【正文】 time(k)=k*ts。 %延時(shí)抽樣為5s rin(k)=45。Ki=。%PID參數(shù)設(shè)定 u(k)=Kp*x(1)+Kd*x(2)+Ki*x(3)。%誤差 u_6=u_5。u_4=u_3。u_2=u_1。 y_3=y_2。y_1=yout(k)。%參數(shù)P x(2)=(error(k)error_1)/ts。%參數(shù)I error_1=error(k)。plot(time,rin,39。,time,yout,39。)%畫圖 PID參數(shù)計(jì)算首先用擴(kuò)充臨界比例度法來選定參數(shù)。當(dāng)時(shí)，系統(tǒng)發(fā)生等幅振蕩，如下圖所示：圖51 系統(tǒng)等幅震蕩由上圖可以得知：。故。 仿真結(jié)果首先令，仿真結(jié)果如下圖52 水溫控制系統(tǒng)PID 控制仿真曲線圖（Kp＝5，Ki＝，Kd＝）由上圖可知，參數(shù)如此設(shè)置，系統(tǒng)可以達(dá)到穩(wěn)定，但是超調(diào)超過30%，超調(diào)過大，調(diào)節(jié)時(shí)間也長。多次仿真后，當(dāng)，時(shí)，可以可到較好的控制效果，如圖53所示。調(diào)節(jié)效果較好。仿真圖如下圖所示：圖55 水溫控制系統(tǒng)Simulink離散PID仿真令，得到如下仿真結(jié)果。圖57 位置式PID仿真圖MATLAB Function中的函數(shù)如下：function [u]=pidsimf(u1,u2)persistent pidmat errori error_1 if u1==0 errori=0 error_1=0end ts=1。ki=。 error=u2。errori=errori+error*ts。error_1=error。如下圖所示：圖58 溫度控制系統(tǒng)Simulink仿真圖（Kp=5,Ki=,Kd=）對參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，使其穩(wěn)定。圖59 溫度控制系統(tǒng)Simulink仿真圖（Kp=3,Ki=,Kd=0） 增量式PID仿真 Matlab仿真程序ts=1。inputdelay39。dsys=c2d(sys,ts,39。)。v39。 u_1=0。u_3=0。u_5=0。y_1=0。y_3=0。error_1=0。for k=1:1:350 time(k)=k*ts。 %延遲5s rin(k)=45。Kd=0。 du(k)=Kp*x(1)+Kd*x(2)+Ki*x(3)。 error(k)=rin(k)yout(k)。u_5=u_4。u_3=u_2。u_1=u(k)。y_2=y_1。 x(1)=error(k)error_1。 x(3)=error(k)。 error_1=error(k)。r39。b39。time(s)39。ylabel(39。)。結(jié)果如下圖。為精益求精，進(jìn)一步調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)。kp=3。kd=5。errord=(errorerror_1)。 du=kp*errord+kd*errori+ki*error。u_1=u。error_1=error。如圖513所示。kp=。tol=5。inputdelay39。dsys=c2d(sys,Ts,39。)。v39。 kp1=kp。tol1=tol。inputdelay39。dsys1=c2d(sys1,Ts,39。)。v39。 u_0=0。u_2=。u_4=。e1_1=0。e2_1=。 xm_1=。y_1=。 rin(k)=。ym(k)=den1(2)*ym_1+num1(2)*u_5。 P=15。 e2(k)=rin(k)xm(k)。 u(k)=P*e2(k)+I*ei。 xm_1=xm(k)。 u_5=u_4。u_3=u_2。u_1=u_0。y_1=yout(k)。b39。r39。xlabel(39。)。rin,yout39。 Matlab仿真結(jié)果圖514 溫控制系統(tǒng)Smith仿真曲線圖（Kp＝15，Ki＝，Kd＝0）如果不加入Smith，在同等PID參數(shù)的情況下，系統(tǒng)完全發(fā)散，如下圖：圖515 加Smith的水溫控制系統(tǒng)仿真曲線圖（Kp＝15，Ki＝，Kd＝0） 由上圖不難看出，Smith對系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用非常明顯。 實(shí)際實(shí)驗(yàn)算法選擇從上面的仿真可以看出，系統(tǒng)無論是用位置式PID、增量式PID亦或是加入Smith預(yù)估的PID，系統(tǒng)都可以穩(wěn)定。而Smith系統(tǒng)的穩(wěn)定性雖然高于位置式，但是其存在控制函數(shù)較為復(fù)雜，對存儲(chǔ)空間要求高的缺點(diǎn)，因此我決定選擇最為簡單、也最為實(shí)用的位置式PID算法來進(jìn)行硬件的控制。控制算法采用位置式PID。我們令溫度傳感器傳回的溫度與單片機(jī)內(nèi)部的溫度的設(shè)定至之差，通過PID相關(guān)算法運(yùn)算，轉(zhuǎn)換成PWM波最為控制信號輸出，控制繼電器的開關(guān)使執(zhí)行機(jī)構(gòu)（加熱棒）為被控對象（水杯內(nèi)的水）加熱，改變水的溫度。與此同時(shí)，還可以通過單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對LCD液晶屏的控制，實(shí)現(xiàn)溫度的實(shí)時(shí)顯示和溫度曲線的繪制。硬件結(jié)構(gòu)示意圖如61所示。主程序主要包括是數(shù)據(jù)定義以及一些子程序的調(diào)用。主程序測溫子程序顯示子程序PID控制子程序中斷子程序?qū)崟r(shí)溫度測量；采樣時(shí)間50msLCD溫度顯示；刷新時(shí)間50msLCD打點(diǎn)記錄溫度曲線；打點(diǎn)時(shí)間增量式PID控制PWM波輸出；周期5s數(shù)據(jù)返回電腦；采樣時(shí)間1s圖62 軟件結(jié)構(gòu)示意圖七、硬件選型 單片機(jī)型號：STC12LE5A60S2STC12C5A60S2/AD/PWM 系列單片機(jī)是宏晶科技生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期(1T)的單片機(jī)，是高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051,但速度快812倍。其主要特點(diǎn)如下：1) 增強(qiáng)型 8051CPU，1T，單時(shí)鐘/機(jī)器周期，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051；2) 工作電壓：STC12LE5A60S2 系列工作電壓： ；3) ISP（在系統(tǒng)可編程）/ IAP（在應(yīng)用可編程），無需專用編程器，無需專用仿真器可通過串口（）直接下載用戶程序，數(shù)秒即可完成一片；4) 共4個(gè)16位定時(shí)器：兩個(gè)與傳統(tǒng)8051兼容的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器,16位定時(shí)器T0和T1，沒有定時(shí)器2，但有獨(dú)立波特率發(fā)生器做串行通訊的波特率發(fā)生器,再加上2路PCA模塊可再實(shí)現(xiàn)2個(gè)16位定時(shí)器；5) PWM(2路）/ PCA（可編程計(jì)數(shù)器陣列,2路）；6) A/D轉(zhuǎn)換, 10位精度ADC，共8路，轉(zhuǎn)換速度可達(dá)250K/S(每秒鐘25萬次)；7) 通用全雙工異步串行口(UART)，由于STC12系列是高速的8051，可再用定時(shí)器或PCA軟件實(shí)現(xiàn)多串口。 溫度傳感器 常用的溫度傳感器有PT1000、AD590以及DS18B20。本次試驗(yàn)選用DS18B20傳感器，DS18B20是美國DALLAS半導(dǎo)體公司繼DS1820之后最新推出的一種數(shù)字化單總線器件，屬于新一代適配微處理器的改進(jìn)型智能溫度傳感器。其測量溫度范圍為55℃～+125℃，在10℃~85℃范圍內(nèi)，℃。因此，數(shù)字化單總線器件DS18B20適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測量，如：環(huán)境控制、設(shè)備或過程控制、測溫類消費(fèi)電子產(chǎn)品等。DS18B20的性能特點(diǎn)如下：1) 采用DALLAS公司獨(dú)特的單線接口方式：DS18B20與微處理器連僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與DSI8B20的雙向通訊；2) 在使用中不需要任何外圍元件?！?。當(dāng)電源電壓的極性反接時(shí)，能保護(hù)DS18B20不會(huì)因發(fā)熱而燒毀。 顯示裝置為了能夠?qū)崟r(shí)顯示溫度，還需要顯示裝置。其主要特點(diǎn)如下：1) 128 64 點(diǎn)陣；2) 串行SPI接口方式（僅寫入）；3) 自帶1212點(diǎn)和1616點(diǎn)漢字庫（包含一級和二級漢字庫）；4) 自帶6816點(diǎn)ASCII碼西文字庫（96個(gè)字符）；5) 自帶基本繪圖GUI功能（繪點(diǎn)、直線、矩形、矩形框、實(shí)心圓形、圓形框）；，直接輸入整型數(shù)顯示，而無需作變換；6) 帶有背光控制指令，只需一條指令便可控制背光亮度等級（0~127）。PWM波為高低電平，而加熱棒則需要220V交流供電，因此中間需要一個(gè)利用小電壓控制大電壓的控制環(huán)節(jié)。光耦元件隔離效應(yīng)好，無聲音，但是成本也較高。八、硬件電路及軟件設(shè)計(jì) 硬件電路 測溫電路圖81 測溫電路DS18B20外圍電路較為簡單，只需在數(shù)據(jù)線和電源之間連接一個(gè)電阻。三極管不能導(dǎo)通，繼電器處于常閉端。2為低電平時(shí)，三極管導(dǎo)通，對電流放大，繼電器由常閉端吸合至常開端。反之，電路斷開，不加熱。其管腳圖如下：圖84 銘正同創(chuàng)12864管腳圖 將電源與地與單片機(jī)分別連好。設(shè)while（）循環(huán)。對于水溫加熱來說，溫度的變化不會(huì)很快，因此該采樣時(shí)間對于實(shí)際情況而言太小了。只有定時(shí)器工作十次，也就是cycle9時(shí)，才開始溫度的測量和溫度顯示。在程序的最后，是畫圖部分。只需64秒即可將屏幕打滿。這樣算下來。如此循環(huán)。開始系統(tǒng)初始化cycle99NOYES溫度測量溫度顯示關(guān)中斷cycle=0開中斷計(jì)算PWM低電平時(shí)間子程序圖85 主程序流程圖 計(jì)算低電平數(shù)子程序 由于水溫控制系統(tǒng)為一階慣性遲滯環(huán)節(jié)，為使其控制更加穩(wěn)定，當(dāng)溫度與設(shè)定溫度之差小于2℃時(shí)，才執(zhí)行PID子程序。開始s=set，t=t/10stst2low_time=100PID子程序計(jì)算low_time返回low_timeNOYES PID子程序 采用位置式PID的控制方法。返回算得的值。開始Error=SetTemmSumError=SumError+ErrordError=ErrorLastErrorPrevError =LastErrorLastError = ErrorReturn Proportion * Error+ Integral * SumError+ Derivative * dError返回圖87 PID流程圖 中斷程序中斷程序中要完成兩方面的任務(wù)：其一是將溫度數(shù)據(jù)傳回電腦，其二是發(fā)出脈寬調(diào)制（PWM）信號發(fā)送出來。返回?cái)?shù)據(jù)的形式為16進(jìn)制數(shù)，難以讀數(shù)，我的方法是通過數(shù)學(xué)上的變換使十六進(jìn)制數(shù)看起來為十進(jìn)制數(shù)，是讀數(shù)更為簡單。發(fā)出PWM信號的周期是5s，中斷的周期是50ms。開始++counter=lowtimeCounter=100PWM=0PWM=1counter=0定時(shí)器0賦初值cycle++返回YESYESNONO串口返回整數(shù)部分串口返回小數(shù)部分圖88 中斷子程序流程圖 其他 除此之外還有一些延時(shí)、顯示、溫度讀取等子程序，在此不再一一贅述。九、系統(tǒng)調(diào)試 硬件調(diào)試 在本次計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中，我所設(shè)計(jì)的水溫控制系統(tǒng)外圍電路較為簡單，所以在焊接方面也比較容易。經(jīng)分析后我發(fā)現(xiàn)，由于電壓較小，導(dǎo)致經(jīng)三極管放大后的電流較小，不足以打開繼電器。因此，我考慮在只在繼電器這一邊利用5V供電。此時(shí)，我檢查了一下與單片機(jī)相連的三極管基極的電流。實(shí)驗(yàn)的結(jié)果也證實(shí)了我這一想法。主要是由于我以前沒有用過Keil，平時(shí)接觸單片機(jī)也不太多，好在Keil的界面很友好，又有C語言的基礎(chǔ)，雖然是費(fèi)了一番功夫，但最終還是完成了程序的編寫。在上面的介紹中已經(jīng)有所提及，在此不再贅述。PID控制程序如下：void init_pid(){ = 6。 =0。 // 設(shè)定溫度溫度}unsigned int PIDCalc( struct PID *pp, unsigned int NextPoint ) { signed int