1、 第 1 頁 共 36 頁摘要摘要PID控制是最早發展起來且目前在工業過程控制中依然應用最廣泛的控制策略之一。PID控制中至關重要的是控制器三個參數的整定，參數整定的好壞既影響到控制性能，又影響到整個系統的能耗。常規的PID整定參數的選擇取決于多種因素：被控過程的動態性能、控制目標以及操作人員對過程的理解等，所以要求工程技術人員具有豐富的經驗，加上實際系統又有滯后、非線性等因素，都會使得PID參數整定有一定的難度，比較費時費力，從而導致許多PID控制回路不能運行在最佳工作狀態。而自整定控制器能通過按鍵方式由控制器自身完成參數的整定，不需要人工干預，可以節省整定時間，提高整定精度，進而提高經濟效

2、益。因此，研究自整定PID控制器具有重要意義。針對上述問題,，本文開發了一種基于系統辨識的自整定PID控制器。該控制器給過程控制技術人員提供了一種調試工具，不僅保證了控制參數的優化，而且縮短了系統的現場整定時間。 第 2 頁 共 36 頁ABSTRACTPID control，which is one of the earliest developed in the industrial process control，is still one of the most widely used control strategy , and more than 95of the industria

3、l control loop has PID structureThe tuning of the three control parameters is the most important,because it does not only affect the quality of control performance，but also affects the whole system of energy consumptionConventional PID parameter selection depends on many factors：such as the dynamic

4、performance of the proces，control objectives，as well as the operators understanding of the processThe actual system usally is lagged behind，nonlinear,and has other factorsThat is why it is difficult to turn the PID parametersThere , it needs experienced engineers to complete PID parameters tuning al

5、though it is time-consuming and laborious and results in a number of PID control loop can not run in the best working conditionAuto-tuning controller can complete control with a button on their own,without human interventionAuto-tuning method call save more time and be more accurate than artificial

6、mothod，and it also can improve the cost-effectivenessThus，research on auto-tuning PID controller is of great significance To solve problems mentioned above,this paper developed an auto-tuning PID controller based on system identification methodIt provides the process control engineers with a debuggi

7、ng tool ,which not only ensures the optimization of the control parameters，but also shorten the setting time 第 3 頁 共 36 頁目目 錄錄第一章第一章 緒論緒論 .11.1 本課題研究的目的與意義 .21.2 參數自整定技術的國內外研究現狀.31.3 本課題主要研究內容.4第第二二章章 模型參數辨識方法與選擇模型參數辨識方法與選擇 .52.1 模型參數辨識原理.62.2 模型參數辨識常見方法 .72.3 本課題選用方法 .8 2.1.1 遞推最小二乘法.9 2.1.2 脈沖響應法.

8、10第第三章三章 參數自整定方法與選擇參數自整定方法與選擇 .113.1 參數自整定原理.123.2 參數自整定常用方法.133.3 本課題選用方法.14 3.1.1 改進型臨界比例度法.14 3.1.2 迭代自整定法.15 第第四章四章 自整定自整定 PIDPID 控制器的控制器的設計與實現設計與實現 .164.1 控制器的功能分析.174.2 控制器的硬件電路設計.18 4.2.1 微處理器的選擇.20 4.2.2 模擬量輸入/輸出通道 .19 4.2.3 人機交互模塊的設計.20 4.2.4 電源電路設計 .234.3 控制器的軟件模塊設計.24第五章第五章 總結與展望總結與展望.25致

9、謝致謝.26參考文獻.27附錄附錄 第 4 頁 共 36 頁第第 1 1 章章 緒論緒論1.1 本課題研究的目的與意義 PID 控制器是在工業過程控制中最常見的一種控制調節器，廣泛應用于化工、機械、冶金和輕工等工業過程控制系統中。有一些文獻陳述了當前的應用狀況1,2。日本電子測量儀表協會在 1989 年對過程控制做的調查報告，該報告表明 90%以上的控制回路具有 PID 結構。另外一篇有關加拿大造紙廠的統計報告表明典型的造紙廠一般有 2000 多個控制回路，其中 97%以上是 PID 控制，而且僅僅有 20%的控制回路工作比較滿意。控制回路性能普遍差的原因中參數整定不合適的占 30%，閥門問題

10、占 30%，而另外 20%的控制器性能差有多種原因，如傳感器問題、采樣頻率的選擇不當以及濾波器的問題等。在已安裝的過程控制器中 30%是處于手動狀態，20%的控制回路采用廠家整定的參數，即控制器制造商預先設定的參數值，30%的控制回路由于閥門和傳感器的問題導致控制性能較差。因此，PID 控制器雖然在工業過程控制中普遍應用，但是獲得的控制效果并不十分理想。同時由于 PID 控制器特別適用于過程的動態性能是良性的而且控制性能要求不高的情況，但隨著現代工業的發展，人們面臨的被控對象越來越復雜，對于控制系統的精度性能和可靠性的要求越來越高，這對PID 控制技術提出了嚴峻的挑戰。只有和先進控制策略相結合

11、，才能保證 PID 控制技術永不過時，而它也正是向高精度、高性能、智能化的方向在逐步發展。 鑒于在當前和將來的工業過程中仍舊大量使用PID控制器，這就迫切需要設計出一些簡單的且魯棒性好的自整定控制器。在許多文獻中已經報道了，通過大量的調查工作表明實際工業過程中使用的許多PID控制器都沒有整定到令人滿意的程度。因此，設計一種面向普通工業過程的能夠以高性能自動整定的控制器非常有必要，而且這樣的自整定PID控制器將會在工業領域內有很好的市場前景。1.2 參數自整定技術的國內外研究現狀 在過程工業界，從40年代開始，采用PID控制規律的單輸入單輸出簡單反饋控制回路己成為過程控制的核心系統。目前，PID

12、控制仍廣泛應用，即便是在大量采用DCS控制的最現代化的裝置中，這類回路仍占總回路數的80-90。這是因為PID控制算法是對人的簡單而有效操作方式的總結與模仿，足以維護一般工業過程的平穩操作與運行，而且這類算法簡單且應用歷史悠久，工業界比較熟悉且容易接受。 PID參數的自整定一般包括兩部分內容：一是過程特性的提取，也稱為初期校正部分，即對過程進行辨識，得到過程的動態特性，求得過程的增益、時間常數、延遲時間，然后按過程的特征參數或者按部分模型的匹配法設定PID參數。二是確定相應的最優控制器參數，也稱為在線校正部分，是通過對控制響應的 第 5 頁 共 36 頁波形進行在線監視，求出性能控制指標，即超

13、調量、振幅衰減比等，然后建立調整規則對PID參數進行更新。自Ziegler和Nichols提出PID參數整定方法起，有許多技術已經被用于PID控制器的手動和自動整定。Ziegler-Nichols階躍響應是確定PID參數的簡單方法，根據純滯后時間和時間常數來整定控制器的參數。但是該方法僅在純滯后時間與時問常數之比處于01-1之間時才適用，對于大的純滯后需采取專門補償措施。另外該方法借助于作圖來確定特征參數，得到的控制器是使用尚可的或次優的，并不能得到最優的控制器。其中應用廣泛的有臨界靈敏度法，需要測量臨界增益和臨界周期從而得到合適的PID參數。Z-N法需要使系統接近臨界狀態運行，這很易產生增幅

14、振蕩，并使系統毀壞。為克服乙N閉環方法的缺點，知名學者Astrom提出基于繼電反饋的方法該方法的基本思路是在繼電反饋下觀測過程的極限環振蕩，并由極限環的特征來確定過程的基本性質，然后算出PID調節器的參數。繼電器自整定操作簡單，不需要較多的有關被控對象的先驗知識印可以整定控制器參數的優點，預先確定的參數少，僅僅是繼電特性的輸出高度和滯環寬度。而且它是在閉環條件下完成的，所以對擾動不靈敏，而且所產生的極限環振蕩又是一種受控振蕩，易于控制。Astrom在1988年美國控制會議(ACC)上作的Toward Intelligent Control的大會報告概述了結合于新一代工業控制器中的兩種控制思想一

15、一自整定和自適應，為智能PID控制的發展奠定了基礎。他認為自整定控制器和自適應控制器能視為一個有經驗的儀表工程師的整定經驗的自動化，自整定調節器應具有推理能力。自適應PID的應用途徑的不斷擴大使得對其整定方法的應用研究交得日益重要。自適應技術中最主要的是自整定。根據發展階段來分，PID參數整定可分為常規PID參數整定方法及智能PID參數整定方法；按照被控對象個數來劃分可分為單變量PID參數整定方法及多變量PID參數整定方法，前者包括現有大多數整定方法，后者是最近研究的熱點及難點。按控制量的組合形式來劃分，可分為線性PID參數整定方法及非線性PID參數整定方法。前者用于經典PID調節器，后者用于

16、由非線性跟蹤微分器和非線性組合方式生成的非線性PID控制器。按工作機理劃分，自整定方法能分為兩類：基于模型的自整定方法和基于規則的自整定方法。目前來說，在眾多的整定方法中主要有兩種方法在實際工業過程中應用較好。一種是基于繼電反饋的參數整定方法，另一種是Foxboro公司推出的基于模式識別的參數整定方法。后者主要應用于Foxboro的單回路EXACT控制器及分散控制系統IA Series的PIDE功能塊，其原理是基于Bristol在模式識別方面的早期工作。前者的應用實例較多，這類控制器現在包括自整定、增益計劃設定及反饋和前饋增益的連續自適應等功能，這些技術都極大簡化了PID控制器的使用，顯著改進

17、了它的性能。1.3 本課題主要研究內容 第 6 頁 共 36 頁 (1)模型參數辨識方法研究； (2)參數自整定方法研究； (3)基于AVR單片機的自整定PID控制器的設計與實現； 第第二二章章 模型參數辨識方法研究模型參數辨識方法研究 2.1 模型參數辨識原理 系統辨識作為一門獨立的學科，通常認為是伴隨著現代控制理論的產生則發展起來的，但是， “辨識”的概念和方法的歷史可以追溯到更早的時代。引用Zadeh于1962年給系統辨識下的較有權威性的一般定義： “系統辨識就是根據被測系統的輸入和輸出，從一類指定模型中確定一個與被測系統等價的數學模型。根據這個定義，要求必須規定一類輸入信號(試驗信號)

18、。 所以，系統的模型辨識就是根據實驗得到的輸入輸出數據構造一個過程模型，而不是根據系統的任何基本特性和屬性。在這種情況下，不需要過程的先驗知識，系統被認為是一個“黑箱，根據外部激勵及其系統響應等實驗信息來辨識“黑箱的內部機理。在過程控制領域，假設待辨識的過程在穩態工作點附近是近似線性的，對這種過程用線性傳遞函數模型來描述是足夠精確的。因此，本節只對線性過程辨識作研究。 過程辨識可以采用“離線 或者“在線”兩種方式。離線辨識：就是中斷過程的正常運行后按照設計好了的經驗模型進行特定的試驗。在線辨識：就是利用在過程正常運行的條件下得到的數據進行辨識。應用中一個過程的參數辨識可以采取兩種方式：即開環方

19、式和閉環方式。開環辨識就是在對系統不施加控制的情況下辨識過程參數，而閉環辨識就是辨識的時候存在控制作用。任何情況下都需要對過程施加一個激勵信號，以提取過程動態中的有用信息。作為有用的過程信息，輸出數據依賴于輸入函數的特性。因此，選擇一個合適的輸入函數是很重要的，由它產生的輸出信號能夠提供大量有用且易于提到的過程信息。 過程辨識中用到的典型輸入函數如下：階躍信號，脈沖信號，繼電器信號，白噪聲，偽隨機二進制序列等。 階躍測試的主要優點在于測試過程簡單，需要很少的先驗知識。但是它對系統中的非線性非常敏感。對于閉環辨識，大部分現有技術都是在頻域里進行研究。通常，在實際應用中只對零到截止頻率這一頻率段感

20、興趣。由于閉環測試對過程的干擾較少，因此在過程控制實踐中多采用閉環測試而不采用開環測試。階躍響應辨識就是在實驗中，階躍輸入作為過程的輸入，測量過程的響應。實驗的先決條件是開始時過程處于穩定狀態。階躍信號幅值的選擇應該足夠大以便于過程響應比噪聲水平大且易于觀察，但也應該盡可能小，為了不對過程造成不必要的沖擊和保持過程的動態是線性的。有許多方法可以用來從暫態響應 第 7 頁 共 36 頁實驗中導出過程的特性。從階躍響應實驗中，通過比較控制信號和階躍變化前后測量信號的靜態值，可以精確地計算靜態增益。常數和純滯后時間可以通過多種方法得到，比較復雜的調整技術中常采用暫態響應方法作為一種預調整模式。該方法

21、的主要優點是它需要很少的先驗知識，也很容易使現場操作人員理解。其主要缺點是它對于干擾較為敏感。 基本階躍響應的典型模型如下，其中的某些參數需要估計。 (1)一階加純滯后(FOPDT) 參數：K、T、L(2)二階加純滯后(SOPDT)參數：a0,a1,a2,b0,b1,L模型中的純滯后時間、時間常數和穩態增益可以通過把這些表達式與實驗測量得到的數據按照某種方法來得到。2.2 模型參數辨識常見方法實際的工業被控對象是非常復雜的，要確定出它的精確模型是不現實的，而且也是沒有必要的。在實際中常用的方法是用低階加純滯后模型近似高階的過程對象。階躍響應測試常用于一階加純滯后模型擬合過程數據。理論上，當時間

22、大于純滯后時，階躍響應可以寫成 這里表示響應的終值。給定數據y(t)，可以得到在時刻觀測到的過程輸出ykt值， (一)LOG方法靜態增益K：利用極限值和給定輸入階躍函數A，由得靜態增益K的估計值是： 第 8 頁 共 36 頁 時間常數和純滯后時間L：參數和L的解是非線性的，可以寫成 階躍響應數據對時間t的函數是斜率為一1的直線，縱軸上的截距為L。且這條直線與t軸的交點為t=L。如下圖所示。因此從圖形上可以估計出這些參數的值。 從階躍響應數據估計時間常數和純滯后時間(2) 兩點法假設過程模型對于幅乎為A的過程輸入，過程的響應由下式描述： 標準化的y(t)和時間t如下圖所示： 兩點法和面積法 標準

23、化的Y(t)和時間t 第 9 頁 共 36 頁t1和t2分別是過程的階躍響應達到穩態值的284和632的時間，得到t1和t2之后，過程的時間常數和滯后時間可以由下式計算：T=I5(t2-t1)；三=05(3t1一t2)(3) 面積法假設靜態增益已經采用前面的方法得到，平均駐留時間Tav可以由面積A0來計算，如下圖所示：在階躍響應下直到時間Tav所包圍的面積A1可以這樣計算：那么T和L的估計值為：相對于前兩種方法，這種方法對高頻噪聲不敏感。它的模型只需要階躍響應數據的幾個值決定。然而，它的估計精度主要依靠A0決定。為了得到精確的A0，測試的時間就得足夠長，直到過程剛好再次進入新的穩態。但這些方法

24、只能工作于沒有滯后時間的過程中。本文提出一種基于脈沖響應的方法，它能夠克服以上幾種辨識方法的不足。 第 10 頁 共 36 頁一階加純滯后連續模型的參數可以直接從一組線性方程中獲得。計算簡單而且對測量噪聲的魯棒性好。這種方法不需要等過程完全進入新的穩態。因此，它節省了測試時間。本文提出的方法能夠很好的工作于一階加純滯后模型能夠描述的工業過程，大量仿真和實際使用結果表明這種方法比現有的方法有所改進。2.3 本課題選用方法 2.1.1 遞推最小二乘法 已知線性回歸形式的模型的傳遞函數為： 其中 為方程誤差，為了使如下損失函數最小化： 可得最小二乘的估計值為 引入矩陣 于是 又由于 所以，t+1時刻

25、的最小二乘估計為： 第 11 頁 共 36 頁 最后就得到： 這樣利用、式進行遞歸迭代參數估計，另外選擇，迭代一定的時間后就能得到對象的參數了。 2.1.2 脈沖響應法 第第三章三章 參數自整定方法研究參數自整定方法研究3.1 參數自整定原理（1）PID控制原理 PID控制器結構簡單，易于操作，廣泛應用于石油、制藥、食品、化工、航空和半導體等工業過程，并具有較好的魯棒性，對過程參數和干擾的變化不敏感。據統計，在過程控制領域中大約90的控制回路都采用PID控制。系統控制框圖如下所示。PID控制器，是一種最基本的控制方式，它是復雜調節和計算機直接數字控制的基礎。其方法是依據偏差e進行控制，其最終目

26、的是消除偏差。P，也就是比例環節，是PID控制中最活躍的環節，是真正意義上的依據偏差來進行控制。I，也就是積分環節，其作用是消除階躍響應的穩態誤差，也就是偏差。D，也就是微分環節，其作用是使得控制器的靈敏度增加，它根據偏差的變化率dedt進行控制，從而起到了早期的修正作用，增加系統的穩定性。 第 12 頁 共 36 頁 圖 3.1.1PID控制器根據給定值r與實際輸出值Y構成的控制偏差：定義：e=r-y將偏差的比例(P)、積分(I)和微分(D)通過控制規律為：式中，Kp為比例系數，Ti為積分時間常數，Td為微分時間常數。PID控制器各校正環節的作用如下： 比例(P)調節作用：是按比例反應系統的

27、偏差，系統一旦出現了偏差，比例調節立即產生調節作用用以減少偏差。比例作用大，可以加快調節，減少誤差，但是過大的比例，使系統的穩定性下降，甚至造成系統的不穩定。 積分(I)調節作用：是使系統消除穩態誤差，提高無差度。因為有誤差，積分調節就進行，直至無差，積分調節停止，積分調節輸出一常值。積分作用的強弱取決于積分時間常數，Ti越小，積分作用就越強；反之Ti大則積分作用弱。加入積分調節可使系統穩定性下降，動態響應變慢。積分作用常與另兩種調節規律結合，組成PI調節器或PID調節器。微分(D)調節作用：微分作用反映系統偏差信號的變化率，具有預見性，能預見偏差變化的趨勢，因此能產生超前的控制作用，在偏差還

28、沒有形成之前，已被微分調節作用消除。因此，可以改善系統的動態性能。在微分時間選擇合適情況下，可以減少超調，減少調節時間。微分作用對噪聲干擾有放大作用，因此加大微分調節，對系統抗干擾不利。此外，微分反應的是變化率，而當輸入沒有變化時，微分作用輸出為零。微分作用不能單獨使用，需要與另外兩種調節規律相結合，組成PD或PID控制器。（2）參數自整定原理3.2 參數自整定常用方法3.3 本課題選用方法3.3.1 改進型臨界比例度法 第 13 頁 共 36 頁eO+-R(t) 這是波形識別法中的一種參數自整定方法。從“過程控制系統”中已知，只要求出比例控制系統等幅震蕩時的臨界比例系數Kcp和震蕩周期Tcp

29、,即可根據Ziegler-Nichols 規則計算出PID參數： PI控制系統 Kp=0.45Kcp，Ti=Tcp/1.2 PID控制系統 Kp=0.6Kcp,Ti=Tcp/2,Td=Ti/4在人工進行參數整定時，將系統設置為比例控制系統，并多次調整Kp，直到使系統產生等幅振蕩，此時的比例系數即為Kcp，振蕩周期為Tcp。但在工業控制系統中存在許多不確定因素，要得到真正的等幅振蕩并保持一段時間是相當困難的，在有些生產過程中也不允許這樣的反復試驗。為克服這一問題，Astom K.J提出了改進型臨界比例度法，它用繼電特性的非線性環節替代比例調節器，可使閉環系統自動穩定在等幅振蕩狀態，振蕩幅值還可由

30、繼電特性的特征值控制，對生產過程不會產生多大影響，達到了實用化要求。用改進型臨界比例度法德PID參數自整定控制系統結構示意圖2.1如下所示： 圖3.3.1.1用改進型臨界比例度法德PID參數自整定系統示意圖 圖中G(jw) 為控制對象，N為具有繼電特性的非線性環節。當系統處于自整定狀態時，開關S置于位置2，S置于位置1時為系統正常工作狀態，進行PID控制。 下圖2.2所示為改進臨界比例度法自整定PID參數時的系統框圖： PIDN12G（jw)-+SM(t)G（jw)M（t)R(t) 第 14 頁 共 36 頁ty(t) R-H 圖3.3.1.2改進臨界比例度法自整定PID參數時的系統框圖這是一

31、個典型的非線性系統。為了分析系統產生自激振蕩的原理，非線性環節用描述函數來表達，以對其進行近似的線性化處理。描述函數N是非線性環節輸出的一次諧波分量與正弦輸入信號的復數比，即 jeXYN1式中 輸出的一次諧波幅值；1Y X輸入正弦波幅值；輸出一次諧波的相位移。 系統圖中的繼電特性如下圖3.3.1.3(a)所示，其描述函數可由圖3.3.1.3(b)求出。 圖3.3.1.3（a）理想繼電特性 圖3.3.1.3（b）正弦輸入響應曲線對輸出y(t)進行傅里葉變換10)sincos()(nnntnBtnAAty式中 201)(cos)(1ttdtyAy1(t)=Y1sintR+H RX Yx(t)=Xs

32、int 第 15 頁 共 36 頁 =2200)sin()(1)sin()(1tdHRtdHR 201)()sin()(1tdttyB =2020)cos() 1)(1)cos() 1)(1tdHRtdHR =)(2)(2HRHR = H4一次諧波分量為 )sin(4)(1tHty其描述函數為 XHXYN4001可見，理想繼電特性的描述函數是一個實數，且為H/X的函數。圖3.3.1.2所示閉環系統產生等幅振蕩的條件為 1+NG(j)=0有 G(j)=-HXN41當X從0變化時，-1/N是在幅頻特性平面上沿負實軸的一條軌跡。由上式知，G(j)和1/N的交點即為臨界振蕩點，閉環系統在該點有一個穩定

33、的極限環。此時，臨界比例系數 Kcp=N=XH4只要測出圖3.3.1.3中偏差e的振幅X，即可得到Kcp，測取e的振蕩周期即可得到臨界振蕩周期Tcp，再按Ziegler-Nichols規則就可計算出PID參數Kp、Ti、Td的值。3.1.2 迭代自整定法在閉環控制系統中，假設調節器經初步整定的初始參數是系統存在一對共軛復數主導幾點，在擾動作用下輸出呈衰減振蕩過程，如圖所示，M（t)Otbtbctcata 第 16 頁 共 36 頁 圖 3.1.2.1 二階系統衰減振蕩過程則可按二階系統來近似該閉環系統，有=expba212式中二階系統的阻尼系數。令,則21abln21是表征過程衰減比的特征參數

34、。下面給出以為自變量的PID參數迭代算式。（1）比例系數Kp迭代算式設Kcp為調節器的臨界比例系數，Kp為其它任意振蕩過程式調節器的比例系數。在工程上Kcp/Kp可以用的冪級數來近似：Kcp/Kp2210式中 為常數。i為簡化，只取前兩項： Kcp/Kp10當時Kp=Kcp時，故。0010如要求過程輸出衰減比a/b=1/4，對應有 22. 04ln21ln214ab按Zeigler-Nichols規則，可得出整定Kp的迭代式。對PI調節器有Kp=0.45KcpKcp/Kp=1+41所以 41/ ) 1/(KpKcp =（1/0.45-1)/0.22 =5.5555有5555. 51KcpKp設

35、Kp當前值為Kp(n)，優化值為Kp(n+1)，其對應為，則有4 第 17 頁 共 36 頁 45555. 515555. 51)() 1(nKpnKp最終得到求取Kp的迭代算式：Kp(n+1)=(0.45+2.5)Kp(n)式中，n為計算次數，經過幾次迭代及可是系統輸出滿足期望的衰減比。同理可推出PID調節器的Kp迭代算式。（2）Ti和Td整定迭代算式 在Kp整定為某一較好值時，再進一步整定Ti、Td值。對衰減比為a/b=1/4的二階系統，有a/c=c/b=1/2，可規定：c/a1.5時，Ti增加10%；c/a2.5時，Ti減小10%；1.5c/a2.5時，Ti保持不變。故可得出Ti迭代整定

36、算式Ti(n+1)=)(2nTi式中：c/a1.5,=1.8c/a2.5,=2.21.5c/a2.5,=2Td=0.25Ti同理，可推導出要求衰減比為1/10的PID參數迭代整定算式。第第 4 4 章章 基于基于 AVRAVR 單片機的自整定單片機的自整定 PIDPID 控制器的控制器的設計與實現設計與實現4.1 控制器的功能分析參數自整定 PID 控制器作為一個能夠自整定整定 PID 參數的整定器，在軟硬件上主要應該能夠具備以下幾個功能：(1)數字量的輸出模塊：能夠給出系統相應的激勵信號，并根據實時采集到的現場輸入輸出數據辨識出過程的數學模型； (2)模擬信號輸入模塊：能夠采樣接入 0-5V

37、 的電壓信號，能夠完成 PID 自整定算法； (3)模擬信號輸出模塊：能根據 PID 自整定算法的需要，輸出 420mA 的電流控制信號； (4)人機交互接口模塊：能通過鍵盤進行參數的設置、修改，并能夠將些實時信息以及整定的結果等通過 LCD 顯示； 第 18 頁 共 36 頁 (5)電源模塊：采用 220V 交流供電，內部通過整流濾波生成+24V、15V、5V 電壓以供各模塊使用。 這些模塊有機地構成了參數自整定 PID 控制器。4.2 控制器的硬件電路設計4.2.1 微處理器的選擇（一） 單片機的選用 針對一定的用途，恰當的選擇所使用的單片機是十分重要的。對于明確的應用對象，選擇功能過少的

38、單片機，無法完成控制任務；選擇功能過強的單片機，則會造成資源浪費，使產品的性能價格比下降。目前，市面上的單片機不僅種類繁多，而且在性能方面也各有不同。在實際應用中，針對不同的需求要選擇合適的單片機，選擇單片機時要注意下幾點： （1)單片機的基本性能參數，例如指令執行速度，程序存儲器容量，中斷能力及IO口引腳數量等； （2)單片機的增強功能，例如看門狗，雙串口，RTC(實時時鐘)，EEPROM，CAN接口等； （3)單片機的存儲介質，對于程序存儲器來說，Flash存儲器和OTP(一次性可編程)；存儲器相比較，最好是選擇Flash存儲器； （4)芯片的封裝形式，如DIP封裝，PLCC封裝及表面貼附

39、封裝等。選擇DIP封裝在搭建實驗電路時會更加方便一些； （5)芯片工作溫度范圍符合工業級、軍品級還是商業級，如果設計戶外產品，必須選用工業級芯片； （6)單片機的工作電壓范圍，例如設計電視機遙控器時，使用2節干電池供電，至少選擇的單片機能夠在18V36V電壓范圍內工作； （7)單片機的抗干擾性能好； （8)編程器以及仿真器的價格，單片機開發是否支持高級語言以及編程環境要好用易學； (9)供貨渠道是否暢通，價格是否低廉，是否具有良好的技術服務支持。 根據上面所述的原則，結合實際情況綜合考慮，本文選用ATMEL公司的90系列AT90S8535單片機作為主控模塊的核心芯片。（二）AT90S8535簡

40、介該單片機是基于AVR增強性能、PISC結構、低功耗、CMOS技術、8位微微控制器。它具有以下特點：（1）有4K字的Flash 程序存儲器； 程序存儲器一次讀取一個字（16位） ，速度加快了；可反復擦寫、修改程序1000次以上不損壞，便于新產片開發。（2）高速度。每個時鐘周期執行一條指令，當主頻8 MHz時，大多數指令僅需 第 19 頁 共 36 頁125 ns.AVR 運用了Harvard 結構概念，對程序和數據存儲使用不同的存儲器和總線，具有預取指令功能。當執行某一指令，下一條指令被預先從程序存儲器中取出，這樣可以在每一個時鐘周期內都執行指令。（3）高度保密性。可可多次燒寫的Flash 具

41、有多重密碼保護、鎖死功能。保密位在芯片地步，無法用電子顯微鏡看到。程序高度保密，避免非法竊取。（4）超功能精簡指令。具有32個通用工作寄存器（均可用作累加器，克服了單一累加器造成瓶頸現象）及512字節的SRAM，可靈活使用指令尋址運算。（5）低功耗。在主頻4 MHz,3 V 供電條件下，AT90LS8535工作模式只需6.4 mA 的供電電流，具有空閑、省電、掉電3中低功耗方式。掉電模式下工作電流小于1 uA。（6）工作電壓范圍寬（2.76.0） ，抗電源波動能力強。（7）有512 B的EEPROM（點擦寫存儲器） ，掉電不丟失信息，可在線改寫。（8）有32個I/O口，輸入/輸出的方向是可以定

42、義的。輸出口的驅動能力強，灌電流可達40 mA,能直接驅動LED、繼電器等器件，省去驅動電路；輸入口可以三態輸入，也可以帶內部上拉電阻。（9）有2個8位和1個16位的定時器/計數器,除定時、計數功能外，有些還具有比較匹配輸出和輸入捕獲功能。（10）有看門狗定時器，便于程序抗干擾。程序飛走進入死循環后，能自動復位，重新啟動。（11）有模擬比較器，便于發現輸入模擬電壓的拜年話。（12）有8路10位ADC，可直接輸入模擬電壓信號。（13）有2路10位和1路8位的PWM脈寬調制輸出，經濾波輸出模擬電壓信號，可作為D/A轉化器。這種模擬量輸出很容易與主機隔離。（14）有UART異步串行接口，便于實現RS

43、232-C和RS485通信接口。（15）有SPI同步串行接口。（16）有獨立振蕩器的實時時鐘。在省電模式的低功耗方式下，時鐘正常工作。（17）有16種中斷源。每種中斷源在程序空間都有一個獨立的中斷向量作相應的中斷入口地址。（18）除用匯編語言外，還可使用C語言編程，易學、易寫、易移植。（19）有商用級產品（工作溫度070攝氏度）和工業級產品（工作溫度-4085攝氏度）供用戶選用。（20）有PDIP40腳、PLCC 44腳及TQFP 44腳封裝供用戶選擇。(3）晶振電路設計 由于 AT90S8535 工作在 8MHz 的頻率，故選用的陶瓷振蕩器是 3.3728MHz，旁路電容是 22pF，電路如

44、圖 4.2.1.3 所示。 第 20 頁 共 36 頁 圖 4.2.1.3 晶振電路 4.2.2 模擬量輸入/輸出通道 4.2.2.1 模擬量輸入通道 輸入信號是變送器送來的420mA電流信號，通過下圖的電流電壓轉換電路，將變送器送來的電流信號轉換為單片機內嵌的A/D轉換器的輸入電平0-5V范圍內。 圖 4.2.2.1 輸入調理電路輸入的420mA電流信號經電阻R1流向地，R1為阻值250 Q的精密電阻，這樣經過限流電阻R2后，在B點得到250*(420mA)=15V的電壓。通過調整VR1，在C點得到5V的電位，VR1，D0為輸入電流信號過流釋放通道，當輸入信號超過20mA 第 21 頁 共

45、36 頁時，B點的電位被箝位在5V，防止過電流流入下一級，對于下一級信號調理電路起保護作用，圖中U1是電壓跟隨器，因此D點得電位和B點相同。D點的1-5V通過以下調理方案調理到0-5V：在I/V轉換電路輸出信號加上一1V電壓，使信號變成0V4V； 將上面調理后的信號取反并放大125倍，變成一5V0V，由圖中U2組成的加法和反相放大電路完成： 再將上面信號再次取反，使輸出信號與輸入信號保持同相，由圖中U3組成的反相放大電路完成。為保證對信號的精確調理，需要選用一個具有適當閉環增益的運算放大器，本電路選用的運算放大器是美國TI公司的OP07，它具有高輸入阻抗、低輸出阻抗、寬頻帶、較強的過載能力、足

46、夠高的放大倍數、共模抑制能力強、漂移低、增益可調，是一種高性能、低價格、低溫漂的精密運算放大器，其允許輸入電壓為014V，供電電壓為3V+l8V。圖4.2.2.1元器件各參數計算如下： DBVV =-()(/+/)FV37VRR DV4REV6R =-/輸出V11RFV9R將=-1V，=5V，=5V代入上式，并取=R，得：EVDV輸出V4R6R 5=4*（）/R11R37VRR 9R 取=20K，R=10K，則可得=12.5K11R9R37VRR 和分別是U2運放電路和U3運放電路的平衡電阻，和的值計算5R10R5R10R如下：=/()=10/10/12.53.6K5R4R6R37VRR =/

47、=20/20=10K 10R11R9R4.2.2.2 模擬量輸出通道在完成AD轉換，取得模擬量數據之后，單片機經過一定的算法運算處理后，經DA轉換，送功率放大電路放大，才能驅動執行器。如圖4.2.2.2所示。 圖 4.2.2.2 模擬量輸出通道框圖(1)D/A轉化器的選擇 數字量到模擬量的轉換稱為DA轉換，DA轉換器有8位、10位、12位、16位等。DA轉換器的輸出多數為電流形式(如DAC0832、AD7522等)，相當于電流源，有些芯片內部設有放大器，直接輸出電壓信號，如AD558、AD7226等，相AT90S8535輸出接口D/A 轉換V/I 轉換執行器 第 22 頁 共 36 頁當于電壓

48、源。在實際使用中常選用電流輸出的DAC芯片實現電壓輸出，DA轉換器與單片機的接口形式主要決定于轉換器是否帶數據鎖存器，DA轉換器有帶鎖存器的，也有不帶鎖存器的，對于不帶鎖存器的DA轉換器，為了保存來自單片機的轉換數據，接口時要加鎖存器，因此這類轉換器必須在口線上；而帶鎖存器的DA轉換器，可以把它看作是一個輸出口，因此可直接接在數據線上，而不需另加鎖存器。 本次設計采用8位的DAC0832、其精度已經滿足系統要求。DAC0832采用單電源供電，從+5V+15V均可正常工作，基準電壓的范圍為10V，電流建立時間為ls，CMOS工藝，低功耗20mW。其工作方式有直通方式、單緩沖方式和雙緩沖方式。直通

49、方式是第一級、第二級數據緩沖器都直通，數據一旦加在數據線（D7D0)上，DAC的輸出就立即響應；單緩沖方式是DAC0832的兩個輸入寄存器中的一個(鎖存器)處于受控鎖存方式，而另一個(DAC寄存器)處于直通方式，或者兩個寄存器均處于受控鎖存方式，在實際應用中，如果只有一路模擬量輸出，或雖有幾路模擬量但不要求同步輸出時，就可采用單緩沖方式：雙緩沖方式是DAC0832的兩個輸入寄存器均處于受控狀態，此時單片機要對DAC芯片進行兩步寫操作i第一步將數據寫入鎖存器(LE1=0)，第二步將鎖存器的內容寫入DAC寄存器(LE2=1)。這種方式的優點是數據接收和啟動轉換可異步進行，可在DA轉換的同時，進行下

50、一數據的接收，以提高轉換速度，還可以實現多個模擬輸出通道同時進行轉換，同步輸出，此時，單片機的數據總線分時向各路DA轉換器輸入要轉換的數字量并鎖存在各自的輸入鎖存器中，然后單片機對所有的DA轉換器同時發出控制信號，使各個DA轉換器輸入鎖存器的數據打入DAC輸入寄存器，從而實現同步輸出。更多路接法可依此類推。考慮到本控制器只是單模擬量輸出且單片機與D/A轉換器之間是通過74LS192連接，74LS192相當于鎖存器，故D/A轉化器可以選擇工作在直通方式。如下圖4.2.2.2.2所示。 圖 4.2.2.2.1 D/A 轉換電路 運放的輸出為： 第 23 頁 共 36 頁 REFOUTVDV82運算

51、放大器的輸出電壓與參考電壓的極性相反。REFV（2）輸出電路圖 4.2.2.2.2 (a) 輸出調理電路 圖 4.2.2.2.2 (b) 輸出驅動電路4.2.3 人機交互模塊的設計 第 24 頁 共 36 頁 4.2.3.1 按鍵指示燈電路設計 因為微處理器系統中的單片機需要進行大量的運算和控制工作，如前面所示單片機的外圍有豐富的功能模塊，這就必然使得單片的資源不夠用，為了減輕該單片機的負擔，進一步提高系統的運行效率和穩定性，避免過多的干擾，本設計中采用系統使用了 SK5278 串行鍵盤控制器芯片實現鍵盤輸入信號的采集和狀態功能。SK5278 是福州貝能科技有限公司推出的采用 PIC 內核的鍵

52、盤控制器。該芯片采用 4 線串行接口，可與任何種類的單片機接口;它具有按鍵有效指示輸出，可用中斷方式管理鍵盤;其行線 X0X3 與列線 Y0Y3 可構成 44 鍵盤矩陣;SK5278 的 16 鍵鍵盤控制器內含去抖動處理電路，因而可直接輸出鍵值;此外，該器件的工作電源電壓范圍寬達 46V;SK5278 采用 18 腳雙列直插 DIP 封裝形式。鍵盤輸入電路如圖 4.2.3.1 所示 圖 4.2.3.1 鍵盤指示燈電路電路 4.2.3.2 液晶顯示電路設計 液晶顯示器(LCD)具有體積小、外形薄、重量輕、耗能小、工作電壓低、無輻射，特別是視域寬、顯示信息量大等優點。液晶顯示器已被廣泛應用于各種儀

53、器儀表、電子顯示裝置等場合，成為測量結果顯示和人機對話的重要工具。液晶顯示器按功能分為段位式 LCD、字符式 LCD 和點陣式 LCD，前兩者只能顯示有限字符，而點陣式 LCD 不僅能顯示字符，還可以顯示漢字及各種圖形。 第 25 頁 共 36 頁其中，1602 字符型液晶顯示模塊是其中發展比較成熟的一種，應用相當廣泛。它是一類專用于顯示字母、數字、符號等的點陣液晶顯示模塊，可顯示兩行，每行可以顯示 16 個字符。把 1602 字符型液晶顯示模塊應用到光電計數系統中，對工業生產的自動化十分有意義。本文采用的液晶顯示就是 LMBl62ADC，其驅動電路原理圖如圖 4.2.3.2 所示。 圖 4.2.3.2 液晶顯示電路4.2.4 電源電路設計 控制器所用電源有輸出級的24V、各運算放大器需要的15V、各種邏輯芯片需要的5V。24V的直流電源采用交流220V電源，經降壓、整流、濾波后轉換成24DC電源，作為穩壓電路的輸入電源和輸出級的上拉電源。由電工學原理可知，單相橋式整流電路的輸出負載電壓與變壓器二級電壓的關系為，初級電壓=220V，則LV2V29 . 0 VVL