【導(dǎo)讀】還介紹了在加熱爐溫度控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)中的一些主要技術(shù)關(guān)鍵環(huán)節(jié),該。/數(shù)轉(zhuǎn)換電路,過零檢測(cè)電路,報(bào)警與指示電路,光電隔離與功率放大電路等構(gòu)成。度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中不可缺少的一部分，該系統(tǒng)對(duì)溫度進(jìn)行了實(shí)時(shí)采集與檢測(cè)。硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、系統(tǒng)調(diào)試及主要技術(shù)性能參數(shù)。

　　

【正文】 D控制器的微分方程為： y(t)= KP[e(t)+1/T1*∫ e(t)dt+TD * de(t)/dt 式中 y(t)為控制器的輸出； e(t)為控制器的輸入； KP比例放大系數(shù)； TI為控制器的積分時(shí)間常數(shù)； TD為控制器的微分時(shí)間常數(shù)。 顯然， KP越大，控制器的控制作用越強(qiáng)；只要 e(t)不為 0，積分項(xiàng)會(huì)因積分而使控制器的輸出變化；只要 e(t)有變化的趨勢(shì)，控制器就會(huì)在微分作用下，在偏差出現(xiàn)且偏差不大時(shí)提前給輸出一個(gè)較強(qiáng)的控制作用。 由于微機(jī)控制系統(tǒng)是一種時(shí)間離散控制系統(tǒng)，故必須把微分方程 離散化為差分方程，最終寫出遞推公式才能直接應(yīng)用。下面給出增量型和位置型的具體公式： Δ Y（ n） =Y(n)Y(n1) =KP[e(n)e(n1)]+KIe(n)+KD[e(n)2e(n1)+e(n2)] Y(n)=Y(n1)+ KP[e(n)e(n1)]+ KI e(n)+KD[e(n)2e(n1)+e(n2)] 式中 KI=KPTiT ，稱為積分常數(shù)； KD=KP TTd ，稱為微分常數(shù) ,Δ t=T，為采樣周期； e(t) 為第 n次采樣的偏差值； e(n1)為第 (n1)次采樣時(shí)的偏差值； n為采樣序列， n=0,1,2,?。 T 的確定 采樣周期 T是兩次采樣之間的時(shí)間間隔。從信號(hào)的復(fù)線性來(lái)考慮，采樣周期不宜過長(zhǎng)或者說(shuō)采樣頻率 sf 它有一定的限度，就是根據(jù)采樣定律，它必須大于或等于 原信號(hào)，所含最高頻率的兩倍。因此，從控制性能來(lái)考慮，采樣周期越短越好。但是，計(jì)算機(jī)的工作時(shí)間和工作量卻隨著采樣周期的減小而增大，所以每一個(gè)回路都有一個(gè)最佳的采樣周期。 決定采樣周期 T的因素有很多，其中包括：加于對(duì)象的干擾信號(hào)頻率，對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性，使用的控制算法和執(zhí)行器的類型，控制回路數(shù)，對(duì)象所要求的控制質(zhì)量等。 總的來(lái)說(shuō)，當(dāng)計(jì)算機(jī)精度足夠時(shí)，采樣周期與對(duì)象控制回路的過渡過程時(shí)間和主要擾動(dòng)的周期相比往往要小的多，以盡量減少控制偏差的滯后性。 通常的采樣周期都按下表的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)加以選擇： 25 表 41 采樣周期 T 的選用 物理量 采樣周期 \s 備注 流量 1— 5 優(yōu)先選用 1— 2s 壓力 3— 10 優(yōu)先選用 6— 8s 液位 6— 8 溫度 15— 20 或取純滯后時(shí)間對(duì)串級(jí)系統(tǒng)：復(fù)環(huán) T=（ — ）主環(huán) T 成分 15— 20 根據(jù)上表所示，本系統(tǒng)的 PID 控制算法選用的采樣周期 T=20s 。 PID 參數(shù)整定是一個(gè)復(fù)雜的過程，一般需要根據(jù)被控對(duì)象慢慢進(jìn)行。常用的方法有擴(kuò)充臨界比例度整定法和擴(kuò)充響應(yīng)曲線法兩種。但是這兩種方法在實(shí)際應(yīng)用中比較麻煩。因此在實(shí)際應(yīng)用中常用經(jīng)驗(yàn)法確定 PID 的參數(shù)。即 根據(jù)調(diào)節(jié)規(guī)律，及不同調(diào)節(jié)對(duì)象的特征，通過閉環(huán)試驗(yàn)，反復(fù)湊試，找出最佳調(diào)節(jié)參數(shù)。 本次設(shè)計(jì)的 PID 控制參數(shù)選用經(jīng)驗(yàn)法的一種 — 優(yōu)選法進(jìn)行確定，具體做法為：根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，先把其他參數(shù)固定，然后用 法對(duì)其中某一參數(shù)進(jìn)行優(yōu)選，待選出最佳參數(shù)后，再換另一個(gè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)選，直到把所有的參數(shù)優(yōu)選完畢為止。最后根據(jù) T， PK ， IT ,DT諸參數(shù)優(yōu)選的結(jié)果選一組最佳值即可。 在本控制系統(tǒng)中，加熱爐溫度與給定值的偏差經(jīng)過單片機(jī) PID算法運(yùn)算后控制可控硅的開度，所以應(yīng)采用式（ 7）的位置式算法。 KP， KI， e(n),e(n1)分別放在 89C51單片機(jī)片內(nèi) RAM的 26H， 27H,29H,2AH中， PI結(jié)果 YPI（ n）放在 R3R4中，則 PI控制程序如下 : PI： MOV A， 29H ； e(n) CLR C SUBB A， 2AH ； e(n)e(n1) MOV B， 26H ； KP LCALL MULTS ； KP [e(n)e(n1)] MOV R4， A MOV R3， B ；暫存于 R3R4 MOV A， 29H ； e(n) MOV A， 27H ； KI LCALL MULTS ； KI e(n) ADD A， R4 MOV R4， A MOV A， B ADDC A， R3 26 MOV R3， A ； R3R4= KP [e(n)e(n1)]+ KI e(n) RET MULTS： CLR F0 ；置 e(n)符號(hào)標(biāo)志位為正 JNB ， MUL1 SETB F0 ；置 e(n)符號(hào)標(biāo)志位為負(fù) CPL A INC A ；取絕對(duì)值 MUL1： MUL AB JNB F0， MUL2 CPL A ADD A， 1 MOV R2， A MOV A， B CPL A ADDC A， 0 MOV B， A MOV A， R2 ；還原為補(bǔ)碼 MUL2： RET 控制面板的設(shè)計(jì) 控制面板的介紹 ℃上限 下限 溫度值 參數(shù)值+ 設(shè)置 退出 對(duì)一般用戶來(lái)說(shuō)不需要知道系統(tǒng)內(nèi)部的具體結(jié)構(gòu)，只需知道如何進(jìn)行操作即可，因圖 51 控制面板 27 此控制面板就成為人和工作機(jī)進(jìn)行交流的十分重要平臺(tái)，在現(xiàn)代化的市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)中，產(chǎn)品的外觀設(shè)計(jì)對(duì)吸引購(gòu)買者也起著很重要的作用，所以控制面板的設(shè)計(jì)是一個(gè)非常講究技巧和美觀的工作。 本人本著簡(jiǎn)潔明快、實(shí)用、操作友好的思想，同時(shí)從一定的審美角度進(jìn)行面板的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)所得的控制面板如圖上圖所示控制面板。 在控制面板上，可以清楚的看到有一個(gè) 4 位的數(shù)碼管顯示器，鍵盤上一共有四個(gè)按鍵，分別是設(shè)“ +”、“ — ”、“設(shè)置”、“退出”， 還設(shè)有四個(gè)工作指示燈，分別為：溫度上限值、溫度下限值、溫度值及參數(shù)值。 控制面板的功能 控制面板上的 4位 LED 顯示器能精確顯示加熱爐溫度值，控制面板不進(jìn)行任何操作時(shí)， LED 顯示器顯示的就是當(dāng)前加熱爐溫度值。設(shè)置按鍵是用來(lái)設(shè)定加熱爐的溫度上、下限，加熱溫度值及各種參數(shù)。并且指示燈與設(shè)定狀態(tài)相對(duì)應(yīng)。具體操作如下：長(zhǎng)按設(shè)定按鍵即可進(jìn)入設(shè)定狀態(tài)，第一次長(zhǎng)按設(shè)定按鍵 (3s 左右），進(jìn)入溫度上限值設(shè)定，同時(shí)溫度上限指示等亮，此時(shí)按“ +”、“ — ”鍵便可對(duì)溫度上限值進(jìn)行設(shè)定，設(shè)定好數(shù)值后按退出鍵，系統(tǒng)退出設(shè)置模式 ， LED 顯示器顯示加熱爐溫度值。連續(xù)兩次長(zhǎng)按設(shè)定按鍵，進(jìn)入溫度下限值設(shè)定，并且溫度下限值指示燈亮，此時(shí)可輸入溫度下限值。連續(xù)三次長(zhǎng)按設(shè)定按鍵，進(jìn)入溫度值設(shè)定，連續(xù)四次長(zhǎng)按設(shè)定按鍵，進(jìn)入加熱爐參數(shù)設(shè)定。 28 5 系統(tǒng)調(diào)試 系統(tǒng)調(diào)試通常包括實(shí)驗(yàn)室硬件聯(lián)調(diào)、實(shí)驗(yàn)室軟件聯(lián)調(diào)、實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)仿真、仿真考機(jī)運(yùn)行和現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試等幾個(gè)環(huán)節(jié)。在系統(tǒng)總裝以后，首先要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室條件下的系統(tǒng)硬件聯(lián)調(diào)；聯(lián)調(diào)成功以后，有了硬件操作保證，就很容易發(fā)現(xiàn)軟件的錯(cuò)誤，在軟件調(diào)試過程中，有時(shí)也會(huì)發(fā)現(xiàn)硬件故障，軟件故障完畢， 硬件中的隱藏問題也能被發(fā)現(xiàn)和糾正；在進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)以前，還必須在實(shí)驗(yàn)室條件下把存在的問題充分暴露，并加以解決，通常是用模型代替實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行完全仿真調(diào)試，通過后進(jìn)行連續(xù)不停機(jī)的 48h考機(jī)運(yùn)行，正確無(wú)誤后再進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)安裝，運(yùn)行成功并經(jīng)過一定時(shí)間的使用，最終驗(yàn)收合格才算完成整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作。 下面通過硬件和軟件兩方面介紹相應(yīng)的調(diào)試方法。 硬件調(diào)試方法 常見的硬件故障有： 邏輯錯(cuò)誤 它是由設(shè)計(jì)錯(cuò)誤或加工過程中的工藝性錯(cuò)誤所造成的。這類錯(cuò)誤包括錯(cuò)線、開路、短路、相位錯(cuò)等。 元器件失效 有兩 方面的原因：一是器件本身已損壞或性能不符合要求；二是組裝錯(cuò)誤造成元件失效，如電解電容、二極管的極性錯(cuò)誤、集成電路安裝方向錯(cuò)誤等。 可靠性差 引起可靠性差的原因很多，如金屬化孔、接插件接觸不良會(huì)造成系統(tǒng)時(shí)好時(shí)壞，經(jīng)不起振動(dòng)；內(nèi)部和外部干擾、電源紋波系數(shù)大、器件負(fù)荷過大等造成邏輯電平不穩(wěn)定；走線和布局不合理也會(huì)引起系統(tǒng)可靠性差。 電源故障 若樣機(jī)有電源故障，則加電后很容易造成器件損壞。電源故障包括電壓值不符合設(shè)計(jì)要求，電源引線和插座不對(duì)，功率不足，負(fù)載能力差等。 聯(lián)機(jī)調(diào) 試 通過脫機(jī)調(diào)試可排除一些明顯的硬件故障，但有些故障還必須通過聯(lián)機(jī)調(diào)試才能發(fā)現(xiàn)和排除。 聯(lián)機(jī)前先斷電，將單片機(jī)開發(fā)系統(tǒng)的仿真頭插到樣機(jī)的 89C51插件上，檢查開發(fā)機(jī)和樣機(jī)之間的電源、接地是否良好。一切正常后，即可打開電源。 通電后執(zhí)行開發(fā)機(jī)的讀寫指令，對(duì)樣機(jī)的存儲(chǔ)器、 I/O端口進(jìn)行讀寫操作、邏輯檢查，若有故障，可用示波器觀察有關(guān)波形（如選中的譯碼器輸出波形、讀寫控制信號(hào)、地址數(shù)據(jù)波形以及有關(guān)的控制電平）。通過對(duì)波形的觀察分析，尋找故障原因并進(jìn)一步排除故障。可能的故障有：路線連接上有邏輯錯(cuò)誤、有斷路 或短路現(xiàn)象、集成電路失效 29 等。 在樣機(jī)主機(jī)部分調(diào)試好后，可以插上系統(tǒng)的其他外圍部件，例如鍵盤、顯示器、輸出驅(qū)動(dòng)板、 A/D及 D/A板等，再對(duì)這部分進(jìn)行初步調(diào)試。 在調(diào)試過程中若發(fā)現(xiàn)用戶系統(tǒng)工作不穩(wěn)定，可能有下列情況：電源系統(tǒng)供電不足，或聯(lián)機(jī)時(shí)公共地線接觸不良，或用戶系統(tǒng)主板負(fù)載過大，或用戶的各級(jí)電源濾波不完善等。對(duì)這些問題一定要查出原因并加以排除。 脫機(jī)調(diào)試 在樣機(jī)加電以前，先用萬(wàn)用表等工具根據(jù)硬件電氣原理和裝配圖仔細(xì)檢查樣機(jī)線路的正確性，并核對(duì)元器件的型號(hào)、規(guī)格和安裝是否符合要求，特別應(yīng) 注意電源的走線，防止電源線之間短路和極性錯(cuò)誤，并檢查擴(kuò)展系統(tǒng)總線是否存在相互短路或與其他信號(hào)線的短路。 對(duì)于樣機(jī)所用電源，事先必須單獨(dú)調(diào)試。調(diào)試好后，檢查其電壓值、負(fù)載能力、極性等均符合要求，才能加到系統(tǒng)的各個(gè)部件上。在不插芯片的情況下，加電檢查各插件上引腳的電位，仔細(xì)測(cè)量各點(diǎn)電位是否正常，尤其應(yīng)注意 89C51插座上各電位是否正常，若有高壓，聯(lián)機(jī)時(shí)將損壞仿真器。 在脫機(jī)調(diào)試中，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)無(wú)法復(fù)位，經(jīng)檢查知電路中沒有接入復(fù)位電路，經(jīng)接入上電復(fù)位方 式的復(fù)位電路后，系統(tǒng)運(yùn)行正常。 軟件調(diào)試方法 軟件調(diào)試與所 選用的軟件結(jié)構(gòu)和程序設(shè)計(jì)技術(shù)有關(guān)。如果采用模塊程序 設(shè)計(jì)技術(shù)，則逐個(gè)模塊分別調(diào)試。調(diào)試各子程序時(shí)一定要符合現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，即入口條件和出口條件。調(diào)試手段可采用單步或設(shè)置斷點(diǎn)運(yùn)行方式，通過檢查系統(tǒng) CPU 的現(xiàn)場(chǎng)，ARM的內(nèi)容和 I/O口的狀態(tài)，檢查程序執(zhí)行結(jié)果是否符合設(shè)計(jì)要求。通過檢測(cè)可發(fā)現(xiàn)程序中的死循環(huán)錯(cuò)誤、機(jī)器碼錯(cuò)誤及轉(zhuǎn)移地址的錯(cuò)誤。同時(shí)也可以發(fā)現(xiàn)用戶系統(tǒng)中的硬件故障，軟件算法及硬件設(shè)計(jì)錯(cuò)誤。在調(diào)試過程中不斷調(diào)試用戶系統(tǒng)的軟件和硬件，逐步通過一個(gè)個(gè)程序模塊。 各模塊通過以后，可以把有關(guān)的功能塊聯(lián)合起來(lái)一起進(jìn)行綜合 調(diào)試。在這個(gè)階段若發(fā)生故障，可以考慮各子程序在運(yùn)行時(shí)是否破壞現(xiàn)場(chǎng)，緩沖單元是否發(fā)生沖突，標(biāo)志位的建立和清除在設(shè)計(jì)上有無(wú)失誤，堆棧區(qū)域有無(wú)溢出，輸入設(shè)備的狀態(tài)是否正常等等。若用戶系統(tǒng)是在開發(fā)機(jī)的監(jiān)控下運(yùn)行時(shí)，還要考慮用戶緩沖單元是否和監(jiān)控程序的工作單元發(fā)生沖突。 單步和斷點(diǎn)調(diào)試后，還應(yīng)進(jìn)行連續(xù)調(diào)試，這是因?yàn)閱尾竭\(yùn)行只能驗(yàn)證程序的正確與否，不能確定定時(shí)精度， CPU的實(shí)時(shí)響應(yīng)等問題。待全部調(diào)試完成后，應(yīng)反復(fù)運(yùn)行多次，除了觀察穩(wěn)定性之外，還要觀察系統(tǒng)的操作是否符合原始設(shè)計(jì)要求，安排的用戶操作是否合理等，必要時(shí)應(yīng)再作 適當(dāng)?shù)男拚? 如果采用實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，一般是逐個(gè)任務(wù)進(jìn)行調(diào)試，調(diào)試方法與上述基本類 30 似，只是實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)的應(yīng)用程序是由若干個(gè)任務(wù)程序組成，一般是逐個(gè)任務(wù)進(jìn)行調(diào)試，在調(diào)試某個(gè)任務(wù)時(shí)，同時(shí)也調(diào)試相關(guān)的子程序、中斷服務(wù)程序和一些操作系統(tǒng)的程序。調(diào)試好以后，再使各個(gè)任務(wù)程序同時(shí)運(yùn)行，如果操作程序無(wú)錯(cuò)誤，一般情況下就能正常運(yùn)行。