基于AT90CAN128單片機的高爐燒結(jié)配料控制部分的研究

內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文）PAGEPAGEI內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文）PAGEI基于AT90CAN128單片機的高爐燒結(jié)配料控制部分的研究摘要燒結(jié)生產(chǎn)作為高爐煉鐵順利進行的前提,在冶金生產(chǎn)中起著相當重要的作用。配料是燒結(jié)的重要工藝環(huán)節(jié)之一,為了達到降低燒結(jié)礦成本,提高燒結(jié)礦產(chǎn)量和質(zhì)量的目的,提高配料系統(tǒng)的管理和控制水平成為首要問題。本文詳細地闡述了燒結(jié)配料計算機控制系統(tǒng)的組成。由上位機和下位機構(gòu)成集散控制系統(tǒng)。現(xiàn)在,這一配料過程的計算機控制系統(tǒng)已在現(xiàn)場運行，較好地改變了配料系統(tǒng)的控制質(zhì)量,收到了滿意的使用效果。電子皮帶秤是一種智能化的數(shù)字式動態(tài)稱重顯示儀，由秤量框架、稱重傳感器、測速傳感器和顯示儀表等四大部件組成。其基本原理是物料重量通過稱量框架傳遞給稱重傳感器，變化為毫伏級電信號，再與測速傳感器的皮帶速度脈沖信號一起由顯示智能儀表處理后進行累加顯示。關(guān)鍵詞：高爐燒結(jié)配料；降低燒結(jié)礦成本；提高燒結(jié)礦產(chǎn)量和品質(zhì)；集散控制系統(tǒng)；重量配料PAGEIVPAGE1BasedonsinteringblastfurnaceAT90CAN128ingredientsMCUcontrolpartofthestudyAbstractSinteringblastfurnaceproductionasaprerequisiteforthesmoothconductofthemetallurgicalproductionplaysanimportantrole.Batchingprocessisanimportantaspectofsinteringofthesinterinordertoachievelowercostsandimprovethequalityofsinteringofmineralandthepurposeofproportioningsystemtoimprovethemanagementandcontrolissuesbecomeapriority.Inthispaper,thesinteringdetailtheingredientsofthecompositionofthecomputercontrolsystem.Bytheupperandlowerbodyintoadistributedcontrolsystem.Now,theingredientsofcomputerprocesscontrolsystemhasbeenrunningatthescene,changedtheingredientstobettercontrolquality,hasreceivedsatisfactoryresults.ElectronicbeltscaleisakindofintelligentdigitaldisplayinstrumentWIM,byweighingtheframework,weighingsensor,Speedsensoranddisplayinstruments,suchasthefourmajorcomponents.Thebasicprincipleisthattheweightofmaterialsdeliveredtotheframeworkadoptedbyweighingweighingsensor,millivolt-levelsignalchange,andthenwiththegunbeltspeedsensorwithpulsesignalprocessingbythedisplayafterthesmartmeterdisplaycumulative.Keywords:blastfurnacesinteringingredients；reducethecostofsinteringore；andmineralstoimprovesinterquality；distributedcontrolsystem；theweightofingredients目錄TOC\o"1-3"\u摘要 IAbstract II第一章引言 11.1研究背景 11.2研究題目 21.3研究重點 31.4研究系統(tǒng)的配料自動控制 4第二章整體方案設(shè)計 62.1高爐燒結(jié)配料系統(tǒng)的組成 62.2高爐燒結(jié)配料系統(tǒng)的工作方式 62.3高爐燒結(jié)配料系統(tǒng)各部分功能 72.3.1稱重皮帶秤及控制儀表功能 72.3.2計算機監(jiān)控部分 82.3.3變頻控制部分 9第三章硬件設(shè)計 103.1單片機AT90CAN128 103.1.1單片機AT90CAN128的結(jié)構(gòu) 103.1.2AT90CAN128的部分引腳介紹 103.1.3AT90CAN128的特點 123.2PWM的介紹 133.2.1PWM的作用 133.2.2PWM的原理 133.2.3參數(shù)變化和濾波電路的形成 153.3濾波電路 183.3.1濾波電路的分類 183.3.2電容濾波電路的作用 193.4電壓轉(zhuǎn)電流電路 203.4.1前置放大級 213.4.2電壓電流轉(zhuǎn)換級（V/I－轉(zhuǎn)換） 21第四章軟件設(shè)計 224.1PID控制 224.1.1PID控制的概述 224.1.2PID控制的特點 244.1.3PID控制的優(yōu)點 264.1.4PID參數(shù)的調(diào)整原則 264.1.5模擬PID控制算法控制算法 274.1.6PID算法的程序流程 274.1.7增強型PID的簡易流程圖如下圖所示： 294.1.8克服積分飽和的方法 304.1.9對控制量的限制 314.2整體的軟件流程圖 314.3CAN總線技術(shù) 32總結(jié) 34參考文獻 35附錄A設(shè)計原理圖 36附錄B模塊設(shè)計圖 37附錄C程序 38致謝 45第一章引言1.1研究背景燒結(jié)生產(chǎn)作為高爐煉鐵順利進行的前提，在冶金生產(chǎn)中起著相當重要的作用。配料是燒結(jié)的重要工藝環(huán)節(jié)之一，為了達到降低燒結(jié)礦成本，提高燒結(jié)礦產(chǎn)量和質(zhì)量的目的，提高配料系統(tǒng)的管理和控制水平成為首要問題。本文詳細地闡述了燒結(jié)配料計算機控制系統(tǒng)的組成及系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計。每一配料系統(tǒng)都配有一臺上位機(工業(yè)控制機IPC2610)和一臺下位機(PLC25/30)，通過數(shù)據(jù)公路DH+相連,由上位機和下位機構(gòu)成集散控制系統(tǒng)。每臺上位機都共享2臺下位機的數(shù)據(jù),實現(xiàn)雙機熱備,增加了系統(tǒng)的準確性和可靠性?，F(xiàn)在,這一配料過程的計算機控制系統(tǒng)已在現(xiàn)場運行，較好地改變了配料系統(tǒng)的控制質(zhì)量，收到了滿意的使用效果。在冶金生產(chǎn)中，燒結(jié)生產(chǎn)是第1道重要的生產(chǎn)工序，是冶金產(chǎn)品(鐵、鋼、線材、型材等)的基礎(chǔ)。首先，它將冶煉過程所需的各種原料按理化特性經(jīng)過定量自動配料，加水混合造球，然后均勻地鋪到燒結(jié)機臺車上，經(jīng)過點火爐燃燒和主抽風機的負壓鍛燒，送入帶冷機，最后經(jīng)破碎、篩分、整粒，生產(chǎn)出合格的燒結(jié)礦送入高爐熔煉成鐵。其中，燒結(jié)配料生產(chǎn)是高爐原料生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，其工藝過程是根據(jù)燒結(jié)和高爐生產(chǎn)的要求，將各種不同的含鐵原料、熔劑和燃料按照一定的比例進行配料，以確保后道工序生產(chǎn)出化學成分和物理性能都符合生產(chǎn)要求的優(yōu)質(zhì)燒結(jié)礦。燒結(jié)自動控制是檢測技術(shù)、自動化技術(shù)、計算機技術(shù)與燒結(jié)工藝相結(jié)合的產(chǎn)物。它的應(yīng)用主要有2個目的：一是操作的穩(wěn)定性容易生產(chǎn)化學成分穩(wěn)定、粒度均勻和強度較好的燒結(jié)礦作為高爐的原料；二是過程的最佳化能最大限度地降低生產(chǎn)成本乃至整個煉廠的生產(chǎn)成本，提高勞動生產(chǎn)率、降低勞動強度。隨著燒結(jié)設(shè)備的大型化和高爐對燒結(jié)礦質(zhì)量要求的提高，燒結(jié)過程計算機控制技術(shù)的作用和成效更為顯著，燒結(jié)自動控制水平已成為衡量燒結(jié)工藝水平的一個重要指標。目前國內(nèi)常用的配料方法有兩種，即容積配料法和重量配料法。容積配料法是利用物料的堆比重，通過給料設(shè)備對物料容積進行控制，達到配加料所要求的添加比例的一種方法。此法優(yōu)點是設(shè)備簡單，操作方便。其缺點是物料的堆比重受物料水分、成分、粒度等影響。所以，盡管閘門開口大小不變，若上述性質(zhì)改變時，其給料量往往不同，造成配料誤差。重量配料法是按照物料重量進行配料的一種方法，該法是借助于電子皮帶稱和定量給料自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)實現(xiàn)自動配料的。優(yōu)點是：重量配料比容積配料更加精確，特別是對添加數(shù)量較少的原料，這一點更明顯。除這兩種配料法外，化學成分配料是一種目前最為理想的配料方法，它采用先進的在線檢測技術(shù)，隨時測出原料混合料成分并輸入微機進行分析、判斷、調(diào)整，使燒結(jié)礦質(zhì)量穩(wěn)固在高水平。國外對這種方法也處于開發(fā)階段，我國的寶鋼、首鋼已具備開發(fā)這種水平的條件。我所用的設(shè)計題目是通過重量來配料的。工藝要求是系統(tǒng)設(shè)計的主要依據(jù),也是控制系統(tǒng)所要實現(xiàn)的最終目標。配料系統(tǒng)的工藝流程就是把各種鐵礦石、熔劑、燃料按一定的比例進行混合,成為滿足要求的混合料。為了使混合料不僅具有一定的化學成分,而且具有一定化學成分的穩(wěn)定性和良好的透氣性,要求物料流量的測量精度高,給料倉的物料下料量控制準確。1.2研究題目燒結(jié)控制的目的就是通過調(diào)整原料參數(shù)、操作參數(shù)和設(shè)備參數(shù),使狀態(tài)參數(shù)和指標參數(shù)達到最優(yōu)。在本配料控制系統(tǒng)中,對每一種物料都進行單獨的PID調(diào)節(jié)。以便達到較好的控制功能。設(shè)定流量根據(jù)各物料的配比計算得出，通過測速電機測得各定量皮帶電機和稱量皮帶電機的轉(zhuǎn)速，通過荷重傳感器檢測物料重量，根據(jù)速度信號和重量信號計算實際物料流量，由PID調(diào)節(jié)的輸出控制變頻器改變其輸出頻率，從而改變圓盤電機和定量皮帶電機的轉(zhuǎn)速,以此來控制物料流量使其達到設(shè)定值。近年來,國內(nèi)新建燒結(jié)機的配料方法均采用重量配料法，重量配料就是按原料的重量來配料，采用電子皮帶秤對物料進行連續(xù)計量，通過調(diào)節(jié)圓盤給料機或皮帶的速度來實現(xiàn)定量給料，重量配料易實現(xiàn)自動配料,配料精度較高。燒結(jié)配料系統(tǒng)種往往由多個單圓盤給配料系統(tǒng)和工業(yè)計算機等組成，下圖1.1為單個圓盤給配料系統(tǒng)。磁電式速磁電式速度傳感器應(yīng)變式稱重傳感器雙杠桿多(雙)組托輥稱量框架放大整形線性放大高速A/D自動調(diào)零LED累計顯示微處理機智能單元瞬時量顯示物料圖1.1電子皮帶秤工作原理方框圖1.3研究重點

本圓盤給配料系統(tǒng)由檢測回饋、給定信號、比較運算與轉(zhuǎn)化、變頻器、圓盤給料機等部分組成。圓盤給配料系統(tǒng)中給料量主要由圓盤給料機圓盤轉(zhuǎn)速決定，且給料量與圓盤轉(zhuǎn)速成線性關(guān)系。圓盤給料機轉(zhuǎn)速是由變頻器控制。流料檢測由核子稱信號與主皮帶信號換算得出作為本圓盤給配料系統(tǒng)的回饋信號，累計流量Q=K*T*∑G,（K為比例系數(shù)，T為皮帶速度，G為瞬時流量）。根據(jù)每一采樣時刻的瞬時流量計算出采樣時刻前一段時間（10S左右）的平均流量，并將其與上位機流量給定值比較并對偏差進行PID運算得到控制量，最后經(jīng)D/A模塊轉(zhuǎn)換為4~20mA信號作為變頻器速度信號去控制圓盤轉(zhuǎn)速最終達到控制物料流量目的。我所涉及到的是給料系統(tǒng)的控制部分的設(shè)計。所以PID也是我設(shè)計部分的主要內(nèi)容。燒結(jié)廠處理的原料種類繁多，必須根據(jù)燒結(jié)生產(chǎn)過程的要求和燒結(jié)質(zhì)量的要求進行精確的配料。本文針對實際需要，將PID算法運用于對配料的控制中，并詳細介紹燒結(jié)系統(tǒng)運用AT90CAN128來實現(xiàn)配料系統(tǒng)的PID控制的過程。實踐證明,該取得了很好的控制效果,適合現(xiàn)場實際應(yīng)用。燒結(jié)用的新原料有混勻礦、熔劑、生石灰等，將這些新原料和冷返礦、燃料按照所要求的配比進行自動給料的過程稱為配料系統(tǒng)的自動控制。操作人員在畫面上輸入“設(shè)定干配比”，設(shè)定干配比使用前必須進行人工確認，再通過合理性檢查得到“采用干配比”后才能進行濕配比的計算。根據(jù)采用干配比和采用水分率經(jīng)計算求出各種原料的濕配比，再根據(jù)混合料槽料位之需要，確定總的配料量，求出每臺配料秤排料量的設(shè)定值。由于貯礦槽空間位置的不同，則設(shè)定值必須經(jīng)過延時處理，使各種原料的實際干配比在總配料量發(fā)生變化或槽變更時保持一致。1.4研究系統(tǒng)的配料自動控制配料系統(tǒng)的各種計算、延遲設(shè)定及跟蹤等功能由PLC完成;配料秤二次儀表對排料量設(shè)定值和測量值進行PI運算，并將控制輸出信號通過通訊方式送給變頻器完成死循環(huán)控制。其控制算法15“，]設(shè)計如圖1.2所示，其中m，c，r;為原料干配比，h為原料水分率，Wts砰乍忿為綜合輸送量，t為延遲時間，Di為配料設(shè)備運行狀態(tài)。圖1.2配料控制算法設(shè)計圖第二章整體方案設(shè)計2.1高爐燒結(jié)配料系統(tǒng)的組成燒結(jié)機的配料采用13個定量圓盤給料機和電子皮帶秤定量給料，為提高皮帶配料秤的計量精度和配料系統(tǒng)給料精度，所有給料機的皮帶配料秤均采用變頻調(diào)速的方式進行控制。該自動稱重配料控制由下列五大部分：電子皮帶稱、稱重控制儀表、變頻控制柜、監(jiān)控計算機及現(xiàn)場操作箱部分。圖2.1高爐燒結(jié)配料系統(tǒng)的組成配料自動控制實現(xiàn)燒結(jié)用的原料如混勻礦、燃料、熔劑白云石、生石灰、冷返礦按照工藝要求的配比進行自動給料，能夠判斷下料堵料和失控故障、變頻器故障，并報警。2.2高爐燒結(jié)配料系統(tǒng)的工作方式高爐燒結(jié)配料系統(tǒng)檢修和工作方式有二種：手動檢修方式：即通過現(xiàn)場操作箱選擇開關(guān)及按鈕控制變頻器以點動頻率驅(qū)動電動機正反向運行速度；工作方式有二種：第一種是儀表自動給料；即通過稱重控制儀表鍵盤，任意給定所需給料量，并通過給料量大小變化自動調(diào)整變頻器頻率(電動機的運行速度)；第二種是上位機自動給料，給料設(shè)定就可由上位機畫面來完成。正常工作在上位機自動給料，受計算機控制。檢修或調(diào)試時在“檢修”狀態(tài)，可以單機運行。2.3高爐燒結(jié)配料系統(tǒng)各部分功能2.3.1稱重皮帶秤及控制儀表功能要確保燒結(jié)配料成分的穩(wěn)定，圓盤給料機和螺旋的流量控制是關(guān)鍵。通過圓盤給料機和料倉給料器與集料皮帶機之間安裝調(diào)試好的電子配料皮帶秤稱量檢測，以及配料皮帶測速編碼器(傳感器)測量皮帶運輸原料速度的檢測，稱重儀表采集測量皮帶秤上每單位長度的載荷值q(kg/m)以及皮帶在同一時刻的運行速度v(m/s)，且兩者相乘得到物料的瞬時流量q×v(kg/s)。只要保證q(t)×V(t)的乘積不變，就可以保證物料流量的恒定。即隨皮帶上物料重量的變化控制皮帶運行速度做出相應(yīng)的調(diào)整，就可以保證物料流量的恒定。在本系統(tǒng)中圓盤給料機的速度是恒定不可調(diào)的，所以控制流量的恒定只能調(diào)節(jié)皮帶上物料重量，而重量的改變又只能通過改變變頻器的頻率，以改變皮帶秤的速度。流量恒定控制原理圖2.2所示，每一個稱重控制都是一個“小死循環(huán)”控制系統(tǒng)。稱重儀表檢測并運算q(t)×V(t)的乘積與流量設(shè)定值（上位機給定或儀表鍵盤給定）進行比較，然后進行PID運算,，得出相應(yīng)的輸出頻率信號到變頻器，實現(xiàn)自動控制流量大小的要求。圖2.2流量恒定控制原理圖實現(xiàn)流量恒定的控制。儀表控制部分采用模塊控制方式,電子秤與儀表控制模塊之間的信號傳輸采用差分頻率信號傳輸技術(shù),具有極強的抗干擾能力和遠傳能力,從而保證了系統(tǒng)信道的可靠性和準確性,在回饋控制上采用新型的人工智能PID調(diào)節(jié)算法,無振蕩,無超調(diào)。儀表控制部分與監(jiān)控計算機采用CAN總線通信方式，信號傳輸?shù)目焖賹崟r性更高、抗干擾更強、可靠性更高，保證配料精度和穩(wěn)定性。配料秤有補償功能，即皮帶本身影響自動補償功能。能在配料秤正常生產(chǎn)運行過程中，連續(xù)不斷地測量皮帶本身實際重量的變化(如物料局部粘結(jié)等造成的皮帶皮重的變化，天長日久磨損程度不同導致的皮帶薄厚不均，以及張力不勻等所產(chǎn)生的對稱重傳感器的外部影響)，并隨時進行精確補償，因而其動態(tài)測量精度要比一般設(shè)備廠家的配料秤動態(tài)測量精度高。2.3.2計算機監(jiān)控部分該計算機采用品牌機作為控制計算機,系統(tǒng)軟件是在Win2000操作平臺下,用組態(tài)王（或VB6.0）開發(fā)研制的通用應(yīng)用程序，整個程序兼顧鼠標和鍵盤操作。各種操作接口、數(shù)據(jù)顯示及打印管理,用戶可方便進行各種資料的修改操作,運行數(shù)據(jù)的圖形顯示及打印各種報表。工藝流程動畫顯示美觀大方,友好的操作接口，簡單易學,其功能如下：顯示功能1)該系統(tǒng)能顯示整個配料工藝及流程畫面;2)顯示各設(shè)備瞬時運行情況;3)顯示各臺秤的給定流量、實際流量、下料累計量，顯示各種原料的瞬間下料量、總流量及總累計量。4)具有系統(tǒng)報警功能。操作及控制功能該系統(tǒng)利用操作提示菜單方便、簡單，快速引導進行系統(tǒng)操作。其功能如下:1)能實現(xiàn)變頻器的遠程操作(啟停、手自動轉(zhuǎn)換、單動)；2)能快速修改各臺電子秤的計量參數(shù)及換倉后各物料吸收系數(shù)的變更設(shè)置;3)修改配料系統(tǒng)的控制參數(shù);4)根據(jù)工藝要求，可隨時、方便的選定、修改、更換配比和配料總流量;5)當物料水分含量發(fā)生變化時,可方便的變更水分組和手動輸入各物料的水分變化量。6)根據(jù)現(xiàn)場實際需要，可對打印時間間隔、報警時間進行設(shè)置;報警功能1)當系統(tǒng)各測量單元出現(xiàn)故障時,工藝流程主畫面將以警示色提醒用戶,按下相關(guān)鍵后,可由CRT顯示故障代碼;2)當系統(tǒng)出現(xiàn)空倉或園盤給料機堵料而無法下料時,工藝流程畫面報警提醒用戶及時處理。2.3.3變頻控制部分皮帶電機采用流量死循環(huán)變頻調(diào)速方式，保證配料精度和穩(wěn)定性，節(jié)電效果顯著。將每臺變頻器集中在變頻電控制柜中。正常工作時，稱重儀表PID的輸出控制變頻器的輸出頻率，檢修調(diào)試時，按鈕點動控制變頻器的輸出頻率。現(xiàn)場操作箱調(diào)試或現(xiàn)場檢修時，通過現(xiàn)場操作箱實現(xiàn)單機的正反運行。第三章硬件設(shè)計3.1單片機AT90CAN1283.1.1單片機AT90CAN128的結(jié)構(gòu)單片機AT90CAN128的結(jié)構(gòu)圖如圖3.1所示圖3.1AT90CAN128結(jié)構(gòu)圖3.1.2AT90CAN128的部分引腳介紹本次試驗主要是以PWM口為主，所以，我主要介紹一下PB口的相關(guān)作用，主要是PB7-PB0的作用。如表3.1所示：表3.1部分引腳的菜單引腳名第二功能PB7OC2（T/C2的比較匹配輸出和PWM輸出口）OC1C（T/C1的比較匹配輸出和PWM-C輸出口）PB6OC1B（T/C1的比較匹配輸出和PWM-B輸出口）PB5OC1A（T/C1的比較匹配輸出和PWM-A輸出口）PB4OC0（T/C0的比較匹配輸出和PWM輸出口）PB3MISO(SPI總線主輸入口/從輸出口)PB2MOSI（SPI總線主輸出口/從輸入口）PB1SCK(SPI總線時鐘)PB0SS(SPI總線主從選擇)埠B，位7——OC2/OC1COC2比較輸出：PB7腳作為定時器/計數(shù)器2的比較輸出。該引腳必須被配置成輸出（DDB7=1），才能作為該功能使用。OC2引腳同時也能作為PWM模式輸出。OC1C比較C輸出：PB7引腳還能作為定時器/比較器1比較C的輸出。該引腳必須被配置成輸出（DDB7=1），才能作為該功能使用。同時OC1C也能作為PWM模式下的輸出使用。埠B，位6——OC1B比較B輸出：PB6引腳可以作為定時器/比較器1的比較B輸出。該引腳必須被配置成輸出（DDB5=1），才能作為該第二功能使用。OC1B引腳同時也能作為PWM模式下的輸出引腳用。埠B，位5——OC1A比較A輸出：PB5引腳可以作為定時器/比較器1的比較A輸出。該引腳必被配置成輸出（DDB5=1），才能作為該第二功能使用。OC1A引腳同時也能作為PWM模式下的輸出引腳用。3.1.3AT90CAN128的特點AT90CAN128是一款低功率CMOS8位的微處理器，它是基于AVR增強型RISC結(jié)構(gòu)的。在一個時鐘周期里執(zhí)行強大功效的指令，AT90CAN128可完成1MIP每MHz的吞吐量，從而讓系統(tǒng)設(shè)計者可對進程速度進行優(yōu)化功率消耗。AVR內(nèi)核結(jié)合了一個豐富的指令設(shè)置，有32個通用目標工作寄存器。所有32個寄存器都直接和運算器連接，兩個獨立的寄存器允許被在一個時鐘周期里執(zhí)行的一條單個指令訪問。這種結(jié)構(gòu)比常規(guī)的微處理器更具有效率。AT90CAN128有以下特點：128K的內(nèi)部可編程FLASH，具有可擦寫能力，4K的EEPROM，4K的SRAM，53個通用目標I/O接口，32個通用目標工作寄存器，一個CAN控制器，實時時鐘（RTC），四個靈活的定時/計數(shù)器，具有比較輸出模式和PWM，兩個USART，一位定向兩線串行接口，一個8信道10位的ADC，一個可編程的帶有內(nèi)部震蕩器的看門狗定時器，一個SPI串口，JTAG測試接口，也可用于訪問片上調(diào)試系統(tǒng)和五個軟件選擇的省電模式?？臻e模式會關(guān)閉CPU，但允許SRAM，定時/計數(shù)器，SPI/CAN口和中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電模式保存寄存器內(nèi)容，但停止震蕩器，禁止所有其它片上功能直到下一個中斷或者硬件復位。省電模式中，異步定時器繼續(xù)運行，當其它的器件處于休眠時允許用戶保留一個定時器。ADC噪聲消除模式關(guān)閉CPU和所有的I/O接口模塊（但除了異步定時器和ADC），以此在ADC轉(zhuǎn)換期間使噪聲最小化。在備用模式中，晶體振蕩器運行當其它器件都休眠。器件運用Atmel公司的高密度非易失的存儲技術(shù)制造。片上ISPFLASH允許程序內(nèi)存被一個常規(guī)的非易失的儲存編程器或者一個在AVR內(nèi)核上運行的片上啟動程序，通過一個內(nèi)部SPI串行接口來重新編程。啟動程序能用于任何接口在應(yīng)用FLASH儲存器里來下載應(yīng)用程序。當應(yīng)用FLASH部分被更新時，在啟動FLASH部分內(nèi)的軟件將繼續(xù)運行，提供真正的讀寫操作。由于在一個單芯片上結(jié)合了一個帶有內(nèi)部可編程FLASH的8位RISCCPU，Atmel的AT90CAN128可說是一個強大的微處理器，為眾多的嵌入式控制應(yīng)用器件提供了一個高度靈活和低費用的解決方案。AT90CAN128AVR可支持全套的編程和系統(tǒng)開發(fā)工具，包括：C編譯器，宏匯編，編程調(diào)試器/仿真器，電路仿真器和成套工具。3.2PWM的介紹3.2.1PWM的作用脈寬調(diào)制PWM是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。簡而言之，PWM是一種對模擬信號電平進行數(shù)字編碼的方法。通過高分辨率計數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來對一個具體模擬信號的電平進行編碼。PWM信號仍然是數(shù)字的，因為在給定的任何時刻，滿幅值的直流供電要么完全有(ON)，要么完全無(OFF)。電壓或電流源是以一種通(ON)或斷(OFF)的重復脈沖序列被加到模擬負載上去的。通的時候即是直流供電被加到負載上的時候，斷的時候即是供電被斷開的時候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM進行編碼。PWM信號是指脈沖寬度可以調(diào)整的信號。在AT90CAN128單片機中，PWM信號可以由單片機內(nèi)部的定時器產(chǎn)生。3.2.2PWM的原理

脈沖寬度調(diào)制波通常由一列占空比不同的矩形脈沖構(gòu)成，其占空比與信號的瞬時采樣值成比例。通常在單片機中集成有一個硬件式的可輸出PWM脈寬調(diào)制信號的端口，利用它就可以將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成所希望的電流信號。PWM脈寬調(diào)制信號是一種矩形波，它的開啟時間tp與一個周期T的比是根據(jù)數(shù)字信號變化而變化的。如果在單片機中即沒有D/A轉(zhuǎn)換電路也沒有硬件式的可輸出PWM脈寬調(diào)制信號的端口，比如一些低成本的RISC芯片就是這樣，那么也可以通過軟件方式產(chǎn)生這個PWM信號并通過編程讓一個I/O輸出端口作為PWM信號的輸出端。對此可以使用一個由時鐘控制的中斷程序來實現(xiàn)。在一個周期T內(nèi)，通過軟件方式使I/O輸出端口產(chǎn)生一個開啟和關(guān)閉的PWM信號，它的脈沖寬度tp是與數(shù)字化的測量信號值相關(guān)聯(lián)的。單片機的I/O輸出端通常輸出的是分立的固有脈沖頻率（基頻）f=1/tCLK的電壓值U1（U1=3.3V或5V）并與PWM信號相適應(yīng)，所以此時PWM信號的脈沖幅值即振幅就是U1。而我所使用的AT90CAN128是有直接輸出的PWM信號，所以不需要進行軟件的控制。開啟時間tp和周期T的比值tp/T可看作為占空比或工作比（如圖3.2）。占空比的變化是與經(jīng)單片機處理的測量信息相關(guān)聯(lián)的。如果該信息具有10位的分辨率，那么周期T應(yīng)滿足T=1024tCLK。圖3.2PWM脈沖寬度tp定義示意圖例如，如果一個十六進制的信息為006A，單片機的固有脈沖周期為tCLK=1μs，那么可得到相應(yīng)的脈沖寬度為tp=106μs的PWM信號，此時單片機的基頻頻率不分頻。如果微處理器有10位的分辨率，可以得到占空比為tp/T=106/1024?0.10參見圖3．3。圖3.3PWM信號的不同占空比3.2.3參數(shù)變化和濾波電路的形成下面描述的濾波電路和元器件數(shù)值的計算是基于在輸出端輸出的是經(jīng)單片機處理后的PWM脈寬調(diào)制信號。為了將PWM信號轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號，通常由一個低通濾波器將信號進行算術(shù)平均值處理后取得的。此時PWM信號必須滿足這個準靜態(tài)的條件即：fm<<fp（fm=測量信號的變化，fp=1/tp），才可以通過一個濾波電路將PWM信號轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號（見圖3.4）。圖3.4帶有PWM信號輸出的單片機和電壓電流轉(zhuǎn)換電路這個來自單片機的矩形波PWM信號U1通過低通濾波器得到一個平均值的模擬電壓信號U2，它是與占空比tp/T成正比的。計算公式如下：(3.1)經(jīng)過濾波的PWM信號即U2再繼續(xù)轉(zhuǎn)換成工業(yè)標準的電流輸出（4mA~20mA）。如果占空比tp/T為0.5，則輸出的模擬電壓值是算術(shù)平均值為2.5V，如果系統(tǒng)的占空比tp/T為1，則輸出幅值是5V（U1）。上面的公式中還沒有涉及到濾波電路的參數(shù)計算和信號轉(zhuǎn)換時相關(guān)的誤差問題。接下來的問題是,如何來確定低通濾波器的電氣參數(shù)，而這個參數(shù)是與轉(zhuǎn)換精度直接相關(guān)的？或者說，怎樣做才能使PWM信號在轉(zhuǎn)換成電流信號時所帶來的誤差是幾乎可以忽略的，對低通濾波器所計算確定的電氣參數(shù)在此起了一個什么作用？原則上所需要的低通濾波器只要在模擬電壓轉(zhuǎn)換時不產(chǎn)生或產(chǎn)生很小的誤差就可以了，就是說，來自低通濾波器的干擾即紋波應(yīng)該盡可能的小。PWM信號的振幅是U1，經(jīng)濾波輸出的模擬電壓U2和它的紋波為ΔU2，在滿足條件ΔU2<<U1的情況下，當占空比tp/T為一半時，即：（3.2）U2的紋波ΔU2將是最大值，公式如下：（3.3）上式說明，紋波電壓不僅與PWM信號的振幅U1和周期T有關(guān)，也與低通濾波器的電阻R和電容值C有關(guān)。從低通濾波器的電阻R和電壓電流轉(zhuǎn)換電路的輸入偏置電流(IINPUT)可得出轉(zhuǎn)換電路的輸入失調(diào)電壓UOff，該輸入失調(diào)電壓也是導致電流輸出誤差ΔIout的重要部分。UOff=IINPUT?R(3.4)從輸入失調(diào)電壓公式(3．4)和紋波電壓公式（3.3）中可以看出，電阻R所起的作用正好相反,所以在計算低通濾波器的R和C時，會涉及到一個相同意義上的最佳選擇問題。根據(jù)邊界條件的要求，實際上計算時的此二部分誤差應(yīng)該相等，即UOff=ΔU2max，所以，由公式（3.3）和（3.4）得出最佳電阻值R為：（3.5）由式（3.3）得出電容C為：（3.6）在邊界條件預(yù)先給出的情況下，即當輸入失調(diào)電壓和紋波電壓二個誤差相等時確定了低通濾波器R和C的值。與前面理論計算無關(guān)，在電路設(shè)計時還必須考慮電容的損耗系數(shù)tanδ和溫度系數(shù)對系統(tǒng)性能的影響，當然還有體積的大小和成本等問題。低通濾波器的截止頻率fg（3dB），通過它能將PWM信號的變化fm（測量信號的變化）傳遞轉(zhuǎn)換的，由下面的式子得出：（3.7）圖3.5紋波電壓與低通濾波器的截止頻率fg的關(guān)系從圖3.5可以看出，紋波電壓和低通濾波器的截止頻率是互相關(guān)聯(lián)的物理量。要紋波電壓小，也就要低通濾波器的截止頻率小。由式（3.5）和（3.6）得出：（3.8）可以看出用紋波電壓ΔU2max可以得出低通濾波器的截止頻率fg。例如，若tCLK=1μs，T=1024tCLK，紋波電壓誤差ΔU2max要求為0.5%，失調(diào)電壓誤差同樣為0.5%，PWM信號的振幅=5V，AM462輸出電流信號為Iout=4mA～20mA，AM462輸入偏置電流IINPUT≈10nA。將數(shù)據(jù)代入式（5）和(6）計算得出：R=2500kΩ，C=20.48nF。將其值代入式（8）得出低通濾波器的截止頻率為fg=3.1Hz。3.3濾波電路3.3.1濾波電路的分類濾波是信號處理中的一個重要概念。濾波分經(jīng)典濾波和現(xiàn)代濾波。經(jīng)典濾波的概念，是根據(jù)傅立葉分析和變換提出的一個工程概念。根據(jù)高等數(shù)學理論，任何一個滿足一定條件的信號，都可以被看成是由無限個正弦波迭加而成。換句話說，就是工程信號是不同頻率的正弦波線性迭加而成的，組成信號的不同頻率的正弦波叫做信號的頻率成分或叫做諧波成分。只允許一定頻率范圍內(nèi)的信號成分正常通過，而阻止另一部分頻率成分通過的電路，叫做經(jīng)典濾波器或濾波電路。實際上，任何一個電子系統(tǒng)都具有自己的頻帶寬度（對信號最高頻率的限制），頻率特性反映出了電子系統(tǒng)的這個基本特點。而濾波器，則是根據(jù)電路參數(shù)對電路頻帶寬度的影響而設(shè)計出來的工程應(yīng)用電路。用模擬電子電路對模擬信號進行濾波，其基本原理就是利用電路的頻率特性實現(xiàn)對信號中頻率成分的選擇。根據(jù)頻率濾波時，是把信號看成是由不同頻率正弦波迭加而成的模擬信號，通過選擇不同的頻率成分來實現(xiàn)信號濾波。當允許信號中較高頻率的成分通過濾波器時，這種濾波器叫做高通濾波器。當允許信號中較低頻率的成分通過濾波器時，這種濾波器叫做低通濾波器。當只允許信號中某個頻率范圍內(nèi)的成分通過濾波器時，這種濾波器叫做帶通濾波器。理想濾波器的行為特性通常用幅度-頻率特性圖描述，也叫做濾波器電路的幅頻特性理想濾波器的幅頻特性如圖所示。圖中，w1和w2叫做濾波器的截止頻率。

圖3.6濾波器頻率響應(yīng)特性的幅頻特性圖對于濾波器，增益幅度不為零的頻率范圍叫做通頻帶，簡稱通帶，增益幅度為零的頻率范圍叫做阻帶。例如對于LP，從-w1當w1之間，叫做LP的通帶，其它頻率部分叫做阻帶。通帶所表示的是能夠通過濾波器而不會產(chǎn)生衰減的信號頻率成分，阻帶所表示的是被濾波器衰減掉的信號頻率成分。通帶內(nèi)信號所獲得的增益，叫做通帶增益，阻帶中信號所得到的衰減，叫做阻帶衰減。在工程實際中，一般使用dB作為濾波器的幅度增益單位。3.3.2電容濾波電路的作用并聯(lián)的電容器C在輸入電壓升高時，給電容器充電，可把部分能量存儲在電容器中。而當輸入電壓降低時，電容兩端電壓以指數(shù)規(guī)律放電，就可以把存儲的能量釋放出來。經(jīng)過濾波電路向負載放電，負載上得到的輸出電壓就比較平滑，起到了平波作用。RC-π型濾波電路，實質(zhì)上是在電容濾波的基礎(chǔ)上再加一級RC濾波電路組成的。如圖1(B)RC濾波電路。若用S表示C1兩端電壓的脈動系數(shù)，則輸出電壓兩端的脈動系數(shù)S=(1/ωC2R)S。（a）電容濾波

(b)C-R-C型電阻濾波圖3.7濾波電路的兩種電路圖

由分析可知，電阻R的作用是將殘余的紋波電壓降落在電阻兩端，最后由C2再旁路掉。在ω值一定的情況下，R愈大，C2愈大，則脈動系數(shù)愈小，也就是濾波效果就越好。而R值增大時，電阻上的直流壓降會增大，這樣就增大了直流電源的內(nèi)部損耗；若增大C2的電容量，又會增大電容器的體積和重量，實現(xiàn)起來也不現(xiàn)實。這種電路一般用于負載電流比較小的場合。在本次設(shè)計中，我所用到的式下圖所示的電路：圖3.8設(shè)計中的濾波電路3.4電壓轉(zhuǎn)電流電路其中，有一部分是需要電壓和電流的轉(zhuǎn)換電路，它的作用主要是將正弦波轉(zhuǎn)化成4-20MA的電流。下面圖3.9所示就是電壓轉(zhuǎn)電流的一個典型電路。圖3.9電壓轉(zhuǎn)電流電路圖3.4.1前置放大級電壓轉(zhuǎn)換成電流電路的前級是一個運算放大器MAX492。輸入的單端接地信號可以從0至5V，并且在單電源情況下，能達到幾乎為零的零點輸出。運算放大器MAX492具有信號超載飽和功能，可使輸出電壓限定在參考電壓之下，對后級達到超載保護的目的。3.4.2電壓電流轉(zhuǎn)換級（V/I－轉(zhuǎn)換）通過V/I-轉(zhuǎn)換級，使輸入電壓信號轉(zhuǎn)換成標準電流信號比如0/4mA～20mA輸出。通過外接的三極管T1驅(qū)動輸出電流，使電熱耗散功率遠離了集成電路。比如零點和滿度輸出可通過二個外接的電阻進行簡單調(diào)整（圖3.9）。當然可以通過單片機進行數(shù)字調(diào)整，使PWM信號在小范圍內(nèi)調(diào)整，達到調(diào)整電流輸出的目的，也省去了電位器。硬件的整體的構(gòu)成思路是將PWM輸出的信號給R濾波電路，其中正方波的大小決定電壓的大小，如果PWM輸出的占空比為高時候，電壓輸出為5V，占空比為低的時候，電壓輸出值式0V，占空比為百分之50的時候，輸出電壓為2.5V。輸出的0-5V的電壓輸入給電壓轉(zhuǎn)電流的電路，將電壓轉(zhuǎn)化成4-20mA的電流。第四章軟件設(shè)計4.1PID控制4.1.1PID控制的概述PID控制器（或稱調(diào)節(jié)器）就是將來自變送器的測量值與給定值相比較后產(chǎn)生的偏差進行比例，積分，微分（PID）運算，并輸出統(tǒng)一標準信號，去控制執(zhí)行機構(gòu)的動作，以實現(xiàn)對溫度，壓力，流量，液位及其它工藝變量的自動控制。PID（比例-積分-微分）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。圖4.1單回路控制系統(tǒng)方框圖在圖4.1所示的單回路控制系統(tǒng)中，由于擾動作用使被控量偏離給定值，從而產(chǎn)生偏差（4.1）式中-偏差Xi-測量值Xs-給定值控制器接受偏差信號后，按照一定的運算規(guī)律輸出給控制信號，作用于被控對象，以消除擾動對被控變量的影響，從而使被控變量回到給定值上來。被控變量能否回到給定值上，以及以怎樣的途徑，經(jīng)過多長時間回到給定值上來，即控制過程的質(zhì)量如何，這不僅與對象特性有關(guān)，而且還與控制器的特性，即控制器的運算規(guī)律（或稱控制規(guī)律）有關(guān)?？刂破鞯倪\算規(guī)律就是指控制器的輸出信號與輸入偏差之間隨時間變化的規(guī)律。在研究控制器特性時，輸出信號通常指的是變化量Y，而對輸入偏差來說，其初值為零，因此即是變化量，又使實際值。習慣上稱＞0為正偏差，＜0為負偏差。如＞0時，對應(yīng)的輸出信號變化量Y＞0，則稱控制器為正作用控制器，如＜0時，對應(yīng)的輸出信號變化量Y＞0，則稱控制器為反作用控制器。PID控制器由比例單元（P）、積分單元（I）和微分單元（D）三類組成。其輸入e(t)與輸出u(t)的關(guān)系為（4.2）式中積分的上下限分別是0和t因此它的傳遞函數(shù)為：（4.3）其中kp——控制器的比例增益；TI——控制器的積分時間常數(shù)（再調(diào)時間）；以S或min為單位。TD——控制器的微分時間常數(shù)（預(yù)調(diào)時間）。以S或min為單位。這里還需要說明以下兩點：運算規(guī)律通常式用增量形式來表示的，若用實際輸出值Y表示，則應(yīng)該寫為：（4.4）式中，Y為控制器的輸出起始值，亦即t=0瞬間，=0，時的輸出值。式（4.2）和式（4.3）式控制器為正作用時的輸出變化量和傳遞函數(shù)。若KP前有負反饋，則為反作用。為方便起見，再討論各種運算規(guī)律時，設(shè)控制器處于正作用工況。實際PID控制器的運算規(guī)律表達式要復雜些，其傳遞函數(shù)常用下式表示：（4.5）式中：F—控制器變量之間的相互干擾系數(shù)，可表示為，其中比例系數(shù)A的大小與控制器的構(gòu)成有關(guān)，該式表明，當控制器無積分作用（）或無微分作用（T=0）時，F(xiàn)=1；KpF—考慮相互干擾系數(shù)后的實際比例增益；FTi—考慮相互干擾系數(shù)后的實際積分時間；—考慮相互干擾系數(shù)后的實際微分時間；KI—積分增益;KD—微分增益。當KI,KD均很大時，則式（4.5）就近似等于理想PID運算規(guī)律的表達式了。下面分別敘述PID控制器的各種運算規(guī)律，并在討論比例（P），比例積分（PI），比例微分（PD）和比例積分微分（PID）運算規(guī)律時，對上述有關(guān)參數(shù)加以說明。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。4.1.2PID控制的特點在工程實際中，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。A：比例（P）控制只有比例運算規(guī)律的控制器，為P控制器。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（Steady-stateerror）。當積分時間，微分時間TD=0時，控制器呈P控制特性。P控制器輸出與輸入的關(guān)系式為(4.6)比例度在實際控制器中，常用比例度（或稱比例帶）來表示比例作用的強弱。比例度的一般表達式為：（4.7）式中—偏差變化范圍—輸出信號變化范圍。在單元組合儀表中，。此時，比例度可表示為（4.8）可見，與Kp成反比。越小，Kp越大，比例作用越強。B：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)（SystemwithSteady-stateError）。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。積分增益KI的意義是，在階躍信號的作用下，PI控制器輸出變化的最終值（假定偏差很小，輸出值未達到控制器的輸出限制值）與初始值（即比例輸出值）之比：（4.9）C：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(delay)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。微分增益KD的意義是，在階躍信號作用下，PD控制器輸出變化的初始值與最終值（即比例輸出值）之比：（4.10）4.1.3PID控制的優(yōu)點首先，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。再次，PID控制器在實踐中也不斷的得到改進。4.1.4PID參數(shù)的調(diào)整原則PID參數(shù)的預(yù)置是相輔相成的，運行現(xiàn)場應(yīng)根據(jù)實際情況進行如下細調(diào)：被控物理量在目標值附近振蕩，首先加大積分時間I，如仍有振蕩，可適當減小比例增益P。被控物理量在發(fā)生變化后難以恢復，首先加大比例增益P，如果恢復仍較緩慢，可適當減小積分時間I，還可加大微分時間D。4.1.5模擬PID控制算法控制算法1．模擬PID控制系統(tǒng)組成圖4.2模擬PID控制系統(tǒng)原理框圖2．PID調(diào)節(jié)器各校正環(huán)節(jié)的作用1）比例環(huán)節(jié)：實時成比例地反應(yīng)控制系統(tǒng)的偏差信號e(t)，偏差一旦產(chǎn)生，調(diào)節(jié)器立即產(chǎn)生控制作用以減小偏差。2）積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù)TI，TI越大，積分作用越弱，反之則越強。3）微分環(huán)節(jié)：能反應(yīng)偏差信號的變化趨勢(變化速率)，并能在偏差信號的值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減小調(diào)節(jié)時間。4.1.6PID算法的程序流程1.位置型PID算法的程序流程位置型的遞推形式（4.11）位置型PID算法的程序流程――圖4.2只需在增量型PID算法的程序流程基礎(chǔ)上增加一次加運算Δu(n)+u(n-1)=u(n)和更新u(n-1)即可。2.增量型PID算法的程序流程增量型控制――例如圖4.3步進電機控制（4.12）圖4.3PID增量型和位置型算法增量型PID算法的算式增量型PID算式的核心思想就是在前一個采樣周期輸出值的基礎(chǔ)值上，計算本采樣周期的增量。當執(zhí)行機構(gòu)需要的不是控制量的絕對值，而是控制量的增量（例如去驅(qū)動步進電動機）時，需要用PID的“增量算法”。由位置算法求出（4.13）再求出（4.14）兩式相減，得出控制量的增量算法（4.15）式(4.15)稱為增量式PID算法。

對增量式PID算法（4.15）歸并后，得

(4.16)其中式（4.16）已看不出是PID的表達式了，也看不出P、I、D作用的直接關(guān)系，只表示了各次誤差量對控制作用的影響。從式（4.16）看出，數(shù)字增量式PID算法，只要貯存最近的三個誤差采樣值e（k）、e（k-1）、e（k-2）就足夠了。4.1.7增強型PID的簡易流程圖如下圖所示：

圖4.4增強型PID算法4.1.8克服積分飽和的方法1．抗積分飽和積分作用雖能消除控制系統(tǒng)的靜差，但它也有一個副作用，即會引起積分飽和。在偏差始終存在的情況下，造成積分過量。當偏差方向改變后，需經(jīng)過一段時間后，輸出u(n)才脫離飽和區(qū)。這樣就造成調(diào)節(jié)滯后，使系統(tǒng)出現(xiàn)明顯的超調(diào)，惡化調(diào)節(jié)質(zhì)量。這種由積分項引起的過積分作用稱為積分飽和現(xiàn)象。2.積分限幅法積分限幅法的基本思想是當積分項輸出達到輸出限幅值時，即停止積分項的計算，這時積分項的輸出取上一時刻的積分值。3．積分分離法積分分離法的基本思想是在偏差大時不進行積分，僅當偏差的絕對值小于一預(yù)定的門限值ε時才進行積分累積。這樣既防止了偏差大時有過大的控制量，也避免了過積分現(xiàn)象。其算法流程如圖4.5。圖4.5積分分離法程序流程4．變速積分法變速積分法的基本思想是在偏差較大時積分慢一些，而在偏差較小時積分快一些，以盡快消除靜差。即用代替積分項中的（4.17）式中為一預(yù)定的偏差限。4.1.9對控制量的限制1．控制算法總是受到一定運算字長的限制2．執(zhí)行機構(gòu)的實際位置不允許超過上(或下)極限（4.18）在本次設(shè)計中將用到PID控制器。4.2整體的軟件流程圖整個軟件的編程都是按照如圖4.6的軟件流程圖的思想進行的。圖4.6軟件流程圖4.3CAN總線技術(shù)\o"AT90CAN128貨源和PDF資料"AT90CAN128內(nèi)置完全符合CAN2．0A和2．0B標準協(xié)議的CAN控制器。CAN(ControllerAreaNetWork)總線技術(shù)是一種有效支持分布式控制和實時控制的串行通信網(wǎng)路，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制。其硬件連接簡單，可靠性好，實時性和性價比高，能夠很好地滿足計算機連鎖系統(tǒng)通信網(wǎng)路對實時性和可靠性的要求。采用Mob(消息對象)方式進行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，共有15個Mob，它們具有相同的屬性：有11位標識符(2．0A協(xié)議)，也可擴展至29位(2．0B協(xié)議)；最多為8字節(jié)數(shù)據(jù)緩沖(靜態(tài)分配)；Tx、Rx幀緩沖或自動應(yīng)答配置，時間標識。本設(shè)計中，CAN通信采用\o"AT90CAN128貨源和PDF資料"AT90CAN128內(nèi)置的CAN控制器與CAN收發(fā)器\o"TJA1050貨源和PDF資料"TJA1050經(jīng)高速光耦6N137相連接。\o"TJA1050貨源和PDF資料"TJA1050速率高，最高可達1Mbps，提供總線與電源及地之間的短路保護其引腳8(STB)用于選定工作模式，有兩種工作模式可供選擇：高速或待機。這里，引腳8接地，選擇高速模式，高速模式是\o"TJA1050貨源和PDF資料"TJA1050的正常工作模式。如果引腳接高電平，則\o"TJA1050貨源和PDF資料"TJA1050將進入待機模式，發(fā)送器被關(guān)閉。高速光耦6N137起隔離控制器與工業(yè)現(xiàn)場的作用，可以提高系統(tǒng)的抗干擾能力。電路采用獨立的電源供電，有效地避免了外界電壓變化對通信的影響?？偨Y(jié)本文所設(shè)計的系統(tǒng)各項功能完全可以達到生產(chǎn)企業(yè)的要求，可替代原模擬式控制系統(tǒng)進行技術(shù)改造，彌補原系統(tǒng)的許多不足。在工業(yè)現(xiàn)場使用后，燒結(jié)礦的相應(yīng)技術(shù)指標經(jīng)專業(yè)技術(shù)人員測量證實得到了較大提高。同時，采用本系統(tǒng)后，整個燒結(jié)配料系統(tǒng)的操作更加直觀和簡單，操作環(huán)境大大改觀，維護量大大降低,運行可靠、穩(wěn)定，自動化水平有相當大的提高，深受生產(chǎn)和維護人員的歡迎。當然,該系統(tǒng)與國外控制系統(tǒng)相比還有一定的差距，如果增加料位控制、水分控制、以及原料成分分析處理等功能，將會構(gòu)成更加完善的控制系統(tǒng),更好地完成配料過程的自動控制。硬件調(diào)試：由于我在本次設(shè)計中所涉及的硬件比較簡單，原件也不是很多，所以硬件的調(diào)試也比較簡單。按硬件接線圖正確連接電路中各器件后，需要檢查硬件的連接。之后編譯，運行就可以得到結(jié)果。軟件調(diào)試：通過本次的畢業(yè)設(shè)計，讓我們把四年學到的知識進行了融會貫通，靈活的運用在課程設(shè)計中。通過軟硬件的結(jié)合和調(diào)試，使我充分的學到了高爐燒結(jié)系統(tǒng)的整體流程。參考文獻1．馬潮等.高檔8位單片機ATmega128原理與開發(fā)應(yīng)用指南（上）．北京：北京航天航空大學出版社，2004.122．馬潮等．高檔8位單片機ATmega128原理與開發(fā)應(yīng)用指南（下）．北京：北京航天航空大學出版社，2004．123．沈文，Eaglelee．AVR單片機C語言開發(fā)入門指導。北京：清華大學出版社，20034．張克彥等．AVR單片機實用程序設(shè)計．北京：北京航空航天大學出版社，20045．潘寶巨，張成吉等．中國鐵礦石造塊適用技術(shù)[M].北京:冶金工業(yè)出版社，20006．王光等．提高混勻礦質(zhì)量的方法[J]．鋼鐵，1997，32(增刊)7．王海東，邱冠周等.燒結(jié)過程控制技術(shù)的發(fā)展[J]．北京：礦冶工程，19998．焦斌等.自動控制原理與應(yīng)用[M]．北京:高等教育出版社，20049．彭公華,王慶河等.集散系統(tǒng)在燒結(jié)配料生產(chǎn)中的應(yīng)用[J]．燒結(jié)球團，199910．范曉慧等.燒結(jié)生產(chǎn)自動控制新技術(shù)(上)[J]．燒結(jié)球團，2002，27(1)：28－3511．范曉慧等.燒結(jié)生產(chǎn)自動控制新技術(shù)(下)[J]．燒結(jié)球團，2002，27(1)：28－3512．路林吉可編程控制器原理及應(yīng)用[M].北京：清華大學出版社，2002：25－2613．羅克韋爾自動化公司．PLC25可編程控制器系統(tǒng)選型指南[Z]，2005：17-2014．鄭晟等.現(xiàn)代可編過程控制器原理及應(yīng)用．北京：科學出版社199915．/datum/showart.asp?art_id=5662基于AT90CAN128單片機的CAN總線系統(tǒng)設(shè)計16．饒運濤．現(xiàn)場總線CAN原理與應(yīng)用技術(shù)[M]．北京：北京航空航天大學出版社，2002．20－16617．段新生．證據(jù)理論與決策--人工智能[M]．北京：中國人民大學出版社，1993：10-1518．鄔永革，黃炯，楊靜宇．基于多傳感器信息融合的機器人障礙檢測和環(huán)境建模[J]．自動化學報，1997，23(5)：641-64719．邵遠，何發(fā)昌，羅志增．多傳感器信息融合淺析[J]．電子學報，1994，22(5)：73-79附錄A設(shè)計原理圖附錄B模塊設(shè)計圖附錄C程序//PID結(jié)構(gòu)體定義structPID{uintProportion;//比例常數(shù)ProportionalConst放大100倍uintIntegral;//積分常數(shù)IntegralConst放大100倍uintLastError;//Error[-1]ucharLastError_sign;//正負數(shù)符號0正1負uintIntergral_Band;//積分投入帶寬uintDoutlimit;//PID增量部分限幅uintOutlimit_L;//PID輸出低限幅(反向限幅)uintOutlimit_H;//PID輸出高限幅（正向限幅）uintOutput;//PID輸出}speed={30,80,0,0,255,25,0,255,0};//定義速度結(jié)構(gòu)體/*******************************************************************//*增型PID控制器*//**//********************************************************************/uint_pterm,_iterm,_doutput,_Error;uintPIDCalc(structPID*pid,uintsetpoint,uintfeedbackpoint){uintError,Error_abs,doutput,Derror;uintpterm;uintiterm;ucharError_sign=0,Derror_sign=0,pterm_sign=0,iterm_sign=0,doutput_sign=0;if(setpoint>=feedbackpoint){Error_sign=0;Error=setpoint-feedbackpoint;//當次速度偏差}else{Error_sign=1;Error=feedbackpoint-setpoint;}/*if(Error<0)Error_abs=-Error;elseError_abs=Error; */_Error=Error;if(Error>=pid->LastError){if(Error_sign==0&&pid->LastError_sign==0){ Derror=Error-(pid->LastError);Derror_sign=0;//0正1負 } elseif(Error_sign==1&&pid->LastError_sign==1) { Derror=Error-pid->LastError; Derror_sign=1; } elseif(Error_sign==0&&pid->LastError_sign==1) { Derror=Error+pid->LastError; Derror_sign=0; } elseif(Error_sign==1&&pid->LastError_sign==0) { Derror=Error+pid->LastError; Derror_sign=1; }}else{if(Error_sign==0&&pid->LastError_sign==0){ Derror=(pid->LastError)-Error;Derror_sign=1;//0正1負 } elseif(Error_sign==1&&pid->LastError_sign==1) { Derror=pid->LastError-Error; Derror_sign=0; } elseif(Error_sign==0&&pid->LastError_sign==1) { Derror=Error+pid->LastError; Derror_sign=0; } elseif(Error_sign==1&&pid->LastError_sign==0) { Derror=Error+pid->LastError; Derror_sign=1; }}if(Derror_sign==0)//pterm=pid->Proportion*Derror;{ pterm=simp(pid->Proportion,Derror,100);//比例部分增量 _pterm=pterm; pterm_sign=0; }else{ //Derror=-Derror; pterm=simp(pid->Proportion,Derror,100); _pterm=pterm; //pterm=-pterm; pterm_sign=1; } //積分分離PIDif(Error<(pid->Intergral_Band)){if(Error_sign==0)//Error>0{ //iterm=(pid->Integral)*Error; iterm=simp(pid->Integral,Error,100);//積分部分增量//do