【正文】 當 e 等于零且 △e 較小時，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。很大時，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，因此應取較小的 Kd 同時為了防止積分飽和，避免系統(tǒng)響應出現(xiàn)較大的超調(diào)，此時 Ki 的值趨近于零。根據(jù)參數(shù)勒，Ki 和 Kd 對系統(tǒng)輸出特性的影響，結(jié)合系統(tǒng)輸出響應曲線圖 36，分析在不同的 e 和 △e 。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} 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設計（論文） 第 32 頁 模糊自適應 PID 的模糊規(guī)則及推理算法圖 36 PID 控制曲線響應示意圖在模糊自適應 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。在課題設計的加熱爐的溫度值模糊自適應 PID 控制器中，兩個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。模糊控制器根據(jù)設定溫度與實際溫度的差值及溫度的變化率，先對精確量進行模糊化，然后根據(jù)專家和操作者的長期經(jīng)驗進行模糊推論，最后解模糊輸出。時控制參數(shù)不同要求，而使被控對象有良好的動態(tài)和靜態(tài)性能。 ?+ΔK iKd=Kd +ΔK d （） 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設計（論文） 第 31 頁式中，K p，K i，K d 為初始設定的 PID 參數(shù)。經(jīng)過適應于控制對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)被控對象狀態(tài)實現(xiàn)對 PID 參數(shù)進行在線調(diào)節(jié)。圖 35 模糊自適應 PID 的結(jié)構(gòu)原理圖 模糊自適應 PID 的控制結(jié)構(gòu)原理模糊自適應 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。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 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設計（論文） 第 30 頁 模糊自適應 PID 的結(jié)構(gòu)模糊自適應 PID 的結(jié)構(gòu)原理圖如下圖 35 所示：通過計算當前系統(tǒng)誤差和誤差的變化率，利用模糊規(guī)則進行模糊推理，解模糊化后進行參數(shù)調(diào)整。只要通過對現(xiàn)場的工業(yè)過程進行定性的分析，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。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，所以當系統(tǒng)參數(shù)變化時，能比較容易實現(xiàn)穩(wěn)定的控制，具有良好的魯棒，勝和適應性。構(gòu)造容易，系統(tǒng)的軟硬件實現(xiàn)都比較方便。易被人們所接受。 模糊自適應 PID 的特點模糊控制的迅速發(fā)展主要歸結(jié)于它相對于傳統(tǒng)控制技術(shù)所具有無需知道被控對象的數(shù)學模型、易于對不確定系統(tǒng)或非線性系統(tǒng)進行控制、對被控對象的參數(shù)變化有較強的魯棒性、對外界的干擾有較強的抑制能力等特點，具體可歸納為以下幾點：在設計系統(tǒng)時不需要建立被控對象的數(shù)學模型。E（k）：第k次采樣時的偏差值E（kl）：第k1 次采樣時的偏差值K：采樣序號，k=0，1， 2…u（k）：第k次采樣時調(diào)節(jié)器的輸出Ki：調(diào)節(jié)器的積分系數(shù)： ipiTK? 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設計（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，當執(zhí)行機構(gòu)需要的是控制量的增量時，可由式（）導出提供增量式的控制算式。位置式PID控制算法由于計算機控制系統(tǒng)是一種采樣控制系統(tǒng)，它只能根據(jù)采樣時刻的偏差來計算控制量，因此在計算機控制系統(tǒng)中，必須首先對公式（）進行離散化處理。 數(shù)字 PID 控制算法由于近年來微機技術(shù)的迅猛發(fā)展，實際應用中大多數(shù)采用數(shù)字PID控制器。積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù)，積分時間常數(shù)越大積分作用越弱，反之則越強。簡單說來，PID 控制器各控制環(huán)節(jié)的作用如下比例環(huán)節(jié):為了及時成比例地反應控制系統(tǒng)的偏差信號 △e（t ），以最快速產(chǎn)生控制作用，使偏差向減小的趨勢變化。PID 是比例積分 微分的縮寫，它從比例、積分和微分三個環(huán)節(jié)實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制?？梢娕c實際采集的爐子溫度對象特性曲線的數(shù)據(jù)點（圖中用點表示）非常接近。 （）12()1sKeGsT????（ ） （ ） 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設計（論文） 第 26 頁式中 K—對象的放大增益，T—對象的時間常數(shù)， —對象的純滯后常數(shù)，應用?ChonCoon 公式求得對象參數(shù) K，T 和? ，其公式為（）： （）..()()CMTttt?????—系統(tǒng)階躍輸入信號， —系統(tǒng)的響應增量， —對象飛升曲線為 ?C?時的時間值， —對象飛升曲線 時的時間值。由實驗數(shù)據(jù)做出飛升曲線如圖 31 所示（圖中用點表示）。因此，PID 控制具有很大的適應性和靈活性。對于參數(shù)時不變的控制對象或?qū)ο竽Ｐ妥兓伙@著的對象來說，使用 PID 控制能夠達到比較理想的控制效果，而且實現(xiàn)起來非常簡單。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 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設計（論文） 第 24 頁圖 212 軟件流程圖 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設計（論文） 第 25 頁3 系統(tǒng)控制算法研究PID 控制器應用得非常廣泛，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。具有段尋址指令，方便控制獨立 LED各位獨立控制譯碼/不譯碼及消隱和閃爍屬性典型應用:儀器儀表，工業(yè)控制器，條形顯示器，控制面板，特點如下 :HD7279A 內(nèi)部含有譯碼器，可直接接受 BCD 碼或 16 進制碼，并同時具有 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。所要實現(xiàn)的基本功能為鍵盤可以輸入設定溫度值、K p、K i、K d 的值也可以撤銷錯誤按鍵同時 LED、 LCD 顯示輸入值和溫度值的變化。3. 整流晶閘管阻容吸收元件的選擇（1）電容的選擇：C= （）10 8If。由于晶閘管過流過壓能力很差，如果不采取可靠的保護措施是不能正常工作的。因為電路總是存在電感的（變壓器漏感或負載電感），所以與電容 C9 串聯(lián)電阻 R6 可起阻尼作用，它可以防止 R、L、C 電路在過渡過程中，因振蕩在電容器兩端出現(xiàn)的過電壓損壞晶閘管。因此，對加到晶閘管上的陽極電壓上升率應有一定的限制。當晶閘管陽極電壓變化時，便會有充電電流流過電容，并通過 J3 結(jié)，這個電流起了門極觸發(fā)電流作用。因為晶閘管可以看作是由三個 PN 結(jié)組成。若電壓上升率過大，超過了晶閘管的電壓上升率的值，則會在無門極信號的情況下開通。我們知道，晶閘管有一個重要特性參數(shù)－斷態(tài)電壓臨界上升率 dlv/dlt。阻容吸收：晶閘管的保護電路，大致可以分為兩種情況：一種是在適當?shù)牡胤桨惭b保護器件，例如，RC 阻容吸收回路、限流電感、快速熔斷器、壓敏電阻或硒堆等。晶閘管的弱點:靜態(tài)及動態(tài)的過載能力較差 ， 容易受干擾而誤導通。圖 29 晶閘管結(jié)構(gòu)、符號、等值電路圖晶閘管的優(yōu)點很多 ， 例如:以小功率控制大功率 ， 功率放大倍數(shù)高達幾十萬倍：反應極快，在微秒級內(nèi)開通、關(guān)斷：無觸點運行，無火花、無噪聲：效率高 ， 成本低等。在性能上 ， 晶閘管不僅具有單向?qū)щ娦?， 而且還具有比硅整流元件更為可貴的可控性 ， 它只有導通和關(guān)斷兩種狀態(tài)。 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設計（論文） 第 20 頁 PWM 輸出電路的設計單片機是弱電設備，可以接受 5V 以下的電壓 ，20MA 以下電流，由于控制電路要控制外圍強電設備所以 PWM 電路要做好保護措施。的正弦交流電源按一定方式聯(lián)接而成。事實上，電力系統(tǒng)所采用的供電方式絕大多數(shù)屬于三相制，日常用電是取自三相制中的一相。正弦交流電路的分析方法對三相電路完全適用。另外更為關(guān)鍵的就是：交流器件的電路可能會發(fā)生二次擊穿，用過零檢測電路可以保護。 過零檢測電路的設計過零檢測的作用可以理解為給主芯片提供一個標準，這個標準的起點是零電壓，可控硅導通角的大小就是依據(jù)這個標準。電路設計好后，調(diào)整變送器的輸出，則 A/D 轉(zhuǎn)換對應的數(shù)字量為 000H—FA0H，即 0—4000，則轉(zhuǎn)換結(jié)果除以 2 正好是溫度值?！妫耆軌驖M足精度要求。2℃，采用 8 位 A/D 轉(zhuǎn)換器，其最大化誤差為 177。這樣使用 12 位 A/D 轉(zhuǎn)換器，就能使 A/D 轉(zhuǎn)換器件的選擇主要取決于溫度的控制精度。經(jīng)電壓/ 電流變換器，輸出 0~10mA 的電流信號，然后再經(jīng)過電流/電壓變換電路轉(zhuǎn)換為 0~5V 電壓信號。它的最高使用溫度可達到 2800℃，可是，在高于 2300℃時，數(shù)據(jù)分散。我國的鎢資源豐富，鎢錸熱電偶價格便宜，可以部分取代貴金屬熱電偶，它是高溫測試領(lǐng)域中很有前途的測溫材料。目前測量 1600℃以上的溫度，多采用非接觸法，但是，該種方法的誤差較大，如用接觸法則能準確地測出真實溫度。電路如下 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設計（論文） 第 18 頁圖 27 所示圖 27 串口通信電路圖 A/D 轉(zhuǎn)換電路設計溫度檢測元件及變送器的選擇要考慮溫度控制范圍和精度要求。15 腳 DNG、16 腳 VCC（+5v）。TTL/CMOS 數(shù)據(jù)從 T1IN、T2IN 輸入轉(zhuǎn)換成 RS232 數(shù)據(jù)從 T1OUT、T2OUT送到電腦 DP9 插頭；DP9 插頭的 RS232 數(shù)據(jù)從 R1IN、R2IN 輸入轉(zhuǎn)換成 TTL/CMOS數(shù)據(jù)后從 R1OUT、R2OUT 輸出。其中 13 腳（R1IN）、12 腳（R1OUT）、11 腳（T1IN）、14 腳（T1OUT）為第一數(shù)據(jù)通道。第二部分是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換通道。由 6 腳和 4 只電容構(gòu)成。串口通信 C 語言流程圖如下圖 26。圖 25 晶振電路 串口驅(qū)動電路的設計單片機 C8051F020 支持串口通信，他提供的是 CMOS 電平的串口數(shù)據(jù)，但 PC 機進行串口通信時其 COM 口出來的信號是 RS232 協(xié)議的串口數(shù)據(jù)電平，同時由于串口數(shù)據(jù)傳輸距離較遠，需要加驅(qū)動電路，因此需要在兩者之間加轉(zhuǎn)換芯片。這里使用的時鐘頻率為。 ，如果再考慮元件引腳的等效輸入電容，則 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設計（論文） 第 16 頁兩個22P的電容構(gòu)成晶振的振蕩電路就是比較好的選擇。這個并聯(lián)諧振電路加到一個負反饋電路中就可以構(gòu)成正弦波振蕩電路，由于晶振等效為電感的頻率范圍很窄，所以即使其他元件的參數(shù)變化很大，這個振蕩器的頻率也不會有很大的變化晶振有一個重要的參數(shù)，那就是負載電容值，選擇與負載電容值相等的并聯(lián)電容，就可以得到晶振標稱的諧振頻率。晶振是晶體振蕩器的簡稱，在電氣上它可以等效成一個電容和一個電阻并聯(lián)再串聯(lián)一個電容的二端網(wǎng)絡，電工學上這個網(wǎng)絡有兩個諧振點，以頻率的高低分其中較低的頻率是串聯(lián)諧振，較高的頻率是并聯(lián)諧振。電路如圖24圖 24 復位電路電路圖 晶振電路的設計給C8051F020提供一定的始終頻率以后， C8051F020才能開始工作。根據(jù)C8051F020 的管腳定義，上電復位是通過給C8051F020 的5引腳發(fā)一個瞬時高電平來完成的，上電的瞬間，電流有一個突發(fā)的向上尖峰脈沖，因此電流能通過C2電容到達C8051F020的復位 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設計（論文） 第 15 頁端口RESET端口上持續(xù)高電平。給C8051F020加電時，需要對 C8051F020進行一次復位操作。上電后，由于電容Ch的充電和反相門的作用，使RST持續(xù)一段時間的高電平。電阻R是用于給C放電的，并將復位管腳拉低，防止RESET端口上持續(xù)高電平。 復位電路的可靠性設計 根據(jù)C8051F020的管腳定義，上電復位是通過給單片機的RESET/VPP引腳法一個瞬時高電平來完成的，上電瞬間，電流有一個突發(fā)的向上尖峰脈沖，因此電流能通過C1電容到達 C8051F020的復位端口對單片機進行復位。 系統(tǒng)實驗板系統(tǒng)教學實驗板配備了豐富的硬件資源，可以根據(jù)自己的需要安排實驗內(nèi)容，系統(tǒng)實驗板硬件邏輯結(jié)構(gòu)如下圖23： 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設計（論文） 第 14 頁圖23 系統(tǒng)實驗板硬件邏輯結(jié)構(gòu)系統(tǒng)實驗板可按教學需要與核心模塊組成目標系統(tǒng)，然后由與核心模塊中的C8051F020單片機，JTAG 口相連接的Cygnal開發(fā)工具在系統(tǒng)實現(xiàn)開發(fā)調(diào)試。多種節(jié)電休眠和停機方式（7）溫度范圍：40C176。實時時鐘方式（用定時器3或PCA）：（6）~內(nèi)部可編程振蕩器:2~16MHZ5個通用16位計數(shù)器/定時器C兼容） ，