智能儀表課程設計

1、<p>　　智能儀表綜合訓練設計說明書</p><p>　　題 目：數(shù)字PID控制器設計（LCD顯示）</p><p><b>　　學生姓名：</b></p><p><b>　　學 號：</b></p><p>　　專 業(yè)：測控技術與儀器</p><

2、p><b>　　班 級：</b></p><p><b>　　指導教師：</b></p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　目前工業(yè)自動化水平已成為衡量各行各業(yè)現(xiàn)代化水平的一個重要標志。同時，控制理論的發(fā)展也經(jīng)歷了古典控制理論、現(xiàn)代控制理論和能控制理論三個段。在工業(yè)

3、過程控制中，由于控制對象的精確數(shù)學模型難以建立，系統(tǒng)的參數(shù)又經(jīng)常發(fā)生變化，運用現(xiàn)代控制理論分析綜合要耗費很大代價進行模型辨識，建立系統(tǒng)的數(shù)學模型十分困難，應用直接數(shù)字控制方法比較困難，所以人們在過程控制系統(tǒng)中大部分采用PID（Proportion Integration Differentiation.比例-積分-微分控制器）數(shù)字調(diào)節(jié)器。</p><p>　　此次智能儀表課程設計要求是設計一種數(shù)字PID控制器，該

4、數(shù)字調(diào)節(jié)器采用 STC89C51單片機作為主控單元，采用ADC0832作為A/D轉換器，具有數(shù)字濾波等功能，通過PID算法實現(xiàn)調(diào)節(jié)功能，調(diào)節(jié)器設定值、參數(shù)可通過四個獨立按鍵設置，采用DS1602 LCD數(shù)字顯示，用PWM脈寬調(diào)制電路輸出電壓信號。</p><p>　　關鍵詞：數(shù)字調(diào)節(jié)器；A/D轉換器；PID控制算法；四獨立按鍵；PWM脈寬調(diào)制電路。</p><p><b>　　第

5、一章 前言</b></p><p>　　1.1數(shù)字PID控制器概述</p><p>　　在過程控制中按偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）進行控制的PID調(diào)節(jié)器（亦稱PID控制器）是應用頗為廣泛的一種調(diào)節(jié)器。它具有原理簡單，易于實現(xiàn)，健壯性強和適用面廣等優(yōu)點。在計算機應用于生產(chǎn)過程以前，過程控制中采用的氣動、液動和電動PID調(diào)節(jié)器幾乎一直占壟斷地位。計算機的出現(xiàn)和它在過程

6、控制中的應用使這種情況開始有所改變。20多年來相繼出現(xiàn)一批復雜的、只有計算機才能實現(xiàn)的控制算法。然而目前在工業(yè)過程控制中，由于工業(yè)對象的動態(tài)特性未被完全掌握，得不到精確的數(shù)學模型，難以滿足控制理論的分析要求，在決定系統(tǒng)參數(shù)時，往往要借助現(xiàn)場調(diào)試及經(jīng)驗，在這種場合，PID調(diào)節(jié)器就更能顯示出它的威力，應用范圍越來越廣。即使在過程計算機控制中，PID控制仍然是應用最廣泛的控制算法。不過，用計算機實現(xiàn)PID控制，就不僅僅是簡單地把PID控制規(guī)律

7、數(shù)字化，而是進一步與計算機的邏輯判斷能力結合起來，使PID控制更加靈活多樣，更能滿足生產(chǎn)過程提出的各種各樣的要求。PID調(diào)節(jié)的實質(zhì)就是根據(jù)輸入的偏差值，按比例、積分、微分的函數(shù)關系進行運算，運算結果用以控制輸出。這里需要說明的是數(shù)字式PID應用是有條件的。在系統(tǒng)的時間常</p><p>　　在現(xiàn)代工業(yè)控制中, 過程控制技術是一歷史較為久遠的分支。目前，在某些工業(yè)及其他領域的過程控制系統(tǒng)中，簡單的單回路控制已不能滿

8、足控制的要求。因此又設計出了串級控制系統(tǒng)、比值控制系統(tǒng)、均勻控制系統(tǒng)、前饋控制系統(tǒng)、選擇性控制系統(tǒng)、分程及閥位控制系統(tǒng)和一些新型控制系統(tǒng)等來對一些參數(shù)（如壓力、流量、溫度、成分、物位等）進行檢測控制。在各種控制系統(tǒng)中控制器是必不可少的部分，數(shù)字PID控制器更是發(fā)揮著它靈活多樣的特性。在實際應用中，根據(jù)被控對象的特性和控制要求，可以靈活地改變PID的結構，取其中的一部分環(huán)節(jié)構成控制規(guī)律，比如比例（P）調(diào)節(jié)、比例積分（PI）調(diào)節(jié)、比例積分微

9、分（PID）調(diào)節(jié)等。特別是在計算機控制系統(tǒng)中，更可以靈活應用，以充分發(fā)揮計算機作用。</p><p>　　1.2 PID調(diào)節(jié)器簡介</p><p>　　1.2.1比例調(diào)節(jié)(P)</p><p>　　比例調(diào)節(jié)器的微分方程為：</p><p><b>　　(1-1)</b></p><p>　　式中:

10、y為調(diào)節(jié)器的輸出，e(t)為調(diào)節(jié)器的輸入，一般為偏差值，即e(t)＝U(R)-Ui(k)，kp為比列系數(shù)。</p><p>　　由上式可以看出，調(diào)節(jié)器的輸出y與輸入偏差e(t)成正比。因此，只要偏差e(t)一出現(xiàn)，就能及時地產(chǎn)生與之成比例的調(diào)節(jié)作用，具有調(diào)節(jié)及時的特點，它是最基本的一種調(diào)節(jié)規(guī)律。</p><p>　　比例調(diào)節(jié)的特性曲線，如圖1.1所示。</p><p&g

11、t;　　比例調(diào)節(jié)作用的大小，除了與偏差e(t)有關外，主要取決于比例系數(shù)Kp，比例系數(shù)愈大，調(diào)節(jié)作用愈強，動態(tài)特性也愈好。反之，比例系統(tǒng)愈小，調(diào)節(jié)作用愈弱。但對于大多數(shù)慣性環(huán)節(jié)Kp太大時會引起白激振蕩。 [1]</p><p>　　圖1.1階躍響應特性曲線 </p><p>　　1.2.2 比例-積分調(diào)節(jié)器（PI）</p><p>　

12、　積分作用是指調(diào)節(jié)器的輸出與輸入偏差的積分成比例的作用，其積分方程為：</p><p><b>　　(1-2)</b></p><p>　　Ti為積分時間常數(shù)，它表示積分速度的大小，Ti越大，積分速度越慢，積分作用越弱。反之Ti越小，積分速度越快，積分作用越強，積分作用的響應特性曲線，如圖1.2所示。積分作用的特點是調(diào)節(jié)器的輸出與偏差存在時間有關，只要有偏差存在，輸出

13、就會隨時間不斷增長，直到偏差消除，調(diào)節(jié)器的輸出才不再變化。因此，積分作用能消除靜差，這是它的主要優(yōu)點。但從圖1.2中可以看出，積分作用的動作緩慢，而且在偏差剛一出現(xiàn)時，調(diào)節(jié)器作用很弱，不能及時克服擾動的影響，致使被調(diào)參數(shù)的動態(tài)偏差增大，調(diào)節(jié)過程增長，因此，它很少被單獨使用。</p><p>　　圖1.2 積分作用相應曲線圖 </p><p>　　PI調(diào)節(jié)器綜合了P、I

14、兩種調(diào)節(jié)的優(yōu)點，利用P調(diào)節(jié)快速抵消干擾的影響，同時利用I調(diào)節(jié)消除靜差。</p><p>　　1.2.3 比例-微分調(diào)節(jié)器（PD）</p><p>　　自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應該是零。這就是說，在控制器中僅引入 “比例”項往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增

15、加的是“微分項”，它能預測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負值，從而避免了被控量的嚴重超調(diào)。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例+微分（PD）控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)特性。 </p><p><b>　　微分方程為：</b></p><p><b>　　（1-3）</b><

16、;/p><p>　　式中，TD為微分時間常數(shù)。</p><p>　　微分作用響應曲線，如圖1.3所示。</p><p>　　圖1.3微分作用相應特性曲線 圖1.4 PD調(diào)節(jié)器的階躍響應特性曲線</p><p>　　從圖1.3中可以看出，在t＝to時加入階躍信號，此時輸出值y變化的速度很大(理論上為無窮大)，當t＞

17、to時，其輸出值y迅速變?yōu)?。這里需要說明，微分作用的特點是，輸出只能反應偏差輸入變化的速度，而對于一個固定不變的偏差，不管其數(shù)值多大，根本不會有微分作用輸出。因此，微分作用不能消除靜差，而只能在偏差剛剛出現(xiàn)的時刻產(chǎn)生一個很大的調(diào)節(jié)作用。</p><p>　　微分調(diào)節(jié)只能起輔助的調(diào)節(jié)作用，需要與比例作用配合使用，構成PD調(diào)節(jié)器。實際PD調(diào)節(jié)器的階躍響應曲線，如圖1.4所示，從圖1.4曲線可以看出，當偏差剛出現(xiàn)的瞬

18、間，PD調(diào)節(jié)器輸出一個很大的階躍信號，然后按指數(shù)下降，以至最后微分作用完全消失，變成一個純比例調(diào)節(jié)。微分作用的強弱可以用改變微分時間常數(shù)Td來進行調(diào)節(jié)。</p><p>　　1.2.4比例-積分-微分調(diào)節(jié)器（PID）</p><p>　　為了進一步改善調(diào)節(jié)品質(zhì)，往往把比例、積分、微分三種作用組合起來，形成PID三作用調(diào)節(jié)器。理想的P1D微分方程為：</p><p>

19、<b>　　（1-4）</b></p><p>　　對于一個PID三作用調(diào)節(jié)器，在階躍信號作用下，首先是比例和微分作用，使其調(diào)節(jié)作用加強，然后再進行積分，直到最后消除靜差為止。因此，采用PID調(diào)節(jié)器，無論從靜態(tài)，還是從動態(tài)的角度來說，調(diào)節(jié)品質(zhì)均得到了改善，從而使得PID調(diào)節(jié)器成為一種應用最為廣泛的調(diào)節(jié)器。</p><p>　　這里要說明的是，并非所有系統(tǒng)都需要使用PI

20、D調(diào)節(jié)器，在工業(yè)控制系統(tǒng)中， PI、PD調(diào)節(jié)器也常常被人們所采用，因為它們比較簡單。究競使用哪一種調(diào)節(jié)器合適，只有根據(jù)具體情況，并根據(jù)現(xiàn)場實驗進行選定。</p><p>　　第二章 數(shù)字PID控制器總體方案設計</p><p>　　2.1數(shù)字PID調(diào)節(jié)器的構成</p><p>　　數(shù)字PID 調(diào)節(jié)器就是將模擬信號( 包括電流、電壓) 通過AD 轉換變?yōu)閿?shù)字信號, 微

21、處理器（本設計采用單片機）再將數(shù)字信號通過一定的算法進行一定的處理, 然后將處理過后的數(shù)字信號通過DA 轉換為模擬信號輸出。該數(shù)字調(diào)節(jié)器采用 STC89C51單片機作為主控單元，采用ADC0832作為A/D轉換器，具有數(shù)字濾波等功能，通過PID算法實現(xiàn)調(diào)節(jié)功能，調(diào)節(jié)器的參數(shù)可通過四個獨立按鍵設置，采用DS1602 LCD數(shù)字顯示，用PWM脈寬調(diào)制電路輸出電壓信號以驅(qū)動執(zhí)行機構。傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)器多為模擬調(diào)節(jié)器，這種調(diào)節(jié)器多用電動或氣動單元組合

22、儀表來完成隨著微機的不斷發(fā)展和應用，特別是單片機在控制領域廣泛應用，利用計算機軟件實現(xiàn)控制算法，具有更大的靈活性、可靠性和更好的控制效果。因此，以單片機為中心、采用數(shù)字算法的數(shù)字調(diào)節(jié)器正不斷代替模擬調(diào)節(jié)器。如圖2.1所示單片機系統(tǒng)首先通過轉換電路采集過程變量，然后計算偏差和輸出控制變量，最后將控制變量、經(jīng)轉換后輸出到執(zhí)行機構控制輸入量，使過程變量穩(wěn)定在設定值，達到控制目的。</p><p>　　圖2.1 所示的P

23、ID調(diào)節(jié)器以單片機STC89C51（實現(xiàn)PID算法）為核心，其他還包括：A/D 模塊、1602 LCD顯示模塊、按鍵模塊和PWM輸出模塊。</p><p>　　圖2.1調(diào)節(jié)器結構框圖</p><p>　　2.2 PID調(diào)節(jié)器的控制原理</p><p>　　在工程實際中，應用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制。PID控制器自問世以來以其結構

24、簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術之一。當被控對象的結構和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學模型時，控制理論的其它技術難以采用時，系統(tǒng)控制器的結構和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時應用PID控制技術最為方便。即當我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象﹐或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時，最適合用PID控制技術。</p><p>　　PID控制器實質(zhì)就是根據(jù)輸入的偏差值，按比例、積分

25、、微分的函數(shù)關系進行運算，運算結果用以控制輸出，其輸出值再經(jīng)過PWM輸出電壓信號送給執(zhí)行機構進行調(diào)節(jié)控制。</p><p>　　第三章 數(shù)字PID控制器硬件設計</p><p>　　3.1 主處理器的選擇</p><p>　　本次課程設計的主處理器是宏晶科技推出的新一代超強抗干擾、高速、低功耗的STC89C51 RC單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機，12時

26、鐘/機器周期和6時鐘/機器周期可任意選擇。</p><p><b>　　其主要參數(shù)如下：</b></p><p>　　最高時鐘頻率范圍為：0~80M</p><p>　　FLASH存儲器：4K</p><p>　　片上集成1280字節(jié)/512字節(jié)RAM</p><p>　　E2P ROM：2K+&

27、lt;/p><p>　　工作電壓：5.5V~3.4V（5V單片機）</p><p>　　共三個16位定時器/計數(shù)器，其中定時器0還可以當成2個8位定時器使用。</p><p>　　通用I/O口（32/36個），復位后為：P1/P2/P3/P4是準雙向口/弱上拉（普通8051傳統(tǒng)I/O口），P0口是開漏輸出，作為總線擴展時，不用加上拉電阻，作為I/O口時需加上拉電阻。&l

28、t;/p><p>　　中斷源：8個，優(yōu)先級：4個。</p><p>　　其管腳圖如下圖3.1所示。</p><p>　　圖3.1 STC89C51管腳圖</p><p>　　3.2 A/D轉換器ADC0832簡介　　 </p><p>　　3.2.1 ADC0832 的特點</p><p>　

29、　ADC0832 為8位分辨率A/D轉換芯片，其最高分辨可達256級，可以適應一般的模擬量轉換要求。其內(nèi)部電源輸入與參考電壓的復用，使得芯片的模擬電壓輸入在0~5V之間。芯片轉換時間僅為32μS，據(jù)有雙數(shù)據(jù)輸出可作為數(shù)據(jù)校驗，以減少數(shù)據(jù)誤差，轉換速度快且穩(wěn)定性能強。獨立的芯片使能輸入，使多器件掛接和處理器控制變的更加方便。通過DI 數(shù)據(jù)輸入端，可以輕易的實現(xiàn)通道功能的選擇。</p><p><b>　　

30、其主要參數(shù)如下：</b></p><p><b>　　8位分辨率；</b></p><p><b>　　雙通道A/D轉換；</b></p><p>　　輸入輸出電平與TTL/CMOS相兼容；</p><p>　　5V電源供電時輸入電壓在0~5V之間；</p><p&g

31、t;　　工作頻率為250KHZ，轉換時間為32μS；</p><p>　　一般功耗僅為15mW；</p><p>　　8P、14P—DIP（雙列直插）、PICC 多種封裝；</p><p>　　商用級芯片溫寬為0°C~+70°C，工業(yè)級芯片溫寬為?40°C~+85°C；</p><p><b>

32、;　　芯片接口說明：</b></p><p>　　片選使能，低電平芯片使能；</p><p>　　CH0 模擬輸入通道0，或作為IN+/-使用；</p><p>　　CH1 模擬輸入通道1，或作為IN+/-使用；</p><p>　　GND 芯片參考0 電位（地）；</p><p>　　DI 數(shù)據(jù)信號輸入，

33、選擇通道控制；</p><p>　　DO 數(shù)據(jù)信號輸出，轉換數(shù)據(jù)輸出；</p><p>　　CLK 芯片時鐘輸入；</p><p>　　Vcc/REF 電源輸入及參考電壓輸入（復用）。</p><p>　　3.2.2單片機對ADC0832 的控制原理</p><p>　　正常情況下ADC0832 與單片機的接口應為4條

34、數(shù)據(jù)線，分別是、CLK、DO、DI。但由于DO端與DI端在通信時并未同時有效并與單片機的接口是雙向的，所以電路設計時可以將DO和DI 并聯(lián)在一根數(shù)據(jù)線上使用。當ADC0832未工作時其輸入端應為高電平，此時芯片禁用，CLK 和DO/DI 的電平可任意。當要進行A/D轉換時，須先將使能端置于低電平并且保持低電平直到轉換完全結束。此時芯片開始轉換工作，同時由處理器向芯片時鐘輸入端CLK輸入時鐘脈沖，DO/DI端則使用DI端輸入通道功能選擇的

35、數(shù)據(jù)信號。在第1 個時鐘脈沖的下沉之前DI端必須是高電平，表示啟始信號。在第2、3個脈沖下沉之前DI端應輸入2 位數(shù)據(jù)用于選擇通道功能。作為單通道模擬信號輸入時ADC0832的輸入電壓是0~5V且8位分辨率時的電壓精度為19.53mV。如果作為由IN+與IN-輸入的輸入時，可是將電壓值設定在某一個較大范圍之內(nèi)，從而提高轉換的寬度。但值得注意的是，在進行IN+與IN-的輸入時，如果IN-的電壓大于IN+的電壓則轉換后的數(shù)據(jù)結果始終為00H

36、。</p><p>　　3.2.3 標度變換</p><p>　　由于種物理參數(shù)有不同的量綱，如溫度為℃；壓力采用Pa；流量用m3/n 等。這些參數(shù)經(jīng)A/D轉換后，變成數(shù)字量信息輸出，這個數(shù)字量雖然代表參數(shù)值的大小，但并不一定等于原來帶有量綱的參數(shù)值，必須將它轉換成原來參數(shù)的真實值才能進行顯示，打印或使用，而這就需要標度變換。</p><p>　　線性標度變換公式

37、如下:</p><p><b>　　Ax:參數(shù)測量值</b></p><p>　　Ao:參數(shù)量程起點值 </p><p>　　Am:參數(shù)量程終點值 </p><p>　　No:量程起點對應的A/D轉換值</p><p>　　Nm:量程終點對應的A/D轉換值</p>

38、<p>　　Nx:測量值對應的A/D值(采樣值),即濾波器的輸出值 </p><p>　　此次課程設計要求將4-20mA的電流信號轉化為1-5V電壓信號，8位的ADC0832對應的數(shù)字量是51-255，(AD-51)/(255-51)=(v-1)/(5-1) 變換完的電壓電壓v=AD/51,而要顯示的是液位信號,1-5v電壓對應液位0-500mm,即:</p><p>　

39、　(Ax-Ao)/(Am-Ao)=(V-1)/(5-1)(Ao=0液位最小值,Am=500mm最大值) </p><p>　　Ax=(V-1)*(Am-Ao)/4 +Ao=(AD-51)*(Am-Ao)/204.0 +Ao</p><p>　　3.3 PID算法的實現(xiàn)</p><p>　　3.3.1 PID算法的數(shù)字化</p><p>　　在

40、模擬系統(tǒng)中，PID算法的表達式為：</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　式中p(t)—調(diào)節(jié)器的輸出信號；</p><p>　　e(t)—調(diào)節(jié)器的偏差信號，它等于給定值與測量值之差；</p><p>　　kp—調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；</p><p>　　Ti—調(diào)節(jié)器的積分

41、時間；</p><p>　　TD—調(diào)節(jié)器的微分時間。</p><p>　　由于計算機控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時刻的偏差來計算所需控制量。因此，在計算機控制系統(tǒng)中，必須首先對式（3-1）進行離散化處理，用數(shù)字形式的差分方程代替連續(xù)系統(tǒng)的微分方程，此時積分項和微分項可用求和及增量式表示：</p><p>　　(3-2) </p>

42、<p><b>　　(3-3)</b></p><p>　　將式（3-2）和式（3-3）代入式（3-1），則得到離散化的PID表達式：</p><p>　　(3-4) 式中 △t=T—采樣周期，必須使T足夠小，才能保證系統(tǒng)有一定的精度；</p><p>　　E(k)—第k次采樣時的偏差值；</p><p>

43、　　E(k-1)—第（k-1）次采樣時的偏差值；</p><p>　　k—采樣序號，k=0,1,2, ….；</p><p>　　p(k)—第k次采樣時的調(diào)節(jié)器的輸出。</p><p>　　由式（3-4）可以看出，要想計算p(k)，不僅需要本次與上次的偏差信號E(k)和E(k-1)，而且還要在積分項中把歷次的偏差信號E(j)進行相加，即E(j)。這樣，不僅計算煩瑣，

44、而且為保存E(j)還要占用很多內(nèi)存。因此，用式（3-4）直接進行控制很不方便。為此，我們做如下改動</p><p><b>　　(3-5)</b></p><p>　　用式（3-4）減去式（3-5），可得：(3-6)</p><p>　　式中，----積分系數(shù)；</p><p><b>　　----微分系數(shù)。&

45、lt;/b></p><p>　　由式（3-6）可知，要計算第k次輸出值p(k),只需知道p(k-1), E(k), E(k-1), E(k-2)即可。在很多控制系統(tǒng)中，由于執(zhí)行機構式采用步進電機或多圈電位器進行控制的，所以，只要給一個增量信號即可。</p><p>　　= (3-7)</p><p>　　式（3-7）表示第K次輸出的增量△p(k)，等于

46、第K-1次調(diào)節(jié)器的輸出值，即在第（K-1）次的基礎上增加（或減少）的量，所以式（3-7）叫增量型PID控制式。</p><p>　　3.3.2 PID算法的程序設計</p><p>　　由式（3-7）可知，增量型PID算式為：</p><p><b>　?。?-8）</b></p><p><b>　　=<

47、;/b></p><p><b>　　設 </b></p><p><b>　　所以，有 </b></p><p>　　△p(k)= △Pp(k)+ △Pi(k)+ △PD(k) （3-9）</p><p>　　上式為離散化的增量型PID編程表達式。<

48、/p><p>　　3.4 四獨立按鍵設計</p><p>　　用四個獨立按鍵K1、K2、K3、K4實現(xiàn)PID調(diào)節(jié)器的設定值及Kp，Ki和Kd三個參數(shù)的設定。按鍵位置如圖（3.2）所示，仿真如圖（3.3）所示。PID調(diào)節(jié)的實質(zhì)就是根據(jù)輸入的偏差值，按比例、積分、微分的函數(shù)關系進行運算，運算結果用以控制輸出。</p><p>　　K1 K2 K3

49、 K4</p><p>　　圖3.2 按鍵位置圖</p><p>　　圖3.3 按鍵仿真圖</p><p>　　四個按鍵：K1接P1.4、K2接P1.5、K3接P1.6、K4接P1.7。K1是功能鍵，實現(xiàn)Sv、Kp、Ki、Kd四種模式選擇。K2是確認鍵，當鍵按下時可進行相應參數(shù)設置，設置完后按下鍵即可確認保存相應數(shù)據(jù)。K3是加計數(shù)鍵，K4是減計數(shù)鍵。通過鍵

50、盤更改PID參數(shù)來選擇不同的PID控制算法。</p><p>　　3.5 LCD顯示模塊</p><p>　　LCD 1602是指顯示的內(nèi)容為16*2,即可以顯示兩行，每行16個字符液晶模塊。1602字符型液晶顯示模塊是一種專門用于顯示字母、數(shù)字、符號等點陣式LCD，一般1602字符型液晶顯示器實物如下圖3.4所示：</p><p>　　圖3.4 LCD 1602實

51、物圖</p><p>　　1602采用標準的16腳接口，其中： 　　</p><p>　　1腳：VSS為電源地 ；　　</p><p>　　2腳：VCC接5V電源正極 ；　　</p><p>　　3腳：V0為液晶顯示器對比度調(diào)整端，接正電源時對比度最弱，接地電源時對比度最高?！　?lt;/p><p>　　4腳：RS為寄存器

52、選擇，高電平1時選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平0時選擇指令寄存器。 　　</p><p>　　5腳：RW為讀寫信號線，高電平1時進行讀操作，低電平0時進行寫操作。 　　 </p><p>　　6腳：EN端為使能端。 　　</p><p>　　7～14腳：D0～D7為8位雙向數(shù)據(jù)端。 　　</p><p>　　15～16腳：空腳或背燈電源。15腳

53、背光正極，16腳背光負極。</p><p><b>　　3.6 PWM電路</b></p><p>　　PWM脈寬調(diào)制（Pulse Width Modulation,PWM）是通過對一系列脈沖的寬度進行調(diào)制，等效地獲得所需要的波形（含形狀和幅值）。脈寬調(diào)制是一種應用比較普通的控制方式，脈寬調(diào)制是保持逆變器的工作頻率不變，即載波頻率不變，而通過改變導通時間或截至時間

54、來改變占空比的調(diào)制方式。三個參量:幅值,載波,占空比,主要是傳函于占空比,即脈沖的寬度。PWM信號進行RC處理輸出電壓信號,一般用于電機調(diào)速控制。</p><p>　　PWM變頻電路具有以下特點：1.可以得到相當接近正弦波的輸出電壓。2.整流電路采用二極管，可獲得接近1的功率因數(shù)。3.電路結構簡單。4.通過對輸出脈沖寬度的控制可改變輸出電壓，加快了變頻過程的動態(tài)響應。</p><p&g

55、t;　　此次設計所用PWM電路板是同學自己設計焊接而成，將輸出電壓信號進行放大2倍， 用以驅(qū)動執(zhí)行機構。</p><p>　　第四章 數(shù)字PID控制器軟件設計</p><p>　　4.1 單回路調(diào)節(jié)器主程序流程圖</p><p>　　圖4.1 單回路調(diào)節(jié)器主程序流程圖</p><p>　　4.2 各部分子程序流程圖</p>

56、<p>　　4.2.1 A\D轉換子程序流程圖</p><p>　　圖4.2 A\D轉換子程序流程圖</p><p>　　4.2.2 PID算法子程序流程圖</p><p>　　圖4.3 PID算法子程序流程圖 </p><p>　　4.2.3 四獨立按鍵子程序流程圖</p><p>　　圖4.4 四獨立

57、按鍵子程序流程圖</p><p>　　4.2.4 LCD顯示子程序流程圖</p><p>　　圖4.5 LCD顯示子程序流程圖</p><p>　　4.2.5 PWM子程序流程圖</p><p>　　圖4.6 PWM子程序流程圖</p><p><b>　　第五章 總結</b></p&g

58、t;<p>　　通過此次PID數(shù)字控制器設計，對控制系統(tǒng)總體方案設計、硬件設計、軟件設計以及編程調(diào)試有了整體詳盡的了解，對數(shù)字PID控制技術有了更加深刻的認識。</p><p>　　在整個設計過程中，硬件大部分都是本專業(yè)老師提供的，只有PWM脈寬調(diào)制電路是同學自己焊的。主處理器選用的芯片是STC89C51/2RC。A/D轉換部分選用的芯片是ADC0832，A/D接收的模擬信號來自電位器，將0-5V的

59、模擬量轉換成0-255的數(shù)字量。PID算法采用增量型算式，用數(shù)字形式的差分方程代替連續(xù)系統(tǒng)的微分方程。LCD顯示部分選用DS1602顯示模塊。四個獨立按鍵實現(xiàn)對調(diào)節(jié)器參數(shù)的設定功能。</p><p>　　此次設計是以小組為單位進行的，我們五個人一組，每個人負責一部分。在組長的帶領下，經(jīng)過討論將各子程序模塊以子程序調(diào)用的方式組合到一起，軟件編程調(diào)試最終成功。在程序調(diào)試過程中，我深刻認識到團隊合作精神的重要性，團隊合

60、作的力量是無窮盡的，只有融入集體我們才能將自身的價值最大化，進而推動社會更好更快發(fā)展。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 潘新民，《微型計算機控制技術》，北京：電子工業(yè)出版社， 1988年03月 第二版。</p><p>　　[2] 王凌強.基于數(shù)字PID控制器的仿真[J].科技信息(學術版).2006(

61、04)</p><p>　　[3] 王燕芳、潘新民，《微型計算機控制技術》，北京：電子工業(yè)出版社，2006.1。</p><p>　　[4] 姚永平，《STC89C51/RC+系列單片機器件手冊》，宏晶科技，2007年11月17日。</p><p>　　[5] 董永祥，智能儀器的設計及發(fā)展，山西電子技術，2006年第1期。</p><p>　

62、　[6] 郝長勝，《C語言程序設計》，內(nèi)蒙古大學出版社，2005年12月 第一版。</p><p>　　[7] 趙茂泰，《智能儀器原理及應用》，北京：電子工業(yè)出版社，2004年7月 第二版。</p><p>　　[8] 潘永雄，《新編單片機原理與應用》，西安電子科技大學出版社，2007年02月 第二版。</p><p>　　[9] 雷力鳴，單片機在數(shù)字調(diào)節(jié)器中的應用

63、，西南自動化研究所，兵工自動化，1997年 第3期。</p><p>　　[10] 蔡杏山，《Protel 99 SE 電路設計》，北京：人民郵電出版社，2007年07月 第一版。 </p><p>　　[11] 俞云奎，《可編程序

64、調(diào)節(jié)器、控制器原理與應用》，1997年05月 第一版。</p><p><b>　　附錄A</b></p><p><b>　　硬件原理圖 </b></p><p><b>　　附錄B</b></p><p><b>　　源程序</b></p>

65、<p>　　#include <reg52.h></p><p>　　#include <intrins.h></p><p>　　#define uint unsigned int</p><p>　　#define uchar unsigned char</p><p>　　#define delay

66、4us() {_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();}</p><p>　　sbit RS = P1^0;</p><p>　　sbit RW = P1^1;</p><p>　　sbit E = P1^2;</p><p>　　sbit CS = P2^3;</p><p>

67、;　　sbit CLK = P2^4;</p><p>　　sbit DIO = P2^5;</p><p>　　uchar ZKB1=0;</p><p>　　uchar Display_Buffer[] = "0000";</p><p>　　void init_sys(void); /*系統(tǒng)初始化函數(shù)*/<

68、;/p><p>　　void PWMOUT(void);</p><p>　　void button(void);</p><p>　　void Set_Disp_Pos(uchar pos);</p><p>　　void L1602_char(uchar row,uchar col,char sign);</p><p&g

69、t;　　void L1602_string(uchar row,uchar col,uchar *p);</p><p>　　int yewei_PID(int SP);</p><p>　　/*************************************************/</p><p>　　void DelayMS(uint ms)<

70、/p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　uchar i;</b></p><p>　　while(ms--)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　for(i=0;i<120;i++);</p>

71、;<p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　/*************************************************/</p><p>　　bit LCD_Busy_Check(void)</p><p>&

72、lt;b>　　{</b></p><p>　　bit result;</p><p><b>　　RS = 0;</b></p><p><b>　　RW = 1;</b></p><p><b>　　E = 1;</b></p><p&

73、gt;　　delay4us();</p><p>　　result = (bit)(P0&0x80);</p><p><b>　　E = 0;</b></p><p>　　return result;</p><p><b>　　}</b></p><p>　　/

74、*************************************************/</p><p>　　void LCD_Write_Command(uchar cmd)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　while(LCD_Busy_Check());</p><p><

75、;b>　　RS = 0;</b></p><p><b>　　RW = 0;</b></p><p><b>　　E = 0;</b></p><p><b>　　_nop_();</b></p><p><b>　　_nop_();</b&

76、gt;</p><p><b>　　P0 = cmd;</b></p><p>　　delay4us();</p><p><b>　　E = 1;</b></p><p>　　delay4us();</p><p><b>　　E = 0;</b>&l

77、t;/p><p><b>　　}</b></p><p>　　/*************************************************/</p><p>　　void Set_Disp_Pos(uchar pos)</p><p><b>　　{</b></p>

78、<p>　　LCD_Write_Command(pos | 0x80);</p><p><b>　　}</b></p><p>　　/*************************************************/</p><p>　　void LCD_Write_Data(uchar dat)</p&g

79、t;<p><b>　　{</b></p><p>　　while(LCD_Busy_Check());</p><p><b>　　RS = 1;</b></p><p><b>　　RW = 0;</b></p><p><b>　　E = 0;&

80、lt;/b></p><p><b>　　P0 = dat;</b></p><p>　　delay4us();</p><p><b>　　E = 1;</b></p><p>　　delay4us();</p><p><b>　　E = 0;</b

81、></p><p><b>　　}</b></p><p>　　/*************************************************/</p><p>　　void LCD_Initialise(void)</p><p><b>　　{</b></p&g

82、t;<p>　　LCD_Write_Command(0x38); DelayMS(1);</p><p>　　LCD_Write_Command(0x0c); DelayMS(1);</p><p>　　LCD_Write_Command(0x06); DelayMS(1);</p><p>　　LCD_Write_Command(0x01); Del

83、ayMS(1);</p><p><b>　　}</b></p><p>　　/*************************************************/</p><p>　　void L1602_char(uchar row,uchar col,char sign)</p><p><b

84、>　　{</b></p><p><b>　　uchar a;</b></p><p>　　if(row == 1)a = 0x80;</p><p>　　if(row == 2)a = 0xc0;</p><p>　　a = a + col - 1;</p><p>　　LCD

85、_Write_Command(a);</p><p>　　LCD_Write_Data(sign);</p><p><b>　　}</b></p><p>　　/*************** 顯 示 字 符 串 ******************/</p><p>　　void L1602_string(uchar

86、 row,uchar col,uchar *p)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　uchar a,b=0;</p><p>　　if(row == 1)a = 0x80;</p><p>　　if(row == 2)a = 0xc0;</p><p>　　a = a +

87、 col - 1;</p><p><b>　　while(1)</b></p><p><b>　　{</b></p><p>　　LCD_Write_Command(a++);</p><p><b>　　b++;</b></p><p>　　if(

88、(*p == '\0')||(b == 16))break;</p><p>　　LCD_Write_Data(*p);</p><p><b>　　p++;</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p&g

89、t;<p>　　/*-----------------------------------------</p><p>　　AD 采 樣 函 數(shù)</p><p>　　-----------------------------------------*/</p><p>　　uchar Get_AD_Result(void)</p><

90、;p><b>　　{</b></p><p>　　uchar i,dat1=0,dat2=0;</p><p><b>　　CS = 0;</b></p><p><b>　　CLK = 0;</b></p><p>　　DIO = 1; _nop_(); _nop_(

91、);</p><p>　　CLK = 1; _nop_(); _nop_();</p><p>　　CLK = 0;DIO = 1; _nop_(); _nop_();</p><p>　　CLK = 1; _nop_(); _nop_();</p><p>　　CLK = 0;DIO = 1; _nop_(); _nop_();</p

92、><p>　　CLK = 1;DIO = 1; _nop_(); _nop_();</p><p>　　CLK = 0;DIO = 1; _nop_(); _nop_();</p><p>　　for(i=0;i<8;i++)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　CLK

93、= 1; _nop_(); _nop_();</p><p>　　CLK = 0; _nop_(); _nop_();</p><p>　　dat1 = dat1 << 1 | DIO;</p><p><b>　　}</b></p><p>　　for(i=0;i<8;i++)</p>

94、<p><b>　　{</b></p><p>　　dat2 = dat2 << ((uchar)(DIO)<<i);</p><p>　　CLK = 1; _nop_(); _nop_();</p><p>　　CLK = 0; _nop_(); _nop_();</p><p>&

95、lt;b>　　}</b></p><p><b>　　CS = 1;</b></p><p>　　return (dat1 == dat2) ? dat1:0;</p><p><b>　　}</b></p><p>　　/************ 主 函 數(shù) **********

96、*****/</p><p>　　void main(void)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　unsigned int d;</p><p>　　init_sys(); /* PWMOUT 初始化函數(shù)*/</p><p>　　//ZKB1=40;

97、 /*占空比初始值設定*/ </p><p>　　LCD_Initialise();</p><p>　　//DelayMS(10);</p><p><b>　　while(1)</b></p><p><b>　　{</b></p><p>　　d = Get_

98、AD_Result()*500.0/255;/* d 為 0-5V 的 電 壓 值 */</p><p>　　button(); /* 按 鍵 調(diào) 值 */</p><p>　　//DelayMS(30);</p><p>　　yewei_PID(d);/* 液 位 PID 計 算 */</p>

99、<p>　　PWMOUT();/* PWM 輸 出 */</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　#include <reg52.h></p><p>　　#include <intrins.h>

100、;</p><p>　　unsigned int KKp = 220;</p><p>　　unsigned int KKi = 50;</p><p>　　unsigned int KKd = 0;</p><p>　　unsigned int Err1 = 0;</p><p>　　unsigned int Err

101、2 = 0;</p><p>　　unsigned int Err3 = 0;</p><p>　　unsigned int pid_out_Last;</p><p>　　unsigned int iyewei_Feedback; //pid計算后的液位值</p><p>　　float iyewei; //當前測的液

102、位值</p><p>　　int yewei_PID(int SP)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　int Feedback_P = 0;</p><p>　　int Feedback_I = 0;</p><p>　　int Feedback_D = 0;</

103、p><p>　　Err1 = SP - (int)iyewei; // 偏差=給定-實測 </p><p>　　Feedback_P = KKp * (Err1 - Err2)/100.0;</p><p>　　Feedback_I = KKi * Err1/100.0;</p><p>　　if(Feedback_I >= 80)<

104、;/p><p><b>　　{</b></p><p>　　Feedback_I = 80;</p><p><b>　　}</b></p><p>　　if (Feedback_I <= -80)</p><p><b>　　{</b></p&

105、gt;<p>　　Feedback_I = -80;</p><p><b>　　}</b></p><p>　　Feedback_D = KKd * (Err1 - Err2 * 2 + Err3)/100.0;</p><p>　　Err3 = Err2;</p><p>　　Err2 = Err1;

106、</p><p>　　iyewei_Feedback =(int)( Feedback_P + Feedback_I - Feedback_D + pid_out_Last) ;</p><p>　　//-----------------Limit------------------------</p><p>　　if(iyewei_Feedback >

107、38)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　iyewei_Feedback = 38;</p><p><b>　　}</b></p><p>　　else if (iyewei_Feedback < 0)</p><p><b>　　

108、{</b></p><p>　　iyewei_Feedback = 0;</p><p><b>　　}</b></p><p>　　pid_out_Last = iyewei_Feedback;</p><p>　　return(iyewei_Feedback);</p><p>

109、<b>　　}</b></p><p>　　//----------------------------------------------</p><p>　　#include <reg52.h></p><p>　　#include <intrins.h></p><p>　　#define

110、uint unsigned int</p><p>　　#define uchar unsigned char</p><p>　　sbit mode = P1^4; // 功能鍵</p><p>　　sbit shift = P1^5; //確認</p><p>　　sbit add = P1^6; // 加 “ + ”</p&

111、gt;<p>　　sbit sub = P1^7; // 減 “ - ”</p><p>　　uint countmode=0;</p><p>　　uint sv = 0;</p><p>　　uint kp = 0;</p><p>　　uint ki = 0;</p><p>　　uint kd

112、 = 0;</p><p><b>　　uint x;</b></p><p>　　extern uchar Display_Buffer[4];</p><p>　　int set(x);</p><p>　　void button(void);</p><p>　　void L1602_st

113、ring(uchar row,uchar col,uchar *p);</p><p>　　void DelayMS(uint ms);</p><p>　　/*---------------------------------------------</p><p>　　對sv kp ki kd 的值進行加減計算</p><p>　　---

114、--------------------------------------------*/</p><p>　　int set(x)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　if(add == 0)</p><p><b>　　{</b></p><p>

115、;　　DelayMS(10);</p><p>　　if(add == 0){</p><p><b>　　x ++;</b></p><p>　　Display_Buffer[0]=(x/1000)%10+48;</p><p>　　Display_Buffer[1]=(x/100)%10+48;</p>

116、<p>　　Display_Buffer[2]=(x/10)%10+48;</p><p>　　Display_Buffer[3]=x%10+48;//顯示x的值；</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　

117、if(sub == 0)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　DelayMS(10);</p><p>　　if(sub == 0){</p><p><b>　　x --;</b></p><p>　　Display_Buffer[0]=(x/100

118、0)%10+48;</p><p>　　Display_Buffer[1]=(x/100)%10+48;</p><p>　　Display_Buffer[2]=(x/10)%10+48;</p><p>　　Display_Buffer[3]=x%10+48;//顯示x的值；</p><p><b>　　}</b>&l

119、t;/p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　return x;</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　//-----------------------------------------------</p>&

120、lt;p>　　void button(void)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　if(mode == 0)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　DelayMS(10);</p><p>　　if(mode == 0)

121、{</p><p>　　countmode ++;</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　switch( countmode )</p><p><b>　　{</b></p>

122、<p><b>　　case 0:</b></p><p>　　L1602_string(2,1,"SP: PV: ");</p><p><b>　　break;</b></p><p><b>　　case 1:</b></p><p

123、>　　L1602_string(1,7,Display_Buffer);</p><p>　　L1602_string(1,1,"SP:");</p><p><b>　　set(sv);</b></p><p>　　sv = set(sv);</p><p><b>　　break;

124、</b></p><p><b>　　case 2:</b></p><p>　　L1602_string(1,7,Display_Buffer);</p><p>　　L1602_string(1,1,"Kp:");</p><p>　　set(kp); </p>&

125、lt;p>　　kp = set(kp);</p><p><b>　　break;</b></p><p><b>　　case 3:</b></p><p>　　L1602_string(1,7,Display_Buffer);</p><p>　　L1602_string(1,1,&quo

126、t;Ki:"); </p><p>　　set(ki); </p><p>　　ki = set(ki);</p><p><b>　　break;</b></p><p><b>　　case 4:</b></p><p>　　L1602_st