過程控制系統(tǒng)實驗裝置開發(fā)畢業(yè)設(shè)計說明書

1、畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文）過程控制系統(tǒng)實驗裝置開發(fā) PI-P數(shù)字調(diào)節(jié)器I / 94摘 要在過程控制中，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)計具有重要的現(xiàn)實意義。系統(tǒng)穩(wěn)定是調(diào)節(jié)器設(shè)計首先需要考慮的問題，如果系統(tǒng)不穩(wěn)定，提高其它性能也就沒有意義了。常規(guī)的模擬調(diào)節(jié)裝置之所以采用基本PID控制方案，主要是因為它在現(xiàn)場能夠獲得直觀的、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控制算法的種類很多，應(yīng)用場合不同對

2、算法的要求也有所不同。本次設(shè)計主要對積分分離式PID控制算法進(jìn)行了重點的研究 ，結(jié)果證明在一定場合下積分分離式PID控制算法優(yōu)于基本的PID算法。關(guān)鍵詞：單片機(jī)；PID調(diào)節(jié)器；積分分離 Process Control System Experimental Device Development -PI-P Digital RegulatorAbstractIn the process control, regulator is comprised of a great deal of arithmetic elements. Their performance has immediate re

3、lation with smooth running in the course of production and the final quality of products. It is also closely interrelated to the economic benefit of enterprises. So it has far-reaching signification that the optimization design of PID control unites.The stability of the closed-loop system is the fir

4、st consideration in the controller design. If the system is unstable, the improvement of the other performances would be not signification. The main reason that the basic PID control program can be widely used in conventional simulation regulating device is that we can get visual and effective contr

5、ol result in the site by it. So it still be a basic control law until now. Due to the flexibility of software system, the digital PID algorithm accomplished by micro-computer is further revised and improved. There are many types of PID control algorithm, different applications need different algorit

6、hms. This paper only study integral separation of PID control algorithm simply. The results prove that the integral separation PID algorithm is better than the conventional PID algorithm in some certain occasions.keyword：Single-chip Computers; PID regulator; Integral Separation目 錄摘 要IAbstractII第一章 引

7、 言11.1 PID控制器的現(xiàn)狀11.2 PID控制器設(shè)計方法回顧21.3 設(shè)計PID控制器應(yīng)考慮的問題2第二章 常規(guī)PID控制器32.1 控制器的基礎(chǔ)知識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72.4.1 功能和要求72.4.2 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計8第三章 硬件設(shè)計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)AT89C5193.2 A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計113.3 D/A轉(zhuǎn)換電路設(shè)計133.4 復(fù)位電路

8、設(shè)計153.5 鍵盤電路設(shè)計163.6 顯示電路設(shè)計163.6.1 LED數(shù)碼管163.6.2 顯示電路17第四章 軟件設(shè)計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254.6 積分分離算法設(shè)計274.7 限幅程序設(shè)計284.8 報警程序設(shè)計284.9 鍵盤程序設(shè)計294.9.1 鍵盤掃描294.9.2 按鍵處理30第五章 調(diào)節(jié)器設(shè)計中遇到的問題335.1 數(shù)字PID控制器采樣周期的選擇335.2 正反作用問題335.3 手動/自動無擾動切換345.4 控制規(guī)

9、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）355.5 PID參數(shù)整定355.5.1 PID參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響355.5.2 PID參數(shù)整定355.6 調(diào)節(jié)器測試實驗36結(jié)束語43參考文獻(xiàn)44附錄A 硬件圖45附錄B 源程序46致 謝57第一章 引 言1.1 PID控制器的現(xiàn)狀在工業(yè)過程控制中，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，通過積分作用可以消除穩(wěn)態(tài)誤差，通過微分作用可以預(yù)測未來9。PID控制器能解決

10、許多控制問題，尤其在動態(tài)過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。在過程控制中，90%以上的控制回路采用PID類型的控制器，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，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)過程控制中。據(jù)日本電氣計量器工業(yè)會先進(jìn)控制動向調(diào)查委員會統(tǒng)計，在日本有91%的控制回路采用的是PID控制器控制。在美國，據(jù)控制工程雜志估計，有90%以上

11、的工業(yè)控制器采用的是PID控制器。而在我國現(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：在我國過程控制工業(yè)中需要約50萬個智能的PID控制器。PID調(diào)節(jié)器的發(fā)展經(jīng)歷了液動式、氣動式幾個階段，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)的模擬控制器無法比擬的優(yōu)點，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，對象的復(fù)雜程度不斷加深，尤其對于大滯后、時變的、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

12、時或隨機(jī)干擾；有的無法獲得較精確的數(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。對于時變對象和非線性系統(tǒng)，基本的PID控制更是顯得無能為力。因此，基本PID控制的應(yīng)用受到很大限制和挑戰(zhàn)。人們在對 PID應(yīng)用的同時，也對其控制算法進(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。1.2 PID控制器設(shè)計方法回顧在過去的幾十年中，人們提出了許多PID控制器的設(shè)計方法。然而，在這些方法中沒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有找到。另一方面，也需要各種各樣整定PID控制器的方法：從

13、一些簡單的整定方法到基于對象模型的更精確的設(shè)計方法。各種不同的控制問題要有不同的設(shè)計方法來解決。大多數(shù)設(shè)計方法往往僅考慮了控制問題的一個方面，例如：有些設(shè)計方法只考慮了抑制負(fù)載擾動而沒有考慮設(shè)定值跟蹤。一個好的設(shè)計方法應(yīng)該滿足一系列工程指標(biāo)，如：負(fù)載擾動抑制、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)計方法沒有對這些方面進(jìn)行全面考慮，而是采用一種不能令人滿意的折衷手段。1.3 設(shè)計PID控制器應(yīng)考慮的問題當(dāng)我們?nèi)ソ鉀Q一個實際控制問題的時候，首先必須弄清楚控制的主要目的，也就是找出重點要解決的問題。一般來說好的設(shè)定值跟蹤和快速抑制負(fù)載擾動是兩個主要控制目標(biāo)10。由于一些性能指標(biāo)的

14、實現(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法同時滿足設(shè)定值跟蹤和負(fù)載擾動抑制的要求；線性積分器在提高系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度的同時，也帶來了相位的滯后，惡化了控制系統(tǒng)的品質(zhì)，時常引起系統(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)的實際要求，采用非常規(guī)PID控制器。第二章 常規(guī)PID控制器2.1 控制器的基礎(chǔ)知識PID控制器是一種基于“過去”、“現(xiàn)在”和“未來”信息估計的簡單算法?；綪ID控制系統(tǒng)原理圖如圖2.1所示：圖2.1 PID控制系統(tǒng)原理圖 系統(tǒng)主要由PID控制器和被控對象組成。作為一種線性控制器，它根據(jù)設(shè)定值ysp

15、 (t)和被控對象的反饋值y(t)構(gòu)成控制偏差e(t ) ，將偏差按比例、積分和微分通過線性組合構(gòu)成控制量P(t)，對被控對象進(jìn)行控制。控制器的輸入輸出關(guān)系可描述為： (2.1)式中：，KP為比例系數(shù)，TI為積分時間常數(shù)，TD為微分時間常數(shù)。2.1.1 比例作用比例作用的引入是為了及時成比例的反映控制系統(tǒng)的偏差信號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)作用及時迅速，這是它的一個顯著特點。但是這種調(diào)節(jié)器用在控制系統(tǒng)中，將會使系統(tǒng)出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)誤差 ，也就是說，當(dāng)被控變量受干擾影響而

16、偏離給定值后，不可能再回到原先數(shù)值上，因為如果被控變量值和給定值之間的偏差為零，調(diào)節(jié)器的輸出就不會發(fā)生變化，系統(tǒng)也就無法保持平衡。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。2.1.2 積分作用在積分控制中，控制器的輸出與輸入偏差信號的積分成正比關(guān)系。對于一個自動控制系統(tǒng)來說，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項”。隨著時間的增加，積分項會增大。這樣，即便偏差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控

17、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)后無穩(wěn)態(tài)誤差。2.1.3 微分作用在微分控制中，控制器的輸出與輸入偏差信號的微分（即偏差的變化率）成正比關(guān)系。自動控制系統(tǒng)在克服偏差的調(diào)節(jié)過程中可能會出現(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，抑制偏差的作用就應(yīng)該是零。這就是說，在控制器中僅引入“比例”項往往是不夠的，比例項的作用僅是放大偏差的幅值，而目前需要增加的是“微分項”，它能預(yù)測偏差變化的趨勢，這樣，具有比例+

18、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)。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例+微分(PD)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)特性。2.2 模擬PID調(diào)節(jié)器模擬PID控制器，實際上是由電阻、電容、運(yùn)算放大器構(gòu)成的模擬電子電路來實現(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

19、放大器A2構(gòu)成比例電路。輸入信號uI通過PID運(yùn)算電路得到輸出電壓信號u0。輸出信號與輸入信號的傳遞函數(shù)關(guān)系如圖2.3所示：圖2.3 輸出信號與輸入信號的傳遞函數(shù)關(guān)系圖這就是反映PID電路的輸出/輸入信號的關(guān)系。為了實現(xiàn)較好的控制效果，需要對PID參數(shù)進(jìn)行整定，調(diào)節(jié)電位器RD、RPD和RI來獲得不同的比例、積分、微分作用，這就是常規(guī)的模擬PID調(diào)節(jié)的原理。2.3 數(shù)字PID控制算法控制算法是調(diào)節(jié)器的一個重要組成部分，整個調(diào)節(jié)器的功能主要由控制算法來實現(xiàn)。由于計算機(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。2

20、.3.1 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； e(t)- 調(diào)節(jié)器的偏差信號，它等于測量值與給定值之差； KP- 調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；TI- 調(diào)節(jié)器的積分時間；TD- 調(diào)節(jié)器的微分時間。由于計算機(jī)控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時刻的偏差值計算控制量，因此必須對（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，此時積分項和微分項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

21、樣時的偏差值；E(k-1) - 第k-1次采樣時的偏差值；k - 采樣序號，k=0，1，2，.；P(k) - 第k次采樣時調(diào)節(jié)器的輸出。由于（2.5）式的輸出值與閥門開度的位置一一對應(yīng)，因此通常把上式稱為位置型PID控制算式。這種算法的缺點是：由于全量輸出，所以每次輸出都與過去的狀態(tài)有關(guān)，計算時要對e(k)進(jìn)行累加，計算機(jī)運(yùn)算的工作量大。因為計算機(jī)的輸出對應(yīng)的是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實際位置，如果計算機(jī)出現(xiàn)故障，P(k)的大幅度變化，會引起執(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)實踐中不允許的，在某些場合，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。2.3.2 增量式PID控制算法當(dāng)執(zhí)

22、行機(jī)構(gòu)需要的是控制量的增量時，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)稱為增量式PID控制算法?？梢钥闯觯捎谝话阌嬎銠C(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，計算機(jī)輸出的控制增量P(k)對應(yīng)的是本次執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置(如閥門開度)的增量。對應(yīng)閥門實際位置的控制量，目前采用較多的是利用算式P(k)=P(k-1)十P(k)通過軟件來完成。增量式控制雖然只是在算法上作了一點改進(jìn)，但卻帶來了不少的優(yōu)點：（1）由

23、于計算機(jī)輸出增量，所以誤動作時影響小，必要時可用邏輯判斷的方法去除。（2）手動自動切換時沖擊小，便于實現(xiàn)無擾動切換。此外，當(dāng)計算機(jī)發(fā)生故障時，由于輸出通道或執(zhí)行裝置具有信號的鎖存作用，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：積分截斷效應(yīng)大；溢出的影響大。因此，在選擇時不可一概而論，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)或電動閥門作為執(zhí)行器的系統(tǒng)中，則可采用增量式控制算法。2.4 數(shù)字調(diào)節(jié)器的整體設(shè)計2.4.1 功能和要求本

24、次設(shè)計的數(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，即能自動調(diào)節(jié)；(2)能夠?qū)崿F(xiàn)被控變量的實時顯示功能；(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/自動無擾動切換功能；(5)設(shè)計簡單易懂，可靠性好，不容易出現(xiàn)故障，易于維護(hù)等優(yōu)點。2.4.2 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計該調(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)

25、字式PID調(diào)節(jié)器總體結(jié)構(gòu)圖A/D轉(zhuǎn)換器是把檢測裝置輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送到單片機(jī)中，單片機(jī)把輸入的測量值與給定值進(jìn)行偏差計算，并對偏差進(jìn)行處理，將經(jīng)過處理的偏差按照相應(yīng)的PID運(yùn)算規(guī)律進(jìn)行計算，計算的結(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)動執(zhí)行器。人機(jī)交互換接口（鍵盤和顯示）在設(shè)計中也是必不可少的，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顯示的內(nèi)容，及時掌握生產(chǎn)情況，并通過鍵盤修改數(shù)據(jù)，傳遞命令，對控制系統(tǒng)進(jìn)行人工干預(yù)，使其隨時能按照操作人員的意圖工作。 軟件部分采用C51 編程，C51

26、是一種結(jié)構(gòu)化的語言，具有靈活、高效等優(yōu)點。同匯編編程相比，整個程序可讀性和結(jié)構(gòu)化較好，算法的實現(xiàn)也較匯編語言簡單。第三章 硬件設(shè)計3.1 單片機(jī)3.1.1 單片機(jī)的發(fā)展概況目前，計算機(jī)硬件技術(shù)向巨型化、微型化和單片三個方向高速發(fā)展。自1975年美國德克薩斯儀器公司第一塊單片微型計算機(jī)芯片TMS-100問世以來，在短短的二十多年間，單片機(jī)技術(shù)已發(fā)展成為計算機(jī)技術(shù)一個非常有前途的分支，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、個性突出（某些方面的性能指標(biāo)大大優(yōu)于通用

27、微機(jī)中央處理器）、價格低廉等優(yōu)點，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。3.1.2 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器的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲器可以反復(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和閃爍存儲器組合在單個芯片中，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

28、一種靈活性高且價格低廉的方案。圖3.1 AT89C51引腳圖VCC：供電電壓。GND：接地。P0口：作為I/O口使用時，P0口是漏級開路雙向口，向口鎖存器寫入1，I/O引腳將懸空，可作高阻輸入引腳；在讀寫外部存儲器時，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)：定時器T2的計數(shù)輸入端或定時器T2的時鐘輸出端；T2EX（P1.1）：定時器T2外部觸發(fā)輸入端。P2口：內(nèi)部帶有弱上拉電

29、阻的雙向I/O口，作為輸入引腳使用前，先向P2口鎖存器寫入1，使P2口引腳被上拉為高電平。在讀寫外部存儲器時，P2口輸出高8位地址A15A8。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：P3.0 RXD：串行數(shù)據(jù)接收（輸入）端；P3.1 TXD：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；P3.4 T0：定時/計數(shù)器T0的外部輸入端；P3.5 T1：定時/計數(shù)器T1的外部輸入端P3.6 ：外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通，低電平有效；P

30、3.7 ：外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通，低電平有效；RST：復(fù)位信號輸入端。高電平有效。ALE：當(dāng)訪問外部存儲器時，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，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個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，置位無效。：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機(jī)器周期兩次有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存

31、儲器時，這兩次有效的信號將不出現(xiàn)。    /VPP：外部程序存儲器選擇信號，低電平有效。當(dāng)/VPP引腳接地（即低電平）時，將從外部程序存儲器讀取指令碼；當(dāng)/VPP引腳接高電平時，將從內(nèi)部程序存儲器讀取指令。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。3.2 A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計 A/D轉(zhuǎn)換器用以實現(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)點是轉(zhuǎn)換精度高、抗干擾性能好、價格便宜；缺點為轉(zhuǎn)換速度較慢。因此

32、這種轉(zhuǎn)換器主要用于轉(zhuǎn)換速度要求不高的場合。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)換時間大約在幾微秒到幾百微秒之間。本次設(shè)計模/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，它有兩個可多路選擇的輸入通道CH0、CH1。圖3.2 TLC0832工作時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，轉(zhuǎn)換結(jié)果

33、為全0。由于該設(shè)計只需要將被測信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換即可，所以采用單通道輸入。圖3.3 TLC0832接線圖置 為低電平才能啟動轉(zhuǎn)換開始，使所有邏輯電路使能。在整個轉(zhuǎn)換過程中必須置為低。在轉(zhuǎn)換過程中，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)從DO端輸出，以最高位開頭。經(jīng)過8個時鐘后，轉(zhuǎn)換完成。當(dāng)變高，內(nèi)部所有寄存器清零。此時，輸出電路變?yōu)楦咦锠顟B(tài)。如果希望開始另一個轉(zhuǎn)換， 必須做一個從高到低的跳變，后面緊接地址數(shù)據(jù)。DI和DO端可以連在一起，通過一根線連到單片機(jī)的一個雙向I/O口進(jìn)行控制。之所以能這樣做是因為DI端只在多路器尋址時被檢測，而此時DO端仍為高阻狀態(tài)。3.3 D/A轉(zhuǎn)換電路設(shè)計D/A轉(zhuǎn)換器的作用是將計算機(jī)輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成

34、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)上來說，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，電流建立時間為1s，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中有兩級鎖存器，第一級即輸入寄存器，第二級即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，DAC處于直通方式，8位數(shù)字量一旦到達(dá)

35、DI7DI0端，就立即加到8位D/A轉(zhuǎn)換器，被轉(zhuǎn)換成模擬量。 圖3.4 D/A轉(zhuǎn)換部分硬件圖單緩沖方式 ：只要把兩個寄存器中的任何一個接成直通方式，而用另一個鎖存器數(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，接單片機(jī)的信號，這樣就可以通過一條指令，選中該端口，使和有效，啟動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，然后在某個時刻再啟動D/A轉(zhuǎn)換。這樣，可先選中端口，把數(shù)據(jù)寫入輸入寄存器；再選中端口，把輸入寄存器內(nèi)容寫入DAC寄存

36、器，實現(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，然后由一個轉(zhuǎn)換命令同時啟動多個DAC轉(zhuǎn)換。先用3條輸出指令選擇3個端口，分別將數(shù)據(jù)寫入各DAC的輸入寄存器，當(dāng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒后，再執(zhí)行一次寫操作，使變低同時選通2個D/A的DAC寄存器，實現(xiàn)同步轉(zhuǎn)換。由于本次設(shè)計的調(diào)節(jié)器的輸出只有一個，所以只要DAC0832工作在直通方式下即可。3.4 復(fù)位電路設(shè)計圖3.5 復(fù)位電路圖3.5(a)是最簡單的復(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(40K220K)便構(gòu)成了

37、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高電平有效時間大于24個振蕩周期，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RST為高電平，使單片機(jī)可靠復(fù)位。正常工作時，二極管VD反偏，對電路沒有影響，而斷電后，VCC逐漸下降，當(dāng)VCC=0時，相當(dāng)于VCC端與地等電位，這時電容C通過VD迅速放電

38、，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，RST端為高電平。圖3.5(c)增加了手動復(fù)位按鈕，避免死機(jī)時通過關(guān)機(jī)復(fù)位。復(fù)位按鈕按下時，電容C通過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。3.5 鍵盤電路設(shè)計鍵盤實際上是由排列成矩陣形式的一系列按鍵開關(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

39、編碼鍵盤和非編碼鍵盤。閉合鍵的識別由專用的硬件譯碼器實現(xiàn)并產(chǎn)生鍵編號或鍵值的稱為編碼鍵盤，如 BCD 碼鍵盤、ASCII 鍵盤等。這種鍵盤使用方便，但價格較貴。靠軟件識別的稱為非編碼鍵盤。在此設(shè)計中，鍵盤用來設(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)計采用非編碼鍵盤。非編碼式鍵盤一般采用行列式結(jié)構(gòu)并按矩陣形式排列，如圖3.6所示：圖3.6 4×4行列式鍵盤的基本結(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上均分布1個單觸點按鍵，共有16個按鍵。 3.6 顯示電路設(shè)計3.6.1 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

40、示字符的顯示器件。它使用了8個LED發(fā)光二極管，其中7個用于顯示字符,1個用于顯示小數(shù)點，故通常稱之為7段(也有稱作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3.7 LED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，使用時公共陰極接地。每個發(fā)光二極管的陽極通過電阻與輸入端相連。共陽極接法：把發(fā)光二極管的陽極連在一起構(gòu)成公共陽極，使用時公共陽極接+5V。每個發(fā)光二極管的陰極通過電阻與輸入端相連。 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。3.6.2 顯示電路在單片機(jī)系統(tǒng)中，通常用 LED 數(shù)碼管來顯示各種

41、數(shù)字或符號。由于它具有顯示清晰、亮度高、使用電壓低、壽命長的特點，因此使用非常廣泛。對于多位數(shù)碼管來說，為了簡化線路、降低成本，往往采用以軟件為主的接口方法，即不使用專門的硬件譯碼器，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，因此在同一時刻只能顯示同一種字符。對于這種接口電路來說，其顯示方法有靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示兩種。 動態(tài)顯示：如果要在同一時刻顯示不同的字符，從電路上看，這是辦不到的。因此只能利用人眼對視覺的殘留效應(yīng)，采用動態(tài)掃描顯示的方法，逐個地循環(huán)點亮各位數(shù)碼管，每位顯示1ms左右，使人看起來就好像在同時顯示不同的字符一樣。在進(jìn)行動態(tài)掃描顯示時，往往事先并不知道應(yīng)顯示什

42、么內(nèi)容，這樣也就無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查表得到其對應(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，就是在同一時刻只顯示1種字符，或者說被顯示的字符在同一時刻是穩(wěn)定不變的。其顯示方法比較簡單，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)點是軟件不必動態(tài)掃描，送出段碼后可鎖存，直到需更改顯示字符，軟件簡單，占用單片機(jī)時間較少，工作可靠，同時由于始終保持顯示所以亮度較好。由于本系統(tǒng)需要對控制信號進(jìn)行實時操作，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LE

43、D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LED數(shù)碼管的靜態(tài)顯示鎖存器。芯片74LS164為TTL單向8位移位寄存器，可實現(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個引腳按邏輯與運(yùn)算規(guī)律輸入信號，公用一個輸入信號時可并接，本次設(shè)計中將其接到AT89C51的RxD端，CLK(第8管腳)為時鐘輸入端，連接到AT89C51的TxD端。每一個時鐘信號的上升沿加到CLK端時，移位寄存器移一位，8個時鐘脈沖過后，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，移位寄存器各位復(fù)

44、0，只有當(dāng)=1時，時鐘脈沖才起作用。故在本次設(shè)計中將接到+5V。Q1Q8(第3-6和10-13引腳)并行輸出端分別接LED的aDp各端對應(yīng)的引腳上。74LS164具有10mA的輸出電流，可以直接輸出驅(qū)動LED數(shù)碼管，但考慮到LED長期運(yùn)行于10mA以上會縮短其壽命，故串入電阻加以限流。LED指示燈的作用是對較大偏差進(jìn)行報警、對調(diào)節(jié)器的工作狀態(tài)進(jìn)行指示。其電路相對比較簡單，由于AT89C51單片機(jī)I/O端口的驅(qū)動能力可直接對LED指示燈進(jìn)行驅(qū)動，因此無需對LED指示燈進(jìn)行額外的驅(qū)動。電路中的電阻是為保護(hù)LED而設(shè)置的限流電阻。第四章 軟件設(shè)計4.1 軟件流程介紹在系統(tǒng)啟動后，先要對系統(tǒng)進(jìn)行初始化

45、，初始化的主要目的是對一些變量和參數(shù)進(jìn)行賦初值，然后啟動A/D轉(zhuǎn)換，將輸入的05V的電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量0255。數(shù)據(jù)采集及數(shù)字濾波子程序，是對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中的比重。標(biāo)度變換子程序是將采集到的測量值（0255）轉(zhuǎn)換成0100%，這樣做主要是為了統(tǒng)一變量，為工程計算提供方便。鍵盤子程序包括兩個部分：鍵盤掃描和鍵盤處理兩個部分。鍵盤掃描是對鍵盤的按鍵位置進(jìn)行判斷，并讀取相應(yīng)按鍵的鍵號，鍵盤處理是根據(jù)鍵盤掃描后得到的按鍵鍵號，賦予相應(yīng)的標(biāo)志位。手動自動切換（控制狀態(tài)的改變）就是通

46、過鍵盤改變標(biāo)志位來實現(xiàn)的。手動控制實際上是通過增加鍵和減小鍵改變輸出值實現(xiàn)的，該輸出值是在自動運(yùn)行的基礎(chǔ)上改變的。為了實現(xiàn)手動自動無擾動切換，需要將手動輸出值進(jìn)行保存。一旦切向自動，輸出等于切換瞬間的手動控制量與自動控制增量之和，這就實現(xiàn)了手自動無擾動切換。系統(tǒng)進(jìn)入自動控制后，首先需要進(jìn)行偏差計算，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)過大的偏差變化率。當(dāng)偏差較小時，經(jīng)PID計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。這時就不進(jìn)行PID運(yùn)算，輸出保持不變。在PID計算中，首先計算比例增量，然后再計算微分增量，微分計算采用不完全

47、微分算法，該算法能夠按照偏差的變化趨勢在整個調(diào)節(jié)過程中起作用，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，積分增量為0；當(dāng)偏差|E(k)|A時，計算積分增量。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。將該增量與本時刻采樣時的輸出相加求和，并對其進(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。圖4.1 整體軟件流程圖4.2 數(shù)字濾波所謂數(shù)字濾波，就是通過程序計算或判斷以減少干擾在有用信號中的比重，故實際上它是一種程序濾波。與模擬濾波器相比，數(shù)字濾波具有以下優(yōu)點：（1）數(shù)字濾波是用程序?qū)崿F(xiàn)的，不需要增加

48、硬件設(shè)備，所以可靠性高，穩(wěn)定性好。（2）數(shù)字濾波可以對頻率很低（如 0.01Hz）的信號實現(xiàn)濾波，克服了模擬濾波器的缺陷。（3）模擬濾波器通常每個通道都要有，而數(shù)字濾波則可以做到多個通道共用，從而降低成本。（4）數(shù)字濾波器可以根據(jù)信號的不同，采用不同的濾波方法或濾波參數(shù)，具有靈活、方便、功能強(qiáng)的特點。隨著單片機(jī)運(yùn)算速度的提高，數(shù)字濾波法在實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用也越來越廣。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某一點的數(shù)據(jù)連續(xù)采樣多次，計算其平均值，以平均值作為該點的采樣結(jié)果。算術(shù)平均值法適用于具有隨機(jī)干擾的信號濾波。這種信號的特點是

49、信號本身在某一數(shù)值范圍附近上下波動，如測量流量、液位時經(jīng)常遇到這種情況。（2）比較取舍法是對每個采樣點連續(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)測量的個別數(shù)據(jù)存在偏差時，為了剔除個別錯誤數(shù)據(jù)，可采用比較取舍法。（3）中位值濾波法是對某一被測參數(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或采樣器不穩(wěn)定引起的誤碼等脈沖干擾。對溫度、液位等緩慢變化的被測參數(shù)采用此法極為有效，而對于流量、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

50、波器來抑制低頻干擾。在濾波常數(shù)要求較大的場合比較適用，其對于周期性干擾（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)計數(shù)字濾波部分采用的是平均值濾波法。4.3 標(biāo)度變換生產(chǎn)過程中的各種參數(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)過變送器轉(zhuǎn)換為電信號，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換成計算機(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

51、，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0200，則數(shù)字量FFH表示的是200，而變化范圍是-100100時，數(shù)字量FFH表示的則是100。為了生產(chǎn)過程及該調(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、打印和報警等操作。這種轉(zhuǎn)換被稱為標(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為一次測量儀表的下限，Am為一次測量儀表的上限，Ax為實際測量值（工程量），N0為儀表下限所對應(yīng)的數(shù)字量，Nm為儀表上限所對應(yīng)的數(shù)字量，Nx為測量值

52、所對應(yīng)的數(shù)字量。為了使程序設(shè)計簡單，一般把一次測量儀表的下限A0所對應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換值置0，即N0=0。上式可簡化為： （4.2）在很多測量系統(tǒng)中，儀表的下限值A(chǔ)0=0，此時，其對應(yīng)的N0=0，上式可進(jìn)一步簡化為： （4.3）本次設(shè)計中的標(biāo)度變換就是將數(shù)字量（0255）轉(zhuǎn)換成0100%，這樣做主要是為了在工程計算中更加方便。4.4 偏差處理在偏差計算完后，還要對偏差進(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。4.4.1 較大偏差處理在自動控制中，有些時候測量值與給定值相差較大，如系統(tǒng)在開工、停工、大幅度提降或系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，需要對偏差E(k)進(jìn)行限位和報警，即當(dāng)E

53、(k)Eup時，E(k)= Eup；同時調(diào)節(jié)器要進(jìn)行上限報警。當(dāng)E(k)<Edown時，E(k)= Edown；同時調(diào)節(jié)器要進(jìn)行下限報警。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)過大的偏差變化率，而報警是為了引起操作人員注意。4.4.2 較小偏差處理在自動控制中，有些時候測量值與給定值十分接近，即偏差|E(k)|<S，這時根據(jù)PID計算出控制增量較?。◣缀鯙榱悖?，根據(jù)控制性能指標(biāo)可以將其忽略不計。這時就不用進(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4.5 不完全微分的PID算法設(shè)

54、計 微分項的引入，主要是提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，但也有副作用。當(dāng)有階躍信號輸入時，微分項輸出急劇增加，容易引起超調(diào)和輸出振蕩，導(dǎo)致調(diào)節(jié)品質(zhì)下降。為了解決這一問題，同時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)偏差信號算子形式 -實際比例放大系數(shù) -實際積分時間 -實際微分時間 -實際微分增益經(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k-1次采樣的微分輸出量aPD(k-1)。在單位階躍信號作用下，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對于階躍信號只是在采樣的第一個周期產(chǎn)生很大的微分輸出信號，不能按照偏差的變化趨勢在整個調(diào)節(jié)過程中起作用，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。4.6 積分分離算法設(shè)計在基本的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，如系統(tǒng)在開工、停工或大幅度增減設(shè)定值時，短時間內(nèi)系統(tǒng)會有很大的偏差，造成PID運(yùn)算的積