题t目：基于单片机的智能调节器设计

题t目：基于单片机的智能调节器设计内容摘要：

样，并通过模 拟量输入通道将模拟量变成数字量。 这些数字量由计算机按一定控制算法进行运算处理，运算结果由模拟量输出通道输出，去控制执行机构的动作，从而实现对温度、压力、流量、液位以及其 它 被控变量的自动控制。 数字调节器具有与常规模拟调节器同样的外部特性，其输入 /输出信号制与 DDZⅢ型电动单元 组合 仪表相同 （ 输入信号 1~5V，输出信号 4~20mA）； 保持 了 常规模拟调节器的操作方式 ， 正反板几乎相同，其指示表头和操作键盘的布置也相差不大 ； 采用了微计算机及其配套芯片，在不增加任何外电路芯片的情况下，即可通过编制适当用户程序，方便 地 增加调节器功能 ， 功能价格比 较 高 ； 提供 了 通讯功能。 智能调节器 微电子技术和计算机技术的不断发展 ， 引起了调节器结构的根本性变革。 以微型计算机为主体 ， 将计算机技术与检测技术有机结合 ， 组成新一代 “ 智能化调节器 ”。 智能化调节器不仅解决了传统调节器不易解决或不能解决的问题 ， 还能简化仪表电路 ， 提高仪表可靠性 ， 实现高精度、高性能、多功能的目的 ， 迅速地在各个领域得到了广泛的应用。 智能调节器的结构 智能调节器就是一种数字化的过程控制仪表，其外表类似于一般的盘装仪表，而其内部是由微处理器（可能是 8 位的 中央处理器 ： 280， 8085 等，也可能是各种单片机：内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 4 8051 系列、 8098 系列等）、 RAM、 ROM、模拟量与数字量 I/O 通道及独立的电源等基本单元 组成 的一个微型计算机系统。 可以说除控制点的区别之外，它的功能与现场控制站大同小异。 一般有单回路、 2回路、 4 回路或 8 回路的调节器，控制方式 有单闭环控制、串级控制 、 信号选择及前馈控制和按预定曲线进行程序控制等 ，控制算法 PID 控制 、 直接数字控制 、 最优控制 、 模糊控制 和 神经网络控制等。 智能调节器实际上是一种通用的调节仪表 ， 由 硬件和软件两部分组成 ， 其结构原理图如图 所示。 单 片 机 系 统信 号 调 理传 感 器 控 制 输 出 图 智能调节器的结构原理图 (1) 硬件部分 由于被测 参数 多为非电量 ， 利用传感器将测到的非电量转换为电信号 ， 大多数传感器产生的信号都很微弱 ， 通常只有 μV或 mV 量级 ， 必须用高输入阻抗的运算放大器对它们进行放大 ， 使达到一定的幅 值， 还要进行滤波 ， 滤除 各种干扰 信号。 若信号的大小与 A/D 转换的输入范围不一致 ， 须进行电平转换 ， 必要时要加程控增益放大器对信号分段放大以保证转换精度。 一般被测量为几路或几十路 ， 采用多路开关对被测信号进行切换 ， 使各路信号共用一个 A/D 转换器。 若 模拟信号变化比较缓慢 ， 可以直接加到 A/D 转换器的输入端 ， 如果信号变化较快 ， 为了保证 A/D 转换的正确性 ， 要加采样保持器。 转换后的数字信号送入单片机 ， 单片机根据 测量 值进行相应的数据运算和处理 ， 可将结果送显示和打印。 单片机还可把运算结果与存储器中存放的设定值进行比较 ， 采用改进的 PID 控制算法 ， 向执行部件输出控制信号 ， 以将被测参数稳定在 设定值。 如被测炉温超过上限值或低于下限值时 ， 给出报警信号 ， 进行相应操作。 此外 ， 智能调节器还可以与 PC 机组成分布式测控系统 ， 由单片机作为下位机采集内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 5 各种测量信号和数据 ， 通过串行通信接口 将信息传送给上位机 —— PC 机 ， 再 由 PC 机进行更复杂的数据处理或进行全局监控。 (2) 软件部分 主要包括监控程序、接口管理程序和数据处理程序三大部分。 监控程序面向调节器的键盘和显示器 ， 帮助实现从键盘输入数据或进行功能设置、控制 ， 完成显示器对处理后的数据以数字、字符、图形等形式显示的任务；接口管理程序主要完成数据采集、数据存储、通信等任务；数据处理程序主要完成数据滤波、运算、分析等任务。 智能调节器的特点和基本功能 智能调节器在测量过程自动化、测量数据处理及功能多样化方面与传统调节器的常规测量电路相比 ， 取得了 较大的进展。 (1) 特点 ① 开发性强 ， 可靠性高； ② 性能好 ， 精度高； ③ 智能化； ④ 具有友好的人机对话能力； ⑤ 具有可程控操作的能力。 (2) 基本功能 ① 可进行多通道、多参数巡回检测； ② 能进行数据分析和处理； ③ 提供多种形式的数据输出 ， 可方便地与网络、外设及其 它 设备进行数据交换； ④ 可作为自动控制的信息反馈环节 ， 把检测与控制结合起来； ⑤ 可通过改变程序或采用可编程的方法增减仪器功能和规模来适应不同的环境和对象； 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 6 ⑥ 自校准、自诊断、触发电平自动调整、量程自动调整和各种报警功能 [3]。 智能调节器的优越性 智能仪器与传统仪表相比较： (1) 传统测控仪表对于输入信号的测量准确性完全取决于仪表内部各功能部件的精密性和稳定性，在其内部某些部件发生故障时仍进行测量，测量结果的正确性不能 保证。 智能仪表可采用自动校准技术来消除仪器内部所产生的漂移电压 ； (2) 传统仪表的校准通常与更高一级的同类仪表 进行对比测量来实现，智能仪器提供了一种先进而方便的自动校准方法 ； (3) 智能仪器在提高仪器可靠性方面也明显优于传统仪表。 通常设有自检功能。 所谓自检，就是仪器对其自身各主要部件进行的一种自我检 测过程，目的是检查各部件的状态是否正常，以保证 仪表的正常运行。 自检一般可分为开机自检、周期性自检和键控自检三类 ； (4) 智能仪器内含单片机，可充分利用单片机对于数据的处理能力，最大限度地消除仪器的 各种 误差。 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 7 第二章 智能调节器方案 选择 智能调节器的方案选择主要包括 微处理器 的选择及控制算法的选择 两大部分。 微处理器 的选择 智能调节器的核心是微处理器，智能调节器的硬件和软件的设计与微处理器的选择有着密切的关系，它的结构、特性对调节器的性能有很大影响。 因此，微处理器的选择在本设计中就显得尤为重要。 微处理器的选择要从价 格、字长、输入 /输出的执行速度、编程的灵活性 、寻址能力、中断功能、直接存储器访问（ DMA）能力、配套的外围电路芯片是否丰富以及相应的开发系统是否具备等多方面进行综合考虑。 在实际微处理器的选择中，我们往往会感到许多型号的微处理器都能满足设计要求，这 时 微处理器的选择 主 要取决于设计人员对 某种微处理器的熟悉程度。 随着超大规模集成电路技术日新月异地发展，微处理器的功能在不断增强，价格在不断下降。 因此，我们在设计新产品时应尽量采用新器件以优化设计方案。 目前，微处理器正 向着两个方向发展 ： 一是研制功能更强，速度更快的 16 位、 32 位、 64 位高档微处理器以及与其相配套的存储器和 I/O 接口芯片 ； 二是在一块芯片上集成多种功能的电路，构成完整的单片微型计算机。 应该特别指出的是，高集成度、功能强的单片机的发展给智能仪器的实现带来 了 极大的方便。 单片机用于智能仪器具有下述优越性： 单片机具有较高速度的数据计算能力。 例如 MCS51， MCS96 系列单片机的时钟频率已扩展至 24MHz，其中 MCS96 还具有 16 位乘 16 位和 32 位除以 16 位的除法指令，使运算速度大为提高。 单片机具有较强的控制功能。 例如 MCS51 具有的布尔处理功能，包括一套 位处理指令和位控制输入输出功能，非常适用于仪器仪表的控制。 单片机本身内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 8 就是一个 结构完备的计算机，内含丰富的 I/O 接口。 例如 MCS51 含有 32 线并行 I/O 接口、两个 16 位定时 /计数器、一个全双工的串行口和一个内部 RAM 区等部件，从而大大简化了仪器的硬件结构，降低了仪器的造价。 相对于 增强型的 MCS51， MCS96 系列单片机内还具有 A/D 转换 和 D/A 转换脉宽调制输出。 因而， 80 年代以来开发的智能仪器几乎都带有一片或多片单片机 [4]。 综合考虑，本设计采用了 Intel 公司 MCS96 系列单片机中的 80C196KB 单片机作为智能调节器的核心。 控制算法的选择 智能调节器 的核心是控制算法。 基本的 控制 算法有 ：程序控制和顺序控制； PID控制；直接数字控制；最优控制；模糊控制；神经网络控制等。 其中， PID控制技术最为成熟，控制结构简单，参数容易整定，且不必求出被控对象的数学模型就可进行调节。 因此，本设计的智能调节器采用 改进型的 PID控制 算法。 PID 控制 的 基本原理 PID控制器本身是一种基于对 “ 过去 ” 、 “ 现在 ” 和 “ 未来 ” 信息估计的简单控制算法。 常规的 PID控制系统 原理 框图如图 ，系统主要由 PID控制器和被控对象组 成。 作为一种线性控制器，它根据给定值和实际输出值构成控制偏差，将偏差按比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，故称 PID控制器。 比 例积 分微 分被 控 对 象r ( t ) e ( t ) u ( t ) y ( t )++++ 图 PID控制系统原理框图 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 9 在连续控制系统中， PID控制器的输出 u(t)与输入 e(t)之间成比例、积分、微分的关系。 即 ])()(1)([)(u 0 dt tdeTdtteTteKt DtIP   () 式中： )()()( tytrte  ， PK 为比例增益， IT 为积分时间常数， DT 为微分时间常数。 在计算机控制系统中，使用比较普遍的也是 PID控制策略。 此时，数字调节器的输出与输入之间的关系为    kiIP TkTekTeTTiTeTTkTeKkTu 0 D )()()()()( () 其中： PK 、 IT 、 DT 分别为比例系数、积分时间 常数和微分时间常数； T 为采样周期； k 为采样序号， k = 0， 1， 2， … ； )(kTu 为第 k 次采样时刻的计算机输出值； )(kTe 为第 k 次采样时刻输入的偏差值； )( TkTe  为第 (k1)次采样时刻输入的偏差值。 PID各 控制参数对系统的动态和稳态性能有不同的影响。 简单来说， PID控制 器 各校正环节的作用如下 ： (1) 比例环节 及时成比例地反映控制系统的偏差信号 e(t)。 偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用 ，以减少偏差。 (2) 积分环节 主要用于消除静差，提高系统的无差度。 积分作用的强弱取决于积分时间常数 IT ， IT 越大，积分作用越弱，反之则越强。 (3) 微分环节 能反映偏差信号的变化趋势 （ 变化速率 ） ，并能在偏差信号 值 变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。 PID 控制算法及特点 PID 控制器的两种主要算法 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 10 PID控制器主要有两种算法，位置式算法和增量式算法 ，下面分别讨论两种算法的特点。 (1) 位置式 PID控制算法 位置式 PID控制算法 原理框 图如图。 执 行 机 构P I D 位 置 式 算 法D / A被 控 对 象r ( k ) e ( k ) u ( t ) y ( t )+u ( k )y ( k ) 图 位置式 PID控制算法 原理框 图 因为计算机控制是一种采样控制，式 ()中的积分和微分项不能直接使用，需要对其进行离散化处理。 现以一系列的采样时刻点 kT代表连续时间 t，以和式代替积分，以增量代替微分，则可作如下近似变换 kTt ()    kjkjt jeTjTeTdtte 000 )()()( ()   T TkekTedt tde 1)()(  () 将算式 T TkekTe ])1[()(  简化表示为 T keke )1()(  ， 于是得到控制器输出    T kekeTjeTTkeKku DkjIP)]1()([)()()(0 () )]1()([)()()( 0   kekeKjeKkeKku DkjIP () 其中： PK 为比例增益， IK 为积分系数，IPI TTKK  ， DK 为微分系数， TTKK DPD 。 在位置型算法中，由于全量输出，所以每次输出均与原来的位置量有关，计算时要对 e(k)进行累加，容易造成。