參數(shù)自整定PID控制器

1、 第 1 頁 共 36 頁摘要摘要PID控制是最早發(fā)展起來且目前在工業(yè)過程控制中依然應(yīng)用最廣泛的控制策略之一。PID控制中至關(guān)重要的是控制器三個(gè)參數(shù)的整定，參數(shù)整定的好壞既影響到控制性能，又影響到整個(gè)系統(tǒng)的能耗。常規(guī)的PID整定參數(shù)的選擇取決于多種因素：被控過程的動(dòng)態(tài)性能、控制目標(biāo)以及操作人員對過程的理解等，所以要求工程技術(shù)人員具有豐富的經(jīng)驗(yàn)，加上實(shí)際系統(tǒng)又有滯后、非線性等因素，都會使得PID參數(shù)整定有一定的難度，比較費(fèi)時(shí)費(fèi)力，從而導(dǎo)致許多PID控制回路不能運(yùn)行在最佳工作狀態(tài)。而自整定控制器能通過按鍵方式由控制器自身完成參數(shù)的整定，不需要人工干預(yù)，可以節(jié)省整定時(shí)間，提高整定精度，進(jìn)而提高經(jīng)濟(jì)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(fā)了一種基于系統(tǒng)辨識的自整定PID控制器。該控制器給過程控制技術(shù)人員提供了一種調(diào)試工具，不僅保證了控制參數(shù)的優(yōu)化，而且縮短了系統(tǒng)的現(xiàn)場整定時(shí)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(shù)自整定技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀.31.3 本課題主要研究內(nèi)容.4第第二二章章 模型參數(shù)辨識方法與選擇模型參數(shù)辨識方法與選擇 .52.1 模型參數(shù)辨識原理.62.2 模型參數(shù)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(yīng)法.

8、10第第三章三章 參數(shù)自整定方法與選擇參數(shù)自整定方法與選擇 .113.1 參數(shù)自整定原理.123.2 參數(shù)自整定常用方法.133.3 本課題選用方法.14 3.1.1 改進(jìn)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(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) .164.1 控制器的功能分析.174.2 控制器的硬件電路設(shè)計(jì).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(jī)交互模塊的設(shè)計(jì).20 4.2.4 電源電路設(shè)計(jì) .234.3 控制器的軟件模塊設(shè)計(jì).24第五章第五章 總結(jié)與展望總結(jié)與展望.25致

9、謝致謝.26參考文獻(xiàn).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(yè)過程控制中最常見的一種控制調(diào)節(jié)器，廣泛應(yīng)用于化工、機(jī)械、冶金和輕工等工業(yè)過程控制系統(tǒng)中。有一些文獻(xiàn)陳述了當(dāng)前的應(yīng)用狀況1,2。日本電子測量儀表協(xié)會在 1989 年對過程控制做的調(diào)查報(bào)告，該報(bào)告表明 90%以上的控制回路具有 PID 結(jié)構(gòu)。另外一篇有關(guān)加拿大造紙廠的統(tǒng)計(jì)報(bào)告表明典型的造紙廠一般有 2000 多個(gè)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(shù)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(dāng)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(dòng)狀態(tài)，20%的控制回路采用廠家整定的參數(shù)，即控制器制造商預(yù)先設(shè)定的參數(shù)值，30%的控制回路由于閥門和傳感器的問題導(dǎo)致控制性能較差。因此，PID 控制器雖然在工業(yè)過程控制中普遍應(yīng)用，但是獲得的控制效果并不十分理想。同時(shí)由于 PID 控制器特別適用于過程的動(dòng)態(tài)性能是良性的而且控制性能要求不高的情況，但隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，人們面臨的被控對象越來越復(fù)雜，對于控制系統(tǒng)的精度性能和可靠性的要求越來越高，這對PID 控制技術(shù)提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。只有和先進(jìn)控制策略相結(jié)合

11、，才能保證 PID 控制技術(shù)永不過時(shí)，而它也正是向高精度、高性能、智能化的方向在逐步發(fā)展。 鑒于在當(dāng)前和將來的工業(yè)過程中仍舊大量使用PID控制器，這就迫切需要設(shè)計(jì)出一些簡單的且魯棒性好的自整定控制器。在許多文獻(xiàn)中已經(jīng)報(bào)道了，通過大量的調(diào)查工作表明實(shí)際工業(yè)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(shè)計(jì)一種面向普通工業(yè)過程的能夠以高性能自動(dòng)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(yè)領(lǐng)域內(nèi)有很好的市場前景。1.2 參數(shù)自整定技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 在過程工業(yè)界，從40年代開始，采用PID控制規(guī)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(tǒng)。目前，PID

12、控制仍廣泛應(yīng)用，即便是在大量采用DCS控制的最現(xiàn)代化的裝置中，這類回路仍占總回路數(shù)的80-90。這是因?yàn)镻ID控制算法是對人的簡單而有效操作方式的總結(jié)與模仿，足以維護(hù)一般工業(yè)過程的平穩(wěn)操作與運(yùn)行，而且這類算法簡單且應(yīng)用歷史悠久，工業(yè)界比較熟悉且容易接受。 PID參數(shù)的自整定一般包括兩部分內(nèi)容：一是過程特性的提取，也稱為初期校正部分，即對過程進(jìn)行辨識，得到過程的動(dòng)態(tài)特性，求得過程的增益、時(shí)間常數(shù)、延遲時(shí)間，然后按過程的特征參數(shù)或者按部分模型的匹配法設(shè)定PID參數(shù)。二是確定相應(yīng)的最優(yōu)控制器參數(shù)，也稱為在線校正部分，是通過對控制響應(yīng)的 第 5 頁 共 36 頁波形進(jìn)行在線監(jiān)視，求出性能控制指標(biāo)，即超

13、調(diào)量、振幅衰減比等，然后建立調(diào)整規(guī)則對PID參數(shù)進(jìn)行更新。自Ziegler和Nichols提出PID參數(shù)整定方法起，有許多技術(shù)已經(jīng)被用于PID控制器的手動(dòng)和自動(dòng)整定。Ziegler-Nichols階躍響應(yīng)是確定PID參數(shù)的簡單方法，根據(jù)純滯后時(shí)間和時(shí)間常數(shù)來整定控制器的參數(shù)。但是該方法僅在純滯后時(shí)間與時(shí)問常數(shù)之比處于01-1之間時(shí)才適用，對于大的純滯后需采取專門補(bǔ)償措施。另外該方法借助于作圖來確定特征參數(shù)，得到的控制器是使用尚可的或次優(yōu)的，并不能得到最優(yōu)的控制器。其中應(yīng)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(shù)。Z-N法需要使系統(tǒng)接近臨界狀態(tài)運(yùn)行，這很易產(chǎn)生增幅

14、振蕩，并使系統(tǒng)毀壞。為克服乙N閉環(huán)方法的缺點(diǎn)，知名學(xué)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(huán)振蕩，并由極限環(huán)的特征來確定過程的基本性質(zhì)，然后算出PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)。繼電器自整定操作簡單，不需要較多的有關(guān)被控對象的先驗(yàn)知識印可以整定控制器參數(shù)的優(yōu)點(diǎn)，預(yù)先確定的參數(shù)少，僅僅是繼電特性的輸出高度和滯環(huán)寬度。而且它是在閉環(huán)條件下完成的，所以對擾動(dòng)不靈敏，而且所產(chǎn)生的極限環(huán)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(bào)告概述了結(jié)合于新一代工業(yè)控制器中的兩種控制思想一

15、一自整定和自適應(yīng)，為智能PID控制的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。他認(rèn)為自整定控制器和自適應(yīng)控制器能視為一個(gè)有經(jīng)驗(yàn)的儀表工程師的整定經(jīng)驗(yàn)的自動(dòng)化，自整定調(diào)節(jié)器應(yīng)具有推理能力。自適應(yīng)PID的應(yīng)用途徑的不斷擴(kuò)大使得對其整定方法的應(yīng)用研究交得日益重要。自適應(yīng)技術(shù)中最主要的是自整定。根據(jù)發(fā)展階段來分，PID參數(shù)整定可分為常規(guī)PID參數(shù)整定方法及智能PID參數(shù)整定方法；按照被控對象個(gè)數(shù)來劃分可分為單變量PID參數(shù)整定方法及多變量PID參數(shù)整定方法，前者包括現(xiàn)有大多數(shù)整定方法，后者是最近研究的熱點(diǎn)及難點(diǎn)。按控制量的組合形式來劃分，可分為線性PID參數(shù)整定方法及非線性PID參數(shù)整定方法。前者用于經(jīng)典PID調(diào)節(jié)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(jī)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(guī)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(shí)際工業(yè)過程中應(yīng)用較好。一種是基于繼電反饋的參數(shù)整定方法，另一種是Foxboro公司推出的基于模式識別的參數(shù)整定方法。后者主要應(yīng)用于Foxboro的單回路EXACT控制器及分散控制系統(tǒng)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(yīng)用實(shí)例較多，這類控制器現(xiàn)在包括自整定、增益計(jì)劃設(shè)定及反饋和前饋增益的連續(xù)自適應(yīng)等功能，這些技術(shù)都極大簡化了PID控制器的使用，顯著改進(jìn)

17、了它的性能。1.3 本課題主要研究內(nèi)容 第 6 頁 共 36 頁 (1)模型參數(shù)辨識方法研究； (2)參數(shù)自整定方法研究； (3)基于AVR單片機(jī)的自整定PID控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)； 第第二二章章 模型參數(shù)辨識方法研究模型參數(shù)辨識方法研究 2.1 模型參數(shù)辨識原理 系統(tǒng)辨識作為一門獨(dú)立的學(xué)科，通常認(rèn)為是伴隨著現(xiàn)代控制理論的產(chǎn)生則發(fā)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(shí)代。引用Zadeh于1962年給系統(tǒng)辨識下的較有權(quán)威性的一般定義： “系統(tǒng)辨識就是根據(jù)被測系統(tǒng)的輸入和輸出，從一類指定模型中確定一個(gè)與被測系統(tǒng)等價(jià)的數(shù)學(xué)模型。根據(jù)這個(gè)定義，要求必須規(guī)定一類輸入信號(試驗(yàn)信號)

18、。 所以，系統(tǒng)的模型辨識就是根據(jù)實(shí)驗(yàn)得到的輸入輸出數(shù)據(jù)構(gòu)造一個(gè)過程模型，而不是根據(jù)系統(tǒng)的任何基本特性和屬性。在這種情況下，不需要過程的先驗(yàn)知識，系統(tǒng)被認(rèn)為是一個(gè)“黑箱，根據(jù)外部激勵(lì)及其系統(tǒng)響應(yīng)等實(shí)驗(yàn)信息來辨識“黑箱的內(nèi)部機(jī)理。在過程控制領(lǐng)域，假設(shè)待辨識的過程在穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)附近是近似線性的，對這種過程用線性傳遞函數(shù)模型來描述是足夠精確的。因此，本節(jié)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(yùn)行后按照設(shè)計(jì)好了的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行特定的試驗(yàn)。在線辨識：就是利用在過程正常運(yùn)行的條件下得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行辨識。應(yīng)用中一個(gè)過程的參數(shù)辨識可以采取兩種方式：即開環(huán)方

19、式和閉環(huán)方式。開環(huán)辨識就是在對系統(tǒng)不施加控制的情況下辨識過程參數(shù)，而閉環(huán)辨識就是辨識的時(shí)候存在控制作用。任何情況下都需要對過程施加一個(gè)激勵(lì)信號，以提取過程動(dòng)態(tài)中的有用信息。作為有用的過程信息，輸出數(shù)據(jù)依賴于輸入函數(shù)的特性。因此，選擇一個(gè)合適的輸入函數(shù)是很重要的，由它產(chǎn)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(shù)如下：階躍信號，脈沖信號，繼電器信號，白噪聲，偽隨機(jī)二進(jìn)制序列等。 階躍測試的主要優(yōu)點(diǎn)在于測試過程簡單，需要很少的先驗(yàn)知識。但是它對系統(tǒng)中的非線性非常敏感。對于閉環(huán)辨識，大部分現(xiàn)有技術(shù)都是在頻域里進(jìn)行研究。通常，在實(shí)際應(yīng)用中只對零到截止頻率這一頻率段感

20、興趣。由于閉環(huán)測試對過程的干擾較少，因此在過程控制實(shí)踐中多采用閉環(huán)測試而不采用開環(huán)測試。階躍響應(yīng)辨識就是在實(shí)驗(yàn)中，階躍輸入作為過程的輸入，測量過程的響應(yīng)。實(shí)驗(yàn)的先決條件是開始時(shí)過程處于穩(wěn)定狀態(tài)。階躍信號幅值的選擇應(yīng)該足夠大以便于過程響應(yīng)比噪聲水平大且易于觀察，但也應(yīng)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(dòng)態(tài)是線性的。有許多方法可以用來從暫態(tài)響應(yīng) 第 7 頁 共 36 頁實(shí)驗(yàn)中導(dǎo)出過程的特性。從階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)中，通過比較控制信號和階躍變化前后測量信號的靜態(tài)值，可以精確地計(jì)算靜態(tài)增益。常數(shù)和純滯后時(shí)間可以通過多種方法得到，比較復(fù)雜的調(diào)整技術(shù)中常采用暫態(tài)響應(yīng)方法作為一種預(yù)調(diào)整模式。該方法

21、的主要優(yōu)點(diǎn)是它需要很少的先驗(yàn)知識，也很容易使現(xiàn)場操作人員理解。其主要缺點(diǎn)是它對于干擾較為敏感。 基本階躍響應(yīng)的典型模型如下，其中的某些參數(shù)需要估計(jì)。 (1)一階加純滯后(FOPDT) 參數(shù)：K、T、L(2)二階加純滯后(SOPDT)參數(shù)：a0,a1,a2,b0,b1,L模型中的純滯后時(shí)間、時(shí)間常數(shù)和穩(wěn)態(tài)增益可以通過把這些表達(dá)式與實(shí)驗(yàn)測量得到的數(shù)據(jù)按照某種方法來得到。2.2 模型參數(shù)辨識常見方法實(shí)際的工業(yè)被控對象是非常復(fù)雜的，要確定出它的精確模型是不現(xiàn)實(shí)的，而且也是沒有必要的。在實(shí)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(yīng)測試常用于一階加純滯后模型擬合過程數(shù)據(jù)。理論上，當(dāng)時(shí)間

22、大于純滯后時(shí)，階躍響應(yīng)可以寫成 這里表示響應(yīng)的終值。給定數(shù)據(jù)y(t)，可以得到在時(shí)刻觀測到的過程輸出ykt值， (一)LOG方法靜態(tài)增益K：利用極限值和給定輸入階躍函數(shù)A，由得靜態(tài)增益K的估計(jì)值是： 第 8 頁 共 36 頁 時(shí)間常數(shù)和純滯后時(shí)間L：參數(shù)和L的解是非線性的，可以寫成 階躍響應(yīng)數(shù)據(jù)對時(shí)間t的函數(shù)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(diǎn)為t=L。如下圖所示。因此從圖形上可以估計(jì)出這些參數(shù)的值。 從階躍響應(yīng)數(shù)據(jù)估計(jì)時(shí)間常數(shù)和純滯后時(shí)間(2) 兩點(diǎn)法假設(shè)過程模型對于幅乎為A的過程輸入，過程的響應(yīng)由下式描述： 標(biāo)準(zhǔn)化的y(t)和時(shí)間t如下圖所示： 兩點(diǎn)法和面積法 標(biāo)準(zhǔn)

23、化的Y(t)和時(shí)間t 第 9 頁 共 36 頁t1和t2分別是過程的階躍響應(yīng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)值的284和632的時(shí)間，得到t1和t2之后，過程的時(shí)間常數(shù)和滯后時(shí)間可以由下式計(jì)算：T=I5(t2-t1)；三=05(3t1一t2)(3) 面積法假設(shè)靜態(tài)增益已經(jīng)采用前面的方法得到，平均駐留時(shí)間Tav可以由面積A0來計(jì)算，如下圖所示：在階躍響應(yīng)下直到時(shí)間Tav所包圍的面積A1可以這樣計(jì)算：那么T和L的估計(jì)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(yīng)數(shù)據(jù)的幾個(gè)值決定。然而，它的估計(jì)精度主要依靠A0決定。為了得到精確的A0，測試的時(shí)間就得足夠長，直到過程剛好再次進(jìn)入新的穩(wěn)態(tài)。但這些方法

24、只能工作于沒有滯后時(shí)間的過程中。本文提出一種基于脈沖響應(yīng)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(xù)模型的參數(shù)可以直接從一組線性方程中獲得。計(jì)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(jìn)入新的穩(wěn)態(tài)。因此，它節(jié)省了測試時(shí)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(yè)過程，大量仿真和實(shí)際使用結(jié)果表明這種方法比現(xiàn)有的方法有所改進(jìn)。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(shù)為： 其中 為方程誤差，為了使如下?lián)p失函數(shù)最小化： 可得最小二乘的估計(jì)值為 引入矩陣 于是 又由于 所以，t+1時(shí)刻

25、的最小二乘估計(jì)為： 第 11 頁 共 36 頁 最后就得到： 這樣利用、式進(jìn)行遞歸迭代參數(shù)估計(jì)，另外選擇，迭代一定的時(shí)間后就能得到對象的參數(shù)了。 2.1.2 脈沖響應(yīng)法 第第三章三章 參數(shù)自整定方法研究參數(shù)自整定方法研究3.1 參數(shù)自整定原理（1）PID控制原理 PID控制器結(jié)構(gòu)簡單，易于操作，廣泛應(yīng)用于石油、制藥、食品、化工、航空和半導(dǎo)體等工業(yè)過程，并具有較好的魯棒性，對過程參數(shù)和干擾的變化不敏感。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在過程控制領(lǐng)域中大約90的控制回路都采用PID控制。系統(tǒng)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(fù)雜調(diào)節(jié)和計(jì)算機(jī)直接數(shù)字控制的基礎(chǔ)。其方法是依據(jù)偏差e進(jìn)行控制，其最終目

26、的是消除偏差。P，也就是比例環(huán)節(jié)，是PID控制中最活躍的環(huán)節(jié)，是真正意義上的依據(jù)偏差來進(jìn)行控制。I，也就是積分環(huán)節(jié)，其作用是消除階躍響應(yīng)的穩(wěn)態(tài)誤差，也就是偏差。D，也就是微分環(huán)節(jié)，其作用是使得控制器的靈敏度增加，它根據(jù)偏差的變化率dedt進(jìn)行控制，從而起到了早期的修正作用，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 第 12 頁 共 36 頁 圖 3.1.1PID控制器根據(jù)給定值r與實(shí)際輸出值Y構(gòu)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(guī)律為：式中，Kp為比例系數(shù)，Ti為積分時(shí)間常數(shù)，Td為微分時(shí)間常數(shù)。PID控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下： 比例(P)調(diào)節(jié)作用：是按比例反應(yīng)系統(tǒng)的

27、偏差，系統(tǒng)一旦出現(xiàn)了偏差，比例調(diào)節(jié)立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用用以減少偏差。比例作用大，可以加快調(diào)節(jié)，減少誤差，但是過大的比例，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。 積分(I)調(diào)節(jié)作用：是使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高無差度。因?yàn)橛姓`差，積分調(diào)節(jié)就進(jìn)行，直至無差，積分調(diào)節(jié)停止，積分調(diào)節(jié)輸出一常值。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)，Ti越小，積分作用就越強(qiáng)；反之Ti大則積分作用弱。加入積分調(diào)節(jié)可使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動(dòng)態(tài)響應(yīng)變慢。積分作用常與另兩種調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合，組成PI調(diào)節(jié)器或PID調(diào)節(jié)器。微分(D)調(diào)節(jié)作用：微分作用反映系統(tǒng)偏差信號的變化率，具有預(yù)見性，能預(yù)見偏差變化的趨勢，因此能產(chǎn)生超前的控制作用，在偏差還

28、沒有形成之前，已被微分調(diào)節(jié)作用消除。因此，可以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。在微分時(shí)間選擇合適情況下，可以減少超調(diào)，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。微分作用對噪聲干擾有放大作用，因此加大微分調(diào)節(jié)，對系統(tǒng)抗干擾不利。此外，微分反應(yīng)的是變化率，而當(dāng)輸入沒有變化時(shí)，微分作用輸出為零。微分作用不能單獨(dú)使用，需要與另外兩種調(diào)節(jié)規(guī)律相結(jié)合，組成PD或PID控制器。（2）參數(shù)自整定原理3.2 參數(shù)自整定常用方法3.3 本課題選用方法3.3.1 改進(jìn)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(shù)自整定方法。從“過程控制系統(tǒng)”中已知，只要求出比例控制系統(tǒng)等幅震蕩時(shí)的臨界比例系數(shù)Kcp和震蕩周期Tcp

29、,即可根據(jù)Ziegler-Nichols 規(guī)則計(jì)算出PID參數(shù)： PI控制系統(tǒng) Kp=0.45Kcp，Ti=Tcp/1.2 PID控制系統(tǒng) Kp=0.6Kcp,Ti=Tcp/2,Td=Ti/4在人工進(jìn)行參數(shù)整定時(shí)，將系統(tǒng)設(shè)置為比例控制系統(tǒng)，并多次調(diào)整Kp，直到使系統(tǒng)產(chǎn)生等幅振蕩，此時(shí)的比例系數(shù)即為Kcp，振蕩周期為Tcp。但在工業(yè)控制系統(tǒng)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(shí)間是相當(dāng)困難的，在有些生產(chǎn)過程中也不允許這樣的反復(fù)試驗(yàn)。為克服這一問題，Astom K.J提出了改進(jìn)型臨界比例度法，它用繼電特性的非線性環(huán)節(jié)替代比例調(diào)節(jié)器，可使閉環(huán)系統(tǒng)自動(dòng)穩(wěn)定在等幅振蕩狀態(tài)，振蕩幅值還可由

30、繼電特性的特征值控制，對生產(chǎn)過程不會產(chǎn)生多大影響，達(dá)到了實(shí)用化要求。用改進(jìn)型臨界比例度法德PID參數(shù)自整定控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖2.1如下所示： 圖3.3.1.1用改進(jìn)型臨界比例度法德PID參數(shù)自整定系統(tǒng)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(huán)節(jié)。當(dāng)系統(tǒng)處于自整定狀態(tài)時(shí)，開關(guān)S置于位置2，S置于位置1時(shí)為系統(tǒng)正常工作狀態(tài)，進(jìn)行PID控制。 下圖2.2所示為改進(jìn)臨界比例度法自整定PID參數(shù)時(shí)的系統(tǒng)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(jìn)臨界比例度法自整定PID參數(shù)時(shí)的系統(tǒng)框圖這是一

31、個(gè)典型的非線性系統(tǒng)。為了分析系統(tǒng)產(chǎn)生自激振蕩的原理，非線性環(huán)節(jié)用描述函數(shù)來表達(dá)，以對其進(jìn)行近似的線性化處理。描述函數(shù)N是非線性環(huán)節(jié)輸出的一次諧波分量與正弦輸入信號的復(fù)數(shù)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(tǒng)圖中的繼電特性如下圖3.3.1.3(a)所示，其描述函數(shù)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(yīng)曲線對輸出y(t)進(jìn)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(shù)為 XHXYN4001可見，理想繼電特性的描述函數(shù)是一個(gè)實(shí)數(shù)，且為H/X的函數(shù)。圖3.3.1.2所示閉環(huán)系統(tǒng)產(chǎn)生等幅振蕩的條件為 1+NG(j)=0有 G(j)=-HXN41當(dāng)X從0變化時(shí)，-1/N是在幅頻特性平面上沿負(fù)實(shí)軸的一條軌跡。由上式知，G(j)和1/N的交點(diǎn)即為臨界振蕩點(diǎn)，閉環(huán)系統(tǒng)在該點(diǎn)有一個(gè)穩(wěn)定

33、的極限環(huán)。此時(shí)，臨界比例系數(shù) 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(guī)則就可計(jì)算出PID參數(shù)Kp、Ti、Td的值。3.1.2 迭代自整定法在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，假設(shè)調(diào)節(jié)器經(jīng)初步整定的初始參數(shù)是系統(tǒng)存在一對共軛復(fù)數(shù)主導(dǎo)幾點(diǎn)，在擾動(dòng)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(tǒng)衰減振蕩過程則可按二階系統(tǒng)來近似該閉環(huán)系統(tǒng)，有=expba212式中二階系統(tǒng)的阻尼系數(shù)。令,則21abln21是表征過程衰減比的特征參數(shù)

34、。下面給出以為自變量的PID參數(shù)迭代算式。（1）比例系數(shù)Kp迭代算式設(shè)Kcp為調(diào)節(jié)器的臨界比例系數(shù)，Kp為其它任意振蕩過程式調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)。在工程上Kcp/Kp可以用的冪級數(shù)來近似：Kcp/Kp2210式中 為常數(shù)。i為簡化，只取前兩項(xiàng)： Kcp/Kp10當(dāng)時(shí)Kp=Kcp時(shí)，故。0010如要求過程輸出衰減比a/b=1/4，對應(yīng)有 22. 04ln21ln214ab按Zeigler-Nichols規(guī)則，可得出整定Kp的迭代式。對PI調(diào)節(jié)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(shè)

35、Kp當(dāng)前值為Kp(n)，優(yōu)化值為Kp(n+1)，其對應(yīng)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(jì)算次數(shù)，經(jīng)過幾次迭代及可是系統(tǒng)輸出滿足期望的衰減比。同理可推出PID調(diào)節(jié)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(shí)，再進(jìn)一步整定Ti、Td值。對衰減比為a/b=1/4的二階系統(tǒng)，有a/c=c/b=1/2，可規(guī)定：c/a1.5時(shí)，Ti增加10%；c/a2.5時(shí)，Ti減小10%；1.5c/a2.5時(shí)，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(dǎo)出要求衰減比為1/10的PID參數(shù)迭代整定算式。第第 4 4 章章 基于基于 AVRAVR 單片機(jī)的自整定單片機(jī)的自整定 PIDPID 控制器的控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)4.1 控制器的功能分析參數(shù)自整定 PID 控制器作為一個(gè)能夠自整定整定 PID 參數(shù)的整定器，在軟硬件上主要應(yīng)該能夠具備以下幾個(gè)功能：(1)數(shù)字量的輸出模塊：能夠給出系統(tǒng)相應(yīng)的激勵(lì)信號，并根據(jù)實(shí)時(shí)采集到的現(xiàn)場輸入輸出數(shù)據(jù)辨識出過程的數(shù)學(xué)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(jù) PID 自整定算法的需要，輸出 420mA 的電流控制信號； (4)人機(jī)交互接口模塊：能通過鍵盤進(jìn)行參數(shù)的設(shè)置、修改，并能夠?qū)⑿?shí)時(shí)信息以及整定的結(jié)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(nèi)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(jī)地構(gòu)成了參數(shù)自整定 PID 控制器。4.2 控制器的硬件電路設(shè)計(jì)4.2.1 微處理器的選擇（一） 單片機(jī)的選用 針對一定的用途，恰當(dāng)?shù)倪x擇所使用的單片機(jī)是十分重要的。對于明確的應(yīng)用對象，選擇功能過少的

38、單片機(jī)，無法完成控制任務(wù)；選擇功能過強(qiáng)的單片機(jī)，則會造成資源浪費(fèi)，使產(chǎn)品的性能價(jià)格比下降。目前，市面上的單片機(jī)不僅種類繁多，而且在性能方面也各有不同。在實(shí)際應(yīng)用中，針對不同的需求要選擇合適的單片機(jī)，選擇單片機(jī)時(shí)要注意下幾點(diǎn)： （1)單片機(jī)的基本性能參數(shù)，例如指令執(zhí)行速度，程序存儲器容量，中斷能力及IO口引腳數(shù)量等； （2)單片機(jī)的增強(qiáng)功能，例如看門狗，雙串口，RTC(實(shí)時(shí)時(shí)鐘)，EEPROM，CAN接口等； （3)單片機(jī)的存儲介質(zhì)，對于程序存儲器來說，F(xiàn)lash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(shí)驗(yàn)電路時(shí)會更加方便一些； （5)芯片工作溫度范圍符合工業(yè)級、軍品級還是商業(yè)級，如果設(shè)計(jì)戶外產(chǎn)品，必須選用工業(yè)級芯片； （6)單片機(jī)的工作電壓范圍，例如設(shè)計(jì)電視機(jī)遙控器時(shí)，使用2節(jié)干電池供電，至少選擇的單片機(jī)能夠在18V36V電壓范圍內(nèi)工作； （7)單片機(jī)的抗干擾性能好； （8)編程器以及仿真器的價(jià)格，單片機(jī)開發(fā)是否支持高級語言以及編程環(huán)境要好用易學(xué)； (9)供貨渠道是否暢通，價(jià)格是否低廉，是否具有良好的技術(shù)服務(wù)支持。 根據(jù)上面所述的原則，結(jié)合實(shí)際情況綜合考慮，本文選用ATMEL公司的90系列AT90S8535單片機(jī)作為主控模塊的核心芯片。（二）AT90S8535簡

40、介該單片機(jī)是基于AVR增強(qiáng)性能、PISC結(jié)構(gòu)、低功耗、CMOS技術(shù)、8位微微控制器。它具有以下特點(diǎn)：（1）有4K字的Flash 程序存儲器； 程序存儲器一次讀取一個(gè)字（16位） ，速度加快了；可反復(fù)擦寫、修改程序1000次以上不損壞，便于新產(chǎn)片開發(fā)。（2）高速度。每個(gè)時(shí)鐘周期執(zhí)行一條指令，當(dāng)主頻8 MHz時(shí)，大多數(shù)指令僅需 第 19 頁 共 36 頁125 ns.AVR 運(yùn)用了Harvard 結(jié)構(gòu)概念，對程序和數(shù)據(jù)存儲使用不同的存儲器和總線，具有預(yù)取指令功能。當(dāng)執(zhí)行某一指令，下一條指令被預(yù)先從程序存儲器中取出，這樣可以在每一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)都執(zhí)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(hù)、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(gè)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(xiàn)象）及512字節(jié)的SRAM，可靈活使用指令尋址運(yùn)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(dòng)能力強(qiáng)。（7）有512 B的EEPROM（點(diǎn)擦寫存儲器） ，掉電不丟失信息，可在線改寫。（8）有32個(gè)I/O口，輸入/輸出的方向是可以定

42、義的。輸出口的驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，灌電流可達(dá)40 mA,能直接驅(qū)動(dòng)LED、繼電器等器件，省去驅(qū)動(dòng)電路；輸入口可以三態(tài)輸入，也可以帶內(nèi)部上拉電阻。（9）有2個(gè)8位和1個(gè)16位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器,除定時(shí)、計(jì)數(shù)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(shí)器，便于程序抗干擾。程序飛走進(jìn)入死循環(huán)后，能自動(dòng)復(fù)位，重新啟動(dòng)。（11）有模擬比較器，便于發(fā)現(xiàn)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(diào)制輸出，經(jīng)濾波輸出模擬電壓信號，可作為D/A轉(zhuǎn)化器。這種模擬量輸出很容易與主機(jī)隔離。（14）有UART異步串行接口，便于實(shí)現(xiàn)RS

43、232-C和RS485通信接口。（15）有SPI同步串行接口。（16）有獨(dú)立振蕩器的實(shí)時(shí)時(shí)鐘。在省電模式的低功耗方式下，時(shí)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(gè)獨(dú)立的中斷向量作相應(yīng)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(xué)、易寫、易移植。（19）有商用級產(chǎn)品（工作溫度070攝氏度）和工業(yè)級產(chǎn)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(shè)計(jì) 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(zhuǎn)換電路，將變送器送來的電流信號轉(zhuǎn)換為單片機(jī)內(nèi)嵌的A/D轉(zhuǎn)換器的輸入電平0-5V范圍內(nèi)。 圖 4.2.2.1 輸入調(diào)理電路輸入的420mA電流信號經(jīng)電阻R1流向地，R1為阻值250 Q的精密電阻，這樣經(jīng)過限流電阻R2后，在B點(diǎn)得到250*(420mA)=15V的電壓。通過調(diào)整VR1，在C點(diǎn)得到5V的電位，VR1，D0為輸入電流信號過流釋放通道，當(dāng)輸入信號超過20mA 第 21 頁 共

45、36 頁時(shí)，B點(diǎn)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(diào)理電路起保護(hù)作用，圖中U1是電壓跟隨器，因此D點(diǎn)得電位和B點(diǎn)相同。D點(diǎn)的1-5V通過以下調(diào)理方案調(diào)理到0-5V：在I/V轉(zhuǎn)換電路輸出信號加上一1V電壓，使信號變成0V4V； 將上面調(diào)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(diào)理，需要選用一個(gè)具有適當(dāng)閉環(huán)增益的運(yùn)算放大器，本電路選用的運(yùn)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(qiáng)的過載能力、足

46、夠高的放大倍數(shù)、共模抑制能力強(qiáng)、漂移低、增益可調(diào)，是一種高性能、低價(jià)格、低溫漂的精密運(yùn)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(shù)計(jì)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(yùn)放電路和U3運(yùn)放電路的平衡電阻，和的值計(jì)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(zhuǎn)換，取得模擬量數(shù)據(jù)之后，單片機(jī)經(jīng)過一定的算法運(yùn)算處理后，經(jīng)DA轉(zhuǎn)換，送功率放大電路放大，才能驅(qū)動(dòng)執(zhí)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(zhuǎn)化器的選擇 數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換稱為DA轉(zhuǎn)換，DA轉(zhuǎn)換器有8位、10位、12位、16位等。DA轉(zhuǎn)換器的輸出多數(shù)為電流形式(如DAC0832、AD7522等)，相當(dāng)于電流源，有些芯片內(nèi)部設(shè)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(zhuǎn)換V/I 轉(zhuǎn)換執(zhí)行器 第 22 頁 共 36 頁當(dāng)于電壓

48、源。在實(shí)際使用中常選用電流輸出的DAC芯片實(shí)現(xiàn)電壓輸出，DA轉(zhuǎn)換器與單片機(jī)的接口形式主要決定于轉(zhuǎn)換器是否帶數(shù)據(jù)鎖存器，DA轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器，為了保存來自單片機(jī)的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，接口時(shí)要加鎖存器，因此這類轉(zhuǎn)換器必須在口線上；而帶鎖存器的DA轉(zhuǎn)換器，可以把它看作是一個(gè)輸出口，因此可直接接在數(shù)據(jù)線上，而不需另加鎖存器。 本次設(shè)計(jì)采用8位的DAC0832、其精度已經(jīng)滿足系統(tǒng)要求。DAC0832采用單電源供電，從+5V+15V均可正常工作，基準(zhǔn)電壓的范圍為10V，電流建立時(shí)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(shù)據(jù)緩沖器都直通，數(shù)據(jù)一旦加在數(shù)據(jù)線（D7D0)上，DAC的輸出就立即響應(yīng)；單緩沖方式是DAC0832的兩個(gè)輸入寄存器中的一個(gè)(鎖存器)處于受控鎖存方式，而另一個(gè)(DAC寄存器)處于直通方式，或者兩個(gè)寄存器均處于受控鎖存方式，在實(shí)際應(yīng)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(shí)，就可采用單緩沖方式：雙緩沖方式是DAC0832的兩個(gè)輸入寄存器均處于受控狀態(tài)，此時(shí)單片機(jī)要對DAC芯片進(jìn)行兩步寫操作i第一步將數(shù)據(jù)寫入鎖存器(LE1=0)，第二步將鎖存器的內(nèi)容寫入DAC寄存器(LE2=1)。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)接收和啟動(dòng)轉(zhuǎn)換可異步進(jìn)行，可在DA轉(zhuǎn)換的同時(shí)，進(jìn)行下

50、一數(shù)據(jù)的接收，以提高轉(zhuǎn)換速度，還可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)模擬輸出通道同時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，同步輸出，此時(shí)，單片機(jī)的數(shù)據(jù)總線分時(shí)向各路DA轉(zhuǎn)換器輸入要轉(zhuǎn)換的數(shù)字量并鎖存在各自的輸入鎖存器中，然后單片機(jī)對所有的DA轉(zhuǎn)換器同時(shí)發(fā)出控制信號，使各個(gè)DA轉(zhuǎn)換器輸入鎖存器的數(shù)據(jù)打入DAC輸入寄存器，從而實(shí)現(xiàn)同步輸出。更多路接法可依此類推?？紤]到本控制器只是單模擬量輸出且單片機(jī)與D/A轉(zhuǎn)換器之間是通過74LS192連接，74LS192相當(dāng)于鎖存器，故D/A轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換電路 運(yùn)放的輸出為： 第 23 頁 共 36 頁 REFOUTVDV82運(yùn)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(diào)理電路 圖 4.2.2.2.2 (b) 輸出驅(qū)動(dòng)電路4.2.3 人機(jī)交互模塊的設(shè)計(jì) 第 24 頁 共 36 頁 4.2.3.1 按鍵指示燈電路設(shè)計(jì) 因?yàn)槲⑻幚砥飨到y(tǒng)中的單片機(jī)需要進(jìn)行大量的運(yùn)算和控制工作，如前面所示單片機(jī)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(jī)的負(fù)擔(dān)，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率和穩(wěn)定性，避免過多的干擾，本設(shè)計(jì)中采用系統(tǒng)使用了 SK5278 串行鍵盤控制器芯片實(shí)現(xiàn)鍵盤輸入信號的采集和狀態(tài)功能。SK5278 是福州貝能科技有限公司推出的采用 PIC 內(nèi)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(jī)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(gòu)成 44 鍵盤矩陣;SK5278 的 16 鍵鍵盤控制器內(nèi)含去抖動(dòng)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(dá) 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(shè)計(jì) 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?qū)挕@示信息量大等優(yōu)點(diǎn)。液晶顯示器已被廣泛應(yīng)用于各種儀

53、器儀表、電子顯示裝置等場合，成為測量結(jié)果顯示和人機(jī)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(diǎn)陣式 LCD，前兩者只能顯示有限字符，而點(diǎn)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(fā)展比較成熟的一種，應(yīng)用相當(dāng)廣泛。它是一類專用于顯示字母、數(shù)字、符號等的點(diǎn)陣液晶顯示模塊，可顯示兩行，每行可以顯示 16 個(gè)字符。把 1602 字符型液晶顯示模塊應(yīng)用到光電計(jì)數(shù)系統(tǒng)中，對工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化十分有意義。本文采用的液晶顯示就是 LMBl62ADC，其驅(qū)動(dòng)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(shè)計(jì) 控制器所用電源有輸出級的24V、各運(yùn)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(jīng)降壓、整流、濾波后轉(zhuǎn)換成24DC電源，作為穩(wěn)壓電路的輸入電源和輸出級的上拉電源。由電工學(xué)原理可知，單相橋式整流電路的輸出負(fù)載電壓與變壓器二級電壓的關(guān)系為，初級電壓=220V，則LV2V29 . 0 VVL