【正文】 過檢測(cè)誤差的變化率來預(yù)報(bào)誤差，根據(jù)誤差變化趨勢(shì)，產(chǎn)生強(qiáng)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(gè)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(qiáng)。 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(zhǔn)確，只要三者強(qiáng)度配合適當(dāng)，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(jī)構(gòu)有電動(dòng)，氣動(dòng)，液動(dòng)等類型，PID 調(diào)節(jié)規(guī)律用硬件實(shí)現(xiàn)。而在微機(jī)控制系統(tǒng)中采用了數(shù)字控制器，即用軟件來實(shí)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(jì)，然后用微機(jī)進(jìn)行數(shù)字模擬，這種方法稱為模擬化設(shè)計(jì)方法。由于它要求較小的采樣周期，只能實(shí)現(xiàn)較簡(jiǎn)單的控制算法。選擇較大的采樣周期后對(duì)控制質(zhì)量有較高的要求時(shí)，就不能采用數(shù)字控制器的模擬化的設(shè)計(jì)方法，而應(yīng)該選擇數(shù)字控制器的直接設(shè)計(jì)方法。 數(shù)字控制器的直接設(shè)計(jì)方法也稱為離散化的設(shè)計(jì)方法，在 Z平面 上的設(shè)計(jì)方法，它根據(jù)系統(tǒng)的性能要求，運(yùn)用離散控制理論，直接設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的數(shù)字控制27 器。與模擬化設(shè)計(jì)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(diǎn)進(jìn)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(jī)軟件的靈活性，就可以實(shí)現(xiàn)從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的各種控制規(guī)律。 標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字 PID 的控制算 為了實(shí)現(xiàn)微機(jī)控制生產(chǎn)過程變量，必須將模擬的 PID 算式進(jìn)行離散化，變?yōu)閿?shù)字 PID 算式，為此，在采樣周期 T 遠(yuǎn)小于信號(hào)變化周期時(shí)，作如下近似（ T是足夠小時(shí)，如下逼近相當(dāng)準(zhǔn)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(hào)， 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(shí)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(jī)構(gòu)的位置（如控制閥門的開度）一一對(duì)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(xiàng)，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(huì)引起系統(tǒng)沖擊，甚至造成事故。所以在實(shí)際中當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要的不是控制量的絕對(duì)值，而是其增量時(shí)，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(jìn)一 步寫成： u(k)=a0e(k)+a1e(k1)+a2e(k2) () 式中， a0=KP+KI+KD a1=KP2KD a2=KD 當(dāng)控制系統(tǒng)中的執(zhí)行期為步進(jìn)電機(jī)，電動(dòng)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(shí)，一般均采用增量 PID 的控制算法。 增量型 PID 算法的優(yōu)點(diǎn) ： 1)位置型算式每次輸出與整個(gè)過去狀態(tài)有關(guān)，計(jì)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(jì)算誤差；而在增量型算式中 由于消去了積分項(xiàng)，從而可消除調(diào)節(jié)器的積分飽和，在精度不足時(shí)，計(jì)算誤差對(duì)控制量影響較小，容易取得較好的效果。 2)為實(shí)現(xiàn)手動(dòng) —— 自動(dòng)無擾切換，在切換瞬時(shí)，計(jì)算機(jī)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(duì)應(yīng)于閥門位置的變化部分，即算式中不出現(xiàn) u0項(xiàng)，所以易于實(shí)現(xiàn)從手動(dòng)刀自動(dòng)的無擾動(dòng)切換。 3)采用增量型算法時(shí)所用的執(zhí)行器本身都具有寄存作用，所以即使計(jì)算機(jī)發(fā)生故障，執(zhí)行器仍能保持在原位，不會(huì)對(duì)生產(chǎn)造成惡劣的影響。 PID 算法的改進(jìn) 在實(shí)際的控制系統(tǒng)中，控制變量實(shí)際輸出往往受到執(zhí)行機(jī)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(fù)載突變等原因，引起誤差的階躍，若根據(jù) PID 算法公式計(jì)算出控制變量 U 超出控制范圍，例如 U≥Umax ，那么事實(shí)上控制變量 U就只能取上屆值，而不是計(jì)算值，此時(shí)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(zhǎng)要比沒有受到限制時(shí)慢，誤差 e將正比正常情況下持續(xù)更長(zhǎng)的時(shí)間保持在正值，而使積分項(xiàng)的累積值很大，還要經(jīng)過一段時(shí)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(duì) PID 有了初步的介紹，下面主要給出本設(shè)計(jì) 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(shí)間 TI，微分時(shí)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(kuò)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(yùn)行觀察系統(tǒng)的運(yùn)行效果，根據(jù)各參數(shù)對(duì)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(duì)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(shí)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(shí)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(duì)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(shí)間，超調(diào)，靜差已達(dá)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(dá)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(shí)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(dòng)態(tài)特性不滿足（例如超調(diào)及調(diào)整時(shí)間達(dá)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(jī)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(shí)間信號(hào) x(t)中抽取一系列離散樣值，使之成為采樣信號(hào) 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(shí)間下，對(duì)于隨時(shí)間變化的模擬輸入信號(hào)，要求瞬時(shí)采樣值在時(shí)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(gè)過程就是采樣保持。正是有了采樣保持，實(shí)際上采樣后的信 號(hào)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(hào)，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(dòng) AD 轉(zhuǎn)換 ， 給相應(yīng)的特殊功能寄存器置值，啟動(dòng) 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(jì)數(shù)器 +1。因?yàn)橄到y(tǒng)共 2 路 A/D 轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，子程序每次掃描一路，故用計(jì)數(shù)器控制掃描順序。 圖 44 采樣子程序結(jié)構(gòu)框圖 啟動(dòng) A/D 轉(zhuǎn)換 讀 A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果希爾緩沖區(qū) 通道計(jì)數(shù)器 +1 計(jì)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(hào)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(jìn)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(dá)到改變輸出電壓大小的目的。 【 28】 本程序?yàn)橹袛嘧映绦? (1)現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)。進(jìn)入中斷子程序后，將 PC 值入棧，保護(hù)現(xiàn)場(chǎng) ； (2)檢查 PWM脈寬寄存器，看是否允許 PWM 輸出 ； (3)重置定時(shí)器 1，開始 PWM 周期計(jì)時(shí)。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(shí) T。從控制端口輸出控偉叢信號(hào)，向電 池充電 ； (5)清中斷標(biāo)志位 ， 輸出 PWM 信號(hào)完成后，清中斷標(biāo)志位，為下一中斷做好準(zhǔn)備?；謴?fù)現(xiàn)場(chǎng) .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(chǎng)保護(hù) 檢查 PWM脈寬寄存器，看是否允許 PWM 重置定時(shí)器 1，開始 PWM 周期計(jì)時(shí) 置位相應(yīng)的 PWM 脈寬輸出端，并延時(shí) T 清中斷標(biāo)志位 恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng) 中斷返回 開始 32 總 結(jié) 本文詳細(xì)闡述了智能手機(jī)充電器的總體設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)選型、軟件開發(fā)。 1） 首先，在對(duì)市場(chǎng)進(jìn)行深入調(diào)查研究的基礎(chǔ)上，分析得出智能手機(jī)充電器必須具備的基本特征。 2） 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jī)充電接口、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。按上款得出的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，完成了硬件設(shè)計(jì) 。 3） 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是所有機(jī)電一體化系統(tǒng)的核心。本文在對(duì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行深入探討的過程中，得出了計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的選型原則。并進(jìn)而確定選用40引腳 PCI16F877 單片機(jī)作為控制器。 4） 軟件的優(yōu)劣對(duì)于硬件工作極大影響。本文探討了軟件設(shè)計(jì)的一般原則。并對(duì)軟件按軟件工程的方法，進(jìn)行了模塊化設(shè)計(jì)。從而滿足了設(shè)計(jì)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(chǎng)上，保持了 相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間的技術(shù)領(lǐng)先，也創(chuàng)造了不錯(cuò)的經(jīng)濟(jì)效益。 5） 本課題有效地解決了對(duì)不同手機(jī)進(jìn)行在線充電的問題。充電器實(shí)現(xiàn)了對(duì)手機(jī)是否在線的智能檢測(cè)、充電狀態(tài)的智能監(jiān)視與控制。有效地控制了成本，實(shí)現(xiàn)了便捷管理，達(dá)到了設(shè)計(jì)目的。受時(shí)間和水平的限制，該系統(tǒng)還有很多不足之處，敬請(qǐng)多多批評(píng)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(jì)期間， 李 老師給予了耐心的指導(dǎo)和不斷的鼓勵(lì)，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(jì)。更重要得是，我從他那里不僅學(xué)習(xí)到了更多的知 識(shí)，而且，掌握了許多學(xué)習(xí)方法，增長(zhǎng)了學(xué)習(xí)的能力。 通過本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，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(shí)結(jié)合到一起 ,設(shè)計(jì)出一個(gè)各方面知識(shí)都有的系統(tǒng) .在本次設(shè)計(jì)過程中 ,提高了我綜合思考問題的能力 ,也提高了我的動(dòng)手能力 .為即將就業(yè)的道路上增加了一點(diǎn)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(huì)之際，我將以滿腔的熱情，旺盛的精力努力工作，不辜負(fù)學(xué)校的期望。 但是本人的設(shè)計(jì)水平有限 ,在設(shè)計(jì)中難免出現(xiàn)錯(cuò)誤 ,希望各位老師給以批評(píng)和指導(dǎo) . 2021年 6月