【導(dǎo)讀】導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致謝。為獲得及其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過(guò)的材料。有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；目的前提下，學(xué)?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉?jī)?nèi)容。他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)的成果作品。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)。人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果。涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。等），文科類論文正文字?jǐn)?shù)不少于萬(wàn)字。符合國(guó)家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用。該調(diào)節(jié)器通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬信。信號(hào)控制執(zhí)行器的動(dòng)作。通用數(shù)字調(diào)節(jié)器的主要功能就是PID調(diào)節(jié)，在硬件設(shè)計(jì)要求完。成的情況下，PID算法的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)是整個(gè)設(shè)計(jì)的核心。在此基礎(chǔ)上調(diào)節(jié)器還應(yīng)該具備。串行通訊，參數(shù)自整定等功能。達(dá)到提高精度、降低成本、提高系統(tǒng)可靠性，實(shí)現(xiàn)被控對(duì)象的自動(dòng)控制。

　　

【正文】 收。由于串口通信是異步的，端口能夠在一根線上發(fā)送數(shù)據(jù)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 的 同時(shí)在另一根線上接收數(shù)據(jù)。其他線用于握手，但是不是必須的。串口通信最重要的參數(shù)是波特率、數(shù)據(jù)位、停止位和奇偶校驗(yàn)。 電路原理圖如圖 所示： 162738495D B 1D B 9V C CR 1010kR 1110kC 80 50N P N 1 C 80 50N P N 1R910kR 1210kP 3( 0)P 3( 1)圖 串口通信原理圖 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 ） 22 第四章 通用數(shù)字調(diào)節(jié)器系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 軟件設(shè)計(jì)方案 軟件設(shè)計(jì)原理 通用數(shù)字調(diào)節(jié)器最終目的是根據(jù)給定值與測(cè)量值之間的偏差進(jìn)行 PID 控制。輸入信號(hào)即被控對(duì)象參數(shù)經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換送給 CPU，在 CPU 中與設(shè)定值比較，然后進(jìn)行 PID 運(yùn)算，得到的結(jié)果經(jīng)運(yùn)算后輸出以控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。用鍵盤(pán)來(lái)控制 PID 各參數(shù)的大小，用 4個(gè) LED來(lái)顯示各項(xiàng)數(shù)據(jù)。 軟件設(shè)計(jì)方案 軟件的設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)器功能的關(guān)鍵，這里可將軟件設(shè)計(jì)劃分為各個(gè)子功能模塊的軟件設(shè)計(jì)和主程序設(shè)計(jì)兩個(gè)部分。完成主程序的設(shè)計(jì)后，讓用戶根據(jù)實(shí)際需求將若干子程序組合成應(yīng)用的程序，以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)器的運(yùn)算和控制功能 ,這是主程序應(yīng)完成的任務(wù)。 該調(diào)節(jié)器分三部分： 數(shù)據(jù)輸入 、數(shù)據(jù)處理、控制輸出 數(shù)據(jù)輸入 ：設(shè)計(jì)中，將采樣回來(lái)的反饋信號(hào)以電壓的形式送給單片機(jī)。 數(shù)據(jù)處理：數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、鍵盤(pán)設(shè)定、顯示、控制算法（ PID 數(shù)字算法，用程序?qū)崿F(xiàn)）等。 控制輸出：由于執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)通常是模擬的，所以用單片機(jī)集成的 D/A 完成數(shù)模 轉(zhuǎn)換。 用 C51 語(yǔ)言編寫(xiě)調(diào)節(jié)器程序。系統(tǒng)子程序分為數(shù)據(jù)采樣（模數(shù)轉(zhuǎn)換程序），數(shù)據(jù)處理（按鍵程序、顯示程序、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序、控制算法程序），控制輸出（數(shù)模轉(zhuǎn)換程序）等等。 軟件總體設(shè)計(jì)方案流程圖 軟件設(shè)計(jì)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一項(xiàng)主要內(nèi)容。根據(jù)系統(tǒng)功能要求，以系統(tǒng)硬件電路為基礎(chǔ)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 進(jìn)行系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。為了使設(shè)計(jì)的軟件功能明確、閱讀、調(diào)試方便、可靠性好，本設(shè)計(jì)采用結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計(jì)方法來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)軟件程序主要包括按鍵通道查詢程序、 LED 顯示程序、 A/D 轉(zhuǎn)換程序和數(shù)字濾波程序等等。其主程序流程圖如圖 所示： 初 始 化F 1 鍵 ？調(diào) 節(jié) P I D 參 數(shù)顯 示 輸 出 數(shù) 據(jù)啟 動(dòng) A / D 采 樣NY數(shù) 字 濾 波P I D 運(yùn) 算D / A 轉(zhuǎn) 換 輸 出顯 示 P I D 參 數(shù)停 止 ？NY開(kāi) 始結(jié) 束 圖 主程序流程圖 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 ） 24 系統(tǒng)軟件的具體設(shè)計(jì) A/D 采樣轉(zhuǎn)換程序 采樣信號(hào)是模擬信號(hào)，單片機(jī)只能接受數(shù)字信號(hào)，所以必須進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換才能進(jìn)行PID 運(yùn)算。程序流程圖如圖 所示： 啟 動(dòng) A / D 轉(zhuǎn) 換 程 序A / D完 成 ？NY讀 取 A / D 值 DX送 碼 值 N x 到 緩 存 單 元 儲(chǔ) 存 開(kāi) 始結(jié) 束 圖 模數(shù)轉(zhuǎn)換程序流程圖 數(shù)字濾波程序 在過(guò)程控制中 ，由于環(huán)境因素，被控對(duì)象的測(cè)量會(huì)存在干擾源，所以在線性化之前要先進(jìn)行數(shù)字濾波。數(shù)字濾波通常有以下幾種方法：算術(shù)平均值法、比較舍取法、采樣值的加權(quán)平均值、一階遞推數(shù)字濾波法、中位值法。本設(shè)計(jì)數(shù)字濾波采用的是算術(shù)平均值濾波法。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 ） 25 取 A / D 轉(zhuǎn) 換 結(jié) 果 返 回NY開(kāi) 始 采 樣 n 次 ？11()nxiN x in ?? ? 圖 數(shù)字濾波程序 數(shù)據(jù)顯示程序 四位數(shù)碼管 有顯示 PID 參數(shù)，顯示采樣 信號(hào)等任務(wù)，則數(shù)據(jù)顯示流程圖如圖 所示： 顯 示 子 程 序初 始 化 a [ ] 中存 放 0 ~ 9 的 字 符 碼個(gè) 、 十 、 百 、 千 位 設(shè) 定筆 段 碼 送 P 0 口位 掃 描 碼 送 P 2 口顯 示 延 時(shí) 4 位 完 ？NY更 新 數(shù) 據(jù)結(jié) 束 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 圖 顯示程序流程圖 按鍵處理程序 按鍵用來(lái)實(shí)現(xiàn) PID 參數(shù)調(diào)節(jié)、參數(shù)顯示、采樣顯示等功能。因此按鍵程序設(shè)計(jì)是軟件設(shè)計(jì)中最重要的部分之一。其程序流程圖如圖 所示： 開(kāi) 始掃 描 鍵 盤(pán)延 時(shí)調(diào) 鍵 處 理 子 程 序算 鍵 值返 回是 否 是 同 一 鍵 按 下 ?是 否 有 鍵 按 下 ？NYYN 圖 按鍵掃描程序流程圖 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 ） 27 PID 算法實(shí)現(xiàn) 積分分離的 PID 算式 在一般的 PID 調(diào)節(jié)控制中，由于系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)線性范圍受到限制，當(dāng)偏差 E較大時(shí)，如系統(tǒng)在開(kāi)工、停工或大幅度提降時(shí)，由于積分項(xiàng)的作用，將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)很大的超調(diào)量，使系統(tǒng)不停地振蕩，如下圖 曲線 2所示： 這種現(xiàn)象對(duì)于變化比較緩慢的對(duì)象，如溫度、液面調(diào)節(jié)系統(tǒng)，影響更為嚴(yán)重，而在一般模擬調(diào)節(jié)系統(tǒng)中也存在。 圖 在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，為了消除 這一現(xiàn)象，可以采用積分分離的方法， 即在控制量開(kāi)始跟蹤時(shí)，取消積分作用，直至被調(diào)量接近給定值時(shí)，才產(chǎn)生積分作用。 設(shè)給定值為 P(K),經(jīng)數(shù)字濾波后的測(cè)量值為 M(K)，最大允許偏差值為 A，則積分分離控制的算式為 : 當(dāng) )()()( KMKRKE ?? A 時(shí)，為 PD控制 當(dāng) )()()( KMKRKE ?? =A 時(shí) ,為 PID 控制 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 如上圖所示，曲線 1 為采用積分分離手段后的控制曲線。比較曲線 2 可知，使用積分分離方法后，顯著降低了被控變量的超調(diào)量和過(guò)渡過(guò)程時(shí)間， 使調(diào)節(jié)性能得到改善。 帶死 區(qū)的 PID 算式 在微型機(jī)控制系統(tǒng)中，某些系統(tǒng)為了避免控制動(dòng)作過(guò)于頻繁，以消除由于頻繁動(dòng)作所引起的振蕩，有時(shí)也采用帶死區(qū)的 PID 控制算式，如圖 所示： 圖 帶有死區(qū)的控制過(guò)程曲線 帶死區(qū)的控制算式為： ?)(KP )(KP 當(dāng) BKE ?)( 0)( ?KP 當(dāng) BKE ??)( 式中 ,K為死區(qū)增益，其數(shù)值可為： 0、 、 、 1等。 如上圖所示，死區(qū) B 是一個(gè)可調(diào)的參數(shù)。其具體數(shù)值可根據(jù)實(shí)際控制對(duì)象確定。 B值太小，使調(diào)節(jié)動(dòng)作過(guò)于頻繁，不能達(dá)到穩(wěn)定被調(diào)對(duì)象的目的。如果 B 取得太大，則系統(tǒng)將產(chǎn)生很大的滯后。當(dāng) B=0（或 K=1）時(shí)，則為 PID 控制。該系統(tǒng)實(shí)際上是一個(gè)非線性控制系統(tǒng)，即當(dāng)偏差的絕對(duì)值 BKE ??)( 時(shí)，其控制輸出為 0，當(dāng) BKE ?)( 時(shí)，則輸出值 P(k)以 PID(或 PI、 PD）運(yùn)算結(jié)果輸出。 限位問(wèn)題 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 ） 29 在某些自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，為了安全生產(chǎn)，往往不希望調(diào)節(jié)閥“全開(kāi)”或“全關(guān)”，而是有一個(gè)上限位 upp 和一個(gè)下限位 downp 。也就是說(shuō)，要求調(diào)節(jié)器輸出限制在一定的幅度范圍內(nèi)，即 downp =P= upp 。在具體系統(tǒng)中，不一定上、下限位都需要，可能只有一個(gè)下限或上限限位。例如，在加熱爐控制系統(tǒng)中，為防止加熱爐熄滅，不希望加熱爐的燃料（重油、煤氣或天然氣）管道上的閥門(mén) 完全關(guān)閉，這就需要設(shè)置一個(gè)下限限位。為此，可以在 PID 輸出程序中進(jìn)行上、下限比較，為了提高調(diào)節(jié)品質(zhì)，當(dāng)程序判斷輸出為upp (或 downp )后，也可按有限偏差重新求出平 P（ K） 值。 在實(shí)際 PID 控制過(guò)程中，往往要考慮死區(qū)、積分分離、限幅等問(wèn)題，下圖 即為其程序流程圖： 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 ） 30 P I D 參 數(shù) 設(shè) 定設(shè) 置 初 值 EK 1= Ek 2= 0檢 測(cè) 采 樣 信 號(hào)計(jì) 算 偏 差 E ( K )為 下 一 時(shí) 刻 做 準(zhǔn) 備E ( K ) A ?△ P ( k ) = K p [ E ( k ) + E ( k 1 ) ] + KIE ( K )+ K d [ E ( k ) 2 E ( k 1 ) + E ( k 2 ) ]△ P ( k ) = K p [ E ( k ) + E ( k 1 )+ K d [ E ( k ) 2 E ( k 1 ) + E ( k 2 ) ]E ( K ) = B ?△ P ( K ) = 0NNYY開(kāi) 始返 回EK1→ EK 2 EK →EK 1Pk→ Pk 1P ( k ) = P ( k 1 ) + △ P ( k )P ( k ) P u p ?P ( k ) P d o w n ?NP ( k ) = P u pNYP ( k ) = P d o w nY 圖 PID算法程序流程圖 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 ） 31 第五章 系統(tǒng)調(diào)試 單片機(jī)系統(tǒng)的硬件調(diào)試和軟件調(diào)試是不能分開(kāi)的 ,許多硬件錯(cuò)誤是在軟件調(diào)試中被發(fā)現(xiàn)和糾正的。但通常是先排除明顯的硬件故障以后 ,再和軟件結(jié)合起來(lái)調(diào)試以進(jìn)一步排除故障?？梢?jiàn)硬件的調(diào)試是基礎(chǔ) ,如果硬件調(diào)試不通過(guò) ,軟件 調(diào)試 則是無(wú)從做起。當(dāng)硬件設(shè)計(jì)從布線到焊接安裝完成之后 ,就開(kāi)始進(jìn)入硬件調(diào)試階段 ,調(diào)試大體分為以下幾步。 排除電源故障 在通電前 ， 一定要檢查電源電壓的幅值和極性 ， 否則很容易造成集成塊損壞。加電后檢查各插件上引腳的電位 ， 一般先檢查 VCC 與 GND 之間電位 ， 若在5V～ 4． 8V 之間屬正常。若有高壓 ， 聯(lián)機(jī)仿真器調(diào)試時(shí) ， 將會(huì)損壞仿真器等 ， 有時(shí)會(huì)使應(yīng)用系統(tǒng)中的集成塊發(fā)熱損壞。 顯示 部分調(diào)試， 分別用規(guī)定的電平加至控制數(shù)碼管段 碼 和位 碼 顯示的引腳 上， 看數(shù)碼管顯示是否與理論上一致。不一致 ， 一般為 LED 顯示器接觸不良所致 ， 找出故障 ，然后在 通過(guò)編 寫(xiě) 程序（采用 “8” 字循環(huán)程序）進(jìn)行調(diào)試。 顯示結(jié)果如下圖 所示： 圖 跑八試驗(yàn)程序顯示 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 ） 32 有上圖可知，顯示部分沒(méi)有問(wèn)題，接下來(lái) 就可以編 寫(xiě) 應(yīng)用程序了 。 A/D 轉(zhuǎn)換部分調(diào)試 A/D 轉(zhuǎn)換的作用是把采樣的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成單片機(jī)所需要的數(shù)字信號(hào)，單片機(jī)在對(duì)其計(jì)算輸出。 由此可知 A/D 部分是非常重要的，所以在顯示沒(méi)有錯(cuò)誤的情況下，緊接著對(duì) A/D 部分進(jìn)行調(diào)試。 根據(jù) A/D 轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)、工作原理以及與單片機(jī)連接的端口等問(wèn)題進(jìn)行 C語(yǔ)言編程，編譯、下載。采樣信號(hào)可以通過(guò)電位器自給定，顯示結(jié)果如下圖 所示： 圖 A/D轉(zhuǎn)換顯示 由上圖可知， A/D 部分硬件電路沒(méi)有錯(cuò)誤。 PID 算法部分調(diào)試 PID 部分是整個(gè)設(shè)計(jì)中最核心的部分，調(diào)試也是最重要的部分之一，如果 PID 算法實(shí)現(xiàn)錯(cuò)誤就無(wú)所謂控制參數(shù)了，首先根據(jù) PID 算法編寫(xiě)程 序，然后根據(jù)下面的實(shí)例來(lái)探究，如果調(diào)節(jié)器的實(shí)際輸出與理論相一致，則說(shuō)明 PID算法沒(méi)有錯(cuò)誤。 假設(shè)有一溫度控制系統(tǒng)，溫度測(cè)量范圍是 0～ 600℃，溫度采用 PID 控制，控制指標(biāo)為 450177。 2℃。已知比例系數(shù) 4?PK ,積分時(shí)間 sTI 60? ，微分時(shí)間 sTD 5? ，采樣周期內(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 ） 33 sT 5? 。當(dāng)測(cè)量值 448)( ?nc ， 449)1( ??nc ， 442)2( ??nc 時(shí)，計(jì)算增量輸出 )(nu? 。若 1860)1( ??nu ，計(jì)算第 n 次閥位輸出 )(nu 。 解：將題中給出的參數(shù)代入有關(guān)公式計(jì)算得 316054 ???? IPI TTKK， 125154 ???? TTKK DPD， 由題知，給定值 450?r ，將題中給出的測(cè)量值代入公式（ 5－ 1－ 4）計(jì)算得 2448450)()( ????? ncrne 144 945 0)1()1( ??????? ncrne 245 245 0)2()2( ???????? ncrne 代入公式（ 5－ 1－ 16）計(jì)算得 ? ? 19)2(12212231)12(4)( ?????????????? nu 代入公式（ 5－ 1－ 19）計(jì)算得 18