【文章內(nèi)容簡介】 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(jì)算機(jī)按一定控制算法進(jìn)行運(yùn)算處理，運(yùn)算結(jié)果由模擬量輸出通道輸出，去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、壓力、流量、液位以及其 它 被控變量的自動(dòng)控制。 數(shù)字調(diào)節(jié)器具有與常規(guī)模擬調(diào)節(jié)器同樣的外部特性，其輸入 /輸出信號(hào)制與 DDZⅢ型電動(dòng)單元 組合 儀表相同 （ 輸入信號(hào) 1~5V，輸出信號(hào) 4~20mA）； 保持 了 常規(guī)模擬調(diào)節(jié)器的操作方式 ， 正反板幾乎相同，其指示表頭和操作鍵盤的布置也相差不大 ； 采用了微計(jì)算機(jī)及其配套芯片，在不增加任何外電路芯片的情況下，即可通過編制適當(dāng)用戶程序，方便 地 增加調(diào)節(jié)器功能 ， 功能價(jià)格比 較 高 ； 提供 了 通訊功能 。 智能調(diào)節(jié)器 微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展 ， 引起了調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的根本性變革。以微型計(jì)算機(jī)為主體 ， 將計(jì)算機(jī)技術(shù)與檢測技術(shù)有機(jī)結(jié)合 ， 組成新一代 “ 智能化調(diào)節(jié)器 ” 。智能化調(diào)節(jié)器不僅解決了傳統(tǒng)調(diào)節(jié)器不易解決或不能解決的問題 ， 還能簡化儀表電路 ， 提高儀表可靠性 ， 實(shí)現(xiàn)高精度、高性能、多功能的目的 ， 迅速地在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。 智能調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu) 智能調(diào)節(jié)器就是一種數(shù)字化的過程控制儀表，其外表類似于一般的盤裝儀表，而其內(nèi)部是由微處理器（可能是 8 位的 中央處理器 ： 280， 8085 等，也可能是各種單片機(jī)：內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 4 8051 系列、 8098 系列等）、 RAM、 ROM、模擬量與數(shù)字量 I/O 通道及獨(dú)立的電源等基本單元 組成 的一個(gè)微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)?？梢哉f除控制點(diǎn)的區(qū)別之外，它的功能與現(xiàn)場控制站大同小異。一般有單回路、 2回路、 4 回路或 8 回路的調(diào)節(jié)器，控制方式 有單閉環(huán)控制、串級(jí)控制 、 信號(hào)選擇及前饋控制和按預(yù)定曲線進(jìn)行程序控制等 ，控制算法 PID 控制 、 直接數(shù)字控制 、 最優(yōu)控制 、 模糊控制 和 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等 。 智能調(diào)節(jié)器實(shí)際上是一種通用的調(diào)節(jié)儀表 ， 由 硬件和軟件兩部分組成 ， 其結(jié)構(gòu)原理圖如圖 所示。 單 片 機(jī) 系 統(tǒng)信 號(hào) 調(diào) 理傳 感 器 控 制 輸 出 圖 智能調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)原理圖 (1) 硬件部分 由于被測 參數(shù) 多為非電量 ， 利用傳感器將測到的非電量轉(zhuǎn)換為電信號(hào) ， 大多數(shù)傳感器產(chǎn)生的信號(hào)都很微弱 ， 通常只有 μV或 mV 量級(jí) ， 必須用高輸入阻抗的運(yùn)算放大器對(duì)它們進(jìn)行放大 ， 使達(dá)到一定的幅 值， 還要進(jìn)行濾波 ， 濾除 各種干擾 信號(hào) 。 若信號(hào)的大小與 A/D 轉(zhuǎn)換的輸入范圍不一致 ， 須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換 ， 必要時(shí)要加程控增益放大器對(duì)信號(hào)分段放大以保證轉(zhuǎn)換精度。一般被測量為幾路或幾十路 ， 采用多路開關(guān)對(duì)被測信號(hào)進(jìn)行切換 ， 使各路信號(hào)共用一個(gè) A/D 轉(zhuǎn)換器。若 模擬信號(hào)變化比較緩慢 ， 可以直接加到 A/D 轉(zhuǎn)換器的輸入端 ， 如果信號(hào)變化較快 ， 為了保證 A/D 轉(zhuǎn)換的正確性 ， 要加采樣保持器。轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)送入單片機(jī) ， 單片機(jī)根據(jù) 測量 值進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)運(yùn)算和處理 ， 可將結(jié)果送顯示和打印。單片機(jī)還可把運(yùn)算結(jié)果與存儲(chǔ)器中存放的設(shè)定值進(jìn)行比較 ， 采用改進(jìn)的 PID 控制算法 ， 向執(zhí)行部件輸出控制信號(hào) ， 以將被測參數(shù)穩(wěn)定在 設(shè)定值。如被測爐溫超過上限值或低于下限值時(shí) ， 給出報(bào)警信號(hào) ， 進(jìn)行相應(yīng)操作。 此外 ， 智能調(diào)節(jié)器還可以與 PC 機(jī)組成分布式測控系統(tǒng) ， 由單片機(jī)作為下位機(jī)采集內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 5 各種測量信號(hào)和數(shù)據(jù) ， 通過串行通信接口 將信息傳送給上位機(jī) —— PC 機(jī) ， 再 由 PC 機(jī)進(jìn)行更復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理或進(jìn)行全局監(jiān)控。 (2) 軟件部分 主要包括監(jiān)控程序、接口管理程序和數(shù)據(jù)處理程序三大部分。監(jiān)控程序面向調(diào)節(jié)器的鍵盤和顯示器 ， 幫助實(shí)現(xiàn)從鍵盤輸入數(shù)據(jù)或進(jìn)行功能設(shè)置、控制 ， 完成顯示器對(duì)處理后的數(shù)據(jù)以數(shù)字、字符、圖形等形式顯示的任務(wù)；接口管理程序主要完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、通信等任務(wù)；數(shù)據(jù)處理程序主要完成數(shù)據(jù)濾波、運(yùn)算、分析等任務(wù)。 智能調(diào)節(jié)器的特點(diǎn)和基本功能 智能調(diào)節(jié)器在測量過程自動(dòng)化、測量數(shù)據(jù)處理及功能多樣化方面與傳統(tǒng)調(diào)節(jié)器的常規(guī)測量電路相比 ， 取得了 較大的進(jìn)展。 (1) 特點(diǎn) ① 開發(fā)性強(qiáng) ， 可靠性高； ② 性能好 ， 精度高； ③ 智能化； ④ 具有友好的人機(jī)對(duì)話能力； ⑤ 具有可程控操作的能力。 (2) 基本功能 ① 可進(jìn)行多通道、多參數(shù)巡回檢測； ② 能進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理； ③ 提供多種形式的數(shù)據(jù)輸出 ， 可方便地與網(wǎng)絡(luò)、外設(shè)及其 它 設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換； ④ 可作為自動(dòng)控制的信息反饋環(huán)節(jié) ， 把檢測與控制結(jié)合起來； ⑤ 可通過改變程序或采用可編程的方法增減儀器功能和規(guī)模來適應(yīng)不同的環(huán)境和對(duì)象； 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 6 ⑥ 自校準(zhǔn)、自診斷、觸發(fā)電平自動(dòng)調(diào)整、量程自動(dòng)調(diào)整和各種報(bào)警功能 [3]。 智能調(diào)節(jié)器的優(yōu)越性 智能儀器與傳統(tǒng)儀表相比較： (1) 傳統(tǒng)測控儀表對(duì)于輸入信號(hào)的測量準(zhǔn)確性完全取決于儀表內(nèi)部各功能部件的精密性和穩(wěn)定性，在其內(nèi)部某些部件發(fā)生故障時(shí)仍進(jìn)行測量，測量結(jié)果的正確性不能 保證。智能儀表可采用自動(dòng)校準(zhǔn)技術(shù)來消除儀器內(nèi)部所產(chǎn)生的漂移電壓 ； (2) 傳統(tǒng)儀表的校準(zhǔn)通常與更高一級(jí)的同類儀表 進(jìn)行對(duì)比測量來實(shí)現(xiàn)，智能儀器提供了一種先進(jìn)而方便的自動(dòng)校準(zhǔn)方法 ； (3) 智能儀器在提高儀器可靠性方面也明顯優(yōu)于傳統(tǒng)儀表。通常設(shè)有自檢功能。所謂自檢，就是儀器對(duì)其自身各主要部件進(jìn)行的一種自我檢 測過程，目的是檢查各部件的狀態(tài)是否正常，以保證 儀表的正常運(yùn)行 。自檢一般可分為開機(jī)自檢、周期性自檢和鍵控自檢三類 ； (4) 智能儀器內(nèi)含單片機(jī)，可充分利用單片機(jī)對(duì)于數(shù)據(jù)的處理能力，最大限度地消除儀器的 各種 誤差。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 7 第二章 智能調(diào)節(jié)器方案 選擇 智能調(diào)節(jié)器的方案選擇主要包括 微處理器 的選擇及控制算法的選擇 兩大部分 。 微處理器 的選擇 智能調(diào)節(jié)器的核心是微處理器，智能調(diào)節(jié)器的硬件和軟件的設(shè)計(jì)與微處理器的選擇有著密切的關(guān)系，它的結(jié)構(gòu)、特性對(duì)調(diào)節(jié)器的性能有很大影響。因此，微處理器的選擇在本設(shè)計(jì)中就顯得尤為重要。 微處理器的選擇要從價(jià) 格、字長、輸入 /輸出的執(zhí)行速度、編程的靈活性 、尋址能力、中斷功能、直接存儲(chǔ)器訪問（ DMA）能力、配套的外圍電路芯片是否豐富以及相應(yīng)的開發(fā)系統(tǒng)是否具備等多方面進(jìn)行綜合考慮。 在實(shí)際微處理器的選擇中，我們往往會(huì)感到許多型號(hào)的微處理器都能滿足設(shè)計(jì)要求，這 時(shí) 微處理器的選擇 主 要取決于設(shè)計(jì)人員對(duì) 某種微處理器的熟悉程度。隨著超大規(guī)模集成電路技術(shù)日新月異地發(fā)展，微處理器的功能在不斷增強(qiáng)，價(jià)格在不斷下降。因此，我們?cè)谠O(shè)計(jì)新產(chǎn)品時(shí)應(yīng)盡量采用新器件以優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。目前，微處理器正 向著兩個(gè)方向發(fā)展 ： 一是研制功能更強(qiáng)，速度更快的 16 位、 32 位、 64 位高檔微處理器以及與其相配套的存儲(chǔ)器和 I/O 接口芯片 ； 二是在一塊芯片上集成多種功能的電路，構(gòu)成完整的單片微型計(jì)算機(jī)。 應(yīng)該特別指出的是，高集成度、功能強(qiáng)的單片機(jī)的發(fā)展給智能儀器的實(shí)現(xiàn)帶來 了 極大的方便。單片機(jī)用于智能儀器具有下述優(yōu)越性： 單片機(jī)具有較高速度的數(shù)據(jù)計(jì)算能力。例如 MCS51， MCS96 系列單片機(jī)的時(shí)鐘頻率已擴(kuò)展至 24MHz，其中 MCS96 還具有 16 位乘 16 位和 32 位除以 16 位的除法指令，使運(yùn)算速度大為提高。單片機(jī)具有較強(qiáng)的控制功能。例如 MCS51 具有的布爾處理功能，包括一套 位處理指令和位控制輸入輸出功能，非常適用于儀器儀表的控制。單片機(jī)本身內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 8 就是一個(gè) 結(jié)構(gòu)完備的計(jì)算機(jī)，內(nèi)含豐富的 I/O 接口 。 例如 MCS51 含有 32 線并行 I/O 接口、兩個(gè) 16 位定時(shí) /計(jì)數(shù)器、一個(gè)全雙工的串行口和一個(gè)內(nèi)部 RAM 區(qū)等部件，從而大大簡化了儀器的硬件結(jié)構(gòu)，降低了儀器的造價(jià)。相對(duì)于 增強(qiáng)型的 MCS51， MCS96 系列單片機(jī)內(nèi)還具有 A/D 轉(zhuǎn)換 和 D/A 轉(zhuǎn)換脈寬調(diào)制輸出。因而， 80 年代以來開發(fā)的智能儀器幾乎都帶有一片或多片單片機(jī) [4]。 綜合考慮，本設(shè)計(jì)采用了 Intel 公司 MCS96 系列單片機(jī)中的 80C196KB 單片機(jī)作為智能調(diào)節(jié)器的核心。 控制算法的選擇 智能調(diào)節(jié)器 的核心是控制算法?；镜?控制 算法有 ：程序控制和順序控制； PID控制；直接數(shù)字控制；最優(yōu)控制；模糊控制；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等。其中， PID控制技術(shù)最為成熟，控制結(jié)構(gòu)簡單，參數(shù)容易整定，且不必求出被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型就可進(jìn)行調(diào)節(jié)。因此，本設(shè)計(jì)的智能調(diào)節(jié)器采用 改進(jìn)型的 PID控制 算法 。 PID 控制 的 基本原理 PID控制器本身是一種基于對(duì) “ 過去 ” 、 “ 現(xiàn)在 ” 和 “ 未來 ” 信息估計(jì)的簡單控制算法。 常規(guī)的 PID控制系統(tǒng) 原理 框圖如圖 ，系統(tǒng)主要由 PID控制器和被控對(duì)象組 成。作為一種線性控制器，它根據(jù)給定值和實(shí)際輸出值構(gòu)成控制偏差，將偏差按比例、積分和微分通過線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，故稱 PID控制器。 比 例積 分微 分被 控 對(duì) 象r ( t ) e ( t ) u ( t ) y ( t )++++ 圖 PID控制系統(tǒng)原理框圖 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 9 在連續(xù)控制系統(tǒng)中， PID控制器的輸出 u(t)與輸入 e(t)之間成比例、積分、微分的關(guān)系。即 ])()(1)([)(u 0 dt tdeTdtteTteKt DtIP ??? ? () 式中： )()()( tytrte ?? ， PK 為比例增益， IT 為積分時(shí)間常數(shù)， DT 為微分時(shí)間常數(shù)。 在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，使用比較普遍的也是 PID控制策略。此時(shí)，數(shù)字調(diào)節(jié)器的輸出與輸入之間的關(guān)系為 ? ??????? ????? ??kiIP TkTekTeTTiTeTTkTeKkTu 0 D )()()()()( () 其中： PK 、 IT 、 DT 分別為比例系數(shù)、積分時(shí)間 常數(shù)和微分時(shí)間常數(shù)； T 為采樣周期； k 為采樣序號(hào)， k = 0， 1， 2， … ； )(kTu 為第 k 次采樣時(shí)刻的計(jì)算機(jī)輸出值； )(kTe 為第 k 次采樣時(shí)刻輸入的偏差值； )( TkTe ? 為第 (k1)次采樣時(shí)刻輸入的偏差值。 PID各 控制參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能有不同的影響。 簡單來說， PID控制 器 各校正環(huán)節(jié)的作用如下 ： (1) 比例環(huán)節(jié) 及時(shí)成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào) e(t)。 偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用 ，以減少偏差。 (2) 積分環(huán)節(jié) 主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù) IT ， IT 越大，積分作用越弱，反之則越強(qiáng)。 (3) 微分環(huán)節(jié) 能反映偏差信號(hào)的變化趨勢(shì) （ 變化速率 ） ，并能在偏差信號(hào) 值 變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。 PID 控制算法及特點(diǎn) PID 控制器的兩種主要算法 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 10 PID控制器主要有兩種算法，位置式算法和增量式算法 ，下面分別討論兩種算法的特點(diǎn)。 (1) 位置式 PID控制算法 位置式 PID控制算法 原理框 圖如圖 。 執(zhí) 行 機(jī) 構(gòu)P I D 位 置 式 算 法D / A被 控 對(duì) 象r ( k ) e ( k ) u ( t ) y ( t )+u ( k )y ( k ) 圖 位置式 PID控制算法 原理框 圖 因?yàn)橛?jì)算機(jī)控制是一種采樣控制，式 ()中的積分和微分項(xiàng)不能直接使用，需要對(duì)其進(jìn)行離散化處理。現(xiàn)以一系列的采樣時(shí)刻點(diǎn) kT代表連續(xù)時(shí)間 t，以和式代替積分，以增量代替微分，則可作如下近似變換 kTt? () ??? ?? ?? kjkjt jeTjTeTdtte 000 )()()( () ? ?? ?T TkekTedt tde 1)()( ??? () 將算式 T TkekTe ])1[()( ?? 簡化表示為 T keke )1()( ?? ， 于是得到控制器輸出 ?????? ????? ?? T kekeTjeTTkeKku DkjIP)]1()([)()()(0 () )]1()([)()()( 0 ????? ?? kekeKjeKkeKku DkjIP () 其中： PK 為比例增益， IK 為積分系數(shù)，IPI TTKK ? ， DK 為微分系數(shù)， TTKK DPD ? 。 在位置型算法中，由于全量輸出，所以每次輸出均與原來的位置量有關(guān)，計(jì)算時(shí)要對(duì) e(k)進(jìn)行累加，容易造成