【文章內(nèi)容簡介】 確地按照被控量來調(diào)整，引起調(diào)節(jié)量過大或偏小，調(diào)節(jié)時間變長。在這種情況下，就要引進數(shù)字 PID 控制，在傳統(tǒng) PID 控制原理上，引入了計算機系統(tǒng)的數(shù)字控制，根據(jù)不同實際目的，產(chǎn)生不同的改進算法，從而滿足不同的控制。因其控制規(guī)律是通過程序完成的，所以具有方便靈活的優(yōu)勢。 小結(jié) 本章簡要的介紹了溫控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架，對于快速理解整個系統(tǒng)有一定的幫助。 煙臺南山學院 畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 6 頁 3 相關(guān)技術(shù)簡介 CAN 總線簡介 CAN 是由研發(fā)和生產(chǎn)汽車電子產(chǎn)品著稱的德 國 BOSCH 公司開發(fā)的，并最終成為國際標準（ ISO11898 和 ISO11519） 的串行數(shù)據(jù)通訊總線 。是國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。在北美和西歐， CAN 總線協(xié)議已經(jīng)成為汽車計算機控制系統(tǒng)和嵌入式工業(yè)控制局域網(wǎng)的標準總線，并且擁有以 CAN 為底層協(xié)議專為大型貨車和重工機械車輛設(shè)計的 J1939 協(xié)議。近年來，其所具有的 高性能、 高可靠性和良好的錯誤檢測能力受到重視，被廣泛應(yīng)用于汽車計算機控制系統(tǒng)和環(huán)境溫度惡劣、電磁輻射強和振動大的工業(yè)環(huán)境 。 CAN 總線的工作原理 當 CAN 總線上的一個節(jié)點 (站 )發(fā)送數(shù)據(jù)時 , 它以報文形式廣播給網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點。對每個 節(jié)點來說 ,無論數(shù)據(jù)是否是發(fā)給自己的 ,都對其進行接收。每組報文開頭的11 位字符為標識符 ,定義了報文的優(yōu)先級 ,這種報文格式稱為面向內(nèi)容的編址方案。在同一系統(tǒng)中標識符是唯一的 ,不可能有兩個站發(fā)送具有相同標識符的報文。當幾個站同時競爭總線讀取時 ,這種配置十分重要。 當一個站要向其他站發(fā)送數(shù)據(jù)時，該站的 CPU 把要發(fā)送的數(shù)據(jù)和自己的標識符傳送給本站的 CAN 控制器，并處于準備狀態(tài)；當它收到總線分配時，轉(zhuǎn)為發(fā)送報文狀態(tài)。 CAN 控制器將數(shù)據(jù)根據(jù)協(xié)議組織成一定的報文格式發(fā)出，這時網(wǎng)上的其他站處于接收狀態(tài)。每個處于接收狀態(tài)的站對 接收到的報文進行檢測，判斷這些報文是否是發(fā)給自己的，以確定是否接受它。 CAN 總線的特點和優(yōu)點 可以多主方式工作，網(wǎng)絡(luò)上任意一個節(jié)點均可以在任意時刻主動地向網(wǎng)絡(luò)上的其他節(jié)點發(fā)送信息，而不分主從，通信方式靈活。 網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點（信息）可分成不同的優(yōu)先級，可以滿足不同的實時要求。 采用非破壞性位仲裁總線結(jié)構(gòu)機制，當兩個節(jié)點同時向網(wǎng)絡(luò)上傳送信息時，優(yōu)先級低的節(jié)點主動停止數(shù)據(jù)發(fā)送，而優(yōu)先級高的節(jié)點可不受影響地繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)。 煙臺南山學院 畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 7 頁 可以點對點、一點對多點（成組）及全局廣播幾種傳送方式接收數(shù)據(jù)。 直接通信距離最遠可達 10km(速率 5Kbps 以下 )。 通信速率最高可達 1MB/s（此時距離最長 40m）。 節(jié)點數(shù)實際可達 110 個。 采用短幀結(jié)構(gòu)，每一幀的有效字節(jié)數(shù)為 8 個。 每幀信息都有 CRC 校驗及其他檢錯措施，數(shù)據(jù)出錯率極低。 通信戒指可采用雙絞線、同軸電纜或光導纖維，一般采用廉價的雙絞線即可，無特殊要求。 1節(jié)點在錯誤嚴重的情況下，具有自動關(guān)閉總線的功能，切斷它與總線的聯(lián)系，以使總線上的其他操作不受影響。 CAN 總線協(xié)議 CAN 總線 標準包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層。 BOSCH CAN 基本上沒有對物理層進行定義，但基于 CAN 的 ISO 標準對物理層進行了定義。設(shè)計一個 CAN 系統(tǒng)時，物理層具有很大的選擇余地，但必須保證 CAN協(xié)議中媒體訪問層非破壞性位仲裁的要求，即出現(xiàn)總線競爭時，具有較高優(yōu)先權(quán)的報文獲取總線競爭的原則，所以要求物理層必須支持 CAN 總線中隱性位和顯性位的狀態(tài)特征。在沒有發(fā)送顯性位時，總線處于隱性狀態(tài)，空閑時，總線處于隱性狀態(tài)；當有一個或多個節(jié)點發(fā)送顯性位，顯性位覆蓋隱性位，使總線處于顯性狀態(tài)。 在此基礎(chǔ)上，物理層主要取決于傳輸速度的要求。在 CAN 中，物理層從結(jié) 構(gòu)上可分為三層：分別是物理信號層 (Physical Layer Signaling， PLS)、物理介質(zhì)附件(Physical Media Attachment， PMA)層和介質(zhì)從屬接口 (Media Dependent： Interface，MDI)層。其中 PLS 連同數(shù)據(jù)鏈路層功能由 CAN 控制器完成， PMA 層功能由 CAN收發(fā)器完成， MDI 層定義了電纜和連接器的特性。目前也有支持 CAN 的微處理器內(nèi)部集成了 CAN 控制器和收發(fā)器電路，如 MC68HC908GZl6。 PMA 和 MDI 兩層有很多不同的國際或國家或行業(yè)標準， 也可自行定義，比較流行的是 ISOll898 定義的高速 CAN 發(fā)送 /接收器標準。 理論上， CAN 總線上的節(jié)點數(shù)幾乎不受限制，可達到 2020 個，實際上受電氣特性的限制，最多只能接 100 多個節(jié)點。 煙臺南山學院 畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 8 頁 CAN 的數(shù)據(jù)鏈路層是其核心內(nèi)容，其中邏輯鏈路控制 (Logical Link control， LLC)完成過濾、過載通知和管理恢復等功能，媒體訪問控制 (Medium Access control， MAC)子層完成數(shù)據(jù)打包 /解包、幀編碼、媒體訪問管理、錯誤檢測、錯誤信令、應(yīng)答、串并轉(zhuǎn)換等功能。這些功能都是圍繞信息幀傳送過程展 開的。 CAN 的分層結(jié)構(gòu)如圖 所示： 圖 CAN 的分層結(jié)構(gòu) ARM 處理器簡介 ARM 處理器的特點 作為一種 RISC 體系結(jié)構(gòu)的微處理器， ARM CPU 的關(guān)鍵優(yōu)點是能兼顧到高性能、低功耗和低價格。首先在低功耗 (MIPS/W— 百萬條指令每秒 /瓦 )方面具有業(yè)界領(lǐng)先的性能。 ARM 的高性能表現(xiàn)為其體系結(jié)構(gòu)是基于 RISC 流水線架構(gòu)，它的指令系統(tǒng)和相關(guān)譯碼機制比那些采用微程序的復雜指令系統(tǒng)的計算機 (CISC)簡單得多。這個簡化帶來三個優(yōu)點 :指令的高吞吐率；極其有效的實時中斷響應(yīng)；體積小 、性價比高的處理器宏單元。 STM32F103 處理器 煙臺南山學院 畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 9 頁 本論文中選用 ARM 微處理器 STM32F103。 STM32F103 系列的處理器集成了高性能的 ARM CortexM332 比特 RISC 內(nèi)核，工作頻率為 72MHz，高速率的嵌入式內(nèi)存 (FLASH Memory 達到 512K， SRAM 達 64K）． I/O 接口豐富，外圍有兩個 APB 總線，所有的設(shè)備提供 3 個 12 比特的數(shù)模轉(zhuǎn)化器， 4 個常規(guī)模的 16 比特的延時器乘兩個 PWM 延時器，具有標準先進的通信接口：兩個 I2C 總線，三個 SPI 接口，兩個 I2S總線，一個 SDIO 接口，五個 USART，并且內(nèi)部集成了 USB 和 CAN 控制器。它的工作溫度范圍在 40105℃，工作電壓為 到 伏，可以工作在省電模式下的低電壓． STM32F103 系列的處理器的封裝形式多樣，從 64 引腳到 144 引腳，可阻根據(jù)不同的設(shè)備選擇不同的外圍需要。 STM32F103 的主要構(gòu)成 嵌入 Flash和 SDRAM的 ARM CortexM332比特 RISC內(nèi)核。 ARM CortexM332比特 RISC 處理器是最新代的嵌入式處理器，它已經(jīng)發(fā)展成為以減少管腳數(shù)量和低功耗的低成本平臺來滿足 MCU實現(xiàn)，而卻有著出色的計算功能和先進的中斷響應(yīng)機制，可以兼容所有的 ARM 工具和軟件。 嵌入式的 Flash 存儲器。 32 字節(jié)的存儲器可以有效地存儲程序和數(shù)據(jù)。 CRC（循環(huán)冗余檢查）單元。 CRC 檢查器用于從一個 32 比特數(shù)據(jù)字里得到一個 CRC 碼和一個外圍的發(fā)生器， CRC 技術(shù)在其他的應(yīng)用中用于不同的數(shù)據(jù)傳送和完整存儲，在軟件運行過程中產(chǎn)生一個信號來跟連接時產(chǎn)生的參考信號比較，并存儲在內(nèi)存區(qū)域。 內(nèi)嵌的 SARM。 10 字節(jié)的空間可以保證不需要等待 CPU 時鐘而讀寫數(shù)據(jù)。 內(nèi)部和外部中斷控制器。內(nèi)部中斷 控制器可以解決 43 路中斷，擁有 16 級的優(yōu)先權(quán)，外部中斷控制器通過 19 路觸發(fā)器產(chǎn)生外部中斷請求，每一路獨立的配置選擇觸發(fā)事件。 電源提供策略。正常模式， SLOW 模式，空閑模式和掉電模式。 DMA。靈活的 7 路 DMA 可以處理存儲器之間和存儲器與外圍之間的轉(zhuǎn)換，每一路通過軟件觸發(fā)來用于硬件的 DMA 請求。 具有日歷功能的 RTC 時鐘。 RTC 提供時鐘日志功能，報警中斷，和周期性的中斷。 煙臺南山學院 畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 10 頁 I2C 總線。 I2C 可以工作在多主模式和被動模式下，提供標準和快速模式。 CAN 控制器。滿足 ， 可以接收發(fā)送 11 比特標識符的標準數(shù)據(jù)幀和 29 比特的擴展幀，有三個傳送盒，兩個用于接收 FIFO。 1 ADC。兩個 12 比特的數(shù)模轉(zhuǎn)化器，自動轉(zhuǎn)化輸入的模擬信號，可以用于 DMA控制器和觸摸屏接口。 1串行線和 JATG 調(diào)試接口 (SWJDP)。 ARM 的 SWJDP 接口可以實現(xiàn)串行線和 JATG 的調(diào)試。 1 GPIO（通用輸入輸出口）。每一個 GPIO 可以通過軟件實現(xiàn)作為輸出、輸入和外圍的轉(zhuǎn)換功能，大多的管腳都具有數(shù)模轉(zhuǎn)換功能。 1看門狗定時器。 PID 控制簡介 模擬 PID 控制 PID 控 制器由比例單元（ P）、積分單元（ I）和微分單元（ D）組成。其輸入 e(t）與輸出 u(t）的關(guān)系為 ： u(t)=KP[e(t)+1/ Ti*∫ e(t)dt+Td*de(t)/dt] ， 式中積分的上下限分別是 0 和 t。 因此它的傳遞函數(shù)為： G(s)=U(s)/E(s)= KP[1+1/( Ti*s)+Td*s] 其中 KP為比例系數(shù)； Ti為積分時間常數(shù)； Td 為微分時間常數(shù) 。 PID 調(diào)節(jié)的實質(zhì)：根據(jù)輸入的偏差信號，按比例、積分、微分的函數(shù)關(guān)系進行計算，其運算結(jié)果用于輸出控制。 PID 控制的應(yīng)用很廣泛，使用方便，只需設(shè)定 參數(shù) Kp、 Ti、 Td,三者都是可調(diào)的，傳統(tǒng)的 PID 控制具有適應(yīng)性強魯棒性強等優(yōu)點，但是它不能控制復雜的過程。典型的 PID 控制結(jié)構(gòu)如圖 所示： 圖 PID 控制結(jié)構(gòu) 煙臺南山學院 畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 11 頁 比例（ P）、積分 (I)、微分 (D)控制 比例控制 比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系 ，即 GC(s)=KP ,其中 KP為比例系數(shù) 。當僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差 。比例控制只改變系統(tǒng)的增益而不影響相位，在系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差和穩(wěn)定性上作用，比例系數(shù)影響著系統(tǒng)的響應(yīng)速度，如果想增大開環(huán)增益 就可以增大比例系數(shù)，減少穩(wěn)態(tài)誤差，從而提高控制精度，但是因此會產(chǎn)生很大的超調(diào)量而付出穩(wěn)定性下降的代價，或者造成閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定，所以在控制系統(tǒng)中，比例控制一般不會單獨使用，可采用比例微分控制。 積分控制 在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關(guān)系。 積分控制是指系統(tǒng)中具有積分控制規(guī)律的控制，它的傳遞函數(shù)為： GC(s)= Ti/s，其中 Ti是積分系數(shù)。對于一個控制系統(tǒng)，如果進入穩(wěn)態(tài)后還有穩(wěn)定誤差的話，那么這個系統(tǒng)稱為有差系統(tǒng)，為了消除這個穩(wěn)定誤差，那么就會在控制中加入積分項，積分的時間決定了誤差 的大小，時間增加，積分就會加大，誤差相應(yīng)的減小，通常情況下，積分控制的主要目的是系統(tǒng)沒有穩(wěn)定誤差，但是積分會產(chǎn)生相位滯后而使系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差，加入積分項實際上就是加入了極點，可以使系統(tǒng)沒有穩(wěn)定誤差，可是會使瞬態(tài)響應(yīng)造成影響。 微分控制 在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。 微分的作用是察覺系統(tǒng)偏差信號的變化率，提前控制偏差的變化，可以在偏差沒出現(xiàn)時就可以把誤差消除掉。它的傳遞函數(shù)為： GC(s)= Tdτ s。 由于可以預見偏差，所以在時間常數(shù)τ選擇合適的前提下，可以減少 超調(diào)量，提高系統(tǒng)的性能，但是微分控制對外界干擾也有放大作用，因此它會對系統(tǒng)的抗干擾性造成影響，由于微分反映的是變化率，因此當信號沒有變化時，它沒有調(diào)節(jié)作用，它也不在控制系統(tǒng)中單獨使用，通常結(jié)合比例微分或 PID 控制。 總之，比例環(huán)節(jié)可以在系統(tǒng)產(chǎn)生偏差時，可以產(chǎn)生控制作用，以減少偏差。積分環(huán)節(jié)主要可以消除穩(wěn)定誤差，提高系統(tǒng)的無差度，積分作用的強弱取決于積分時間的長短，時間越長，作用越弱。微分環(huán)節(jié)可以反映偏差的變化趨勢，給出提前量，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減少調(diào)節(jié)時間。 煙臺南山學院 畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 12 頁 數(shù)字 PID 控制 在計算機控制系 統(tǒng)中，我們通常會用數(shù)字 PID 控制器。模擬 PID 控制器由于本身的局限性，很多控制得不到實現(xiàn)，而引入了計算機系統(tǒng)的數(shù)字控制后，應(yīng)運而生很多改進的算法，不僅可以用常規(guī) PID 調(diào)節(jié)，還可以根據(jù)系統(tǒng)的要求，采用各種 PID的變種，如 PI、 PD 控制、不完全微分控制、積積分分離式 PID 控制、帶死區(qū)的 PID控制、變變速積分 PID 控制、比例 PID 控制等，以滿足不同的控制。而且控制規(guī)律是通過程序完成的，不需要求出數(shù)學模型，易被人們熟悉和掌握，控制效果好，方便靈活。