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南京理工大学硕士论文集 基于嵌入式温度实验系统的p i d 控制 摘要 温度控制系统在工业控制中应用广泛，适用于冶金、电力、化工、纺织、食品、 机械等行业。而采用基于p c i 0 4 总线的硬件结构设计以及软件设计是当前工控产品设 计的重要方向。 本课题来源于江苏省品牌专业实验室建设项目。针对实际温箱，设计了该嵌入式 温度控制系统。本文内容主要包括如下部分： 1 基于p c i 0 4 嵌入式平台的系统结构及相关硬件的介绍。 2 对温箱系统进行模型推导，并参照温箱模型通过仿真及理论分析对p i d 控制 算法进行研究，且推导了一类非线性积分控制器的描述函数。 3 系统软件及温控界面设计；说明了该系统的软件实现方法及相关流程，以及 利用温控晃面显示实时温度曲线和实现温度监控的方法。 4 实验系统的实际调试及分析探讨。 关键词：嵌入式、p c i 0 4 总线、p i d 控制、实时温度曲线 旦墨 堡主兰苎一 a b s t r a c t t e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e mi su s e dw i d e l yi ns u c hi n d u s t r i e sa sm e t a l l u r g y 、e l e c t r i c p o w e r 、p e t r o c h e m i c a li n d u s t r y 、l i g h tt e x t i l e 、f o o dp r o c e s s i n g 、m a c h i n e 。b u i l d i n ga n d s oo n a p p l i c a t i o no fh a r d w a r ed e s i g na n ds o f t w a r ed e s i g nb a s e do np c i 0 4b u si s a l li m p o r t a n t w a y o fd e s i g n i n gi n d u s t r yc o n t r o lp r o d u c t s t h em e a s u r ea n dc o n t r o lo ft e m p e a t u r ei so n eo ft h ei m p o r t a n tt a s k si np r o c e s s c o n t r 0 1 i nat e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e m ，t h et e m p e r a t u r ev a l u ei sg a t h e r e db ys e n s o ri nt h e w o r k i n gs p o ta n di n p u ti n t ot h ec o m p u t e ri nt h ed a t af o r mt h r o u g ha dc o n v e r s i o n ，t h e r e s u l t i n gd a m sa r es t o r e d 、c o m p u t e da n dd i s p l a y e db yu s i n gs o f t w a r eo ft h et e m p e r a t u r e c o n t r o ls y s t e m t h et a s ki sf r o mi t e m so f j i a n gs ub r a n dl a bc o n s t r u c t i n g i nt h i sp r o j e c t ，id e s i g na n e m b e d d e dt e m p e a t u r ec o n t r o ls y s t e ma c c o r d i n gt ot h er e a lt e m p e a t u r eb o x t h ec o m e mo f t h i sp a p e ri sd i v i d e di n t ot h ef o l l o w i n gp a r t s ： 1 i n t r o d u c t i o no fb o t hs t r u c t u r eo ft h es y s t e ma n dr e l a t e dh a r d w a r e sw h i c ha r eb a s e d o na ne m b e d d e df i a tr o o f 2 m o d e ld e d u c i n go f t h et e m p e r a t u r es y s t e m 、r e s e a r c ha n d a n a l y s i so f p i da r i t h m e t i c b a s e do nt h em o d e la r eg i v e n f u r t h e r m o r e ，id e d u c et h ed e s c r i b i n gf u n c t i o no fas e r i e so f n o n - l i n e a ri n t e g r a t o r 3 s y s t e ms o f i w a r e sa n dt e m p e r a t u r e c o n t r o ld ! s p l a yd e s i g n ，w h i c hs h o wt h ea p p r o a c h o fs o f t w a r er e a l i z a t i o na n dr e l a t e dp r o c e s s ，a l s o ，d i s p l a yo fr e a l t i m et e m p e r a t u r ec u r v e s a n dr e a l i z a t i o no f t e m p e r a t u r es u r v e i l l a n c ea r eg i v e n 4 d e b u go f r e a ls y s t e ma n da n a l y s i sa sw e l la sd i s c u s s i o n sf r o mi t k e y w o r d s e m b e d d e d 、p c i 0 4b u s 、p i dc o n t r o l 、r e a l t i m et e m p e r a t u r ec u r v e ：x 7 6 3 0 9 0 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：赶超汐9 7 年石月髫白 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：途盏k 耐，年月( f 日 南京理工大学硕士论文集基于嵌入式温度实验系算的p i d 墼型 l 绪论 1 1 本谋题意义及研究现状 温度的测量与控制是生产过程自动化的重要任务之。温度控制系统在工业控制 中应用广泛，如在电厂建设、石油化工、冶金、机械制造、食品加工等行业中应用十 分普遍。主要是通过将工业控制现场的温度模拟量通过传感器采集，再经过a d 转换 成数字量输入计算机，由温度控制系统软件实现数据的存储、处理、显示的过程。 如今在很多温度控制系统中，一般是选用单片机来实现。由于每种单片机一般都 有各自的一套开发工具，需要花费一定的时间和精力去学习研究才能掌握，并且相关 的硬件接口设计也比较复杂。而采用p c i 0 4 作为核心中央处理器，则可将主要精力放 在软件和接口的设计上，而且p c i 0 4 的开发、维护和扩展都非常方便。p c i 0 4 与通用 的p c 和p c a t 标准( i e e e p 9 9 6 ) 完全兼容，可以很快掌握其软、硬件的使用，而且 它具备嵌入式控制的特殊要求：体积小、成本低、可靠性高、寿命长、编程调试方便， 配以不同功能的板卡，为嵌入式应用提供了标准的系统平台。本项目设计运用了当前 工控产品中比较广泛的p c i 0 4 总线的硬件接口电路的设计以及软件设计，把它作为 个嵌入式平台，运用到温度控制系统中，并使用v c + + 及p i d 控制方法，完成编程界 面友好、功能齐全的温度控制程序，最后实现温箱系统的温度控制，力求使控制误差 在2 以内。 温度控制有很多方式，如采用模拟仪表控制、数字仪表控制、单片机控制、p l c 控制、微机控制等等。近年来，随着计算机技术、电力电子技术的飞速发展以及对控 制对象在线控制条件、技术参数、控制效果及质量等方面越来越高的要求，使得采用 工业控制计算机进行温度控制在现代化的工农业领域中得到了愈来愈广泛的应用。大 到粮库、程控交换机、大型温室等场合，小到变频空调甚至现在的一些p c 机的主板 都用到了温度监控系统。由于温度控制是工业生产中典型的过程控制问题，对温度进 行准确的测量和有效的控制是一些设备优质高产、低耗和安全生产的重要指标。随着 生产的发展，对温度控制的要求将会越来越高。 本课题属工业控制过程研究领域，所谓过程控制系统是指自动控制系统的被控量 是温度、压力、流量、液位成分、粘度、湿度以及p h 值等这样一些过程变量的系统。 如今，随着自动控制理论与技术的迅速发展，特别是现代控制理论和微机技术的发展， 大大促进了工业自动化韵进程，但p i d 控制仍旧是工业控制的主力军。 最初的p i d 控制器是利用气动系统构成的。在5 0 年代运算放大器出现以后，电 子元器件取代了气动元件。6 0 年代后，由于计算机控制的出现使得p i d 控制发展到 d d c 阶段，即计算机直接作为执行机构来控制被控对象。7 0 年代微处理器的出现，使 硕士论文 过程控制发展到分散控制阶段，p i d 控制器则是它的主要组成部分。8 0 年代开始在单 回路p i d 控制器中引入了参数整定和自适应控制理论，p i d 控制理论从此进入了高速 发展阶段。p i d 控制器在实际控制工程中应用最广，其被广泛应用主要是因为它结构 简单、在实际中容易被理解和实现，而且许多高级控制都是以p i d 控制为基础的。传 统的p i d 控制器主要问题是参数整定问题。方法是在获取对象数学模型的基础上，根 据某一整定原则来确定p i d 参数。其整定一般需要经验丰富的工程技术人员来完成， 既耗时又耗力，加之实际系统千差万别，又有滞后、非线性等因素，使p i d 参数的整 定有一定的难度，致使许多p i d 控制器没能整定的很好，这样的系统自然无法工作在 令人满意的状态。而且参数一旦整定计算好以后，在整个控制过程中都是固定不变的。 而在实际系统中，由于系统在控制过程中会出现状态和参数的不确定性，因此在现代 工业控制中，采用传统的p i d 控制器已难以获得满意的控制效果。所以越来越多的新 型p i d 控制器得到了人们的重视。近几年来有众多的先进p i d 技术不断涌现出来，如 最优控制、模糊控制、智能控制、自适应控制等，本人也将以温度控制实验系统为实 际工程背景对一些先进的p i d 技术进行研究。 i 2 本课题研究方案及任务 i 2 i 研究方案 课题来源于江苏省品牌专业实验室建设项目。本实验室已引进一批温箱来做实 验，为了使本科生、研究生能更好地了解做温度控制实验的方法和过程，提高软、硬 件设计能力，于是设计了此温度控制系统。其主要任务就是控制被控对象的当前温度， 并且控制其变化使它保持在一个稳定的状态下。当前温度低于设定温度时，启动温度 加热装置进行加热，并通过调节电压的大小以达到控制温度的目的，且使超调量等参 数满足实际系统需要。 1 2 2 任务实现 本项目采用嵌入式计算机系统进行温度控制，具有精度高、功能强、经济性好、 无噪声、显示醒目、读数直观、操作简单、灵活性和适应性好、人机界面友好、图形 处理方便等一系列优点。 本课题分为软件和硬件两大部分。硬件主要分嵌入式平台、数据采集、串口通信、 a d t 7 0 0 控制、驱动电路板；软件基于w i n d o w s 平台由v c + + 开发完成。 工作流程即通过电阻传感器p t l 0 0 现场器集数据输入至a d a m 一4 0 15r t d 信号输入 2 直壅堡三查兰堡主堡塞叁 苎王竖叁苎塑壁窭墼墨竺塑型旦丝型一一 模块，再经由a d a m 一4 5 2 0 转换器输出到主机，从计算机串口读取数据并与设定值相 比较后，调用p i d 控制算法得到控制量，并使用a d t 7 0 0 进行继电器开关控制输出电 压对温箱加热实现控温目的，且利用温控界面显示实时温度曲线和实现温度监控。 1 3 论文总体结构 本论文共分五章，总体结构安排如下： 第一章：本课题意义及实现方案。 第二章：基于嵌入式平台的系统结构及相关硬件介绍。 第三章：对温箱系统模型进行推导，参照温箱模型通过仿真及理论分析对p i d 控制算法进行研究，并推导了一类非线性积分控制器的描述函数。 第四章：系统软件及温控界面设计。说明了该系统的软件实现方法及相关流程， 以及利用温控界面显示实时温度曲线和实现温度监控的方法，并演示了界面的使用。 第五章：通过实验验证系统的实际工作状态并进行分析和探讨，为今后进行更深 入的研究工作奠定一定基础。 系统及硬件 颈士论文 2 系统及硬件 2 1 嵌入式系统简介 嵌入式系统m 】一般指非p c 系统，有计算机功能但又不能就称之为计算机的设备 或器材。它是以应用为中心、软硬件可裁减的、适应应用系统对功能、可靠性、成本、 体积、功耗等综合性指标具有严格要求的专用计算机系统。简单地说，嵌入式系统集 系统的应用软件与硬件于一体，类似于p c 中b i o s 的工作方式，具有软件代码小、 高度自动亿、响应速度快等特点，特别适合于要求实时和多任务的体系。嵌入式系统 主要由嵌入式处理器、相关支撑硬件、嵌入式操作系统及应用软件系统等组成，它是 可独立工作的“器件”。 嵌入式系统几乎包括了生活中的所有电器设备，如掌上p d a 、移动计算设备、 电视机顶盒、手机上网、数字电视、多媒体、汽车、微波炉、数字相机、家庭自动化 系统、电梯、空调、安全系统、自动售货机、蜂窝式电话、消费电子设备、工业自动 化仪表与医疗仪器等。 嵌入式系统的硬件部分，包括处理器微处理器、存储器及外设器件和i 0 端 口、图形控制器等。嵌入式系统有别于一般的计算机处理系统，它不具备像硬盘那样 大容量的存储介质，而大多使用e p r o m 、e e p r o m 或闪存( f l a s hm e m o r y ) 作为存储 介质。软件部分包括操作系统软件( 要求实时和多任务操作) 和应用程序编程。应 用程序控制着系统的运作和行为；而操作系统控制着应用程序编程与硬件的交互作 用。 嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。嵌入式微处理器一般就具备以下4 个特 点： ( 1 ) 对实时多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应时 间，从而使内部的代码和实时内核心的执行时间减少到最低限度。 ( 2 ) 具有功能很强的存储区保护功能。这是由于嵌入式系统的软件结构已模块 化，而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保护功 能，同时也有利于软件诊断。 ( 3 ) 可扩展的处理器结构，以能最迅速地开展出满足应的最高性能的嵌入式微处 理器。 ， ( 4 ) 嵌入式微处理器必须功耗很低，尤其是用于便携式的无线及移动的计算和通 信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此，如需要功耗只有m w 甚至z w 级。 嵌入式计算机系统同通用型计算机系统相比具有以下特点： 4 南京理工大学硕士论文集 基于嵌入式温度实验系统的p i d 控制 ( 1 ) 嵌入式系统通常是面向特定应用的，嵌入式c p u 与通用型的最大不同就是嵌 入式c p u 大多工作在为特定用户群设计的系统中，它通常都具有低功耗、体积小、集 成度高等特点，能够把通用c p u 中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利 于嵌入式系统设计趋于小型化，且移动能力大大增强，跟网络的耦合也越来越紧密。 ( 2 ) 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具 体应用相结合后的产物。这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分 散、不断创新的知识集成系统。 ( 3 ) 嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余，力争 在同样的硅片面积上实现更高的性能，这样才能在具体应用中对处理器的选择更具有 竞争力 ( 4 ) 嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体产品同 步进行，因此嵌入式系统产品旦进入市场，具有较长的生命周期。 ( 5 ) 为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器 芯片或单片机本身中，而不是存贮于磁盘等载体中。 ( 6 ) 嵌入式系统本身不具备自举开发能力，即使设计完成以后用户通常也是不能 对其中的程序功能进行修改的，必须有一套开发工具和环境才能进行开发。 2 21 p c l 0 4 总线 由于普通p c 机在工业控制现场中存在着体积庞大、功耗高、可靠性差等缺点， 美国a m p r o 公司、德国j e p t e c 公司、瑞士的d i g i t a l - - l o g i c 公司等在1 9 8 7 年推出 了p c i 0 4 嵌入式模块，而严格意义的规范说明在1 9 9 2 年才公布，i e e e 协会将i e e e p 9 9 6 作为p c 和p c a t 工业总线规范，而把p c i 0 4 定义为i e e e - - p 9 9 6 1 ，所以实 质上p c i 0 4 就是一种紧凑型的i e e e - - p 9 9 6 。p c i 0 4 总线是专门为嵌入式控制而定义的 工业控制总线，其信号定义和i s a 总线致，但电气规范和机械规范却完全不同，是 一种优化的小型、堆栈式结构的嵌入式总线标准。p c i 0 4 与i s a 相比具有的一些独特 的功能主要有： 小尺寸结构标准p c i 0 4 模块的机械尺寸是3 6 英寸3 8 英寸，即9 6i t i i t i 9 0i t i i t i 。 堆栈式连接去掉总线底板和插板滑道，总线以“针”和“孔”形式层叠连接， 即p c t 0 4 总线模块之间总线的连接是通过上层的针和下层的孔相互咬合相连，这种层 叠封装有极好的抗震性。 降低总线驱动电流减少元件数量和电源消耗，4 m a 总线驱动即可使模块正常工 作。每个模块的功耗大约为l 2 矿。 系统及硬件硕士论文 2 3 系统硬件设计 系统结构如图2 3 1 所示 图2 ，3 1 系统结构图 接口模块运行如下框图所示： 厂_ 厂 厂一厂 r 温度传感器l - r 叫a d a m - 4 0 1 5 m 块卜叫a n a - 卜4 5 2 0 转换器f 一计算机5 i l_一lj 控制模块运行如下框图所示： a d r t 0 0 扩展板卜叫继电器开关控制| 工作流程：本系统通过电阻传感器p t l 0 0 现场采集数据，并输入至a d a m 一4 0 1 5 信号输入模块，再经由a d a m 一4 5 2 0 转换器输出至主机，从串口读取数据，把读取的 数据与输入值相比较，并调用p i d 算法进行数据处理得到控制量。使用a d t 7 0 0 进行 继电器开关控制输出电压对温箱进行加热，从而达到控温目的。 2 3 1p c 1 0 4 板卡s p t 3 本项目采用盛博公司提供的s p t 3 嵌入式p c 1 0 4 板卡作为开发板。 p c 1 0 4 是嵌入式p c 的机械电气标准。它的制定，为嵌入式应用提供了标准的系 统平台，它秉承了i b m _ p c 开放式总线结构的优点，为设计应用系统的工程师提供了 标准的、高可靠的、功能强大的、方便使用的系统组件，从而将人力从繁琐的基于芯 片的没计中解放出来。 s p t 3 ( p c 1 0 4 + 模块) 是一款真正“a l l i n a l l ”的c p u 模块，它在板上集成了 l o l o o b a s e t 以太网接口、高性能图形处理器及a c 一9 7 音频处理功能，同时还包括 一个卡插座和一个a t a 一6 ( u l t r ad m a - 1 0 0 ) 兼容的e i e d 接口。 南京理工大学硕士论文集基于嵌入式温度实验系统的p i d 控制 功能概述 一x 8 6 兼容的i n t e iu l vc e l e r o n 微处理器，支持m m x t m 指令集扩展及s i m d 扩 展，速度高达6 5 0 m h z ；或i n t e lp e n t i u m i i i 处理器( 9 3 3 n t z ) 可选 一支持6 4 位内存，通过单或双面的s o d i 删模块可扩展至5 1 2 m bs d r a m 芯片组：北桥；v i av t 8 6 0 6 内带s a v a k e 4a g p 4 x 图形处理器 南桥：v i av t 8 2 c 6 8 6 b 一扩展总线：1 个3 2 位p c 1 0 4 + 总线1 个1 6 位p c 1 0 4 总线 一在板l o l o o b a s e t 以太网接口 a t a 一6e i d e ( u l t r ad m a 一1 0 0 ) 接口 一c f 卡插槽 软驱接口 一支持p s 2 键盘及p s 2 鼠标 两个u s b 接口 两串一并接口 一i r d a 红步 接口 s v g a 显示器接口 一1 8 位平板显示器接口 一2 路l v d s s 视频和1 、v 输出 监控通道：外部电源按钮，实时信号和一些通用信号 功能框图如图2 3 2 所示： 图2 3 2s p t 3 功能框鹰 7 系统及硬件 硕士论文 2 3 2 系统扩展模块h d t t 0 0 图2 3 3 开发机架实图 a d t 7 0 0 是一个基于p c 1 0 4 的扩展板，其主要功能是数据采集。通过其p c i 0 4 总 线可将其与p c 1 0 4 嵌入式系统构成个高性能的数据采集与控制系统。适用于结构 紧凑、高可靠的嵌入式应用。a d t 7 0 0 模块的特点是： 模拟输入 1 6 单端8 差分输入； 1 2 位分辨率； i o o k h z 最大a d 采样率； 量程o 一+ l o v ，+ 一5 v ，+ 一l o v ，双极性或单极性输入量程； l ，2 ，4 ，8 倍可编程增益； d t , l a 实现数据的高速传输； 模拟输出 4 通道输出： - 5 + 5 v ，一1 0 + l o v ，o 一5 v ，o l o v 量程可选； 通道单独置数或4 通道同时置数； 数字量i o u p 0 7 1 0 5 5 ( 8 2 c 5 5 ) 可编程外围接口( p p i ) ； 2 4 通道t t l c m o s 兼容； i 0 接口上拉或下拉限流电阻： 计数器定时器 壹塞望三查堂堡主垦茎茎 薹王壁垒苎墨鏖壅壁墨竺堕! 竺量型一 两个8 2 c 5 4 可编程定时器，共含6 个1 6 位、i o m h z ( 最大) 的定时器计数器 定时器计数器时钟源( 内部或外部) 可选，可级联 物理特性 尺寸：9 0 9 6 1 5 r a m ； 电源要求：+ s v 5 5 0 0 m a ( m a x ) ； 其视图如图2 3 4 所示： 3 7 7 5 3 5 尹5 2 e o 麒 6 a 矧曩习习訇司s s 蠡甓 k r 显 o o i l ， o oo ”o 意网： o o 3 ： # 型! 幽! 。 。i d 叫t p i _ oo oo ；l l01p2 oo o o ： k 玎订一 = r l l l l l l l , 墨 o o oo o o o o 吕： & 硐一l i i i i i l l 了 oo oo ；一札揿一一一一蓿甜 吕：嚣嚣i二 器嚣键嚣 ，3圄 0 。： i 菇 嵴 l 掇f 娜器- ，j 器1 公饼”躲l o ：。o ：。o o oo ：oo ：渊i q 口o o o 0 0 9 0 0 0 口oo o 口o o 口o o o o 母o o p o o o 口o o l 闸口o o o o o o oooooaooooo口000口ooooooooo l 段! ：! ! ! li 罡2 2 12 1 曼! 璺旦2 1 皇2 2 宝宝2 2 宝l v i 芦i 一蔫荔薪蔫蒿萱v v 萄萱一丫 图2 3 4a d t 7 0 0 视图 系统及硬件 硕士论文 连接器功能描述： p 1 ：p c 1 0 4 总线连接器； s l ：地址配置； s 2 ：中断d m a 配置； s 3 ：记数定时器配置； s 4 ：d i 0 限流电阻上拉下拉； s 5 ：模拟输入量程极性； s 6 ：模拟输入当端差分选择； s 7 ：模拟输出量程极性； j 1 ：模拟i 0 连接器； j 2 ：数字i 0 连接器： j 3 ：保留； 2 3 3 功能模块 2 3 3 1a d a l 4 - 4 0 1 5 模块 r t d 模块目前在温度测量中应用十分普遍。本系统采用了目前比较先进的 a d a m 一4 0 1 56 通道r t d 输入模块。基于模块配置，可以向主机以以下任种数据格式 发送数据： 一以工程单位( 即) ； 一满量程的百分比： 一两位十六进制数； 其视图如图2 3 5 所示： 图2 3 5a d a m 一4 0 1 5 模块 与传统设计不同的是，a d a m 一4 0 1 5 模块为不同的r t d 信号提供了多达6 个输入通 堕塞里三查兰堡主丝茎叁薹王堂垒苎墨壅塞墼墨竺盟旦2 垫型 道。通常来说，损坏的外部电线会造成错误的电流值，而a d a m 一4 0 1 5 提供了断线检测 功能，避免了在采集实时数据的过程中因接入线断裂而导致数据不准确，提高了数据 采集的精确度。 2 3 3 2a d a i b - 4 5 2 0 模块 a d a m 一4 5 2 0 模块是r s 一2 3 2t or s 一4 2 2 4 8 5 的转换器，见图2 3 6 ： 图2 3 6a d a l i 一4 5 2 0 模块 2 3 3 。3r s q 2 2 与r s _ 4 8 5 简介 r s 一2 3 2 ”“作为一个通信标准得到了广泛的应用，但它存在通信距离短、速率低的 缺点，r s 一4 2 2 定义了一种平衡通信接口，将传输速率提高到l o m b i t s ，传输距离延 长到4 0 0 英尺，并允许在一条平衡总线上连接最多1 0 个接收器。后来又在r s 一4 2 2 的基础上制定了r s 一4 8 5 标准，增加了多点、双向通信能力，即允许多个发送器连接 到同一条总线上，同时增加了发送器的驱动能力和冲突保护特性，扩展了总线共模范 围，后命名为t i a e i a 一4 8 5 一a 标准，即r s 一4 8 5 标准。 上述两个模块主要是用来完成数据采集功能，对这两个模块均采用标准的1 2 v 电压供电。 2 3 4p t l 0 0 热电阻传感器 温度是非常重要的物理参数，热电偶和热敏电阻适合大多数高温测量，但设计人 员必须为特定的应用选择恰当的传感器。热电偶的温度响应特性较好、成本较低、可 测量较高的温度；热敏电阻具有较高的精度、较好的长期稳定性，工作温度范围： 2 0 0 - 8 5 0 ，只要经过适当的数据处理就可以传输、显示并记录其温度输出。 p t l 0 0 热敏电阻，是利用电阻值与温度里线性关系这一特性来测量温度的。通常 和显示仪表、记录仪表、电子调节器、计算机控制系统等配套使用，可直接用于在 一2 0 0 6 5 0 。c 范围内的液体、气体、蒸汽等各种流体中及汽轮机、压缩机、鼓风机、柴 油机、电机、液力偶合器等大型机械设备轴承表面进行温度测量。 1 1 墨竺墨垦壁堡主笙苎 图2 3 7p t i 0 0 实物图 铂金p t l 0 0 热敏电阻具有高精确度及高安全稳定性，在一2 0 0 x ：- 6 0 0 。c 之间亦具有 很好的线性度。电阻值随温度的变化称为温漂系数，绝大多数金属材料的温漂系数都 是正数，而且许多纯金属材料的温漂系数在一定温度范围内保持恒定。铂电阻在0 。c 的额定电阻值是1 0 0 ，它是一种标准化的器件。铂金属的长期稳定性、可重复操作 性、快速响应及较宽的工作温度范围等特性使其能够适合多种应用。具体应用中， p t l 0 0 连结方式可以是两线、三线或四线制。本实验中所用的是两线制p t l 0 0 。 2 3 5 驱动电路板 赣 剃 1 格黼 i 赫辅 瑚锵 o雠2 图2 3 8p t l 0 0 特性曲线图 t k j 为了使a d t t 0 0 驱动继电器进行开关控制，本人设计了如下驱动窀路板，为了方 便在其他场合使用，板中还预留了热电偶接口等。 驱动电路板电路图如图2 3 9 ： 南京理工大学硕士论文集 基于嵌入式温度实验系统的p i d 控制 2 4 本章小结 图2 3 9 驱动板电路图 本章首先简单介绍了嵌入式系统和p c i 0 4 总线，接着对该温控系统的结构及相关 硬件的使用、特性等方面作了较为详细的介绍和分析，并给出了实现该系统所设计的 驱动电路板电路图，能使人对本温控系统的实现获取一个较为直观的概念。下一章将 引入系统模型的构造和对p i d 控制的相关分析。 系统模型及p i d 控制硕士论文 3 系统模型及p i d 控制 3 1 数学模型 在设计此温箱控制系统时，我们先用仿真对温箱系统进行分析和研究，首先就 需要了解被控对象的数学模型。下面就温箱的数学模型进行推导。 温箱如图3 1 1 所示，对象的被控参数为温箱的温度丁，控制量为电热丝两端 的电压“。 、q 0 ， 图3 1 1 温箱模型 设加热丝质量为m ，比热为c ，传热系数为h ，传热面积为a ：未加热前温箱 内的温度为t o ，加热后的温度为r 。 根据热力学知识，有 埘旦掣+ 爿r a ( t t o ) ：q ( 3 ) 式中q 为单位时间内电热丝产生的热量。考虑到q f 与外加电压“的平方成比例，故q 与“是非线性关系。在平衡点( q o ，u 。) 附近进行线性化，得 耻罢( 3 1 2 ) 于是可得式( 3 ，1 1 ) 对应的增量微分方程 m c 掣+ h a a t “山dt “ 令r ：m ck ：墨 删删 则式( 3 1 1 ) 可写为 r 掣+ t ：肋“r + = k “ 出 南京理工大学硕士论文集基于嵌入式温度实验系统的p i d 控制 于是可得温箱内温度变化量对控制电压变化量之间的传递函数为 g ：a t ( s ) ：生 a u ( s ) i s + 1 再加上温箱是一个具有热容量的对象，当系统通上电以后，炉丝的温度逐渐升高， 通过炉壁热传递和热辐射使箱膛内温度也逐渐升高，温箱有一定的容量滞后；另外， 用温度传感器测量温度时，信号传输具有一定的纯滞后；其余环节可视为比例环节。 所以，一般将温箱视为一个一阶惯性环节附加一个滞后环节的对象，其传递函数表示 为 g = 高e 一 其中：t 为电炉的时间常数，t = r c ( c 为电炉热容，r 为热阻) ；k 为比例系数： t 为纯滞后时间，单位为s ；s 为复频域。 3 2p i d 控制 3 2 1p i d 控制原理 p i d 控制是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单、鲁棒性好和可靠性 高，被广泛应用于工业过程控制。而且自从计算机进入控制领域以来，用数字计算机 代替模拟计算机调节器组成计算机控制系统，不仅可以用软件实现p i d 控制算法，而 且可以利用计算机的逻辑功能，使p i d 控制更加灵活。 在模拟控制系统中，控制器最常采用的控制规律就是p i d 控制。模拟p i d 控制系 统原理框图如图3 2 1 所示： 图3 2 1 模拟p i d 控制系统原理图 系统模型及p i d 控制硬士论文 p i d 控制器是根据给定值r i n ( t ) 与实际输出值y o u t ( t ) 构成控制偏差的线性控制器 p i d 控制规律为 e r r o r ( t ) = r i n ( t ) 一y o u t ( t ) ( 3 2 1 ) 砸) = k e ( + 毒p + 墨瓮) ( 3 z z ) 或写成传递函数的形式： g = 鬻制1 + 去毋) ( 3 - 2 3 ) 式中，k ，为比例系数，t 为积分时间常数，微分时间常数。 也可以写成如下的传递函数形式： g 0 ) ：砟+ 互+ s ( 3 2 4 ) 其她毒，= 女，。 简单的说，p i d 控制器各校正环节作用如下m ( 1 ) 比例环节：成比例的反映控制系统的偏差信号e r r o r ( t ) ，偏差一旦产生，控 制器立即产生控制作用，以减少偏差。 ( 2 ) 积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于 积分时间常数r ，l 越大，积分作用越弱，反之则越强。 ( 3 ) 微分环节：反映偏差信号的变化趋势( 变化速率) 并能在偏差信号变得太 大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调 节时间。 下面先引入两种经典的p i d 控制算法；位置式p i d 控制算法和增量式p i d 控制算 法。 3 2 2 数字p i i ) 调节器 在过程控制中，p i d 调节器是技术成熟，应用最为广泛的一种调节器。它的结构 堕塞型三查兰堡圭堡兰叁薹王堂垒垄塑壅壅壁墨竺箜! 堕望型 简单，参数易于调整，在长期的工业应用中已积累了丰富的经验。在实际应用中，根 据实际工作经验在线整定p i d 各参数，往往可以取得较为满意的控制效果。利用计算 机实现的数字p i d 调节器，不但继承了模拟p i d 调节器的这些特点，而且由于软件 系统的灵活性，p i d 算法可以得到修正而更加完善。 3 2 2 1 位置式p i d 控制 按模拟p i d 控制算法的算式( 3 2 2 ) ，现以一系列的采样时刻点 ，代表连续时间 f ，以和式代替积分，以增量代替微分，则可作如下的近似变换 f “k t ( k = o ，1 ，2 ，)( 3 2 5 ) 女 j e o 弦“r 善8 ( - ，) = r 善8 ( _ ，) ( 3 2 - 6 ) d e ( t ) 。e ( k t ) - e ( k - 1 ) t ：e ( k ) - e ( k - 1 )( 3 2 7 ) 西7 ， 式中r 为采样周期；k 为采样序号，k = o ，1 ，2 ，；e ( k ) 为第k 次采样时刻输人 的偏差值；e ( k 一1 ) 为第( k 一1 ) 次采样时刻输入的偏差值。 显然，上述离散化过程中，采样周期t 必须够短，才能保证有足够的精度。为书 写方便，将p ( k t ) 简化表示成e ( k ) 等，即省去了r 。将( 3 2 5 ) 、( 3 2 6 ) 和( 3 ，2 7 ) 式代入式( 3 2 2 ) ，可得离散的p i d 表达式为 巾女巾 “( ) = 足， p ( 妁+ 寺p ( ，) + 等 8 ( ) 一p ( 一1 ) ( 3 2 8 ) 1 1 l m o 或 “( 七) = k p p ( 女) + k ，p ( ，) + k 。 e ( k ) - e ( k - d ( 3 2 9 ) 式中“( i ) 为第t 次采样时刻的计算机输出值：k ，为积分系数，k ，= 尝 ；世。 ， 矿甲 为微分系数，k 。= 二：! 竽。 式( 3 9 ) 或( 3 1 0 ) 称为位置式p i d 控制算法。这种算法的缺点是：由于全量输出， 所以每次输出均与过去的状态有关，计算时要对g ( k ) 进行累加，计算机运行工作量 大；而且，因为计算机输出的“( k ) 对应的是执行机构的实际位置，如果计算机出现 故障，“( k ) 的大幅度的变化会引起执行机构位置的大幅度变化，这种情况往往是生 产实践中不允许的，在某些场合，还可能造成重大的生产事故。因而有必要对位置式 算法进行改进。 墨竺堡型墨! 里丝型堡主堕塞 3 2 2 2 增量式p i d 控制 对位置式算法的改进的结果产生了增量式p i d 控制的控制算法。而所谓的增量式 p i d 是指数字控制器的输出只是控制量的增ia u ( k ) 。 由式( 3 2 9 ) 可得 q u ( k 一1 ) ；k ，e ( k - 1 ) + q e ( j ) j - k 。 e ( k - 1 ) 一p ( 宣一2 ) ( 3 2 i o ) j 2 0 用式( 3 2 9 ) 减式( 3 2 1 0 ) ，可得 a u ( k ) = 足， p ( 女) 一e ( k 一1 ) 】+ k ，e ( k ) + k d p ( 七) 一2 e ( k 一1 ) + g ( 是一2 ) 】 = k p a e ( k ) + k i e ( k ) + k d a e ( k ) 一a e ( k - 1 ) 】 ( 3 2 1 1 ) 式中z x e ( k ) = p ( 七) 一p ( t 一1 ) 式( 3 2 1 1 ) 称为增量式p i d 控制算法。可以将式( 3 2 1 1 ) 进一步改写为 a u ( k ) = a e ( k ) 一b e ( k 一1 ) + c e ( k 一2 ) ( 3 2 i 2 ) 式中爿= k p ( ，毒+ ； 曰= k ，( 1 + ，孕) ： c = 茎乒；它们都是与采样周期、比例系数、积分时间常数、微分时间常数有 关的系数。 可以看出，由于一般计算机控制系统采用恒定的采样周期r ，一旦确定了k ，、 k ，、k 。，只要使用前后3 次测量值的偏差，即可由式( 3 2 1 1 ) 或式( 3 2 1 2 ) 求出控 制增量。 、 采用增量式控制算法时，计算机输出的控制增量材( 七) 对应的是本次执行机构 位置的增量。对应执行机构实际位置的控制量，即控制量增量的积累“( 七) = “( ，) ，= 0 需要采用一定的方法来解决，例如用有积累作用的元件( 如步进电动机) 来实现；而目 前较多的是利用算式“( 妨= u ( k 一1 ) + 6 u ( k ) 通过执行软件来完成， 实际上就整个系统而言，位置式与增量式控制算法并无本质的区别，或者仍然全 部由计算机承担其计算，或者一部分由其他部件去完成。 再泵理工大学坝士伦文景基于嵌八式温厦买验系统韵p 坐垒塑 增量式控制虽然只是在算法上作了一点改进，却带来不少优点： ( 1 ) 由于计算机每次只输出控制增量，即对应执行机构位置的变化量，所以误作 用时影响小，必要时可用逻辑判断的方法去掉。 ( 2 ) 手动自动切换时冲击小，便于实现无扰动切换，此外，当计算机发生故障 时，由于输出通道或执行装置具有信号的锁存作用，故仍能保持原值。 ( 3 ) 算式中不需要累加。控制增量a u ( k ) 的确定，仅与最近k 次的采样值有关， 所以较容易通过加权处理而获得比较好的控制效果。 但增量式控制也有其不足之处：积分截断效应大，有静态误差；溢出的影响大。 因此，在选择时不可一概而论。本系统采用的是增量式p i d 控制算法，其好处是只需 要保存前两个偏差即可，而且温度的初值也可任意设置。 增量式p i d 控制算法的流程框图见图3 2 2 。这种基本算法简单易行，在升温阶 段具有较好的性能。但在恒温阶段，它具有下列弱点： ( 1 ) 超调量大、振荡时间长。由于被控对象的滞后作用，实际温度在达到设定的 恒温值之后，总是产生较大的超调。在经过多次的“上升一下降”振荡过程之后，才 有可能趋于稳定。 ( 2 ) 易产生积分饱和。由于滞后作用而产生的振荡极易使积分饱和，并因此而使 振荡过程更加强烈。 ( 3 ) 对干扰较敏感。当某时刻测量出的实际温度值有较大误差时，即使不采用微 分项，也会因比例控制作用而使控制前产生较大的波动。该波动对于普通的温度控制 可能不会产生大的影响，但对于高精度控制而言，其危害作用在恒温阶段是非常明显 的。 因此，只采用p i d 控制很难在高精度控制中取得理想的控制效果。为此，在实际 温箱系统中必须对p i d 控制进行改进和补充。 至篓蔓型墨! 些丝型 一堡主丝兰一 3 2 3 变积分p i d 控制 图3 2 2 增量式p i d 控制算法程序框图 下面将针对实际应用介绍变积分p i d 控制算法，并参照温度控制对象模型给出其 仿真曲线，且用描述函数法从控制理论上证明其对系统性能的改善。 普通p i b 控制算法中引入积分环节的目的，是为了消除静差，提高控制精度。但 在过程的启动、结束或大幅度增减设定时。短时间内系统输出有很大的偏差，会造成 p 1 d 运算的积分积累，引起系统较大的超调和振荡。而