題t目：基于單片機的智能調節器設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 樣，并通過模 擬量輸入通道將模擬量變成數字量。這些數字量由計算機按一定控制算法進行運算處理，運算結果由模擬量輸出通道輸出，去控制執行機構的動作，從而實現對溫度、壓力、流量、液位以及其 它 被控變量的自動控制。 數字調節器具有與常規模擬調節器同樣的外部特性，其輸入 /輸出信號制與 DDZⅢ型電動單元 組合 儀表相同 （ 輸入信號 1~5V，輸出信號 4~20mA）； 保持 了 常規模擬調節器的操作方式 ， 正反板幾乎相同，其指示表頭和操作鍵盤的布置也相差不大 ； 采用了微計算機及其配套芯片，在不增加任何外電路芯片的情況下，即可通過編制適當用戶程序，方便 地 增加調節器功能 ， 功能價格比 較 高 ； 提供 了 通訊功能 。 智能調節器 微電子技術和計算機技術的不斷發展 ， 引起了調節器結構的根本性變革。以微型計算機為主體 ， 將計算機技術與檢測技術有機結合 ， 組成新一代 “ 智能化調節器 ” 。智能化調節器不僅解決了傳統調節器不易解決或不能解決的問題 ， 還能簡化儀表電路 ， 提高儀表可靠性 ， 實現高精度、高性能、多功能的目的 ， 迅速地在各個領域得到了廣泛的應用。 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。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。一般有單回路、 2回路、 4 回路或 8 回路的調節器，控制方式 有單閉環控制、串級控制 、 信號選擇及前饋控制和按預定曲線進行程序控制等 ，控制算法 PID 控制 、 直接數字控制 、 最優控制 、 模糊控制 和 神經網絡控制等 。 智能調節器實際上是一種通用的調節儀表 ， 由 硬件和軟件兩部分組成 ， 其結構原理圖如圖 所示。 單 片 機 系 統信 號 調 理傳 感 器 控 制 輸 出 圖 智能調節器的結構原理圖 (1) 硬件部分 由于被測 參數 多為非電量 ， 利用傳感器將測到的非電量轉換為電信號 ， 大多數傳感器產生的信號都很微弱 ， 通常只有 μV或 mV 量級 ， 必須用高輸入阻抗的運算放大器對它們進行放大 ， 使達到一定的幅 值， 還要進行濾波 ， 濾除 各種干擾 信號 。 若信號的大小與 A/D 轉換的輸入范圍不一致 ， 須進行電平轉換 ， 必要時要加程控增益放大器對信號分段放大以保證轉換精度。一般被測量為幾路或幾十路 ， 采用多路開關對被測信號進行切換 ， 使各路信號共用一個 A/D 轉換器。若 模擬信號變化比較緩慢 ， 可以直接加到 A/D 轉換器的輸入端 ， 如果信號變化較快 ， 為了保證 A/D 轉換的正確性 ， 要加采樣保持器。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。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。如被測爐溫超過上限值或低于下限值時 ， 給出報警信號 ， 進行相應操作。 此外 ， 智能調節器還可以與 PC 機組成分布式測控系統 ， 由單片機作為下位機采集內蒙古科技大學畢業設計 說明書（畢業 論文 ） 5 各種測量信號和數據 ， 通過串行通信接口 將信息傳送給上位機 —— PC 機 ， 再 由 PC 機進行更復雜的數據處理或進行全局監控。 (2) 軟件部分 主要包括監控程序、接口管理程序和數據處理程序三大部分。監控程序面向調節器的鍵盤和顯示器 ， 幫助實現從鍵盤輸入數據或進行功能設置、控制 ， 完成顯示器對處理后的數據以數字、字符、圖形等形式顯示的任務；接口管理程序主要完成數據采集、數據存儲、通信等任務；數據處理程序主要完成數據濾波、運算、分析等任務。 智能調節器的特點和基本功能 智能調節器在測量過程自動化、測量數據處理及功能多樣化方面與傳統調節器的常規測量電路相比 ， 取得了 較大的進展。 (1) 特點 ① 開發性強 ， 可靠性高； ② 性能好 ， 精度高； ③ 智能化； ④ 具有友好的人機對話能力； ⑤ 具有可程控操作的能力。 (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]。 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。智能儀表可采用自動校準技術來消除儀器內部所產生的漂移電壓 ； (2) 傳統儀表的校準通常與更高一級的同類儀表 進行對比測量來實現，智能儀器提供了一種先進而方便的自動校準方法 ； (3) 智能儀器在提高儀器可靠性方面也明顯優于傳統儀表。通常設有自檢功能。所謂自檢，就是儀器對其自身各主要部件進行的一種自我檢 測過程，目的是檢查各部件的狀態是否正常，以保證 儀表的正常運行 。自檢一般可分為開機自檢、周期性自檢和鍵控自檢三類 ； (4) 智能儀器內含單片機，可充分利用單片機對于數據的處理能力，最大限度地消除儀器的 各種 誤差。 內蒙古科技大學畢業設計 說明書（畢業 論文 ） 7 第二章 智能調節器方案 選擇 智能調節器的方案選擇主要包括 微處理器 的選擇及控制算法的選擇 兩大部分 。 微處理器 的選擇 智能調節器的核心是微處理器，智能調節器的硬件和軟件的設計與微處理器的選擇有著密切的關系，它的結構、特性對調節器的性能有很大影響。因此，微處理器的選擇在本設計中就顯得尤為重要。 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。 在實際微處理器的選擇中，我們往往會感到許多型號的微處理器都能滿足設計要求，這 時 微處理器的選擇 主 要取決于設計人員對 某種微處理器的熟悉程度。隨著超大規模集成電路技術日新月異地發展，微處理器的功能在不斷增強，價格在不斷下降。因此，我們在設計新產品時應盡量采用新器件以優化設計方案。目前，微處理器正 向著兩個方向發展 ： 一是研制功能更強，速度更快的 16 位、 32 位、 64 位高檔微處理器以及與其相配套的存儲器和 I/O 接口芯片 ； 二是在一塊芯片上集成多種功能的電路，構成完整的單片微型計算機。 應該特別指出的是，高集成度、功能強的單片機的發展給智能儀器的實現帶來 了 極大的方便。單片機用于智能儀器具有下述優越性： 單片機具有較高速度的數據計算能力。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。單片機具有較強的控制功能。例如 MCS51 具有的布爾處理功能，包括一套 位處理指令和位控制輸入輸出功能，非常適用于儀器儀表的控制。單片機本身內蒙古科技大學畢業設計 說明書（畢業 論文 ） 8 就是一個 結構完備的計算機，內含豐富的 I/O 接口 。 例如 MCS51 含有 32 線并行 I/O 接口、兩個 16 位定時 /計數器、一個全雙工的串行口和一個內部 RAM 區等部件，從而大大簡化了儀器的硬件結構，降低了儀器的造價。相對于 增強型的 MCS51， MCS96 系列單片機內還具有 A/D 轉換 和 D/A 轉換脈寬調制輸出。因而， 80 年代以來開發的智能儀器幾乎都帶有一片或多片單片機 [4]。 綜合考慮，本設計采用了 Intel 公司 MCS96 系列單片機中的 80C196KB 單片機作為智能調節器的核心。 控制算法的選擇 智能調節器 的核心是控制算法。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。其中， PID控制技術最為成熟，控制結構簡單，參數容易整定，且不必求出被控對象的數學模型就可進行調節。因此，本設計的智能調節器采用 改進型的 PID控制 算法 。 PID 控制 的 基本原理 PID控制器本身是一種基于對 “ 過去 ” 、 “ 現在 ” 和 “ 未來 ” 信息估計的簡單控制算法。 常規的 PID控制系統 原理 框圖如圖 ，系統主要由 PID控制器和被控對象組 成。作為一種線性控制器，它根據給定值和實際輸出值構成控制偏差，將偏差按比例、積分和微分通過線性組合構成控制量，對被控對象進行控制，故稱 PID控制器。 比 例積 分微 分被 控 對 象r ( t ) e ( t ) u ( t ) y ( t )++++ 圖 PID控制系統原理框圖 內蒙古科技大學畢業設計 說明書（畢業 論文 ） 9 在連續控制系統中， PID控制器的輸出 u(t)與輸入 e(t)之間成比例、積分、微分的關系。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。 在計算機控制系統中，使用比較普遍的也是 PID控制策略。此時，數字調節器的輸出與輸入之間的關系為 ? ??????? ????? ??kiIP TkTekTeTTiTeTTkTeKkTu 0 D )()()()()( () 其中： PK 、 IT 、 DT 分別為比例系數、積分時間 常數和微分時間常數； T 為采樣周期； k 為采樣序號， k = 0， 1， 2， … ； )(kTu 為第 k 次采樣時刻的計算機輸出值； )(kTe 為第 k 次采樣時刻輸入的偏差值； )( TkTe ? 為第 (k1)次采樣時刻輸入的偏差值。 PID各 控制參數對系統的動態和穩態性能有不同的影響。 簡單來說， PID控制 器 各校正環節的作用如下 ： (1) 比例環節 及時成比例地反映控制系統的偏差信號 e(t)。 偏差一旦產生，控制器立即產生控制作用 ，以減少偏差。 (2) 積分環節 主要用于消除靜差，提高系統的無差度。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。 (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。 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。 (1) 位置式 PID控制算法 位置式 PID控制算法 原理框 圖如圖 。 執 行 機 構P I D 位 置 式 算 法D / A被 控 對 象r ( k ) e ( k ) u ( t ) y ( t )+u ( k )y ( k ) 圖 位置式 PID控制算法 原理框 圖 因為計算機控制是一種采樣控制，式 ()中的積分和微分項不能直接使用，需要對其進行離散化處理。現以一系列的采樣時刻點 kT代表連續時間 t，以和式代替積分，以增量代替微分，則可作如下近似變換 kTt? () ??? ?? ?? kjkjt jeTjTeTdtte 000 )()()( () ? ?? ?T TkekTedt tde 1)()( ??? () 將算式 T TkekTe ])1[()( ?? 簡化表示為 T keke )1()( ?? ， 于是得到控制器輸出 ?????? ????? ?? T kekeTjeTTkeKku DkjIP)]1()([)()()(0 () )]1()([)()()( 0 ????? ?? kekeKjeKkeKku DkjIP () 其中： PK 為比例增益， IK 為積分系數，IPI TTKK ? ， DK 為微分系數， TTKK DPD ? 。 在位置型算法中，由于全量輸出，所以每次輸出均與原來的位置量有關，計算時要對 e(k)進行累加，容易造成