【正文】 過檢測誤差的變化率來預(yù)報誤差，根據(jù)誤差變化趨勢，產(chǎn)生強烈的調(diào)節(jié)作用，使偏差盡快的消除在萌芽狀態(tài)，數(shù)學(xué)上描述這個概念用微分，因此在 PI 調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上加入微分調(diào)節(jié)，就構(gòu)成了比例積分微分調(diào)節(jié)器，其控制規(guī)律為： u=KP（ e+1/Ti∫ 0T dt+de/dtTd） +u0 () 式中 Td為微分常數(shù)， Td 越大微分作用越強。 在 PID 三作用調(diào)節(jié)器中，微分調(diào)節(jié)主要是用來加快系 統(tǒng)的響應(yīng)速度，減小超調(diào)，克服振蕩。將 P、 I、 D三種調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合在一起，既快速敏捷，又平滑準確，只要三者強度配合適當，便可獲得滿意的調(diào)節(jié)效果。 PID 調(diào)節(jié)的傳遞函數(shù)為： D（ S） =U（ S） /E（ S） =KP+KP/TI*1/S+KPTD*s （ ） 在工業(yè)過程控制中，模擬 PID 調(diào)節(jié)器的執(zhí)行機構(gòu)有電動，氣動，液動等類型，PID 調(diào)節(jié)規(guī)律用硬件實現(xiàn)。而在微機控制系統(tǒng)中采用了數(shù)字控制器，即用軟件來實現(xiàn) PID 控制，因此要將模擬 PID 調(diào)節(jié)器離散化為數(shù)字 PID 控制算法。數(shù)字 PID控制算法，是立足于 連續(xù)系統(tǒng) PID 控制器的設(shè)計，然后用微機進行數(shù)字模擬，這種方法稱為模擬化設(shè)計方法。由于它要求較小的采樣周期，只能實現(xiàn)較簡單的控制算法。選擇較大的采樣周期后對控制質(zhì)量有較高的要求時，就不能采用數(shù)字控制器的模擬化的設(shè)計方法，而應(yīng)該選擇數(shù)字控制器的直接設(shè)計方法。 數(shù)字控制器的直接設(shè)計方法也稱為離散化的設(shè)計方法，在 Z平面 上的設(shè)計方法，它根據(jù)系統(tǒng)的性能要求，運用離散控制理論，直接設(shè)計控制系統(tǒng)的數(shù)字控制27 器。與模擬化設(shè)計方法相比更具有一般的意義，它完全是根據(jù)采樣系統(tǒng)的特點進行分析與綜合，并導(dǎo)出相應(yīng)的控制規(guī)律的 【 23】 。利用 微機軟件的靈活性，就可以實現(xiàn)從簡單到復(fù)雜的各種控制規(guī)律。 標準數(shù)字 PID 的控制算 為了實現(xiàn)微機控制生產(chǎn)過程變量，必須將模擬的 PID 算式進行離散化，變?yōu)閿?shù)字 PID 算式，為此，在采樣周期 T 遠小于信號變化周期時，作如下近似（ T是足夠小時，如下逼近相當準確，被控過程與連續(xù)系統(tǒng)十分接近）： u(t)≈u(k) () e(t)≈e(k) () ∫0t edt≈Σe(j)△ t=Tσe(j) () de/dt≈[e(k)e(k1)]/△ t=[e(k)e(k1)]/T () 式中 T 為采用周期， k 為采樣序號， k=0， 1， 2， …… ， j， …… ， k。 將上式帶入得出： u(k)=KP{e(k)+T/TIΣe(j)+TD/T[e(k)e(k1)]}+u0 () 其中， u（ k）為調(diào)節(jié)器第 k 次輸出值； e（ k）， e（ k1）分別為第 k 次和第k1 次采樣時刻的偏差值。從上式可以看出， u（ k）是全量值輸出，每次輸出值都與執(zhí)行機構(gòu)的位置（如控制閥門的開度）一一對應(yīng)，所以稱之為位置型 PID算法。 在這種位置型控制算法中，由于算式中存在累加項，因此輸出的控制量 u（ k）不僅與本次偏差有關(guān)，還與過去歷史采樣偏差有關(guān)，使得 u（ k）產(chǎn)生大幅度變化，這樣會引起系統(tǒng)沖擊，甚至造成事故。所以在實際中當執(zhí)行機構(gòu)需要的不是控制量的絕對值，而是其增量時，可以采用增量型 PID 算法，縣推導(dǎo)如下： u(k)=u(k)u(k1) =KP{e(k)+T/TIΣe(j)+TD/T[e(k)e(k1)]+ T/TIΣe(j)+TD/T[e(k1)e(k2)] =KP{e(k)e(k1)+T/TI*e(k)+TD/T[e(k)2e(k1)+e(k2)]} () 令 KI=KPT/TI,KD=KPTD/T,則式中可寫成 ： 1u(k)=KP[e(k)e(k1)]+KIE(k)+KD[e(k)2e(k1)+e(k2)] () 為了更易于編程，可將上式進一 步寫成： u(k)=a0e(k)+a1e(k1)+a2e(k2) () 式中， a0=KP+KI+KD a1=KP2KD a2=KD 當控制系統(tǒng)中的執(zhí)行期為步進電機，電動調(diào)節(jié)閥，多圈電位器等具有保持歷28 史為之的功能的這類裝置時，一般均采用增量 PID 的控制算法。 增量型 PID 算法的優(yōu)點 ： 1)位置型算式每次輸出與整個過去狀態(tài)有關(guān)，計算式中要用到過去偏差的累加值，容易產(chǎn)生較大的累積計算誤差；而在增量型算式中 由于消去了積分項，從而可消除調(diào)節(jié)器的積分飽和，在精度不足時，計算誤差對控制量影響較小，容易取得較好的效果。 2)為實現(xiàn)手動 —— 自動無擾切換，在切換瞬時，計算機的輸出值應(yīng)設(shè)置為原始閥門開度，若采用增量型算法，其輸出對應(yīng)于閥門位置的變化部分，即算式中不出現(xiàn) u0項，所以易于實現(xiàn)從手動刀自動的無擾動切換。 3)采用增量型算法時所用的執(zhí)行器本身都具有寄存作用，所以即使計算機發(fā)生故障，執(zhí)行器仍能保持在原位，不會對生產(chǎn)造成惡劣的影響。 PID 算法的改進 在實際的控制系統(tǒng)中，控制變量實際輸出往往受到執(zhí)行機構(gòu)性能的約束，如放 大器的飽和，閥門旋轉(zhuǎn)角度的限制，而被限制在有限的范圍內(nèi)，即： Umin≤U≤Umax () 其變化也局限在一定的范圍內(nèi)，即由此引起的不期望的效應(yīng)，稱為飽和效應(yīng)。下面介紹 PID 位置算法的積分飽和作用及其抑制方法。 如果由于負載突變等原因，引起誤差的階躍，若根據(jù) PID 算法公式計算出控制變量 U 超出控制范圍，例如 U≥Umax ，那么事實上控制變量 U就只能取上屆值，而不是計算值，此時系統(tǒng)變量 Y 輸出值雖在不斷上升，但由于控制量受到限制，其增長要比沒有受到限制時慢，誤差 e將正比正常情況下持續(xù)更長的時間保持在正值，而使積分項的累積值很大，還要經(jīng)過一段時間后，控制變量 u才脫離飽和區(qū)，這樣使系統(tǒng)出現(xiàn)明顯的超調(diào)。這種飽和作用是由積分引起的，故稱為飽和積分。 PID 控制方式確定后，還要解決參數(shù)整定問題。上面已經(jīng)對 PID 有了初步的介紹，下面主要給出本設(shè)計 PID 控制器的參數(shù)及仿真結(jié)果。 基本型 PID 控制器需要整定參數(shù)有比例增益 KP，積分時間 TI，微分時間 TD和采樣周期 T。 【 19】 而 PID 參數(shù)的整定有很多種方法，如：臨界比例度法，擴充相應(yīng)曲線法和試湊法等。本文采用的是試湊法。試湊法是從一組 初始資料出發(fā)，通過死循環(huán)運行觀察系統(tǒng)的運行效果，根據(jù)各參數(shù)對系統(tǒng)品質(zhì)的定性影響，反復(fù)試湊修改參數(shù)，直到結(jié)果滿意為止。 PID 各參數(shù)對系統(tǒng)品質(zhì)的定性影響： 1)增益 KP與系統(tǒng)快速性成正比，與系統(tǒng)的靜差成反比。但 KP 過大將使系統(tǒng)超 調(diào)過大，振蕩加劇，穩(wěn)定性變壞； 29 2)增大積分時間 TI有利于減小超調(diào)和振蕩，有利于系統(tǒng)穩(wěn)定，但消除靜差的過程將加大； 3)微分時間 TD與系統(tǒng)快速性成正比，并能使超調(diào)減小，穩(wěn)定性增加，但抗擾性將變差。 根據(jù)上述結(jié)論，可按如下步驟對參數(shù)是行先比例，后積分，再微分的整定步驟。 采用比例控制， KP由小變大。如果相應(yīng)時間，超調(diào)，靜差已達到要求，則只需要用比例控制即可，并由此確定比例增益 KP。如果靜差達不到要求，則加入積分控制，將 KP減小，例如每次減小到原來的 90%，積分時間 TI 由大到小。反復(fù)試湊多組 KP， KI值，從中確定合適的參數(shù) 【 22】 。如果動態(tài)特性不滿足（例如超調(diào)及調(diào)整時間達不到要求），則加入微分控制。 TD由 0增大，逐步試湊多組 PID 參數(shù)，從中找出最優(yōu)者。 主程序流程圖 根據(jù)需求分析，做出系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)流程框圖，如圖 41。 圖 41 軟件總體流程框圖 初始化 鍵盤掃描程序 采樣 量化 PWM 脈寬調(diào)制輸出 人機界面 開始 30 采樣子程序 1)采樣或稱為抽樣，是利用采樣脈沖序列 p(t)，從連續(xù)時間信號 x(t)中抽取一系列離散樣值，使之成為采樣信號 x(nTs)的過程下 n=0， .1?Tst 稱為采樣間隔，或采樣周期， 1/Ts=fs 稱為采樣頻率。 【 26】 由于后續(xù)的量化過程需要一定的時間下，對于隨時間變化的模擬輸入信號，要求瞬時采樣值在時間下內(nèi)保持不變，這樣才能保證轉(zhuǎn)換的正確性和轉(zhuǎn)換精度，這個過程就是采樣保持。正是有了采樣保持，實際上采樣后的信 號是階梯形的連續(xù)函數(shù)。 采樣子程序用于采集從 A/D 轉(zhuǎn)換電路采集的模擬信號，并轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，存入相應(yīng)的緩沖器，供量化子程序量化之用。 (1)啟動 AD 轉(zhuǎn)換 ， 給相應(yīng)的特殊功能寄存器置值，啟動 A/D 轉(zhuǎn)換 ； (2)讀 A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果寫入緩沖區(qū) ； (3)通道計數(shù)器 +1。因為系統(tǒng)共 2 路 A/D 轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，子程序每次掃描一路，故用計數(shù)器控制掃描順序。 圖 44 采樣子程序結(jié)構(gòu)框圖 啟動 A/D 轉(zhuǎn)換 讀 A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果希爾緩沖區(qū) 通道計數(shù)器 +1 計數(shù)器 =2 返回 開始 31 PWM 脈寬調(diào)制輸出子程序 PWM 脈寬調(diào)制輸 出子程序的作用，是將量化的值調(diào)制成相應(yīng)的 PWM 脈寬信號輸出，并控制控制電路的開關(guān)，向電池充電。脈寬調(diào)制 (PWM)技術(shù)是常用于穩(wěn)定和調(diào)節(jié)電壓及進行波形變換的一種重要技術(shù) 【 27】 。通過改變輸出脈沖的寬度，可以達到改變輸出電壓大小的目的。 【 28】 本程序為中斷子程序 (1)現(xiàn)場保護。進入中斷子程序后，將 PC 值入棧，保護現(xiàn)場 ； (2)檢查 PWM脈寬寄存器，看是否允許 PWM 輸出 ； (3)重置定時器 1，開始 PWM 周期計時。為 PWM 設(shè)置合適的周期 ； (4)置位相應(yīng)的 PWM 脈寬輸出端，并延時 T。從控制端口輸出控偉叢信號，向電 池充電 ； (5)清中斷標志位 ， 輸出 PWM 信號完成后，清中斷標志位，為下一中斷做好準備?；謴?fù)現(xiàn)場 .PC 出棧。 PWM 脈寬調(diào)制輸出子程序結(jié)構(gòu)框圖如下圖 46。 圖 46 PWM脈寬調(diào)制輸出子程序流程圖 現(xiàn)場保護 檢查 PWM脈寬寄存器，看是否允許 PWM 重置定時器 1，開始 PWM 周期計時 置位相應(yīng)的 PWM 脈寬輸出端，并延時 T 清中斷標志位 恢復(fù)現(xiàn)場 中斷返回 開始 32 總 結(jié) 本文詳細闡述了智能手機充電器的總體設(shè)計、硬件設(shè)計、計算機控制系統(tǒng)選型、軟件開發(fā)。 1） 首先，在對市場進行深入調(diào)查研究的基礎(chǔ)上，分析得出智能手機充電器必須具備的基本特征。 2） 硬件系統(tǒng)設(shè)計集控制工程、傳感器 技術(shù)、電子技術(shù)與一體。包括電源、控制電路、采樣電路、手機充電接口、計算機控制系統(tǒng)。按上款得出的設(shè)計要求進行設(shè)計，完成了硬件設(shè)計 。 3） 計算機控制系統(tǒng)是所有機電一體化系統(tǒng)的核心。本文在對計算機控制系統(tǒng)進行深入探討的過程中，得出了計算機控制系統(tǒng)的選型原則。并進而確定選用40引腳 PCI16F877 單片機作為控制器。 4） 軟件的優(yōu)劣對于硬件工作極大影響。本文探討了軟件設(shè)計的一般原則。并對軟件按軟件工程的方法，進行了模塊化設(shè)計。從而滿足了設(shè)計需要。該系統(tǒng)自 2021 年研制成功以來，在技術(shù)快速更新的電子產(chǎn)品市場上，保持了 相當長時間的技術(shù)領(lǐng)先，也創(chuàng)造了不錯的經(jīng)濟效益。 5） 本課題有效地解決了對不同手機進行在線充電的問題。充電器實現(xiàn)了對手機是否在線的智能檢測、充電狀態(tài)的智能監(jiān)視與控制。有效地控制了成本，實現(xiàn)了便捷管理，達到了設(shè)計目的。受時間和水平的限制，該系統(tǒng)還有很多不足之處，敬請多多批評指教。 33 致 謝 本論文是在李巖老師的悉心指導(dǎo)下完成的。在此我要向 李 老師表示由衷的感謝。在這次設(shè)計期間， 李 老師給予了耐心的指導(dǎo)和不斷的鼓勵，為我們提供了大量的便利的條件，使我能順利完成這次設(shè)計。更重要得是，我從他那里不僅學(xué)習(xí)到了更多的知 識，而且，掌握了許多學(xué)習(xí)方法，增長了學(xué)習(xí)的能力。 通過本次畢業(yè)設(shè)計，讓我學(xué)到很多在課本上學(xué)不到的東西 ,把在大學(xué)以前學(xué)習(xí)到的各科知識結(jié)合到一起 ,設(shè)計出一個各方面知識都有的系統(tǒng) .在本次設(shè)計過程中 ,提高了我綜合思考問題的能力 ,也提高了我的動手能力 .為即將就業(yè)的道路上增加了一點信心 . 感謝四年來學(xué)校全體老師的培養(yǎng)，四年里收獲了很多。在投身社會之際，我將以滿腔的熱情，旺盛的精力努力工作，不辜負學(xué)校的期望。 但是本人的設(shè)計水平有限 ,在設(shè)計中難免出現(xiàn)錯誤 ,希望各位老師給以批評和指導(dǎo) . 2021年 6月