基于avr单片机的智能调节器的设计(编辑修改稿)

基于avr单片机的智能调节器的设计(编辑修改稿)内容摘要：

平还是存在一定差距的。 目前国内设计者已经高度重视这一块，针对智能数字调节器的开发也进入高度发展时期，相信可以很快改变这一现状。 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 3 课题提出的意义 智能 调节器是工业控制系统中最常见的控制仪表之一，与传统的模拟调节器相比，智能 调节器应用了微处理机等先进技术，具有信息存储、逻辑判断、精确、快速计算等特点。 虽然随着 DCS 系统在我国的迅速发展，给智能 调节器的应用带来了一定的冲击，但是昂贵的 DCS 系统对于那些规模不大、自动化程度不高的企业来说性价比并不高。 而随着微处理器技术的发展，调节器的功能不断完善， DCS 系 统的各项功能己经可以用通用微型计算机加数字调节器的组合来实现。 因此设计一款显示直观、控制精度高、物美价廉 的数字调节器对于那些中小型企业来说是十分有意义的。 随着微电子和微处理器的迅速发展，数字调节器的功能也在不断增强，但同时控制系统对仪表的要求也越来越高。 不仅要求数字调节器有较高的可靠性，较多的功能，还需能做各种控制运算，能与其它测控设备通信共同实现复杂控制。 因而传统的 8/16 位单片机渐渐显现出软硬件资源不足的问题。 嵌入式系统是一种软硬件可扩充或删减的专业计算机系统，它以面向应用为主，是将计算机技术，半导体 技术和电子技术以及各个行业的具体应用相结合的产物。 相对于传统的 8/16 单片机，嵌入式系统具有速度高、容量大、扩充性能良好，实时性好，并可执行多任务操作系统的特点。 而 AVR[3]体系结构已被公认是业界领先的 8 位 嵌入式 RISC 微处理结构。 在 AVR 嵌入式系统的基础上设计智能数字调节器，具有功耗小，功能完备、精度高、速度快、存储容量大和功能可扩展的特点。 目前测控自动化系统还多采用 RS485 总线方式进行数据通信。 RS485 总线具有形式简单、造价低等优点，但随着科技的发展， RS485 总线的总线效率低、系统实时性差、通信可靠性低、单总线可挂接节点少等缺点慢慢地暴露出来，给用户带来极大的不便。 AVR 单片机内含有 1 个可编程的异步 串行 USART接口，主 /从 SPI 串行接口，双线 CI2串行接口，是增强型的高速同 /异步串行通信，具有硬件产生校验码、硬件检错和校验帧错、两级接收缓冲、波特率自动调整定位（接收时）、屏蔽数据帧等功能，提高了通信的可靠性，方便程序编写，更便于组成分布式网络和实现多机通信系统的复杂应用，串行接口能力大大超过 MCS51/96 单片机的串行接口，加之 AVR 单片机速度高 、中断响应时间短，故可实现高波特率通信。 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 4 本 设计 的主要内容 本文在深入研究国内外数字调节器发展现状及其工作原理基础上，结合实际工业需要 ，设计了这款应用 8 位 AVR 芯片作为中央处理器 ； 采用稳定可靠的总线 系统 保证调节 器通信的可靠性和高速实时性 ； 利用源代码开放，具有丰富的软件资源，驱动丰富的C51 作为软件开发平台 ； 同时为提高数字控制器对各种大惯性、纯滞后等对象的控 制效果，采用了 数字式 PID 增量 控制算法 的智能 调节器。 该设计的智能 数字 调节器除了具有一般调节器的功能（调节、显示、 PID 运算等）外，还具有自诊断 和报警 、抗积分饱和 、时钟显示、完善的通信 等 功能。 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 5 第二章 总体方案设计 一般的控制器或控制设备均具有显示和调节功能，即实测量的显示功能和电位器调节设备功能。 电位器作为一种模拟器件，具有连续调节能力，但容易出现接触不良的问题，而且数字化发展方向 不 吻合。 目前虽有数字电位器可供选用，但分辨率普遍较低，抽头数最高的如 XICOR 公司的 X9110，只有 1024 个抽头，即 1024 级，不能适应某种特殊要求。 数字化调节器的研究正是基于这种背景。 该数字化调 节器具有显示和调节功能，而且是按键操作，克服了电位器旋钮不能密封的固有缺陷，可广泛应用于电位器调节的应用场合。 数字化调节器的主要功能是调节和显示，具体设计要求如下： 1．调节功能 具有电压和电流两种调节方式。 2．显示功能 同时显示实测值和调节设定值；采用数码管显示，能适应不同的照明环境要求； 8位显示，前 4 位是 实测值 ，后 4 位是 设定值 ，各自的首位用面板文字 “ 电压 ” 或 “ 电流 ”的指示灯表示电压或电流，用 “ 电压细步 ”或 “ 电流细步 ” 的指示灯表示目前为细分设定状态。 本设计中所设计的 智 能调节器除了具有一般的调节和显示 功能外，还具有自诊断和报警、抗积分饱和、时钟显示、完善的通信等功能。 其硬件 大致由以下部分组成： CPU、A/D 转换 、 D/A 转换 、键盘 电路 、数码管显示、 MAX232 通信 电路 、报警电路以及 V/I转换电路。 如 图 所示： 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 6 电 源 模 块A T m e g a 8输 出 模 块 （ D / A ）数 码 管 显 示 模 块M A X 2 3 2 通 信 模 块复 位 模 块输 入 模 块 ( A / D )键 盘 模 块报 警 电 路图 2 . 1 硬 件 系 统 设 计 框 图 调节器的控制算法 在调节器的设计与工作过程中，调节器的控制算法起着至关重要的作用。 调节器 控制 理论 [23]经历了古典控制理论 、 现代控制 理论 、智能控制 理论 ， 古典 控制算法又包括模拟 PID 算法和数字式 PID 算法； 现代控制算法包括最优控 制、随机控制、 自 适应控制等；智能 控制算法包括模糊 控制 、神经 网络控制、专家控制、仿人智能控制、遗传算法等。 PID 控制算法 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 ，被广泛用于过程控制和运动控制中。 数字式 PID 控制算法是将模拟 PID 离散化得到，各参数有着明显的物理意义，调整方便。 经典 PID 算法 在连续 — 时间控制系统中， PID 控制器应用得非常广泛。 其设计技术成熟，长期以来形成了典型的结构，参数整定方便，结构更改灵活，能满足一般的控制要求。 在模拟调节系统中， PID 控制算法的模拟 表达式 [12]为：      dt tdeTdtteTteKtu t DIp)()(1)(0 式 （ ） 式中， tu 为调节器的输出信号； )(te 为偏差信号，它等于给定量与输出量之差； pK为比例系数； IT 为积分时间常数； DT 为微分时间常数。 其控制框图如图 所示 ： 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 7 P I D控 制 对 象+－r ( t )e ( t ) u ( t )y ( t )图 2 . 2 P I D 控 制 简 化 示 意 图 PID 控制器是一种线性控制器，输出量 ty 和给定量 tr 之间的误差是时间的函数。      tytrte  式 （ ） 由比例，积分，微分的线性组合，构成控制量 tu ，这种控制方式具有上述三种控制方式，因而被称为比例 (Proportional)、积分 (Integrating)，微分 (Differentiation)控制，简称 PID 控制。 在 实际应用中，根据受控对象的特性和控制的性能要求，可以灵活地采用不 同的控制组合，构成比例 (P)控制器、比例积分 (PI)控制器、比例微分 (PD)控制器或是比 例积分微 分 (PID)控制器。 比例控制能够迅速反应误差，从而减小稳态误差。 但是，比例控制 不 能彻底消除稳态误差。 随着比例放大系数的加大，系统会逐渐变得 不 稳定，因此需要进行积分控制。 积分控制的作用是，当系统存在误差时，积分控制器就不断地积累，输出控制量，以消除误差，只要有充分的时间，积分控制 就 能够完全消除误差，从而消除稳 态误差。 但是积分作用太强会引起系统超调加大，甚至使系统出现振荡，此时又需要引入微分控制。 微分控制可以减小超调量，克服振荡，使系统的稳定性提高，同时加快系统的动态响应速度，减小调整时间，从而改善系统的动态性能。 应用 PID 控制，就是根据具体情况适当地调整比例放大系数 pK ，积分时间 IT ,和微分时间 DT ，使整个控制系统达到满意的控制效果。 数字式 PID 算法 在数字控制系统中， PID 控制器是通过计算机 PID 控制算法程序实现的。 连续的时间信号，必须经过离散化后，变成数字量， 才能用计算机进行数据处理与存储。 在数字计算机中，计算和处理积分、 微分时，只能用数值计算去逼近。 因此在数字计算机中PID 控制规律的实现也必须用数值逼近的方法，用求和代替积分，用差商代替微商，使PID 算法离散化，将描述连续一时间 PID 算法的微分方程，变为描述离散一时间 PID 算法的差分方程。 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 8             kj DIP ukekeKjEKkeKku 0 01 式 （ ) 式中 0u 是控制量的基 值，即稳态时 PID 控制器的输出值； ku 是第 k 次 采样时刻的控制， pK 为比例放大系数 ， IK 为积分放大系数， ISPI TTKK / ， DK 为微分放大系数，SDPD TTKK / ， ST 为采样周期。 式 （ ） 称为位置式 PID 制算法。 由位置式 PID 控制算法推导出 ：        21 210  keqkeqkeqku 式 （ ） 其中，  SDISP TTTTKq 10 式 （ ）   SDP TTKq 211 式 （ ） SDP TTKq 2 式 （ ） 公式 ()称为增量式 PID 控制算 法，从该表达式已经看 不 出 P、 I、 D 作用的直接关系，只表示了各次误差量对控制作用的影响。 从式 ()看出，数字增量式 PID 算法，只要贮存最近的三个误差采样值 ke 、  1ke 、  2ke 即可当执行机构需要的 不 是控制量的绝对值，而是控制量的增量时，该算法可以起到很好的控制效果。 本设计中就是采用了增量式数字 PID 算法。 因为增量式数字 PID 有很多优点： （ 1）由于计算机输出 的 是增量，所以误动作影响小，必 要时可用逻辑判断的方法去掉；（ 2）在位置型控制算法中，由手动到自动切换时，必须首先使计算机的输出值等于阀门的原始开度，才能保证手动 /自动地无扰动切换，这将给程序设计带来困难。 而增量设计只与本次的偏差值有关，与阀门原来的位置无关，因而增量算法易于实现 手动 /自动的无扰动切换；（ 3）不产生积分失控，所以容易获得较好的调节品质。 数字 PID 采样周期的选择 [24] 1．选择采样周期的重要性 采样周期越小，数字模拟越精确，控制效果越接近连续控制。 对大多数算法，缩短采样周期可使控制回路性能改善，但采样周期 缩短时，频繁的采样必然会占用较多的计内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 9 算工作时间，同时也会增加计算机的计算负担，而对有些变化缓慢的受控对象无需很高的采样频率即可满意地进行跟踪，过多的采样反而没有多少实际意义。 2．选择采样周期的原则 ―― 采样定理 最大采样周期 maxmax 21fT  式 （ ）式中 maxf 为信号频率组分中最高频率分量。 3. 选择采样周期应综合考虑的因素 （ 1） 给定值的变化频率 加到被 控对象上的给定值变化频率越高，采样频率应越高，以使给定值的改变通过采样迅速得到反映，而不致在随动控制中产生大的时延。 （ 2） 被控对象的特性 ① 考虑对象变化的缓急，若对象是慢速的热工或化工对象时， T 一般取得较大。 在对象变化较快的场合， T 应取得较小。 ② 考虑干扰的情况，从系统抗干扰的性能要求来看，要求采样周期短，使扰动能迅速得到校正。 （ 3） 使用的算式和执行机构的类型 ① 采样周期太小，会使积分作用、微分作用不明显。 同时，因受微机计算精度的影响，当采样周期小到一定程度时，前后两次采样的差别反映不出来，使调 节作用因此而减弱。 ② 执行机构的动作惯性大，采样周期的选择要与之适应，否则执行机构来不及反应数字控制器输出值的变化。 （ 4） 控制的回路数 要求控制的回路 越 多时，相应的采样周期越长，以使每个回路的调节算法都有足够的时间来完成。 控制的回路数 n 与采样周期 T 有如下关系：  nj jTT 1 式 （ ） 式中， jT 是第 j 个回路控制程序的执行。