【文章內(nèi)容簡介】 在有限的范圍內(nèi)，即： (式31)其變化也限制在一定范圍內(nèi)，即： (式32)如果計算機輸出的控制變量n在上述范圍內(nèi)，那么PID控制可以達到預期的效果。一旦超出上述范圍（如超出蒸汽閥門的最大開度），則實際執(zhí)行的控制量就不再是計算值，由此將引起不期望的效應，稱為飽和效應。為了克服積分飽和，有以下幾種改進的 PID控制算法，下面分析介紹。一、遇限制消弱積分法這種方法的思想是：一旦控制變量進入飽和區(qū)，停止增大積分項。具體說，在算Ui時，特別注意上一時刻的控制量yi1是否超出限制。如果已超出，那么將根據(jù)偏差的符號，判斷系統(tǒng)輸出是否在超調(diào)區(qū)域，由此決定是否應將相應偏差計入積分區(qū)，如圖23所示：圖23 遇限制消弱積分法克服積分飽和長春工業(yè)大學人文信息學院畢業(yè)設計（論文）圖24 采用遇限制積分削弱法PID算法框圖二、積分分離法減小積分飽合的關鍵在于不能使積分項過大，上面的修正方法是一開始就積分，在進入限制范圍內(nèi)即停止積累。積分分離法在開始時不進行積分，直到偏差達到一定值后才開始進行積分。如圖25所示（a不采用積分分離法，b采用積分分離法）。當誤差的絕對值小于預定的門限值時，才進行積累。圖25 積分分離法克服積分飽和這樣一方面防止了一開始就有過大的控制量，另一方面即進入飽和后，因積分累積小，也能較快退出，減少了超調(diào)。積分分離法框圖如圖26所示。當誤差在門限外時，該算法相當于比例微分調(diào)節(jié)器。只有在門限范圍內(nèi)，積分才會起作用，以消除系統(tǒng)誤差。圖26 采用積分分離法框圖三、有效偏差法當控制量u超出范圍時，控制量實際上只能取邊界值，即 或 (式33)有效偏差法是將相應于實際輸出的控制變量的誤差值計入積分項，而不是將實際測得的誤差值計入積分項。當計算出的控制量超出限制范圍時，如果實際實現(xiàn)的控制量為u =u （上限值或下限值），則有效誤差可按下式計算出，即為（式34）。有效偏差法程序框圖如圖27所示。在 PID 位置算法中，除了對控制量的限制外，對控制量變化率的限制也會引起飽和，可用類似的方法加以消除。本次設計中為了克服積分飽和，我們采用了積分分離法。（式34） 圖27 有效偏差的算法程序框圖第3章 燃油鍋爐控制系統(tǒng)的硬件設計 鍋爐控制系統(tǒng)的目的實現(xiàn)對鍋爐汽包水位，蒸汽壓力，風／油比值，煙氣含氧量和爐膛壓力的控制。對于過熱蒸汽鍋爐，這能實現(xiàn)對過熱蒸汽溫度的控制。保證了生產(chǎn)的安全，達到降低油耗，提高自動化水平的目的。 鍋爐控制系統(tǒng)的過程控制機本系統(tǒng)采用專用設計方式。利用芯片，設計出一個專用系統(tǒng)。它的配置包括 CPU，采用單片機 MC51 系列的 8031 芯片[22]。外部擴展 ROM 為 2732，外部 RAM 采用芯片 6116，D/A 轉(zhuǎn)換采用 DACO832，A/D 轉(zhuǎn)換采用 ADC0809。 芯片介紹與連接 簡介 MCS51 單片機為 40 腳芯片。其引腳功能可分為三部分：（1）I/O 口線：P0、PPP3共 4 個 8 位口。（2）控制總線：PSEN ，片外取指控制；ALE，地址鎖存控制；EA 片外存儲器選擇；RESET：復位控制。（3）電源及時鐘：VCC、VSS、XTALXTAL2 其應用特性如下：I/O 口線不能都用作用戶 I/O 口線，除 8058751 外，其它可以完全為用戶使用的只有 P1，以及作為多功能使用的 P3口。I/O 口中，P0口可驅(qū)動 8 個 TTL 門電路，PPP3口只能驅(qū)動4 個 TTL 門電路。P8 口具有雙重功能。在 MCS51 單片機應用系統(tǒng)中，外部程序存儲器有單獨的地址編號（0000H－FFFFH）、雖然與數(shù)據(jù)存儲器地址重疊，但不會被占用，它使用單獨的控制信號和指令。程序存儲器的指令，讀取控制是由PSEN 控制，讀取數(shù)據(jù)用 MOVC 查表指令。MCS51 單片機訪問外部程序存儲器時，所使用的控制信號有：ALE 低 8 位地址鎖存控制， PSEN 外部程序存儲器“讀取”控制。程序存儲器擴展時，一般擴展容易大于 256 字。因此，EPROM片內(nèi)地址線除了由 P0口線鎖存器提供低 8 位地址線外，需要由 P2口提供若干地址線。當 EPROM 為 IK 字節(jié)時，地址線為 11 根（2k＝211），4k 字節(jié)時需 12 根（4k=212）以此類推。外部存儲器使用與程序存儲器不同的信號，故而它們的地址可重疊。任何擴展的 I/O 口以及設備均占用數(shù)據(jù)存儲器地址。數(shù)據(jù)存儲器控制線使用WR和 RD，不用PSEN ，故兩者地址總線和數(shù)據(jù)總線可以并聯(lián)使用。它的外部數(shù)據(jù)操作簡單。累加器 A 和外部數(shù)據(jù)存儲器的數(shù)據(jù)傳遞操作，可通過以下兩句指令來實現(xiàn)：movx＠ Ri A:累加器中數(shù)據(jù)送片外；movxA，＠ Ri ：片外數(shù)據(jù)送累加器中?；騧ovx ＠ DPTR,A ；movx A ＠ DPT。圖31 6116管腳功能6116是2K*8位靜態(tài)隨機存儲器芯片,采用CMOS工藝制造,單一+5V供電,額定功耗160mW,典型存取時間200ns,24線雙列直插式封裝，其引腳功能說明如下：A0～A10：地址輸入線O0～O7：雙向三態(tài)數(shù)據(jù)線，有時用D0～D7表示CE ：片選信號輸入端，低電平有效OE：讀選通信號輸入線，低電平有效WE：寫選通信號輸入線，低電平有效Vcc：工作電源輸入引腳，＋5VGND：線路地由于構成整個系統(tǒng)所使用芯片較多，故使用二個38 譯碼器，由二個74LS138構成譯碼器擴展使用，74LS138的管腳功能如圖32所示：圖32 74LS138 管腳功能對于 74LS138，只有在G1高電平，G2A、G2B都為低電平時，74LS138 才能譯碼輸出，輸出真值表如下表所示:表31 74LS138 輸出真值表G1G2AG2BCBAY7Y6Y5Y4Y3Y2Y1Y01000001111111010000111111101100010111110111000111111011110010011101111100101110111111001101011111110011111111111其 他XXX11111111鎖存器使用 74LS373 和 74LS273。74LS373 用于鎖存 RAM 和EPROM 的低 8 位地址線。而 74LS273 用于開關量輸出，即報警鎖存。74LS373 的1管腳功能如圖 33 所示。圖33 74LS373 管腳功能MCS51 單片機共有四個 8 位并行 I/O 口，但這些口并不能完全提供給用戶使用。只有對于片內(nèi)有 ROM 和 EPROM 的單片機 8051和 8751，在不使用外部擴展時，才允許這四個 I/O 口作為用戶 I/O使用。然而對于大多數(shù)使用 8031 以及使用 8051 和 8751 需外部擴展時，MCS51 提供給用戶使用的 I/O 口只有P1口和部分P3口線，因此大部分MCS51單片機應用系統(tǒng)中都不可避免地要進行I/O擴展。在應用系統(tǒng)中，擴展的 I/O 口采用與數(shù)據(jù)存儲器相同的尋址方法。EPROM 2732的容量為4K8位。4K表示有41024（22210=212）個存儲單元，8位表示每個單元存儲數(shù)據(jù)的寬度是8位。前者確定了地址線的位數(shù)是12位（A0～A11），后者確定了數(shù)據(jù)線的位數(shù)是8位（O0～O7），目前除了串行存儲器之外，一般情況下我們使用的都是8位數(shù)據(jù)存儲器）。2732單一+5V供電，最大靜態(tài)工作電流為100mA，維持電流為35mA，讀出時間最大為250ns。2732 的封裝形式為DIP24，管腳如圖34所示。圖34 EPROM 2732管腳及說明其中 A0～A11： 地址線 O0～O7： 數(shù)據(jù)線 ： 片選線/VPP： 輸出允許/編程高壓除了12條地址線和8條數(shù)據(jù)線之外，為片選線，低電平有效，也就是說，只有當為低電平時，2732才被選中，否則，2732不工作。/VPP為雙功能管腳，當2732用作程序存儲器時，其功能是允許讀數(shù)據(jù)出來；當對EPROM編程（也稱為固化程序）時，該管腳用于高電壓輸入，不同生產(chǎn)廠家的芯片編程電壓也有不同。當我們把它作為程序存儲器使用時，不必關心其編程電壓。 鍵盤和顯示器1. 鍵盤鍵盤是由若干個按鍵組成的開關矩陣，它是最簡單的單片機輸入設備，通過鍵盤輸入數(shù)據(jù)或命令，實現(xiàn)簡單的人機對話。鍵盤上閉合鍵的識別是由專用硬件實現(xiàn)的，稱為編碼鍵盤，靠軟件實現(xiàn)的稱為非編碼鍵盤。本系統(tǒng)中，采用44鍵盤。44的鍵盤結構如圖35所示，圖中行線通過電阻接+5V，當鍵盤上沒有健閉合時，所有的行線和列線斷開，行線XO～X3呈高電平。當鍵盤上某一個鍵閉合時，該健所對應的行線與列線短路。例如，6號鍵按閉合時，行線Xl和列線Y2短路，此時Xl的電平由Y2的電平所決定，如果把行線接到微機的輸人口，列線接到微機的輸出口，則在微機的控制下，使列線Y0為低電平(0)，其余三根列線YYY3都為高電平。然后微機通過輸人口讀行線的狀態(tài)，如果X0、XXX3都為高電平，則Y0這一列上沒有鍵閉合，如果讀出的列線狀態(tài)不全為高電平，則為低電子的行線和Y0相交的鍵處于閉合狀態(tài)；如果Y0這一列上沒有鍵閉合，接著使列線Y1為低電平，其余列線為高電平。用同樣的方法檢查Y1這一列上有無鍵閉合，以此類推，最后使列線Y3為低電平，其余的列線為高電平，檢查Y3這一列上是否有健閉合。這種逐行逐列地檢查鍵盤狀態(tài)的過程稱為對鍵盤的一次掃描。圖35 行列鍵盤原理電路圖鍵盤中有無鍵按下是由列線送入掃描字，行線讀入行線狀態(tài)來判斷的。其方法是：給所有 I/O 口線內(nèi)置低電平，然后將行線電平狀態(tài)讀入累加器 A 中，如有鍵按下，總會有一根行線電平被拉至低電平，從而使行輸入不全為 1。鍵盤中哪一個鍵按下是由列線送入低電平后，檢查行輸入狀態(tài)，其方法是：依次給列線送低電平，然后檢查所有行線，如果全為 1，則所按下之鍵不在此列。如果不全為 1，則所按鍵必在此列。而且所按鍵是在與 0 電平行線相交的點上的那個鍵。鍵盤上每一個鍵都有一個鍵值，鍵值賦值最直接的辦法是將行、列線按二進制順序排列。當某一鍵按下時，鍵盤掃描程序執(zhí)行到該列置 0 電平，讀出各行狀態(tài)為非全 1，這時的行列數(shù)據(jù)組合成鍵值。2. 顯示器本系統(tǒng)中，現(xiàn)場采用LED顯示器。LED示器是單片機應用系統(tǒng)中常用的輸出器件。它是由若干個發(fā)光二極管組成的，當發(fā)光二極管導通時，相應的一個點或一個筆畫發(fā)亮?？刂撇煌M合的二極管導通，就能顯示出各種字符。常用的LED顯示器有7段和“米”字段之分。這種顯示器有共陽極和共陰極兩種。如圖23所示。共陰極LED顯示器的發(fā)光二極管的陰極連接在一起，通常此公共陰極接地。當某個發(fā)光二極管的陽極為高電平時，發(fā)光二極管點亮，相應的段被顯示。同樣，共陽極LED顯示器的發(fā)光二極管的陽極連接在一起，通常此公共陽極接正電壓，當某個發(fā)光二極管的陰極接低電平時，發(fā)光二極管被點亮，相應的段被顯示。使用LED顯示器時，為了顯示數(shù)字或符號，要為LED顯示器提供代碼，因為這些代碼是通過個段的亮與滅來為顯示不同字型的，因此稱之為段碼。LED的顯示方式有靜態(tài)和動態(tài)兩種方法。所謂靜態(tài)顯示，就是當顯示器顯示某一個字符時，相應的發(fā)光二極管恒定的導通或截止，例如7段顯示器a、b、c、d、e、f導通，8截止，顯示0。這種顯示方式每一位都需要有一個8位輸出口控制。三位顯示器的接口邏輯。靜態(tài)顯示時，較小的電流能得到較高的亮度且字符不閃爍，所以可由I/O接口芯片的輸出口直接驅(qū)動。在單片機串行口方式0應用中，也是采用靜態(tài)顯示方法。用靜態(tài)顯示所需的I/O太多，一般采用動態(tài)顯示方法。所謂動態(tài)顯示就是一位一位地輪流點亮顯示器各個位(掃描)，對于顯示器的每一位來說，每隔一段時間點亮一次。利用人的視覺暫留功能可以看到整個顯示，但必須保證掃描速度足夠快，字符才不閃爍。顯示器的亮度既與導通電流有關，也與點亮時間和間隔時間的比例有關。調(diào)整電流和時間參數(shù)，可實現(xiàn)亮度較高較穩(wěn)定的顯示。若顯示器的位數(shù)不大于8位，則控制顯示器公共極電位只需一個I/O口(稱為掃描口)，控制顯示器的各位所顯示的字型也需一個8位口(稱為段數(shù)據(jù)口)。 A/D通道模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換（簡稱 A/D 轉(zhuǎn)換）是微型機控制系統(tǒng)的重要接口之一。在微型機系統(tǒng)中，當測量濕度、壓力、流量、重量、位置和距離等未知參數(shù)時，A/D 轉(zhuǎn)換器的任務就是把傳感器輸出的電流或電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，以便計算機進行控制和計算。大多數(shù)廣泛使用的 A/D 轉(zhuǎn)換