智能调节器文献综述

内蒙古科技大学信息工程学院测控专业毕业实习报告——文献综述题目：基于单片机的智能调节器设计学生姓名：000学号：00专业：00班级：00指导教师：00一、引言1、调节器作用调节器将来自变送器的测量值与给定值相比较后产生的偏差进行比例、积分、微分（PID ）运算，并输出统一标准信号，去控制执行机构的动作，以实现对温度、压力、流量、液位及其他工艺便利的自动控制[1]。

在工业过程控制中，PID 控制是历史最悠久，生命力最强的一种控制方式。

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。

智能控制器能解决许多控制问题，尤其在动态过程是良性的和性能要求不太高的情况下。

智能控制不仅是分布式控制系统的重要组成部分，而且嵌入在许多有特殊要求的控制系统中。

在过程控制中，90%以上的控制回路采用PID 类型的控制器，因此，大多数反馈回路采用该方法或其较小的变形来控制。

2、调节器原理在图1.1所示的单回路控制系统中，由于扰动作用使被控变量偏离给定值，从而产生偏差s i x x e -=，式中e-偏差；i x -测量值；s x -给定值。

调节器接受偏差信号后，按一定的运算规律输出控制信号，作用于被控对象，以消除扰动对被控变量的影响，从而使被控变量回到给定值上来。

图1.1 单回路控制系统结构图调节器的运算规律就是指调节器的输出信号与输入偏差之间随时间的变化规律。

习惯上称e>0为正偏差；e<0为负偏差。

若e>0时，对应的输出信号变化量∆y>0，则成调节器为正作用调节器；若e<0时，对应的输出信号变化量∆y>0，则称调节器为反作用调节器。

3、调节器分类按使用能源的不同分类可分为：电动调节器、气动调节器和液动调节器；按控制规律的不同可分为：位式调节器、比例积分调节器、比例微分调节器和三作用调节器；按传递的运算信号形式可分为：模拟式和数字式两类[2]。

按其结构和组成的形式可分为以下几种类型。

(1)基地式调节器基地式调节器吧对被控量的测量、变送、调节、显示等作用部件合为一体，彼此以下可分离的机械结构和联接，并装在一个表壳内，有的甚至还包容了检测元件和执行器，能完成单回路控制系统的就地检测、记录及调节等全部功能。

(2)单元组合式调节器单元组合式调节器式单元组合仪表的调节单元。

按其能源的不同分为电动和气动两大类。

它们的输入信号和输出信号都是统一的标准信号，电动Ⅱ型调节器式0-10mA 直流电流信号，电动Ⅲ型调节器式4-20mA直流电流信号，气动调节器为20-100kPa 气压信号[3]。

(3)组装式电子控制装置组装式电子控制装置式在电动单元组合仪表的基础上发展起来的，是一种将仪表与生产过程控制系统有机地、紧密地结合在一起的综合性成套仪表。

(4)可编程调节器可编程调节器是一种智能化面板式过程控制仪表。

它以微处理机作为运算、判断和控制的核心。

它的控制规律或是运算功能是根据过程控制的需要，通过用户编程来实现的，但其外表和操作方式却与DDZ系列仪表相似，并且可以与之混合使用。

(5)集中分散型控制装置集中分散型控制装置是把整个控制系统分成若干级，最基层的是直接数字控制，上一级是优化控制，这样既能发挥计算机控制多功能的特点，满足现代化工生产集中操作、显示和报警的要求，又能避免危险过分集中，使整个系统安全可靠。

4、微处理器的选择从价格、字长、输入/输出的执行速度、编程的灵活性、寻址能力、中断功能、直接存储器访问（DMA）能力、配套的外围电路芯片是否丰富以及相应的开发系统是否具备等多方面进行综合考虑[4][5]。

以下列出几种微处理器，予以比较：(1)51单片机仿真63K程序空间,接近64K 的16位地址空间；仿真64Kxdata 空间,全部64K 的16位地址空间;真实仿真全部32 条IO脚；完全兼容keilC51 UV2 调试环境,可以通过UV2 环境进行单步,断点,全速等操作；使用C51语言或者ASM汇编语言进行调试；可选使用用户晶振，支持0－40MHZ 晶振频率；仿真双DPTR 指针；仿真去除ALE 信号输出；RS-232接口不计成本采用MAX202集成电路,串行通讯稳定可靠,绝非一般三极管的简易电路可比。

(2) AVR单片机在相同的系统时钟下AVR运行速度最快；芯片内部的Flsah、EEPROM、SRAM容量较大；所有型号的Flash、EEPROM都可以反复烧写、全部支持在线编程烧写(ISP)；多种频率的内部RC振荡器、上电自动复位、看门狗、启动延时等功能，零外围电路也可以工作；每个IO口都可以以推换驱动的方式输出高、低电平，驱动能力强；内部资源丰富，一般都集成AD、DA模数器；PWM；SPI、USART、TWI、I2C通信口；丰富的中断源等。

(3) PIC单片机PIC最大的特点是不搞单纯的功能堆积，而是从实际出发，重视产品的性能与价格比，靠发展多种型号来满足不同层次的应用要求。

精简指令使其执行效率大为提高。

PIC系列8位CMOS单片机具有独特的RISC结构，数据总线和指令总线分离的哈佛总线（Harvard）结构，使指令具有单字长的特性，且允许指令码的位数可多于8位的数据位数，这与传统的采用CISC结构的8位单片机相比，可以达到2:1的代码压缩，速度提高4倍。

PIC有优越开发环境。

产品上市零等待（Zero time to market）。

彻底的保密性。

自带看门狗定时器，可以用来提高程序运行的可靠性。

睡眠和低功耗模式。

(4) MSP430单片机处理能力强；运算速度快；超低功耗；片内资源丰富；方便高效的开发环境。

本设计采用AVR单片机或MSP430单片机。

5、控制算法的选择基本的控制算法[6]有：程序控制和顺序控制、PID控制、直接数字控制、最优控制、模糊控制、神经网络控制。

其中PID控制最为成熟，控制结构简单，参数容易控制，且不必求出被控对象的数字模型就可进行调节[7]。

PID控制算法是计算机控制的一个广泛应用的基本算法，而PID控制的数字化是属于控制算法设计中的模拟化设计方法，或称间接设计方法[8]。

理想PID 算式：])()(1)([)(0⎰++=tdip dtt de T dt t e T t e K t u (1-1)转换成传递函数：)11()()()(s T sT K s E s U s D d i p ++==(1-2)可以画成如图1.2所示。

图1.2 PID 控制器方框图 其位置式算法：)]}1()([)(T T e(k){)(0i--++=∑=k e k e TT k e K k u d kk P (1-3)增量式算法：)]2()1(2)([)()]1()([)(-+--++--=∆k e k e k e K k e K k e k e K k u d i P (1-4) 本设计预采用积分分离 PID 控制算法。

二、智能调节器硬件电路设计智能调节器的硬件电路由主机电路、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[9]，其结构原理图如图2.1所示。

模拟量输入状态量输入数据通信模拟量输出状态量输出图2.1 智能调节器的硬件电路原理图其中主机电路由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/输出通道包括模拟量输入/输出通道和开关量输入/输出通道，前者用于接收/输出模拟量信号，后者用于接收/输出开光信号；一台智能调节器通常都可以接收/输出若干个模拟量信号和开关量信号。

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。

硬件是整个设计的基础。

在本系统中选用以AT89C51单片机为控制核心，输入电压通过AD 转换器，输出数字信号送入AT89C51单片机进行PID 运算，运算完成后一路输出结果进入74ALS573锁存器。

通过人机界面的设计，在LED 上显示出来。

其中键盘的三个按键功能分别为“功能选择键” 、“ +” 、“ -” 。

一路通过DA 转换芯片将转换值返回输入端。

三、智能调节器的软件设计智能调节器具有运算控制功能强，通过软件实现所需功能，带有自诊断功能，带有数字通信功能，与模拟调节器特性相似，保持常规模拟调节器的操作方式等优点，实现了仪表和计算机的一体化，因而在工业生产过程自动控制系统中得到了广泛的应用。

首先软件设计需要能够进行PID运算，其次还要能够解决一些问题[10]。

(1) 控制流程图图3.1 控制流程图(2)人机对话程序人机对话是指计算机通过显示器或打印设备，向操作人员提供有用的信息，操作人员通过键盘向计算机输入信息，以控制程序的运行，或是设置、修改、调试系统有关参数。

人机对话功能，需要设计相应的程序或是调用所选的编程语言中的有关子程序实现。

(3)输入信号的预处理为抑制各种环境干扰及测量噪声，对输入至计算机的采样信号进行预处理有时是很需要的。

有很多的预处理数学模型，一般常见的有三种：①算术均值每一采样周期取N次输入，求N次的算术平均值作为本次采样值。

，i=1,2,…,N，则第k采样周期至均值设第k采样周期取N次输入)e(ki∑==Ni ik eNk e 1)(1)( (3-1)②加权均值每一采样周期取N 次输入，求N 次加权均值∑==Ni iik ec k e 1)()( (3-2)11=∑=Ni ic(3-3)其中，i c ：加权系数，根据具体情况确定。

③一阶滤波算法 一阶滤波算法模型10),()1()1()(<<-+-=a k e a k ae k e f f (3-4)其中，)(k e ：滤波器第k 周期采样输入；)(k e f ：滤波器第k 周期输出；a ：滤波系数。

(4)其他问题的处理对异常信号的处理、系统运行状态的显示与记录以及数制、代码转换程序等。

(5)程序实现语言有多种高级语言可以用于实时控制，例如C 语言等，高级语言之优点为编程较易，修改也比较方便。

本设计采用C 语言。

四、总结单片机体积小、重量轻、抗干扰能力强、环境要求不高、价格低廉、可靠性高、灵活性好、开发较为容易，极易实现系统移植，并且加快了软件的开发进程。

PID 算法能够实时控制，消除稳态误差、提高精度，特别是积分分离 PID控制算法，既保持了积分作用，又减小了超调量，使得控制性能有了较大的改善，因此PID算法是本设计的重中之重。

该数字调节器硬件结构简单、系统稳定、控制精度高且价格低廉；该系统还具备了自诊断和报警的功能，避免出现意外事故。