恒温控制111.doc

直流电动机的转速检测与脉宽调速班 级：05312设 计 人：方 崇指导老师：胡雪梅设计任务书设计题目：恒温控制设计要求： 1.电加热，温度范围0500 2.允许控制温度1 3.要求能够对当前温度进行显示 4.要求所控制温度能够予置 5.各部分电路组成、功能说明 6.有关部件的选择及参考运算 7.毕业设计论文一份目 录第一章 单片机1.1 单片机基础知识21.2 MCS-51单片机的内部结构及原理3 1.3 存储器的扩展9第二章 A/D转换器的基本原理ADC080412第三章 温度传感器 AD59015第四章 控制方案及计算机实现 4.1 模拟PID控制器17 4.2 数字PID控制算法18 4.3 对标准PID算法的改进19 4.4 PID的参数整定22第五章 键盘设定温度控制5.1 功能说明24 5.2程序设计25结束语 29 参考文献 30第一章 单片机1.1单片机基础知识1.1.1 单片机简介: 亦称微控制器,顾名思义，这种计算机的最小系统只用了一片集成电路，即可进行简单运算和控制。因为它体积小，通常都藏在被控机械的“肚子”里。它在整个装置中，起着有如人类头脑的作用，它出了毛病，整个装置就瘫痪了。现在，这种单片机的使用领域已十分广泛，如智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系统、家用电器等。各种产品一旦用上了单片机，就能起到使产品升级换代的功效，常在产品名称前冠以形容词“智能微电脑型”，如智能型热水器等。单片机作为微型计算机的一个分支，它的产生与发展和微处理器的产生和发展大体同步，主要分三个阶段。第一阶段（19741978）：初级单片机阶段。以Inter公司的MCS-48为代表，这个系列的单片机在片内集成了8位CPU、并行I/O口、8位定时器、计数器、RAM等，无串行I/O口，寻址范围不大于4K。第二阶段（19781983）：高性能单片机阶段。这个阶段的单片机均带有串行I/O口，具有多级中断处理系统，定时器/计数器为16位，片内RAM和ROM容量相对增大，且寻址范围可达64K.这里单片机的应用领域及其广泛，由于其优良的性价比，特别适合我国的国情，故在我国得到广泛的应用。 第三阶段（1988年）：8位单片机巩固、完善及16位单片及推出阶段。16位单片机除了CPU为16位以外，片内RAM和ROM的容量进一步增大，片内RAM增加为232字节，ROM为8K字节，且片内带有高速输入/输出部件、多通道10位A/D转换器，具有8级中断等。近年来，32位单片机也进入了实用阶段。以MCS-51系列为代表 1.1.2 MCS系列单片机简介Inter公司自1974年推出8位单片机MCS-48系列至今，相继推去了三个系列的几十种产品，由于MCS-48单片机逐步趋于淘汰，而MCS-51系列单片机基本上可以满足用户的一般要求，在我国得到广泛的应用，应用日趋广泛，故下面主要介绍MCS-51系列的产品。MCS-51系列单片机有8031，8051，8751等，基本型的典型产品是8051，另外还有增加内存单元型、低功耗型、A/D型、高级语言型、可编程计数阵列（PCA）型、DMA型、多并行口型等七种扩展型，分别适合于不同的工作环境。 1.1.3 MCS系列单片机的结构特点以MCS-51单片机为例来具体介绍此系列单片机的特点。MCS-51单片机是在一块芯片中集成了CPU、RAM、ROM、定时器/计数器和多功能I/O等一台计算机所需要的基本功能部件。就CPU结构而言，MCS系列单片机在数据RAM区开辟了一个寄存器工作区，该区共四组，每组8个寄存器，共可提供32个工作寄存器。另外还有21个特殊功能寄存器SFR，SFR使得单片机系统的功能得到了很大的扩展，由于SFR的作用。使得I/O口衍生出更多的功能，而且，利用SFR可以完成对定时器、串行口、中断逻辑的控制。MCS系列单片机把程序存储器和数据存储器在空间上分开，采用不同的寻址方式，使用两个不同的地址指针，PC指向程序存储器，DPTR指向数据存储器，采用这种结构主要是为了满足工业控制的要求，既需要较大的程序存储器空间和较少的数据存储器空间，但根据用户需求，他们都可以扩展为64 K。MCS系列单片机的输入/输出接口在程序控制下具有第二功能，可由用户系统设计者灵活选择。MCS系列单片机内部具有全双工串行接口，可同时收发和接收信息。有两个物理上独立的接收、发送缓冲器SBUF,发送缓冲器只能写入不能读出，接受缓冲器只能读出不能写入。MCS系列单片机内部有专门的位处理机，有较强的位处理能力，它具有CLR、SETB、JB、JNB、JBC、CPL、ANL C、bit、ORL C, bit、MOV C, bit、MOV bit, C等位操作。1.2 MCS-51单片机的内部结构及原理1.2.1 单片机的内部结构8051单片机的内部基本结构如下：（1） 8位CPU，片内振荡器； （2） 4K字节片内ROM ，128字节的片内RAM；（3） 21个特殊功能寄存器；（4） 32根I/O口；（5） 2个16位的定时器/计数器；（6） 一个全双工串行口；（7） 5个中断源，2个中断优先级；（8） 可寻址各64K的片外程序、数据存储器空间。如果把4K ROM换成EPROM,就是8751的结构图，如果去掉ROM部分，即为8031的结构图。1.2.2 CPU结构单片机最核心的部分是CPU,CPU的功能是产生控制信号，把数据从存储器或输入口传送到CPU或反向传送，还可对输入数据进行算术逻辑运算以及位操作，故CPU内部包含了运算器、控制器以及布尔运算器。(一)运算器 运算器以完成二进制的算术/逻辑运算部件ALU为核心，再加上暂存器TMP、累加器ACC、寄存器B、程序状态标志寄存器PSW及布尔处理器。累加器 ACC是一个八位寄存器，它是CPU中工作最频繁的寄存器。在进行算术、逻辑运算时，累加器ACC往往在运算前暂存一个操作数（如被加数），而运算后又保存其结果（如代数和）。寄存器B主要用于乘法和除法操作。标志寄存器PSW也是一个八位寄存器，用来存放运算结果的一些特征，如有无进位、借位等。其每位的具体含意如下所示。PSW CY AC FO RS1 RS0 OV P对用户来讲，最关心的是以下四位。 1进位标志CY（PSW7）。它表示了运算是否有进位（或借位）。如果操作结果在最高位有进位（加法）或者借位（减法），则该位为1，否则为0。 2辅助进位标志AC。又称半进位标志，它反映了两个八位数运算低四位是否有半进位，即低四位相加（或减）有否进位（或借位），如有则AC为1状态，否则为0。 3溢出标志位OV。MCS51反映带符号数的运算结果是否有溢出，有溢出时，此位为1，否则为0。 4奇偶标志P。反映累加器ACC内容的奇偶性，如果ACC中的运算结果有偶数个1（如11001100B，其中有4个1），则P为0，否则，P=1。 PSW的其它位，将在以后再介绍。由于PSW存放程序执行中的状态，故又叫程序状态字?运算器中还有一个按位（bit）进行逻辑运算的逻辑处理机（又称布尔处理机）。(二)控制器控制器是CPU的大脑中枢，他包括定时控制逻辑、指令寄存器、指令译码器、数据指针DPTR及程序计数器PC、堆栈指针SP以及地址计数器、地址缓冲器等，它的功能是对逐条指令译码，并通过定时和控制电路在规定的时刻发出各种操作所需的内部和外部控制信号，协调各部分的工作，完成指令规定的操作。1.2.3 存储器MCS-51系列单片机存储器结构的主要特点是程序存储器和数据存储器的寻址空间是分开的，对MCS-51系列（8031和8032除外）而言，有4个物理上相互独立的存储器空间：即内、外程序存储器和内、外数据存储器。1、程序存储器程序存储器是用于存放程序及表格常数的，8051、8751片内、片外陈绪存储器是同一编址的，若单片机的EA端接“1”，则片内程序存储器占用0000H0FFFH的最低4K字节；故当寻址范围在1000H0FFFH时，则从片外程序程序存储器取指令。若EA端接“0”，则片外程序存储器可以从0000H开始编址。对8031和8032，由于无片内程序存储器，故EA端必须接地。在程序存储器中，有六个单元具有特定的含义：0000H：单片机复位后，PC=0000H,即程序从0000H开始执行指令。0003H: 外部中断0入口处。000BH：定时器0溢出中断入口地址。0013H：外部中断1入口地址。001BH: 定时器1溢出中断入口地址。0023H：串行口中断入口地址。2、数据存储器数据存储器是用于存放运算的中间结果、数据暂存以及数据缓冲等，它由读写存储器RAM组成，片内为256字节，片外最大可扩展为64K。对于8051单片机，其片内数据存储器最大可寻址256个单元，低128字节（00H7FH）为真正的用户RAM区，高128字节（80HFFH）为特殊功能寄存器（SFR）区。在低128字节中，32个工作寄存器占用了00H1FH单元，32个工作寄存器分为四组，每组有8个通用工作寄存器（R0R7）组成。通过对PSW中RS1和RS2的设置，选用其中一组工作寄存器。工作寄存器后的16字节单元（20H2FH）,可用位寻址方式访问其各位。这128个位地址为00H7FH。8031采用不同的寻址方式来加以区分，访问低128字节单元用直接寻址及间接寻址，而访问128位地址用位寻址方式。这样就可区分开始位地址还是字节地址。8051片内高128字节RAM中，除程序计数器PC外，还有21个特殊功能计数器，他们离散地分布在80HFFH的RAM空间中，访问特殊功能计数器仅允许使用直接寻址方式。片外数据存储器和I/O口与片内数据存储器空间0000H00FFH是重叠的。8051单片机用MOV和MOVX两种指令来区分片内外RAM空间，片内RAM用MOV指令，片外RAM用MOVX指令。1.2.4 CPU引脚功能图3.1为MCS-51系列单片机引脚图及逻辑符号，这些引脚的功能如下：1. 电源引脚Vcc和VssVcc：电源端，接+5V。 Vss：接地端。通常，Vcc和Vss之间应接高频和低频滤波电容。2. 时钟电路引脚XTAL1和XTAL2XTAL1:接外部石英晶体和微调电容的一端。在片内，它是振荡器倒相放大器的输入。若使用外部时钟时，该引脚必须接地。XTAL2：接外部石英晶体和微调电路的另一端在片内，它是振荡器倒相放大器的输出。如使用外部时钟时，该引脚作为外部时钟输端。3.控制信号引脚ALE、PSEN、EA和RST。ALE/PROG（AddresslatchEnable/Programming）: 地址所存允许信号输出端。在存取片外存储器时，用于锁存低8位地址。当单片机上电正常工作后，ALE端就周期性地以时钟振荡频率的1/6的固定频率向外输出正脉冲信号。ALE端的负载驱动能力为8个LSTTL器件。此引脚的第二功能PROG是对片内带有4K字节EPROM的8751固化程序时,作为编程脉冲输出端。PSEN(Program Store Enable): 程序存储允许输出端。是片外程序输出端。是片外程序存储器的读选通信号，低电平有效。CPU从外部程序存储器取指令时，PSEN在每个机器周期中两次有效。但是在访问片外数据存储器时，这两次有效的PSEN不出现。EA/Vpp(Enable Address/Voltage Pulse of Programming): 程序存储器地址允许输入端。当EA位高电平时，CPU执行片内程序存储器指令，但当PC中的值超过0FFFH时，将自动转向执行片外程序存储器指令；当EA为低电平时，CPU只执行片外程序存储器指令。对8031单片机，EA必须接低电平。在8751中，当对片外EPROM编程时，该端接21V的编程电压。RST/VPD: 复位信号输入端。高电平有效，在此输入端保持两个机器周期的高电平后，就可以完成复位操作。此外，该引脚还有掉电保护功能，若在该端接+5V备用电源，一旦在使用中Vcc突然消失（掉电），则可以保护片内RAM中的信息不丢失。复位以后，P0P3口均为高电平，SP指针重新赋值为07H,PC被赋值为0000H。 最常见的复位电路如图1.2所示,在通电瞬间，由于RC的充电过程，在RST端出现一定宽度的正脉冲，只要该正脉冲保持10ms以上，就能使单片机可靠复位，当采取6MHz时钟时，Cr取22f、R1取200、R2取1K便能可靠地上电复位及手动复位。3. 输入/输出口引脚P0、P1、P2和P3P0口（P0.0P0.7）: P0口是一个漏极开路的8位准双向I/O口，每位能驱动8个LSTTL负载，在访问片外存储器时，它分时作为低8位地址线和8位双向数据线。当P0口作为普通输入口时，应先向口锁存器写“1”。P1口（P1.0P1.7）: P1口是一个带内部上拉电阻的8位准双向I/O口，每位能驱动4个LSTTL负载，当P1口作为输入口使用时，必须先向口锁存器写“1”。P2口（P2.0P2.7）: P2口也是一个带内部上拉电阻的8位准双向I/O口，P2口每位能驱动4个LSTTL负载，在访问片外存储器时，它作为高8位地址线。当P2口作为输入口使用时，应先向口锁存器写“1”。P3口（P3.0P3.7）: P3口也是一个带内部上拉电阻的8位准双向I/O口，除了作为一般准双向口使用外，每个引脚还有特殊功能。如表1-1所示。1.2.5 振荡电路和时钟电路单片机的振荡电路和时钟电路一起构成了单片机的时钟方式，根据硬件电路的不同，连接方式分为内部时钟电路和外部时钟电路，同时，振荡周期和时钟周期又决定了CPU的时序。表1-1口线功能P3.0P3.1P3.2P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7RXD (串行输入口)TXD（串行输出口）INT0（外部中断0输入口）INT1（外部中断1输入口）T0（定时器0外部输入口）T1（定时器1外部输入口）WR（写选通输出口）RD（读宣统输出口） 8051单片机有一个高增益的反相放大器，反向放大器输入端为XTAL1,输入端为XTAL2,在XTAL1和XTAL2两端跨接石英晶体及两个微调电容就构成了振荡器，如图1.3（a）所示，C1和C2一般取30p左右，振荡频率范围是1.2MHz12MHz。如果需要，单片及也可使用外部振荡信号，如图1.3（b）所示。由于XTAL2的逻辑电平不是TTL电平，故应接上一个上拉电阻。 图1.3晶体振荡器的振荡信号从XTAL2端送到内部时钟电路上，它对振荡信号二分频，并向CPU提供时钟信号P1和P2。时钟信号的周期称为状态时间S,它是振荡周期的2倍，在每个状态的前半周期，P1信号有效，在每个状态的后半周期，P2信号有效。CPU就以两相时钟P1和P2位基本节拍指挥单片机几个部分协同工作。1.3 存储器的扩展程序存储器的扩展单片机在原理设计上，程序存储器和数据存储器的地址空间是相互独立的，扩展用的程序存储器芯片大多采用EPROM，最大可扩展到64K字节，外部程序存储器芯片与单片机的连接方法如下：1. 地址线程序存储器的低8位地址线（A0A7）与P0口（P0.0P0.7）相连。程序存储器的高8位地址线（A8A15）与P2口（P2.0P2.7）相连。由于单片机的P0口分时输出低8位地址和数据，故必须外加地址所存器，并由CPU发出的地址锁存器允许信号ALE的下降沿将地址信息锁存到锁存器中。单片机的P2口一般作为高位地址线及片选线，由于P2口输出具有锁存功能，故不必外加地址锁存器。2.数据线程序存储器的8位数据线与P0口（P0.0P0.7）从低到高对应相连。3.控制线程序选通有效信号PSEN端与程序存储器的输出使能端OE相连。地址锁存允许信号ALE通常接至地址锁存器的所存控制端G.图1.4为系统扩展一片2764（8K字节）的最小化系统。图中地址锁存器采用74LS373（三态输出8D锁存器），三态控制端OE接地，保证输出常通，锁存控制端G与ALE相连，图中2746的片选端CE接低，输出使能端OE受PSEN的控制。该2764所占的地址空间为0000H1FFFH。1.3.2 数据存储器的扩展在MCS-51系列单片机中，片内数据存储器容量一般为128256字节，当数据量大时，需在片外扩展RAM数据存储器，扩展容量最大达64K字节 单片机与数据存储器的连接方法和单片机与程序存储器的连接方法大致一样，即地址线、数据线的连接与程序存储器的连法一样。控制线的连接为：存储器读允许信号OE与单片机RD相连，存储器写允许信号WE与单片机WR相连，ALE的连法与程序存储器的连法相同。图1.5为8051扩展一片6116（2K字节RAM）的电路，连接方法如同前述，图中8282与74LS373相同。由图可以看出，由于数据存储器的读和写有单片机的RD和WR控制，而程序存储器的读选通有PSEN控制，故两者虽共有统一地址空间，但由于控制信号不同，故不会发生总线冲突。访问片外数据存储器的指令有：MOVX A, RiMOVX A, DPTRMOVX Ri , AMOVX DPTR , A 执行前两条指令将在单片机的RD端（P3.7）产生读脉冲输出。执行后两条指令将在单片机的WR端（P3.6）产生写脉冲输出。第二章 A/D转换器的基本原理ADC0804 八位模拟信号转换为数字信号相关知识（1）.所谓A/D转换器就是模拟/数字转换器(Analog to Digital Converter 简AD是将输入的模拟信号转换成为数字信号。信号输入端的信号可以是传感器（Sensor）或转换器（Transducer）的输出，而ADC输出的数字信号可以提供给微处理器，以便更广泛地应用。（2）ADC0804的规格及引脚图八位COMS逐次逼近型的A/D转换器；三态锁定输出；存取时间：135us；分辨率：8位；转换时间：100us；总误差：+1LSB；工作温度：ADC0804 LCN0度-+70度；ADC0804 LCD-40度-+85度；引脚图及说明如下图：/CS：芯片选择信号。/RD：外部读取转换结果的控制脚输出信号。/RD为HI时，DB0DB7处于高阻抗；/RD为LO时，数字数据才会输出。/WR：用来启动转换的控制输入，相当于ADC的转换开始（/CS=0时），当/WR由HI变为LO时，转换被清楚；当/WR回到HI时，转换正式开始。CLK IN，CLK R：时钟输入或接震荡元件（R，C）频率约限制100KHZ1460KHZ，如果使用RC电路则其震荡频率为1（1.1RC）。/INTR：中断请求信号输出，低电平动作。VIN（+）、VIN（）：差动模拟电压输入。输入端正点压时，VIN（）接地；而差动输入时，直接加入VIN（+）、VIN（）。AGND，DGND：模拟信号以及数字信号的接地。VREF：辅助参考电压。DB0DB7：8位的数字输出。VCC：电源供应以及作为电路的参考电压。3.ADC0804电压输入与数字输出关系如下表表2-1 ADC0804电压输入与数字输出关系表十六进制二进制码与满刻度度的比率相对电压值VREF=2.560伏高4位字节底4位字节高4位字节电压底4位字节电压F111115/16152564.8000.300E111014/1614/2564.4800.280D110113/1613/2564.1600.260C110012/1612/2563.8400.240B101111/1611/2563.5200.220A101010/1610/2563.2000.200910019/169/2562.8800.180810008/168/2562.5600.160701117/167/2562.2400.140601106/166/2561.9200.120501015/165/2561.6000.100401004/164/2561.2800.080300113/163/2560.9600.060200102/162/2560.6400.040100011/161/2560.3200.020000000例：VIN=3V，由上表可知2.880+0.120=3V 为10010110B=96H ADC0804与8051接口电路图 第三章 温度传感器 AD590AD590温度传感器产生的电流与绝对温度成正比，它可接收的工作电压为范围为-55一+150，它有非常好的线性输出性能，温度每增加1，其电流增加1uA/4V一30V，检测的温度AD590温度与电流的关系如表31所示。表31 AD590温度与电流的关系 摄氏温度 AD590电流经10K()电压 0C 2732gA 2732伏 10C 2832pA 2832伏 20C 29321uA 2932伏 25C 2982gA 2982伏 30C 3032gA 3032伏 40C 3132pA 3132伏 50C 3232gA 3232伏 60C 2732gA 3732伏 100C 3732gA 3732伏 AD590引脚图(二)功能说明1利用AD590以及接口电路把温度转换成模拟电压，经由ADC0804转换成数字信号，然后经8751处理。ADC0804所得的值比设定的温度参考值低，则令电热器加热，否则关掉电热器，使温度能保持在所设定的参考值。 2第1个步骤：先调AD590的可变电阻器VRl。如以0为参考值则应使其电压输出为273V：如以25为参考值，则应使其电压输出为298V。第2个步骤：设VR2使0时，OPA2的输出为273V273V：0V，而25时，OPA2的输出为273V298V-025V(反相)(零位调整)。第3个步骤：调VR3使OPA3放大5倍，如OPA2的输出为-025V，则OPA3的输出为125V。3各OPA的功能： OPAl：阻抗匹配： OPA2：减273V，(经VR2) OPA3：放大5倍并反相。4本电路设定温度为4BH，查表为15V，其设定的温度为： 155(OPA3)+2732(OPA2)：3032V 0032V10K：3032LlA 303211A2732llA：30L1A-305各温度与3个OPA及ADC0804的输入与输出的关系如表3-2所示。 OPA3反相放大5倍 ADC0804 VREP=256V表3-2 各温度与3个OPA及ADC0804的输入与输出的关系温度值OPA1PIN 6OPA2PIN6OPA3PIN6ADC VINADC输出值02.732V0V0V0V00H102.832V-0.1V0.5V0.5V19H202.932V-0.2V1V1V32H303.032V-0.3V1.5V1.5V4BH403.132V-0.4V2V2V64H503.232V-0.5V2.5V2.5V7DH603.332V-0.6V3V3V96H703.432V-0.7V3.5V3.5VAFH803.532V-0.8V4V4VC8H903.632V-0.9V4.5V4.5VE1H1003.732V-1.0V5V5VFAH 第四章 控制方案及计算机实现 以数字计算机为核心的机电一体化系统，除了性能优良的硬件设备外，若没有一个切实可行的、好的控制方案，则在实际运行中，无法保证优质的工况，甚至无法完成基本工作要求。 本章对一些常见的控制规律进行简要介绍。 PID控制 在机电系统的控制中，最简单、最通用的控制器是比例一积分一微分控制器，简称PID控制器。其中符号P代表比例，I代表积分，D代表微分。 PID控制器结构简单，参数易于整定，在长期应用中已积累了丰富的经验，是连续控制系统中技术成熟，应用最为广泛的一种控制器。 随着计算机的应用普及，满足不同场合的PID控制算法，得到了广泛应用。下面简单介绍一下PID控制。4.1模拟PID控制器模拟PID控制的框图如41所示。 图中，R(s)为设定值；C(s)为实际输出值；E(s)为偏差；U(s)为控制量。Kp对象Ki/sR(s) E(s) + + U(s) C(s) + +Kds 图4-1 模拟PID控制方框图 从图中可看出，上式表明，控制规律U(t)是偏差，e(t)的比例、积分、微分作用的共同组合，即P(比例)I(积分)D(微分)控制规律。其中uo是控制量的基准，即e = 0时的控制作用。P控制作用是对于偏差e即时反应，使系统朝着减小偏差的方向变化；I控制是对e产生积分累积，能使系统消除系统静差。理论上讲，只要偏差e不为零，通过累积作用就会有控制量。以求减小偏差，直至偏差为零；D控制是对e的变化作出反应，按偏差变化的趋向进行控制，使偏差消灭于萌芽状态之中。图42是e(t)为单位阶跃信号时，理想PID控制作用u(t)的输出情况。 e u KK 1 uo 0 t0 t 0 t0 Ti 图42 理想PID控制的响应4.2数字PID控制算法由于计算机控制的特点，在采样时刻t = iT可得数字PID控制算法如下:这是按数值逼近的近似计算。但只要采样周期T足够小，可以计算得相当准确，被控过程与连续过程十分接近。因此，称为“连续控制”。上式提供了执行机构的位置Ui（如阀门开度），称为位置式PID控制算法。由t=iT和t=(i-t)T采样时刻的控制量可以导出: 此式提供了执行机构的位置增量（如步进电机），所以称为增量式PID控制算法。实用中，常将增量式PID控制算法改写成：u i =d 0e i +d 1e i-1 +d 2e i-2其中增量式PID算法与位置式PID算法相比，有许多优点。例如，位置失算法每次输入都与整个过去状态有关，计算中容易产生较大的积累误差；而增量式只计算增量，累积误差影响较小。另外，由于增量式算式中不出现U0项，易于实现手动与自动的无冲击切换。在实际控制中，增量式算法要比位置式算法应用更为广泛。图4-3式增量式PID控制算法的流程。4.3对标准PID算法的改进在实际控制过程中，控制量因受到执行元件机械和物理性能的约束，而限制在优先范围内。有时，变化率（速度）也局限在一定范围内。当计算的控制量超出上述范围时，由于实现执行的控制量与计算机控制量不符,将引起饱和反应。在给定值发生突变时，最容易发生，所以也称启动效应。图4-4所示为PID位置算法的饱和现象是亦图。图中：r*为给定值，Umax为控制量上限。曲线a表示理想情况的控制：b表示有限制时产生积分饱和。从图中可以看出，线b在M点之前，由于Umax的限制，使输出控制量受限制，调节弱。所以b线上升缓慢，偏差e长时间为正，PID钟的积分项有较大的累积值。而M点以后，虽然e为负，但由于原来积分项的较大累积值，则将滞后 才能脱离饱和区。因此b曲线产生较大超调现象。这就是常说的“积分饱和”。为了克服积分饱和，有许多修正算法。图4-5为“遇限削弱积分法”示意图。它的基本思想是：一旦控制变量u进入包和区，将执行削弱计分项的运算，而停止进行增大积分项的运算。采用遇限削弱积分的PID位置算法如图4-6所示。图4-7位积分分离法克服饱和积分的示意图。图中： 为预定限值。它的基本思想是：开始时步进行积分，直至偏差到达一定阀值后才进行积分累积。这样，一方面防止了一开始有过大的控制量，另一方面，即使进弱饱和后，因积分累积小，也能较快退出，减少了超调。采用积分分离法的PID位置算法框图如图4-8所示。在PID增量算法中，除了控制量的限制外，对控制变化率的限制也会引起饱和，可以采用类似的修正方法予以消除。对于PID增量算法，不会发生位置算法那样的累积效应。但却可能出现比例及微分饱和现象，如图4-9所示。从图可以看出，比例和微分饱和对系统的影响不是超调，而是减慢动态过程。图44 位置式PID算法的饱和现象 图45 遇限削弱积分示意图构成控制偏差e i = r i c i计算控制增量u i =d 0e i +d 1e i-1 +d 2e i-2经D/A转换给出模拟控制增量u启动预算调节参数d0,d1,d2初值设计ei-1 = ei-2 = 0被控量 c检测A/D c i为下一时刻作准备e i-1 e i-2 , e i e i-1被控对象包括步进电机A/DcciD/Auui到采样时刻否?否是图4-3 增量式PID控制算法流程图4.4PID的参数整定确定PID参数，可以用理论方法，也可以通过实验确定。理论方法需要有被控制对象的准确模型，但工业过程中的准确模型一般很难得到。即使付出很大代价进行系统便示所的模型也只是进是的，且系统的结构和参数都会随时间变化。因此在工程上PID参数常常是通过凑试法或通过实验及经验公式来确定。前者称凑试法，后者称试验经验法。凑试法试通过模拟或在线闭环运行（稳定时），反复凑试参数，观察系统的响应曲线，直至达到满意为止。一般而言，增大比例系数K，将加快系统的响应，有利于减小静差。但K过大，会使系统有较大的超调，并产生振荡，使稳定性变坏。增大积分时间Ti将减小超调,减小振荡,使系统更加稳定,但将减慢系统静差的消除.增大微时间Td将加快系统响应,使超调减小,稳定性增加,但系统抑制扰动的能力.在凑试时,应参考以上趋势,进行先比例、 后积分 、在微分的整定步骤。(1) 首先加入比例部分.将比例系数由大变小,并观察相应的系统响应,直至性能指标满足要求为止.(2) 若静差不能满足要求,需要加入积分环节.首先取较大的Ti值,略降低K如为原值的0.8倍).然后反复调整Ti和K,逐步减小Ti,直至系统有良好的动态性能,且静差得到消除为止.(3) 若经反复调整,系统动态过程仍不满意,可以入微分环节. 首先置Td为零，逐步增大Td，同时也反复改变K和Ti，三个参数反复调整，最后得到一组满意参数。图47 积分分离法示意图 图4-6 遇限削弱积分算法流程图 图48 积分分离法算法流程图目4-9 PID增量式算法的比例与微分饱和示意图 (a)限制时的控制结果；(b)(c)制量及变化率受限制时的比例及微分饱和。实际中，PID整定的参数并不是唯一的。因为比例、积分、微分三部分产生的控制作用，相互可以调节，即某部分的减小可由其他部分的增大来补偿。因此，不同的一组参数，完全有可能得到同样的控制效果。表71给出了一些常见被调量的PID参数推荐值。表41 常见被调量的PID参数推荐值被调量特 点KTiminTdmin流 量对象时间常数小，并有噪声，故K较小，Ti较短，不用微分12501一1温 度对象为多容系统，有较大滞后，常用微分165310053压 力对象为容量系统，滞后一般不大，不用微分1435043液 位在允许有静差时，不必用积分，不用微分1255第五章 键盘设定温度控制5.1功能说明1先调整OPAl、OPA2、OPA3，使AD590根据温度产生的电流变化，能准确地输入ADC0804并转换为数字，再经8051处理，由P1口显示当前温度。 2使用键盘专用IC74C922，以简化软件程序。欲设定温度时，输入“*”，就进设定模式，显示器显示“000”(设定初值，如已设定过，则显示上一次设定值)，开始输设定温度，设定完成后按“*”，就可回到现在温度显示模式。本电路最高设定温度为102。 3现在温度低于设定温度，则加热器(P2.1)动作，使温度上升，直到现在温度高于或等于设定温度加热器才停止动作。 4键盘设计： 74922每个按键值是固定的，类似5-1的取码指针R1所建立的TABLE表，就可设计出各式各样的键盘。 X1X2X3X40123Y14567Y289ABY3CDEFY4X1X2X3123Y1456Y2789Y3*0#Y4 74922的键盘值 设计为电话键盘值 图5-1 键盘设计样式TABLE：DB 01，02H，03H，XXH ；XX表示任意值 DB 04，05H，06HXXH DB 07，08H，09HXXH DB 0AH，00H，0BH，XXH5数据存储器RAM的设计： 30H：现在温度的个位数： 33H：设定温度的个位数： 31H：现在温度的十位数； 34H：设定温度的十位数： 32H：现在温度的百位数： 35H：设定温度的百位数。6本电路经AD十进制乘4显示，省略D1(小数)取三位数整数输出最大转换值=FFH(255)，OPA3为放大5倍时，则本电路最大测量温度为：即最大显示温度=51v5=102v即102(5为放大倍数)255X=102 知X=04 即先乘4再除10FHH255255X41020 R4=10 R3=20即D4=1 D3=0 D2=2 D1=0(小数点在D2)5.2 程序：A51.ASMORG00HJMPSTARTORG0BHJMPTIM0START:MOVTMOD, #01HMOVTH0, #HIGH(65536-50000)MOVTL0, #LOW(65536-50000)SETBTR0MOVIE, 82HMOVR4, #06HMOVR0, #30HCLEAR:MOVR0, #00HINCR0DJNZR4, CLEARSTART0:MOVXR0, AWAIT:JBP3.4, KEYINJBP2.0, ADCJMPWAITADC:MOVXA, R0CALLL1MOV21H, #10HDISP1:MOVR1, #32HCALLDISPDJNZ21H, DISP1JMPSTART0L1:CLRCMOVR5, #00HMOVR4, #00HMOVR3, #08HNEXT:RLCA, R0MOVR2, AMOVA, R5ADDCA, R5DAAMOVR5, AMOVA, R4ADDCA, R4MOVR4, AMOVA, R2DJNZR3, NEXTMOVR7, #02HL2:MOVA, R5ADDA, R5DAAMOVR5, AMOVA, R4ADDCA, R4DAAMOVR4, ADJNZR7, L2MOVA, R5ANLA, #0F0HSWAPAMOV30H, AMOVA, R4ANLA, #0FHMOV31H, AMOVA, R4ANLA, #0F0HSWAPAMOV32H, ACLRA RETKEYIN:JBP3.4, $MOVA,P3ANLA, #0FHMOVDPTR, #TABLEMOVCA, A+DPTRXRLA, #0AHJNZSTART0WAIT2:JBP3.