【導(dǎo)讀】的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以。已在文中作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不。包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。許論文被查閱和借閱。掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。文科類論文正文字?jǐn)?shù)不少于萬(wàn)字。國(guó)家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。電加熱爐是典型的工業(yè)過(guò)程控制對(duì)象，在我國(guó)應(yīng)用廣泛。制具有升溫單向性、大慣性、大滯后、時(shí)變性等特點(diǎn)。其升溫保溫是依靠電阻絲。加熱，降溫則是依靠環(huán)境自然冷卻。溫度超調(diào)時(shí)，通過(guò)工人反復(fù)操作調(diào)節(jié)閥很難。達(dá)到理想的控制效果。STC898C52單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)了硬件原理圖及軟件程序。組成部分的工作原理，和各部分所使用的元器件，以及各軟件部分流程圖。減少操作人員的勞動(dòng)量和帶來(lái)的人為誤差，可以提高產(chǎn)品的熱處理質(zhì)量。

　　

【正文】 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(wú)穩(wěn)態(tài)誤差。 微分（ D）控制 在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過(guò)程中可能會(huì)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(shuō)，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(cè)誤 差變化的趨勢(shì)，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?fù)p失。微分 (PD)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性。 PID 算法的兩種類型： （ 1） 位置型控制 ? ? 00 )1()()()()( uneneTTieTTneKnu ni DIP??????? ????? ?? （ 41） 位置型的遞推形式 )2()1()()1()()1()( 210 ??????????? neaneaneanunununu （ 42） 其程序流程圖如圖 所示 。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（畢業(yè)論文） 21 計(jì) 算 E ( k ) = P ( k ) M ( k )P I D 位 置 型 運(yùn) 算 程 序?qū)?P ( k ) 轉(zhuǎn) 換 成 雙 字 節(jié) 數(shù)E ( k )pK( k )p計(jì) 算P ?1)(kIPE (k )IK(k )I計(jì) 算P ???1 )]E (k[E ( k )DK(k )D計(jì) 算P ???( k )DP( k )IP( k )PP計(jì) 算P ( k ) ???返 回E ( k 1 ) ← E ( k ) 圖 位置型控制程序流程圖 （ 2） 增量型控制 ? ? ? ?)2()1(2)()()1()()1()()( ????????????? neneneTTKneTTKneneKnununu DPIPP（ 43） 增量型 PID 算法的算式 )2()1()()( 210 ?????? neaneaneanu （ 44） 式中 )1(0 TTTTKa DIP ???， )21(1 TTKa DP ???， TTKa DP??2 其程序流程圖如圖 所示。 本文采用的是位置式 PID 控制器。 系統(tǒng)一旦出現(xiàn)了偏差，比例調(diào)節(jié)立即作用已減少偏差。比例作用大，可加快調(diào)節(jié)，減少誤差，但過(guò)大的比例，會(huì)使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，甚至 造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。積分調(diào)節(jié)使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高無(wú)差度。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù) Ti， Ti 越小，積分作用越強(qiáng)，反之則積分作用弱。加入積分調(diào)節(jié)可使系統(tǒng)內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（畢業(yè)論文） 22 穩(wěn)定性下降，動(dòng)態(tài)響應(yīng)變慢。微分調(diào)節(jié)反應(yīng)系統(tǒng)偏差信號(hào)的變化率，能預(yù)見(jiàn)偏差變化的趨勢(shì)，因此能產(chǎn)生超前的控制作用，可改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。但微分作用對(duì)噪聲干擾有放大作用，若過(guò)強(qiáng)的加微分調(diào)節(jié)，對(duì)系統(tǒng)抗干擾不利。 計(jì) 算 E ( k ) = R ( k ) M ( k )P I D 控 制 程 序 （ 增 量 型 ）E ( k )IK( k )I計(jì) 算Δ P ?2 ) ]E( k1)2 E( k[ E( k )DK( k )D計(jì) 算P ?????1) ]E ( k[ E ( k )PK( k )P計(jì) 算Δ P ???( k )DΔP( k )IΔP( k )PΔP計(jì) 算Δ P ( k ) ???返 回E ( k 2 ) ← E ( k 1 ) , E ( k 1 ) ← E ( k )輸 入 M ( k ) , R ( k ) 圖 控制增量型程序流程圖 現(xiàn)場(chǎng)整定 PID 參數(shù)時(shí)，可以根據(jù)這些參數(shù)在 PID 過(guò)程中的作用原理，來(lái)討論我們的對(duì)策 ： （ 1） 加溫很快就達(dá)到目標(biāo)值，但是溫度過(guò)沖很大： ① 比例系數(shù)太大，致使在未達(dá)到設(shè)定溫度前加溫比例過(guò)高。 ② 微分系數(shù)過(guò)小，致使對(duì)對(duì)象反應(yīng)不敏感。 （ 2） 加溫經(jīng)常達(dá)不到目標(biāo)值，小于目標(biāo)值的時(shí)間較多： ① 比例系數(shù)過(guò)小，加溫比例不夠。 ② 積分系數(shù)過(guò)小，對(duì)恒偏差補(bǔ)償不足。 （ 3） 基本上能夠在控制目標(biāo)上，但上下偏差偏大，經(jīng)常波動(dòng)： ① 微分系數(shù)過(guò)小，對(duì)即時(shí)變化反應(yīng)不夠快。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（畢業(yè)論文） 23 ② 積分系數(shù)過(guò)大，使微分反應(yīng)被淹沒(méi)鈍化。 （ 4） 受工作環(huán)境影響較大，稍有變動(dòng)就會(huì)引起溫度的波動(dòng)： ① 微分系數(shù)過(guò)小，對(duì)即時(shí)變化反應(yīng)不夠快。 ② 設(shè)定的基本定時(shí)周期過(guò)長(zhǎng)，不能及時(shí)得到修正。 選擇一個(gè)合適的時(shí)間常數(shù)要根據(jù)輸出單元采用什么器件來(lái)確定，如果是采用可控硅的，則可設(shè)定時(shí)間常數(shù)的范圍就很自由；如果采用繼電器的，若過(guò)于頻繁的開(kāi)關(guān)就會(huì)影響繼電器的使用壽命，所以不太適合采用 較短周期。 [18] 積分飽和問(wèn)題的處理 (1) 遇限削弱積分法 一旦控制變量進(jìn)入飽和區(qū)，將只執(zhí)行削弱積分項(xiàng)的運(yùn)算而停止進(jìn)行增大積分項(xiàng)的運(yùn)算。具體地說(shuō)，在計(jì)算 Ui 時(shí)，將判斷上一個(gè)時(shí)刻的控制量 Ui1 是否已經(jīng)超出限制范圍，如果已經(jīng)超出，那么將根據(jù)偏差的符號(hào)，判斷系統(tǒng)是否在超調(diào)區(qū)域，由此決定是否將相應(yīng)偏差計(jì)入積分項(xiàng)。 其程序流程圖如圖 所示。 計(jì) 算 偏 差 E ( k )遇 限 削 弱 積 分 法 P I D 程 序( k )DP及微分 項(xiàng)( k )pP計(jì) 算比例 項(xiàng)P ( k 1 ) ≥ P m a x ?P ( k 1 ) ≤ P m a x ?(k )I計(jì) 算 積 分 項(xiàng) P( k )DP( k )IP( k )PP計(jì) 算P ( k ) ???E ( k 0 ? E ( k 0 ?返 回NYNNYYY 圖 遇限削弱積分的 PID 算法程序流程圖 (2) 積分分離法 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（畢業(yè)論文） 24 積 分 分 離 P I D 控 制 程 序取 給 定 值 P ( k ) 和 測(cè) 量 值 M ( k )計(jì) 算 偏 差 E ( k ) = P ( k ) M ( k )| E ( k ) | A ?2)]E ( k1)2 E ( k[ E ( k )DKE ( k )IK1)]E ( k[ E ( k )PK(k)PΔP?????????2 ) ]E ( k1)2 E ( k[ E( k )DK1 ) ]E ( k[ E( k )PK( k )PΔP????????返 回NY 圖 積分分離程序控制流程圖 計(jì) 算 E ( k ) = P ( k ) M ( k )P I D 位 置 型 運(yùn) 算 程 序E (k )pK(k )pP計(jì) 算 ?1)(kIPE(k )IK(k )IP計(jì) 算 ???1 ) ]E ( k[ E ( k )DK( k )DP計(jì) 算 ???| E ( k ) | A ?將 P ( k ) 轉(zhuǎn) 換 成 雙 字 節(jié) 數(shù)返 回E ( k 1 ) ← E ( k )E ( k ) E u p ?E ( k ) E d o w n ?E ( k ) = 0 ?0(k)IP ?E ( k ) = E u p 。報(bào) 警E ( k ) = E d o w n 。報(bào) 警P ( k ) = 0(k )DP(k )IP(k )PP計(jì) 算P ( k ) ??? 圖 程序流程圖 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（畢業(yè)論文） 25 在基本 PID 控制中，當(dāng)有較大幅度的擾動(dòng)或大幅度改變給定值時(shí)， 由于此時(shí)有較大的偏差，以及系統(tǒng)有慣性和滯后，故在積分項(xiàng)的作用下，往往會(huì)產(chǎn)生較大的超調(diào)量和長(zhǎng)時(shí)間的波動(dòng)。特別是對(duì)于溫度、成份等變化緩慢的過(guò)程，這一現(xiàn)象將更嚴(yán)重。為此可以采用積分分離措施，即偏差較大的時(shí)，取消積分作用；當(dāng)偏差較小時(shí)才將積分作用投入。 另外積分分離的閾值應(yīng)視具體對(duì)象和要求而定。若閾值太大， 達(dá)不到積分分離的目的，若太小又有可能因被控量無(wú)法跳出積分分離區(qū)，只進(jìn)行 PD 控制，將會(huì)出現(xiàn)殘差。 (3) 有效偏差法 當(dāng)根據(jù) PID 位置算法算出的控制量超出限制范圍時(shí)，控制量實(shí)際上只能取邊際值 U=Umax,或 U=Umin,有效偏差法是將相應(yīng)的這一控制量的偏差值作為有效偏差值計(jì)入積分累計(jì)而不是將實(shí)際的偏差計(jì)入積分累計(jì)。因?yàn)榘磳?shí)際偏差計(jì)算出的控制量并沒(méi)有執(zhí)行。 綜上所述，本次設(shè)計(jì)智能算法程序流程圖如 圖 所示。 人機(jī)接口部分 的 設(shè)計(jì) 人機(jī)接口部分包含 鍵盤部分和 顯示部分。 鍵盤部分的設(shè)計(jì) 鍵盤是若干鍵 的集合，是向系統(tǒng)提供操作人員干預(yù)命令及數(shù)據(jù)的接口設(shè)備，鍵盤可分為編碼鍵盤和非編碼鍵盤兩種類型。前者能自動(dòng)識(shí)別按下的鍵并產(chǎn)生相應(yīng)的代碼，以并行或串行方式發(fā)給 CPU。它使用方便，接口簡(jiǎn)單，響應(yīng)速度快，但需要專用的硬件電路。后者則通過(guò)軟件來(lái)確定按鍵并計(jì)算鍵值。這種方法雖然沒(méi)有編碼鍵盤速度快，但它不需要專用的硬件支持，因此 得到了廣泛的應(yīng)用。 鍵盤是計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng) 中 一個(gè)重要組成部分，設(shè)計(jì)時(shí)必須解決下述一些問(wèn)題。 （ 1） 按鍵的確認(rèn) 鍵盤實(shí)際上 是 一組按鍵開(kāi)關(guān)的集合，其中每一個(gè)鍵值就是一個(gè)開(kāi)關(guān)量的輸入裝置。鍵的閉合與否取決 于機(jī)械彈性開(kāi)關(guān)的通、斷狀態(tài)。 反應(yīng)在電壓上就是呈現(xiàn)出高電平或者低電平，例如高電平表示斷開(kāi)，低電平表示閉合。所以，通過(guò)檢測(cè)電平的狀態(tài)（高或低），便可確定按鍵是否已被按下。 在工業(yè)過(guò)程控制和智能化儀器系統(tǒng)中，為了縮小整個(gè)系統(tǒng)的規(guī)模，簡(jiǎn)化硬件線路，常常希望設(shè)置最少量的按鍵，獲取更多的操作控制功能。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（畢業(yè)論文） 26 （ 2） 重鍵與連擊的處理 實(shí)際按鍵操作中，若無(wú)意中同時(shí)或先后按下兩個(gè)以上的鍵，系統(tǒng)確認(rèn)哪個(gè)鍵操作是有效的完全由設(shè)計(jì)者的意志決定的。如視按下時(shí)間最長(zhǎng)者為有效，或認(rèn)為最先按下 的鍵為當(dāng)前按鍵，也可以將最后釋放的鍵看成是輸入鍵。不 過(guò)微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)畢竟資源有限，交互能力不強(qiáng)，通?？偸遣捎脝捂I按下有效，多鍵按下無(wú)效的原則（若系統(tǒng)沒(méi)有復(fù)合鍵，當(dāng)然應(yīng)該另當(dāng)別論）。 有時(shí)由于操作人員按鍵動(dòng)作不夠熟練，會(huì)使一次按鍵產(chǎn)生多次擊鍵效果，即重鍵的情形。為排除重鍵的影響，編制程序時(shí)，可以將鍵的釋放作為按鍵的結(jié)束。等鍵釋放電平后再轉(zhuǎn)去執(zhí)行相應(yīng)的功能程序，以防止一次擊鍵多次執(zhí)行的錯(cuò)誤發(fā)生。 有 鍵 閉 合鍵 盤 掃 描計(jì) 算 鍵 值建 立 有 效 標(biāo) 志掃 描 鍵 盤延 時(shí) 去 鍵 抖 動(dòng)建 立 無(wú) 效 標(biāo) 志找 到 閉 合 鍵閉 合 鍵 釋 放返 回NYNNYY 圖 鍵盤 掃描 程序流程圖 （ 3） 按鍵防抖動(dòng)技術(shù) 鍵盤，作為向系統(tǒng)提供操作人員干預(yù)命令的接口，以其特定 的按鍵序列代表著各種確定的操作命令。所以，準(zhǔn)確無(wú)誤地辨認(rèn)每個(gè)鍵的動(dòng)作及其所處的狀態(tài)，內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（畢業(yè)論文） 27 是系統(tǒng)能否正常工作的關(guān)鍵。 多數(shù)鍵盤的按鍵均采用機(jī)械彈性開(kāi)關(guān)。為了使 CPU對(duì)一次按鍵動(dòng)作只能確認(rèn)一次，必須排除抖動(dòng)的影響，可以從硬件及軟件兩方便招手解決。 硬件防抖技術(shù)可采用的方式有：濾波防抖電路和雙穩(wěn)態(tài)防抖電路。 軟件防抖方法：當(dāng)?shù)谝淮螜z測(cè)到有鍵按下時(shí)，先用軟件延時(shí)（ 1020ms），而后再確認(rèn)該鍵電平是否仍維持閉合狀態(tài)電平。若保持閉合狀態(tài)電平，則確認(rèn)此鍵已按下，從而消除了抖動(dòng)的影響。 綜上所述，鍵盤 程序 流程圖如圖 所 示 。 按鍵處理程序流程圖如圖 所示。按 鍵 處 理 子 程 序f l a g = 0 ?f l a g = 1 ?f l a g = 2 ?NNY進(jìn) 入 自 動(dòng) 處 理f l a g 2 = 0 ?進(jìn) 入 設(shè) 定 值 修 改YY進(jìn) 入 輸 出 值 修 改Nf l a g 1 = 1 ? f l a g 1 = 2 ?f l a g 1 = 0 ?進(jìn) 入 參 數(shù) KP修 改 進(jìn) 入 參 數(shù) KI修 改 進(jìn) 入 參 數(shù) KD修 改YNNYYYN返 回N 圖 按鍵處理程序流程圖 顯示 部分的設(shè)計(jì) 為使操作人員及時(shí)掌握生產(chǎn)情況 在一般的微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)或智能化儀器中，都配有顯示程序。 本設(shè)計(jì)采用 LED 靜態(tài)顯示，程序流程圖如 圖 所示 。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（畢業(yè)論文） 28 開(kāi) 始初 始 化取 帶 顯 示 字 符4位 顯 示 結(jié) 束修 改 緩 沖 區(qū) 指 針?biāo)?顯 示 緩 沖 區(qū)查 筆 段 碼結(jié) 束 圖 靜態(tài)顯示程序流程圖 開(kāi) 始IL E置 1 置 0 ， 置 0 ， 打 開(kāi) 第 一 級(jí) 輸 入 鎖 存 器ERICSX F E R 置 0 ， 打 開(kāi) 第 二 級(jí) 寄 存 器完 成 一 次 D / A 轉(zhuǎn) 換結(jié) 束 圖 由于各種 D/A 轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)不同，它們與微型計(jì)算機(jī)接口的方法也有差異。內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（畢業(yè)論文）