【《基于单片机的电液比例阀的驱动控制系统优化研究》10000字】

基于单片机的电液比例阀的驱动控制系统优化研究摘要电液控制技术是液压技术的一个重要分支，电液比例阀是通过比例电磁铁和阀芯为核心的机械装置，将输入的电压信号转换为成比例的电流，压力输出的元件。而电液比例阀的驱动，与电气和计算机控制结合的越来越紧密。传统的电液比例阀驱动电路使用大量硬件控制，其系统成本比较高，维护费用也不是很理想，而且精度业慢慢落伍。因此，本文在硬件电路控制的传统电液比例阀驱动电路的基础上，设计了以C8051F040为控制器核心的电液比例驱动。用C语言进行编程，得出系统软件控制部分。改进了电液比例阀，提升了它的自动化程度，控制精度也有很大改善。关键词：电液比例阀；驱动电路；单片机第一章绪论1.1研究背景及目的传统工业的不断发展现代化要求液压阀的自动化，运行速度等相关性能越来越高，之前感觉不错的液压阀逐渐落伍并淘汰，在其基础上，与伺服阀结合并简化，出现了电液比例阀。它与之前的阀类产品相比，具有简单的结构，制造方便，修理维护所需费用更低，而且它的类型各式各样。不同之处在于引入了比例电磁铁,这使得液压控制量的调节方法发生了"人、阀到"电信号"阀"的变化改进。这样,液压阀将参与众多的自动控制过程。电液控制技术的原型，最早出现在船舶的操舵装置。之后因为二战的爆发，随着军事战争的需要，对液压伺服系统的研究也进入了快车道。1940年底具有现代化雏形的电液伺服系统，被用于飞行器上。之后，它发展的更加先进，它有着更快的运行速度和更高的精准度。到了60年代，伺服阀的研制和使用更加深入和多样化，它的结构也更加复杂。这也让电液伺服系统得到了发展和进步。与之相匹配的比例阀的电控系统的性能是保持电源停止。信号管理必须将低振幅和高频率的信号叠加在一起,以克服摩擦,另外还要保证管理的灵活性。倾斜信号发生器需要调节压力、位移等参数。曾经在二十世纪九十年代，比例阀的工作频率为10Hz或更大。在自动控制和计算机的不断发展的潮流下，比例电磁阀体现出了他的显著的优势。使之成为现代工业和自动控制领域的发展潮流之一。相关机构曾研究中国市场对电磁阀的需求。数据表明其数学模型呈金字塔结构：从外国进口位于塔尖，其以高质量垄断了大部分高端公司客户；但不止着眼于外国品牌，愈来愈重视产品品质。产品成本也一降再降。最终不断吞食着进口产品在中国市场的份额。产品质量永远是用户下决策的关键因素。因为只要价格不太离谱，质量更好，更有保障的产品能够更长时间的保持正常工作运行，节省维修的费用。在硬件电路控制的传统电液比例阀驱动系统的基础上，利用本科四年所学的单片机，自动控制理论等知识，以软件代替部分复杂的硬件电路。以C8051F040为主，辅以相关有用器件，构成系统。用C语言进行编程。最终使电液比例阀驱动系统的自动化程度得到明显改进，使其维护更加方便。提高其速度精度和稳定性。1.2领域研究形势我国已开展电液比例控制技术相关的研究多年，而且其实际应用相当广泛和受欢迎，但我国目前的综合水平仍然落后于国际的制造水平和技术水平。二十世纪六十年代，我国的电液控制技术才开始起步，然后是七十年代的缓慢进步发展。我国相关技术能力和计算机相关系统还很稚嫩。厂家大部分都从国外公司引进。总体上，我国与国际相比，水平上的差距还很大。主要的差距在：缺乏有影响力的国际主流技术产品，而且各种产品型号不全，品种杂乱。比例泵、比例阀等存在着多品种的情况，国内款式和生产品种较少以及缺乏足够的可靠的工业实验研究；驱动技术的自动化程度不高，标准不稳定，性能水平低等问题，这种情况阻碍了技术设施的进一步扩大，应尽快改进。欧美发达国家的电液比例阀技术先进得很，在各类工程机械中得到广泛的应用，创造了一整套商品、系列规格。欧美发达国家如欧洲国家、美国、英国、法国、等工程机械安装大国，由于自身技术先进，早已将计算机管理和智能观测技术分布在工程机械的分析应用领域。欧洲的HieronymusBosch公司设计了农用自动控制系统，出现了比例阀、以使其电子系统能很好地工作，大大降低了成本，以力博海尔机械集成的LICON系统和O&K系统（BCS）为代表。该系统的安装使工程机械从标准的初始和第二代机械的液压管理、计算机电液驱动和自我诊断的智能系统，到机械、电力和液体的结合。1.3基本分析传统比例阀由于模拟设备的分散性,从而导致电路的复杂,模拟设备的操作简单,用于通用设备系统的部分电气控制的模拟电子器件有一些缺点,如温度漂移大、调整麻烦、许多独立的元件、操作单一等。而对于它的驱动，通常有一对控制模式,一个是模拟控制,另一个是脉宽调制。由于控制模式具有高传导性、合理的动态特性、利用方波的高阶谐波产生振荡电流和PC控制的便利性等特点,成为比例阀的控制模式的主流。比例阀采用脉宽调制和硬件驱动的控制方式。1.4设计过程本论文在工程机械中经常用到的传统电液比例阀基础上进行研究和开发设计，根据它硬件多，自动化程度低的缺点，有针对性的利用电气与自动控制等相关知识，将其与单片机，PID算法，C语言程序控制等结合，并选择相匹配的元件与芯片，构建出外围硬件电路，改进了电液比例阀，提升了它的自动化程度，功能集成度更高、综合提高了它的整体性能。而且考虑了系统在抗干扰方面的部分需求，可以经受起一定的干扰信号，使本系统的实用性更加良好。1.5论文结构第一章：绪论部分。主要介绍本次设计涉及到的技术领域——电液比例控制和其发展历史，产业布局。并进一步分析了本次设计的研究目的，确定了大致过程，得出了框架。第二章：进一步分析了电液比例控制的实现基础，工作原理，组成及特点，以及在之后几年内它的发展方向和趋势。为之后自己的研究改进有了很大启发。第三章：第一部分对过去的电液比例阀的控制系统进行了分析总结。第二部分是控制器的选型，写了选型原则并引入C8051F040，对其进行了详细介绍和它的特点，作为了选型依据。第三部分简要概述了控制器的数字输入输出模块，中断管理模块。第四部分是对硬件电路抗扰性的相关分析和解决措施的提出。第四章：是本研究的驱动电路的设计部分。先简介了电液比例阀，得出了自己对驱动电路的设计思路并引入了LMD18200作为PWM驱动芯片。并对它进行了结构，引脚说明，连接方式等多方面的介绍。第五章：是控制器的软件控制算法部分。先是对经典理论——PID控制详细阐述：环节分析，作用综述，参数调节；第二部分是编程语言的选择和C语言优势的研究；第三部分是各个模块的程序设计及代码；最后，是本设计的软件抗干扰部分。第六章：结论部分。总结本次设计的改进部分，也指出存在的不足。第二章电液比例控制技术2.1概述比例电液阀是在普通液压控制阀的基础上，将电信号输出转化为唯一等信号，恒定控制液压工件机构中工作介质的压力、电流等。操作时，比例电磁铁应根据输入接收器的信号，使线圈移动，并转换为成比例的电流。线圈的运动通常是机械反馈。它将持续和成比例地管理执行机构的力、速度和方向，简化系统并减少使用的元件数量。比例阀特别用于回路中，而对于位置控制或系统容量增强要求等少数场合，电液比例阀也可用作转换和放大信号的元件，以形成闭环系统。较之开关类阀门，比例阀反应迅速，管理精度高，易于理解程序化管理，自动化程度高，这将有效提高控制的准确性。输入信号电压类型被传输到系统的电子设备。电磁铁使执行机构控以与输入电流成比例的力移动或摆动,从而使输出压力或电流得到适当值,以实现驱动机构的位移。只要信号的电气量发生变化,机构的输出力或位移也会随之发生变化。如果控制系统的输出被检测到并返回到传动机构或电子装置进行必要的比较和处理,那么它就会相应地修改到力马达上,其电流相应变化,从而使机构在新的状态下工作。这就是闭环控制系统。电液比例变速齿轮有开环和闭环两种控制方式，开环方式应用广泛，简化的方框图如图1-1所示。控制板（计算机、PLC等）提供一个由处理器处理和加强的电压信号，传输该信号I，将I引入比例电磁阀，然后将I转换成比例电磁力FP，迫使阀芯移动，图二显示了封闭电流比例控制的简化流程图。图1-1开环电液比例控制系统图1-2闭环电液比例控制系统2.2发展历史从开始出现使用到今天大范围高深度的应用，分为：1.源于60年代。许多技术领域对电液控制技术的需求是额外的引人注目和急切的。但是,之前的电液伺服阀生产价值和维护价值高耗能多，被工业用户接受起来很麻烦。新改进的电液控制其控制精度和响应符合工程技术的特殊需要。自六十年代以来迅速发展。在本阶段中,新的电动机械装置出现。构造方法大体相同。没有对阀门内的控制参数进行闭环控制。2.70年代后期开始进入下一阶段，是发展最快的时期。在这一时期,支持众多DOC反馈原理的比例部件有了一次腾飞,相关技术走向成熟，为高能耗系统的节能订购了技术基础。范围扩大到闭环管理。3.80年代是下一时期.它改进了管理阀的外观原理,采用了内外扩装置,进一步提高了阀的稳定性。伺服阀的稳态特性和频率响应可能为5到30Hz。除装配价格的原因外,比例阀在中位还保持在死区,尺寸、滞后、滞后等特性的这一阶段另一个必要进展是比例技术与活塞阀的结合,同时还开发了配套的双向、多边恒动比例活塞阀和传统的比例活塞阀,形成了电液比例活塞阀技术。另外,由于传感器和电子设备的小型化,在一体化电子设备中,出现了电液比例阀和集成放大器的一体化。4.从1990年到现在,比例技术得到了越来越多的改进,在电子技术的推动下,比例管理技术又达到了一个很好的水平，例如实现复杂了的程序管理,坡度功能是在电子控制系统中预设的,以估计正确和无障碍的加速或减速,这不仅提高了控制过程的稳定性,而且还缩短了操作周期时间。2.3电液比例控制的特点（1)使用电信号可方便遥控。将阀门放在最合适的位置,以提高主机的灵活性。(2)利用反馈改善了控制精度，能够达到特殊的控制目地。（3)比例技术是双向和三芯技术的混合,是一种比例技术,具有结构简单、性能可靠、流阻微小、油气流量大、易于集成等特点。比例容积管理为大中型网络提供了一种全新的节能手段,减少了一次能源的浪费。（4)由于传感器和器件的小型,出现了传感器、检测放大器、驱动放大器和阀门的集成元件,大大提高了测量比例阀的运行信息量(电反馈)的精度。大多数性能如下:一。开发高频率响应、低功率消耗的比例设备和高频比例电磁铁。集成电子仪器位移传感(200Hz)为电反馈比例阀的收缩和集成创造了有利条件.比例阀内含放大器是更可靠的阀门。2.4电液比例控制系统的组成电液比例系统由放大和补偿单元、动力机构和电源、补偿单元，工程负载以及数据采集和反馈单元组成。由操作控点、控制器、PWM控制电路、比例喷枪、与机构结合的电油压式比例阀等构成。比例电磁铁是系统的一个机电装置可将输出信号转换成其它物理量比如位移，力。该系统通过引入感应式液压(压力和流量)和机械参数中间变量的控制系统或感应式机构输出参数的控制系统,提高了其稳态管理的准确性和动态质量。信号处理单元通常由模拟电子电路、数字芯片或计算机加以补充。数字计算机电路在准确性、响应性和稳定性方面有了优势。实现复杂了的程序管理,例如坡度功能是在电子控制系统中预设的,以估计正确和无障碍的加速或减速,这不仅提高了控制过程的稳定性,而且还缩短了操作周期时间。2.5未来发展趋势电液比例阀技术是机电一体化和机械学的综合技术,起步晚但发展快,应用广。尽管其动态响应很容易低于伺服阀，并且在极大的参数调整下运行，因此，驱动回路中的非线性因素不可以忽略，比例电液系统的趋势主要是几个方面：1.比例阀。提高比例阀的性能以适应机电一体化，提高阀门和多路阀装置的性能，建立适应特殊运行条件的系统，开发廉价的比例阀，主要元件不变。2.比例系统。不确定因素主要体现为外部干扰、温湿度的改变，因此，比例控制的进展表现依赖了几种新的驱动技术。3.PID控制。比例电液系统的参数会随着时间的推移而变化，因此，参数的非线性改变。对于某些特定对象，效果不如意。4.自适应驱动。由于自适应管理算法，它将建立随时间变化的系统变量的参数，相应改变控制状态，目前，最成熟的应用有两种：第自标准化管理（STC）；机构中采用的自适应管理一般是MRAC,它也带来了一些问题，例如，对于STC，对于具有全局组织快速响应的系统，由于大量的识别计算，难以实现响应快速的系统，实时控制不容易实现；对于MRAC，但最大的问题是根据Lyapunov稳定性理论或Popov超稳定性理论建立自适应律。结合不同控制模式的优势，是近年发展大势。5.变结构控制是改变了控制器的结构，使系统按规定的运行规律控制，滑模控制模式在电液系统中得到了广泛的应用，VSC系统可以协调动态性能和恒定性能之间的矛盾。它的滑模式（SM）对系统参数的变化和外部干扰完全不影响，主要缺点是频繁变化会产生严重的抖动，另外，也不适用于采样量大，周期很长的系统，近来，结合了神经网络的模糊控制。6.数理逻辑驱动（FLC）.比例电液系统属于当前的合理方案。模糊控制器进一步直接控制对象；通常用来确认控制器的反馈。7.神经网络管理（NNC）。NNC通过模仿人类的认知,从而模仿脑细胞的基本原理来工作。系统的硬件模拟了神经网络,而软件则模拟了神经细胞的工作原理。每个神经单元通过"负载的乘法,加法"接收信号。信号由"阈值"来判断,其中方形公制"负载"和"阈值"面积单位是输入和输出,因此实际输出值的偏差要尽量少。第三章控制系统硬件结构3.1控制系统功能概述系统结构如图3-1：图3-1系统硬件图3.1.1硬件电路设计思路在认识和了解汽车起重机上的电液比例控制系统后，整体而有层次的对其功能进行分析之后，由手柄输入的电压值和电液比例阀组的反馈电流值可通过设计构造成适合电气控制的闭环控制系统。二者的差值再通过一系列的处理：先经过AD转换变成数字量，将这个数字量再进行特定的PID算法运算，可得到上面输出的方波的占空比。然后通过控制器C8051F040，可输出PWM波，最后将其输入到驱动芯片，则可控制电液比例阀的移动，从而实现本次开发设计的主要功能。3.1.2控制系统框图图3-2控制系统框图3.2主控制器C8051F040的介绍3.2.1控制器的选择选择芯片是的重要事情,如果芯片选择正确,它不仅会满足系统要求。而且还能降低系统的价格,还会简化系统的实现电路。可从以下几个角度斟酌：(1)处理器的速度。(2)信息和程序存储器的大小。(3)I/O资源的数量。(4)芯片上的外围资源的数量。(5)包装、价格、可用性等。3.2.2C8051F040概述C8051F040由Silabs公司开发。C8051F04X系列，每个微控制器被放置在适当的温度范围内，从-45到+85摄氏度，电压为2.7伏到3.6伏，它运行快。CIP51并采用了高质量组织结构。比标准8051的速度快十二倍，最高速度达到100mips。C8051F0400被认为是一个非常完整的片上系统。采用100引脚封装。它有很多的中断类型。图3-3C8051F040结构框图3.2.3C8051F040的组成及特性1）组成CIP-51控制器核心每秒2500万条指令的高速流水线。4352(4096+256)计算机内存单元RAM内存。5x16位通用定时器等。2）特性1.增加干扰源。但是C8051F板的SiliconLabs微控制器有一个扩展的中断操作，具有较高的性能效率。2.它包含一套扩展的模拟资源。大多数C8051F微控制器集成了一个或一对ADC，采样频率高达500ksps。在一些型号中，温度传感器允许快速、正确地监测周围温度。3.有较多外设接口。它是一个双UART和多达五个定时器和六个PCA模块。该电路将SMBus、SPI、USB、CAN、sculpturer和RTC集成在不同的接口中。当不使用时，接口被单独禁用，减少了系统的能耗。因此，微控制器采用了许多低能耗技术，如3V驱动源，甚至可以关闭。因此，系统的典型能耗显著降低。4.提高了信号处理性能，一些模型具有周期性有效的循环非数字信号处理，提高了信息传输能力。5.具有独立的芯片时钟源。设计师们决定很容易地切换内部和外部的时钟源。而执行转换将有助于降低系统的整体能耗。6.另一方面提供多种运行模式，降低了系统的能耗，I/O达到了从固定到交叉切换。端口I/O，都需要很多引脚，配置不够用。I/O端口可灵活使用。7.复位有很多手段。提供启动时复位、启动时复位、启动时复位，重置WDT和重置引脚配置、灵活性和零功耗提供了良好的优势。8.电源管理策略。"等待"和"停机"两种,可以在软件进行编程。在等待模式下,外围设备和时钟在运行,但CPU没有运行。由于时钟在待机模式下继续运行,设备的功耗取决于系统时钟频率和进入待机模式前运行的外设数目。CIP-51有等待和关闭两种模式,但与任何8051设计一样,最好禁用不需要的外设,以尽量减少整体功耗。所有的模拟外设都可以被禁用,在不使用时置于临时电源模式,而数字外设,如串行定时器总线,在不使用时消耗的功率非常小。关闭发电机消耗的电力更少,但需要复位以重新启动微控制器。内部振荡器可以通过寄存器(内部发生器管理寄存器、外部发生器管理寄存器、外部发生器管理寄存器)启用或禁用。C8051F板的SiliconLabs微控制器作为一种优秀的SOC芯片代表，满足了使用时复杂用途要求，在嵌入式的许多应用中得到了广泛的应用：在移动设备领域，其低能耗和高效的接口是各种信号采集、存储和传输的理想选择。这些优点是由微控制器C8051在几年里十分热门。成了这个领域的佼佼者。3.3选型依据首先，C8051F040其上手快。又因为使CIP-51进行改进，降低了系统设计的复杂度，减少了系统成本，更大大降低了功耗，可靠性高。CAN通讯所占CPU的带宽最小。 3.4数字量输入输出模块外围设备的运行速度低于硬件，外围设备的运行速度也不尽相同，所以通过接口电路对传输方式进行缓冲和联络的作用是必要的。接口电子装置执行相应的信号转换、速度匹配和信息缓冲功能。本系统使用芯片8255A。两行内联，40个引脚。并行I/OLSI芯片是多功能I/O设备，通常用于硬件总线和外围设备之间的接口。一旦连接到外围设备，就不需要进一步的外部电子设备。8051MCU提供8255A并行芯片地址信号，考察8255A的地址，特别是一个8255知道A、B、C、管理口四个端口的地址，最低的位是A口的地址，最高的位是控制口的地址。8255A有2个A1A2和CS引脚来选择所有引脚的物理地址。其在本系统中的电路图如图:图3-48255A接口电路图3.5中断管理模块C8051F040唯二可以访问的外部中断是INT0和INT1，所以8259A补充的外部中断。8259A是该器件的中断请求管理管理器，采用28引脚双内联封装。作为一个可以被编程控制的中断控制器，8259A有许多工作模式。默认情况下，IRQ0的优先级最高，IRQ7的优先级最低。每个8259A芯片可以管理多达八个中断源。通过级联多个芯片，8259A可以组成一个系统，管理多达六十四个中断向量。在具有多个中断的电源系统中,当控制器接收到来自外部的中断请求时,由StormTroops选择该最高优先级的中断请求,并发送到中央电子装置e1INTR侧。中央处理装置响应中断进入中断软件处理后,中断控制器将继续负责管理外部的中断请求。就会过渡到运行状态，在这种状态下，它能够响应来自外部设备的中断请求，而且系统也会在任何时候使用运行命令字改变其中断处理。C8051F040有两个增加的全双工UART,增强型SPI总线和SMBus/IIC内。每条串行总线在硬件中完全实现,可向CIP-51发出中断请求。中断信号连接IR0-IR7，同时将芯片的信息线和控制器数据线连接在一起，以完成两者之间的通信。对于在多个外设中完成8259A的选择的方式是通过8259A的CS、A0两条数据线。其在本系统中的电路图如图:图3-58259A接口电路图3.6抗干扰措施。3.6.1干扰分析在电路中,噪声会干扰有用信号,阻碍传输信息。由于噪声在一定条件下会干扰设备的运作,所以也被认为是磁力干扰。引起磁力干扰的基本成分：元件、设备或产生干扰的信号-噪声源。本装置受到干扰-受干扰的仪器设备。因此,为保证系统不受磁力干扰,应采取三项措施:1.抑制噪声源;2.减少噪声耦合和辐射,停止磁力干扰的传播途径或改进磁力干扰的传播方式。3.加强受干扰仪器的抗干扰性能。3.6.2措施分析系统设计原则,我们往往主要思考以下几点用来改进系统的抗干扰。我们总是需要考虑到价值尺寸比,补偿装置,易于维护。大规模的计算机电路应采用合适硬件,应选择新的传感器和执行器,并提高质量。充分利用芯片的智能,用软件取代硬件。1.电源电路:采用开关电源,应采用粗线作为电源联结线,并将交流电源电缆尽可能与替代线分开削减耦合干扰。当滤波器的输出线上的干扰减少后,保持在电源滤波器外壳一定的距离内。2电源滤波。对模拟和数字电路的电源进行滤波。每个芯片电源增加了电解电容,以抵消电解电容在高频时过滤干扰信号的缺陷。4.电磁屏蔽,通信线路采用芯线屏蔽电缆,单向接地,减少外界干扰信号对每个模块的影响。5.电气隔离。系统中各模块之间的通信线路是光学隔离的,以减少各模块之间的相互影响。第四章电液比例阀驱动电路的设计电液比例控制系统利用负反馈调节强制稳定系统。控制策略都通过PWM信号的控制速率不断变化来改变机构中的平均量值。4.1电液比例阀简介一些自动化程度高的设备通常需要对压力和速度参数进行持续管理和控制。电液比例阀随之发明。它由放大级数,分出了单级管理阀、二级管理阀和三级管理阀。根据结构不同，给出了阀体结构、锥阀结构和插装阀结构。因此，采用智能数字比例控制放大器的同时，使比例电磁铁具有良好的特性和高可靠性。4.2方案实现本系统中，PWM驱动芯片选择LMD18200，它是功率集成芯片。H桥由四个DMOS晶体管组成,它们的控制逻辑是电连接的。是为运动控制特定设计的。它完全满足本系统的各项要求。4.2.1LMD18200概述LMD18200具备双极和单极两种控制模式。DIR端子直接接地,实施LMD18200的单极控制,C8051F040的P0.2作为PWM输出,通过光学隔离输出到LMD18200的PWM输入。LMD18200外形结构如图：图4-1LMD18200外形结构图4.2.2LMD18200引脚说明LMD18200功能如图。图4-2LMD18200引脚功能表4.2.3C8051F040与LMD18200的连接驱动电路如图4-3：图4-3电液比例阀驱动电路第五章系统软件设计5.1控制算法可对电液比例系统的压力和流量进行闭环控制。控制器的控制算法很多时候是由软件算法完成的,因此,压力或流量传感器组件很多时候被选为各种管理集的反馈元件。大多数机械装置要求似乎并不是非常高,可使用开环管理,将完全满足控制精度,信号流流通减少,系统是更加可靠的。在本系统的控制算法中，使用了PID控制，可以保证本系统正常的运行。许多先进的处理算法正在被引入,但PID控制及其改进型仍然是最佳的方法。PID控制是广泛使用于现代工业的控制技术,当被控量的参数不能完全清楚,或者不能确定正确的数学模型时,应该采用经验和现场尝试的方式当场解决,此时PID这是最方便的一种。应设计PWM输出,使占空比根据使用控制算法计算出的值进行调整。5.1.1PID介绍1）它已成为当前最为普遍采用的算法，其结构原理图如图。 图5-1PID控制器结构原理图1.比例环节比例环节是根据偏差的想法进行调整,PID控制对象向误差影响作用相反的方向改变。其实际具有可调整放大倍数的电子设备,以减少错误的变化。总的来说，它按比例地改变偏差,可将灵敏度改善,但存在静态误差,2.积分环节效应由时间常数决定；Ti越大，冲击力越弱。缺点是，可能有滞后现象，使系统不稳定。这可能容易导致振荡和过冲。3.微分环节可以识别误差方向,抑制过冲。美中不足是稳定性差，可减少适应时间。但是,如果时间常数过大,干扰就会被引入,因此系统受的影响也变大。如果时间常数太小,调节的时间就会很长,影响不明显。从时间的目的来看,比例运算侧重于现在的误差,积分运算侧重于历史误差,因此微分运算反映了指令的变化趋势。三者混合是"过去、礼物和未来"的结合。增加比例常数P可以加速系统响应。调节时尽量平衡这三个参数达到最佳效果。3）PID控制的不足1.在实际的应用中,对象通常是非线性和时变的,因此很难确定正确数学模型,因此,PID控制器不能获得预期效果。2.在实际生产现场内,由于参数设置的难度,典型PID控制器的参数通常设置得很差,效果也不尽合理,因此直到运行状态下的能力很差。5.1.2PID程序设计编程语言的选择：选择C语言。以下是原因：1.程序结构简单、紧凑、整齐,用途广泛。2C语言的程序非常容易理解,而且编译速度很快。3丰富的运算符。4适合大型程序的模块化设计。5语法没有太多限制,编程时有很大的自由度。7产生标代码质量高而且快速的的程序执行。8可移植性高。它的语句可以各种计算机和操作系统上使用,基本上不需要任何修改。流程如下图5-2:图5-2位置型PID运算程序流程图5.2主控制器程序设计一旦开始工作，它就会进行初始化操作。一旦完成，手柄的"状态"被信号采集记录下来，输入到C8051F040，然后通过负反馈调节，模数转换，再通过算法和PCA，可达到目的。如图5-3所示:图5-3主程序流程图主程序如下：5.3中断程序设计5.4输入输出模块设计流程图如图：图5-4输入输出模块流程图其初始化程序如下:系统程序#include<C8051F040.h> // 包含文件#include<String.h>#include<Stdio.h>#include<Intrins.h>typedefunsingedcharuchar; //自定义类型typedefunsignedintuint;typedefunsignedlongulong;typedefstructPID{ //PID 结构体ulongProportion; // 比例常数ulongIntegral; // 积分常数ulongDerivative; // 微分常数ulongLastError; ulongPrevError; ulongSumError; }PID#defineRate10.0391 //Rate1=5/128#defineRate251.2 //Rate2=256/5ucharkk; //定义全局变量ucharrealvol;uchart2_Count;bitisnewdata;ucharSampleTimes;xdataucharaa[6]={0x31,0x32,0x33,0x34,0x35,0x36}xdataucharres[6];xdatauchark;xdatauchart;enum{aalen=6}; //定义发送数据长度sfr16RACP2=0xca; //16位特殊功能寄存器定义sfr16RACP3=0xca;sfr16TMR2=0xcc;sfr16TMR3=0xcc;sfr16PCA0CP0=0xfb;sibtP1_0=p1^0;//P1各位定义sibtP1_1=p1^1;sibtP1_2=p1^2;sibtP1_3=p1^3;sibtP1_4=p1^4;sibtP1_5=p1^5;sibtP1_6=p1^6;sibtP1_7=p1^7;voidIni8259(); //程序声明voidIni8255();voidadcmux(uchartype,ucharsource);voidanalogPort_ini(ucharport)voidadc2_ini();voidconfig();voiduart0_ini();voidt1_ini();voidt1_baud(uchart1h);voidt2_ini();voidt2_baud(uintt2reload);voidt3_ini();voidt3_baud(uintt3reload);voidPca0ini();voidPwm0_Set(ucharlow);voidPcaini();voidPIDInit(PID*pp);voidPIDCalc(PID*pp,ulongAerror);voidIni8259(void){ //8259初始化xdataucharadd1_8259_at_0xFF00;//绝对地址xdataucharadd2_8259_at_0xFF01;add1_8259=0x1B; //电平触发，单片 8259add2_8259=0x40; //中断源的中断向量码add2_8259=0x00; //不接从片8259add2_8259=0x03; //一般嵌套方式，非缓冲方式，自动 EOIadd2_8259=0x00; //不屏蔽IRadd1_8259=0xC0;add1_8259=0x08;}voidIni8255(void){ //8255初始化xdataucharadd8255_at_0xFF03;//绝对地址add8255=0x92; //A,B 口输入，C口输出}voiduart0_ini(){SFRPAGE=0x00;SADEN0=0x00; //SADEN0为UART0从机地址控制寄存器SADDR0=0x00; //SADDR0为UART0从机地址设置寄存器SSTA0=0x00; //TX和RX时钟源均为T1SCON0=0x50; //工作在模式1，为8位可变波特率通信SCON0&=0xFC; //将TI0和RI0清0IE|=0x10;t1_ini();}voidt1_ini(){SFRPAGE=0x00;CKCON=0x10; //T1采用系统时钟，不分频TMOD=0x20; //T1为8位自动重载模式TCON=0x40; //TR1置1，启动定时器}voidt1_baud(ucharval){ //T1溢出率设置SFRPAGE=0x00;TH1=~val+1;TL1=TH1;}voidadc2_mux(uchartype,ucharsource){SFRPAGE=0x02;AMX2CF=type; //type配置测量方式，差动或者单端AMX2SL=source; //通道选择}voidanalogPort_ini(ucharport){ //P1为模拟输入SFRPAGE=0x0F;P1MDIN&=~port; //将相应的引脚配置为模拟输入}voidadc2_ini(){SFRPAGE=0x02;ADC2CF=0x09; //ADC2时钟为系统时钟 2分频，PGA增益为1ADC2CN=0x82; //ADC2位连续跟踪模式，由 T3溢出启动ADC2转换SFRPAGE=0x00;REF0CN=0x0b; //采用AV+作为参考电压analogPort_ini(0x03); //将P1.0，P1.1配置到AMUX0-1上adc2_mux(0x01,0x00); //0，1通道配置为差动输入模式EIE2|=0x10; //ADC2中断开启t3_ini();t3_baud(2000); //设置2000个T3时钟作为采样周期SFRPAGE=0x01;TR3=1; //启动T3计数}voidPca0ini(){SFRPAGE=0x00;PCA0CPM0=0x42;}voidPwm0_Set(ucharlow){ //占空比设置SFRPAGE=0x00;PCA0CPH0=low;}voidPcaini(void){SFRPAGE=0x00;PCA0MD=0x08; //PCA中断采用系统时钟，且 PCA溢出中断禁止PCA0CN=0x40; //启动PCA计数器}voidt2_ini(){SFRPAGE=0x00;TMR2CF=0x00; //T2时钟源为系统时钟 12分频TMR2CN=0x04; //启动T2，T2为自动重转载}voidt2_baud(uintt2reload){ //t2重装载SFRPAGE=0x00;RCAP2=~t2reload+1;TMR2=RCAP2;}voidt3_ini(){SFRPAGE=0x01;TMR3CF=0x80; //T3时钟为系统时钟TMR3CN=0x04; //启动T3，T3为自动重装载模式}voidt3_baud(uintt3reload){ //T3重装载SFRPAGE=0x01;RCAP3=~t3reload+1;TMR3=RCAP3;}Voidconfig(){ //C8051F040初始化//看门狗禁止WDTCN=0x07;WDTCN=0xDE;WDTCN=0xAD;SFRPAGE=0x0F;XBR0=0x0C; //CEX0配置到端口，UART配置到端口XBR1=0x14; //INT0,INT1配置到端口XBR2=0x42; //交叉开关使能，并使得 P0.5,P0.6,P0.7自动跳过XBR3=0x00;SFRPAGE=0x00;EMI0CF=0x07; //外部内存在P0-P3口，地址数据线复用SFRPAGE=0x0F;P0MDOUT=0x00; //端口配置，P0-P3为开漏输出P1MDOUT=0x00;P2MDOUT=0x00;P3MDOUT=0x00;P1MDIN=0xFC; //配置P1.0，P1.1为模拟输入，其他为数字输入P2MIDIN=0xFF;P3M