【正文】 0會自動將數(shù)據(jù)一位一位地發(fā)送到串行口通信線上。 圖 PC機通信軟件框圖 P Ｃ機RS2321488 1489M C S 5 1 系統(tǒng)1488 1489M C S 5 1 系統(tǒng)1488 1489M C S 5 1 系統(tǒng)開始8 2 5 0 初始化發(fā)送地址碼受到回答信號否發(fā)送數(shù)據(jù)收到數(shù)據(jù)否CC接收數(shù)據(jù)傳送結(jié)束否發(fā)送校正碼收到信號否回答信號= 0 0結(jié)束 錯誤 NYYNNYNYNY湖南工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 第 3 章 恒溫控制系統(tǒng)軟件 設(shè)計 PID 調(diào)節(jié)器 控制原理 在控制系統(tǒng)中 ,控制器最常用的控制規(guī)律是 PID控制。系統(tǒng)由 PID控制器和被控對象組成。即，控制器的輸出為： ???????? ??? ? t Dp dt tde r r orTdtte r r orTte r r orktu 01 )()(1)()( （ ） 或?qū)懗蓚鬟f函數(shù)的形式： ???????? ???? sTsTksE sUsG Dp 111)( )()( （ ） 左中， kp—— 比例系數(shù)； Ti—— 積分時間常數(shù)； T d—— 微分時間常數(shù)。 比例控制： Gc(s)= Kp （ 2） 積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。 積分控制： Gc(s) = Kp/T is （ 3） 微分環(huán)節(jié)：反偏差信號的變化趨勢（變化速率），并能在偏差信號變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系湖南工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 統(tǒng)的動作速度，減少調(diào)節(jié)時間。 設(shè) u(k)為第 k 次采樣時刻控制器的輸出值，可得 離散的 PID 算式 () 式中 ， 。 位置式 PID 控制算法的缺點：當(dāng)前采樣時刻的輸出與過去的各個狀態(tài)有關(guān)，計算時要對 e(k)進行累加，運算量大；而且控制器的輸出 u(k)對應(yīng)的是執(zhí)行機構(gòu)的實際位置，如果計算機出現(xiàn)故障， u(k)的大幅度變化會引起執(zhí)行機構(gòu)位置的大幅度變化。它是根據(jù)被控過程的特性確定 PID 控制器的比例系數(shù)、積分時間和微分時間的大小。 它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過理論計算確定控制器參數(shù)。二是工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗， 直接在控制系統(tǒng)的試驗中進行，且方法簡單、易于掌握，湖南工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 在工程實際中被廣泛采用。以達到控制器的特性與被控過程的特性相匹配 ,滿足某種反映控制系統(tǒng)質(zhì)量的性能指標(biāo)。 （ 2）從執(zhí)行機構(gòu)的特性要求來看，有時需要輸出信號保持一定的寬度。 （ 3）從控制系統(tǒng)的隨動和抗干擾的性能來看，要求采樣周期短些。 （ 5）從計算機的精度看，過短的采樣周期是不合適的?？晒┰O(shè)計時參考。 表 采樣周期的經(jīng)驗數(shù)據(jù)表 [10] 被測參數(shù) 采用周期 T（ s） 備注 流量 1～ 5s 優(yōu)先選用 1s 壓力 3～ 10s 優(yōu)先選用 5s 液位 6～ 8s 溫度 15～ 20s 或純滯后時間 成分 15～ 20s 湖南工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 PID 參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響 表 PID 參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響 參數(shù) 圖 作用 缺點 P 加快調(diào)節(jié)，減少穩(wěn)態(tài)誤差 穩(wěn)定性下降，甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定 I 因為有誤差，積分調(diào)節(jié)就進行，直至無差 .消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高無差度。積分作用常與另兩種調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合，組成 PI調(diào)節(jié)器或 PID調(diào)節(jié)器?？梢詼p少超調(diào)，減少調(diào)節(jié)時間。微分作用不能單獨使用，需要與另外兩種調(diào)節(jié)規(guī)蓄料目結(jié)合，組成PD或 PID控制 . 綜上所述， （ Kp、 Ti、 Td,）對系統(tǒng)的性能影響如表 ： 表 Kp、 Ti 和 Td 對系統(tǒng)的影響 影響 Kp Ti Td 穩(wěn)態(tài)性能 可以減少靜差，但不能消除 消除靜差，但不能太大 配合比例控制，可以減少靜差 動態(tài)性能 加快系統(tǒng)速度，但會引起震蕩 太小會不穩(wěn)定，太大會影響性能 太大和太小都會引起超調(diào)量大，過渡時間長。 計算機只能處理數(shù)字信號，若采樣周期為 T第 n次采樣的輸入誤差為 ne ，且 )()( nCnren ?? ，輸出為 )(nu ， PID 算法用的微分 dtde 由差分 Tee nn 1?? 代替，積分 dttet?0)( 由 ?TeK 代替，于是得到 ?????? ???? ??? T eeTTTeKu nnDniInPn 101 （ ） 寫成遞推形式為 △ 1??? nnn uuu = ?????? ?????? ? ?? ?????ni nnnDni iiInnP eeeTTeeTTeeK0 21101 )2()()( = ?????? ????? ??? )2()( 211 nnnDnInnPeeeTTeTTeeK = )2()(211 ??? ????? nnnDPnIPnnP eeeTTKeTTKeeK = )2()( 211 ??? ????? nnnDnInnP eeeKeKeeK = DIP PPP ?? （ ） 湖南工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 其中： )( 1??? nnPP eeKP （ ） nInIPI eKeTTKP ?? （ ） )2()2(2121 ???? ?????? nnnDnnnDPD eeeKeeeTTKP （ ） 顯然， PID 計算△ nu 只需要保留現(xiàn)時刻 ne 以及以前的兩個偏差量 1?ne 和2?ne 。 根據(jù)輸出控制增量△ nu ，可求出本次控制輸出為 1?? nn uu +△ nu = DIPn PPPu ????1 （ ） 由于電阻爐一般是屬于一階對象和滯后的一階對象，所以式中 PK 、 DK 、 IK的選擇取決于電阻爐的階躍響應(yīng)曲線和實際經(jīng)驗，工程上已經(jīng)積累了 不少行之的參數(shù)整 定方法。在單純比例作用下（比例增益由小到大），是系統(tǒng)產(chǎn)生等幅振蕩的比例增益 UK ，這時的工作周期為臨界周期 UT ，則可以得到 △ nu = ? ?)2()( 211 ??? ????? nnnnnnP eeeeeeK = )2()( 211 ??? ????? nnnPnPnnP eeeKeKeeK = )2()( 211 ??? ????? nnnDnInnP eeeKeKeeK （ ） 式中 IK = PK ， DK = PK [8] （ ） 從而可以調(diào)節(jié)的參數(shù)只有一個。 下面對 PID運算加以說明： 所有的數(shù)都變成定點純小數(shù)進行處理。正負數(shù)都是補碼表示，最后的計算以原碼輸出。 湖南工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 輸出控制量 nu 的限幅處理。大于 250或小于 0 的控制量 nu 都是沒有意義的，因在算法上對 nu 進行限幅，即 nu =?????????m a xm a xm a xm inm inm inuuuuuuuuuunnnn （ ） PID的計算公式采用 位置 式算法，計算公式為 1?? nn uu + )2()( 211 ??? ????? nnnDnInnP eeeKeKeeK = DIPn PPPu ????1 （ ） PID計算的程序流程圖圖 ；而參數(shù)內(nèi)存分配表如表 。其子程序如下： DSUM： MOV A， R4 ADD A， R2 MOV R6， A MOV A， R5 ADDC A， R3 MOV R7， A RET 雙字節(jié)無符號乘法子程序： 入口（ R7R6） =被乘數(shù)； （ R5R4） =乘數(shù)。 工作寄存器 R3， R2。 出口（ R0） =乘積的 4字節(jié)地址指針。在 SIMULINK 環(huán)境中，利用鼠標(biāo)就可以在模型窗口中直觀地“畫”出系統(tǒng)模型，然后直接進行仿真。它與傳統(tǒng)的仿真軟件包微 分方程和差分方程建模相比，具有更直觀、方便、靈活的優(yōu)點。用戶也可以定制和創(chuàng)建用戶自己的模塊。用戶可以從最高級開始觀看模型，然后用鼠標(biāo)雙擊其中的子系統(tǒng)模塊，來查看其下一級的內(nèi)容 ，以此類推，從而可以看到整個模型的細節(jié)，幫助用戶理解模型的結(jié)構(gòu)和各模塊之間的相互關(guān)系。菜單方式對于交互工作非常方便，而命令行方式對于運行一大類仿真非常有用。除此之外，用戶還可以在改變參數(shù)后來迅速觀看系統(tǒng)中發(fā)生的變化情況。 模型分析工具包括線性化和平衡點分析工具、 MATLAB 的許 多工具及MATLAB 的應(yīng)用工具箱。 SIMULINK 是 MATLAB 軟件的擴展，它是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模和仿真的一個軟件包，它與 MATLAB 語言的主要區(qū)別在于，其與用戶交互接口是基于Windows 的模型化圖形輸入，其結(jié)果是使得用戶可以把更多的精力投入到系統(tǒng)模型的構(gòu)建，而非語言的編程上。 系統(tǒng) 仿真 方框圖 由于本次設(shè) 計為恒溫控制系統(tǒng)， 為了驗證系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，本設(shè)計采用 以電阻爐為例， 進行系統(tǒng)的仿真。 利用飛升曲線法，可以求出 K、 ? 和 T，測得 K=4， T=3min, ? = seSG s314)( ?? ? （ ） 進入 SIMULINK 環(huán)境，在元件庫里選擇所需要是元件，用鼠標(biāo)將器件連 接起來，得到一個完整方框圖 [6]，如圖 所示。若湖南工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 系統(tǒng)不能穩(wěn)定運行，則采用其它校正方式。記錄此時臨界振蕩增益 Kp和振蕩周期 T。 表 穩(wěn)定邊界參數(shù)的計算公式 Kp Ki Kd P Kp PI Kp Kp/T PID Kp Kp/T KpT 穩(wěn)定邊界法的第一步蠶豆戶在進行 PID 參數(shù)初始化已經(jīng)設(shè)置好了 ，因此選擇“ Simulation”菜單的“ Start”選項，得到仿真曲線。希望通過 PID 校正，能夠使系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)無差，并且改善器快速性。在 MATLAB Command Window 下鍵如“ Whos” : whos Name Size Bytes Class Kd 1 1 8 double array Ki 1 1 8 double array Kp 1 1 8 double array Simout 162 1 1296 double array tout 162 1 1296 double array Grand total is 491 elements using 3298 bytes 此時，我們看到， PID 參數(shù) Kd、 Ki 和 Kp，系統(tǒng)仿真時間 tout 和仿真結(jié)果Simout都在當(dāng)前的 Workspace下，可以用各種 MATLAB函數(shù)進行仿真和分析。方法是逐步增大 Kp1，直到系統(tǒng)出現(xiàn)等幅振蕩為止。 具體在 SIMULINK 下可以如下實現(xiàn)：先取較大的 Kp1，使系統(tǒng)出現(xiàn)不溫度的增幅振蕩；然后采取折半取中的辦法尋找臨界增益。