数字调节器设计

内蒙古科技大学智能仪表综合训练设计说明书1摘要数字调节器是用数字技术和微电子技术实现闭环控制的调节器，又称数字调节仪表。它接受来自生产过程的测量信号，由内部的数字电路或微处理机作数字处理，按一定调节规律产生输出数字信号或模拟信号驱动执行器，完成对生产过程的闭环控制。本次智能仪表课程设计主要目的是设计一种数字PID调节器。PID控制算法是历史最悠久，生命力最强的一种控制算法。它是迄今为止最通用的控制方法。它提供一种反馈控制，通过积分作用可以消除稳态误差，通过微分作用可以预测未来。本设计的PID数字调节器采用STC89C52RC单片机作为主控单元，采用ADC0832作为A/D转换器，具有数字滤波等功能，通过PID算法实现调节功能，调节器设定值、参数可通过四个独立按键设置，采用LED数字显示，通过AD420模块电路输出模拟信号。关键词:数字调节器；PID控制算法；LED显示；A/D转换器内蒙古科技大学智能仪表综合训练设计说明书2目录摘要.............................................................1第1章前言.......................................................41.1调节器原理与作用..............................................41.2PID控制算法简介..............................................41.2.1模拟PID算法..............................................41.2.2数字PID算法..............................................5第2章总体方案设计................................................6第3章硬件选择与电路设计..........................................73.1单片机选择....................................................73.2最小系统设计................................................83.2.1时钟电路.................................................83.2.2复位电路.................................................83.3A/D转换器ADC0832简介与电路设计..............................93.4LED数码显示方式及电路设计...................................103.4.1静态显示和动态显示.......................................103.4.2LED显示硬件接线图设计....................................103.5按键电路的设计...............................................103.6D/A转换电路设计.............................................113.6.1AD420简介................................................113.6.2D/A转换电路设计..........................................12第4章软件设计...................................................134.1调节器主程序设计.............................................134.2输入与输出模块程序设计.......................................134.2.1输入模块程序设计.........................................134.2.2输出模块程序设计.........................................144.3按键程序设计.................................................15内蒙古科技大学智能仪表综合训练设计说明书34.4PID程序设计.................................................164.5LED程序设计.................................................16第5章软硬件调试.................................................185.1硬件调试.....................................................185.2软件调试.....................................................18第6章总结.......................................................19参考文献..........................................................20附录A........................................................21附录B........................................................22内蒙古科技大学智能仪表综合训练设计说明书4第1章前言1.1调节器原理与作用调节器在自动控制系统中的作用——将测量输入信号值PV与给定值SV进行比较，得出偏差e，然后根据预先设定的控制规律对偏差e进行运算，得到相应的控制值，并通过输出口以4～20mA，DC电流（或1～5V，DC电压）传输给执行器。故此，实际调节器均具有一定数量的输入端口和输出端口。另外，在调节器上一般都有测量值、输出值和给定值的显示功能，极大地方便了人们对仪表的调整及系统监控的操作。1.2PID控制算法简介1.2.1模拟PID算法比例积分微分控制规律(PID)的输入输出关系可用下列公式表示：dtdeTedtTeKuuuuDIcDIP1(1-1)由上式可见，PID控制作用的输出分别是比例、积分和微分三种控制作用输出的叠加。当输入偏差e为一幅值为A的阶跃信号时，实际PID控制器的输出特性如图1.1所示。P1D控制器可以调整的参数是KC、TI、TD。适当选取这三个参数的数值，可以获得较好的控制质量。对式（1）进行拉氏变换，可得PID控制规律的传递函数：sTsTKsGDICC11)((1-2)图1.1PID控制器的输出特性图1.2PID控制规律的Bode图内蒙古科技大学智能仪表综合训练设计说明书5由于PID控制规律综合了比例、积分、微分三种控制规律的优点，具有较好的控制性能，因而应用范围更广，在温度和成分控制系统中得到更为广泛的应用。1.2.2数字PID算法智能调节器运用的都是数字PID，所以将模拟PID理想控制规律：])()(1)([)(0tDIPdttdeTdtteTteKtu(1-3)离散化得数字PID理想控制规律：)]1()([)()()(0kekeTTjeTTkeKkudkjiP(1-4)增量型PID算法：根据上式不难得到第（k-1）个采样周期的控制量，即)]2()1([)()1()1(10kekeTTjeTTkeKkudkjiP(1-5)将式(1-4)与式(1-5)相减，可以得到第k个采样时刻控制量的增量，即)]2()1(2)([)()]1()([)]2()1(2)([)()1()()1(kekekeKkeKkekeKkekekeTTkeTTkekeKkudiPdiP(1-6)式中，pK为比例增益；iK为积分系数，ipiTTKK/；dK为微分系数，TTKKdpd/。由于式(1-6)中对应于第k个采样时刻阀门位置的增量，故称式(1-6)为增量型算式。由此，第k个采样时刻实际控制量为)()1()(kukuku(1-7)为了编写程序方便，将式(1-6)改写为)2()1()()(210keqkeqkeqku(1-8)式中，TTTTKqdip10；TTKqdp211；TTKqdp1。由此可见，要利用)(ku和)1(ku得到)(ku，只需要用到)1(ke,)2(ke和)1(ku三个历史数据。内蒙古科技大学智能仪表综合训练设计说明书6第2章总体方案设计智能调节器由单片机、过程输入/输出通道、人机接口电路以及通信接口电路等部分组成，其结构原理图如图2.1所示。输入接口单片机STC89C52键盘接口键盘LED显示器显示接口来自变送器4-20mA送至执行器4-20mA信号调理A/DADC0832V/I转换输出接口D/ADA420图2.1智能调节器整体设计方框图其中单片机STC89C52RC由CPU、存储器（ROM、EPROM、RAM）、定时/计数器及I/O接口等组成，是智能调节器的核心，用于实现仪表数据运算处理、各组成部分之间的管理。过程输入通道来完成模拟信号的采样、转换，以形成计算机能处理的数字信号；过程输出通道就是把计算机经过一系列处理后的数字信号转换成模拟信号用于输出；显示与键盘都属于人机接口部分，键盘主要用来输入参数等控制信息，LED主要用来显示测量信息和给定信息。人机接口部件一般由操作按钮和显示部件组成，用于实现调节器与使用人员之间的各种信息的交流。通信接口电路主要用于智能调节器与其他控制设备之间的数据通信，大多采用串级传输方式。内蒙古科技大学智能仪表综合训练设计说明书7第3章硬件选择与电路设计3.1单片机选择STC89C52RC是美国Atmel公司生产的低电压、高性能CMOS8位单片机，片内含8KB的可反复檫写的程序存储器和12B的随机存取数据存储器（RAM），器件采用Atmel公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内配置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大的STC89C52RC单片机可灵活应用于各种控制领域。STC89C52RC单片机属于STC89C51RC单片机的增强型，与Intel公司的80XC52在引脚排列、硬件组成、工作特点和指令系统等方面兼容。其管脚图如图3.1。图3.1STC89C52RC管脚图ST89C52RC为40脚双列直插封装的8位通用微处理器，采用工业标准的C51内核，在内部功能及管脚排布上与通用的89XC52相同，其主要用于会聚调整时的功能控制。功能包括对会聚主IC内部寄存器、数据RAM及外部接口等功能部件的初始化，会聚调整控制，会聚测试图控制，红外遥控信号IR的接收解内蒙古科技大学智能仪表综合训练设计说明书8码及与主板CPU通信等。主要管脚有：XTAL1（19脚）和XTAL2（18脚）为振荡器输入输出端口，外接12MHz晶振。RST/Vpd（9脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。VCC（40脚）和VSS（20脚）为供电端口，分别接+5V电源的正负端。P0~P3为可编程通用I/O脚，其功能用途由软件定义，在本设计中，P0端口（32~39脚）被定义为N1功能控制端口，分别与N1的相应功能管脚相连接，13