1、 Q260046902 專業(yè)做論文 I西南科技大學畢業(yè)設(shè)計（論文）畢業(yè)設(shè)計（論文）題目名稱：題目名稱：反饋式力傳感器反饋控制設(shè)計年年 級：級：2003 本科本科 ?？茖？茖W生學號：學生學號：2005080學生姓名：王亮學生姓名：王亮 指導教師：李鳳保指導教師：李鳳保 李俊國李俊國 學生單位：信息工程學院學生單位：信息工程學院 技術(shù)職稱：研究員技術(shù)職稱：研究員 副教授副教授 學生專業(yè)：生物醫(yī)學工程學生專業(yè)：生物醫(yī)學工程 教師單位：信息工程學院教師單位：信息工程學院西西 南南 科科 技技 大大 學學 教教 務(wù)務(wù) 處處 制制 Q260046902 專業(yè)做論文 II反饋式力傳感器反饋控制設(shè)計摘要：傳感

2、器技術(shù)是現(xiàn)代信息技術(shù)的重要基礎(chǔ)之一。傳感器的性能對自動化系統(tǒng)的功能起決定作用，在一般運用場合中傳感器測量主要采用開環(huán)測量方式，這種方式結(jié)構(gòu)簡單，能滿足一般精度的需求。但在高精度測量條件下，如電子分析天平，則必需采用閉環(huán)控制引入反饋環(huán)節(jié)，提高測量精度。本論文設(shè)計了一種用于高精度測量的反饋式力傳感器。通過對位移量的處理輸出反饋控制信號，使系統(tǒng)達到平衡狀態(tài)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由前向通道和反饋控制兩部分組成。本文給出了反饋控制模塊設(shè)計制作方案，主要完成了單片機控制系統(tǒng)、1602 顯示模塊、PID 控制算法設(shè)計、系統(tǒng)電源電路的設(shè)計，并給出了具體參數(shù)、分析過程和調(diào)試結(jié)果及相應(yīng)的實物圖。整個控制系統(tǒng)設(shè)計簡潔，集成度較

3、高，控制效果較好，達到了設(shè)計要求。關(guān)鍵字：反饋控制；單片機；PID 算法 Q260046902 專業(yè)做論文 IIIThe Design of Feedback Controlling based on Feedback Pressure SensorAbstract：The technology of the sensor is one of the important basis of modern information technology. Its performance plays a crucial part in the automatic system, and in the

4、general situations the measurement of sensor usually selects the open cycle mode, which is simple in construction and can satisfy the measurement of weight with general precision. But in those occasions which require high precision such as electronic analytical balance, the close-loop mode must be e

5、mployed to improve the precision of measurement. This paper exactly devises one kind of feedback type pressure sensor with high-precision measurement. It makes the system achieved balance after dealing with the displacement signal then outputting the feedback steering signal. The system structure is

6、 composed by two segments- frontal channel and feedback controlling. This paper provides the feedback control scheme, and mainly completes the curb of monolithic processor, the video module of 1602, the PID control algorithm and the design of the system power supply, along with concrete parameter, a

7、nalytical procedure, debugging results and the pictures of the corresponding objects. The circuit with a plain design, upper integration level and beneficent curb meets the design requirement well.Key words: feedback controlling, monolithic processor, PID control algorithm Q260046902 專業(yè)做論文 IV目 錄第 1

8、章 緒論.11.1 反饋式力傳感器設(shè)計的背景，意義及其目的.11.1.1 設(shè)計背景.11.1.2 設(shè)計的意義及其目的.21.2 主要完成的任務(wù)及設(shè)計思想.31.3 本文的結(jié)構(gòu)組成.3第 2 章 反饋式力傳感器各模塊方案分析.42.1 測量結(jié)構(gòu)設(shè)計方案分析.42.2 反饋控制部分各模塊設(shè)計方案分析.62.2.1 顯示模塊方案分析.62.2.2 單片機控制系統(tǒng)方案分析.82.3 反饋控制算法設(shè)計方案的分析.9第 3 章 反饋控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計.123.1 系統(tǒng)硬件組成概述.123.2 系統(tǒng)電源設(shè)計.123.3 LCD1602 顯示電路設(shè)計.153.4 單片機控制系統(tǒng)模塊設(shè)計.173.4.1 單片

9、機控制系統(tǒng)及 ISP 并口下載電路.173.4.2 位移測量電路采集數(shù)據(jù)的 A/D 轉(zhuǎn)換.19第 4 章 反饋式力傳感器控制系統(tǒng)軟件設(shè)計.214.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計.214.2 PID 控制算法程序設(shè)計.224.3 1602 顯示驅(qū)動程序設(shè)計.26第 5 章 反饋式力傳感器系統(tǒng)的調(diào)試及結(jié)論.295.1 單片機微處理系統(tǒng)調(diào)試及軟件編譯環(huán)境.295.2 1602 顯示模塊調(diào)試.305.3 位移測量電路調(diào)試.315.4 PID 控制算法參數(shù)調(diào)試.32結(jié) 論.33 Q260046902 專業(yè)做論文 V致 謝.34參考文獻.35附錄 1 (反饋控制系統(tǒng)程序代碼)： .36附錄 2 (反饋控制系統(tǒng)電路圖及

10、機械部分 CAD 圖)：.42附錄 3 (系統(tǒng)實物圖)： .43西南科技大學本科生畢業(yè)論文1第 1 章 緒論在科學技術(shù)高度發(fā)達的現(xiàn)代社會中, 人類已進入瞬息萬變的信息時代。人們在從事工業(yè)生產(chǎn)和科學實驗等活動中, 主要依靠對信息資源的開發(fā)、獲取、傳輸和處理。傳感器處于研究對象與測控系統(tǒng)的接口位置, 是感知、獲取與檢測信息的窗口, 一切科學實驗和生產(chǎn)過程, 特別是自動檢測和自動控制系統(tǒng)要獲取的信息, 都要通過傳感器將其轉(zhuǎn)換為容易傳輸與處理的電信號。 1.1 反饋式力傳感器設(shè)計的背景，意義及其目的1.1.1 設(shè)計背景隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的發(fā)展, 傳感技術(shù)作為一種與現(xiàn)代科學密切相關(guān)的新興學科也得到迅速的發(fā)

11、展, 并且在工業(yè)自動化、測量和檢測技術(shù)、航天技術(shù)、軍事工程、醫(yī)療診斷等學科被越來越廣泛地利用。各國對傳感技術(shù)在信息社會的作用也有了新的認識, 認為傳感器技術(shù)是信息技術(shù)的關(guān)鍵之一。然而目前的傳感器，無論是在數(shù)量上、質(zhì)量上還是功能上，還遠不適應(yīng)社會多方面發(fā)展的需要。因此，人們在充分利用先進的電子技術(shù)條件、研究和采用合適的外部電路以及最大限額地提高現(xiàn)有傳感器的性價比的同時，也正在努力尋求提高傳感器測量精度的新途徑其一是開發(fā)新材料、新工藝和開發(fā)新型傳感器；其二是在后續(xù)處理中添加適當?shù)难a償方法或引入反饋控制環(huán)節(jié)提高測量精度。(1) 開發(fā)新的敏感、傳感材料傳感器材料是傳感器技術(shù)的重要基礎(chǔ), 由于材料科學的

12、進步, 使傳感器技術(shù)越來越成熟,傳感器種類越來越多。 除了早期使用的材料, 如: 半導體材料、陶瓷材料以外, 光導纖維以及超導材料的發(fā)展, 為傳感器技術(shù)發(fā)展提供物質(zhì)基礎(chǔ)。未來將會有更新式材料開發(fā)出來, 如納米材料等。最近, 美國NRC公司已開發(fā)納米ZrO氣體傳感器L在控制汽車尾氣的排放效果很好,應(yīng)用前景廣闊。采用納米材料制作的傳感器具有龐大的界面, 提供大量的氣體通道, 導通電阻很小, 有利于傳感器向微型化發(fā)展。 (2) 引入反饋控制環(huán)節(jié)當前大部分傳感器都采用開環(huán)測量方式，這種控制方式結(jié)構(gòu)簡單，動態(tài)特性好，其精度主要決定于敏感元件，對敏感元件的材料和結(jié)構(gòu)要求很高。為了降低對敏感元件材料和結(jié)構(gòu)的

13、精度要求，并提高測量精度，通常引入反饋控制環(huán)節(jié)構(gòu)成一個閉西南科技大學本科生畢業(yè)論文2環(huán)測量系統(tǒng)。隨著傳感器在工業(yè)、國防等方面的應(yīng)用越來越廣泛，所處地位越來越重要。傳感器正向著高精度化、新型化及開發(fā)仿生傳感器的方向發(fā)展。這也為本課題研究的反饋式力傳感器提供了一個更為廣闊的前景和方向。1.1.2 設(shè)計的意義及其目的 隨著科學技術(shù)和生產(chǎn)的發(fā)展人們對稱重及測量技術(shù)提出了更高的要求，尤其是微處理技術(shù)和傳感技術(shù)的巨大進步，傳統(tǒng)的機械式杠桿和刀刃的稱重裝置正在為電子稱重裝置所代替，從而進入到傳感器，電子學和微處理機領(lǐng)域、使得稱重裝置變成為電子儀器。 稱重技術(shù)的突破是微處理機的應(yīng)用。稱重技術(shù)的這種發(fā)展是由于，

14、不僅要求獲得靜態(tài)稱重數(shù)據(jù)，而且進一步要求稱重工作的自動化，實現(xiàn)快速稱量，以及測量各種動態(tài)參數(shù)，提高測量精度和各種數(shù)據(jù)的及時處理。這些精度、速度、性能和功能方面的要求是傳統(tǒng)的機械測量系統(tǒng)無法滿足的。也就是說、這種技術(shù)發(fā)展中的突破是必然的結(jié)果。 電子稱量裝置通常分為三個部分，即稱重部分，傳感器和電氣部分。電氣部分包括模擬電路部分和微處理機部分。在測量方法上通常有兩種：直讀法和零位法。應(yīng)用到稱重裝置上為：通過測量彈性元件的變形或物體的應(yīng)變來測定被測物體的重量：和利用杠桿平衡原理通過已知重量來測定被測物體的重量。前者結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、但精度較低。后者主要優(yōu)點是精度高，但操作比較復(fù)雜，但是，在電子稱重

15、裝置中，采用電磁力反饋平衡方式，操作復(fù)雜方面的缺點可以很容易克服。因此，在電子稱重裝置結(jié)構(gòu)的形式，通常采用電磁力反饋平衡方式，使得電子稱重裝置做到測量精度高、測量速度快、有很好的線性和很高的靈敏度。基于目前傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀及力傳感器在高精度測量中的應(yīng)用及其與單片機系統(tǒng)的結(jié)合等，設(shè)計一種精度高、抗干擾能力強、響應(yīng)速度快、穩(wěn)定、智能化的反饋式力傳感器已迫在眉睫。 本設(shè)計正是在這種背景下研究利用單片機控制的、采用電磁力反饋平衡方式、PID 自動回路調(diào)節(jié)的用于稱重的反饋式力傳感器。它具有精度高、抗干擾能力強、穩(wěn)定、智能化等特點。西南科技大學本科生畢業(yè)論文31.2 主要完成的任務(wù)及設(shè)計思想本課題“反饋式

16、力傳感器”主要由兩部分組成反饋式力傳感器前向通道和反饋控制設(shè)計。通過對位移檢測電路測量的位移量進行處理輸出反饋控制信號，控制執(zhí)行結(jié)構(gòu)使系統(tǒng)達到平衡狀態(tài)。其中“反饋式力傳感器反饋控制設(shè)計”此部分主要內(nèi)容是完成系統(tǒng)的反饋控制設(shè)計及調(diào)試，如：用于反饋控制力發(fā)生器的 PWM波的產(chǎn)生及軟件設(shè)計、PID 控制算法的設(shè)計、單片機控制系統(tǒng)的設(shè)計、系統(tǒng)電源的設(shè)計、顯示模塊 LCD1602 驅(qū)動程序設(shè)計等等。1.3 本文的結(jié)構(gòu)組成本論文分為五部分。緒論：主要闡述傳感器及其技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，介紹設(shè)計研究背景、目的及意義，說明了設(shè)計任務(wù)及主要的設(shè)計思想，介紹本論文的組成。第 2 章：反饋式力傳感器系統(tǒng)反饋控制各模塊設(shè)計

17、方案的比較及選定，介紹了幾種設(shè)計方案，通過對方案的比較，確定了反饋式力傳感器各模塊設(shè)計方案。第 3 章：介紹了反饋式力傳感器系統(tǒng)中的一個組成部分反饋式力傳感器反饋控制相關(guān)硬件電路的設(shè)計，詳細分析各單元的硬件電路，并給出相關(guān)電路原理圖。第 4 章：根據(jù)儀器的硬件構(gòu)成和功能要求，給出了相應(yīng)的軟件設(shè)計，給出主要程序流程圖。第 5 章：各模塊調(diào)試及系統(tǒng)聯(lián)機調(diào)試。西南科技大學本科生畢業(yè)論文4第 2 章 反饋式力傳感器各模塊方案分析反饋式力傳感器系統(tǒng)主要是由敏感結(jié)構(gòu)、力發(fā)生器、用于位移檢測的位移檢測電路和反饋控制系統(tǒng)這幾部分組成的?？刂破鳎ɑ蛘{(diào)節(jié)器）根據(jù)位移量檢測值E(t)與設(shè)定值R的偏差，按照一定的控制

18、算法輸出控制量U，對被控過程進行控制。力發(fā)生器接受控制器送來的控制信息調(diào)節(jié)敏感結(jié)構(gòu)，從而達到預(yù)期的控制目的。過程輸出的位移信號經(jīng)過位移檢測電路，反饋到單片機控制器的輸入端，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)3。如圖2-1所示。位移檢測電路力發(fā)生器及驅(qū)動電路反饋控制器敏感結(jié)構(gòu)UE(t)圖圖 2-1 閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)對于不同的反饋控制系統(tǒng)，在具體細節(jié)上有所不同。在確定最后的總體設(shè)計方案之前，首先需要對組成系統(tǒng)的各個組成模塊的實現(xiàn)方案進行論證?？紤]到每個模塊都有多種不同的實現(xiàn)方案，故對各種實現(xiàn)方案的特性進行全面的分析、反復(fù)比較選擇最合適的方案。力求使各模塊的設(shè)計達到緊湊、簡單,體積和功耗最小,可靠性最

19、高，成本最低。2.1 測量結(jié)構(gòu)設(shè)計方案分析在整個系統(tǒng)中,反饋式力傳感器前向通道主要是完成力發(fā)生器及驅(qū)動電路、位移檢測電路，系統(tǒng)的整體機械結(jié)構(gòu)等外圍電路的設(shè)計。其中位移的測量、檢測方式及其機械結(jié)構(gòu)關(guān)系到整個系統(tǒng)設(shè)計的進展方向,在確定反饋控制系統(tǒng)具體組成細節(jié)之前首先要確定系統(tǒng)的測量結(jié)構(gòu)方案。下面對幾種可能的測量方案及機械結(jié)構(gòu)進行了試驗和論證，從中進行選擇。下面列出幾種可能的測量結(jié)構(gòu)的原理和優(yōu)缺點，從這幾種測量結(jié)構(gòu)中選擇一種既簡便易行又能達到設(shè)計要求的方案作為實際的測量方案。方案一：當力作用于彈性體上，使彈性體產(chǎn)生一定變形，通過傳感器（反饋環(huán)節(jié)檢測傳感器）將位移測量出來，反饋給調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器輸出電流

20、，此電流通過一西南科技大學本科生畢業(yè)論文5線圈對彈性體產(chǎn)生與被測力方向相反的力，使彈性體回復(fù)到初始狀態(tài)。此時線圈產(chǎn)生的力與被測力大小相等，而線圈產(chǎn)生的力與電流成一定關(guān)系。通過測量反饋電流的大小，即可得出被測力的大小。如下圖所示。圖圖 2-2這種方法中力發(fā)生器主要是采用電磁吸引力來實現(xiàn)的,優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單但也存在很多缺點，如線圈產(chǎn)生的引力過小加之其吸引力不穩(wěn)定，隨距離的改變電磁吸力發(fā)生很大的改變不易控制，且線圈易發(fā)熱等原因。方案二：鑒于上一種方案存在的缺點,這種方案采用上下相對的兩個 E 型鐵芯，具體結(jié)構(gòu)如下圖所示。圖圖 2-3經(jīng)過試驗發(fā)現(xiàn)這種方案推力較大、穩(wěn)定性較好，材料選取也比較容易，但要求的

21、驅(qū)動電流比較大，且線圈在大電流下發(fā)熱量較大,功耗很大。方案三：鑒于上面所示方案不能滿足要求，重新設(shè)計了以下這種方案，即，將原來的動磁鐵改用永磁鐵來代替，用一定磁感強度的永磁鐵作為螺線管的鐵芯，并西南科技大學本科生畢業(yè)論文6在不接觸永磁鐵(減小摩擦力)的外圍繞制一定規(guī)格的漆包線，在漆包線上設(shè)置兩個彈簧片(目的是方便放被稱物體)，利用漆包線與永磁鐵在通電情況下由于磁通量變化而引起的相互的排斥力致使系統(tǒng)回到初始狀態(tài)，完成物體的測量。方案四： 在總結(jié)了前兩種方案的設(shè)計后，決定采用類似天平的機械結(jié)構(gòu),即在力臂上架一個托盤,用指針式萬用表的表頭來代替力發(fā)生器,當有重物作用于托盤時，力臂向下運動，位移傳感器

22、會測得一個位移量，通過控制系統(tǒng)驅(qū)動力發(fā)生器（指針式萬用表表頭）致使表頭產(chǎn)生向上的力來對抗力臂位置的改變,并通過測量平衡時電流的大小計算物體的重量。圖圖 2-4 系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)圖系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)圖第四種方案雖不如第二種方案的電磁力及測量范圍大，但由于其制作簡單、材料收集容易、控制方便、便于測量等，故最后采用這種測量方案。2.2 反饋控制部分各模塊設(shè)計方案分析2.2.1 顯示模塊方案分析在本設(shè)計中，為了方便觀察最后的測量結(jié)果，需要對測量數(shù)據(jù)進行顯示。要求具有體積小、功耗低、顯示內(nèi)容豐富等特點的顯示模塊。下面對幾種可能的方案進西南科技大學本科生畢業(yè)論文7行論證。方案一：采用 4 位 LED 數(shù)碼顯示數(shù)據(jù)采

23、用 4 位 LED 數(shù)碼顯示數(shù)據(jù)的優(yōu)點有成本低，應(yīng)用廣泛，在系統(tǒng)實時性要求不高的情況下可采用動態(tài)掃描方式顯示數(shù)據(jù)，在系統(tǒng)實時性要求較高的情況下應(yīng)采用靜態(tài)顯示方式。如下圖所示，采用靜態(tài)顯示方式，節(jié)約了 CPU 工作時間，但增加了外圍器件和外圍電路復(fù)雜程度。而且顯示信息太單調(diào)只能顯示數(shù)字 0-9，操作界面差。圖圖 2-5 LED 靜態(tài)顯示電路圖靜態(tài)顯示電路圖方案二：利用液晶顯示模塊液晶顯示模塊具有體積小、功耗低、顯示內(nèi)容豐富等特點，現(xiàn)在字符型液晶顯示模塊已經(jīng)是單片機應(yīng)用設(shè)計中最常用的信息顯示器件了。LCD1602 顯示模塊內(nèi)集成了豐富的字符庫，能顯示所有大小寫的英文字符和其他很多常用的特殊字符。并

24、且性價比較高，擁有豐富的資料和用戶群，完全符合設(shè)計需求。LCD1602 可以顯示 2 行 16 個字符，有 8 位數(shù)據(jù)總線 D0-D7，和 RS 、R/W，EN 三個控制端口，工作電壓為 5V，并且?guī)в凶址麑Ρ榷日{(diào)節(jié)和背光。該西南科技大學本科生畢業(yè)論文8模塊也可以只用 D4-D7 作為四位數(shù)據(jù)分兩次傳送。這樣的話可以節(jié)省 MCU 的 I/O口資源。與 LED 數(shù)碼管顯示相比較很容易看出液晶顯示模塊具有顯示內(nèi)容豐富、功耗低的優(yōu)勢，故采用液晶顯示模塊作為本設(shè)計的顯示模塊。2.2.2 單片機控制系統(tǒng)方案分析為了對系統(tǒng)的反饋信號進行進一步的處理并輸出調(diào)節(jié)信號，需要設(shè)計一個控制器對各模塊輸出控制信號并且

25、能對各種數(shù)據(jù)進行處理，并且要求控制器運算速度快、工作穩(wěn)定、內(nèi)部集成度高。下面對兩種常用的單片機控制器進行比較論證，選擇合適的控制處理。方案一：采用 51 系列單片機作為控制核心51 系列單片機是目前低端市場最常用的控制器，它具有 4k 字節(jié)可重擦寫 Flash閃速存儲器，1000 次擦寫次數(shù)，OHz-24MHz 的工作頻率，32 個可編程 I/0 口，2個 16 位定時/計數(shù)器，6 個中斷源，低功耗空閑和掉電模式。優(yōu)點是使用廣泛，價格低廉，有很多成熟的技術(shù)資料可以采用，但缺點是 I/O 口驅(qū)動能力低，指令運算速度慢，主要是內(nèi)部沒有集成 A/D 轉(zhuǎn)換器，必須外接獨立的A/D 轉(zhuǎn)換器，增加了成本和

26、外圍電路的復(fù)雜性。方案二：采用 MEGA16 作為控制核心AVR 單片機是由 ATMEL 公司研發(fā)出的增強型內(nèi)置 Flash 的 RISC(Reduced Instruction Set CPU) 精簡指令集高速 8 位單片機。具有高性能、低功耗的特點，還采用了先進的 RISC 結(jié)構(gòu)，只需兩個時鐘周期的硬件乘法器，16K 字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程 Flash，擦寫壽命達 10,000 次，兩個具有獨立預(yù)分頻器和比較器功能的 8 位定時器/計數(shù)器，一個具有預(yù)分頻器、比較功能和捕捉功能的 16 位定時器/計數(shù)器，帶有四通道 PWM，8 路 10 位 ADC，8 個單端通道、7 個差分通道，2 個具有可編

27、程增益(1x,10 x 或 200 x)的差分通道?？晒ぷ饔谥鳈C/從機模式的 SPI 串行接口，具有獨立片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器，6 種睡眠模式：空閑模式、ADC 噪聲抑制模式、省電模式、掉電模式、Standby 模式以及擴展的 Standby 模式。ATmega16L 在 1 MHz, 3V, 25c 時的功耗，正常模式：1.1mA，空閑模式：0.35 mA，掉電模式： 1 NA。西南科技大學本科生畢業(yè)論文9通過比較 51 和 MEGA16 的產(chǎn)品特性可以看出 MEGA16 內(nèi)部采用先進的 RISC結(jié)構(gòu)，四通道 PWM，8 路 10 位 ADC，2 個具有可編程增益(1x, 10 x，

28、或 200 x)的差分通道，具有獨立片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器，以及低功耗。這些都是設(shè)計中需要用到，而 51 系列單片機不具備的，若要采用 51 系列作為控制器的話，就必須在外圍硬件中加入獨立的 A/D 轉(zhuǎn)換器件和差分運算電路。因此在設(shè)計中采用MEGA16 可以在達到設(shè)計要求的情況下簡化系統(tǒng)外圍電路，節(jié)約設(shè)計制作成本。2.3 反饋控制算法設(shè)計方案的分析為了能對前向通道輸出的位移信號進行處理并輸出相應(yīng)的反饋調(diào)節(jié)信號，則必須加入反饋控制算法。算法要求響應(yīng)速度快，能達到較高的控制精度。1、一般控制算法利用單片機執(zhí)行速度較快的特點，對位移采樣，再根據(jù)采樣結(jié)果進行判斷，增加或減少 PWM 占空比。圖

29、圖 2-6 一般控制算法流程圖一般控制算法流程圖優(yōu)點是算法簡單，利用簡單的 IF 判別語句和 PWM 波占空比按固定值增加就能實現(xiàn)。缺點是控制速度慢，系統(tǒng)達到平衡需要很久的時間，而且系統(tǒng)容易受外界干擾影響產(chǎn)生不必要的振動。2、PID 控制算法選擇論證西南科技大學本科生畢業(yè)論文10為了使加快系統(tǒng)響應(yīng)速度和提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，考慮采用 PID 控制算法完成系統(tǒng)得反饋控制。常規(guī)的 PID 算法分為位置式 PID，增量式 PID 等，在實際中又對這幾種方法進行了改進，演變出了積分分離 PID 控制算法，不完全微分 PID 控制算法，微分先行 PID 控制算法，帶死區(qū)的 PID 控制算法下面對這幾種常用的

30、PID 控制算法進行分析比較，選擇一個能滿足系統(tǒng)控制要求的最簡單 PID 控制算法13。(1)、采用位置式 PID 控制算法位置式 PID 控制算法的基本算式： （2-1）)1(111TeeTTeTeKunnnkDkInPn其中 T 是采樣時間。這種算法的缺點是，由于全量輸出，所以每次輸出均與過去的狀態(tài)有關(guān)，計算時要對采樣值 e(k)進行累加，計算機運算工作量大。而且，因為計算機輸出的 U(k)對應(yīng)的是執(zhí)行機構(gòu)的實際位置，如出現(xiàn)故障，U(k)的值產(chǎn)生大幅度變化，會引起執(zhí)行機構(gòu)的大幅度變化，這種情況是實踐中不允許的，在某些場合還有可能造成重大的事故。(2)、采用增量式 PID 控制算法對位置式算

31、式加以變換，可以得到 PID 調(diào)節(jié)算法的另一種實用形式： （2-2）)2(1)(2111nnnDnInnPnnneeeTTeTeeKuuu令，,PKA/pKT/pDCK TT可以得到一個方程，這個方程，經(jīng)常用來在計算機上做邏輯運算，所謂增量式 PID控制算法，指的是數(shù)字控制器的輸出只是控制量u(k),由于計算機輸出的是增量，所以誤動作時影響小，必要時可以用邏輯判斷的方法去掉。算式中不需要累加，控制增量u(k)的確定僅與最近 K 次的采樣值有關(guān)。(3)、帶死區(qū)的 PID 控制算法在計算機控制系統(tǒng)中，某些系統(tǒng)為了避免控制動作的過于頻繁，消除由于頻繁動作所引起的振蕩，可以采用帶死區(qū)的 PID 控制算

32、法，西南科技大學本科生畢業(yè)論文11 （2-3）時當時當00)()()(0)(ekeekekeke在式中，死區(qū)0e是一個可調(diào)的參數(shù)，其具體數(shù)值可根據(jù)實際控制對象由實驗確定。若0e值太小，使控制動作過于頻繁，達不到穩(wěn)定控制對象的目的；若0e值太大，則系統(tǒng)將產(chǎn)生較大的滯后。此系統(tǒng)實際上是一個非線性系統(tǒng)。即當時，數(shù)字調(diào)節(jié)器輸出為零；0| ( )| |e ke當時，數(shù)字調(diào)節(jié)器有 PID 輸出。0| ( )| |e ke分析上述幾種控制算法的優(yōu)劣可以得出，在控制系統(tǒng)設(shè)計中為了減少控制器運算工作量、消除由于頻繁動作所引起的振蕩，故綜合增量式 PID 控制算法和死區(qū)概念的優(yōu)點，采用帶死區(qū)的增量式 PID 控制

33、算法實現(xiàn)反饋控制。西南科技大學本科生畢業(yè)論文12第 3 章 反饋控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計整個反饋控制系統(tǒng)得主要作用是對位移檢測電路檢測到的位移信號進行處理，利用 PID 控制算法計算出控制參量，反饋給力發(fā)生器驅(qū)動電路，驅(qū)動力發(fā)生器發(fā)出調(diào)節(jié)信號。另外還需要將測量數(shù)據(jù)傳送給顯示模塊顯示出來。3.1 系統(tǒng)硬件組成概述反饋控制系統(tǒng)硬件由電磁力發(fā)生器，反饋電流驅(qū)動電路，位移檢測電路，LCD1602 顯示電路，單片機控制系統(tǒng)，系統(tǒng)電源電路組成。反饋控制部分設(shè)計主要包括：LCD1602 顯示電路，單片機控制系統(tǒng)，系統(tǒng)電源電路硬件電路的設(shè)計制作。系統(tǒng)框圖如圖 3-1 所示，系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)圖如圖 2-4 所示。圖圖

34、3-1 系統(tǒng)框圖系統(tǒng)框圖3.2 系統(tǒng)電源設(shè)計直流穩(wěn)壓電源的種類很多，常見的主要有以下四類：第一類是穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電源，它的特點是電路結(jié)構(gòu)簡單，但功率小，穩(wěn)定精度低；第二類是晶體管串聯(lián)調(diào)整式穩(wěn)壓電源，它的主要特點是電路結(jié)構(gòu)比較簡單，工作可靠，功率較大，穩(wěn)壓精度高，無電磁干擾，但效率低；第三類是集成穩(wěn)壓器，它的主要特點是體積小、可靠性高以及溫度特性好，而且使用方便、價格便宜；第四類是開關(guān)式穩(wěn)壓管，它的主要特點是效率高，溫升低，電路便于集成化，但電路較復(fù)雜，并有高頻干擾存在電磁力發(fā)生器反饋電流驅(qū)動模塊位移檢測電路單片機控制系統(tǒng)模塊LCD顯示模塊壓力敏感結(jié)構(gòu)西南科技大學本科生畢業(yè)論文1310。根據(jù)本設(shè)

35、計對電源的要求需要+5V 單向直流穩(wěn)壓，我們選擇了用集成穩(wěn)壓器來制作直流穩(wěn)壓源。以下是直流穩(wěn)壓源的一般框圖。圖圖 3-2 直流穩(wěn)壓電源組成框圖直流穩(wěn)壓電源組成框圖變壓-將交流電網(wǎng)電壓變成所需的交流電壓。變壓過程通常由變壓器來完成。整流-將交流電變成直流電。整流電路通常由半波整流電路，全波整流電路，橋式整流電路。為了克服前兩種整流電路的缺點，提高整流效率，通常采用橋式整流電路。濾波-將整流所得的脈動電流(大小發(fā)生規(guī)律性變化)中的交流成分濾除，常用的濾波電路有電容濾波，電感濾波及阻容濾波。其中電容和電感是兩種常見的濾波元件，其工作原理可看為：一是利用它們在二極管導電時貯存一部分能量，然后再逐漸釋放

36、出來，從而得到比較平滑的波形；二是由于電容和電感對于交流成分和直流成分反映出來的阻抗不同，若將其放入適當?shù)碾娐分校梢赃_到降低交流成分，保留直流成分的目的，體現(xiàn)出濾波的作用。穩(wěn)壓-將濾波電路輸出的直流電壓穩(wěn)定不變，即使輸出的直流電壓不隨電網(wǎng)電壓，負載等的變化而變化。穩(wěn)壓功能可由穩(wěn)壓二級管穩(wěn)壓電路，串聯(lián)式穩(wěn)壓電路，開關(guān)式穩(wěn)壓電路等完成。在本部分電源設(shè)計中(1)變壓部分,采用只有一個副邊線圈的變壓器，將 220V 的交流電轉(zhuǎn)換成 15V 的交流電。(2)整流部分，采用橋式整流電路，用只有一個副邊線圈的變壓器，而能達到全波整流的目的。(3)濾波部分，采用電容濾波電路組成低通濾波器，利用電容器的充電和

37、放電，對脈動電壓起到了“填平補齊”的作用，使負載上的電壓得到了平滑。(4)穩(wěn)壓部分，采用集成穩(wěn)壓電源，集成穩(wěn)壓電源與一般分立元件的穩(wěn)壓電源相西南科技大學本科生畢業(yè)論文14比較，具有性能優(yōu)良、可靠性高、體積小、價格低廉的優(yōu)點，78、79 系列集成穩(wěn)壓器是一種有廣泛用途的三端集成穩(wěn)壓器。它有若干種輸出電壓和三種輸出電流。其內(nèi)部設(shè)置了過流、過熱及調(diào)整管安全區(qū)保護電路，所以芯片使用安全可靠。典型使用時可不加外接件。7805 穩(wěn)壓器的應(yīng)用電路如圖所示，220V 交流電經(jīng)變壓器降壓，再經(jīng)橋式整流，濾波后，加到 7805 穩(wěn)壓器的輸入端，從輸出端便可輸出穩(wěn)定的標稱直流電壓。為了改善紋波電壓，常在輸入端接入電

38、容 C1，一般 C1 的容量為 0.33uf。同時，在輸出端接上電容 C2，以改善負載的瞬態(tài)響應(yīng)，C2 的容量一般為 0.1uf。兩個電容一般直接接在引腳處。圖圖 3-3 三端集成穩(wěn)壓三端集成穩(wěn)壓+5V 電源電源輸出電流：L 檔為小于 100mA，M 檔為小于 0.5A，無字母檔為小于 1.5A。輸入輸出壓差：2V。輸出電壓：5V、6V、8V、12V、15V、18V、24V。最大輸入電壓：Vo520V 時 Vimax 35V。Vo24V 時 Vimax 40V。工作溫度范圍：070。內(nèi)部功率耗散：內(nèi)部限制。西南科技大學本科生畢業(yè)論文153.3 LCD1602 顯示電路設(shè)計該模塊主要實現(xiàn)測量結(jié)果

39、的顯示。為了提高顯示效果采用 OCM1602A 型字符型液晶顯示模塊。字符型液晶顯示模塊是一種專門用于顯示字母、數(shù)字、符號等點陣式 LCD，目前常用 16*1，16*2，20*2 和 40*2 行等的模塊。其引腳說明如下VDD：電源正極，4.55.5V，通常使用 5V 電壓；VL：LCD 對比度調(diào)節(jié)端，電壓調(diào)節(jié)范圍為 05V。接正電源時對比度最弱，接地電源時對比度最高，但對比度過高時會產(chǎn)生“鬼影”，因此通常使用一個 10K 的電位器來調(diào)整對比度，或者直接串接一個電阻到地；RS：MCU 寫入數(shù)據(jù)或者指令選擇端。MCU 要寫入指令時，使 RS 為低電平；MCU 要寫入數(shù)據(jù)時，使 RS 為高電平；R

40、/W：讀寫控制端。R/W 為高電平時，讀取數(shù)據(jù)；R/W 為低電平時，寫入數(shù)據(jù)；E：LCD 模塊使能信號控制端。寫數(shù)據(jù)時，需要下降沿觸發(fā)模塊；D0D7：8 位數(shù)據(jù)總線，三態(tài)雙向。如果 MCU 的 I/O 口資源緊張的話，該模塊也可以只使用 4 位數(shù)據(jù)線 D4D7 接口傳送數(shù)據(jù)。本充電器就是采用 4 位數(shù)據(jù)傳送方式；BLA： LED 背光正極。需要背光時，BLA 串接一個限流電阻接 VDD，BLK 接地，實測該模塊的背光電流為 50mA 左右；BLK： LED 背光地端。表表 3-1 1602B 引腳說明引腳說明編號符號引腳說明編號符號引腳說明1VSS電源地9D2雙向數(shù)據(jù)口2VDD電源正極10D3

41、雙向數(shù)據(jù)口3VL對比度調(diào)節(jié)11D4雙向數(shù)據(jù)口4RS數(shù)據(jù)/命令選擇12D5雙向數(shù)據(jù)口5R/W讀/寫選擇13D6雙向數(shù)據(jù)口6E模塊使能端14D7雙向數(shù)據(jù)口7D0雙向數(shù)據(jù)口15BLK背光源地8D1雙向數(shù)據(jù)口16BLA背光源正極 1602 液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲器(CGROM)已經(jīng)存儲了 160 個不同的點陣字符圖形，如表 3-1 所示，這些字符有：阿拉伯數(shù)字、英文字母的大小寫、常用的符西南科技大學本科生畢業(yè)論文16號、和日文假名等，每一個字符都有一個固定的代碼，比如大寫的英文字母“A”的代碼是 01000001B(41H)，顯示時模塊把地址 41H 中的點陣字符圖形顯示出來，就能顯示字母“A”。

42、表表 3-2 CGROM 和和 CGRAM 中字符代碼和字符圖形對應(yīng)關(guān)系中字符代碼和字符圖形對應(yīng)關(guān)系1602 液晶模塊內(nèi)部的控制器共有 11 條控制指令，如表 3-3 所示，它的讀寫操作、屏幕和光標的操作都是通過指令編程來實現(xiàn)的。表表 3-3 指令表指令表硬件連接電路圖 西南科技大學本科生畢業(yè)論文17圖圖 3-4 LCD1602A 硬件連接硬件連接在本設(shè)計中為了節(jié)省控制系統(tǒng)的 I/O 資源，只使用 4 位數(shù)據(jù)線 D4D7 接口傳送數(shù)據(jù)。3.4 單片機控制系統(tǒng)模塊設(shè)計在本設(shè)計中，單片機控制系統(tǒng)采用 AT MEGA16 作為信息的控制處理核心。完成位移測量，PWM 占空比控制，電流測量，測量結(jié)果顯

43、示，等多種功能。本設(shè)計從實用性、設(shè)計、貨源及其價格的角度出發(fā)，考慮到在設(shè)計中需要采用 A/D，PID控制算法，為了響應(yīng)更具實時性，外圍電路更簡單，成本更低，故本設(shè)計選用常用的 AT MEGA16 單片機，四通道 PWM，8 路 10 位 ADC，8 個單端通道，2 個具有可編程增益（1x, 10 x, 或 200 x）的差分通道5。AT MEGA16 單片機不僅完全可以實現(xiàn)對力的測量和測量結(jié)果顯示，而且可以在線編程調(diào)試，適合設(shè)計的要求。3.4.1 單片機控制系統(tǒng)及 ISP 并口下載電路西南科技大學本科生畢業(yè)論文18圖圖 3-5 單片機控制系統(tǒng)連接圖單片機控制系統(tǒng)連接圖圖圖 3-6 ISP 并口

44、下載電路并口下載電路西南科技大學本科生畢業(yè)論文193.4.2 位移測量電路采集數(shù)據(jù)的 A/D 轉(zhuǎn)換為了簡化電路節(jié)約成本，本模塊中不采用獨立的 A/D 轉(zhuǎn)換芯片，利用 MEGA 16片內(nèi)自帶的 A/D 轉(zhuǎn)換器對位移檢測電路輸出的模擬信號進行采樣。在MEGA16內(nèi)部集成的A/D轉(zhuǎn)換器具有以下特點：擁有10位 精度，0.5 LSB 的非線性度， 2 LSB 的絕對精度，65 - 260 s 的轉(zhuǎn)換時間，最高分辨率時采樣率高達15kSPS，8路復(fù)用的單端輸入通道，7路差分輸入通道，2個具有可編程增益(1x, 10 x，或200 x)的差分通道，可選的左對齊ADC讀數(shù)，0 - VCC 的ADC輸入電壓范

45、圍，可選的2.56V ADC 參考電壓，連續(xù)轉(zhuǎn)換或單次轉(zhuǎn)換模式，通過自動觸發(fā)中斷源啟動ADC 轉(zhuǎn)換，ADC 轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷，基于睡眠模式的噪聲抑制器5。圖圖 3-7 AD 轉(zhuǎn)換濾波線路的設(shè)計轉(zhuǎn)換濾波線路的設(shè)計為減小 AD 轉(zhuǎn)換的電源干擾，Mega16 芯片有獨立的 AD 電源供電。官方文檔推薦在 VCC 串上一只 10uH 的電感(L1)，然后接一只 0.1uF 的電容到地(C3)。Mega16 內(nèi)帶 2.56V 標準參考電壓。也可以從外面輸入?yún)⒖茧妷?，比如在外面使用TL431 基準電壓源。不過一般的應(yīng)用使用內(nèi)部自帶的參考電壓已經(jīng)足夠。習慣上在AREF 腳上接一只 0.1uF 的電容到地(C4)

46、。設(shè)備內(nèi)部及外部的數(shù)字電路都會產(chǎn)生電磁干擾(EMI)，從而影響模擬測量的精度。在設(shè)計中通過以下方法來減少噪聲。(1)模擬通路越短越好；(2) AVCC 應(yīng)通過一個LC 網(wǎng)絡(luò)與數(shù)字電壓源VCC 連接；西南科技大學本科生畢業(yè)論文20(3)使用ADC噪聲抑制器來降低來自CPU 的干擾噪聲；(4)在ADC端口被用作數(shù)字輸出時，必須保證在轉(zhuǎn)換進行過程中它們不會有電平的切換。西南科技大學本科生畢業(yè)論文21第 4 章 反饋式力傳感器控制系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計主程序控制單片機系統(tǒng)按預(yù)定的操作方式運行，是單片機系統(tǒng)程序的框架。上電后，儀器首先進行整機初始化處理。主程序的初始化模塊主要完成儀器硬件、軟

47、件的初態(tài)設(shè)置，單片機內(nèi)專用寄存器的設(shè)定，單片機工作方式及各端口的工作狀態(tài)的規(guī)定。開始結(jié)束系統(tǒng)初始化顯示W(wǎng)ELCOMEPLEASE WAIT。調(diào)用PID反饋控制函數(shù)使系統(tǒng)達到初始狀態(tài)計算物體重量顯示測量結(jié)果1602顯示模塊初始化圖圖 4-1 主程序流程圖主程序流程圖西南科技大學本科生畢業(yè)論文224.2 PID 控制算法程序設(shè)計PID 工作基理：由于來自外界的各種擾動不斷產(chǎn)生，要想達到現(xiàn)場控制對象值保持恒定的目的，控制作用就必須不斷的進行。若擾動出現(xiàn)使得現(xiàn)場控制對象值(以下簡稱被控參數(shù))發(fā)生變化，現(xiàn)場檢測元件就會將這種變化記錄并傳送給 PID 控制器，改變過程變量值(以下簡稱 PV 值)，經(jīng)變送器

48、送至 PID 控制器的輸入端，并與其給定值(以下簡稱 SP 值)進行比較得到偏差值(以下簡稱 e 值)，調(diào)節(jié)器按此偏差并以我們預(yù)先設(shè)定的整定參數(shù)控制規(guī)律發(fā)出控制信號，去改變調(diào)節(jié)器的開度，使調(diào)節(jié)器的開度增加或減少，從而使現(xiàn)場控制對象值發(fā)生改變，并趨向于給定值(SP 值)，以達到控制目的。比例調(diào)節(jié)作用：是按比例反應(yīng)系統(tǒng)的偏差，系統(tǒng)一旦出現(xiàn)了偏差，比例調(diào)節(jié)立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用用以減少偏差。比例作用大，可以加快調(diào)節(jié)，減少誤差，但是過大的比例，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。積分調(diào)節(jié)作用：是使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高無差度。因為有誤差，積分調(diào)節(jié)就進行，直至無差，積分調(diào)節(jié)停止，積分調(diào)節(jié)輸出一常值。積分

49、作用的強弱取決與積分時間常數(shù) Ti，Ti 越小，積分作用就越強。反之 Ti 大則積分作用弱，加入積分調(diào)節(jié)可使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動態(tài)響應(yīng)變慢。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。微分調(diào)節(jié)作用：微分作用反映系統(tǒng)偏差信號的變化率，具有預(yù)見性，能預(yù)見偏差變化的趨勢，因此能產(chǎn)生超前的控制作用，在偏差還沒有形成之前，已被微分調(diào)節(jié)作用消除。因此，可以改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。在微分時間選擇合適情況下，可以減少超調(diào)，減少調(diào)節(jié)時間。微分作用對噪聲干擾有放大作用，因此過強的加微分調(diào)節(jié)，對系統(tǒng)抗干擾不利。此外，微分反應(yīng)的是變化率，而當輸入沒有變化時，微分作用輸出為零。微分作用不能單獨使用，

50、需要與另外兩種調(diào)節(jié)規(guī)律相結(jié)合，組成 PD或 PID 控制器。PID 控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值 R(t)與實際輸出值 C(t)構(gòu)成控制偏差 E(t) = R(t) C(t)。將偏差的比例(P)，積分(I)和微分(D)通過線性組合構(gòu)成控制量，對被控對象進行控制。其控制規(guī)律表達式為：西南科技大學本科生畢業(yè)論文23 （4-1）)1(dtdeTedtTeKUDIp式中：測量值與給定值的偏差；e微分時間；DT積分之間；iT調(diào)節(jié)器的放大系數(shù)，又叫調(diào)節(jié)器的比例帶。pk1/pk 圖圖 4-2 模擬模擬 PID 控制系統(tǒng)原理框圖控制系統(tǒng)原理框圖為了避免控制動作的過于頻繁，消除由于頻繁運動所引起的振蕩，

51、采用了帶死區(qū)的 PID 控制，相應(yīng)得控制算式為 （4-2）時當時當00)()()(0)(ekeekekekeR(k)+-e(k)e(k)-eo+eoPID控制器生產(chǎn)過程Tc(t)圖圖 4-3 帶死區(qū)的帶死區(qū)的 PID 控制系統(tǒng)框圖控制系統(tǒng)框圖被控對象微分積分比例E(t)U(t)R(t)C(t)+-西南科技大學本科生畢業(yè)論文24在式中，死區(qū)是一個可調(diào)的參數(shù)，其具體數(shù)值可根據(jù)實際控制對象由實驗確0e定。若值太小，使控制動作過于頻繁，達不到穩(wěn)定控制對象的目的；若值太大，0e0e則系統(tǒng)將產(chǎn)生較大的滯后。此系統(tǒng)實際上是一個非線性系統(tǒng)。即當時，數(shù)0( )| |e ke字調(diào)節(jié)器輸出為零；當時，數(shù)字調(diào)節(jié)器有

52、PID 輸出。0| ( )| |e ke我們在設(shè)計中采用常用的 PI 控制算法，增量式 PI 調(diào)節(jié)器(Td=0)，基本算式采用增量形式，寫成為 （4-3）nInnPnneKeeKuu)(11這里，其中是當前的期望值，也是當前平衡位_nvcalnvdesen_nvdes置的給定值，是當前位移的計算值，也就是位移檢測電路得到的信號經(jīng)過_nvcal單片機 AD 采樣計算后的位移值。是當前的 PI 調(diào)節(jié)器的輸出值，是上一個周nu1nu期 T 得到的 PI 調(diào)節(jié)器的輸出值。和為待整定參數(shù)。PKIK故在設(shè)計中采用帶死區(qū)的比例積分控制(PI)，算法流程如下圖所示。西南科技大學本科生畢業(yè)論文25開始本次采樣輸

53、入 C (k)計算偏差值 E (k) = R (k) C (k)設(shè)初值E (k - 1）= E (k ) = 0計算控制參數(shù) A，BE (k) = | E. | ?計算控制量U (k)U (k) = A*E (k) + B*( E (k ) E (k - 1) )A/DD/A輸出U (k)力發(fā)生器驅(qū)動電路為下一時刻作準備E (k) E (k - 1)采樣時刻到嗎？U (k) = 0NYYN圖圖 4-4 帶死區(qū)的帶死區(qū)的 PI 控制算法流程圖控制算法流程圖PID 控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計的核心內(nèi)容。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。PID 控制

54、器參數(shù)整定的方法很多，概括起來有兩大類：一是理論計算整定法。它主要是 依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學模型，經(jīng)過理論計算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過工程實際進行調(diào)整和修改。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，在工程實際中被廣泛采用。PID西南科技大學本科生畢業(yè)論文26控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線法和衰減法。三種方法各有其特點，其共同點都是通過試驗，然后按照工程經(jīng)驗公式對控制器參數(shù)進行整定。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需要在實際運行中進行最后調(diào)整與完善。一般而言，這些方法都要求取得被控對

55、象在一定控制作用下的響應(yīng)曲線。但是，我們的力反饋控制系統(tǒng)中的被控對象是活動線圈，其空轉(zhuǎn)情況下的負載與放入重物時的負載有很大區(qū)別。而硬件上又沒有可以記錄響應(yīng)情況的存儲器，更不具備自學習自適應(yīng)的功能，因而按照標準的程式進行參數(shù)整定幾乎是不可能的。實際整定的過程可以說是仿照“臨界比例法”的思路做“試湊” 。所謂“臨界比例法” ，是指讓帶有調(diào)節(jié)器的系統(tǒng)閉環(huán)工作，但暫時去掉積分作用和微分作用，只保留比例作用。先找到一個可以讓系統(tǒng)比較穩(wěn)定的比例參數(shù)，然后逐漸減小調(diào)節(jié)器的比例帶，直到系統(tǒng)發(fā)生持續(xù) 45 次的比較穩(wěn)定的等幅振蕩為止。仿照這一思路，最終的整定辦法是nInnPnneKeeKuu)(11(1)置控制

56、器積分時間(相當于屏蔽掉了積分參數(shù))，給比例帶設(shè)定一個較大IT 的值使系統(tǒng)運行，當系統(tǒng)運行達到穩(wěn)定后。(2)逐漸減小比例帶（增大）直至杠桿出現(xiàn)比較明顯的等幅振蕩跡象，但保證PK這個振蕩不是發(fā)散的。記下這時的值。PK(3)確定后，設(shè)定一個較大的積分時間從 0.002(由于最大位移差為 610)開始PKIT增大，反復(fù)試驗直至達到比較滿意的控制效果為止。IK(4)在此基礎(chǔ)上再小范圍調(diào)節(jié)、。PKIK通過上述整定步驟，得到、參數(shù)分別為 1.1 和 0.03(設(shè)定過程見第 5 章 PIDPKIK控制算法參數(shù)調(diào)節(jié))。在這組參數(shù)下能達到比較好的控制效果。4.3 1602 顯示驅(qū)動程序設(shè)計主要完成系統(tǒng)測量結(jié)果的

57、顯示，并且為使用者提供一個良好的用戶界面。西南科技大學本科生畢業(yè)論文27置位RS及EN調(diào)用寫地址函數(shù)，設(shè)置1602顯示模塊的X，Y坐標開始初始化1602顯示模塊向1602模塊寫入字符接受輸入信號判斷字符串是否結(jié)束向1602模塊寫入控制指令結(jié)束判斷是指令還是地址數(shù)據(jù)指令地址NY圖圖 4-5 1602 顯示驅(qū)動程序流程圖顯示驅(qū)動程序流程圖為了節(jié)約單片機控制器的 I/O 端口，在程序設(shè)計時采用了四-線式數(shù)據(jù)傳輸模式。將標準的 8 位數(shù)據(jù)分為高 4 位和低 4 位分別送入 1602 顯示模塊的 D4 -D7 口，西南科技大學本科生畢業(yè)論文28在兩次數(shù)據(jù)傳輸之間加入 1602 液晶使能指令。完成 8 位

58、數(shù)據(jù)的正確傳輸。西南科技大學本科生畢業(yè)論文29第 5 章 反饋式力傳感器系統(tǒng)的調(diào)試及結(jié)論調(diào)試部分是設(shè)計的關(guān)鍵部分，通過對系統(tǒng)的調(diào)試可以檢驗系統(tǒng)電路是否可以達到滿足設(shè)計要求。由于本設(shè)計題目由多個模塊組成，各模塊之間相互獨立，由單片機控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制，因此，我在設(shè)計時將各個模塊分離，進行獨立設(shè)計，調(diào)試。最后再將各個模塊整合到一起進行系統(tǒng)調(diào)試。5.1 單片機微處理系統(tǒng)調(diào)試及軟件編譯環(huán)境這一部分的調(diào)試是整個反饋控制系統(tǒng)調(diào)試的基礎(chǔ)，在這一系統(tǒng)調(diào)試成功的基礎(chǔ)上才能對其他模塊進行下一步調(diào)試。參照 MEGA16 數(shù)據(jù)手冊設(shè)計制作出單片機的最小系統(tǒng)，再逐步加上復(fù)位電路，加上 AD 轉(zhuǎn)換濾波線路，引出下載引腳，引

59、出 1602模塊的數(shù)據(jù)和控制引腳，再根據(jù)雙龍公司給出的 ISP 下載電路圖制作一塊 ISP 并口下載電路。如下圖所示。圖圖 5-1 軟件調(diào)試環(huán)境軟件調(diào)試環(huán)境 ICCAVR6.1西南科技大學本科生畢業(yè)論文30圖圖 5-2 單片機小系統(tǒng)單片機小系統(tǒng)圖圖 5-3 單片機單片機 ISP 并口下載電路并口下載電路5.2 1602 顯示模塊調(diào)試參照 1602 顯示模塊的數(shù)據(jù)手冊，了解 1602 的使用方法。熟悉它的工作時序，利用它的指令顯示指定的字符。在第一行顯示“ 1602 Test！”在第二行顯示“Hello! 2007523 ” 西南科技大學本科生畢業(yè)論文31圖圖 5-4 1602 模塊調(diào)試圖模塊調(diào)

60、試圖5.3 位移測量電路調(diào)試在位移檢測傳感器的設(shè)計調(diào)試過程中，制作和比較了多種方案。一開始采用直射式光電對管來判斷杠桿是否處于平衡位置，后來在分析中發(fā)現(xiàn)考慮到用這種方法只能測得開關(guān)量，無法測得精確的位移量。第 2 種方案采用一個紅外發(fā)射二極管和兩個并排的接收二極管檢測位移量，示意圖及原理圖如下。圖圖 5-5 位移檢測示意圖位移檢測示意圖圖圖 5-6 位移檢測原理圖位移檢測原理圖西南科技大學本科生畢業(yè)論文32由于 MEGA16 內(nèi)部自帶有 8 路的 AD 轉(zhuǎn)換通道，所以在實際確定最后方案時省去了后續(xù)的差分運算電路，直接送入 MEGA16 的 AD 轉(zhuǎn)換通道進行差分運算。由于人工安裝精度的誤差，在