【正文】 M 輸出電路 鍵盤及顯示電路的設(shè)計(jì)鍵盤及顯示電路所用到的外圍芯片有 HD7279a、KS0108 、LED 數(shù)碼顯示管，十六按鍵鍵盤。所要實(shí)現(xiàn)的基本功能為鍵盤可以輸入設(shè)定溫度值、K p、K i、K d 的值也可以撤銷錯(cuò)誤按鍵同時(shí) LED、 LCD 顯示輸入值和溫度值的變化。介紹 7279 及功能:HD7279A 是一片具有串行接口的，可同時(shí)驅(qū)動(dòng) 8 位共陰式數(shù)碼管（或 64 只獨(dú)立 LED）的智能顯示驅(qū)動(dòng)芯片，該芯片同時(shí)還可連接多達(dá) 64 鍵的鍵盤矩陣，單片即可完成 LED 顯示、鍵盤接口的全部功能。HD7279A 內(nèi)部含有譯碼器，可直接接受 BCD 碼或 16 進(jìn)制碼，并同時(shí)具有 2 種譯碼方式，此外，還具有多種控制指令，如消隱、閃爍、左移、右移、段尋址等。HD7279A 具有片選信號(hào)，可方便地實(shí)現(xiàn)多于 8 位的顯示或多于 64 鍵的鍵盤接口。典型應(yīng)用:儀器儀表，工業(yè)控制器，條形顯示器，控制面板，特點(diǎn)如下 :串行接口，無需外圍元件可直接驅(qū)動(dòng) LED 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 23 頁各位獨(dú)立控制譯碼/不譯碼及消隱和閃爍屬性（循環(huán)）左移/（循環(huán)）右移指令具有段尋址指令，方便控制獨(dú)立 LED64 鍵鍵盤控制器，內(nèi)含去抖動(dòng)電路有 DIP 和 SOIC 兩種封裝形式供選擇鍵盤及顯示電路如下圖 21軟件流程圖如下圖 212圖 211 鍵盤及顯示電路如下圖 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 24 頁圖 212 軟件流程圖 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 25 頁3 系統(tǒng)控制算法研究PID 控制器應(yīng)用得非常廣泛，它的參數(shù)整定方便，結(jié)構(gòu)更改靈活，能滿足大多數(shù)工業(yè)控制要求。PID 控制技術(shù)比較簡(jiǎn)單，易于掌握，是常用的控制技術(shù)之一。對(duì)于參數(shù)時(shí)不變的控制對(duì)象或?qū)ο竽Ｐ妥兓伙@著的對(duì)象來說，使用 PID 控制能夠達(dá)到比較理想的控制效果，而且實(shí)現(xiàn)起來非常簡(jiǎn)單。特別是當(dāng)被控對(duì)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，而控制理論的其他設(shè)計(jì)技術(shù)又難以使用，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(chǎng)調(diào)試來確定，此時(shí)使用 PID 控制技術(shù)最為方便。因此，PID 控制具有很大的適應(yīng)性和靈活性。 加熱爐的數(shù)學(xué)建模為了能更好的研究加熱爐的對(duì)象特性，本課題對(duì)其中一個(gè)封閉式加熱爐溫度系統(tǒng)做了階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)，使系統(tǒng)在 242 度起始升溫到 1200 度，每隔 15 秒記錄一次溫度數(shù)據(jù)。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)做出飛升曲線如圖 31 所示（圖中用點(diǎn)表示）。圖 31 加熱爐數(shù)學(xué)模型建立從上述曲線我們可以看出這是一個(gè)由一個(gè)小慣性環(huán)節(jié)和一個(gè)大的慣性環(huán)節(jié)組成的二階系統(tǒng)，或者是由帶純延遲的一階慣性環(huán)節(jié)組成的系統(tǒng)，這里我們選用前者，寫出傳遞函數(shù)表達(dá)式（）。 （）12()1sKeGsT????（ ） （ ） 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 26 頁式中 K—對(duì)象的放大增益，T—對(duì)象的時(shí)間常數(shù)， —對(duì)象的純滯后常數(shù)，應(yīng)用?ChonCoon 公式求得對(duì)象參數(shù) K，T 和? ，其公式為（）： （）..()()CMTttt?????—系統(tǒng)階躍輸入信號(hào)， —系統(tǒng)的響應(yīng)增量， —對(duì)象飛升曲線為 ?C?時(shí)的時(shí)間值， —對(duì)象飛升曲線 時(shí)的時(shí)間值。通過公式（），求得的 K=，T=220s ，T=100s， =91s，于是可以得出爐子?溫度對(duì)象數(shù)學(xué)模型（）()00seGs???（ ） （ ）在 Matlab 環(huán)境對(duì)建立得模型進(jìn)行驗(yàn)證，通過輸入階躍信號(hào)，式（）模型的響應(yīng)曲線如圖 31 中實(shí)線所示?？梢娕c實(shí)際采集的爐子溫度對(duì)象特性曲線的數(shù)據(jù)點(diǎn)（圖中用點(diǎn)表示）非常接近。 PID 控制原理在傳統(tǒng)的控制理論中，最基本也是最常用的調(diào)節(jié)規(guī)律就是 PID 調(diào)節(jié)。PID 是比例積分 微分的縮寫，它從比例、積分和微分三個(gè)環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制。PID 控制是最早發(fā)展起來的控制策略之一，由于其算法簡(jiǎn)單、魯棒性好和可靠性高，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)過程控制。簡(jiǎn)單說來，PID 控制器各控制環(huán)節(jié)的作用如下比例環(huán)節(jié):為了及時(shí)成比例地反應(yīng)控制系統(tǒng)的偏差信號(hào) △e（t ），以最快速產(chǎn)生控制作用，使偏差向減小的趨勢(shì)變化。積分環(huán)節(jié):為了保證被控制量入 y（t）在穩(wěn)態(tài)時(shí)對(duì)給定量 r（t ）的無靜差控制，即當(dāng)閉環(huán)系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，則此時(shí)控制輸出量和控制偏差量都將保持在某一個(gè)常值上。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)，積分時(shí)間常數(shù)越大積分作用越弱，反之則越強(qiáng)。微分環(huán)節(jié):為了改善閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)的速度，能反映偏差信號(hào)的變 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 27 頁化趨勢(shì)，并能在偏差信號(hào)值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減小調(diào)節(jié)時(shí)間。 數(shù)字 PID 控制算法由于近年來微機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，實(shí)際應(yīng)用中大多數(shù)采用數(shù)字PID控制器。其中經(jīng)常采用的有位置和增量式PID控制算法。位置式PID控制算法由于計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是一種采樣控制系統(tǒng)，它只能根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差來計(jì)算控制量，因此在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，必須首先對(duì)公式（）進(jìn)行離散化處理。模擬PID的數(shù)學(xué)表達(dá)公式： （）01()()[()()]tpdi etutKetT???用數(shù)字形式的差分方程代替連續(xù)系統(tǒng)的微分方程，此時(shí)積分項(xiàng)和微分項(xiàng)可用求和及增量式表示: （）000()()()nntj jedEtT????? （）11tkkEt????將式（）和式（）代入式（），可以得到式（）： （）0()()()[()1)]kpidjukKEKk????式中：△t=T:采樣周期，必須使 T足夠小，才能保證系統(tǒng)有一定的精度。E（k）：第k次采樣時(shí)的偏差值E（kl）：第k1 次采樣時(shí)的偏差值K：采樣序號(hào)，k=0，1， 2…u（k）：第k次采樣時(shí)調(diào)節(jié)器的輸出Ki：調(diào)節(jié)器的積分系數(shù)： ipiTK? 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 28 頁Kd：調(diào)節(jié)器的微分系數(shù)：增量式 PID增量式 PID 是指數(shù)字控制器的輸出只是控制量的增量，當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要的是控制量的增量時(shí)，可由式（）導(dǎo)出提供增量式的控制算式。根據(jù)遞推原理，可寫出（k1）次的 PID 輸出表達(dá)式： （）10(1)()()[(1)(2)]kpidjukKEKEk???????由公式（）減去公式（）可以得到式（）： （）()[()1)]()[()1)(2)]pidkkkkE????? 增量式 PID 仿真結(jié)果可以根據(jù)式（）編程，用 MATLAB 的 simulinc 進(jìn)行仿真如下圖 32圖 32 MATLAB 的 simulinc 進(jìn)行增量式 PID 仿真增量式 PID 仿真效果如下圖 33：圖 33 增量式 PID 仿真效果ddpTK? 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 29 頁 模糊自適應(yīng) PID 算法模糊控制建立在人工經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，模糊控制語一言是一種表示人類思維活動(dòng)以及復(fù)雜事物極其有效程度的手段，對(duì)于那些利用傳統(tǒng)控制方法難以實(shí)現(xiàn)或奏效的控制問題，采用模糊控制技術(shù)效果較好。 模糊自適應(yīng) PID 的特點(diǎn)模糊控制的迅速發(fā)展主要?dú)w結(jié)于它相對(duì)于傳統(tǒng)控制技術(shù)所具有無需知道被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型、易于對(duì)不確定系統(tǒng)或非線性系統(tǒng)進(jìn)行控制、對(duì)被控對(duì)象的參數(shù)變化有較強(qiáng)的魯棒性、對(duì)外界的干擾有較強(qiáng)的抑制能力等特點(diǎn)，具體可歸納為以下幾點(diǎn)：在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)不需要建立被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。是一種反映人類智慧思維的智能控制。易被人們所接受。模糊控制的核心是控制規(guī)則，這些規(guī)則是以人類語言表示的，如“超調(diào)較大”，“偏差較小”，很明顯這些規(guī)則易被人們所接受。構(gòu)造容易，系統(tǒng)的軟硬件實(shí)現(xiàn)都比較方便。魯棒性較強(qiáng)，對(duì)參數(shù)變化不靈敏。由于模糊控制采用的不是二值邏輯，而是一種連續(xù)多值邏輯，所以當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)變化時(shí)，能比較容易實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的控制，具有良好的魯棒，勝和適應(yīng)性。系統(tǒng)的規(guī)則和參數(shù)整定方便。只要通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的工業(yè)過程進(jìn)行定性的分析，就能比較好的建立語言變量控制規(guī)則和系統(tǒng)控制參數(shù)，而且參數(shù)適用的范圍較廣。模糊控制器由模糊化模塊、數(shù)據(jù)庫和規(guī)則庫構(gòu)成的知識(shí)庫、模糊推理模塊和解模糊模塊組成。模糊控制器的結(jié)構(gòu)圖如圖 34 所示：圖 34 模糊控制器的結(jié)構(gòu)圖 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 30 頁 模糊自適應(yīng) PID 的結(jié)構(gòu)模糊自適應(yīng) PID 的結(jié)構(gòu)原理圖如下圖 35 所示：通過計(jì)算當(dāng)前系統(tǒng)誤差和誤差的變化率，利用模糊規(guī)則進(jìn)行模糊推理，解模糊化后進(jìn)行參數(shù)調(diào)整。模糊 PID 控制設(shè)計(jì)的核心是總結(jié)工程設(shè)計(jì)人員的技術(shù)知識(shí)和實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，建立合適的模糊規(guī)則表，針對(duì)比例、積分和微分三個(gè)參數(shù)分別整定得到控制量輸出值。圖 35 模糊自適應(yīng) PID 的結(jié)構(gòu)原理圖 模糊自適應(yīng) PID 的控制結(jié)構(gòu)原理模糊自適應(yīng) PID 控制器輸入為偏差 e 和偏差變化率△e ，輸出為△K p，△K i，△Kd。其中，Ge 和 G△e 為量化因子，Gk i、Gk p 和 Gkd 為比例因子，根據(jù)對(duì)象輸入輸出取值范圍選取。經(jīng)過適應(yīng)于控制對(duì)象的模糊推理獲得的△K p，△K i，△K d 分別作為PID 的 Kp，K i，K d 參數(shù)增量，從而根據(jù)被控對(duì)象狀態(tài)實(shí)現(xiàn)對(duì) PID 參數(shù)進(jìn)行在線調(diào)節(jié)。模糊自適應(yīng) PID 控制器調(diào)整 PID 參數(shù)計(jì)算公式如下：Kp=K?+ΔK pKi=K237。 ?+ΔK iKd=Kd +ΔK d （） 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 31 頁式中，K p，K i，K d 為初始設(shè)定的 PID 參數(shù)。模糊自適應(yīng) PID 找出了 PID 三個(gè)參數(shù)與偏差 e 和偏差變化率△e 之間的模糊關(guān)系，運(yùn)行中通過不斷檢測(cè) e 和 △e ，根據(jù)模糊控制原理對(duì)三個(gè)參數(shù)進(jìn)行在線修改，以滿足不同 e 和△e。時(shí)控制參數(shù)不同要求，而使被控對(duì)象有良好的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能。 加熱爐溫度的模糊自適應(yīng) PID 控制器的設(shè)計(jì)系統(tǒng)的被控對(duì)象是電加熱爐，被控參數(shù)是爐內(nèi)溫度，用熱電偶檢測(cè)爐溫。模糊控制器根據(jù)設(shè)定溫度與實(shí)際溫度的差值及溫度的變化率，先對(duì)精確量進(jìn)行模糊化，然后根據(jù)專家和操作者的長(zhǎng)期經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行模糊推論，最后解模糊輸出。 溫度值模糊自適應(yīng) PID 的模糊化模糊控制器的輸入輸出變量都是精確量，模糊推理是針對(duì)模糊量進(jìn)行的，因此，控制器首先要對(duì)輸入量進(jìn)行模糊化處理。在課題設(shè)計(jì)的加熱爐的溫度值模糊自適應(yīng) PID 控制器中，兩個(gè)輸入量分別為處理出口溫度值值的偏差 e 和偏差變化率 △e ，三個(gè)輸出量分別為 PID 控制參數(shù)Kp，K i，K d 的增量△K p， △K i，△K d。我們要實(shí)現(xiàn)等溫控制，即對(duì)于每一個(gè)溫度段都是一個(gè)階躍響應(yīng)，我們選取的溫度為 1000℃，對(duì)于系統(tǒng)響應(yīng)的誤差 e、誤差變化率△e分別具有一定的變化范圍，e 的變化范圍為（5， +5），即溫度的偏差的波動(dòng)范圍為（5， +5）℃，△e 最大值為 2，超調(diào)的循序范圍為 %1%，根據(jù)不同的控制溫度將有不同的實(shí)際范圍，將其變化范圍分別定義為模糊集上的論域。e，△e ={3 ，2 ，1，0， 1，2，3}△K p={， ， 0， ， ，}△K i={， ， ，0，，}△K d ={3，2，1，0，1，2，3}并設(shè)其模糊子集為：E、EC={NB、NM、NS、ZO、PS 、PM 、PB}△K p，△K i，△K d ={NB、NM、NS、ZO、PS 、PM、PB} 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 32 頁 模糊自適應(yīng) PID 的模糊規(guī)則及推理算法圖 36 PID 控制曲線響應(yīng)示意圖在模糊自適應(yīng) PID 控制器中，模糊控制根據(jù)已經(jīng)掌握的 PID 控制規(guī)律，按照一定的規(guī)則調(diào)整控制參數(shù)，提高了控制性能。PID 參數(shù)的整定必須考慮到在不同時(shí)刻三個(gè)參數(shù)的作用以及相互之間的互聯(lián)關(guān)系。根據(jù)參數(shù)勒，Ki 和 Kd 對(duì)系統(tǒng)輸出特性的影響，結(jié)合系統(tǒng)輸出響應(yīng)曲線圖 36，分析在不同的 e 和 △e 。時(shí)被控過程對(duì)參數(shù) Kp，K i，K d的自整定原則：在 oa 段， e0，△e0 ，當(dāng)偏差。很大時(shí)，為使系統(tǒng)輸出趨向穩(wěn)態(tài)值的速度越快越好，即以消除偏差為主，取較大的 Kp：為避免因開始時(shí)偏差 △e 的瞬間變大可能引起微分過飽和而使控制作用超出許可范圍，因此應(yīng)取較小的 Kd 同時(shí)為了防止積分飽和，避免系統(tǒng)響應(yīng)出現(xiàn)較大的超調(diào)，此時(shí) Ki 的值趨近于零。當(dāng)接近 a 點(diǎn)時(shí)，e 很小，為使系統(tǒng)具有較小的超調(diào)量，K p，K i，K d 的值都不能取大，K p 的值要適當(dāng)增大，K i 的值要減小，而 Kd 的值要取適中: 當(dāng)離開 a 點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)向偏差大的方向變化，K p 的值要適當(dāng)減小，K i 的值要增大，而 Kd 的值要取適中，以此保證系統(tǒng)響應(yīng)速度。當(dāng) e 等于零且 △e 較小時(shí)，為使系統(tǒng)有良好的穩(wěn)態(tài)性能，K p 和 Ki 的值要取中等大小。同時(shí)為了避免系統(tǒng)在