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）畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（畢業(yè)論文）過(guò)程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置開(kāi)發(fā)——PI-P數(shù)字調(diào)節(jié)器

摘要在過(guò)程控制中，調(diào)節(jié)器是由大量運(yùn)算單元組成。它們的性能直接關(guān)系到生產(chǎn)過(guò)程的平穩(wěn)運(yùn)行和產(chǎn)品的最終質(zhì)量，與企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益息息相關(guān)，因而其優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。系統(tǒng)穩(wěn)定是調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)首先需要考慮的問(wèn)題，如果系統(tǒng)不穩(wěn)定，提高其它性能也就沒(méi)有意義了。常規(guī)的模擬調(diào)節(jié)裝置之所以采用基本PID控制方案，主要是因?yàn)樗诂F(xiàn)場(chǎng)能夠獲得直觀的、有效的控制效果。因此，直到現(xiàn)在它仍然是一種最基本的控制規(guī)律。而采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的數(shù)字PID算法，由于軟件系統(tǒng)的靈活性，使算法得到了進(jìn)一步修正和完善。PID控制算法的種類(lèi)很多，應(yīng)用場(chǎng)合不同對(duì)算法的要求也有所不同。本次設(shè)計(jì)主要對(duì)積分分離式PID控制算法進(jìn)行了重點(diǎn)的研究，結(jié)果證明在一定場(chǎng)合下積分分離式PID控制算法優(yōu)于基本的PID算法。關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；PID調(diào)節(jié)器；積分分離內(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）ProcessControlSystemExperimentalDeviceDevelopment--PI-PDigitalRegulatorAbstractIntheprocesscontrol,regulatoriscomprisedofagreatdealofarithmeticelements.Theirperformancehasimmediaterelationwithsmoothrunninginthecourseofproductionandthefinalqualityofproducts.Itisalsocloselyinterrelatedtotheeconomicbenefitofenterprises.Soithasfar-reachingsignificationthattheoptimizationdesignofPIDcontrolunites.Thestabilityoftheclosed-loopsystemisthefirstconsiderationinthecontrollerdesign.Ifthesystemisunstable,theimprovementoftheotherperformanceswouldbenotsignification.ThemainreasonthatthebasicPIDcontrolprogramcanbewidelyusedinconventionalsimulationregulatingdeviceisthatwecangetvisualandeffectivecontrolresultinthesitebyit.Soitstillbeabasiccontrollawuntilnow.Duetotheflexibilityofsoftwaresystem,thedigitalPIDalgorithmaccomplishedbymicro-computerisfurtherrevisedandimproved.TherearemanytypesofPIDcontrolalgorithm,differentapplicationsneeddifferentalgorithms.ThispaperonlystudyintegralseparationofPIDcontrolalgorithmsimply.TheresultsprovethattheintegralseparationPIDalgorithmisbetterthantheconventionalPIDalgorithminsomecertainoccasions.keyword：Single-chipComputers;PIDregulator;IntegralSeparation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）目錄摘要 IAbstract II第一章引言 11.1PID控制器的現(xiàn)狀 11.2PID控制器設(shè)計(jì)方法回顧 21.3設(shè)計(jì)PID控制器應(yīng)考慮的問(wèn)題 2第二章常規(guī)PID控制器 32.1控制器的基礎(chǔ)知識(shí) 32.1.1比例作用 32.1.2積分作用 42.1.3微分作用 42.2模擬PID調(diào)節(jié)器 42.3數(shù)字PID控制算法 52.3.1位置式PID控制算法 52.3.2增量式PID控制算法 62.4數(shù)字調(diào)節(jié)器的整體設(shè)計(jì) 72.4.1功能和要求 72.4.2整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 8第三章硬件設(shè)計(jì) 93.1單片機(jī) 93.1.1單片機(jī)的發(fā)展概況 93.1.2單片機(jī)AT89C51 93.2A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì) 113.3D/A轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì) 133.4復(fù)位電路設(shè)計(jì) 153.5鍵盤(pán)電路設(shè)計(jì) 163.6顯示電路設(shè)計(jì) 163.6.1LED數(shù)碼管 163.6.2顯示電路 17第四章軟件設(shè)計(jì) 204.1軟件流程介紹 204.2數(shù)字濾波 224.3標(biāo)度變換 234.4偏差處理 244.4.1較大偏差處理 244.4.2較小偏差處理 244.5不完全微分的PID算法設(shè)計(jì) 254.6積分分離算法設(shè)計(jì) 274.7限幅程序設(shè)計(jì) 284.8報(bào)警程序設(shè)計(jì) 284.9鍵盤(pán)程序設(shè)計(jì) 294.9.1鍵盤(pán)掃描 294.9.2按鍵處理 30第五章調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)中遇到的問(wèn)題 335.1數(shù)字PID控制器采樣周期的選擇 335.2正反作用問(wèn)題 335.3手動(dòng)/自動(dòng)無(wú)擾動(dòng)切換 345.4控制規(guī)律的選擇 345.4.1比例控制規(guī)律（P） 345.4.2比例積分控制規(guī)律（PI） 345.4.3比例微分控制規(guī)律（PD） 345.4.4比例積分微分控制規(guī)律（PID） 355.5PID參數(shù)整定 355.5.1PID參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響 355.5.2PID參數(shù)整定 355.6調(diào)節(jié)器測(cè)試實(shí)驗(yàn) 36結(jié)束語(yǔ) 43參考文獻(xiàn) 44附錄A硬件圖 45附錄B源程序 46致謝 57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）引言PID控制器的現(xiàn)狀在工業(yè)過(guò)程控制中，PID控制是歷史最悠久，生命力最強(qiáng)的一種控制方式。它是迄今為止最通用的控制方法[1]。它提供一種反饋控制，通過(guò)積分作用可以消除穩(wěn)態(tài)誤差，通過(guò)微分作用可以預(yù)測(cè)未來(lái)[9]。PID控制器能解決許多控制問(wèn)題，尤其在動(dòng)態(tài)過(guò)程是良性的和性能要求不太高的情況下。PID控制不僅是分布式控制系統(tǒng)的重要組成部分，而且嵌入在許多有特殊要求的控制系統(tǒng)中。在過(guò)程控制中，90%以上的控制回路采用PID類(lèi)型的控制器，因此，大多數(shù)反饋回路采用該方法或其較小的變形來(lái)控制。我們今天所熟知的PID控制器產(chǎn)生并發(fā)展于1915--1940年期間。盡管1940年以來(lái)，許多先進(jìn)的控制方法不斷推出，但PID控制器以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，仍被廣泛應(yīng)用于冶金、化工、電力、輕工和機(jī)械等工業(yè)過(guò)程控制中。據(jù)日本電氣計(jì)量器工業(yè)會(huì)先進(jìn)控制動(dòng)向調(diào)查委員會(huì)統(tǒng)計(jì)，在日本有91%的控制回路采用的是PID控制器控制。在美國(guó)，據(jù)控制工程雜志估計(jì)，有90%以上的工業(yè)控制器采用的是PID控制器。而在我國(guó)現(xiàn)在PID調(diào)節(jié)器的應(yīng)用就更加普遍。雖然隨著控制理論的發(fā)展和控制手段的更新，許多基于現(xiàn)代控制理論的新型控制器不斷出現(xiàn)，但PID控制仍是最重要的控制方法。據(jù)估計(jì)：在我國(guó)過(guò)程控制工業(yè)中需要約50萬(wàn)個(gè)智能的PID控制器。PID調(diào)節(jié)器的發(fā)展經(jīng)歷了液動(dòng)式、氣動(dòng)式幾個(gè)階段，目前正經(jīng)歷由模擬控制器向著數(shù)字化、智能化控制器的方向發(fā)展階段；這些數(shù)字化、智能化的控制器有著傳統(tǒng)的模擬控制器無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，如：可以靈活的改變控制參數(shù)；可以靈活的改變控制策略等。隨著工業(yè)的發(fā)展，對(duì)象的復(fù)雜程度不斷加深，尤其對(duì)于大滯后、時(shí)變的、非線性的復(fù)雜系統(tǒng)：其中有的參數(shù)未知或緩慢變化；有的帶有延時(shí)或隨機(jī)干擾；有的無(wú)法獲得較精確的數(shù)學(xué)模型或模型非常粗糙。加之，人們對(duì)控制品質(zhì)的要求日益提高，基本PID控制器的缺陷逐漸暴露出來(lái)。對(duì)于時(shí)變對(duì)象和非線性系統(tǒng)，基本的PID控制更是顯得無(wú)能為力。因此，基本PID控制的應(yīng)用受到很大限制和挑戰(zhàn)。人們?cè)趯?duì)PID應(yīng)用的同時(shí)，也對(duì)其控制算法進(jìn)行了各種改進(jìn)，例如：不完全微分PID算式、積分分離PID算式、變速積分PID算式和帶死區(qū)PID算式等。PID控制器設(shè)計(jì)方法回顧在過(guò)去的幾十年中，人們提出了許多PID控制器的設(shè)計(jì)方法。然而，在這些方法中沒(méi)有一種是能得到普遍接受的，也就是最好的控制方法依然沒(méi)有找到。另一方面，也需要各種各樣整定PID控制器的方法：從一些簡(jiǎn)單的整定方法到基于對(duì)象模型的更精確的設(shè)計(jì)方法。各種不同的控制問(wèn)題要有不同的設(shè)計(jì)方法來(lái)解決。大多數(shù)設(shè)計(jì)方法往往僅考慮了控制問(wèn)題的一個(gè)方面，例如：有些設(shè)計(jì)方法只考慮了抑制負(fù)載擾動(dòng)而沒(méi)有考慮設(shè)定值跟蹤。一個(gè)好的設(shè)計(jì)方法應(yīng)該滿足一系列工程指標(biāo)，如：負(fù)載擾動(dòng)抑制、設(shè)定值跟蹤以及控制器的非脆弱性等。許多傳統(tǒng)的PID控制器設(shè)計(jì)方法沒(méi)有對(duì)這些方面進(jìn)行全面考慮，而是采用一種不能令人滿意的折衷手段。設(shè)計(jì)PID控制器應(yīng)考慮的問(wèn)題當(dāng)我們?nèi)ソ鉀Q一個(gè)實(shí)際控制問(wèn)題的時(shí)候，首先必須弄清楚控制的主要目的，也就是找出重點(diǎn)要解決的問(wèn)題。一般來(lái)說(shuō)好的設(shè)定值跟蹤和快速抑制負(fù)載擾動(dòng)是兩個(gè)主要控制目標(biāo)[10]。由于一些性能指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)往往受到PID控制器結(jié)構(gòu)形式的限制。例如：利用傳統(tǒng)的單自由度控制器就無(wú)法同時(shí)滿足設(shè)定值跟蹤和負(fù)載擾動(dòng)抑制的要求；線性積分器在提高系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度的同時(shí)，也帶來(lái)了相位的滯后，惡化了控制系統(tǒng)的品質(zhì)，時(shí)常引起系統(tǒng)快速性與穩(wěn)定性之間不可調(diào)和的矛盾[2]。因此，對(duì)控制器的結(jié)構(gòu)形式要做一些深入研究，可根據(jù)控制系統(tǒng)的實(shí)際要求，采用非常規(guī)PID控制器。常規(guī)PID控制器控制器的基礎(chǔ)知識(shí)PID控制器是一種基于“過(guò)去”、“現(xiàn)在”和“未來(lái)”信息估計(jì)的簡(jiǎn)單算法?；綪ID控制系統(tǒng)原理圖如圖2.1所示：圖2.1PID控制系統(tǒng)原理圖系統(tǒng)主要由PID控制器和被控對(duì)象組成。作為一種線性控制器，它根據(jù)設(shè)定值ysp(t)和被控對(duì)象的反饋值y(t)構(gòu)成控制偏差e(t)，將偏差按比例、積分和微分通過(guò)線性組合構(gòu)成控制量P(t)，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制?？刂破鞯妮斎胼敵鲫P(guān)系可描述為：(2.1)式中：，KP為比例系數(shù)，TI為積分時(shí)間常數(shù)，TD為微分時(shí)間常數(shù)。比例作用比例作用的引入是為了及時(shí)成比例的反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)e(t)，以最快速度產(chǎn)生控制作用，使偏差向減小的方向變化。由于比例調(diào)節(jié)器的輸出和輸入成比例關(guān)系，只要有偏差存在，調(diào)節(jié)器的輸出立刻與偏差成比例的變化，因此比例調(diào)節(jié)作用及時(shí)迅速，這是它的一個(gè)顯著特點(diǎn)。但是這種調(diào)節(jié)器用在控制系統(tǒng)中，將會(huì)使系統(tǒng)出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)誤差，也就是說(shuō)，當(dāng)被控變量受干擾影響而偏離給定值后，不可能再回到原先數(shù)值上，因?yàn)槿绻豢刈兞恐岛徒o定值之間的偏差為零，調(diào)節(jié)器的輸出就不會(huì)發(fā)生變化，系統(tǒng)也就無(wú)法保持平衡。為了減小穩(wěn)態(tài)誤差，可增大KP。KP越大，穩(wěn)態(tài)誤差越小。但KP增大將使系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差，容易產(chǎn)生振蕩。比例調(diào)節(jié)器一般用在干擾較小，允許有穩(wěn)態(tài)誤差的系統(tǒng)中。積分作用在積分控制中，控制器的輸出與輸入偏差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。對(duì)于一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱(chēng)這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡(jiǎn)稱(chēng)有差系統(tǒng)。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣，即便偏差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。因此，比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差。微分作用在微分控制中，控制器的輸出與輸入偏差信號(hào)的微分（即偏差的變化率）成正比關(guān)系。自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服偏差的調(diào)節(jié)過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后組件，具有抑制偏差的作用，其變化總是落后于偏差的變化。解決的辦法是使抑制偏差的作用的變化“超前”，即在偏差接近零時(shí)，抑制偏差的作用就應(yīng)該是零。這就是說(shuō)，在控制器中僅引入“比例”項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大偏差的幅值，而目前需要增加的是“微分項(xiàng)”，它能預(yù)測(cè)偏差變化的趨勢(shì)，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制偏差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。所以對(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì)象，比例+微分(PD)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性。模擬PID調(diào)節(jié)器模擬PID控制器，實(shí)際上是由電阻、電容、運(yùn)算放大器構(gòu)成的模擬電子電路來(lái)實(shí)現(xiàn)PID運(yùn)算的功能[3]。模擬PID控制電路如圖2.2所示：圖2.2模擬PID控制電路圖在圖中，前半部分是比例微分（PD）電路，CD、RD及R1、R2組成無(wú)源比例微分電路，運(yùn)算放大器A1構(gòu)成同相比例放大器。后半部分是比例積分電路，CI、RI構(gòu)成輸入電路，CM為反饋電容，電阻RI、電容CM構(gòu)成積分電路，電容CI，CM和運(yùn)算放大器A2構(gòu)成比例電路。輸入信號(hào)uI通過(guò)PID運(yùn)算電路得到輸出電壓信號(hào)u0。輸出信號(hào)與輸入信號(hào)的傳遞函數(shù)關(guān)系如圖2.3所示：圖2.3輸出信號(hào)與輸入信號(hào)的傳遞函數(shù)關(guān)系圖這就是反映PID電路的輸出/輸入信號(hào)的關(guān)系。為了實(shí)現(xiàn)較好的控制效果，需要對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行整定，調(diào)節(jié)電位器RD、RPD和RI來(lái)獲得不同的比例、積分、微分作用，這就是常規(guī)的模擬PID調(diào)節(jié)的原理。數(shù)字PID控制算法控制算法是調(diào)節(jié)器的一個(gè)重要組成部分，整個(gè)調(diào)節(jié)器的功能主要由控制算法來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字PID控制器正在逐漸取代模擬PID控制器。數(shù)字PID控制算法通常分為位置式PID控制算法和增量式PID控制算法[4]。位置式PID控制算法在模擬控制系統(tǒng)中，PID算法的表達(dá)式為：（2.2）式中：P(t)調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)；e(t)調(diào)節(jié)器的偏差信號(hào)，它等于測(cè)量值與給定值之差；KP調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；TI調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間；TD調(diào)節(jié)器的微分時(shí)間。由于計(jì)算機(jī)控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差值計(jì)算控制量，因此必須對(duì)（2.2）式進(jìn)行離散化處理，用數(shù)字形式的差分方程代替連續(xù)系統(tǒng)的微分方程，此時(shí)積分項(xiàng)和微分項(xiàng)可用求和及增量式表示：（2.3）（2.4）可得到離散的PID表達(dá)式：（2.5）式中：△t=T采樣周期，必須使T足夠小，才能保證系統(tǒng)有一定的精度；E(k)第k次采樣時(shí)的偏差值；E(k-1)第k-1次采樣時(shí)的偏差值；k采樣序號(hào)，k=0，1，2，….；P(k)第k次采樣時(shí)調(diào)節(jié)器的輸出。由于（2.5）式的輸出值與閥門(mén)開(kāi)度的位置一一對(duì)應(yīng)，因此通常把上式稱(chēng)為位置型PID控制算式。這種算法的缺點(diǎn)是：由于全量輸出，所以每次輸出都與過(guò)去的狀態(tài)有關(guān)，計(jì)算時(shí)要對(duì)e(k)進(jìn)行累加，計(jì)算機(jī)運(yùn)算的工作量大。因?yàn)橛?jì)算機(jī)的輸出對(duì)應(yīng)的是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置，如果計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障，P(k)的大幅度變化，會(huì)引起執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置的大幅度變化，這種情況往往是生產(chǎn)實(shí)踐中不允許的，在某些場(chǎng)合，還可能造成重大的生產(chǎn)事故，因而產(chǎn)生了增量式PID控制算法。增量式PID控制算法當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要的是控制量的增量時(shí)，由（2.5）式可導(dǎo)出提供增量的PID控制算法。根據(jù)遞推原理可得：（2.6）用式（2.5）減去（2.6），可得（2.7）式(2.7)稱(chēng)為增量式PID控制算法?？梢钥闯觯捎谝话阌?jì)算機(jī)控制系統(tǒng)采用恒定的采樣周期T，一旦確定了KP，KI，KD只要使用前后三次測(cè)量值的偏差，即可由(2.7)式求出控制增量。當(dāng)采用增量式控制算法時(shí)，計(jì)算機(jī)輸出的控制增量△P(k)對(duì)應(yīng)的是本次執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置(如閥門(mén)開(kāi)度)的增量。對(duì)應(yīng)閥門(mén)實(shí)際位置的控制量，目前采用較多的是利用算式P(k)=P(k-1)十△P(k)通過(guò)軟件來(lái)完成。增量式控制雖然只是在算法上作了一點(diǎn)改進(jìn)，但卻帶來(lái)了不少的優(yōu)點(diǎn)：（1）由于計(jì)算機(jī)輸出增量，所以誤動(dòng)作時(shí)影響小，必要時(shí)可用邏輯判斷的方法去除。（2）手動(dòng)—自動(dòng)切換時(shí)沖擊小，便于實(shí)現(xiàn)無(wú)擾動(dòng)切換。此外，當(dāng)計(jì)算機(jī)發(fā)生故障時(shí)，由于輸出通道或執(zhí)行裝置具有信號(hào)的鎖存作用，故能保持原值。（3）算式中不需要累加，控制增量△P(k)的確定僅與最近三次的采樣值有關(guān)，所以較容易通過(guò)加權(quán)處理而獲得較好的控制效果。但增量式控制也有其不足之處：積分截?cái)嘈?yīng)大；溢出的影響大。因此，在選擇時(shí)不可一概而論，一般認(rèn)為在以晶閘管作為執(zhí)行器或在控制精度要求高的系統(tǒng)中，可以采用位置式控制算法。而在以步進(jìn)電機(jī)或電動(dòng)閥門(mén)作為執(zhí)行器的系統(tǒng)中，則可采用增量式控制算法。數(shù)字調(diào)節(jié)器的整體設(shè)計(jì)功能和要求本次設(shè)計(jì)的數(shù)字調(diào)節(jié)器應(yīng)能達(dá)到以下功能和要求：(1)可以人為方便地設(shè)定被控變量的設(shè)定值，調(diào)節(jié)器能自動(dòng)將被控變量調(diào)節(jié)至此設(shè)定值并能保持，直至重新設(shè)定為另一設(shè)定值，即能自動(dòng)調(diào)節(jié)；(2)能夠?qū)崿F(xiàn)被控變量的實(shí)時(shí)顯示功能；(3)能夠?qū)崿F(xiàn)輸入輸出處理，且具有抗積分飽和功能；(4)具有手動(dòng)/自動(dòng)無(wú)擾動(dòng)切換功能；(5)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單易懂，可靠性好，不容易出現(xiàn)故障，易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)該調(diào)節(jié)器的硬件部分主要由單片機(jī)AT89C51、A/D轉(zhuǎn)換器TLC0832、D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832、人機(jī)接口部件(4×4矩陣鍵盤(pán)和LED數(shù)碼管)等組成。數(shù)字式PID調(diào)節(jié)器總體結(jié)構(gòu)圖如圖2.4所示：圖2.4數(shù)字式PID調(diào)節(jié)器總體結(jié)構(gòu)圖A/D轉(zhuǎn)換器是把檢測(cè)裝置輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送到單片機(jī)中，單片機(jī)把輸入的測(cè)量值與給定值進(jìn)行偏差計(jì)算，并對(duì)偏差進(jìn)行處理，將經(jīng)過(guò)處理的偏差按照相應(yīng)的PID運(yùn)算規(guī)律進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算的結(jié)果（即單片機(jī)輸出的控制量）是數(shù)字量，而執(zhí)行器往往需要的是模擬量，通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換器，把單片機(jī)輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量去驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器。人機(jī)交互換接口（鍵盤(pán)和顯示）在設(shè)計(jì)中也是必不可少的，它是控制系統(tǒng)與操作人員之間交互的窗口。這樣操作人員可以通過(guò)顯示的內(nèi)容，及時(shí)掌握生產(chǎn)情況，并通過(guò)鍵盤(pán)修改數(shù)據(jù)，傳遞命令，對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行人工干預(yù)，使其隨時(shí)能按照操作人員的意圖工作。軟件部分采用C51編程，C51是一種結(jié)構(gòu)化的語(yǔ)言，具有靈活、高效等優(yōu)點(diǎn)。同匯編編程相比，整個(gè)程序可讀性和結(jié)構(gòu)化較好，算法的實(shí)現(xiàn)也較匯編語(yǔ)言簡(jiǎn)單。硬件設(shè)計(jì)單片機(jī)單片機(jī)的發(fā)展概況目前，計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)向巨型化、微型化和單片三個(gè)方向高速發(fā)展。自1975年美國(guó)德克薩斯儀器公司第一塊單片微型計(jì)算機(jī)芯片TMS-100問(wèn)世以來(lái)，在短短的二十多年間，單片機(jī)技術(shù)已發(fā)展成為計(jì)算機(jī)技術(shù)一個(gè)非常有前途的分支，他有自己的技術(shù)特征、規(guī)范、發(fā)展道路和應(yīng)用領(lǐng)域。單片機(jī)是為了滿足工業(yè)控制需要而誕生的，是自動(dòng)控制系統(tǒng)的核心部件，因而也主要用于工業(yè)控制、智能化儀器儀表、家用電器中。它具有體積小、個(gè)性突出（某些方面的性能指標(biāo)大大優(yōu)于通用微機(jī)中央處理器）、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用領(lǐng)域正在不斷擴(kuò)大，除了工業(yè)控制、智能化儀表、通訊、家用電器外，在智能化高檔電子玩具產(chǎn)品中也大量采用單片機(jī)芯片作為核心控制部件[5]。單片機(jī)AT89C51AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱(chēng)單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除1000次以上。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器。AT89C51單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)格低廉的方案。圖3.1AT89C51引腳圖VCC：供電電壓。GND：接地。P0口：作為I/O口使用時(shí)，P0口是漏級(jí)開(kāi)路雙向口，向口鎖存器寫(xiě)入1，I/O引腳將懸空，可作高阻輸入引腳；在讀寫(xiě)外部存儲(chǔ)器時(shí)，P0口作為“低8位地址/數(shù)據(jù)”總線使用。

P1口：內(nèi)部帶有弱上拉電阻的雙向I/O口，作為輸入引腳使用前，先向P1口鎖存器寫(xiě)入1，使P1口引腳被上拉為高電平。P1.0、P1.1引腳除了作為一般I/O引腳使用外，還具有第二輸入/輸出功能：T2(P1.0)：定時(shí)器T2的計(jì)數(shù)輸入端或定時(shí)器T2的時(shí)鐘輸出端；T2EX（P1.1）：定時(shí)器T2外部觸發(fā)輸入端。P2口：內(nèi)部帶有弱上拉電阻的雙向I/O口，作為輸入引腳使用前，先向P2口鎖存器寫(xiě)入1，使P2口引腳被上拉為高電平。在讀寫(xiě)外部存儲(chǔ)器時(shí)，P2口輸出高8位地址A15～A8。P3口：內(nèi)部帶有弱上拉電阻的雙向I/O口，作為輸入引腳使用前，先向P3口鎖存器寫(xiě)入1，使P3口引腳被上拉為高電平。P3口除了可作為一般I/O引腳使用外，還具有第二輸入輸出功能：P3.0RXD：串行數(shù)據(jù)接收（輸入）端；P3.1TXD：串行數(shù)據(jù)發(fā)送（輸出）端；P3.2：外部中斷0輸入端；P3.3：外部中斷1輸出端；P3.4T0：定時(shí)/計(jì)數(shù)器T0的外部輸入端；P3.5T1：定時(shí)/計(jì)數(shù)器T1的外部輸入端P3.6：外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通，低電平有效；P3.7：外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通，低電平有效；RST：復(fù)位信號(hào)輸入端。高電平有效。ALE：當(dāng)訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的低位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時(shí)，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過(guò)一個(gè)ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無(wú)效。：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次有效。但在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的信號(hào)將不出現(xiàn)。

/VPP：外部程序存儲(chǔ)器選擇信號(hào)，低電平有效。當(dāng)/VPP引腳接地（即低電平）時(shí)，將從外部程序存儲(chǔ)器讀取指令碼；當(dāng)/VPP引腳接高電平時(shí)，將從內(nèi)部程序存儲(chǔ)器讀取指令。XTAL1：片內(nèi)晶振電路反相放大器輸入端；XTAL2：片內(nèi)晶振電路反相放大器輸出端。A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)A/D轉(zhuǎn)換器用以實(shí)現(xiàn)模擬量向數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。按轉(zhuǎn)換原理可分為4種：計(jì)數(shù)式、雙積分式、逐次逼近式及并行式A/D轉(zhuǎn)換器。目前最常用的是雙積分式和逐次逼近式。雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器的主要優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)換精度高、抗干擾性能好、價(jià)格便宜；缺點(diǎn)為轉(zhuǎn)換速度較慢。因此這種轉(zhuǎn)換器主要用于轉(zhuǎn)換速度要求不高的場(chǎng)合。另一種常用的A/D轉(zhuǎn)換器是逐次逼近式。逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器是一種轉(zhuǎn)換速度較快、精度較高的轉(zhuǎn)換器，其轉(zhuǎn)換時(shí)間大約在幾微秒到幾百微秒之間。本次設(shè)計(jì)模/數(shù)轉(zhuǎn)換器采用的是8位逐次逼近型電壓A/D轉(zhuǎn)換器TLC0832，它有兩個(gè)可多路選擇的輸入通道CH0、CH1。圖3.2TLC0832工作時(shí)序與多路器控制邏輯圖TLC0832的多路器可用軟件配置為單端輸入或差分輸入。差分的模擬電壓輸入可以共模抑制和使模擬輸入電壓偏移值為零。另外，輸入基準(zhǔn)電壓可以調(diào)整大小，在全8位分辨率下允許任意小的模擬電壓編碼間隔。當(dāng)連到分配為正端的輸入電壓低于分配為負(fù)端的輸入電壓時(shí)，轉(zhuǎn)換結(jié)果為全0。由于該設(shè)計(jì)只需要將被測(cè)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換即可，所以采用單通道輸入。圖3.3TLC0832接線圖置為低電平才能啟動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)始，使所有邏輯電路使能。在整個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程中必須置為低。在轉(zhuǎn)換過(guò)程中，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)從DO端輸出，以最高位開(kāi)頭。經(jīng)過(guò)8個(gè)時(shí)鐘后，轉(zhuǎn)換完成。當(dāng)變高，內(nèi)部所有寄存器清零。此時(shí)，輸出電路變?yōu)楦咦锠顟B(tài)。如果希望開(kāi)始另一個(gè)轉(zhuǎn)換，必須做一個(gè)從高到低的跳變，后面緊接地址數(shù)據(jù)。DI和DO端可以連在一起，通過(guò)一根線連到單片機(jī)的一個(gè)雙向I/O口進(jìn)行控制。之所以能這樣做是因?yàn)镈I端只在多路器尋址時(shí)被檢測(cè)，而此時(shí)DO端仍為高阻狀態(tài)。D/A轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)D/A轉(zhuǎn)換器的作用是將計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量，是模擬量輸出通道的重要組成部分，其精度和性能直接影響著控制效果。從D/A轉(zhuǎn)換位數(shù)上來(lái)說(shuō)，有8位、10位、12位、16位等，按其工作方式可分并行和串行兩種。DAC0832為一個(gè)8位D/A轉(zhuǎn)換器，單電源供電，在+5V~+15V范圍內(nèi)均可正常工作?；鶞?zhǔn)電壓的范圍為±10V，電流建立時(shí)間為1μs，CMOS工藝，低功耗20mW。DAC0832由8位輸入寄存器、8位DAC寄存器和8位D/A轉(zhuǎn)換器構(gòu)成。DAC0832中有兩級(jí)鎖存器，第一級(jí)即輸入寄存器，第二級(jí)即DAC寄存器。DAC0832可處于三種不同的工作方式[5]：直通方式：當(dāng)ILE接高電平，、、和都接地時(shí)，DAC處于直通方式，8位數(shù)字量一旦到達(dá)DI7～DI0端，就立即加到8位D/A轉(zhuǎn)換器，被轉(zhuǎn)換成模擬量。圖3.4D/A轉(zhuǎn)換部分硬件圖單緩沖方式：只要把兩個(gè)寄存器中的任何一個(gè)接成直通方式，而用另一個(gè)鎖存器數(shù)據(jù)，DAC就可處于單緩沖工作方式。一般的做法是將和都接地，使DAC寄存器處于直通方式，另外把ILE接高電平，接端口地址譯碼信號(hào)，接單片機(jī)的信號(hào)，這樣就可以通過(guò)一條指令，選中該端口，使和有效，啟動(dòng)D/A轉(zhuǎn)換。雙緩沖方式：主要在以下兩種情況下需要用雙緩沖方式的D/A轉(zhuǎn)換。需在程序的控制下，先把轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)送入輸入寄存器，然后在某個(gè)時(shí)刻再啟動(dòng)D/A轉(zhuǎn)換。這樣，可先選中端口，把數(shù)據(jù)寫(xiě)入輸入寄存器；再選中端口，把輸入寄存器內(nèi)容寫(xiě)入DAC寄存器，實(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換。在需要同步進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換的多路DAC系統(tǒng)中，采用雙緩沖方式，可以在不同的時(shí)刻把要轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)送到各DAC的輸入寄存器，然后由一個(gè)轉(zhuǎn)換命令同時(shí)啟動(dòng)多個(gè)DAC轉(zhuǎn)換。先用3條輸出指令選擇3個(gè)端口，分別將數(shù)據(jù)寫(xiě)入各DAC的輸入寄存器，當(dāng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒后，再執(zhí)行一次寫(xiě)操作，使變低同時(shí)選通2個(gè)D/A的DAC寄存器，實(shí)現(xiàn)同步轉(zhuǎn)換。由于本次設(shè)計(jì)的調(diào)節(jié)器的輸出只有一個(gè)，所以只要DAC0832工作在直通方式下即可。復(fù)位電路設(shè)計(jì)圖3.5復(fù)位電路圖3.5(a)是最簡(jiǎn)單的復(fù)位電路，在VCC和RST端接一電容量為22uF左右的電解電容，利用RST內(nèi)部復(fù)位下拉電阻RRST(40K~220K)便構(gòu)成了復(fù)位電路。接通電源瞬間，電容C上的電壓很小，復(fù)位下拉電阻RRST上電壓接近電源電壓，即RST為高電平，在電容充電過(guò)程中，RST端電位逐漸下降，當(dāng)RST端電位小于某一數(shù)值后，單片機(jī)脫離復(fù)位狀態(tài)。只要電容C容量足夠大，即可保證RST高電平有效時(shí)間大于24個(gè)振蕩周期，單片機(jī)就能可靠復(fù)位。圖3.5(b)復(fù)位電路與圖3.5(a)類(lèi)似，僅增加了外接電阻R1和二極管VD。二極管VD的作用在于停電后，給電容C提供迅速放電通路，保證再上電時(shí)RST為高電平，使單片機(jī)可靠復(fù)位。正常工作時(shí)，二極管VD反偏，對(duì)電路沒(méi)有影響，而斷電后，VCC逐漸下降，當(dāng)VCC=0時(shí)，相當(dāng)于VCC端與地等電位，這時(shí)電容C通過(guò)VD迅速放電，放電通路為C正極—電源VCC端（與地等電位）—二極管VD正極—二極管VD負(fù)極—C負(fù)極，保證再上電時(shí)，RST端為高電平。圖3.5(c)增加了手動(dòng)復(fù)位按鈕，避免死機(jī)時(shí)通過(guò)關(guān)機(jī)復(fù)位。復(fù)位按鈕按下時(shí)，電容C通過(guò)R2放電，當(dāng)電容C放電結(jié)束后，RST端的電位由R2、R1分壓比決定。由于R2<<R1，因此RST為高電平，單片機(jī)進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)，松手后，電容C充電，RST端電位下降，單片機(jī)脫離復(fù)位狀態(tài)。R2的作用在于限制按鈕按下的瞬間電容C的放電電流，避免產(chǎn)生火花，以保護(hù)按鈕的觸點(diǎn)。鍵盤(pán)電路設(shè)計(jì)鍵盤(pán)實(shí)際上是由排列成矩陣形式的一系列按鍵開(kāi)關(guān)組成的，它是單片機(jī)系統(tǒng)中最常用的人機(jī)聯(lián)系的一種輸入設(shè)備，可分為編碼鍵盤(pán)和非編碼鍵盤(pán)。閉合鍵的識(shí)別由專(zhuān)用的硬件譯碼器實(shí)現(xiàn)并產(chǎn)生鍵編號(hào)或鍵值的稱(chēng)為編碼鍵盤(pán)，如BCD碼鍵盤(pán)、ASCII鍵盤(pán)等。這種鍵盤(pán)使用方便，但價(jià)格較貴?？寇浖R(shí)別的稱(chēng)為非編碼鍵盤(pán)。在此設(shè)計(jì)中，鍵盤(pán)用來(lái)設(shè)定目標(biāo)溫度、PID參數(shù)，以及控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換。本次設(shè)計(jì)采用非編碼鍵盤(pán)。非編碼式鍵盤(pán)一般采用行列式結(jié)構(gòu)并按矩陣形式排列，如圖3.6所示：圖3.64×4行列式鍵盤(pán)的基本結(jié)構(gòu)示意圖4×4表示有4根行線和4根列線，在每根行線和列線的交叉點(diǎn)上均分布1個(gè)單觸點(diǎn)按鍵，共有16個(gè)按鍵。顯示電路設(shè)計(jì)LED數(shù)碼管LED數(shù)碼顯示是一種由LED發(fā)光二極管組合顯示字符的顯示器件。它使用了8個(gè)LED發(fā)光二極管，其中7個(gè)用于顯示字符,1個(gè)用于顯示小數(shù)點(diǎn)，故通常稱(chēng)之為7段(也有稱(chēng)作8段)發(fā)光二極管數(shù)碼顯示器。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3.7所示：圖3.7LED數(shù)碼管內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖LED數(shù)碼顯示器有兩種連接方法：共陰極接法：把發(fā)光二極管的陰極連在一起構(gòu)成公共陰極，使用時(shí)公共陰極接地。每個(gè)發(fā)光二極管的陽(yáng)極通過(guò)電阻與輸入端相連。共陽(yáng)極接法：把發(fā)光二極管的陽(yáng)極連在一起構(gòu)成公共陽(yáng)極，使用時(shí)公共陽(yáng)極接+5V。每個(gè)發(fā)光二極管的陰極通過(guò)電阻與輸入端相連。單片機(jī)與LED數(shù)碼顯示器有以硬件為主和以軟件為主的兩種接口方法。顯示電路在單片機(jī)系統(tǒng)中，通常用LED數(shù)碼管來(lái)顯示各種數(shù)字或符號(hào)。由于它具有顯示清晰、亮度高、使用電壓低、壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)，因此使用非常廣泛。對(duì)于多位數(shù)碼管來(lái)說(shuō)，為了簡(jiǎn)化線路、降低成本，往往采用以軟件為主的接口方法，即不使用專(zhuān)門(mén)的硬件譯碼器，而采用軟件程序進(jìn)行譯碼。由于各位數(shù)碼管的顯示段碼是互相并聯(lián)的，因此在同一時(shí)刻只能顯示同一種字符。對(duì)于這種接口電路來(lái)說(shuō)，其顯示方法有靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)顯示兩種。動(dòng)態(tài)顯示：如果要在同一時(shí)刻顯示不同的字符，從電路上看，這是辦不到的。因此只能利用人眼對(duì)視覺(jué)的殘留效應(yīng)，采用動(dòng)態(tài)掃描顯示的方法，逐個(gè)地循環(huán)點(diǎn)亮各位數(shù)碼管，每位顯示1ms左右，使人看起來(lái)就好像在同時(shí)顯示不同的字符一樣。在進(jìn)行動(dòng)態(tài)掃描顯示時(shí)，往往事先并不知道應(yīng)顯示什么內(nèi)容，這樣也就無(wú)從選擇被顯示字符的顯示段碼。為此，一般采用查表的方法，由待顯示的字符通過(guò)查表得到其對(duì)應(yīng)的顯示段碼。這種方式耗電少、硬件成本低，但需占用較多的單片機(jī)時(shí)間，故在工業(yè)控制中應(yīng)用較少。靜態(tài)顯示：所謂靜態(tài)顯示，就是在同一時(shí)刻只顯示1種字符，或者說(shuō)被顯示的字符在同一時(shí)刻是穩(wěn)定不變的。其顯示方法比較簡(jiǎn)單，就是利用鎖存器將各顯示單元鎖定，直到更新顯示內(nèi)容為止。它的優(yōu)點(diǎn)是軟件不必動(dòng)態(tài)掃描，送出段碼后可鎖存，直到需更改顯示字符，軟件簡(jiǎn)單，占用單片機(jī)時(shí)間較少，工作可靠，同時(shí)由于始終保持顯示所以亮度較好。由于本系統(tǒng)需要對(duì)控制信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)操作，故采用靜態(tài)顯示方式以減少單片機(jī)的負(fù)擔(dān)。系統(tǒng)顯示電路包括LED數(shù)碼管及LED指示燈兩部分，如圖3.8所示：圖3.8顯示部分硬件圖LED數(shù)碼管顯示電路采用四片首尾相連的74LS164作為L(zhǎng)ED數(shù)碼管的靜態(tài)顯示鎖存器。芯片74LS164為T(mén)TL單向8位移位寄存器，可實(shí)現(xiàn)串行輸入，并行輸出。其中A、B(第1、2管腳)為串行數(shù)據(jù)輸入端，2個(gè)引腳按邏輯與運(yùn)算規(guī)律輸入信號(hào)，公用一個(gè)輸入信號(hào)時(shí)可并接，本次設(shè)計(jì)中將其接到AT89C51的RxD端，CLK(第8管腳)為時(shí)鐘輸入端，連接到AT89C51的TxD端。每一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)的上升沿加到CLK端時(shí)，移位寄存器移一位，8個(gè)時(shí)鐘脈沖過(guò)后，8位二進(jìn)制數(shù)全部移入74LS164中。(第9腳)為復(fù)位端，當(dāng)=0時(shí)，移位寄存器各位復(fù)0，只有當(dāng)=1時(shí)，時(shí)鐘脈沖才起作用。故在本次設(shè)計(jì)中將接到+5V。Q1…Q8(第3-6和10-13引腳)并行輸出端分別接LED的a…Dp各端對(duì)應(yīng)的引腳上。74LS164具有10mA的輸出電流，可以直接輸出驅(qū)動(dòng)LED數(shù)碼管，但考慮到LED長(zhǎng)期運(yùn)行于10mA以上會(huì)縮短其壽命，故串入電阻加以限流。LED指示燈的作用是對(duì)較大偏差進(jìn)行報(bào)警、對(duì)調(diào)節(jié)器的工作狀態(tài)進(jìn)行指示。其電路相對(duì)比較簡(jiǎn)單，由于AT89C51單片機(jī)I/O端口的驅(qū)動(dòng)能力可直接對(duì)LED指示燈進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，因此無(wú)需對(duì)LED指示燈進(jìn)行額外的驅(qū)動(dòng)。電路中的電阻是為保護(hù)LED而設(shè)置的限流電阻。軟件設(shè)計(jì)軟件流程介紹在系統(tǒng)啟動(dòng)后，先要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，初始化的主要目的是對(duì)一些變量和參數(shù)進(jìn)行賦初值，然后啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，將輸入的0~5V的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量0~255。數(shù)據(jù)采集及數(shù)字濾波子程序，是對(duì)A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)字量進(jìn)行采集，將采集到的四次數(shù)據(jù)進(jìn)行平均值數(shù)字濾波，該平均值作為本次數(shù)據(jù)采集的采集結(jié)果。數(shù)字濾波是為了減少干擾在有用信號(hào)中的比重。標(biāo)度變換子程序是將采集到的測(cè)量值（0~255）轉(zhuǎn)換成0~100%，這樣做主要是為了統(tǒng)一變量，為工程計(jì)算提供方便。鍵盤(pán)子程序包括兩個(gè)部分：鍵盤(pán)掃描和鍵盤(pán)處理兩個(gè)部分。鍵盤(pán)掃描是對(duì)鍵盤(pán)的按鍵位置進(jìn)行判斷，并讀取相應(yīng)按鍵的鍵號(hào)，鍵盤(pán)處理是根據(jù)鍵盤(pán)掃描后得到的按鍵鍵號(hào)，賦予相應(yīng)的標(biāo)志位。手動(dòng)—自動(dòng)切換（控制狀態(tài)的改變）就是通過(guò)鍵盤(pán)改變標(biāo)志位來(lái)實(shí)現(xiàn)的。手動(dòng)控制實(shí)際上是通過(guò)增加鍵和減小鍵改變輸出值實(shí)現(xiàn)的，該輸出值是在自動(dòng)運(yùn)行的基礎(chǔ)上改變的。為了實(shí)現(xiàn)手動(dòng)—自動(dòng)無(wú)擾動(dòng)切換，需要將手動(dòng)輸出值進(jìn)行保存。一旦切向自動(dòng)，輸出等于切換瞬間的手動(dòng)控制量與自動(dòng)控制增量之和，這就實(shí)現(xiàn)了手自動(dòng)無(wú)擾動(dòng)切換。系統(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)控制后，首先需要進(jìn)行偏差計(jì)算，然后進(jìn)行偏差處理，偏差處理可分為較大偏差處理和較小偏差處理。較大偏差處理是為了防止微分響應(yīng)過(guò)大的偏差變化率。當(dāng)偏差較小時(shí)，經(jīng)PID計(jì)算出的控制增量幾乎為零，根據(jù)控制性能指標(biāo)可以將其忽略不計(jì)。這時(shí)就不進(jìn)行PID運(yùn)算，輸出保持不變。在PID計(jì)算中，首先計(jì)算比例增量，然后再計(jì)算微分增量，微分計(jì)算采用不完全微分算法，該算法能夠按照偏差的變化趨勢(shì)在整個(gè)調(diào)節(jié)過(guò)程中起作用，其微分作用是逐漸下降的，不易引起振蕩。積分部分采用的是積分分離算法，當(dāng)偏差|E(k)|＞A時(shí)，積分增量為0；當(dāng)偏差|E(k)|≤A時(shí)，計(jì)算積分增量。然后把比例增量、積分增量和微分增量求和，作為調(diào)節(jié)器的輸出增量。將該增量與本時(shí)刻采樣時(shí)的輸出相加求和，并對(duì)其進(jìn)行限幅處理，然后將該數(shù)據(jù)送到單片機(jī)的數(shù)據(jù)口進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換輸出模擬控制信號(hào)。圖4.1整體軟件流程圖數(shù)字濾波所謂數(shù)字濾波，就是通過(guò)程序計(jì)算或判斷以減少干擾在有用信號(hào)中的比重，故實(shí)際上它是一種程序?yàn)V波。與模擬濾波器相比，數(shù)字濾波具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）數(shù)字濾波是用程序?qū)崿F(xiàn)的，不需要增加硬件設(shè)備，所以可靠性高，穩(wěn)定性好。（2）數(shù)字濾波可以對(duì)頻率很低（如0.01Hz）的信號(hào)實(shí)現(xiàn)濾波，克服了模擬濾波器的缺陷。（3）模擬濾波器通常每個(gè)通道都要有，而數(shù)字濾波則可以做到多個(gè)通道共用，從而降低成本。（4）數(shù)字濾波器可以根據(jù)信號(hào)的不同，采用不同的濾波方法或?yàn)V波參數(shù)，具有靈活、方便、功能強(qiáng)的特點(diǎn)。隨著單片機(jī)運(yùn)算速度的提高，數(shù)字濾波法在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用也越來(lái)越廣。常用方法有算術(shù)平均值法，比較取舍法，中位值濾波法及一階慣性數(shù)字濾波法。（1）算術(shù)平均值濾波法就是對(duì)某一點(diǎn)的數(shù)據(jù)連續(xù)采樣多次，計(jì)算其平均值，以平均值作為該點(diǎn)的采樣結(jié)果。算術(shù)平均值法適用于具有隨機(jī)干擾的信號(hào)濾波。這種信號(hào)的特點(diǎn)是信號(hào)本身在某一數(shù)值范圍附近上下波動(dòng)，如測(cè)量流量、液位時(shí)經(jīng)常遇到這種情況。（2）比較取舍法是對(duì)每個(gè)采樣點(diǎn)連續(xù)采樣幾次，根據(jù)所采數(shù)據(jù)的變化規(guī)律確定取舍辦法。當(dāng)控制系統(tǒng)測(cè)量的個(gè)別數(shù)據(jù)存在偏差時(shí)，為了剔除個(gè)別錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，可采用比較取舍法。（3）中位值濾波法是對(duì)某一被測(cè)參數(shù)連續(xù)采樣幾次(一般N取奇數(shù))，將N次采樣值按從大到小順序排列，取中間值為本次采樣值。中位值濾波法能有效地克服偶然因素引起的波動(dòng)或采樣器不穩(wěn)定引起的誤碼等脈沖干擾。對(duì)溫度、液位等緩慢變化的被測(cè)參數(shù)采用此法極為有效，而對(duì)于流量、壓力等快速變化的參數(shù)一般不宜采用此方法。（4）一階慣性濾波法是用數(shù)字濾波算法等效一階慣性RC模擬低通濾波器來(lái)抑制低頻干擾。在濾波常數(shù)要求較大的場(chǎng)合比較適用，其對(duì)于周期性干擾（如50Hz的工頻干擾）具有良好的抑制作用。但也存在相位滯后，靈敏度低等不足。本次設(shè)計(jì)數(shù)字濾波部分采用的是平均值濾波法。標(biāo)度變換生產(chǎn)過(guò)程中的各種參數(shù)都具有不同的量綱和數(shù)值變化范圍，例如：溫度的單位為℃，流量的單位為m3/h，壓力的單位為Pa或MPa。所有這些參數(shù)都需要經(jīng)過(guò)變送器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)所能處理的數(shù)字量。由于不同的參數(shù)變化范圍和量綱是不同的，因此同樣的數(shù)字量表示的模擬量也可能是不同的，如數(shù)字量FAH，可能表示的是150℃的溫度，也可能表示的是50V的直流電壓；即使相同的量綱，如果變化范圍不同，相同的數(shù)字量表示的模擬量也是不同的，例如溫度的變化范圍是0~200℃，則數(shù)字量FFH表示的是200℃，而變化范圍是-100℃~為了生產(chǎn)過(guò)程及該調(diào)節(jié)器的通用性需要，必須把這些數(shù)字量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的不同量綱的物理量，使之便于顯示、記錄、打印和報(bào)警等操作。這種轉(zhuǎn)換被稱(chēng)為標(biāo)度變換或工程量轉(zhuǎn)換。常用的標(biāo)度變換方式是線性標(biāo)度變換，其前提條件是被測(cè)參數(shù)值與A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果為線性關(guān)系。線性標(biāo)度變換的公式為：（4.1）式（4.1）中，A0為一次測(cè)量?jī)x表的下限，Am為一次測(cè)量?jī)x表的上限，Ax為實(shí)際測(cè)量值（工程量），N0為儀表下限所對(duì)應(yīng)的數(shù)字量，Nm為儀表上限所對(duì)應(yīng)的數(shù)字量，Nx為測(cè)量值所對(duì)應(yīng)的數(shù)字量。為了使程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，一般把一次測(cè)量?jī)x表的下限A0所對(duì)應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換值置0，即N0=0。上式可簡(jiǎn)化為：（4.2）在很多測(cè)量系統(tǒng)中，儀表的下限值A(chǔ)0=0，此時(shí)，其對(duì)應(yīng)的N0=0，上式可進(jìn)一步簡(jiǎn)化為：（4.3）本次設(shè)計(jì)中的標(biāo)度變換就是將數(shù)字量（0~255）轉(zhuǎn)換成0~100%，這樣做主要是為了在工程計(jì)算中更加方便。偏差處理在偏差計(jì)算完后，還要對(duì)偏差進(jìn)行處理，才能進(jìn)行PID運(yùn)算。偏差處理包括較大偏差處理和較小偏差處理兩部分。較大偏差處理在自動(dòng)控制中，有些時(shí)候測(cè)量值與給定值相差較大，如系統(tǒng)在開(kāi)工、停工、大幅度提降或系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，需要對(duì)偏差E(k)進(jìn)行限位和報(bào)警，即當(dāng)E(k)＞Eup時(shí)，E(k)=Eup；同時(shí)調(diào)節(jié)器要進(jìn)行上限報(bào)警。當(dāng)E(k)<Edown時(shí)，E(k)=Edown；同時(shí)調(diào)節(jié)器要進(jìn)行下限報(bào)警。流程圖如圖4.2所示：

圖4.2較大偏差處理子程序流程圖較大偏差處理是為了防止微分響應(yīng)過(guò)大的偏差變化率，而報(bào)警是為了引起操作人員注意。較小偏差處理在自動(dòng)控制中，有些時(shí)候測(cè)量值與給定值十分接近，即偏差|E(k)|<S，這時(shí)根據(jù)PID計(jì)算出控制增量較?。◣缀鯙榱悖鶕?jù)控制性能指標(biāo)可以將其忽略不計(jì)。這時(shí)就不用進(jìn)行PID運(yùn)算，讓控制器輸出的控制增量△P為零。流程圖如圖4.3所示：圖4.3小偏差處理子程序流程圖不完全微分的PID算法設(shè)計(jì)微分項(xiàng)的引入，主要是提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，但也有副作用。當(dāng)有階躍信號(hào)輸入時(shí)，微分項(xiàng)輸出急劇增加，容易引起超調(diào)和輸出振蕩，導(dǎo)致調(diào)節(jié)品質(zhì)下降。為了解決這一問(wèn)題，同時(shí)要保證微分作用有效，可以參照模擬調(diào)節(jié)器的方法，采用不完全微分的PID算式，其傳遞函數(shù)表達(dá)式為：（4.4）式中：P(S)——PID輸出量算子形式E(S)——偏差信號(hào)算子形式實(shí)際比例放大系數(shù)實(shí)際積分時(shí)間實(shí)際微分時(shí)間實(shí)際微分增益經(jīng)離散化可得到不完全微分的PID算式：（4.5）它與理想的PID算式相比，多了一項(xiàng)k-1次采樣的微分輸出量aPD(k-1)。在單位階躍信號(hào)作用下，完全微分與不完全微分輸出的差異，如圖4.4所示：圖4.4完全微分與不完全微分輸出的差異完全微分項(xiàng)對(duì)于階躍信號(hào)只是在采樣的第一個(gè)周期產(chǎn)生很大的微分輸出信號(hào)，不能按照偏差的變化趨勢(shì)在整個(gè)調(diào)節(jié)過(guò)程中起作用，而是急劇下降為0，因而很容易引起系統(tǒng)振蕩。另外，完全微分在第一個(gè)采樣周期里作用很強(qiáng)，很容易產(chǎn)生溢出。而在不完全微分系統(tǒng)中，其微分作用是逐漸下降的，因而使系統(tǒng)變化比較緩慢，故不易引起振蕩。積分分離算法設(shè)計(jì)在基本的PID調(diào)節(jié)器中，由于系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)線性范圍受到限制，當(dāng)偏差較大時(shí)，如系統(tǒng)在開(kāi)工、停工或大幅度增減設(shè)定值時(shí)，短時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)會(huì)有很大的偏差，造成PID運(yùn)算的積分積累，致使算得的控制量超過(guò)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的可能最大動(dòng)作范圍對(duì)應(yīng)的極限控制量，最終引起系統(tǒng)較大的超調(diào)，甚至引起系統(tǒng)的振蕩。引進(jìn)積分分離PID控制算法，既保持了積分作用，又減小了超調(diào)量，使得控制性能有了較大的改善。減小積分飽和的關(guān)鍵在于不能使積分項(xiàng)累積過(guò)大，積分分離法是在偏差值較大時(shí)，取消積分作用；在偏差值較小時(shí)，將積分環(huán)節(jié)投入，這時(shí)，一方面防止了一開(kāi)始有過(guò)大的控制量，另一方面即使進(jìn)入飽和后，因積分累積小，也能較快退出，減少了超調(diào)。設(shè)給定值為R(k)，經(jīng)數(shù)字濾波后的測(cè)量值為M(k)，最大允許偏差值為A，積分分離的算式為：當(dāng)E(k)=|R(k)-M(k)|＞A時(shí)，為PD控制；當(dāng)E(k)=|R(k)-M(k)|≤A時(shí)，為PID控制。流程圖如圖4.5所示：圖4.5積分分離算法子程序流程圖經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，使用積分分離方法后，該調(diào)節(jié)器不會(huì)出現(xiàn)積分飽和現(xiàn)象，同時(shí)能夠顯著降低了被控變量的超調(diào)量和過(guò)渡時(shí)間，使調(diào)節(jié)性能得到改善。限幅程序設(shè)計(jì)在PID實(shí)際應(yīng)用中，測(cè)量值的改變會(huì)引起閥門(mén)開(kāi)度的改變，閥門(mén)開(kāi)度可能會(huì)大于100%或小于0%，為了生產(chǎn)安全，常需要給調(diào)節(jié)器加上一個(gè)限幅，讓調(diào)節(jié)器的輸出限制在一定的幅度范圍（Pup>P>Pdown）內(nèi)變化。當(dāng)P(k)>Pup時(shí)，P(k)=Pup；當(dāng)P(k)<Pdown時(shí)，P(k)=Pdown。流程圖如圖4.6所示：圖4.6限幅子程序流程圖報(bào)警程序設(shè)計(jì)報(bào)警是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的一項(xiàng)重要功能，主要用于保證生產(chǎn)過(guò)程的正常運(yùn)行和操作者的生命安全。在生產(chǎn)過(guò)程中控制系統(tǒng)隨時(shí)檢測(cè)被控對(duì)象的一些重要參數(shù)，在常規(guī)的工作狀態(tài)可以通過(guò)指示燈或數(shù)碼管顯示給予指示，隨時(shí)提供信息，供工作人員參考。當(dāng)超出允許范圍時(shí)控制系統(tǒng)會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，提醒工作人員注意，必要時(shí)采取措施。在本次設(shè)計(jì)中，主要是對(duì)偏差進(jìn)行報(bào)警。當(dāng)偏差大于上限或小于下限時(shí)指示燈發(fā)光，進(jìn)行報(bào)警指示。鍵盤(pán)程序設(shè)計(jì)鍵盤(pán)掃描鍵掃描的過(guò)程：（1）首先判斷是否有鍵按下。其方法是所有的行輸出均為低電平，然后判斷。如果沒(méi)有鍵按下，鍵值為FFH，如果有鍵按下，則不為FFH。（2）延時(shí)去除鍵抖動(dòng)。若有鍵按下，則延時(shí)10－20ms，再一次判斷有無(wú)鍵按下。如果此時(shí)仍有鍵按下，則認(rèn)為鍵盤(pán)上有一個(gè)鍵處于穩(wěn)定閉合期。（3）若有鍵閉合，則求出閉合鍵的鍵值。求鍵值的方法是掃描第一行，從第一列開(kāi)始，看其是否等于FFH，若等于FFH，則說(shuō)明沒(méi)有鍵按下，若不等于FFH，則說(shuō)明有鍵按下，求出鍵值。每掃描一行后，如無(wú)鍵按下，則行值加寄存器加8，若有鍵值按下，行值寄存器保持原值，并轉(zhuǎn)至求出相應(yīng)的列值。此時(shí)，首先將列值讀數(shù)右移，每移位一次列寄存器加1，直到有鍵按下（低電平）為止。最后將行值和列值相加，即得到鍵值。圖4.7鍵盤(pán)掃描子程序流程圖在鍵盤(pán)掃描程序中，求得鍵值只是手段，最終目的是要使程序轉(zhuǎn)到相應(yīng)的按鍵處理程序完成鍵的操作。（4）鍵的抖動(dòng)處理圖4.8鍵抖動(dòng)圖當(dāng)用手按下一個(gè)鍵時(shí)，往往會(huì)出現(xiàn)所按鍵在閉合位置和斷開(kāi)位置之間跳幾下才穩(wěn)定到閉合狀態(tài)的情況；在釋放一個(gè)鍵時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)類(lèi)似的情況。抖動(dòng)的持續(xù)時(shí)間不一，通常不會(huì)大于10ms。若抖動(dòng)問(wèn)題不能解決，就會(huì)引起對(duì)閉合鍵的多次讀入。解決鍵抖動(dòng)最方便的方法是：當(dāng)發(fā)現(xiàn)有鍵按下以后，不立即進(jìn)行逐行掃描，而是延時(shí)10ms再進(jìn)行。由于鍵按下的時(shí)間持續(xù)上百ms，延時(shí)后再掃描也不遲。按鍵處理鍵盤(pán)處理的主要作用是對(duì)操作者所按動(dòng)的按鍵做出相應(yīng)的反應(yīng)，對(duì)正在操作的那個(gè)鍵進(jìn)行識(shí)別并按照按鍵的功能進(jìn)行相應(yīng)的處理。流程圖如圖4.9所示：圖4.9按鍵處理子程序流程圖圖4.104×4矩陣鍵盤(pán)圖在本次設(shè)計(jì)中只用了其中的六個(gè)鍵（1-6號(hào)）。其中：1號(hào)鍵為自動(dòng)鍵；2號(hào)鍵為手動(dòng)鍵；3號(hào)鍵為參數(shù)修改鍵；4號(hào)鍵為選擇鍵；5號(hào)鍵為增加鍵；6號(hào)鍵為減小鍵。按鍵組合：按下1號(hào)鍵，調(diào)節(jié)器進(jìn)入自動(dòng)狀態(tài)。在這種狀態(tài)下，按下4號(hào)鍵可以進(jìn)行輸出和設(shè)定值的切換顯示。在顯示設(shè)定值時(shí)，5號(hào)鍵和6號(hào)鍵修改的是設(shè)定值的大小。按下2號(hào)鍵，調(diào)節(jié)器進(jìn)入手動(dòng)狀態(tài)。在這種狀態(tài)下，5號(hào)鍵和6號(hào)鍵修改的是輸出值的大小。按下3號(hào)鍵，調(diào)節(jié)器進(jìn)入?yún)?shù)修改狀態(tài)。在這種狀態(tài)下，按4號(hào)鍵可以進(jìn)行比例系數(shù)KP、積分系數(shù)KI和微分系數(shù)KD的選擇。在顯示相應(yīng)的參數(shù)時(shí)，5號(hào)鍵和6號(hào)鍵修改的是相應(yīng)參數(shù)值的大小。鍵的保護(hù)指的是當(dāng)有雙鍵或多鍵同時(shí)按下時(shí)會(huì)出現(xiàn)什么問(wèn)題以及如何加以解決。若在同一行上有兩個(gè)鍵同時(shí)按下，從硬件上來(lái)說(shuō)，不會(huì)出現(xiàn)什么問(wèn)題；但從軟件上來(lái)說(shuō)，由于這時(shí)讀入的列代碼中出現(xiàn)了兩個(gè)0，由此代碼與行值組合成的鍵特征值就超出了原設(shè)定鍵的范圍，因此也就查不出有效的鍵值來(lái)。一旦出現(xiàn)這樣情況，將作為廢鍵處理。調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)中遇到的問(wèn)題數(shù)字PID控制器采樣周期的選擇在數(shù)字控制系統(tǒng)中，采樣周期T是一個(gè)比較重要的因素，采樣周期的選擇應(yīng)與PID參數(shù)整定綜合考慮。選擇采樣周期時(shí)一般考慮以下幾個(gè)因素：（1）采樣周期應(yīng)遠(yuǎn)小于對(duì)象擾動(dòng)信號(hào)的周期；（2）采樣周期應(yīng)比對(duì)象的時(shí)間常數(shù)小很多，否則采樣信號(hào)無(wú)法反映瞬變過(guò)程；（3）對(duì)象所需調(diào)節(jié)品質(zhì)。在計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度允許下，采樣周期越短，調(diào)節(jié)品質(zhì)越好。（4）性能價(jià)格比。從控制性能來(lái)考慮，希望采樣周期短，但計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度和A/D，D/A轉(zhuǎn)換速度要相應(yīng)提高，導(dǎo)致計(jì)算機(jī)費(fèi)用提高。（5）計(jì)算機(jī)所承擔(dān)的工作量。如果控制回路越多，計(jì)算量就越大，則采樣周期要加長(zhǎng)，反之可以縮短。從上面分析可以知道，采樣周期受各種因素的影響，有些互相矛盾的必須視情況和主要的要求做出折衷的選擇。采樣周期的選擇方法有兩種，一種是計(jì)算法，一種是經(jīng)驗(yàn)法。計(jì)算法由于比較復(fù)雜，特別是被控系統(tǒng)各環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)難以確定，所以工程上用的比較少。工程上應(yīng)用最多的還是經(jīng)驗(yàn)法。被測(cè)參數(shù)采樣周期T(s)備注流量1~5優(yōu)先選用1~2(s)壓力3~10優(yōu)先選用6~8(s)液位6~8溫度15~20成分15~20圖5.1采樣周期的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)正反作用問(wèn)題模擬系統(tǒng)中調(diào)節(jié)器的正、反作用是靠改變模擬調(diào)節(jié)器中的正、反作用開(kāi)關(guān)的位置來(lái)實(shí)現(xiàn)。而在數(shù)字PID調(diào)節(jié)器中，可通過(guò)改變偏差E(k)的公式計(jì)算來(lái)完成。其做法是，如果是正作用時(shí)，偏差E(k)等于測(cè)量值與給定值之差；如果是反作用時(shí)，偏差E(k)等于給定值與測(cè)量值之差。手動(dòng)/自動(dòng)無(wú)擾動(dòng)切換為了實(shí)現(xiàn)從手動(dòng)到自動(dòng)的無(wú)擾動(dòng)切換，在手動(dòng)狀態(tài)下，盡管并不進(jìn)行PID計(jì)算，但應(yīng)使輸出值跟蹤手動(dòng)控制量P(k-1)[7]。這樣，一旦切向自動(dòng)而P(k-1)又等于切換瞬間的手動(dòng)控制量，這就實(shí)現(xiàn)了手動(dòng)到自動(dòng)的無(wú)擾動(dòng)切換。這一切都是通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在從自動(dòng)切向手動(dòng)時(shí)，只要計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序工作正常，就能自動(dòng)保證無(wú)擾動(dòng)切換?？刂埔?guī)律的選擇在實(shí)際過(guò)程控制中，為使現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程值在較理想的時(shí)間內(nèi)跟定給定值，如何確定選用何種控制或控制組合來(lái)滿足現(xiàn)場(chǎng)控制的需要顯得十分重要。比例控制規(guī)律（P）在基本控制規(guī)律中，比例是最基本、最主要也是最普遍的控制規(guī)律，它能較快地克服擾動(dòng)的影響，使系統(tǒng)很快地穩(wěn)定下來(lái)，但不能很好穩(wěn)定在一個(gè)理想的數(shù)值上，常有穩(wěn)態(tài)誤差出現(xiàn)。它適用于控制通道滯后較小、負(fù)荷變化不大、控制要求不高、允許在一定范圍內(nèi)有穩(wěn)態(tài)誤差的場(chǎng)合。比例積分控制規(guī)律（PI）在工程中比例積分控制規(guī)律是應(yīng)用最廣泛的一種控制規(guī)律。積分能在比例的基礎(chǔ)上消除穩(wěn)態(tài)誤差，它適用于控制通道滯后較小、負(fù)荷變化不大、被控系統(tǒng)不允許有穩(wěn)態(tài)誤差的場(chǎng)合。比例微分控制規(guī)律（PD）微分具有超前作用，對(duì)于具有容量滯后的控制通道，引入微分參與控制，在微分項(xiàng)設(shè)置得當(dāng)?shù)那闆r下，對(duì)于提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)有著顯著效果。因此，對(duì)于控制通道的時(shí)間常數(shù)或容量滯后較大的場(chǎng)合，為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減小動(dòng)態(tài)偏差等，可選用比例微分控制規(guī)律。比例積分微分控制規(guī)律（PID）PID控制規(guī)律是一種較理想的控制規(guī)律，它在比例的基礎(chǔ)上引入積分，可以消除穩(wěn)態(tài)誤差，再加入微分作用，又能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。它適用于控制通道時(shí)間常數(shù)或容量滯后較大、控制要求較高的場(chǎng)合，如溫度控制、成份控制等?？傊?，控制規(guī)律要根據(jù)過(guò)程特性和工藝要求來(lái)選取，決不是說(shuō)PID控制規(guī)律在任何情況下都具有較好的控制性能，不分場(chǎng)合地采用是不明智的。如果這樣做，只會(huì)給其他工作增加復(fù)雜性，并給參數(shù)整定帶來(lái)困難。當(dāng)采用PID控制器還達(dá)不到工藝要求，則需要考慮其他的控制方案。PID參數(shù)整定PID參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響數(shù)字PID調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定通常是仿照模擬PID調(diào)節(jié)器參數(shù)整定的各種方法，根據(jù)工藝對(duì)控制性能的要求，決定調(diào)節(jié)器的參數(shù)。各個(gè)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響：（1）比例控制P對(duì)系統(tǒng)性能的影響：比例系數(shù)加大，使系統(tǒng)的動(dòng)作靈敏，速度加快，穩(wěn)態(tài)誤差減小；P偏大，振蕩次數(shù)加多，調(diào)節(jié)時(shí)間加長(zhǎng)；P太大時(shí)，系統(tǒng)會(huì)趨于不穩(wěn)定；P太小，又會(huì)使系統(tǒng)的動(dòng)作緩慢。P可以選負(fù)數(shù)，這主要是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感器以及控制對(duì)象的特性決定的。如果P的符號(hào)選擇不當(dāng)，對(duì)象測(cè)量值就會(huì)離控制目標(biāo)的設(shè)定值越來(lái)越遠(yuǎn)，在設(shè)計(jì)中出現(xiàn)這樣的情況時(shí)，P的符號(hào)就一定要取反。（2）積分控制I對(duì)系統(tǒng)性能的影響：積分作用使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，I?。ǚe分作用強(qiáng)）會(huì)使系統(tǒng)不穩(wěn)定，但能消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的控制精度。（3）微分控制D對(duì)系統(tǒng)性能的影響：微分作用可以改善動(dòng)態(tài)特性，D偏大時(shí)，超調(diào)量較大，調(diào)節(jié)時(shí)間較短；D偏小時(shí)，超調(diào)量較小，調(diào)節(jié)時(shí)間較長(zhǎng)；只有D合適，才能使超調(diào)量較小，減短調(diào)節(jié)時(shí)間。PID參數(shù)整定PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定是調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容之一。它是根據(jù)被控過(guò)程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小[8]。PID控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來(lái)有兩大類(lèi)：一是理論計(jì)算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過(guò)理論計(jì)算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計(jì)算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過(guò)工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改。二是工程整定方法，它主要依賴(lài)工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行，且方法簡(jiǎn)單、易于掌握，在工程實(shí)際中被廣泛采用。PID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(diǎn)，其共同點(diǎn)都是通過(guò)試驗(yàn)，然后按照工程經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行整定。但無(wú)論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需要在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行最后調(diào)整與完善?，F(xiàn)在一般采用的是臨界比例法。利用該方法進(jìn)行PID控制器參數(shù)的整定步驟如下：(1)首先預(yù)選擇一個(gè)足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作；(2)僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對(duì)輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時(shí)的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期；(3)在一定的控制度下通過(guò)公式計(jì)算得到PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)。

PID參數(shù)的設(shè)定：是靠經(jīng)驗(yàn)及工藝的熟悉，參考測(cè)量值跟蹤與設(shè)定值曲線，從而調(diào)整PID參數(shù)的大小。PID控制器參數(shù)的工程整定，各種調(diào)節(jié)系統(tǒng)中PID參數(shù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)以下可參照：溫度T:

P=20~60%，T=180~600s，D=3~180s，壓力P:

P=30~70%，T=24~180s，液位L:

P=20~80%，T=60~300s，流量Q:

P=40~100%，T=6~60s。調(diào)節(jié)器測(cè)試實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、測(cè)試調(diào)節(jié)器的各項(xiàng)性能；2、測(cè)試P、PI、PD、PID調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng)特性和相關(guān)參數(shù)對(duì)其性能的影響。二、實(shí)驗(yàn)儀器萬(wàn)用表、PID數(shù)字調(diào)節(jié)器三、實(shí)驗(yàn)電路電路圖見(jiàn)附錄A四、實(shí)驗(yàn)原理實(shí)際PID控制算式：式中：其中：T采樣時(shí)間；△P(k)輸出控制增量；KP比例系數(shù)；KI積分系數(shù)；KD微分系數(shù)；TI積分時(shí)間；TD微分時(shí)間；五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟PID運(yùn)算點(diǎn)偏差設(shè)置為|E(k)|=5%；積分分離點(diǎn)設(shè)置為|E(k)|=10%；偏差限位設(shè)置為|E(k)|=25%；輸出限幅在20%~80%之間。六、實(shí)驗(yàn)紀(jì)錄(1)、比例（P）當(dāng)KP=100%，KI=0，KD=0，e(k)=10%，e(k-1)=0，e(k-2)=0時(shí)，數(shù)據(jù)記錄為：T0-0+12345P(k)20%30%30%30%30%30%30%圖5.2比例調(diào)節(jié)器階躍響應(yīng)曲線圖當(dāng)KP=200%，KI=0，KD=0，e(k)=10%，e(k-1)=0，e(k-2)=0時(shí)，數(shù)據(jù)記錄為：t0-0+12345P(k)20%40%40%40%40%40%40%圖5.3比例調(diào)節(jié)器階躍響應(yīng)曲線圖(2)、比例積分（PI）當(dāng)KP=200%，KI=30%，KD=0，e(k)=9%，e(k-1)=0，e(k-2)=0時(shí)，數(shù)據(jù)記錄為：t0-0+123456789P(k)20%38%41%44%46%49%52%55%58%60%63%t1011121314151617181920P(k)66%69%71%74%77%79%80%80%80%80%80%圖5.4比例積分調(diào)節(jié)器階躍響應(yīng)曲線圖當(dāng)KP=200%，KI=50%，KD=0，e(k)=9%，e(k-1)=0，e(k-2)=0時(shí)，數(shù)據(jù)記錄為：t0-0+123456789P(k)20%38%43%47%52%56%61%65%70%74%79%t101112131415P(k)80%80%80%80%80%80%圖5.5比例積分調(diào)節(jié)器階躍響應(yīng)曲線圖(3)、比例微分（PD）當(dāng)KP=100%，KI=0，KD=200%，e(k)=7%，e(k-1)=0，e(k-2)=0時(shí)，數(shù)據(jù)記錄為：t0-0+123456P(k)20%41%36%32%29%27%27%27%圖5.6比例微分調(diào)節(jié)器階躍響應(yīng)曲線圖當(dāng)KP=100%，KI=0，KD=500%，e(k)=7%，e(k-1)=0，e(k-2)=0時(shí)，數(shù)據(jù)記錄為：t0-0+12345678910P(k)20%62%55%49%44%39%35%31%27%27%27%27%圖5.7比例微分調(diào)節(jié)器階躍響應(yīng)曲線圖(4)、比例積分微分（PID）當(dāng)KP=100%，KI=40%，KD=500%，e(k)=7%，e(k-1)=0，e(k-2)=0時(shí)，數(shù)據(jù)記錄為：T0-0+123456789P(k)20%62%57%53%49%46%45%47%50%53%56%T1011121314151617181920P(k)58%60%63%66%69%72%75%78%80%80%80%圖5.8比例積分微分調(diào)節(jié)器階躍響應(yīng)曲線圖七、結(jié)論比例作用：對(duì)偏差反映及時(shí)，有穩(wěn)態(tài)誤差存在。積分作用：因?yàn)橛衅?，積分調(diào)節(jié)就進(jìn)行，直至無(wú)差即消除穩(wěn)態(tài)誤差，因此積分具有提高控制精度的作用。微分作用：反映系統(tǒng)偏差信號(hào)變化率，具有預(yù)見(jiàn)性，能預(yù)見(jiàn)偏差變化的趨勢(shì)。因此能產(chǎn)生超前的控制作用?？梢詼p少超調(diào)，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。該調(diào)節(jié)器基本滿足設(shè)計(jì)要求。積分分離數(shù)字調(diào)節(jié)器的優(yōu)點(diǎn)：既保持了積分作用，又減小了超調(diào)量，使得控制性能有了較大的改善。缺點(diǎn)：當(dāng)偏差較大時(shí)，有可能會(huì)出現(xiàn)比例和微分飽和，使控制量超出實(shí)際范圍，超出部分將不被執(zhí)行。結(jié)束語(yǔ)本次設(shè)計(jì)完成了PI-P數(shù)字調(diào)節(jié)器硬件設(shè)計(jì)與調(diào)試、軟件設(shè)計(jì)與調(diào)節(jié)器性能標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。在課題完成過(guò)程中，主要得出如下結(jié)論：(1)利用以ATMEL公司的AT89C51單片機(jī)為核心進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，大大地簡(jiǎn)化了系統(tǒng)硬件電路。(2)軟件部分采用C51編程，C51同匯編編程相比，整個(gè)程序可讀性和結(jié)構(gòu)化較好，算法的實(shí)現(xiàn)也較匯編語(yǔ)言簡(jiǎn)單。(3)在調(diào)節(jié)器中采用積分分離式PID控制算法，它能獲得比基本PID控制算法更好的動(dòng)態(tài)特性，同時(shí)又能保持系統(tǒng)較好的穩(wěn)態(tài)性能。(4)在基本的PID控制器中引入積分環(huán)節(jié)的目的，是為了消除穩(wěn)態(tài)誤差、提高精度。但在過(guò)程的啟動(dòng)、結(jié)束或大幅度增減設(shè)定值時(shí)，短時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)輸出有很大的偏差，會(huì)造成PID運(yùn)算的積分累積，致使算得的控制量超過(guò)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的可能最大動(dòng)作范圍對(duì)應(yīng)的極限控制量，最終引起系統(tǒng)較大的超調(diào)，甚至引起系統(tǒng)的振蕩。引進(jìn)積分分離PID控制算法，既保持了積分作用，又減小了超調(diào)量，使得控制性能有了較大的改善，但同時(shí)也可能出現(xiàn)：當(dāng)被控變量偏離給定值較大即偏差過(guò)大時(shí)，有可能出現(xiàn)比例和微分飽和，這樣會(huì)使控制量超出實(shí)際范圍，