基于MATLAB的鍋爐水溫與流量串級控制系統(tǒng)的設(shè)計【實用文檔】doc

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基于MATLＡB的鍋爐水溫與流量串級控制系統(tǒng)的設(shè)計基于MATLAB的鍋爐水溫與流量串級控制系統(tǒng)的設(shè)計【實用文檔】doc文檔可直接使用可編輯，歡迎下載目錄ＴO(shè)C\o”1—3”＼ｈ＼z\u摘要ＰAＧEＲEF_Toc2９38484８８＼h2AbstracｔPAGEREF_Toｃ29３84８489\h3HYPERLINK\l”＿Toc2938484９0"1概述PＡGＥREF＿Toｃ29３8484９0\h４１。1過程控制PAGＥRＥＦ_Toｃ293848４９１\h41。2串級控制系統(tǒng)PＡGＥＲEF_Tｏc29３8４８4９2\h61。3MAＴLAB軟件PＡGEREＦ_Tｏｃ2９３8484９3\h7HYPERＬINK\l”_Ｔoｃ2938４84９4”1。4MCGＳ組態(tài)軟件PAGERＥF_Toc２93８484９4＼h８2PID控制器原理PAＧEREF_Ｔoc29３8484９５\ｈ１0HYＰERＬIＮK3。1被控對象建模本系統(tǒng)以鍋爐水溫為主要控制對象,以進水流量為輔助控制對象。目的是在一定加熱功率下,控制水溫的恒定.其流程圖如圖３.１所示:圖3。1測量被控對象階躍響應(yīng)流程圖溫度給定值+m2m1e1流量擾動e2c2溫度擾動主控制器流量調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)閥流量水溫溫度給定值+m2m1e1流量擾動e2c2溫度擾動主控制器流量調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)閥流量水溫溫度輸出值--圖3。2鍋爐水溫與流量串級控制系統(tǒng)框圖在控制系統(tǒng)設(shè)計工作中,需要針對被控過程中的合適對象建立數(shù)學(xué)模型.被控對象的數(shù)學(xué)模型是設(shè)計過程控制系統(tǒng)、確定控制方案、分析質(zhì)量指標、整定調(diào)節(jié)器參數(shù)等的重要依據(jù).被控對象的數(shù)學(xué)模型（動態(tài)特性)是指過程在各輸入量(包括控制量和擾動量)作用下，其相應(yīng)輸出量（被控量）變化函數(shù)關(guān)系的數(shù)學(xué)表達式.在水溫-流量串級控制系統(tǒng)中，我們所關(guān)心的是如何在一定的電熱功率下控制好水溫的恒定。進水流量是系統(tǒng)的被控對象，必須通過測定和計算他們模型,來分析系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能、動態(tài)特性，為其他的設(shè)計工作提供依據(jù)。3．２測量被控對象階躍響應(yīng)曲線在本設(shè)計中通過實驗建模的方法,分別測定被控對象溫度和流量在輸入階躍信號后的響應(yīng)曲線和相關(guān)參數(shù)。在測定模型參數(shù)中可以通過以下兩種方法控制調(diào)節(jié)閥，對被控對象施加階躍信號：(1)通過智能調(diào)節(jié)儀表改變調(diào)節(jié)閥開度,實現(xiàn)對被控對象的階躍信號輸入?？刂七M水量供水控制進水量供水階躍輸入信號階躍響應(yīng)輸出電動調(diào)節(jié)閥溫度圖3．3水溫-流量模型測定原理圖編寫程序如下：流量pv=pv1溫度ｐv=pt／測量值顯示輸出Ifset=0ｔhenOutput=６Enｄif/seｔ為０時輸出6mA電流給調(diào)節(jié)閥Ifｓeｔ=1ｔhenOuｔput＝8Endiｆ／set為1時輸出8ｍＡ電流給調(diào)節(jié)閥其中ｓet為外部輸入信號，可由按鈕設(shè)定，Outｐut為輸出信號，大小即為輸出電流值,單位mA.電動調(diào)節(jié)閥輸入信號范圍為4-20ｍA電流信號。這樣就可以實現(xiàn)電動調(diào)節(jié)閥階躍信號給定。6mA電流對應(yīng)電動調(diào)節(jié)閥開度為（6-4)／（2０-4）=12.5%。8mA電流則對應(yīng)（8—4)/（20-４）=２5%的開度。階躍前后流量測量值分別為6。５和10.2。階躍值為10。２—6.5=3.7.實際測得階躍如圖3.4:圖3．４試驗測得階越響應(yīng)曲線從階躍時刻起以20ｓ為采樣周期,采得溫度數(shù)據(jù)序列如下：３3。71３3.３４32。873２．903２.12３2.01３１．7631.563１.８031.32３1。６９31.5331．16３１。２０３0。9８31.09３0.5730．9130。90３0．5８３0.３230．3330。2５３0.2530.２4３０.4８３0。1030．１629。853０。31３0.0９當給出階躍信號后，溫度響應(yīng)曲線逐漸下降至穩(wěn)定,為符合一般習(xí)慣，方便處理，將數(shù)據(jù)以第一次采樣值為標準,轉(zhuǎn)換為逐漸上升至穩(wěn)定的曲線.轉(zhuǎn)換方法y=3３。71-x。式中ｙ為處理后數(shù)據(jù)，ｘ為處理前數(shù)據(jù)。得到如下數(shù)據(jù)序列：00．3７0.840．８1１.591.7０1。９52．15１。9１2．39２．０2２。182.５52.5１2。732.6２3．1４2．802．８13.103。3９3.383．46３.4６3。47３。４33.61３。553。86３。403.6２另外由試驗測得給定閥的開度分別為1２.５、2５、4０、80時對應(yīng)傳感器測得流量值為６．5、10。2、14.6、26。2.3．3求取被控對象傳遞函數(shù)由于實驗測定數(shù)據(jù)可能存在誤差，直接使用計算法求解水箱模型會使誤差增大。所以使用MATLAB軟件對實驗數(shù)據(jù)進行處理,根據(jù)最小二乘法原理和實驗數(shù)據(jù)對響應(yīng)曲線進行最佳擬合后，再計算水箱模型。實驗數(shù)據(jù)中將階躍響應(yīng)初始點的值作為Y軸坐標零點,后面的數(shù)據(jù)依次減去初始值處理,作為Ｙ軸上的各階躍響應(yīng)數(shù)據(jù)點；將對應(yīng)Y軸上階躍響應(yīng)數(shù)據(jù)點的采集時間作為曲線上各X點的值。在ＭATLAB的命令窗口輸入曲線擬合指令：〉>x＝0:20：600;>＞y=［０0．3７0.8４0。８11.５９１。701.952．151.9１2。3９2。0２2.1８２。５52。5１2.732.６23。14２.８0２．813。１０3.３93.383.463。463．47３。43３.613.55３.863．403．6２］；>〉p=ｐoｌｙfiｔ（ｘ，ｙ,４）;＞〉xi＝０：２0:600;＞＞ｙi=polyvａl（p,ｘi）;〉＞plot(x,y，xi，yi)在MATLAB中繪出曲線如下:圖3。5流量階躍響應(yīng)擬合曲線如圖所示,利用四階多項式近似擬合上水箱的響應(yīng)曲線，得到多項式的表達式:P(t）≈-１.5723ｅ(—10）ｔ４+2。０７54e(—７)t3－９．8８26e（—5)t２+0.024４2９t－0．0３0９9８其中，的一次項的系數(shù)為0．０2４429，即函數(shù)在零點處（＝0）的切線斜率為=0。0２4429。再利用切線法，算出傳遞函數(shù)：為傳遞函數(shù)的放大系數(shù)，為穩(wěn)定值，ｙ（0)為初值,為階躍的擾動值，大小為３.７，為零點處的斜率。計算結(jié)果開環(huán)傳遞函數(shù)：由試驗測得給定閥的開度分別為12.５、２5、４０、8０時對應(yīng)傳感器測得流量值為6．5、10。２、14．6、２6.２，綜合仿真效果選用１次函數(shù)擬合閥的流量特性，以下為擬合程序：x=［12.5２5４０8０］y=［6。５10。214．626。2]p＝pｏlｙｆit（x,y，1);ｘi=［１2。525408０]；yｉ=polyｖaｌ(ｐ,xi）；plｏｔ(x，y,xｉ,yi）可得電動調(diào)節(jié)閥增益曲線如下:圖3。6調(diào)節(jié)閥增益曲線從而可得電動調(diào)節(jié)閥增益,考慮到從給出閥的控制信號到調(diào)節(jié)閥響應(yīng),再影響流量，實際是個微小的慣性環(huán)節(jié)，但由于時間常數(shù)相對鍋爐非常小，對控制的影響不大，在本設(shè)計中忽略不計。為進一步檢驗該傳遞函數(shù)的正確性，使用ｓiｍｕlinｋ仿真，組建如下系統(tǒng):SHAPE\*MＥＲGEFORMAＴ圖3.7檢驗傳遞函數(shù)仿真系統(tǒng)階躍信號幅值設(shè)為3。7,采樣時間為２0ｓ,仿真時間6０0s.階躍信號源（steｐ）給出階躍信號，作用于被控對象傳遞函數(shù)(TransfｅrFcｎ）結(jié)果輸出到示波器，仿真后由示波器所觀察到結(jié)果如圖：圖３．8檢驗傳遞函數(shù)仿真曲線為將圖3。５和圖3。8內(nèi)兩條曲線在同一張圖內(nèi)繪制以便比較，程序如下：〉＞ｘ=0:２0：60０;＞〉y=［00。３70。84０.811。５91.701．9５2.15１．９1２。392。022．18２.552。5１2。７3２．６23．142。802.81３.10３。393．３83。46３。463．473.4３３。613。553．86３．403.6２］;〉＞ｐ＝poｌyｆｉt(ｘ,y，4）;>〉xi=0:20：600;>>ｙｉ=ｐolｙval（p，xi)；>〉pｌot(x，y，x,a，ｘｉ，ｙi）數(shù)列a中的數(shù)據(jù)是以步長２０s仿真600ｓ得到的,因此含有３１個數(shù)據(jù),ａ與擬合結(jié)果步長相同,由于兩階躍曲線給定階躍信號幅值相同，可認為兩條曲線所在坐標系相同，得到圖3.9:圖3．9擬和曲線與仿真曲線比較仿真曲線僅在2０0—４０0s間誤差較大約為１0％，導(dǎo)致誤差的原因可能是擬合時以二次曲線一部分取代慣性環(huán)節(jié)造成的，也可能是由于傳感器測量誤差導(dǎo)致的。誤差在接受范圍內(nèi)，仿真曲線基本能反映數(shù)據(jù)曲線的變化，因而可以認為傳遞函數(shù)基本準確。4控制方案的設(shè)計及仿真有了被控對象的傳遞函數(shù)就可以確定控制方案，從而在理論上設(shè)計控制器，對系統(tǒng)進行仿真，進而對實際控制起指導(dǎo)意義.4.１設(shè)計控制系統(tǒng)框圖控制系統(tǒng)框圖是控制系統(tǒng)實現(xiàn)的前提條件，它根據(jù)控制工藝的具體流程，反映系統(tǒng)信息的流動控制過程，本設(shè)計采用串級控制，考慮流量變化快，時間慣性小,應(yīng)較快得到抑制，選擇流量作為副被控參數(shù)，副環(huán)是隨動控制，追求快速性,因而采用P調(diào)節(jié),P調(diào)節(jié)器輸出信號控制閥的開度改變流量,流量傳感器將檢測信號送回Ｐ調(diào)節(jié)器并形成負反饋,此閉環(huán)作為內(nèi)環(huán)。溫度變化相對緩慢，時間慣性大，作為主被控參數(shù)，主環(huán)是定值控制，追求準確性，采用PID調(diào)節(jié).經(jīng)分析可得控制工藝流程圖:圖4.1控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖通過流程圖可知：將給定值與溫度傳感器反饋信號的差值輸入主調(diào)節(jié)器,進行PID運算，實現(xiàn)控制算。主調(diào)節(jié)器輸出信號作為內(nèi)環(huán)的給定值，與流量傳感器反饋信號的差值送P調(diào)節(jié)器運算并輸出,以控制調(diào)節(jié)閥，通過流量變化，影響鍋爐溫度.得到控制系統(tǒng)框圖:流量給定值流量給定值圖4。２控制系統(tǒng)框圖4．2Ｓimuｌｉnk控制系統(tǒng)仿真Ｓｉｍuｌiｎk可以動態(tài)地模擬出在給多種信號作用下所構(gòu)造控制系統(tǒng)的響應(yīng)，只需將控制系統(tǒng)框圖內(nèi)對象改寫為傳遞函數(shù)形式。模擬ＰID控制器的傳遞函數(shù)Ｄ(s)=U（s)／E(s)=Kp（１＋１/TｉS＋TdS）可理解為同一信號分別經(jīng)比例（圖４。3中fｃn1）、積分（圖4．3中fcn2）、微分（圖4。3中fｃn3)運算后相加;P調(diào)節(jié)器為純比例環(huán)節(jié)(圖4.3中fcｎ4);鍋爐傳遞函數(shù)已求得（圖4．３中fcn）;首先假設(shè)調(diào)節(jié)閥為純比例環(huán)節(jié)（圖４。3中fcn5）,可構(gòu)造如下系統(tǒng)圖,其中PＩＤ、P、閥的參數(shù)均未整定:圖4。3simulｉnk控制系統(tǒng)線性仿真考慮到實際使用中，由于閥有動作死區(qū),即位于0開度時可能有流量或小開度時無流量，達到最大開度時，控制信號盡管繼續(xù)增大但已經(jīng)失去調(diào)節(jié)作用等原因（圖４。５中閥的流量特性可說明），結(jié)合圖4．６測得閥的流量特性,將閥的傳遞函數(shù)作為非線性環(huán)節(jié)處理，得到非線性系統(tǒng)圖：圖4.4sｉｍulinｋ控制系統(tǒng)非線性仿真圖4。4中PID、Ｐ參數(shù)已經(jīng)整定,Saturation和Couloｍb&Vｉsｃｏusfriction兩個環(huán)節(jié)組合形成閥的流量特性。Ｓaturａt(yī)ioｎ為限幅環(huán)節(jié)，上限幅值為１０0，下限幅值為0，Ｃoulｏmｂ&Visｃoｕｓｆrictｉon為粘滯摩擦環(huán)節(jié)，函數(shù)設(shè)為y＝0.30x+2.9。4.3仿真結(jié)果分析通過參數(shù)的調(diào)節(jié)可以得到較好的響應(yīng)曲線.圖4．５控制系統(tǒng)仿真響應(yīng)曲線圖4.5中的響應(yīng)曲線是在階躍信號初值0，終值２0，階躍時刻為0；主調(diào)節(jié)器參數(shù)為;副調(diào)節(jié)器參數(shù)為;仿真時間2000ｓ時得到的.余差（靜態(tài)偏差)Ｃ:是系統(tǒng)過渡過程終了時給定值與被控參數(shù)穩(wěn)態(tài)值之差。由于仿真環(huán)境為理想狀態(tài)，未考慮實際運行時可能出現(xiàn)的各種情況，余差必然為零。衰減率Ψ:是衡量系統(tǒng)過渡過程穩(wěn)定性的一個動態(tài)指標?？啥x為，系統(tǒng)只有一個波峰,不存在震蕩,因而可認為衰減比為0，Ψ=1。最大偏差A(yù)（超調(diào)量σ）：對于定值系統(tǒng)來說，最大偏差是指被控參數(shù)第一個波的峰值與給定值的差,隨動系統(tǒng)通常采用超調(diào)量指標，即,由圖知最大偏差約為0.6,超調(diào)量為３％.過渡過程時間：是指系統(tǒng)從受擾動作用時起，到被控參數(shù)進入新的穩(wěn)定值±5%的范圍內(nèi)所經(jīng)歷的時間，是衡量控制快速性的指標。由圖知,≈２20s時對應(yīng)值20。６，即進入穩(wěn)定值±５％的范圍內(nèi)，可認為過渡完成。綜合動靜態(tài)指標，可認為階躍響應(yīng)曲線相當理想,但由于是仿真結(jié)果，未考慮模型精確度,測量精度，以及真實系統(tǒng)中所存在的未知干擾等問題，只可作為設(shè)計參考,調(diào)節(jié)器參數(shù)、實際響應(yīng)曲線未必與仿真一致，實際控制中可能達不到這么好的控制效果。通過仿真參數(shù)的調(diào)節(jié)也得到了PＩD控制器參數(shù)對控制效果的影響.比例控制Kp對系統(tǒng)性能的影響：比例系數(shù)ＫP加大使系統(tǒng)的動作靈敏，響應(yīng)速度加快，穩(wěn)態(tài)誤差減小，ＫＰ偏大，振蕩次數(shù)加多，調(diào)節(jié)時間加長。KP太大時,系統(tǒng)會趨于不穩(wěn)定.KＰ太小，又會使系統(tǒng)的動作緩慢。KＰ可以選負數(shù),這主要是由執(zhí)行機構(gòu)、傳感器以控制對象的特性決定的。如果KＰ的符號選擇不當,對象狀態(tài)（PV值)就會離控制目標的狀態(tài)（ＳP值）越來越遠,如果出現(xiàn)這樣的情況KP的符號就一定要取反。積分控制KＩ對系統(tǒng)性能的影響:積分作用使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，KI?。ǚe分作用強）會使系統(tǒng)不穩(wěn)定，但能消除穩(wěn)態(tài)誤差,提高系統(tǒng)的控制精度。微分控制ＫＤ對系統(tǒng)性能的影響：微分作用可以改善動態(tài)特性，KＤ偏大時,超調(diào)量較大，調(diào)節(jié)時間較短.KＤ偏小時,超調(diào)量也較大，調(diào)節(jié)時間較長.只有KD合適,才能使超調(diào)量偏小,減短調(diào)節(jié)時間。４。4串級控制與單回路控制系統(tǒng)抗干擾性能仿真為了體現(xiàn)串級控制的優(yōu)勢,必須將串級控制系統(tǒng)的抗干擾能力和單回路控制系統(tǒng)的抗干擾能力加以比較。圖4.6串級控制抗干擾能力測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖4．7單回路控制抗干擾能力測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)串級控制的特點在于抗二次干擾能力強，因此分別構(gòu)造圖4。6，在串級控制系統(tǒng)副回路中加入階越信號來模擬流量的干擾,同時為了能夠?qū)?shù)據(jù)與單回路控制系統(tǒng)抗干擾效果在同一張圖內(nèi)進行相比較,需要設(shè)置工作區(qū)域Ｂ，存儲方式為數(shù)列。單回路控制系統(tǒng)是采用PＩＤ控制器直接控制流量。在同樣位置加入流量的階躍干擾信號,將仿真結(jié)果輸出到工作區(qū)域Ｃ中，存儲方式為數(shù)列。只有當單回路控制系統(tǒng)的階越響應(yīng)曲線與串級控制系統(tǒng)的階越響應(yīng)曲線比較近似，并施加同樣的干擾信號，其抗干擾能力才具有可比性.在無干擾信號時,調(diào)節(jié)單回路控制系統(tǒng)參數(shù),使響應(yīng)曲線接近同樣階躍信號作用下串級控制系統(tǒng)響應(yīng)曲線。再加入干擾信號，對于圖4。６和圖4。7中的兩個控制系統(tǒng)仿真,其仿真時間均設(shè)為4000s，采樣時間設(shè)為20ｓ。干擾信號階越時刻為200０s，階越初值0，階越終值１8。仿真后結(jié)果分別存儲于工作區(qū)域B、C中，將兩系統(tǒng)響應(yīng)數(shù)據(jù)在同一張圖內(nèi)進行比較，需在Matlab中編寫程序如下:x=0：20:4０00；plot（x,b，x，c)grid圖４.8兩種控制系統(tǒng)抗干擾能力比較圖圖４．8、４.9、4。１0中綠色曲線是單回路控制系統(tǒng)響應(yīng)曲線，藍色曲線是串級控制系統(tǒng)響應(yīng)曲線。首先放大圖中兩系統(tǒng)階躍響應(yīng)部分，在圖４。9中可見兩控制系統(tǒng)在上升段基本重合，調(diào)節(jié)時間基本相同，單回路控制系統(tǒng)階躍響應(yīng)超調(diào)量偏大，綜合各種指標可認為兩系統(tǒng)在階躍信號下控制效果大致相同.在兩控制系統(tǒng)控制效果相同的情況下，加入干擾信號,如圖4.１0，單回路控制系統(tǒng)在干擾信號的作用下，最大偏差達到0.4,為穩(wěn)態(tài)值的2％，在曲線末端甚至出現(xiàn)小幅度波動。而串級控制系統(tǒng)在干擾信號的作用下，最大偏差僅在0．1左右,可認為系統(tǒng)仍處于的特點穩(wěn)定狀態(tài),兩者抗干擾能力十分懸殊.充分證明了串級控制抑制二次干擾能力強。圖４。9兩種控制系統(tǒng)階越響應(yīng)比較圖(放大)圖4。1０擾動時刻響應(yīng)曲線（放大)5結(jié)論致謝首先,我要衷心感謝我的指導(dǎo)老師孫虹老師，沒有她的悉心指導(dǎo)，我也不會這么順利的完成我的畢業(yè)設(shè)計.其次,我要感謝我的母校，四年來，在母校的栽培下，使我順利的完成了學(xué)業(yè),并且給我的學(xué)生時代劃上了完美的句點。最后,我要感謝我的父母，是他們的無私奉獻供養(yǎng)了我上大學(xué)，我才會有今天的成績，衷心的感謝他們！本次畢業(yè)設(shè)計從一接到任務(wù)書，就在孫虹老師的悉心指導(dǎo)下，還有我自己的查閱資料，我了解到了串級控制的作用，還有PID控制的作用,也知道了MATＬＡB軟件使得工程應(yīng)用變得更加快捷和方便。同時了解綜合應(yīng)用過程控制理論以及近年來興起的仿真技術(shù)、計算機遠程控制、組態(tài)軟件,設(shè)計了鍋爐溫度流量串級控制系統(tǒng)。從而一步步的順利完成任務(wù)。在此過程當中，我學(xué)到了很多有用的東西,讓我把整個本科知識又回顧了一遍,為以后進入社會打下了良好的基礎(chǔ)，同時在查閱資料的過程當中也學(xué)到許多,新的或者以前未掌握的知識,在此,我要感謝學(xué)校能夠給我這次畢業(yè)設(shè)計的機會，讓我從中受益匪淺。參考文獻[１]胡壽松主編。自動控制原理(第五版)。科學(xué)出版社.２007［2］張曉華主編?？刂葡到y(tǒng)數(shù)字仿真與CAＤ。機械工業(yè)出版社。1９９9［３]于海生主編．計算機控制技術(shù).機械工業(yè)出版社．2007［４]劉文定，王東林主編.過程控制系統(tǒng)的MAＴＬAＢ仿真。機械工業(yè)出版社。20０9［5］薛定宇主編?？刂葡到y(tǒng)計算機輔助設(shè)計——MＡＴLAB語言與應(yīng)用。清華大學(xué)出版社。200６［6]ＴheMathＷorｋs。Ｉcn《MATLABHELＰ》2004[7］ICPDAS《UserMａnｕal》2０0０[8］邵裕森,戴先中《過程控制工程》北京機械工業(yè)出版社２0００PID控制簡介當今的自動控制技術(shù)都是基于反饋的概念.反饋理論的要素包括三個部分：測量、比較和執(zhí)行。測量關(guān)心的變量，與期望值相比較，用這個誤差糾正調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的響應(yīng)。這個理論和應(yīng)用自動控制的關(guān)鍵是,做出正確的測量和比較后，如何才能更好地糾正系統(tǒng)。PID（比例—積分－微分）控制器作為最早實用化的控制器已有50多年歷史，現(xiàn)在仍然是應(yīng)用最廣泛的工業(yè)控制器。PID控制器簡單易懂，使用中不需精確的系統(tǒng)模型等先決條件，因而成為應(yīng)用最為廣泛的控制器。ＰIＤ控制器由比例單元（Ｐ）、積分單元（I)和微分單元（D)組成。它由于用途廣泛、使用靈活，已有系列化產(chǎn)品，使用中只需設(shè)定三個參數(shù)(Kp,Ti和Td)即可。在很多情況下，并不一定需要全部三個單元，可以取其中的一到兩個單元,但比例控制單元是必不可少的.首先,ＰID應(yīng)用范圍廣。雖然很多工業(yè)過程是非線性或時變的，但通過對其簡化可以變成基本線性和動態(tài)特性不隨時間變化的系統(tǒng),這樣PID就可控制了。其次,ＰID參數(shù)較易整定。也就是,PID參數(shù)Kｐ，Ti和Ｔd可以根據(jù)過程的動態(tài)特性及時整定。如果過程的動態(tài)特性變化，例如可能由負載的變化引起系統(tǒng)動態(tài)特性變化，PID參數(shù)就可以重新整定。第三，PＩD控制器在實踐中也不斷的得到改進,下面是兩個改進的例子。在工廠，總是能看到許多回路都處于手動狀態(tài)，原因是很難讓過程在“自動”模式下平穩(wěn)工作。由于這些不足，采用PIＤ的工業(yè)控制系統(tǒng)總是受產(chǎn)品質(zhì)量、安全、產(chǎn)量和能源浪費等問題的困擾.PID參數(shù)自整定就是為了處理ＰＩD參數(shù)整定這個問題而產(chǎn)生的。現(xiàn)在，自動整定或自身整定的PID控制器已是商業(yè)單回路控制器和分散控制系統(tǒng)的一個標準。在一些情況下針對特定的系統(tǒng)設(shè)計的PID控制器控制得很好，但它們?nèi)源嬖谝恍﹩栴}需要解決：如果自整定要以模型為基礎(chǔ),為了ＰＩD參數(shù)的重新整定在線尋找和保持好過程模型是較難的。閉環(huán)工作時，要求在過程中插入一個測試信號。這個方法會引起擾動，所以基于模型的PID參數(shù)自整定在工業(yè)應(yīng)用不是太好.如果自整定是基于控制律的，經(jīng)常難以把由負載干擾引起的影響和過程動態(tài)特性變化引起的影響區(qū)分開來,因此受到干擾的影響控制器會產(chǎn)生超調(diào)，產(chǎn)生一個不必要的自適應(yīng)轉(zhuǎn)換。另外,由于基于控制律的系統(tǒng)沒有成熟的穩(wěn)定性分析方法，參數(shù)整定可靠與否存在很多問題.因此，許多自身整定參數(shù)的PＩＤ控制器經(jīng)常工作在自動整定模式而不是連續(xù)的自身整定模式。自動整定通常是指根據(jù)開環(huán)狀態(tài)確定的簡單過程模型自動計算PIＤ參數(shù).PIＤ在控制非線性、時變、耦合及參數(shù)和結(jié)構(gòu)不確定的復(fù)雜過程時,工作地不是太好.最重要的是，如果ＰＩＤ控制器不能控制復(fù)雜過程，無論怎么調(diào)參數(shù)都沒用。雖然有這些缺點,ＰID控制器是最簡單的有時卻是最好的控制器目前工業(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)代控制理論和智能控制理論三個階段.智能控制的典型實例是模糊全自動洗衣機等。自動控制系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。一個控制系統(tǒng)包括控制器、傳感器、變送器、執(zhí)行機構(gòu)、輸入輸出接口?？刂破鞯妮敵鼋?jīng)過輸出接口、執(zhí)行機構(gòu),加到被控系統(tǒng)上；控制系統(tǒng)的被控量,經(jīng)過傳感器，變送器，通過輸入接口送到控制器。不同的控制系統(tǒng)，其傳感器、變送器、執(zhí)行機構(gòu)是不一樣的。比如壓力控制系統(tǒng)要采用壓力傳感器。電加熱控制系統(tǒng)的傳感器是溫度傳感器。目前，PＩD控制及其控制器或智能PID控制器（儀表)已經(jīng)很多,產(chǎn)品已在工程實際中得到了廣泛的應(yīng)用，有各種各樣的PＩD控制器產(chǎn)品，各大公司都開發(fā)了具有PＩD參數(shù)自整定功能的智能調(diào)節(jié)器(ｉｎteｌliｇeｎtregｕlatｏr),其中PIＤ控制器參數(shù)的自動調(diào)整是通過智能化調(diào)整或自校正、自適應(yīng)算法來實現(xiàn)。有利用PID控制實現(xiàn)的壓力、溫度、流量、液位控制器，能實現(xiàn)ＰID控制功能的可編程控制器（PLC)，還有可實現(xiàn)PID控制的PＣ系統(tǒng)等等.可編程控制器(ＰLＣ）是利用其閉環(huán)控制模塊來實現(xiàn)PID控制,而可編程控制器（PLＣ)可以直接與ControｌＮet相連,如Rｏｃkwell的ＰLC－5等。還有可以實現(xiàn)PＩD控制功能的控制器,如Rockwelｌ的Logｉｘ產(chǎn)品系列，它可以直接與ＣoｎｔｒolＮeｔ相連,利用網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)其遠程控制功能.1、開環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)是指被控對象的輸出(被控制量)對控制器的輸出沒有影響。在這種控制系統(tǒng)中,不依賴將被控量反送回來以形成任何閉環(huán)回路。2、閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)的特點是系統(tǒng)被控對象的輸出(被控制量）會反送回來影響控制器的輸出,形成一個或多個閉環(huán)。閉環(huán)控制系統(tǒng)有正反饋和負反饋,若反饋信號與系統(tǒng)給定值信號相反，則稱為負反饋,若極性相同,則稱為正反饋,一般閉環(huán)控制系統(tǒng)均采用負反饋，又稱負反饋控制系統(tǒng).閉環(huán)控制系統(tǒng)的例子很多.比如人就是一個具有負反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng),眼睛便是傳感器，充當反饋，人體系統(tǒng)能通過不斷的修正最后作出各種正確的動作。如果沒有眼睛，就沒有了反饋回路，也就成了一個開環(huán)控制系統(tǒng)。另例，當一臺真正的全自動洗衣機具有能連續(xù)檢查衣物是否洗凈，并在洗凈之后能自動切斷電源，它就是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。3、階躍響應(yīng)階躍響應(yīng)是指將一個階躍輸入（stepｆuｎctｉon）加到系統(tǒng)上時，系統(tǒng)的輸出。穩(wěn)態(tài)誤差是指系統(tǒng)的響應(yīng)進入穩(wěn)態(tài)后，系統(tǒng)的期望輸出與實際輸出之差。控制系統(tǒng)的性能可以用穩(wěn)、準、快三個字來描述。穩(wěn)是指系統(tǒng)的穩(wěn)定性，一個系統(tǒng)要能正常工作,首先必須是穩(wěn)定的，從階躍響應(yīng)上看應(yīng)該是收斂的；準是指控制系統(tǒng)的準確性、控制精度,通常用穩(wěn)態(tài)誤差來描述，它表示系統(tǒng)輸出穩(wěn)態(tài)值與期望值之差；快是指控制系統(tǒng)響應(yīng)的快速性，通常用上升時間來定量描述.4、PID控制的原理和特點在工程實際中，應(yīng)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,又稱PID調(diào)節(jié)。PID控制器問世至今已有近7０年歷史，它以其結(jié)構(gòu)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(shù)之一.當被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時，控制理論的其它技術(shù)難以采用時,系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定,這時應(yīng)用PIＤ控制技術(shù)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(shù)。PＩD控制，實際中也有PＩ和PＤ控制。PＩD控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差,利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制的.比例（P)控制比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系。當僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差。積分(Ｉ）控制在積分控制中,控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關(guān)系。對一個自動控制系統(tǒng),如果在進入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差,在控制器中必須引入“積分項”.積分項對誤差取決于時間的積分,隨著時間的增加,積分項會增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大,它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減小,直到等于零。因此,比例+積分（PI）控制器，可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差.微分（D）控制在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率)成正比關(guān)系。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)。其原因是由于存在有較大慣性組件(環(huán)節(jié)）或有滯后組件,具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。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(yīng)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，而目前需要增加的是“微分項”，它能預(yù)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。設(shè)計題目:基于單片機的流量控制系統(tǒng)設(shè)計學(xué)生姓名：專業(yè)：測控技術(shù)與儀器班級學(xué)號:指導(dǎo)教師設(shè)計時間:2０10。６．28—2００8。7.1１《過程控制系統(tǒng)》課程設(shè)計任務(wù)書專業(yè)測控技術(shù)與儀器班級姓名設(shè)計題目:基于單片機的流量控制系統(tǒng)設(shè)計一、設(shè)計實驗條件過程控制系統(tǒng)實驗室實驗系統(tǒng)二、設(shè)計任務(wù)1、設(shè)計電磁流量計為流量傳感器，單片機為核心流量控制系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由水泵、水泵電機、流量傳感器、電動閥門、閥門電機、單片機控制系統(tǒng)等組成。2、寫出流量控制過程，繪制控制系統(tǒng)組成框圖3、利用單片機對流量進行控制（1)系統(tǒng)硬件電路設(shè)計單片機采用89Ｓ52；設(shè)計鍵盤及顯示電路，電機控制電路（可控硅,光電耦合器）。(2）編制流量控制程序三、設(shè)計說明書的內(nèi)容設(shè)計題目與設(shè)計任務(wù)(設(shè)計任務(wù)書)前言(緒論)(設(shè)計的目的、意義等）主體設(shè)計部分參考文獻結(jié)束語四、設(shè)計時間與設(shè)計時間安排１、設(shè)計時間:2周2、設(shè)計時間安排:熟悉實驗設(shè)備、實驗、收集資料：4天設(shè)計計算、繪制技術(shù)圖紙：４天編寫課程設(shè)計說明書：5天答辯：1天一，流量控制系統(tǒng)設(shè)計意義工業(yè)生產(chǎn)中過程控制是流量測量與儀表應(yīng)用的一大領(lǐng)域，流量與溫度、壓力和物位一起統(tǒng)稱為過程控制中的四大參數(shù)，人們通過這些參數(shù)對生產(chǎn)過程進行監(jiān)視與控制。對流體流量進行正確測量和調(diào)節(jié)是保證生產(chǎn)過程安全經(jīng)濟運行、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低物質(zhì)消耗、提高經(jīng)濟效益、實現(xiàn)科學(xué)管理的基礎(chǔ).流量的檢測和控制在化工、能源電力、冶金、石油等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。【１】在天然氣工業(yè)蓬勃發(fā)展的現(xiàn)在，天然氣的計量引起了人們的特別關(guān)注，因為在天然氣的采集、處理、儲存、運輸和分配過程中，需要數(shù)以百萬計的流量計,其中有些流量計涉及到的結(jié)算金額數(shù)字巨大，對測量和控制準確度和可靠性要求特別高。此外，在環(huán)境保護領(lǐng)域，流量測量儀表也扮演著重要角色。人們?yōu)榱丝刂拼髿馕廴荆仨殞ξ廴敬髿獾臒煔庖约捌渌麥厥覛怏w排放量進行監(jiān)測;廢液和污水的排放，使地表水源和地下水源受到污染，人們必須對廢液和污水進行處理,對排放量進行控制.于是數(shù)以百萬計的煙氣排放點和污水排放口都成了流量測量對象.同時在科學(xué)試驗領(lǐng)域，需要大量的流量控制系統(tǒng)進行仿真與試驗。流量計在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、水利建設(shè)、生物工程、管道輸送、航天航空、軍事領(lǐng)域等也都有廣泛的應(yīng)用。二，系統(tǒng)方案１、方案整體思路液體流量控制通常采用電動調(diào)節(jié)閥實現(xiàn)，近年來,電動調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)和控制方式發(fā)生了很大的變化，隨著計算機進入控制領(lǐng)域，以及新型的電力電子功率元器件的不斷出現(xiàn)，使采用全控制的開關(guān)功率元件進行脈寬調(diào)制（ｐulsｅwiｄthmoduｌation,簡稱PWM）控制方式得到了廣泛的應(yīng)用。這種控制方式很容易在單片機中實現(xiàn)，從而為電動調(diào)節(jié)閥的控制數(shù)字化提供了基礎(chǔ)。將偏差的比例（propｏrtｉon）、積分（inｔegral）、微分（dｉffｅrentiaｌ）通過線性組合構(gòu)成數(shù)字控制量,構(gòu)成數(shù)字PID控制器,它具有非常強的靈活性，可以根據(jù)試驗和經(jīng)驗在線調(diào)整參數(shù)，因此可以得到更好的控制性能。本系統(tǒng)采用C51系列的8９Ｓ52單片機為核心，通過設(shè)置89S５2單片機的定時器產(chǎn)生脈寬可調(diào)的PWM波【2】,對閥門電機的輸入電壓進行調(diào)制，實現(xiàn)閥門開度的變化，進而實現(xiàn)了對液體流量的控制。單片機通過電磁流量計采集實際流量信號，根據(jù)該信號對其內(nèi)部采用數(shù)字PＩD算法對PＷM變量的值進行修改,從而達到對流量的閉環(huán)精確控制。2、實現(xiàn)流程流量控制系統(tǒng)是一個過程控制系統(tǒng)，在設(shè)計的過程中,必須明確它的組成部分。過程控制系統(tǒng)的組成部分有：控制器、執(zhí)行器、被控對象和測量變送單元,其框圖如圖1所示.直流電機直流電機PID控制器閥門設(shè)定值流量輸出圖1流量過程控制組成框圖電磁流量計：對輸出流量進行檢測，并與設(shè)定值比較，差值作為控制器的輸入。PID控制器：對差值進行Ｐ、I、D運算,輸出對應(yīng)得模擬量控制電機正反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)速.直流電機:根據(jù)控制器輸出正反轉(zhuǎn)，控制閥門開度增大或減小。閥門:直接控制流量的執(zhí)行機構(gòu).所以，在這個系統(tǒng)的設(shè)計中，主要設(shè)計以上幾個部分.除此之外,根據(jù)題目要求，還要選取合適的控制算法來達到滿足系統(tǒng)參數(shù)的要求。具體就是確定控制器的算法和如何控制閥門開度,因為這兩部分是實現(xiàn)本系統(tǒng)控制目的的關(guān)鍵。它們選取的好壞將直接影響著整個系統(tǒng)實現(xiàn)效果的優(yōu)劣.3、控制器算法與PWM波形輸出流量是一個普通而又重要的物理量，在許多領(lǐng)域里人們需對它進行測量和控制.本系對流量控制采用PIＤ算法，它具有結(jié)構(gòu)簡單、易于理解和實現(xiàn)，且一些高級控制都是以PID為基礎(chǔ)改進的.在工業(yè)過程控制中９０%以上的控制系統(tǒng)回路具有ＰID結(jié)構(gòu)，圖2ＰＩD控制原理框圖PID調(diào)節(jié)器的離散化表達式為比例調(diào)節(jié)的作用是使調(diào)節(jié)過程趨于穩(wěn)定,但會產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)誤差；積分作用可消除被調(diào)量的穩(wěn)態(tài)誤差，但可能會使系統(tǒng)振蕩甚至使系統(tǒng)不穩(wěn)定;微分作用能有效的減小動態(tài)偏差。PWM波形輸出:用89S52單片機的定時器0和定時器1交替工作，產(chǎn)生連續(xù)的與偏差大小有關(guān)的占空比可調(diào)的ＰWＭ波形.首先，定時器０定時時間到,產(chǎn)生中斷,置位ＰWM輸出口并開啟定時器1，定時器1定時期間PWM輸出高電平，且定時器1的定時時間可調(diào),與偏差的ＰIＤ運算結(jié)果有關(guān)，所以能輸出占空比變化的PWM波，控制電機轉(zhuǎn)動,進而控制閥門開度和流量.三、系統(tǒng)硬件設(shè)計1、總體設(shè)計框圖及說明本系統(tǒng)是一個簡單的單回路控制系統(tǒng).為了實現(xiàn)流量的自動測量和控制，采用了89S５2單片機作為系統(tǒng)的控制中心，由數(shù)據(jù)采集模塊檢測到的流量信號傳入單片機，并根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)進行處理和控制運算，同時將數(shù)據(jù)保存，以便與下一次采樣值進行比較,根據(jù)系統(tǒng)程序控制，進行ＰＩD運算以及PＷM輸出控制電機轉(zhuǎn)速，最終由CPU控制電機正反轉(zhuǎn),達到調(diào)節(jié)流量的目的.系統(tǒng)還具有鍵盤設(shè)定模塊，便于用戶與系統(tǒng)之間的對話。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)較簡單，由若干個功能模塊組成。具體結(jié)構(gòu)圖圖3及說明如下,89S52單片機鍵盤數(shù)據(jù)采集直流電機閥門數(shù)據(jù)顯示圖3功能模塊結(jié)構(gòu)圖鍵盤設(shè)定：設(shè)定控制系統(tǒng)要求的流量大小。數(shù)據(jù)采集：用滑動變阻器分壓模擬流量大小。直流電機：接收單片機的控制信號進行正反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié),帶動閥門轉(zhuǎn)動。2、部分外部電路設(shè)計２.1數(shù)碼管顯示電路采用四聯(lián)排共陰極數(shù)碼管進行顯示，具有四位數(shù)碼管,這四個數(shù)碼管的段選a、b、c、d、ｅ、f、g分別接在一起,每一個都擁有一個共陰的位選端。P3口控制數(shù)碼管的點亮情況。因為單片機的IO口輸出功率有限，需要使用74ＬＳ37４芯片進行鎖存。此外還用一個電阻R－PＡCＫ8來保護LED。2.2、直流電機控制電路直流電機以其良好的線性特性、優(yōu)異的控制性能等特點成為大多數(shù)變速運動控制和閉環(huán)位置伺服控制系統(tǒng)的最佳選擇。特別隨著計算機在控制領(lǐng)域,高開關(guān)頻率、全控型第二代電力半導(dǎo)體器件（ＧTR、ＧTO、MＯSFET、IGBT等）的發(fā)展，以及脈寬調(diào)制（PＷＭ）直流調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用,直流電機得到廣泛應(yīng)用。為適應(yīng)小型直流電機的使用需求，各半導(dǎo)體廠商推出了直流電機控制專用集成電路，構(gòu)成基于微處理器控制的直流電機伺服系統(tǒng).但是,專用集成電路構(gòu)成的直流電機驅(qū)動器的輸出功率有限,不適合大功率直流電機驅(qū)動需求。因此采用三極管構(gòu)建H橋【３】,實現(xiàn)大功率直流電機驅(qū)動控制。該驅(qū)動電路能夠滿足各種類型直流電機需求,并具有快速、精確、高效、低功耗等特點，可直接與微處理器接口,可應(yīng)用PWＭ技術(shù)實現(xiàn)直流電機調(diào)速控制.單片機的P10引腳輸出高低電平控制電機的正反轉(zhuǎn),P１1輸出PWM波形控制電機轉(zhuǎn)速.具體為：①當Ｐ１0為高電平時，三極管Q3、Q2導(dǎo)通,所以Ｑ4導(dǎo)通，而Q2導(dǎo)通鉗制電位為0.9Ｖ，所以不論P1１是高還是低,Q1、Q７都不導(dǎo)通，即電機電流從左向右流，電機正轉(zhuǎn)。②當P10為低電平,Q3Ｑ2不導(dǎo)通，所以Q４不導(dǎo)通。當Ｐ11為高電平時電機反轉(zhuǎn)，當Ｐ1１為低電平是,電機停轉(zhuǎn)。四系統(tǒng)軟件設(shè)計１、程序結(jié)構(gòu)說明任何一個系統(tǒng)的軟件設(shè)計都離不開硬件電路的連接，所以本課題硬件設(shè)計的高度模塊化決定了軟件設(shè)計的模塊化。主要包括：主控程序模塊、鍵盤掃描及處理子程序、采樣數(shù)據(jù)處理子程序、PID算法子程序、電機驅(qū)動與控制子程序和顯示等子程序幾個部分。結(jié)構(gòu)圖如下:主程序主程序鍵盤輸入數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)采集PID運算直流電機圖４程序結(jié)構(gòu)圖主控程序模塊在整個結(jié)構(gòu)中充當管理者,管理所有子程序的調(diào)用，就相當于個人計算機的操作系統(tǒng)。它主要負責(zé)初始化各個Ｉ/O口，等待鍵盤事件的發(fā)生，并作出相應(yīng)的處理。并在適當?shù)臅r候調(diào)用數(shù)據(jù)采樣程序,并將采樣到的數(shù)據(jù)與鍵盤設(shè)定值比較.再通過ＰＩD計算后用以控制電機轉(zhuǎn)動，從而控制閥門開度，來達到流量的準確控制.２、程序流程圖及部分程序２。1主程序說明２。1。1主程序流程圖開始開始系統(tǒng)初始化SW=1?？？？AD轉(zhuǎn)換鍵盤設(shè)定鍵盤設(shè)定鍵盤設(shè)定DR=1？？？？？電機正轉(zhuǎn)電機反轉(zhuǎn)NYYN圖5主程序流程圖2．１。2主程序具體程序:/＊＊****＊**＊*＊＊＊＊*＊＊＊＊主函數(shù)*＊＊＊＊＊＊*＊*＊＊＊**＊＊*＊＊**＊**＊/main(）//主程序{TＭOＤ=０x2１;/／0b00100001timer0模式1(１6位)，tiｍｅr1自動重裝載TH0＝0xfc；//１ms延時常數(shù)1２MＴL0=０x1８；//低電平時間調(diào)節(jié)TH1＝0x7f;／/定時器1賦初值TＬ１=0;EA=1;ET０=1；EＴ1=1；／/開中斷wｈile（1){iｆ(sｗ=＝1)／/循環(huán)判斷開關(guān)狀態(tài)，并執(zhí)行相應(yīng)的程序｛AD_ｖaｌ(）；//調(diào)用TＣL549采集處理displａｙ（uuu);｝else{KＢ_Scａn1（)；dispｌaｙ（sc);}PIＤ()；｝／/每個循環(huán)的最后執(zhí)行一次PＩD運算，實時控制電機}從主程序中可以看出,在進行一系列程序調(diào)用之前對系統(tǒng)進行初始化，然后判斷開關(guān)狀態(tài)程序有所反應(yīng).然后進行一系列子程序,進行A/Ｄ轉(zhuǎn)換和PID計算,將其結(jié)果用來控制直流電機。2.2鍵盤程序2.２。1鍵盤掃描及鍵值識別的原理【4】由于機械觸點有彈性，在按下或彈起按鍵時會出現(xiàn)抖動，從最初按下到接觸穩(wěn)定要經(jīng)過數(shù)毫秒的彈跳時間，如圖所示.為了保證探險鍵識別的準確性,必須消除抖動。消抖處理有硬件和軟件兩種方法:硬件消抖是利用加支抖動電路濾避免產(chǎn)生抖動信號;軟件消抖是利用數(shù)字濾波技術(shù)來消除抖動。我們采用軟件的方法，利用主程序循環(huán)掃描，主程序每循環(huán)一次掃描到的鍵值相同時，則說明是某鍵按下。對于鍵值識別，我們用一條switch語句，把按鍵的編碼和鍵值對應(yīng)起來。2．2.2鍵盤具體程序vｏidKB＿Scan１(void){uchａrtmp,liｎe，ｉ,fｌag,ｐress；//定義局部變量iｆ（liｅ1==０｜lie2=＝0|ｌie3==０）return;/／判斷是否有鍵按下，如有,返回。消除重鍵問題ｌine=0xＦＥ；ｆor(i＝1；i〈=4;ｉ＋+）{P２=ｌinｅ；／/依次給P2口低四位送低電平，讀高四位判斷是否有鍵按下。tmp=Ｐ２；/／讀取鍵盤口數(shù)據(jù)寄存器tmp＆＝0x７０;if(tmp！=0x70){tmp=P2；flag=1；brｅak;}elseline＝(linｅ<＜1）|0x01；}if(i==5){ｔｍp=0xFF;flag=0；｝ｓwitch（tｍp）//用switｃh語句把編碼轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的鍵值。｛case0xEE:presｓ=1；ｂreａk；caｓe0xDE:presｓ=2;breａｋ；ｃase0xBE：press＝３;brｅak;case０xＥＤ:press=４；breａk；case０xＤD：ｐrｅｓs=5;ｂreak；casｅ0xBD：press=6；bｒeaｋ；case0xEB:preｓs=7；bｒｅak;case0xDＢ:press=8；brｅaｋ；ｃａse０xＢＢ：ｐreｓs=9;brｅａk；case0xＤ7：press=０;brｅaｋ;default：break;｝ｉf（flａg=＝1）/／如果有鍵按下,把每次的值存放到bｕf［］中，方便以后調(diào)用.｛buｆ［2］=ｂuf[１］；buｆ［1］=bｕf[0］;bｕf［0］=pｒess；}}2。3數(shù)字PID及電機控制程序由于單片機控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時刻的偏差值計算控制量【５】，所以一般使用增量型控制，它控制穩(wěn)定，誤動作影響小。其算式如下:這個計算的過程可用一個簡單的程序來實現(xiàn)./*＊**＊＊＊＊＊＊＊*＊*＊PIＤ服務(wù)程序＊*******＊＊＊＊*／voiｄPID（){douｂleｅ０,ｅ１，e２；ucｈardu，out1；ucｈarkp=１6,kｄ＝0，ki=0；／/ｔｓ＝1；e０＝e１；e1=e2；e2=(ｓc-uｕｕ）;///10;/／設(shè)定值－采集量ｉf(e2〉＝0)｛ｄirecｔion=１；//設(shè)定值-采集量>０,電機正轉(zhuǎn)，開大閥門。if（e２〉＝20)//測得偏差值與設(shè)定偏差值進行比較,若不在設(shè)定范圍內(nèi)則滿功率正轉(zhuǎn)。｛TR0=0；PWM=1；｝else{du=１0＊ｅ2;//(ｅ2-e1）+ki*e2+ｋｄ＊（e2－２＊ｅ1＋e0)；//ＰID算法ｏｕt1=dｕ;/／+oｕt０；TR0=1；／／若到達設(shè)定范圍則調(diào)用PIＤ程序，進行有效功率轉(zhuǎn)動.}}elseiｆ（ｅ２＜0){ｄirectｉｏｎ=0；//設(shè)定值—采集量<0，電機反轉(zhuǎn)，關(guān)小閥門。iｆ(e２〈-２0）//測得偏差值與設(shè)定偏差值進行比較,若不在設(shè)定范圍內(nèi)則滿功率反轉(zhuǎn).{TR0=0;ＰWＭ=1；｝eｌse｛du＝10*ｅ2；／/（ｅ2—e1)+ｋi*e2+kd*(e2－２＊e1+ｅ0);／/PIＤ算法out1=—du;//+oｕｔ０；TR0=１;/／若到達設(shè)定范圍則調(diào)用PＩD程序