基于ARM Cortex-M0具有遠(yuǎn)程通信功能的小型閥門控制器設(shè)計(jì)

1、 編號(hào) 南京航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)題 目基于ARM Cortex-M0具有遠(yuǎn)程通信功能的小型閥門控制器設(shè)計(jì)學(xué)生姓名學(xué) 號(hào)學(xué) 院專 業(yè)班 級指導(dǎo)教師二一三年六月南京航空航天大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）誠信承諾書本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）（題目：基于ARM Cortex-M0具有遠(yuǎn)程通信功能的小型閥門控制器設(shè)計(jì)）是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的成果。盡本人所知，除了畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。作者簽名： 年 月 日 （學(xué)號(hào)）： 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙30。圖 3. SEQ 圖_3. * ARABIC

2、10 PID算法流程圖因?yàn)镻ID控制是一種線性控制，上圖中它根據(jù)給定值ui(k)與實(shí)際輸出值ur構(gòu)成控制偏差e(k)=ui(k)ur （1.1）根據(jù)e(k)，分別計(jì)算變比例系數(shù)Pp(k)、變積分時(shí)間系數(shù)pi(k)、變微分時(shí)間系數(shù)Pd(k).。進(jìn)行Kp、Ki、Kd整定之后，然后計(jì)算總體控制系數(shù)u(k)。ut=或者寫成傳遞函數(shù)形式：Gs=式中，Kp比例系數(shù)，Ki積分時(shí)間常數(shù)；Kd微分時(shí)間常數(shù)。參數(shù)的選擇： 1.比例系數(shù)P對系統(tǒng)性能的影響：比例系數(shù)加大，使系統(tǒng)的動(dòng)作靈敏，速度加快，穩(wěn)態(tài)誤差減小；P偏大，振蕩次數(shù)加多，調(diào)節(jié)時(shí)間加長；P太大時(shí)，系統(tǒng)會(huì)趨于不穩(wěn)定；P太小，又會(huì)使系統(tǒng)的動(dòng)作緩慢。P可以選負(fù)數(shù)

3、，這主要是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感器以及控制對象的特性決定的。如果P的符號(hào)選擇不當(dāng)對象測量值就會(huì)離控制目標(biāo)的設(shè)定值越來越遠(yuǎn)，如果出現(xiàn)這樣的情況P的符號(hào)就一定要取反。同時(shí)要注意的是，力控的策略控制器的PID控制塊的P參數(shù)是PID控制中的增益。2.積分控制I對系統(tǒng)性能的影響：積分作用使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，I?。ǚe分作用強(qiáng)）會(huì)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。3.微分控制D對系統(tǒng)性能的影響：微分作用可以改善動(dòng)態(tài)特性，D偏大時(shí)，超調(diào)量較大，調(diào)節(jié)時(shí)間較短；D偏小時(shí)，超調(diào)量也較大，調(diào)節(jié)時(shí)間也較長；只有D合適，才能使超調(diào)量較小，減短調(diào)節(jié)時(shí)間。簡單來說，PID控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下：1.比例環(huán)節(jié)：

4、成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)e（k），偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差。2.積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)T_I，T_I越大，積分主用越強(qiáng)，反之越弱。3.微分環(huán)節(jié)：反映偏差信號(hào)的變化趨勢（變化速率），并能在偏差信號(hào)變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。PID 調(diào)節(jié)算法中參數(shù)的選擇是關(guān)系到PID 調(diào)節(jié)性能好壞的關(guān)鍵所在.。簡單地用試湊法來整定PID 的調(diào)節(jié)參數(shù),需要進(jìn)行多次的模擬及現(xiàn)場試驗(yàn)才能得到所需參數(shù).。若先將調(diào)節(jié)器設(shè)為純比例調(diào)節(jié)器，并使之形成閉環(huán)，再根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù),使系統(tǒng)對階躍

5、輸入響應(yīng)達(dá)到臨界振蕩狀態(tài)，這時(shí)的比例系數(shù)記為Kr ，臨界振蕩的周期記為Tr。根據(jù)齊格勒2尼柯爾斯(Ziegle2Nichols) 提供的經(jīng)驗(yàn)公式就可以由以上2個(gè)基準(zhǔn)參數(shù)求得不同類型調(diào)節(jié)器的參數(shù),考慮到控制對象是閥門，經(jīng)過反復(fù)的試驗(yàn)最后確定初始比例常數(shù)Kp = 4. 5 、積分常數(shù)Ti = 9. 0 、微分常數(shù)Td = 2. 16。 PID 調(diào)節(jié)算法中還有一個(gè)重要的參數(shù):系統(tǒng)的采樣周期T。 從物理意義上看采樣周期的大小取決于被控參數(shù)的變化速率和被控過程對控制量的響應(yīng)快慢. 理論上講采樣周期越短越好，但采樣周期過短,則有可能將高頻噪聲當(dāng)作有用信號(hào)引入系統(tǒng),至使系統(tǒng)發(fā)生不必要的升階.。系統(tǒng)PID 調(diào)

6、節(jié)算法是采用3 字節(jié)的浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算的，每個(gè)浮點(diǎn)數(shù)占用3個(gè)字節(jié)的RAM 單元。首字節(jié)存放的是階碼，其中第7 位存放數(shù)符、第6 位存放階符、剩下6 位存放階碼；其余2個(gè)字節(jié)存放尾數(shù)。為提高系統(tǒng)的抗干擾能力,系統(tǒng)中除了在硬件方面采用濾波、屏蔽、光電隔離、設(shè)置了看門狗電路外；在軟件方面也設(shè)立了軟件陷阱,用以克服可能的程序“跑飛”現(xiàn)象；在數(shù)據(jù)采集中則采用了適合閥門控制的中值濾波技術(shù)，以此來保證系統(tǒng)工作準(zhǔn)確性和可靠性，圖3.11為一次數(shù)據(jù)通過流程。圖 3. SEQ 圖_3. * ARABIC 11 一次系統(tǒng)執(zhí)行圖第四章 系統(tǒng)調(diào)試4.1 系統(tǒng)調(diào)試問題與解決方法因?yàn)楸究刂葡到y(tǒng)中存在多個(gè)電子電路模塊進(jìn)行通信，所以

7、存在著一定的兼容性問題，為了使各個(gè)模塊之間有良好的通信環(huán)境，在電路設(shè)計(jì)和連接上，進(jìn)行了一些相應(yīng)的調(diào)整。 4.1.1 開發(fā)板與PC KEIL uVision4軟件通信調(diào)試。在初次使用NuTiny-SDK-Nano 130開發(fā)板的時(shí)候，安裝好開發(fā)板附帶光盤中130相應(yīng)驅(qū)動(dòng)程序之后，如果連接上開發(fā)板，打開KEIL uVision4之后，會(huì)出現(xiàn)程序下載不進(jìn)去開發(fā)板的情況，解決的方法是點(diǎn)擊Project，點(diǎn)擊Options for Target Devices，在Debug中找到USB，在Setting下拉菜單中選擇Nuvoton Nu-Link M0 Debugger，如下圖4.1所示。設(shè)置以后軟件將

8、對開發(fā)板進(jìn)行自動(dòng)更新，重新連接之后就可以下載程序到Nano 130開發(fā)板。圖 4. SEQ 圖_4. * ARABIC 1 KEIL uVision4調(diào)試圖4.1.2 KEIL uVision4調(diào)試工程。運(yùn)行uVision4。選擇 Project Open Project.，將彈出選擇工程文件的對話框，選擇 Project - Build target 構(gòu)建工程。選擇 Flash - Download 下載程序到Flash中，選擇 Start/Stop Debug session 進(jìn)行調(diào)試。當(dāng)硬件正確配置，程序?qū)⒊晒Φ叵螺d到Flash中，然后即可進(jìn)行調(diào)試，調(diào)試進(jìn)程和uVision4的模擬器有點(diǎn)

9、相似。程序可以運(yùn)行，掛起，單步，斷點(diǎn)可以設(shè)置、清除，變量可以監(jiān)測，內(nèi)存區(qū)域可以讀出/寫入/更改等等。Nuvoton的ICE MCU 支持4 8個(gè)ROM斷點(diǎn)，以及無限制的RAM斷點(diǎn)。其中有一個(gè)被保存用于調(diào)試命令。當(dāng)用戶設(shè)定的斷點(diǎn)達(dá)到上限時(shí)，Keil會(huì)彈出提示對話框。圖 4. SEQ 圖_4. * ARABIC 2 KEIL uVision4調(diào)試工程第五章 結(jié)束語以NuTiny-SDK-Nano 130開發(fā)板作為主要控制系統(tǒng)的小型具有遠(yuǎn)程通信功能的閥門控制器，能夠獨(dú)立接受上位機(jī)或者手動(dòng)控制板紅外信號(hào)發(fā)送的指令并進(jìn)行優(yōu)先級判斷，能根據(jù)閥門現(xiàn)場參數(shù)調(diào)整與靈敏度調(diào)整模塊和閥門位置反饋信號(hào)檢測模塊反饋的數(shù)

10、據(jù)信號(hào)，進(jìn)行獨(dú)立運(yùn)算并發(fā)出開，關(guān)，停等閉環(huán)控制，能夠依照實(shí)時(shí)運(yùn)行情況進(jìn)行判斷，做出故障警報(bào)，應(yīng)急顯示處理等一系列工作；具備遠(yuǎn)程紅外通信功能，能夠在上位機(jī)的監(jiān)控下運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)控制數(shù)字化，網(wǎng)絡(luò)化，智能化和遠(yuǎn)程化，拓寬了各型閥門的使用范圍，節(jié)約了各項(xiàng)成本，達(dá)到了設(shè)計(jì)簡單，動(dòng)作精度符合要求，誤差小，動(dòng)作時(shí)間短的相關(guān)要求。參 考 文 獻(xiàn)馬維華. 微機(jī)原理與接口技術(shù)M. 科學(xué)出版社, 2005.馬維華. 嵌入式系統(tǒng)原理及應(yīng)用M. 北京郵電大學(xué)出版社, 2006.劉麗芬, 胡遠(yuǎn)銀, 柳世青, 等. 閥門在氣力輸送系統(tǒng)中的應(yīng)用與選擇J. 閥門, 2009, 5: 009.鄧秉林. 單片機(jī)在閥門控制系統(tǒng)中的

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17、校驗(yàn)3字節(jié)）共5個(gè)字節(jié)：地址1，命令1（15H）、長度1，校驗(yàn)2主機(jī)發(fā)送：N 01 00 CRC 向N從機(jī)發(fā)讀取輸出狀態(tài)命令,00表示沒有數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)為00從機(jī)應(yīng)答：地址 01 01 1字節(jié)輸出狀態(tài) CRC如：主機(jī)：01 01 00 21 90 CRC=0 x2190 從機(jī)：01 01 01 02 D0 49 CRC=0 xD049從機(jī)向主機(jī)發(fā)送1個(gè)字節(jié)的輸出狀態(tài)：正在開閥（2）02命令 （讀輸入狀態(tài)，除校驗(yàn)3字節(jié)）共5個(gè)字節(jié)：地址1，命令1（02H）、長度1，校驗(yàn)2主機(jī)發(fā)送：N 02 00 CRC 向N從機(jī)發(fā)讀取輸入狀態(tài)命令從機(jī)應(yīng)答：地址 02 01 1字節(jié)輸入狀態(tài) CRC如：主機(jī)讀輸入狀態(tài)的

18、命令主機(jī)：01 02 00 21 60從機(jī)：01 02 01 C4 A0 1B 從機(jī)向主機(jī)發(fā)送1個(gè)字節(jié)的輸入狀態(tài)：遠(yuǎn)程操作、相序錯(cuò)誤、開過力矩（3）04命令 （讀輸入寄存器，除校驗(yàn)3字節(jié)）共5個(gè)字節(jié)：地址1，命令1（04H）、長度1，校驗(yàn)2主機(jī)發(fā)送：01 04 00 22C0 向01號(hào)從機(jī)發(fā)讀取閥門位置命令從機(jī)應(yīng)答：01 04 01 32 C0 5C從機(jī)向主機(jī)發(fā)送閥位信息：50% （010000 x64）（4）05命令 （操作閥門，除校驗(yàn)4字節(jié)）主機(jī)：N 05 01 MM CRC ；命令N號(hào)從機(jī)MM操作從機(jī)：N 05 00 00 CRC共6個(gè)字節(jié)：地址1，命令1（05H）、長度1，數(shù)據(jù)1，校驗(yàn)2開閥主機(jī)發(fā)送：0