題t目：基于單片機的智能調節器設計-wenkub.com

　 　

【正文】 27128是 16K8位的 EPROM，單一 +5V供電，工作電流為 100mA，維持電流為 40mA，讀出時間最大為 250ns， DIP28 封裝。之后 P3口傳送指令或數據代碼。 內蒙古科技大學畢業設計 說明書（畢業 論文 ） 22 在本設計中，采用 74LS373作為地址鎖存器使用，其 電路 連接方法如圖 。 EA 為低電平時，這些引腳總是作系統總線，否則，只有在訪問存儲器時才作總線 [6]。 PWM 的占空比取決于裝入到 PWM_CONTROL寄存器的值。該腳也可作輸出口； 內蒙古科技大學畢業設計 說明書（畢業 論文 ） 21 RXD/：串行口的接收腳。每次外部寫操作時， WR 變低。若采用外部時鐘源，應接至此腳； XTAL2：振蕩器反相輸出。 EA =0 時，全部存儲器的訪問指向片外存儲器； RES ：復位輸入和開漏輸出。它有 68條引腳，如圖 所示： 圖 80C196 引腳圖 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAA C H 5/ P 10A C H 4/ P 11A G N D12V R E F13V S S14E X T I N T / P 15/ R E S16R X D / P 2 .117T X D / P 2 .018P 1. 019P 1. 120P 1. 221P 1. 322P 1. 423H S I .024H S I .125H S I .226HSI.327HSO.028HSO.129P1.530P1.631P1.732P2.633HSO.234HSO.335VSS36VPP37P2.738PWM/P2.539/WR40/BHE41T2RES/P2.442READY43T 2C L K / P 44A D 15 / P 4 .745A D 14 / P 4 .646A D 13 / P 4 .547A D 12 / P 4 .448A D 11 / P 4 .349A D 10 / P 4 .250A D 9/ P 4. 151A D 8/ P 4. 052A D 7/ P 3. 753A D 6/ P 3. 654A D 5/ P 3. 555A D 4/ P 3. 456A D 3/ P 3. 357A D 2/ P 3. 258A D 1/ P 3. 159A D 0/ P 3. 060/RD61ALE62INST63BUSWID64CLKOUT65XTAL266XTAL167VSS68VCC1/EA2NMI3P0.3/ACH34P0.1/ACH15P0.0/ACH06P0.2/ACH27P0.6/ACH68P0.7/ACH798 0 C 1 9 6 K BI C 180 C 19 6K B內蒙古科技大學畢業設計 說明書（畢業 論文 ） 20 由于芯片引腳較多，下面僅對本設計所涉及的主要引腳 的 功能予以描述： VCC：主電源電壓（ +5V）； VSS：數字地（ 0V）； VREF： A/D 轉換器和 P0 口的參考電壓（ +5V）； AGND： A/D 轉換器的參考地 。 如 C 語言、 FORTH 語言、 PL/M 語言 等 。該 CPU 的最大特點是采用 了 寄存器 寄存器結構， CPU 直接面向 256B 的寄存器空間，消除了累加器結構中存在的瓶頸效應，提高了操作速度和數據吞吐能力； (2) 具有 8KB 的內部程序存儲器，內部程序存儲器可以加密；具有 256B 的內部寄存器和專用寄存器，其中內部寄存器為 232B，它兼有通用寄存器和高速 RAM 的功能； (3) 與 MCS51 相比，單片機內部增加了許多高性能功能部件，如 I/O 器（ HSIO），特別適合快速脈沖的測量和生產 ；多通道 10 位 A/D 轉換器，特別適合多路數據采集、智能儀器和工業控制系統等應用領域；脈寬調制輸出（ PWM），可用于直接驅動電機類的執行元件，或濾波后獲得直流輸出，作為 D/A 轉換器使用；外設事務服務器（ PTS），專門用于處理外設中斷事務，和普通中斷服務過程相比，它能夠提供類似于直接存儲器存取 DMA(Direct Memory Access)的響應，大大減少了 CPU的軟件開銷，從而提高了單片機的信息處理速度； 內蒙古科技大學畢業設計 說明書（畢業 論文 ） 19 (4) 有 4 條高速觸發輸入線和 6 條高速脈沖輸出線，同時具有兩個 16 位定時器；另外還有 4 個受高速輸出部件 控制的軟件定時器；具有 9 個中斷源和 8 個中斷優先級； (5) 8XC196XX 內的 A/D 轉換器多具有轉換位數（有 8 位和 10 位）可選擇、采樣和轉換時間可選擇的特點，比 8096 中的 A/D 更靈活； (6) 運算能力和運算速度大大提高 。 80C196KB 單片機 繼 MCS51 系列 8 位單片機后， Intel 公司于 1983 年推出 MCS96 系列 16 位單片機。 在 單片機內， 經A/D 轉換 以 后的信號以數字量 形 式通過數字濾波 及 線性化處理 后 輸出 到 顯示驅動芯片MAX7219 進行顯示；同時，這些數據經 PID 運算及 D/A 轉換后，將由單片機的 PWM口送出 ， 通過平滑濾波及 V/I 轉換后 ， 轉換 成 4~20mA 的控制信號 。具體分析，其局限性主要來自以下幾個方面： (1) 算法結構的簡單性決定了 PID控制比較適用于 SISO最小相位系統，在處理大時滯、開環不穩定過程等難控對象時，需要通過多個 PID控制器或與其 它 控制器的組合，才能得到較好的控制效果； (2) 算法結構的簡單性同時決定了 PID控制只能確定閉環系統的少數主要零極點；閉環特性從根本上只是基于動態特性的低階近似假定的； (3) 出于同樣的原因，決定了單 一 PID控制器無法同時滿足對假定設定值控制和伺服/跟蹤控制的不同性能要求 [5]。 P I DC 2 ( s )E ( s ) U ( s )C ( s )+++C 1 ( s )sp esG ??) ]1)[(sp esG ??? 圖 Smith預估計控制 原理 框圖 ? ?])1[()1()1()( 11 ???????? kukubkackC () 式中： )exp(PTTa ?? ， ?????? ???????????PP TTKb e x p1 內蒙古科技大學畢業設計 說明書（畢業 論文 ） 16 PID 控制算法的特點 PID這樣簡單的控制器，能夠適用于如此廣泛的工業與民用對象，并仍以很高的性價比在市場中占據著重要地位，充分地反映了 PID控制器的良好品質。 其優點在于避免因提降給定值時所引起的超調量過大或閥門動作過分劇烈而產生振蕩等，適用于給定值頻繁提 降的場合。 P I D D f ( s )e ( t )u ` ( t )u ( t ) 圖 不完全微分 PID調節器 原理框圖 不完全微分 PID位置型控制算式 )()1()1()( kukuku ????? ?? () 式中 ?????? ?????? ?? TkekeTjeTTkeKku DkjIP)1()()()()(0 TTTf f???（ 衰減因子 ） 該算法的優點是：不但能抑制高頻干擾，而且克服了普通數字 PID控制的缺點 。 先判斷 )1( ?ku 是否超出限制值，若超出，則只累加負偏差，否則，內蒙古科技大學畢業設計 說明書（畢業 論文 ） 14 累加正偏 差。 它的基本思想是設法改變積分項的累加速度，使其與偏差大小相對應：偏差越大，積分越慢，反之則越快。而系統對積分項的要求是，系統偏差大時積分作用減弱以至全無，而在小偏差時則應加強。為此，可采用積分分離措施，即偏差 )(ke 較大時，取消積 分作用；當偏差 )(ke 較小時才將積分作用投入。 綜合考慮，本設計采用 增量式 PID控制算法 。 控制增量 )(ku? 的確定僅與最近 k 次的采樣值有關，所以較容易通過加權處理而獲得比較好的控制效果。它們只是與采樣周期、比例增益、積分時間常數和微分時間常數相關的常數。而且，因為計算機輸出內蒙古科技大學畢業設計 說明書（畢業 論文 ） 11 的 u(k)對應的是執行機構的實際位置，如計算機出現故障， u(k)的大幅度變化，會引起執行機構位置的大幅度變化，可能造成重大的生產事故，往往不適合用于生產實踐中，因而產生了增量式 PID控制算法。 (1) 位置式 PID控制算法 位置式 PID控制算法 原理框 圖如圖 。 (2) 積分環節 主要用于消除靜差，提高系統的無差度。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。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。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]。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。 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。 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。 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 。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。 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。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。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。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 。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 ” 。其調節過程是先把過程參數進行采樣，并通過模 擬量輸入通道將模擬量變成數字量。若 ? 0 時 ，對應的輸出信號變化量 ? y0，則 稱 調節器為正作用調節器；若 ? 0 時，對應的輸出信號變化量 ? y0，則稱調節器為內蒙古科技大學畢業設計 說明書（畢業 論文 ） 3 反作用調節器 [2]。 調節器接受偏差信號后，按一定的運算規律輸出控制信號，作用于被控對象，以消除擾動對被控變量的影響，從而使被控變量回到給定值上來。 回顧調節器的發展過程，從使用的器件來看，它經歷了真空管時代－晶體管時代－集成電路時代－大規模集成電路時代四個階段；而從調節器的工作原理來看，它也經歷內蒙古科技大學畢業設計 說明書（畢業 論文 ） 2 了模擬儀器－數字儀器－智能儀器等不同的階段 [1]。隨 著生產的不斷發展和技術水平的不斷提高，生產過程變得越來越復雜，一