍵盤調(diào)節(jié)。此外，在上位機上可以通過串口觀察到控制信號的值。圖21　總體設(shè)計框圖　方案選擇　PID調(diào)節(jié)器方案比較與選擇PID調(diào)節(jié)器廣泛的應(yīng)用于電子電路，自動控制等領(lǐng)域。PID調(diào)節(jié)器可由硬件或軟件來實現(xiàn)。下面分別對兩種方案進行比較和選擇。方案1：由專用PID控制器實現(xiàn)。采用XMPA9000智能PID調(diào)節(jié)器，它是一種帶有智能聲光報警，二個或三個模擬量輸出通道，以及調(diào)節(jié)器正反作用選擇等功能的PID調(diào)節(jié)器。方案2：由軟件實現(xiàn)。采用MC9S12DG128單片機，用軟件實現(xiàn)PID調(diào)節(jié)，外接鍵盤電路，可由鍵盤進行參數(shù)設(shè)定，串口實現(xiàn)單片機與上位機通信。對于人工智能型PID調(diào)節(jié)器，功能強大但是價格昂貴。由于MC9S12DG128單片機性能優(yōu)越，用基于單片機的數(shù)字PID調(diào)節(jié)器特點是價格低廉，結(jié)構(gòu)簡單，能靈活配置，現(xiàn)場針對性強，且符合結(jié)晶器設(shè)計要求。經(jīng)反復(fù)比較及實際應(yīng)用要求，最終選擇方案2。 鍵盤方案的比較與選擇鍵盤實際上是由排列成矩陣形式的一系列按鍵開關(guān)組成的，它是單片機系統(tǒng)中最常用的一種輸入設(shè)備，常用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)輸入、命令傳送等功能，是人工干預(yù)的主要手段。鍵盤類型一般可以分為兩大類：編碼鍵盤和非編碼鍵盤。編碼鍵盤：閉合鍵的識別由專用的硬件譯碼器實現(xiàn)并產(chǎn)生按鍵編號或鍵值的稱為編碼鍵盤，如BCD碼鍵盤、ASCII鍵盤等。由硬件邏輯電路完成必要的鍵識別工作與可靠性措施。每按一次鍵，鍵盤自動提供被按鍵的讀數(shù)，同時產(chǎn)生選通脈沖通知微處理器，一般還具有反彈跳和同時按鍵保護功能。這種鍵盤使用方便，但硬件比較復(fù)雜，價格較貴。對于主機任務(wù)繁重的情況，采用可編程鍵盤管理接口芯片構(gòu)成編碼式鍵盤系統(tǒng)是很實用的方案。非編碼鍵盤：靠軟件識別的稱為非編碼鍵盤。只簡單地提供鍵盤的行列與矩陣，其他操作比如按鍵的識別，按鍵的讀數(shù)等全靠軟件完成，故硬件較為簡單，但相對編碼鍵盤非編碼鍵盤占用CPU時間較多。非編碼鍵盤又包括有獨立式按鍵結(jié)構(gòu)、矩陣式按鍵結(jié)構(gòu)兩種。獨立式按鍵結(jié)構(gòu)是提將每一個獨立按鍵按一對一的方式直接接到單片機的I/O輸入線上，讀鍵值時直接讀I/O口，每一個鍵的狀態(tài)通過讀入鍵值0或1來反映鍵按下與否，所以也稱這種方式為一維直讀方式。這種方式實現(xiàn)簡單，因為占用I/O資源較多，一般在鍵的數(shù)量較少的時候采用。矩陣式按鍵結(jié)構(gòu)是用N條I/O線組成行輸入口，M條I/O線組成列輸出口，在行列線的每一個交點上設(shè)置一個按鍵。讀鍵值的方法一般采用掃描方式，即輸出口按位輪換輸出低電平，再從輸入口讀入鍵信息，最后獲得鍵值。占用I/O線較少，這種方式在按鍵較多時應(yīng)用廣泛。兩種鍵盤示意圖如圖22所示。鍵盤訪問方式有兩種方法，一種是采用中斷方式，另一種是采用輪詢方式。中斷應(yīng)用是提高微控制器工作效率的一種重要手段，中斷方式與查詢方式相比，MCU的程序設(shè)計更加高效與靈活，可以提高嵌入式系統(tǒng)的實時處理能力，擴大其應(yīng)用范圍，是在低功耗應(yīng)用系統(tǒng)中，中斷是一個必要的技術(shù)手段。可以說MCU的中斷系統(tǒng)的功能如何在某種程序上決定了MCU的用途，中斷功能強大與否也是判斷MCU性能的一個指標。圖22 鍵盤示圖輪詢方式相對中斷方式而言，要消耗資系統(tǒng)資源，但是不需要占用系統(tǒng)的中斷資源，在如果采用標志位檢測方式，對系統(tǒng)的性能影響很小。在本設(shè)計中，鍵盤用來設(shè)定PID的6個參數(shù)，考慮到單片機引腳和鍵盤的功能，方案最終采用非編碼鍵盤中的獨立鍵盤，用輪詢方式訪問。鍵盤接口接在MCU的A/D轉(zhuǎn)換口上，因為系統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換口只有輸入功能，不能輸出，用來做鍵盤輸入最為合適。第三章　軟件設(shè)計 軟件設(shè)計思想軟件主要實現(xiàn)PID算法和人機接口。人機接口包括串行口發(fā)送和鍵盤掃描，PID算法實現(xiàn)系統(tǒng)的PID控制。單片機上電后進行上電復(fù)位，復(fù)位后程序開始運行，分別對D/A轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器、串口、定時器、PWM進行初始化。初始化后，D/A轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器、串口、定時器開始運行，同時單片機內(nèi)部進行PID運算，定時器中斷程序每1ms產(chǎn)生一次中斷，鍵盤掃描計數(shù)器進行計數(shù)，當計數(shù)滿10次時，對鍵盤掃描標志位進行置位，即每100ms掃描一次鍵盤。當有鍵按下時鍵盤程序執(zhí)行相應(yīng)功能，并且串口進行提示。鍵盤程序主要實現(xiàn)PID參數(shù)的設(shè)置，串行口發(fā)送PID運算的輸出量和PID參數(shù)設(shè)置時的按鍵提示，PWM進行驅(qū)動蜂鳴器，當有鍵按下時，蜂鳴器發(fā)聲用于按鍵提示。程序采用模塊化編程，總體程序流程所圖31所示。圖31　總體設(shè)計流程圖 各模塊功能本設(shè)計，共劃分了4個模塊，分別為PID算法模塊，鍵盤功能模塊，串口字字符發(fā)送模塊，定時器中斷處理模塊，其中鍵盤功能模塊因為很繁瑣又劃分為3個子模塊。 PID算法模塊因為增量式PID控制算法相對位置式PID控制算法有多優(yōu)點，所以選用基于增量式的PID控制算法。增量式PID控制算法對D/A轉(zhuǎn)換器輸入數(shù)據(jù)和A/D轉(zhuǎn)換器的輸出數(shù)據(jù)進行增量式PID運算。增量式PID控制的算法如圖32所示。圖32　增量型PID控制流程由于系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)線性范圍受到限制，當偏差E較大時，如系統(tǒng)在開工、停工或大幅度提降時，由于積分項的作用，將會產(chǎn)生一個很大的超調(diào)量，使系統(tǒng)不停的振蕩。在計算機控制系統(tǒng)中，為了消除這一現(xiàn)象，可以采用積分分離的方法，即在控制量開始時跟蹤，取消積分作用，直到被調(diào)量接近給定值時，才產(chǎn)生積分作用。在基于增量式PID控制的基礎(chǔ)上，由積分分離式PID控制的算式可以得到積分分離式PID的程序流程如圖33所示。圖33　積分分離式PID控制程序流程為了避免控制動作過于頻繁，以消除由于頻繁動作所引起的振蕩，采用帶死區(qū)的PID控制算式。其動作特性如圖34所示。帶死區(qū)的PID控制算式為式中，K為死區(qū)增益，其數(shù)值可為0，，1等。死區(qū)B是一個可調(diào)的參數(shù)，B值太小使調(diào)節(jié)動作過于頻繁，不能達到穩(wěn)定被調(diào)對象的目的。如果B取得太大，則系統(tǒng)將產(chǎn)生很大的滯后，當B＝0時，或K＝1時，則為PID控制。其計算程序流程如圖35所示。 圖34　帶死區(qū)的PID動作特性 　　 圖35　帶死區(qū)的PID控制流程綜合上述所有PID控制程序，可得最終PID控制流程如圖36所示。圖36　PID控制流程 鍵盤功能模塊本系統(tǒng)鍵盤設(shè)計了五個鍵，分別為功能鍵，參數(shù)選擇鍵，+號鍵，—號鍵，確認鍵。鍵盤功能模塊的功能是當按了功能鍵(SET)后，通過參數(shù)選擇鍵(CHOOSE)，選擇PID參數(shù)，按+號鍵和號鍵即可對臨時變量進行調(diào)整。調(diào)整后，按確認鍵對參數(shù)調(diào)整進行確認,再按功能鍵(SET)鍵則鎖定參數(shù)選擇鍵(CHOOSE)，防止參數(shù)意外改變。單片機啟動后，定時模塊進行工作，每10ms產(chǎn)生一個中斷，相應(yīng)變量進行中斷次數(shù)計數(shù)，當產(chǎn)生十次中斷時，即100ms時，相應(yīng)標志位取1。鍵盤程序通過判斷標志位，當為1時清除標志位并進行鍵盤掃描，如果有鍵按下就執(zhí)行相應(yīng)功能。鍵盤功能實現(xiàn)第一子模塊實現(xiàn)在100ms標志時的PID設(shè)置鍵(SET)按下判斷。若按下，則對應(yīng)的標志位取反。程序流程如圖37所示。鍵盤功能實現(xiàn)第二子模塊實現(xiàn)PID調(diào)整參數(shù)的選擇。當PID設(shè)置鍵按下的標志位為1的時候，通過判斷PID參數(shù)調(diào)選擇鍵的動作來選擇要調(diào)整的PID調(diào)整參數(shù)。程序流程圖如圖38所示。圖37　鍵盤功能第一模塊流程圖38　鍵盤功能第二模塊流程鍵盤功能實現(xiàn)第三部分子模塊實現(xiàn)PID參數(shù)的加減操作。當PID設(shè)置鍵按下標志位和PID參數(shù)選擇鍵按下標志位都為1時，進入第三部分子模塊，實現(xiàn)PID參數(shù)的改變，程序流程圖如圖39所示。圖39　鍵盤功能實現(xiàn)第三部分流程說明：flag為set鍵按下標志，flag1為參數(shù)選擇鍵按下標志。 串口發(fā)送模塊進行串口發(fā)送前，必須對串口進行初始化。初始化時要設(shè)置的寄存器有波特率設(shè)定寄存器SCI0BDL、SCI控制寄存器1SCI0CRSCI控制寄存器2SCI0CR2。波特率是串行通信中，傳輸速率是每秒鐘傳送的位數(shù)（bit／s），1波特=1位／秒。對MC9S12DG128的波特率計算公式為：波特率＝SCI模式時鐘/(16BR)即BR的值應(yīng)為SCI模式時鐘/(16波特率) ，一般定波特率就9600（bit/s），所以對應(yīng)的BR值為52。SCI0CR1主要設(shè)置SCI的工作方式、設(shè)置幀格式、喚醒、空閑檢測類型以及奇偶校驗等。SCI0CR2寄存器主要完成收發(fā)中斷的控制，收發(fā)的允許等操作。根據(jù)結(jié)晶器振動控制要求，設(shè)置SCI0CR2的值為0x0c，設(shè)置SCI0CR1的值為0x0。本系統(tǒng)中串口的發(fā)送模塊是用于鍵盤程序的人機交互，以及PID運算后輸出的增量值。串口程序功能是在相應(yīng)按鍵按下時，發(fā)送數(shù)據(jù)進行提示，串口單字符發(fā)送程序流程圖發(fā)圖310所示。圖310 串口字符發(fā)送流程 對于串口整型數(shù)據(jù)發(fā)送，在設(shè)計中，，Du(PID運算輸出)的值大概為對于整型數(shù)據(jù)的發(fā)送，只要把整型數(shù)據(jù)每一位都轉(zhuǎn)換為字符即可通過調(diào)用串口單字