【正文】 , dK 是 反應(yīng)對策速度， 需 要 耐心去逐步達(dá)到穩(wěn)定點，過激了會起反作用 。當(dāng)溫度突然下降 1℃ 時， 希望用多少比例去進(jìn)行下一輪的加熱， 這就是微分系數(shù)；經(jīng)過這么久的控制，目標(biāo)溫度還是低了一點，希望用多少的比例去彌補(bǔ)這 個長期欠溫， 這就是積分常數(shù)。這一部分將作為 控制輸出的基本量，上面的計算是對應(yīng)于 4?pK 的，再加入微分和積分項，這時 pK 可以基本保持不變。 假定當(dāng)前實測溫度為 222℃ ，則 230－ 222＝ 8 再乘以 4 算得 32，這就作為輸出比例數(shù)據(jù)。為了提高加熱速度，可 使受控制的區(qū)域 適當(dāng) 縮小，例如只控制 50℃ 范圍。 獲得 0－ 200℃ 加溫比例數(shù)據(jù) 的計算方法：為了說明這個問題，先假`基于單片機(jī)的水溫控制系統(tǒng) 23 定只考慮最簡單的比例控制算法。 但同時為了減輕單片機(jī)的運算量，通常采用 2 的整 數(shù)倍 放大的辦法確定這些參數(shù)，在運算結(jié)果中再除以 2 的整數(shù)倍，因為單片機(jī)運算中可以用移位來完成，速度比較快。 PID 的三個基本參數(shù) pK , iK , dK 一般由試驗確定：根據(jù) 實際工作對象去初步確定，然后在實際運行過程中進(jìn)行調(diào)節(jié)，以達(dá)到相對理想的效果。定下了基本控制時間分辨率以后，計算就可以不用改變了。對應(yīng)于總周期的修改， 200 等 分可以不用修改，而只要修改 變量 templT 的判斷邊界就可以了。在每一個定時中斷發(fā)生時 對 templT 計數(shù)。 對 2 分鐘進(jìn) 行 200 等分， 每一個基本單位的具體時間 如下： mssT o ???? 這對于單片機(jī)來說 定時周期 太長。相對于計算來說，控制周期比較長，所以可 對 兩 分鐘進(jìn)行細(xì)分，例如可將 每分鐘進(jìn)行 100 等分，則兩分鐘就是 200 等分，這樣的輸出比例變化有 200 個輸出等級，用于溫度控制已經(jīng)足夠細(xì)了， 取 200 的另一個好處是，對應(yīng)于 8 位單片機(jī)剛好可以在一個字節(jié)內(nèi)進(jìn)行計算，程序簡單 ， 運算速度快。 這里除了加溫以外的時間 就用來 等待下一個周期到來，再進(jìn)行實際測量，計算下一周期的輸出量，周而復(fù)始，不斷地修正 輸出量，以達(dá)到對溫度的有效控制。 全速加溫就是連續(xù)整個周期（ 兩 分鐘）都加溫，當(dāng)然停止加溫就是完全不輸出。為了敘述方便， 采用控制時間比例的方法 ： 設(shè)定一 個標(biāo)準(zhǔn)的加溫周期，例如 兩 分鐘。12???????kukukekekeke ? ?? ?? ? ? ?? ?111 10 ??? ?? taku attaykky 采樣時間到 返 回 N Y `基于單片機(jī)的水溫控制系統(tǒng) 21 采用增量式實現(xiàn) 一般 PID 控制， 其 表達(dá)式如下 ： )1()()( ???? kukuku ? ?? ?)2()1(2)( )()1()( ????? ???? kekekeK keKkekeKdip （ 411） 通過上面的介紹對 PID 算法有了一定的理解，在這里使 用增量法進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)： ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ?2121 ????????? teteteKteKteteKP diptd l t （ 412） 上面只 是控制算法的數(shù)學(xué)方法， 稍顯 抽象，在具體的控制項目中 的 量化問題 闡述如下： [9] 對于加溫的溫度控制 ， 可以采用調(diào)節(jié)供電電壓或在一定的時間循環(huán)周期內(nèi)的供電時間比例來調(diào)節(jié)加溫控制溫度，一般以調(diào)節(jié)加溫時間比例比較簡單， 這 也是控制上比較常用的方法。 由式（ 48）不難寫出 )1( ?ku 的表達(dá)式，即 ： [8] T kekeTieTTkeKku dkjip )2()1()()1([)1( 10 ???????? ??? （ 49） 將式（ 48）和式（ 49）相減，即得數(shù)字 PID 增量型控制算法為 ： )1()()( ???? kukuku )2()1(2)([ )()]1()([ ????? ???? kekekeK keKkekeK d ip （ 410） ``畢業(yè)（設(shè)計）論文 20 圖 46 增量式 PID 算法流程圖 開 始 讀取給定 ??kx 將給定 ??ky0 賦給 ??ky 求偏差? ? ? ? ? ?kykxke ?? ? ? ? ?? ? ? ?? ?? ?? ? ? ? ? ?? ?21211???????????kekekekkekkekekkukudip ? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ?1。 第二種是增量式 PID 算法。 可以看出 )(ku 是全量輸出，是執(zhí)行機(jī)構(gòu)所應(yīng)達(dá)到的位置 。 在計算機(jī)控制系統(tǒng)中， 一般 使用數(shù)字 PID，因此將式（ 47）離散化，令 ： )()( kutu ? )()( kete ? ? ?? ??0 0 )()( kj jeTdtte T kekedt tde )1()()( ??? 其中 T 為采樣周期，必須足夠短 才能保證 其 精度。下面討論 PID 控制的兩種算法 ： 第一種是位置式 PID 算法。微分作用不能單獨使用，需要與另外兩種調(diào)節(jié)規(guī)律相結(jié)合，組 成 PD 或 PID 控制器。微分作用對噪聲干擾有放大作用，因此過強(qiáng)的加微分調(diào)節(jié)，對系統(tǒng)抗干擾不利。因此，可以改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。 微分調(diào)節(jié)作用：微分作用反映系統(tǒng)偏差信號的變化 率，具有預(yù)見性，能預(yù)見偏差變化的趨勢，因此能產(chǎn)生超前的控制作用。反之 iT 大則積分作用弱，加入積分調(diào)節(jié)可使系統(tǒng)穩(wěn) 定性下降，動態(tài)響應(yīng)變慢。如果 有誤差，積分調(diào)節(jié)就進(jìn)行，直至無差，積分調(diào)節(jié)停止，積分調(diào)節(jié)輸出一 常值。比例作用大，可以加快調(diào)節(jié)，減少誤差，但是過大的比例， 將 使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。 6． 標(biāo)準(zhǔn)的直接計算法公式： [4] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ?1????? ? teteKteKteKP diptout （ 44） 上一次的計算值 ： ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ?21111 ???????? ?? teteKteKteKP diptout （ 45） 兩式相減得到增量法計算公式 ： ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ?2121 ????????? teteteKteKteteKP diptd l t （ 46） 這里 對 ? 項的表示應(yīng)該是對 ??te 從 1 到 t 全部總和。 作為快速反應(yīng)的重要依據(jù)，這是面向微分項的一個變 動數(shù)據(jù)。 3．累計偏差 ： ? ? ? ? ? ? ? ?121 etetetee ???????? ?,這是 每一 次測量得到的偏差值的總和，是考慮它的正負(fù)符號運算的代數(shù)和， 是面向積分項所需 的一個變動數(shù)據(jù)。 2．基本偏差 ??te ： 表示當(dāng)前測量值與設(shè)定目標(biāo) 值之 間的差，設(shè)定目標(biāo) 值 是被減數(shù)，結(jié)果可以是正或負(fù)，正數(shù)表示還沒有達(dá)到，負(fù)數(shù)表示已經(jīng)超過了設(shè)定值。 上面 對 PID 控制算法 進(jìn)行了一個基本的介紹， 下面 進(jìn)一步 詳細(xì)的 介紹 PID 算法 ： 常用名詞： [2] 1. 直接計算法和增量計算法： 直接計算法就是計算當(dāng)前需要的控制量；增量計算 法是 計算 相對于標(biāo)準(zhǔn)算法的相鄰兩次運算之差，得到的結(jié)果是增量，也就是 在上一次的控制量的基礎(chǔ)上需要增加（負(fù)值意味著減少）的 控制量，例如對于可控硅電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，就是可控硅的觸發(fā)相位還需要提前（或 滯后 ）的量，對于溫度控制就是需要增加（或減少） 的加熱比例。由它可推出 增量式 算法： ? ??????? ??????? ??? 211 2 iiidiiiiieeeTTeTTeeKu （ 43） 在本設(shè)計中 采用了增量式算法，這是由于增量式算法只需保持以前三``畢業(yè)（設(shè)計）論文 16 個時刻的偏差即可，既節(jié)省了資源又不會產(chǎn)生較大的積累誤差。離散化后的 PID 算式為： [1] ? ? 00 1 ueeTTeTTeKu ii iidiiii??????? ???? ?? ? （ 42） 上 式中 ： K ： 比例系數(shù) ； 0u ： 偏差為零時的控制作用 ； iT ： 積分時間 ； dT ： 微分時 間 ； T ： 采樣時間 。 PID 算法部分 設(shè)計 模擬 PID 控制算法輸入 e(t) 與輸出 u(t) 的關(guān)系為 ： [1] ? ??? t dip dtde (t )Kdte (tKe (t )Ku(t ) 0 ) （ 41） 數(shù)字 PID 控制算法是以模擬 PID 調(diào)節(jié)器控制為基礎(chǔ)的，由于單片機(jī)是一種采樣控制，它只能根據(jù)采 樣時刻的偏差計算控制量。如果溫度高于設(shè)定值，則停止電熱絲加熱并且繼續(xù)測量溫度；如果發(fā)現(xiàn)溫度高于設(shè)定值較多，則打開風(fēng)扇強(qiáng)制降溫；開 始 實時采集溫度 大于設(shè)定值 小于設(shè)定值 正常值 打開風(fēng)扇 （降溫） 打開電阻絲 （升溫） 接近設(shè)定值 接近設(shè)定值 全速 降溫 全速升溫 PID 控制升溫 PID 控制降溫 實時采集 當(dāng)前溫度 返 回 N N N N Y Y Y Y ``畢業(yè)（設(shè)計）論文 14 如果溫度值低于設(shè)定值，則停止風(fēng)扇并且繼續(xù)測量溫度；如果發(fā)現(xiàn)溫度低于設(shè)定值較多，則打開電熱絲強(qiáng)制升溫。 數(shù)字濾波程序 設(shè)計 圖 43 數(shù)字濾波程序軟件流程圖 具體實現(xiàn)步驟如下：系統(tǒng)首先初始化濾波程序的上限和下限，設(shè)定濾波范圍，然后讀入系統(tǒng)采樣獲得的溫度值，通過程序分別去除超過上限和開 始 初始化濾波上限和下限 讀取采樣值 是否大于上限 是否小于下限 求平均值 獲取有效值 返 回 去除超限值 去除超限值 N N Y Y `基于單片機(jī)的水溫控制系統(tǒng) 13 低于下限的溫度值，然后求出濾波后獲得的有效溫度值的平均值，并反饋到相關(guān)程序。 溫度測量 程序 設(shè)計 圖 42 溫度測量部分軟件流程圖 開 始 允許轉(zhuǎn)化為溫度 允許 濾波 允許顯 示溫度 允許溫 度采集 啟動溫度采集 將溫度隊列求平均值得到溫度值 將采集值 轉(zhuǎn)化為溫度值 LED 刷新 顯示溫度值 Y Y Y Y 返 回 ``畢業(yè)（設(shè)計）論文 12 具體實現(xiàn)步驟如下： 系統(tǒng)上電后，系統(tǒng)測溫確認(rèn)鍵 KEY3 按下時，通過程序命令對單片機(jī)相應(yīng)端口進(jìn)行初始化，系統(tǒng)開始測溫。如果實測溫度偏離設(shè)定溫度較多，則相應(yīng)打開風(fēng)扇或者電熱絲。`基于單片機(jī)的水溫控制系統(tǒng) 11 如果用 戶需要設(shè)定新的溫度值則按鍵盤上的 “溫度設(shè)定 ”按鍵，如果不進(jìn)行任何操作則以上次保存的溫度為準(zhǔn)。 //鍵盤掃描 if(fOut=0) turn_off_timerB()。 //測量溫度顯示、溫度播報、 PID 計算 Clear_WatchDog()。 //鍵值處理 if(guifgSpeechPlay) temperature_speech_play( )。 while(1){ iKeyValue = SP_GetCh()。 turn_off_relay()。 System_Initial()。 status = system_temperature_set。 SPCE061A 單片機(jī)自帶雙通道 DAC 音頻輸出， SPY0030 將其輸出 信號 放 大， 經(jīng)過濾波電容后，獲得比較平穩(wěn)的電流信號， 最 后輸出至喇叭，從而實現(xiàn)語音播報功能。 SPY0030 作為一款語音放大芯片 ,可以直接接收來自于單片機(jī)輸出的模擬信號并進(jìn)行放大。 用戶 在 鍵盤上按下打印按鈕 后 ，系統(tǒng)便會調(diào)用打印機(jī)相關(guān)函數(shù)，將預(yù)設(shè)溫度值，當(dāng)前溫度值，超標(biāo)幅度等信息通過微型打印機(jī)打印出來。 打印部分 設(shè)計 雖然 本 溫控系統(tǒng)是 自動調(diào)節(jié)的，基本擺脫了人 工 控制，但是控制的效果等信息還是需要反饋 ，因此本系統(tǒng)擴(kuò)展了打印機(jī)的接口，使 其 更加 實用化。在本系統(tǒng)具體實現(xiàn)時， 選擇 通過 繼電器 來控制 電熱絲 ，通過 銜鐵 和公共端 的吸合與 釋放 來控制電熱絲的加熱。本設(shè)計采用的是去脈沖干擾滑動平均值濾波，具體做法如下： 將本次采樣值和過去的若干次采樣一起去除最大值和最小值后，求平均 值 ，得到本次 測量 的有效值。 2． 數(shù)字濾波 可以對頻率很低的信號實現(xiàn)濾波，而模擬濾波器由于受電容容量的影響，頻率不能太低。 數(shù)字濾波部分 設(shè)計 傳感器采集的信息常會受到干擾， 為了提高采樣的可靠性，減小虛 假信息的影響， 這里 采用數(shù)字濾波。 本系統(tǒng)采用的是三線式的鉑熱電阻。而該延長線上的引線電阻及接觸電阻，都將造成不同 程度的影響，