【正文】 .................................................. 34 增量式 PID 控制算法程序設(shè)計(jì) ................................................................................. 34 正、反作用問(wèn)題 .................................................................................................. 35 飽和作用的抑制 .................................................................................................. 35 限位問(wèn)題 .............................................................................................................. 36 帶死區(qū)的 PID 算式 .............................................................................................. 36 手動(dòng) /自動(dòng)跟蹤及手動(dòng)后援問(wèn)題 ......................................................................... 38 按鍵處理子程序設(shè)計(jì) ................................................................................................. 38 LED 顯示程序設(shè)計(jì) .................................................................................................... 39 系統(tǒng)調(diào)試 ..................................................................................................................... 40 結(jié)束語(yǔ) ...................................................................................................................................... 42 參考文獻(xiàn) .................................................................................................................................. 43 附錄 A 原理圖 ......................................................................................................................... 45 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） VIII 附錄 B 源程序 ......................................................................................................................... 46 致 謝 .................................................................................................................................. 55 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） 1 第一章 緒論 智能 調(diào)節(jié)器的現(xiàn)狀及發(fā)展趨 勢(shì) [14] 七十年代初，大規(guī)模集成電路技術(shù)取得突破，出現(xiàn)了成本低、性能好的微處理器，人們開(kāi)始用多臺(tái)微機(jī)代替一臺(tái)工業(yè)控制機(jī)控制生產(chǎn)過(guò)程。發(fā)達(dá)國(guó)家的儀表廠 商紛紛推出以微型計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)， 具有綜合測(cè)控功能的智能單 、 多回路 調(diào)節(jié)器。九十年代以來(lái)，隨著微處理技術(shù)的不 斷發(fā)展，推動(dòng)智能 調(diào)節(jié)器性能不斷提升。同時(shí)在調(diào)節(jié)器硬件結(jié)構(gòu)不斷簡(jiǎn)化的同時(shí)，其可編程功能得到增強(qiáng)，一些復(fù)雜的控制功能可由軟件來(lái)完成，并可以根據(jù)調(diào)節(jié)器內(nèi) 部 各種運(yùn)算控制模塊，靈活地組態(tài)構(gòu)成多種控制方案。 智能 調(diào)節(jié)器是計(jì)算機(jī)過(guò)程控制技術(shù)發(fā)展的必然產(chǎn)物，它雖然不具備大規(guī)模的綜合測(cè)控能力，但是計(jì)算機(jī)通信技術(shù)的發(fā)展卻促進(jìn)其與 DCS 的結(jié)合，為它的進(jìn)一步發(fā)展提供了良好的契機(jī)。正因?yàn)閿?shù)字調(diào)節(jié)器具有廣闊的應(yīng)用前景，國(guó)內(nèi)外廠商對(duì)數(shù)字調(diào)節(jié)器的研究和生產(chǎn)具有很濃厚的興趣。其中 YS80 系列可編程調(diào)節(jié)器僅 6 年時(shí)間銷售量就達(dá) 20 多萬(wàn)臺(tái)。 霍尼韋爾公司的 SDC 系列智能數(shù)字調(diào)節(jié)器等。它適用于各種工業(yè)過(guò)程控制，具有豐富功能和完美質(zhì)量，并可以構(gòu)成經(jīng)濟(jì)的DCS 控制系統(tǒng)。一臺(tái)數(shù)字調(diào)節(jié)儀表有多回路組態(tài)控制，多 通道開(kāi)關(guān)量輸入、輸出邏輯控制功能。 2)人性化人機(jī)界面設(shè)計(jì)，可同時(shí)顯示多種信息和多種方式。 4)由于儀表自身的發(fā)展，數(shù)字調(diào)節(jié)儀表在某些領(lǐng)域比采用 DCS、 PLC 等方案控制更有效，性價(jià)比更高，存在和發(fā)展的空間很大。目前，國(guó)內(nèi)針對(duì)智能數(shù)字調(diào)節(jié)器的開(kāi)發(fā)己經(jīng)進(jìn) 入高速發(fā)展時(shí)期，各種新型智能數(shù)字調(diào)節(jié)儀表不斷推出。此外，各種無(wú)模型控制器己經(jīng)開(kāi)始出現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)非線性、大時(shí)滯等系統(tǒng)的較好控制。主要數(shù)字調(diào)節(jié)儀表制造商有 ： 上潤(rùn)精密儀器有限公司、虹潤(rùn)精密儀器有限公司、廈門宇光電子技術(shù)有限公司、廈門安東電子有限公司等，其年產(chǎn)量均達(dá)到幾萬(wàn)臺(tái)規(guī)模。 3)儀表在性能、外觀、可靠性方面比國(guó)外同類產(chǎn)品稍遜。 從國(guó)內(nèi)外數(shù)字調(diào)節(jié)器的特點(diǎn)可以看出，國(guó)內(nèi)外發(fā)展 水平還是存在一定差距的。 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） 3 課題提出的意義 智能 調(diào)節(jié)器是工業(yè)控制系統(tǒng)中最常見(jiàn)的控制儀表之一，與傳統(tǒng)的模擬調(diào)節(jié)器相比，智能 調(diào)節(jié)器應(yīng)用了微處理機(jī)等先進(jìn)技術(shù)，具有信息存儲(chǔ)、邏輯判斷、精確、快速計(jì)算等特點(diǎn)。而隨著微處理器技術(shù)的發(fā)展，調(diào)節(jié)器的功能不斷完善， DCS 系 統(tǒng)的各項(xiàng)功能己經(jīng)可以用通用微型計(jì)算機(jī)加數(shù)字調(diào)節(jié)器的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)。 隨著微電子和微處理器的迅速發(fā)展，數(shù)字調(diào)節(jié)器的功能也在不斷增強(qiáng)，但同時(shí)控制系統(tǒng)對(duì)儀表的要求也越來(lái)越高。因而傳統(tǒng)的 8/16 位單片機(jī)漸漸顯現(xiàn)出軟硬件資源不足的問(wèn)題。相對(duì)于傳統(tǒng)的 8/16 單片機(jī)，嵌入式系統(tǒng)具有速度高、容量大、擴(kuò)充性能良好，實(shí)時(shí)性好，并可執(zhí)行多任務(wù)操作系統(tǒng)的特點(diǎn)。在 AVR 嵌入式系統(tǒng)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)智能數(shù)字調(diào)節(jié)器，具有功耗小，功能完備、精度高、速度快、存儲(chǔ)容量大和功能可擴(kuò)展的特點(diǎn)。 RS485 總線具有形式簡(jiǎn)單、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，但隨著科技的發(fā)展， RS485 總線的總線效率低、系統(tǒng)實(shí)時(shí)性差、通信可靠性低、單總線可掛接節(jié)點(diǎn)少等缺點(diǎn)慢慢地暴露出來(lái)，給用戶帶來(lái)極大的不便。 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） 4 本 設(shè)計(jì) 的主要內(nèi)容 本文在深入研究國(guó)內(nèi)外數(shù)字調(diào)節(jié)器發(fā)展現(xiàn)狀及其工作原理基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際工業(yè)需要 ，設(shè)計(jì)了這款應(yīng)用 8 位 AVR 芯片作為中央處理器 ； 采用穩(wěn)定可靠的總線 系統(tǒng) 保證調(diào)節(jié) 器通信的可靠性和高速實(shí)時(shí)性 ； 利用源代碼開(kāi)放，具有豐富的軟件資源，驅(qū)動(dòng)豐富的C51 作為軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái) ； 同時(shí)為提高數(shù)字控制器對(duì)各種大慣性、純滯后等對(duì)象的控 制效果，采用了 數(shù)字式 PID 增量 控制算法 的智能 調(diào)節(jié)器 。 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） 5 第二章 總體方案設(shè)計(jì) 一般的控制器或控制設(shè)備均具有顯示和調(diào)節(jié)功能，即實(shí)測(cè)量的顯示功能和電位器調(diào)節(jié)設(shè)備功能。目前雖有數(shù)字電位器可供選用，但分辨率普遍較低，抽頭數(shù)最高的如 XICOR 公司的 X9110，只有 1024 個(gè)抽頭，即 1024 級(jí)，不能適應(yīng)某種特殊要求。該數(shù)字化調(diào) 節(jié)器具有顯示和調(diào)節(jié)功能，而且是按鍵操作，克服了電位器旋鈕不能密封的固有缺陷，可廣泛應(yīng)用于電位器調(diào)節(jié)的應(yīng)用場(chǎng)合。 2．顯示功能 同時(shí)顯示實(shí)測(cè)值和調(diào)節(jié)設(shè)定值；采用數(shù)碼管顯示，能適應(yīng)不同的照明環(huán)境要求； 8位顯示，前 4 位是 實(shí)測(cè)值 ，后 4 位是 設(shè)定值 ，各自的首位用面板文字 “ 電壓 ” 或 “ 電流 ”的指示燈表示電壓或電流，用 “ 電壓細(xì)步 ”或 “ 電流細(xì)步 ” 的指示燈表示目前為細(xì)分設(shè)定狀態(tài)。其硬件 大致由以下部分組成： CPU、A/D 轉(zhuǎn)換 、 D/A 轉(zhuǎn)換 、鍵盤 電路 、數(shù)碼管顯示、 MAX232 通信 電路 、報(bào)警電路以及 V/I轉(zhuǎn)換電路 。 調(diào)節(jié)器 控制 理論 [23]經(jīng)歷了古典控制理論 、 現(xiàn)代控制 理論 、智能控制 理論 ， 古典 控制算法又包括模擬 PID 算法和數(shù)字式 PID 算法； 現(xiàn)代控制算法包括最優(yōu)控 制、隨機(jī)控制、 自 適應(yīng)控制等；智能 控制算法包括模糊 控制 、神經(jīng) 網(wǎng)絡(luò)控制、專家控制、仿人智能控制、遺傳算法等 。數(shù)字式 PID 控制算法是將模擬 PID 離散化得到，各參數(shù)有著明顯的物理意義，調(diào)整方便。其設(shè)計(jì)技術(shù)成熟，長(zhǎng)期以來(lái)形成了典型的結(jié)構(gòu)，參數(shù)整定方便，結(jié)構(gòu)更改靈活，能滿足一般的控制要求。 其控制框圖如圖 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） 7 P I D控 制 對(duì) 象+－r ( t )e ( t ) u ( t )y ( t )圖 2 . 2 P I D 控 制 簡(jiǎn) 化 示 意 圖 PID 控制器是一種線性控制器，輸出量 ??ty 和給定量 ??tr 之間的誤差是時(shí)間的函數(shù)。在 實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)受控對(duì)象的特性和控制的性能要求，可以靈活地采用不 同的控制組合，構(gòu)成比例 (P)控制器、比例積分 (PI)控制器、比例微分 (PD)控制器或是比 例積分微 分 (PID)控制器。但是，比例控制 不 能徹底消除穩(wěn)態(tài)誤差。積分控制的作用是，當(dāng)系統(tǒng)存在誤差時(shí)，積分控制器就不斷地積累，輸出控制量，以消除誤差，只要有充分的時(shí)間，積分控制 就 能夠完全消除誤差，從而消除穩(wěn) 態(tài)誤差。微分控制可以減小超調(diào)量，克服振蕩，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性提高，同時(shí)加快系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，減小調(diào)整時(shí)間，從而改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。 數(shù)字式 PID 算法 在數(shù)字控制系統(tǒng)中， PID 控制器是通過(guò)計(jì)算機(jī) PID 控制算法程序?qū)崿F(xiàn)的。在數(shù)字計(jì)算機(jī)中，計(jì)算和處理積分、 微分時(shí)，只能用數(shù)值計(jì)算去逼近。 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） 8 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ??? ?????? kj DIP ukekeKjEKkeKku 0 01 式 （ ) 式中 0u 是控制量的基 值，即穩(wěn)態(tài)時(shí) PID 控制器的輸出值； ??ku 是第 k 次 采樣時(shí)刻的控制， pK 為比例放大系數(shù) ， IK 為積分放大系數(shù)， ISPI TTKK /? ， DK 為微分放大系數(shù)，SDPD TTKK /? ， ST 為采樣周期。由位置式 PID 控制算法推導(dǎo)出 ： ? ? ? ? ? ? ? ?21 210 ?????? keqkeqkeqku 式 （ ） 其中， ?????? ???SDISP TTTTKq 10 式 （ ） ?????? ??? SDP TTKq 211 式 （ ） SDP TTKq ?2 式 （ ） 公式 ()稱為增量式 PID 控制算 法，從該表達(dá)式已經(jīng)看 不 出 P、 I、 D 作用的直接關(guān)系，只表示了各次誤差量對(duì)控制作用的影響。 本設(shè)計(jì)中就是采用了增量式數(shù)字 PID 算法。而增量設(shè)計(jì)只與本次的偏差值有關(guān)，與閥門原來(lái)的位置無(wú)關(guān)，因而增量算法易于實(shí)現(xiàn) 手動(dòng) /自動(dòng)的無(wú)擾動(dòng)切換；（ 3）不產(chǎn)生積分失控，所以容易獲得較好的調(diào)節(jié)品質(zhì)。對(duì)大多數(shù)算法，縮短采樣周期可使控制回路性能改善，但采樣周期 縮短時(shí)，頻繁的采樣必然會(huì)占用較多的計(jì)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） 9 算工作時(shí)間，同時(shí)也會(huì)增加計(jì)算機(jī)的計(jì)算負(fù)擔(dān)，而對(duì)有些變化緩慢的受控對(duì)象無(wú)需很高的采樣頻率即可滿意地進(jìn)行跟蹤，過(guò)多的采樣反而沒(méi)有多少實(shí)際意義。 3. 選擇采樣周期應(yīng)綜合考慮的因素 （ 1） 給定值的變化頻率 加到被 控對(duì)象上的給定值變化頻率越高，采樣頻率應(yīng)越高，以使給定值的改變通過(guò)采樣迅速得到反映，而不致在隨動(dòng)控制中產(chǎn)生大的時(shí)延。在對(duì)象變化較快的場(chǎng)合， T 應(yīng)取得較小。 （ 3） 使用的算式和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的類型 ① 采樣周期太小，會(huì)使積分作用、微分作用不明顯。 ② 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作慣性大，采樣周期的選擇要與之適應(yīng)，否則執(zhí)行機(jī)構(gòu)來(lái)不及反應(yīng)數(shù)字控制器輸出值的變化。控制的回路數(shù) n 與采樣周期 T 有如下關(guān)系： ??? nj j