【文章內(nèi)容簡介】 ControlNet相連，利用 網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)其遠(yuǎn)程控制功能。 開環(huán)控制系統(tǒng) 開環(huán)控制系統(tǒng) (openloop control system)是指被控對象的輸出 (被控制量 )對控制器 (controller)的輸出沒有影響。在這種控制系統(tǒng)中，不依賴將被控量反送回來以形成任何閉環(huán)回路。 江西理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 閉環(huán)控制系統(tǒng) 閉環(huán)控制系統(tǒng) (closedloop control system)的特點(diǎn)是系統(tǒng)被控對象的輸出 (被控制量 )會反送回來影響控制器的輸出，形成一個(gè)或多個(gè)閉環(huán)。閉環(huán)控制系統(tǒng)有正反饋和負(fù)反饋，若反饋信號與系 統(tǒng)給定值信號相反，則 稱為負(fù)反饋 ( Negative Feedback)，若極性相同，則稱為正反饋，一般閉環(huán)控制系統(tǒng)均采用負(fù)反饋，又稱負(fù)反饋控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)的例子很多。比如人就是一個(gè)具有負(fù)反饋 的閉環(huán)控制系統(tǒng)，眼睛便是傳感器，充當(dāng)反饋，人體系統(tǒng)能通過不斷的修正最后作出各種正確的動作。如果沒有眼睛，就沒有了反饋回路，也就成了一個(gè)開環(huán)控制系 統(tǒng)。另例，當(dāng)一臺真正的全自動洗衣機(jī)具有能連續(xù)檢查衣物是否洗凈，并在洗凈之后能自動切斷電源，它就是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。 階躍響應(yīng) 階躍響應(yīng)是指將一個(gè)階躍輸入 （ step function） 加到系統(tǒng)上時(shí)，系統(tǒng)的輸出。穩(wěn)態(tài)誤差是指系統(tǒng)的響應(yīng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，系統(tǒng)的期望輸出與實(shí)際輸出之差?？刂葡到y(tǒng)的性能可以用穩(wěn)、準(zhǔn)、快三個(gè)字 來描述。穩(wěn)是指系統(tǒng)的穩(wěn)定性 (stability)，一個(gè)系統(tǒng)要能正常工作，首先必須是穩(wěn)定的，從階躍響應(yīng)上看應(yīng)該是收斂的；準(zhǔn)是指控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、控 制精度，通常用穩(wěn)態(tài)誤差來 (Steadystate error)描述，它表示系統(tǒng)輸出穩(wěn)態(tài)值與期望值之差；快是指控制系統(tǒng)響應(yīng)的快速性，通常用上升時(shí)間來定量描述。 PID控制的原理和特點(diǎn) 在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的 調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱 PID控制，又稱 PID調(diào)節(jié)。 PID控制器問世至今已有近 70年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的 其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時(shí)應(yīng)用 PID控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對象，或 不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合用 PID控制技術(shù)。 PID控制，實(shí)際中也有 PI和 PD控制。 PID控 制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、 積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。比例 （ P） 控制：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。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差 （ Steadystate error） 。 積分 （ I） 控制：控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關(guān)系。對一個(gè)自動控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的 或簡稱有差系統(tǒng) （ System with Steadystate Error） 。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。積分 項(xiàng)對誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會增大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會隨著時(shí)間的增加而加大，江西理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。因此，比例 +積分 (PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn) 態(tài)誤差。微分 （ D） 控制：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。 自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后 (delay)組件，具有抑制誤差的作用， 其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作 用的變化“超前”，即在誤差接近零時(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說，在控制器中僅引入 “比例”項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項(xiàng)”，它能預(yù)測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例 +微分的控制器，就能 夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例 +微分 (PD)控制器能改善系統(tǒng)在 調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)特性。 PID控制器的參數(shù)整定 PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。它是根據(jù)被 控過程 的特性確定 PID控制器的比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小。 PID控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來有兩大類：一是理論計(jì)算整定法。它主要是 依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過理論計(jì)算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計(jì)算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改。二是工程整定方法，它主 要依賴工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行，且方法簡單、易于掌握，在工程實(shí)際中被廣泛采用。 PID控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應(yīng) 曲線法和衰減法。三種方法各有其特點(diǎn)，其共同點(diǎn)都是通過試驗(yàn)，然后按照工程經(jīng)驗(yàn)公式對 控制器參數(shù)進(jìn)行整定。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需 要在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行最后調(diào)整與完善?，F(xiàn)在一般采用的是臨界比例法。利用該方法進(jìn)行 PID控制器參數(shù)的整定步驟如下： (1)首先預(yù)選擇一個(gè)足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作； (2)僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩， 記下這時(shí)的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期； (3)在一定的控制度下通過公式計(jì)算得到 PID控制器的參數(shù)。 因配料系統(tǒng)需要增減少補(bǔ)，故本設(shè)計(jì)采用閉環(huán)控制系統(tǒng)進(jìn)行差值比較、反饋、補(bǔ)償。 采樣模塊 — A/D 轉(zhuǎn)換 器 A/D 轉(zhuǎn)換器的功能是將輸入的模擬電壓轉(zhuǎn)換為輸出的數(shù)字信號，即將模擬量轉(zhuǎn)換成與其成比例的數(shù)字量。一個(gè)完整的 AD 轉(zhuǎn)換過程，必須包括采樣、保持、量化、編碼四部分電路。在具體實(shí)施時(shí)，常把這四個(gè)步驟合并進(jìn)行。例如，采樣和保持是利用同一電路連續(xù)完成的。量化和編碼是在轉(zhuǎn)換過程中同步實(shí)現(xiàn)江西理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 的，而且所用的時(shí)間又是保持的一部分。 采樣定理 如 圖 2. 2是某一輸入模擬信號經(jīng)采樣后得出的波形。為了保證能從采樣信號中將原信號 恢復(fù)，必須滿足條件 (21) 其中 f s為采樣頻率， f i(max) 為信號 u i 中最高次諧波分量的頻率。這一關(guān)系稱為采樣定理 。 AD 轉(zhuǎn)換器工作時(shí)的采樣頻率必須大于等于式 （ 21） 所規(guī)定的頻率。采樣頻率越高，留給每次進(jìn)行轉(zhuǎn)換的時(shí)間就越短，這就要求 AD 轉(zhuǎn)換電路必須具有更高的工作速度。因此，采樣頻率通常取 fs=(35)fi(max) 已能滿足要求。 圖 2. 2 采樣波形 采樣保持電路 圖 2. 3所示的是一個(gè)實(shí)際的采樣保持電路 ，圖中 A 1 、 A 2 是兩個(gè)運(yùn)算放大器， S 是模擬開關(guān)， L 是控制 S 狀態(tài)的邏輯單元電路。采樣時(shí) 令 u L =1 ， S 隨之閉合。 A 1 、 A 2 接成單位增益的電壓跟隨器，故 uo=uo39。=u i。同時(shí) uo39。通過 R 2 對外接電容 C h 充電，使 u ch =u i 。因電壓跟隨器的輸出電阻十分小，故對 C h 充電很快結(jié)束。當(dāng) u L =0 時(shí)， S斷開，采樣結(jié)束，由于 u ch 無放電通路，其上電壓值 基本不變，故使 u o 得以將采樣所得結(jié)果保持下來。 圖中還有一個(gè)由二極管 D 1 、 D 2 組成的保護(hù)電路。在沒有 D 1 和 D 2 的情況下，如果在 S 再次接通以前 u i 變化了，則 uo39。的變化可能很大，以致于使 A 1 的輸出進(jìn)入非線性區(qū)， uo39。與 u i不再保持線性關(guān)系，并使開關(guān)電路有可能承受過高的電壓。接入 D 1 和 D 2 以后，當(dāng) uo39。比 uo所保持的電壓高出一個(gè)二極管的正向壓降時(shí)， D 1 將導(dǎo)通， uo39。被鉗位于 u i+ U D1 。這里的 U D1 表示江西理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 二極管 D 1 的正向?qū)▔航?。?dāng) uo39。比 uo低一個(gè)二極管的壓降時(shí)，將 uo39。鉗位于 u i U D2 。在 S 接通的情況下，因?yàn)?uo39。 uo，所以 D 1 和 D 2 都不導(dǎo)通，保護(hù)電路不起作用。 圖 2. 3 采樣保持電路 量化與編碼 為了使采樣得到的 離散的模擬量與 n 位二進(jìn)制碼的 2n 個(gè)數(shù)字量一一對應(yīng)，還必須將采樣后離散的模擬量歸并到 2n個(gè)離散電平中的某一個(gè)電平上，這樣的一個(gè)過程稱之為 量化 。 量化后的值再按數(shù)制要求進(jìn)行 編碼 ，以作為轉(zhuǎn)換完成后輸出的數(shù)字代碼。量化和編碼是所有 AD 轉(zhuǎn)換器不可缺少的核心部分之一。 數(shù)字信號具有在時(shí)間上離散和幅度上斷續(xù)變化的特點(diǎn)。這就是說，在進(jìn)行 AD 轉(zhuǎn)換時(shí)，任何一個(gè)被采樣的模擬量只能表示成某個(gè)規(guī)定最小數(shù)量單位的整數(shù)倍，所取的最小數(shù)量單位叫做 量化單位 ，用△表示。若數(shù)字信號最低有效位用 LSB 表示， 1LSB 所代表的數(shù)量大小就等于△，即模擬量量化后的一個(gè)最小分度值。把量化的結(jié)果用二進(jìn)制碼，或是其他數(shù)制的代碼表示出來，稱為編碼 。這些代碼就是 AD 轉(zhuǎn)換的結(jié)果。 既然模擬電壓是連續(xù)的，那么它就不一定是△的整數(shù)倍，在數(shù)值上只能取接近的整數(shù)倍，因而量化過程不可避免地會引入誤差。這種誤差稱為 量化誤差 。 A/D 轉(zhuǎn)換器的分類 按轉(zhuǎn)換過程， AD 轉(zhuǎn)換器可大致分為直接型 AD 轉(zhuǎn)換器和間接 AD 轉(zhuǎn)換器。直接型 AD 轉(zhuǎn)換器能把輸入的模擬電壓直接轉(zhuǎn)換為輸出的數(shù)字代碼，而不需要經(jīng)過中間變 量。常用的電路有并行比較型和反饋比較型兩種。 間接 AD 轉(zhuǎn)換器是把待轉(zhuǎn)換的輸入模擬電壓先轉(zhuǎn)換為一個(gè)中間變量，例如時(shí)間 T 或頻率 F ，然后再對中間變量量化編碼，得出轉(zhuǎn)換結(jié)果。 AD 轉(zhuǎn)換器的大致分類如 圖2. 4所示。 江西理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 圖 2. 4 轉(zhuǎn)換器 AD 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度與轉(zhuǎn)換時(shí)間 ? AD 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度 在單片 AD 轉(zhuǎn)換器中，也用分辨率和轉(zhuǎn)換誤差來描述轉(zhuǎn)換精度。分辨率是指引起輸出二進(jìn)制數(shù)字量最低有效位變動一個(gè)數(shù)碼時(shí)，輸入模擬量的最小變化量。小于此最小變化量的輸入模擬電壓，將不會引起輸出數(shù)字量的變化。也就是說， AD 轉(zhuǎn)換器的分辨率，實(shí)際上反映了它對輸入模擬量微小變化的分辨能力。顯然，它與輸出的二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)有關(guān)，輸出二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)越多，分辨率越小，分辨能力越高 。但超出了 AD 轉(zhuǎn)換器分辨率的極限值，再增加位數(shù)，也不會提高分辨率。 轉(zhuǎn)換誤差通常以相對誤差的形式給出，它表示 AD 轉(zhuǎn)換器實(shí)際輸出的數(shù)字量與理想輸出的數(shù)字量之間的差別，并用最低有效位 LSB 的倍數(shù)來表示。 ? 轉(zhuǎn)換時(shí)間 表示完成一次從模擬量到數(shù)字量之間的轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間，它反映了 AD 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度。例如，逐次比較型的 AD0801 ～ 0803 、 0808 ～ 0809 的轉(zhuǎn)換時(shí)間為 100μs ； AD571 為 25μs ； AD574 為 35μs ； AD578 為 μs 。雙積分 AD 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間一般在幾十至一、二百毫秒。 本系統(tǒng)模 /數(shù)轉(zhuǎn)換器選擇 根據(jù)以上各項(xiàng)指標(biāo)和本系統(tǒng)實(shí)際需求，可選擇主芯片 ARM7上自帶的 10位 A/D轉(zhuǎn)換器，直接把輸入模擬信號轉(zhuǎn)換為實(shí)際所需的數(shù)字信號。 檢測模塊 — 稱重傳感器 準(zhǔn)確度、穩(wěn)定性和可靠性是稱重傳感器的重要質(zhì)量指標(biāo)，是廣大用戶最關(guān)心的三大問題，同時(shí)也是我國稱重傳感器與工業(yè)發(fā)達(dá)國家同類產(chǎn)品相比較的主要差江西理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 距。其中穩(wěn)定性是基礎(chǔ)，沒有穩(wěn)定性談何稱量準(zhǔn)確 度和工作可靠性。 在稱重傳感器主要技術(shù)指標(biāo)的基本概念和評價(jià)方法上，新舊國 標(biāo)有質(zhì)的差異。傳統(tǒng)概念上，負(fù)荷傳感器是稱重傳感器、測力傳感器的統(tǒng)稱，用單項(xiàng)參數(shù)評價(jià)它的計(jì)量特性。舊國標(biāo)將應(yīng)用對象和使用環(huán)境條件完全不同的“稱重”和“測力”兩種傳感器合二為一來考慮，對試驗(yàn)和評價(jià)方法未給予區(qū)分。舊國標(biāo)共有 21項(xiàng)指標(biāo)，均在常溫下進(jìn)行試驗(yàn)；并用非線性、滯后誤差、重復(fù)性誤差、蠕變、零點(diǎn)溫度附加誤差以及額定輸出溫度附加誤差 6項(xiàng)指標(biāo)中的最大誤差，來確定稱重傳感器準(zhǔn)確度等級，分別用 、 、 ......。 衡器上使用的一種力傳感器。它能將作用在被測物體上的重力按一定比 例轉(zhuǎn)換成可計(jì)量的輸出信號?？紤]到不同使用地點(diǎn)的重力加速度和空氣浮力對轉(zhuǎn)換的影響，稱重傳感器的性能指標(biāo)主要有線性誤差、滯后誤差、重復(fù)性誤差、蠕變、零點(diǎn)溫度特性和靈敏度溫度特性等。在各種衡器和質(zhì)量計(jì)量系統(tǒng)中，通常用綜合誤差帶來綜合控制傳感器準(zhǔn)確度，并將綜合誤差帶與衡器誤差帶聯(lián)系起來，以便選用對應(yīng)于某一準(zhǔn)確度衡器的稱重傳感器。國際法制計(jì)量組織 (OIML)規(guī)定，傳感器的誤差帶 δ占衡器誤差帶Δ的 70％ ，稱重傳感器的