題t目：基于單片機的智能調節器設計-免費閱讀

　　

【正文】 這樣，當 ALE高電平時 74LS373直通，使 P3口輸出的低 8位地址和 P4口輸出的高位地址同時到達外部程序存貯器的地址線；而當 ALE降為低電平時， P3口低 8位地址被 74LS373鎖存保持，使外部程序存貯器的低 8位地址信息維持不變， P3口讀到可靠的信息。 地址鎖存器 74LS373 的應用 74LS373是常用的地址鎖存器芯片，它實質 上 是一個帶三態緩沖輸出的 8D觸發器 。在模式 0 中，該腳用來作數據輸入或數據輸出。 頻率為 1/2XTAL1，占空比為 50%； RD ：對外部存儲器的讀信號輸出 。 變低時鎖存地址，并把它從地址 /數據總線分離開； EA ：存儲器選擇輸入。16 位除法運算（ ）。 看 門 狗（ M A X 7 0 5 ）單 片 機（ 8 0 C 1 9 6 K B ）平 滑 濾 波 V / I 轉 換4 4 鍵 盤顯 示 驅 動（ M A X 7 2 1 9 ）L E D 8通 信 接 口（ M A X 4 8 5 ）P W MP 0 . 0P 1 . 0 ~ P 1 . 7放 大打 印 接 口接 口 卡（ R S 4 8 5 ）被 測 信 號（ m V ）4 ~ 2 0 m AP C 機0 ~ 5 V報 警P 0 . 1 圖 智能調節器硬件電路總體方框圖 內蒙古科技大學畢業設計 說明書（畢業 論文 ） 18 最小單片機系統設計 最小單片機系統就是指能使單片機工作所需的一些必備 功能 器 件 。 確切地說，在很多情況下 其控制品質對被控對象的結構或參數攝動不敏感。 ② 微分先行 PID控制算法 為了避免 給定值升降給控制系統帶來沖擊，如超調量過大，調節閥動作劇烈，可采用如圖 PID控制方案，它和普通 PID控制的不同之處在于，只對被控量微分 ， 不對偏差微分，也就是說對給定值無微分作用。變速積分的積分項表達式為 ?????? ?? ??? )()]([)()(10 kekefjeKkukjIi () f 與偏差當前值 )(ke 的關系可以是線性的或高階的，如設其為 ????????????????BAkeBAkeBA BkeABkekef)(0)()()(1)]([ () 將式 ()代入位置型 PID算式，可得變速積分 PID的完整形式 )]1()([)()]([)()()( 10 ????????? ??? ??? kekeKkekefjeKkeKku DkjIP () 變速積分 PID與普通 PID相比，具有以下優點：完全消除了積分飽和現象，大大減少了超調量，適應能力強，參數整定容易。 當偏差值較小時，采用 PID控制，可保證系統的控制精度；當偏差值較大時，采用 PD控制，可使超調量大幅度降低。因此，應該根據被控對象的實際情況加以選擇。 執 行 機 構P I D 增 量 式 算 法∫被 控 對 象r ( k ) e ( k ) u ( t ) y ( t )+△ u ( k )y ( k ) 圖 增量式 PID控制 原理框 圖 根據位置式 PID控制算法，導出提供增量的 PID控制算法。 (3) 微分環節 能反映偏差信號的變化趨勢 （ 變化速率 ） ，并能在偏差信號 值 變得太大之前，在系統中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統的動作速度，減少調節時間。即 ])()(1)([)(u 0 dt tdeTdtteTteKt DtIP ??? ? () 式中： )()()( tytrte ?? ， PK 為比例增益， IT 為積分時間常數， DT 為微分時間常數。 控制算法的選擇 智能調節器 的核心是控制算法。例如 MCS51， MCS96 系列單片機的時鐘頻率已擴展至 24MHz，其中 MCS96 還具有 16 位乘 16 位和 32 位除以 16 位的除法指令，使運算速度大為提高。因此，微處理器的選擇在本設計中就顯得尤為重要。 (2) 基本功能 ① 可進行多通道、多參數巡回檢測； ② 能進行數據分析和處理； ③ 提供多種形式的數據輸出 ， 可方便地與網絡、外設及其 它 設備進行數據交換； ④ 可作為自動控制的信息反饋環節 ， 把檢測與控制結合起來； ⑤ 可通過改變程序或采用可編程的方法增減儀器功能和規模來適應不同的環境和對象； 內蒙古科技大學畢業設計 說明書（畢業 論文 ） 6 ⑥ 自校準、自診斷、觸發電平自動調整、量程自動調整和各種報警功能 [3]。轉換后的數字信號送入單片機 ， 單片機根據 測量 值進行相應的數據運算和處理 ， 可將結果送顯示和打印。 智能調節器的結構 智能調節器就是一種數字化的過程控制儀表，其外表類似于一般的盤裝儀表，而其內部是由微處理器（可能是 8 位的 中央處理器 ： 280， 8085 等，也可能是各種單片機：內蒙古科技大學畢業設計 說明書（畢業 論文 ） 4 8051 系列、 8098 系列等）、 RAM、 ROM、模擬量與數字量 I/O 通道及獨立的電源等基本單元 組成 的一個微型計算機系統。但這些模擬調節器都已慢慢 地 被數字調節器及更 先進 的智能調節器所取代。 模擬調節器的原理圖如 圖 所示 。 首先 ， 人通過視覺進行檢測 ； 然后 ， 用大腦進行判斷和決策 ； 最后 ， 再 由 人手控制。 Regulate。 本 設計 以 高性能的 80C196KB 單片機為核心 ， 輔以必要的外圍器件， 來 完成 調節器的各項 功能 。 同時，本調解器還具備了初步的智能化。 MCU。在生產過程中，人起到了檢測儀表、控制器、執行器三大作用。在該 單回路控制系統中，由于擾動作用使被控變量偏離給定值，從而產生偏差 si xx ??? () 式中 ? —偏差； ix —測量值； sx —給定值。 數字調節器 在數字控制系統中，用數字調節器來替代模擬調節器。可以說除控制點的區別之外，它的功能與現場控制站大同小異。單片機還可把運算結果與存儲器中存放的設定值進行比較 ， 采用改進的 PID 控制算法 ， 向執行部件輸出控制信號 ， 以將被測參數穩定在 設定值。 智能調節器的優越性 智能儀器與傳統儀表相比較： (1) 傳統測控儀表對于輸入信號的測量準確性完全取決于儀表內部各功能部件的精密性和穩定性，在其內部某些部件發生故障時仍進行測量，測量結果的正確性不能 保證。 微處理器的選擇要從價 格、字長、輸入 /輸出的執行速度、編程的靈活性 、尋址能力、中斷功能、直接存儲器訪問（ DMA）能力、配套的外圍電路芯片是否豐富以及相應的開發系統是否具備等多方面進行綜合考慮。單片機具有較強的控制功能。基本的 控制 算法有 ：程序控制和順序控制； PID控制；直接數字控制；最優控制；模糊控制；神經網絡控制等。 在計算機控制系統中，使用比較普遍的也是 PID控制策略。 PID 控制算法及特點 PID 控制器的兩種主要算法 內蒙古科技大學畢業設計 說明書（畢業 論文 ） 10 PID控制器主要有兩種算法，位置式算法和增量式算法 ，下面分別討論兩種算法的特點。 根據遞推原理可得 )]2()1([)()1()1( 10 ???????? ??? kekeKjeKkeKku DkjIP () )]1()([)()( )]2()1(2)([)()]1()([)( ???????? ?????????? kekeKkeKkeK kekekeKkeKkekeKku DIP DIP () )2()1()()( ?????? kCekBekAeku () 其中： )1(TTTTKA DIP ???， )21( TTKB DP ??， TTKC DP? 。一般認為，在以晶閘管或伺服電動機作為執行器件，或對控制精度要求較高的系統中，應當采用位置型控制算法，而在以步進電動機或多圈電位器作執行器件的系統中，則應采用增量型控制算法。 ② 變速積分的 PID算式 在普通的 PID控制算法中，由于積分系數 IK 是常數 ，所以，在整個控制過程中，積分增量不變。 ③ 遇限 削 弱積分 PID控制算法 該算法的基本思想是：當控制進入飽和區以后，便不再進行積分項的累加，而只執行削弱積分的運算 。 內蒙古科技大學畢業設計 說明書（畢業 論文 ） 15 被 控 對 象R ( s ) E ( s )Y ( s )+U ( s ))11( sTK IP ? sT D?1 圖 微分先行 PID控制 原理 框圖 其控制算式為 )]1()([)]2()1(2)([)()]1()([)(?????????????kekeTTKkekekeTTKkeTTKkekeKkuIDPDPIPP () 該算法先對輸出量微分 。 但從另一方面來講，控制算法的普適性也反映了 PID控制器在控制品質上的局限性。 在本設計中 主要包括單片機芯片 80C196KB、地址鎖存器 74LS37程序存儲器 2712靜態數據存儲器6264 及譯碼器 74LS138。許多指令既可用于雙操作數，也可用于三操作數，大大提高了指令效率，平均指令執行時間為 1μs~2μs； (7) 可使用面向工業控制的高級語言 。 EA =1 時，訪問 2020H~3FFFH 存儲器單元，指向片內EPROM/ROM。 只有在讀外部存儲器期間 RD 是低電平； WRL/WR ：對外部存儲器的讀和寫低位字節輸出。該腳也可作輸入口； PWM/：把 置 1， 腳就作 PWM 的輸出了。在單片機系統中為了擴展外部存儲器，通常需要一塊 74LS373芯片。 程序存儲器 27128的應用 80C196KB 不帶程序存儲器，所以要加外部程序存儲器。 在用 373作地址鎖存器時， OE接地， LE接單片機的 ALE信號， 74LS373的數據輸入端 D0~D7接 P3口， 74LS373的數據輸出端 Q0~Q7接存儲器的 地址線 A0~A7。 本設計中 80C196KB 單片機 與外圍設備的連接 在本設計中， 80C196KB 單片機外接 12MHz 晶振的 J J2 與 其 XTAL1 和 XTAL2腳 相連；串行接口芯片 MAX485 接在 單片機的 TXD 和 RXD 兩個引腳上；看門狗 芯片MAX705 的 RES 腳 與 單片機的 RES 腳相 連， WDI 連在 這個準雙向口上；模擬量輸入通道 ACH1 接在 單片機的 腳上； D/A 轉換 結果從 PWM 腳 （ 即 ） 輸出 ； 44矩陣式鍵盤 接在 P1 口的 8 條引腳上； P3 和 P4 口引腳作數據總線和地址 總線用，與地址鎖存器 74LS37 3 線 8 線譯碼器 74LS13總線收發器 74LS24程序存儲器 27128及 數據存儲器 6264 相連，實現總線分離以及對外部存儲器的讀 /寫 等 操作。 RXD 功能靠設置 來選通。若不接晶振或諧振電路，該腳應浮置； CLKOUT：內部時鐘發生器輸出 。 必須與 VSS保持同電位； ALE/ ADV ：地址鎖存允許或地址有效輸出 。 在 12MHz 頻率輸入下，可實現 16 位加法運算（ 1μs）， 16 位 16 位乘法和 16 位 247。 本設計的外圍電路包括： 44 矩陣式鍵盤；打印機接口；看門狗芯片及與上位機通信的接口芯片等。總的來說， PID控制的優點主要體現在以下兩個方面： (1) 原理簡單、結構簡明、實現方便 ， 是一種能夠滿足大多數實際需要的基本控制器； (2) 控制器適用于多種截然不同的對象，算法在結構上具有較強的魯棒性 。 數字調節器輸出的微分作用能在各個周期里按照偏差變化趨勢，均勻地輸出，真正起到了微分作用，改善了控制系統的性能。為此，設置一系數 )]([ kef ，它是 )(ke 的函數，當 )(ke 增大時， f 減小，反之增大。積分分離 PID算法可表示為 ?????? ????? ?? )]1()([)()()( 0 kekeTTjeTTkkeKku DkjIiP () 其中??? ??? %)(0 %)(1 ??je jek i 當當 內蒙古科技大學畢業設計 說明書（畢業 論文 ） 13 該算法的優點是：縮短了調節時間 。 但增量式控制也有不足之處：積分截斷效應大，有靜態誤差，溢出的影響大等。 (2) 增量式 PID控制算法 增量式 PID控制算法的 原理框 圖如圖 。積分作用的強弱取決于積分時間常數 IT ， IT 越大，積分作用越弱，反之則越強。 比 例積 分微 分被 控 對 象r ( t ) e ( t ) u ( t ) y ( t )+++