【正文】 的要求，采用各種 PID的變種，如 PI、 PD 控制、不完全微分控制、積積分分離式 PID 控制、帶死區(qū)的 PID控制、變變速積分 PID 控制、比例 PID 控制等，以滿足不同的控制。微分環(huán)節(jié)可以反映偏差的變化趨勢，給出提前量，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減少調(diào)節(jié)時間。 總之，比例環(huán)節(jié)可以在系統(tǒng)產(chǎn)生偏差時，可以產(chǎn)生控制作用，以減少偏差。它的傳遞函數(shù)為： GC(s)= Tdτ s。 微分控制 在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。 積分控制是指系統(tǒng)中具有積分控制規(guī)律的控制，它的傳遞函數(shù)為： GC(s)= Ti/s，其中 Ti是積分系數(shù)。比例控制只改變系統(tǒng)的增益而不影響相位，在系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差和穩(wěn)定性上作用，比例系數(shù)影響著系統(tǒng)的響應(yīng)速度，如果想增大開環(huán)增益 就可以增大比例系數(shù)，減少穩(wěn)態(tài)誤差，從而提高控制精度，但是因此會產(chǎn)生很大的超調(diào)量而付出穩(wěn)定性下降的代價，或者造成閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定，所以在控制系統(tǒng)中，比例控制一般不會單獨(dú)使用，可采用比例微分控制。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系 ，即 GC(s)=KP ,其中 KP為比例系數(shù) 。 PID 控制的應(yīng)用很廣泛，使用方便，只需設(shè)定 參數(shù) Kp、 Ti、 Td,三者都是可調(diào)的，傳統(tǒng)的 PID 控制具有適應(yīng)性強(qiáng)魯棒性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但是它不能控制復(fù)雜的過程。 因此它的傳遞函數(shù)為： G(s)=U(s)/E(s)= KP[1+1/( Ti*s)+Td*s] 其中 KP為比例系數(shù)； Ti為積分時間常數(shù)； Td 為微分時間常數(shù) 。 PID 控制簡介 模擬 PID 控制 PID 控 制器由比例單元（ P）、積分單元（ I）和微分單元（ D）組成。每一個 GPIO 可以通過軟件實(shí)現(xiàn)作為輸出、輸入和外圍的轉(zhuǎn)換功能，大多的管腳都具有數(shù)模轉(zhuǎn)換功能。 ARM 的 SWJDP 接口可以實(shí)現(xiàn)串行線和 JATG 的調(diào)試。兩個 12 比特的數(shù)模轉(zhuǎn)化器，自動轉(zhuǎn)化輸入的模擬信號，可以用于 DMA控制器和觸摸屏接口。滿足 ， 可以接收發(fā)送 11 比特標(biāo)識符的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀和 29 比特的擴(kuò)展幀，有三個傳送盒，兩個用于接收 FIFO。 I2C 可以工作在多主模式和被動模式下，提供標(biāo)準(zhǔn)和快速模式。 RTC 提供時鐘日志功能，報警中斷，和周期性的中斷。靈活的 7 路 DMA 可以處理存儲器之間和存儲器與外圍之間的轉(zhuǎn)換，每一路通過軟件觸發(fā)來用于硬件的 DMA 請求。正常模式， SLOW 模式，空閑模式和掉電模式。內(nèi)部中斷 控制器可以解決 43 路中斷，擁有 16 級的優(yōu)先權(quán)，外部中斷控制器通過 19 路觸發(fā)器產(chǎn)生外部中斷請求，每一路獨(dú)立的配置選擇觸發(fā)事件。 10 字節(jié)的空間可以保證不需要等待 CPU 時鐘而讀寫數(shù)據(jù)。 CRC 檢查器用于從一個 32 比特數(shù)據(jù)字里得到一個 CRC 碼和一個外圍的發(fā)生器， CRC 技術(shù)在其他的應(yīng)用中用于不同的數(shù)據(jù)傳送和完整存儲，在軟件運(yùn)行過程中產(chǎn)生一個信號來跟連接時產(chǎn)生的參考信號比較，并存儲在內(nèi)存區(qū)域。 32 字節(jié)的存儲器可以有效地存儲程序和數(shù)據(jù)。 ARM CortexM332比特 RISC 處理器是最新代的嵌入式處理器，它已經(jīng)發(fā)展成為以減少管腳數(shù)量和低功耗的低成本平臺來滿足 MCU實(shí)現(xiàn)，而卻有著出色的計(jì)算功能和先進(jìn)的中斷響應(yīng)機(jī)制，可以兼容所有的 ARM 工具和軟件。它的工作溫度范圍在 40105℃，工作電壓為 到 伏，可以工作在省電模式下的低電壓． STM32F103 系列的處理器的封裝形式多樣，從 64 引腳到 144 引腳，可阻根據(jù)不同的設(shè)備選擇不同的外圍需要。 STM32F103 處理器 煙臺南山學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 9 頁 本論文中選用 ARM 微處理器 STM32F103。 ARM 的高性能表現(xiàn)為其體系結(jié)構(gòu)是基于 RISC 流水線架構(gòu)，它的指令系統(tǒng)和相關(guān)譯碼機(jī)制比那些采用微程序的復(fù)雜指令系統(tǒng)的計(jì)算機(jī) (CISC)簡單得多。 CAN 的分層結(jié)構(gòu)如圖 所示： 圖 CAN 的分層結(jié)構(gòu) ARM 處理器簡介 ARM 處理器的特點(diǎn) 作為一種 RISC 體系結(jié)構(gòu)的微處理器， ARM CPU 的關(guān)鍵優(yōu)點(diǎn)是能兼顧到高性能、低功耗和低價格。 煙臺南山學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 8 頁 CAN 的數(shù)據(jù)鏈路層是其核心內(nèi)容，其中邏輯鏈路控制 (Logical Link control， LLC)完成過濾、過載通知和管理恢復(fù)等功能，媒體訪問控制 (Medium Access control， MAC)子層完成數(shù)據(jù)打包 /解包、幀編碼、媒體訪問管理、錯誤檢測、錯誤信令、應(yīng)答、串并轉(zhuǎn)換等功能。 PMA 和 MDI 兩層有很多不同的國際或國家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)， 也可自行定義，比較流行的是 ISOll898 定義的高速 CAN 發(fā)送 /接收器標(biāo)準(zhǔn)。其中 PLS 連同數(shù)據(jù)鏈路層功能由 CAN 控制器完成， PMA 層功能由 CAN收發(fā)器完成， MDI 層定義了電纜和連接器的特性。 在此基礎(chǔ)上，物理層主要取決于傳輸速度的要求。設(shè)計(jì)一個 CAN 系統(tǒng)時，物理層具有很大的選擇余地，但必須保證 CAN協(xié)議中媒體訪問層非破壞性位仲裁的要求，即出現(xiàn)總線競爭時，具有較高優(yōu)先權(quán)的報文獲取總線競爭的原則，所以要求物理層必須支持 CAN 總線中隱性位和顯性位的狀態(tài)特征。 CAN 總線協(xié)議 CAN 總線 標(biāo)準(zhǔn)包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層。 通信戒指可采用雙絞線、同軸電纜或光導(dǎo)纖維，一般采用廉價的雙絞線即可，無特殊要求。 采用短幀結(jié)構(gòu)，每一幀的有效字節(jié)數(shù)為 8 個。 通信速率最高可達(dá) 1MB/s（此時距離最長 40m）。 煙臺南山學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 7 頁 可以點(diǎn)對點(diǎn)、一點(diǎn)對多點(diǎn)（成組）及全局廣播幾種傳送方式接收數(shù)據(jù)。 網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)（信息）可分成不同的優(yōu)先級，可以滿足不同的實(shí)時要求。每個處于接收狀態(tài)的站對 接收到的報文進(jìn)行檢測，判斷這些報文是否是發(fā)給自己的，以確定是否接受它。 當(dāng)一個站要向其他站發(fā)送數(shù)據(jù)時，該站的 CPU 把要發(fā)送的數(shù)據(jù)和自己的標(biāo)識符傳送給本站的 CAN 控制器，并處于準(zhǔn)備狀態(tài)；當(dāng)它收到總線分配時，轉(zhuǎn)為發(fā)送報文狀態(tài)。在同一系統(tǒng)中標(biāo)識符是唯一的 ,不可能有兩個站發(fā)送具有相同標(biāo)識符的報文。對每個 節(jié)點(diǎn)來說 ,無論數(shù)據(jù)是否是發(fā)給自己的 ,都對其進(jìn)行接收。近年來，其所具有的 高性能、 高可靠性和良好的錯誤檢測能力受到重視，被廣泛應(yīng)用于汽車計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和環(huán)境溫度惡劣、電磁輻射強(qiáng)和振動大的工業(yè)環(huán)境 。是國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。 小結(jié) 本章簡要的介紹了溫控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架，對于快速理解整個系統(tǒng)有一定的幫助。在這種情況下，就要引進(jìn)數(shù)字 PID 控制，在傳統(tǒng) PID 控制原理上，引入了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的數(shù)字控制，根據(jù)不同實(shí)際目的，產(chǎn)生不同的改進(jìn)算法，從而滿足不同的控制。 PID 控制器簡單易懂，使用中不需精確的系統(tǒng)模型等先決條件，因而成為應(yīng)用最為廣泛的控制器。在溫度控制中， 測量主要是針對變動的溫度，將測量的溫度與所需溫度值相比較，通過這個差值來糾正控制系統(tǒng)的輸出 [3]。其中，溫度傳感器采集外界環(huán)境的溫度數(shù)據(jù)，并將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量； CAN 驅(qū)動芯片用來增強(qiáng)處理器內(nèi)嵌的 CAN 控制器的差分接收發(fā)送能力，使之正常工作；通過溫度傳感器采集來的溫度數(shù)據(jù)經(jīng)過算法與標(biāo)準(zhǔn)值比對，產(chǎn)生差值來通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)溫度；最后的 LCD 顯示可以把當(dāng)前的溫度數(shù)值顯示出來。下面以單個節(jié)點(diǎn)為例介紹它的組成及設(shè)計(jì)。 智能節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)可控制多個節(jié)點(diǎn)，顯示不同節(jié)點(diǎn)的溫度曲線。將現(xiàn)場總線應(yīng)用于控制系統(tǒng)，會帶來性能和結(jié)構(gòu)的改善，而在現(xiàn)場總線中應(yīng)用最廣泛的就是 CAN 總線。它的出現(xiàn)標(biāo)志著工控領(lǐng)域的一個新的發(fā)展，被公認(rèn)為自動化的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)。第一代控制系統(tǒng)是氣動信號控制系統(tǒng)（ PCS）；第二代控制系統(tǒng)是電動系統(tǒng)模擬信號控制；第三代是數(shù)字化計(jì)算機(jī)集中控制系統(tǒng)；第四代是集散控制系統(tǒng)（ DCS）；而今我們廣泛應(yīng)用的是第五代現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（ FCS） [2]。 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 通過和所需溫度比較進(jìn)而修正環(huán)境溫度。 協(xié)議轉(zhuǎn)換器 通過協(xié)議轉(zhuǎn)換器，達(dá)到了轉(zhuǎn)換協(xié)議、連接上位機(jī)和下位機(jī)的目的。 煙臺南山學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 3 頁 2 總體方案 溫度控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 溫度控制系統(tǒng)一般由 PC 界面顯示控制端、 PC 與 CAN 網(wǎng)絡(luò)連接的轉(zhuǎn)換器、下位機(jī)智能節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，其系統(tǒng)框圖如圖 所示。目前工業(yè)自動化水平已成為衡量各行各業(yè)現(xiàn)代化水平的一個重要標(biāo)志，在控制方法上，因 PID 控制應(yīng)用范圍廣、參數(shù)易整定，加之在實(shí)踐中不斷得到改進(jìn)，由數(shù)字PID 控制彌補(bǔ)了傳統(tǒng)的模擬 PID 控制的誤差缺陷，使得數(shù)字 PID 控制廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)中。 CAN 總線 網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)通信實(shí)時性強(qiáng) 、開發(fā)周期短、已形成國際標(biāo)準(zhǔn)，是最有前途的 現(xiàn)場總線之一。以往的單片機(jī)控制，雖然成本低，但已不能滿足人們對性能、容量的需求，加之低成本的處理芯片出現(xiàn)，控制的復(fù)雜程度增大，因此在溫度控制方面，我們放棄單片機(jī)，選擇處理芯片為開發(fā)核心。 溫度控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 溫度控 制系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了從模擬、集成機(jī)械式到智能電子式，溫度控制器從模煙臺南山學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 2 頁 擬式向數(shù)字式、電子式由集成化向智能化、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。 PID 控制器 簡單易懂，使用中不需精確的 系統(tǒng)模型 等先決條件，因而成為應(yīng)用最為廣泛的控制器。 ARM（ Advanced RISC Machines） 處理器是一個精簡指令集處理器架構(gòu)，因其體積小、低功耗、低成本、高性能而廣泛地使用在許多嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中。而計(jì)算機(jī)的發(fā)展離不開微處理的不斷改進(jìn)和創(chuàng)造，通過提高微處理器的性能，使得計(jì)算機(jī)在處理數(shù)據(jù)時的速度、精度有了很大的改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了類似非線性、時變的、參數(shù)分布的、最優(yōu)控制等的各種復(fù)雜系統(tǒng)的處理。因此需要一種安全可靠、高效率高精度 的溫度控制系統(tǒng)。很多行業(yè)有大量的溫控加熱設(shè)備，用于合成各種所需物品；化工廠需要控制溫度，防止化學(xué)物質(zhì)在一定溫度下反應(yīng)爆炸；現(xiàn)代智能樓宇為了迎合人們的需求，需要保持在適宜的溫度以內(nèi)等等。 fourth, through the PID control that proportional differential control and MATLAB simulation, control and adjustment of temperature. The temperature is controlled via the CAN bus, realize the intelligent temperature control. Keywords:temperature control system,CAN bus,ARM processor,PID control 煙臺南山學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 III 頁 目 錄 1 緒論 ......................................................................................................................... 1 課題背景及意義 .......................................................................................... 1 課題背景 ........................................................................................... 1 課題意義 ........................................................................................... 1 溫度控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 .......................................................................... 1 課題研究內(nèi)容 .............................................................................................. 2 2 總體方案 ................................................................................................................. 3 溫度控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) .................................................................................. 3 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng) ...................................................................................... 4 智能節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì) ..............................................................................................