【正文】 求出系統(tǒng)輸出信號(hào)的大小，再由串口將輸出信號(hào)傳輸至外部溫度控制電路，以實(shí)現(xiàn)溫度控制。 PID控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便（如圖23）。因此當(dāng)不能完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象，或不能通過有效的測(cè)量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，就是PID的用武之地。比例，積分，微分這三個(gè)環(huán)節(jié)又相互獨(dú)立，有各自不同的作用，在現(xiàn)場(chǎng)也可以根據(jù)實(shí)際情況來選擇使用。比例控制器通過改變比例放大系數(shù)Kp調(diào)節(jié)輸出，對(duì)誤差的反應(yīng)很快，但是其輸出與期望值之間總是存在一個(gè)穩(wěn)態(tài)誤差，必須使用手動(dòng)復(fù)位來消除，在實(shí)際運(yùn)用中很不方便。而當(dāng)Kp值小時(shí)，又會(huì)使系統(tǒng)動(dòng)作變得緩慢，所以校正系統(tǒng)很少單獨(dú)使用P控制。積分控制器的輸出與誤差信號(hào)的積分成正比，即 ，所以PI控制器的輸出有： 積分項(xiàng)對(duì)誤差進(jìn)行積分，隨著時(shí)間的增加積分項(xiàng)增大，只要誤差還存在，就會(huì)不斷輸出。因此，PI控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。D控制（微分控制） 積分控制的動(dòng)態(tài)性能不好，而微分項(xiàng)恰好可以彌補(bǔ)這點(diǎn)。甚至在誤差形成之前，可能已被微分調(diào)節(jié)作用消除。微分控制在實(shí)際運(yùn)用中經(jīng)常用來抵消積分控制產(chǎn)生的不穩(wěn)定趨勢(shì)，但因其反應(yīng)的是誤差的變化率，所以僅對(duì)動(dòng)態(tài)過程作用，通常不單獨(dú)使用。PID控制 PID控制即比例控制、積分控制、微分控制的組合，綜合了3種控制器的優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于PID控制器，輸出為：PID控制實(shí)際就是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)Kp，Ti，Td這3個(gè)參數(shù)進(jìn)行整定，以得到合適的輸出值對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制。目前PID不僅應(yīng)用廣泛，發(fā)展也很快，已研究出很多對(duì)這3個(gè)參數(shù)進(jìn)行自整定的智能控制器。(2)模糊控制 模糊控制是以模糊集合論、模糊語言變量和模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種計(jì)算機(jī)數(shù)字控制。用模糊條件語句寫出控制規(guī)律，再用算法語言來編寫程序，按此程序?qū)ιa(chǎn)過程進(jìn)行自動(dòng)控制。②模糊控制是一種語言變量控制器，其控制規(guī)律只用語言變量的形式定性地表達(dá)，不用傳遞函數(shù)與狀態(tài)方程，只要對(duì)人們的控制經(jīng)驗(yàn)加以總結(jié)，進(jìn)而從中提煉出規(guī)則，直接給出語言變量，再應(yīng)用推理方程進(jìn)行觀察與控制。④從不同的觀點(diǎn)出發(fā)，可以設(shè)計(jì)不同的目標(biāo)函數(shù)，其語言控制規(guī)則分別是獨(dú)立的，但是整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可得到總體的協(xié)調(diào)控制。其中P=Posive，B=Big，M=Medium，S=Small，O=Zero，N=Negative。模糊集合理論的一個(gè)基本概念是函數(shù)或稱隸屬度。所有隸屬度均滿足下列要求，即 ，表示 隸屬于 ； ，則表示 不屬于 。式中的“+”號(hào)表示列舉，并不是加號(hào)；作用每項(xiàng)中的分式也不表示相除，分母表示元素名稱，分子表示該元素的隸屬度。模糊控制器執(zhí)行機(jī)構(gòu)被控對(duì)象測(cè)量裝置期望值輸出——圖25 模糊控制系統(tǒng)3 LabVIEW 開發(fā)環(huán)境以及PID和模糊控制模塊簡(jiǎn)介使用LabVIEW開發(fā)平臺(tái)編制的程序稱為虛擬儀器程序，簡(jiǎn)稱為VI。后面板編輯窗口：它是用戶為完成特定功能而編寫的程序，即VI的圖形化源代碼。控制和顯示是用各種各樣的圖標(biāo)形式出現(xiàn)在前面板，具體表現(xiàn)為旋鈕、開關(guān)、圖形、圖標(biāo)以及其他的控制（Control）和顯示（Indicator）對(duì)象等，這使得用戶界面更加直觀易懂。流程圖提供VI的圖形化源程序，可以理解為傳統(tǒng)程序的源代碼。 LabVIEW有三類端口：前面板對(duì)象端口、全局變量與局部變量端口和常量端口。 節(jié)點(diǎn)類似于文本語言的函數(shù)或子程序，LabVIEW有兩種節(jié)點(diǎn)類型：功能函數(shù)節(jié)點(diǎn)或子VI節(jié)點(diǎn)，二者的區(qū)別在于功能函數(shù)節(jié)點(diǎn)是LabVIEW本身提供給用戶使用的，不可以對(duì)它進(jìn)行修改；子VI則是用戶可以進(jìn)入并根據(jù)實(shí)際需要對(duì)其加以修改。連線用于代表程序執(zhí)行過程中的數(shù)據(jù)流，它類似于文本程序的變量，數(shù)據(jù)是單向流動(dòng)的。 LabVIEW程序執(zhí)行流程 宏觀上講，LabVIEW的運(yùn)行機(jī)制已經(jīng)不是傳統(tǒng)上的馮傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)語言（如C語言）中的順序執(zhí)行結(jié)構(gòu)在LabVIEW中被并行機(jī)制所代替。這樣，可以結(jié)合圖形語言和文本語言各自優(yōu)點(diǎn)，更為靈活、高效、易用。對(duì)儀器的驅(qū)動(dòng)是虛擬儀器實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)物理信號(hào)采集的基礎(chǔ)，當(dāng)儀器驅(qū)動(dòng)后，才能由軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析處理進(jìn)而實(shí)現(xiàn)某種測(cè)溫功能，并求取測(cè)量結(jié)果。 GPIB：通用接口總線（General Purpose Interface Bus）。 IVI：可交換虛擬儀器（Interchangeable Virtual Instrument）。 LXI：LAN在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展（LAN eXtension for Instrumentation）。 RS232：232號(hào)推薦標(biāo)準(zhǔn)（Remended Standard 232）?？梢耘c術(shù)語“串行通信”互換使用，盡管串行通信一般指的是一次傳輸一位。 SCPI：可編程儀器標(biāo)準(zhǔn)命令（Standard Commands for Programmable Instrumentation）。 USB：通用串行總線（Universal Serial Bus），大多數(shù)PC與外部設(shè)備互聯(lián)的標(biāo)準(zhǔn)總線。其目的是盡量統(tǒng)一一起軟件標(biāo)準(zhǔn)，不論儀器使用GPIB、PXI、VXI，還是串行接口（RS232/422/485）。儀器驅(qū)動(dòng)程序在功能模塊~Instrument I/O—Instrument Drivers子模板中。利用這些儀器驅(qū)動(dòng)器，用戶可以很容易地控制各種儀器，并將主要精力放在儀器功能的實(shí)現(xiàn)上，而不必關(guān)心具體的編程細(xì)節(jié)，這一點(diǎn)是LabVIEW強(qiáng)大功能的體現(xiàn)。它是與驅(qū)動(dòng)軟件通信的LabVIEW 儀器驅(qū)動(dòng)VI 中的底層函數(shù)。 VISA 是一個(gè)調(diào)用低層驅(qū)動(dòng)程序的高層API。下表給出了本系統(tǒng)用到的幾個(gè)通信模塊的基本屬性的描述。VI名稱VISA Configure Serial PortVISA WriteVISA ReadVISA Serial BreakVISA Bytes at Serial PortVISA CloseVISA Set I/O Buffer SizeVISA Flush I/O Buffer 安裝NI光盤Tookit Software中的LabVIEW PID Control Tookit，即可在LabVIEW中生成該工具包。 圖31 PID工具包 ，在該vi的輸入端給入PID的3個(gè)參數(shù)值（PID gains），系統(tǒng)反饋值(process variable)，實(shí)際期望值(setpoint)以及微分時(shí)間(dt)，便能得到需要的輸出值(output)。 圖32 PID的使用范例PID ，增加了一些高級(jí)的功能，如可以設(shè)定期望值的范圍（setpoint range），手動(dòng)控制（manual control），線性化（linearity）等功能。圖33 PID PID Lead/（如圖34）前端由系統(tǒng)反饋來的輸入信號(hào)做動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。PID Control Input ，放在PID控制器的process variable前端，可以濾去小于采樣率十分之一的輸入值。PID Output ，以保證外部接受控制信號(hào)部件的安全。圖34構(gòu)建PID控制系統(tǒng) 模糊控制模塊簡(jiǎn)介 安裝NI光盤Tookit Software中的LabVIEW PID Control Tookit，即可在LabVIEW中生成該工具包。Simulation，即可看到Fuzzy Logic工具包，該工具包由3個(gè)VI組成（圖35）。.fc文件是NI自定義的一種文件格式，用于仿真模糊控制器推理機(jī)中的知識(shí)庫(kù)。 圖36 Fuzzy Logic Controller Design接著彈出一個(gè)Fuzzy Set Editor對(duì)話框，這是仿真模糊推理器中的數(shù)據(jù)庫(kù)。工程師根據(jù)實(shí)際情況將制定好的規(guī)則寫入，完成后點(diǎn)擊Quit；最后點(diǎn)擊File——Save，給出保存位置和文件名。Fuzzy （最多可接受4維輸入），并計(jì)算出合適的輸出信號(hào)值（圖38）。4 以單片機(jī)為核心的下位機(jī)的設(shè)計(jì) 下位機(jī)設(shè)計(jì)方案下位機(jī)上，本設(shè)計(jì)采用Atmega16控制DS18B20采集溫度，并將采集到的溫度通過串口發(fā)送到上位機(jī)，以便處理。此功率設(shè)備為過零型固態(tài)繼電器，在電流過零處導(dǎo)通或關(guān)斷，易于實(shí)現(xiàn)PWM的控制。由于需要進(jìn)行串口通信，（如圖41）。這樣不僅降低了成本，最大程度利用了Atmega16的強(qiáng)大功能，而且降低了電路的復(fù)雜性，使布線更加方便。其一個(gè)工作周期可分為兩個(gè)部分，即溫度檢測(cè)和數(shù)據(jù)處理。DS18B20共有三種形態(tài)的存儲(chǔ)器資源，它們分別是： ROM 只讀存儲(chǔ)器，用于存放DS18B20ID編碼，其前8是單線系列編碼（DS18B20的編碼是19H），后面48位是芯片唯一的序列號(hào)，最后8位是以上56的位的CRC碼（冗余校驗(yàn)）。DS18B20共64位ROM。第2個(gè)字節(jié)是溫度轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)值信息，第4個(gè)字節(jié)是用戶EEPROM（常用于溫度報(bào)警值儲(chǔ)存）的鏡像。第5個(gè)字節(jié)則是用戶第3個(gè)EEPROM的鏡像。第9個(gè)字節(jié)為前8個(gè)字節(jié)的CRC碼?？刂破鲗?duì)18B20操作流程： （1）復(fù)位：首先必須對(duì)DS18B20芯片進(jìn)行復(fù)位，復(fù)位就是由控制器（單片機(jī)）給DS18B20單總線至少480uS的低電平信號(hào)。 （2）存在脈沖：在復(fù)位電平結(jié)束之后，控制器應(yīng)該將數(shù)據(jù)單總線拉高，以便于在15~60uS后接收存在脈沖，存在脈沖為一個(gè)60~240uS的低電平信號(hào)。如果復(fù)位低電平的時(shí)間不足或是單總線的電路斷路都不會(huì)接到存在脈沖，在設(shè)計(jì)時(shí)要注意意外情況的處理。ROM指令為8位長(zhǎng)度，功能是對(duì)片內(nèi)的64位光刻ROM進(jìn)行操作。誠(chéng)然，單總線上可以同時(shí)掛接多個(gè)器件，并通過每個(gè)器件上所獨(dú)有的ID號(hào)來區(qū)別，一般只掛接單個(gè)18B20芯片時(shí)可以跳過ROM指令（注意：此處指的跳過ROM指令并非不發(fā)送ROM指令，而是用特有的一條“跳過指令”）。操作指令同樣為8位，共6條，存儲(chǔ)器操作指令分別是寫RAM數(shù)據(jù)、讀RAM數(shù)據(jù)、將RAM數(shù)據(jù)復(fù)制到EEPROM、溫度轉(zhuǎn)換、將EEPROM中的報(bào)警值復(fù)制到RAM、工作方式切換。 （5）執(zhí)行或數(shù)據(jù)讀寫：一個(gè)存儲(chǔ)器操作指令結(jié)束后則將進(jìn)行指令執(zhí)行或數(shù)據(jù)的讀寫，這個(gè)操作要視存儲(chǔ)器操作指令而定。如執(zhí)行數(shù)據(jù)讀寫指令則需要嚴(yán)格遵循18B20的讀寫時(shí)序來操作。緊接著執(zhí)行第二個(gè)周期為復(fù)位、跳過ROM指令、執(zhí)行讀RAM的存儲(chǔ)器操作指令、讀數(shù)據(jù)（最多為9個(gè)字節(jié)，中途可停止，只讀簡(jiǎn)單溫度值則讀前2個(gè)字節(jié)即可）。串口通信首先要對(duì)串口進(jìn)行初始化設(shè)置。然后設(shè)置開啟發(fā)送和接收中斷使能，并且設(shè)置幀格式，通常選擇8位數(shù)據(jù)位，1位停止位。波特率我們選擇計(jì)算機(jī)串口通信用的比較多的9600bps，根據(jù)異步正常模式的波特率計(jì)算公式 ，可以算出UBRR=47，所以在設(shè)置波特率寄存器的時(shí)候，設(shè)置UBRRH=0x00，UBRRL=0x2F。串口發(fā)送和接受函數(shù)比較簡(jiǎn)單，本設(shè)計(jì)不再贅述。PWM的初始化比較簡(jiǎn)單，在這里我們不予贅述。此關(guān)系的測(cè)量需要進(jìn)行硬件調(diào)試才可以達(dá)到較為理想的值。這樣有助于的編程和介紹。而LabVIEW中顯示控件支持的數(shù)據(jù)類型只有數(shù)值型數(shù)據(jù)。要做到這點(diǎn)在其他的編程語言中可能可能會(huì)比較麻煩，但在LabVIEW中確實(shí)一件相當(dāng)輕松且有趣的事情。這個(gè)子VI及說明如圖所示。和前面一樣，這個(gè)轉(zhuǎn)換在LabVIEW中的實(shí)現(xiàn)也是相當(dāng)簡(jiǎn)單。此子VI及說明如圖所示。 圖55 PID模塊 6 總結(jié) 在明白了以上的設(shè)計(jì)任務(wù)、要求和方案之后，確定設(shè)計(jì)方案之后，寫好程序并在仿真軟件Proteus中仿真，達(dá)到設(shè)計(jì)要求時(shí)，就需要開始著手系統(tǒng)硬件的制作和調(diào)試了。同時(shí)，通過本次設(shè)計(jì)，鞏固了我們學(xué)習(xí)過的專業(yè)知識(shí)，也使我們把理論與實(shí)踐從真正意義上相結(jié)合了起來；考驗(yàn)了我們借助互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)搜集、查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，和組織材料的綜合能力；從中可以自我測(cè)驗(yàn)，認(rèn)識(shí)到自己哪方面有欠缺、不足，以便于在日后的學(xué)習(xí)中得以改進(jìn)、提高；效率。(2)學(xué)會(huì)了LabVIEW的初級(jí)使用方法。(4)使用NI提供的用于LabVIEW的PID控制模塊，編寫PID控制程序，用于控制下位機(jī)加熱裝置的溫度。參考文獻(xiàn)[1] 王磊，[M].北京：[2] Jeffrey Travis，Jim （第三版）[M].北京：電子工業(yè)出版社 [3] Robert 8實(shí)用教程[M].北京：電子工業(yè)出版社 [4] 程學(xué)慶，[M].北京：中國(guó)鐵道出版社 [5] 吳雙力，崔劍等. AVRGCC與AVR單片