基于AVR单片机的智能调节器的设计精品.docx
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基于AVR单片机的智能调节器的设计精品
题目：
基于AVR单片机的智能调节器的设计
基于AVR单片机的智能调节器设计
摘要
随着现代化工业生产的自动化程度越来越高，对控制水平和控制精度的要求也越来越高。
为保证现代大规模工业生产能够安全、稳定、高效、连续运行，必须对生产过程中的各种重要参数进行自动控制与调节，这其中调节器扮演着重要角色。
本设计的主要目的是设计一台以AVR单片机为核心的智能调节器。
该调节器除了具有一般调节器的功能（PID调节、显示）外，还具有抗积分饱和、自诊断、报警和完善的通信等功能。
该智能调节器的核心是ATmega8单片机，还包括A/D转换、D/A转换、显示、键盘、报警、串行通信、PWM脉宽调制等模块。
采用增量式PID控制算法，能够满足大多数控制系统的控制要求，实现智能化控制。
软件部分利用源代码开放，具有丰富的软件资源，驱动丰富的C-51作为软件开发平台。
关键词：
智能调节器；AVR单片机；PID控制
TheDesignofIntelligentRegulatorBasedonSCMAVR
Abstract
Withtheautomationdegreeofmodernizationofindustrialproductionisgettinghigherandhigher,thecontrollevelandcontrolprecision'srequestisalsogettinghigherandhigher.Inordertoensureamodernlarge-scaleindustrialproductionofsafe,stable,efficientandcontinuousoperation,theproductionprocessmustbeofavarietyofimportantparametersofautomaticcontrolandregulation.Amongtheseregulatorsplayanimportantrole.
Themainpurposeofthisdesignistodesignaintelligentregulator,whichuseAVRsingle-chipmicrocomputerasthecore.Inadditiontotheregulatorfunctionofthegeneralregulator（PIDadjustment,display）,butalsowithanti-saturationpoints,self-diagnosis,alarmingandimprovecommunicationandotherfunctions.
ThecoreofthisintelligentregulatorisATmega8microcontroller,alsoincludesA/Dconversion,D/Aconversion,displaycircuit,keyboard,alarming,serialcommunication,PWMpulse-durationmodulation.ThisintelligentregulatorusestheincreasetypePIDcontrolalgorithm,cansatisfymostlythedigitalcontrolsystem'scontrolrequest,realizestheintellectualizedcontrol.ThesoftwarepartusesC-51asasoftwaredevelopmentplatform,whichsourcecodeisopenandhasawealthofsoftwareresources.
Keywords:
IntelligentRegulator;SCMAVR;PIDcontrol
第一章绪论
1.1智能调节器的现状及发展趋势[14]
七十年代初，大规模集成电路技术取得突破，出现了成本低、性能好的微处理器，人们开始用多台微机代替一台工业控制机控制生产过程。
到了八十年代初，新型传感技术、计算机技术、数据通讯与网络技术、图象显示技术、现代控制理论得到了广泛应用。
发达国家的仪表厂商纷纷推出以微型计算机为基础，具有综合测控功能的智能单、多回路调节器。
它是一种数字控制仪表，与模拟式调节仪表相比较，可编程调节器实现了仪表和计算机的一体化，通用性强、使用方便、性能价格比高，所以在工业控制过程中得到广泛的应用。
九十年代以来，随着微处理技术的不断发展，推动智能调节器性能不断提升。
从而可实现调节器的高速在线数据处理和大容量储存。
同时在调节器硬件结构不断简化的同时，其可编程功能得到增强，一些复杂的控制功能可由软件来完成，并可以根据调节器内部各种运算控制模块，灵活地组态构成多种控制方案。
而随着现场总线系统的迅猛发展，现场总线式仪表也成为了智能调节器新的发展趋势。
智能调节器是计算机过程控制技术发展的必然产物，它虽然不具备大规模的综合测控能力，但是计算机通信技术的发展却促进其与DCS的结合，为它的进一步发展提供了良好的契机。
通过通用的工业现场总线，数字调节器很容易与各种工业测控网络互联，发挥其独特的测控功能。
正因为数字调节器具有广阔的应用前景，国内外厂商对数字调节器的研究和生产具有很浓厚的兴趣。
国外的如DIGITRONIK系列的KMM调节器、日本横河一北辰公司的YS-80系列调节器、FC系列的PMK调节器等。
其中YS-80系列可编程调节器仅6年时间销售量就达20多万台。
到80年代中后期，各厂家在原来可编程调节器的基础上，又研制出首批普及型的具有自整定功能的可编程调节器：
如TOC3000SSC系统中的KMM211型可编程调节器、日本横河一北辰公司的YEWSERIES-80专家自整定调节器、美国FOXBORO公司的EXACT专家自整定调节器、日本山武·霍尼韦尔公司的SDC系列智能数字调节器等。
Honeywell于1996年最新推出的UDC-6300可编程回路调节器代表了调节器的发展方向。
它适用于各种工业过程控制，具有丰富功能和完美质量，并可以构成经济的DCS控制系统。
总的来说，国外产品侧重向专门系统和装置的专用控制站方向发展，其产品具有以下特点：
1）智能数字调节仪表已发展成为专门用途的控制站。
一台数字调节仪表有多回路组态控制，多通道开关量输入、输出逻辑控制功能。
同时仪表具有多种通信协议接口，很方便与整个工厂自动化系统相连接，实现信息互通，组成集散系统和信息系统。
2）人性化人机界面设计，可同时显示多种信息和多种方式。
3）仪表向网络化方向发展，许多仪表有开放式DeviceNet、Profibus、CC-Link、Ethernet-Link多种总线接口，方便连接工厂自动化系统。
4）由于仪表自身的发展，数字调节仪表在某些领域比采用DCS、PLC等方案控制更有效，性价比更高，存在和发展的空间很大。
国内的如西安仪表厂的DDZ-S系列仪表中的可编程调节器；广东肇庆仪表厂的CS-900系列单回路至三回路可编程调节器等。
目前，国内针对智能数字调节器的开发己经进入高速发展时期，各种新型智能数字调节仪表不断推出。
例如，浙大中控集团开发的现场总线式智能数字调节器以基于HART协议的现场总线替代传统的（4-20）mA变送方式，实现了模拟通讯向数模混合通讯方式的转变。
此外，各种无模型控制器己经开始出现，实现了对非线性、大时滞等系统的较好控制。
总的来说，国内产品具有以下特点：
1）近年来国产数字调节仪表、有了长足进步，这归功于民营科技企业作出的重大贡献。
主要数字调节仪表制造商有：
上润精密仪器有限公司、虹润精密仪器有限公司、厦门宇光电子技术有限公司、厦门安东电子有限公司等，其年产量均达到几万台规模。
2）国内产品在市场上数量占绝对优势，但也表现出常规品种多，特色品种少，各家产品之间缺少特色。
3）仪表在性能、外观、可靠性方面比国外同类产品稍逊。
4）具有通信功能已是数字调节仪表和记录仪表的常规功能，但目前仅有Modbus、RS-485、RS-232形式，开放性较差，较难接入工厂总线自动化系统。
从国内外数字调节器的特点可以看出，国内外发展水平还是存在一定差距的。
目前国内设计者已经高度重视这一块，针对智能数字调节器的开发也进入高度发展时期，相信可以很快改变这一现状。
1.2课题提出的意义
智能调节器是工业控制系统中最常见的控制仪表之一，与传统的模拟调节器相比，智能调节器应用了微处理机等先进技术，具有信息存储、逻辑判断、精确、快速计算等特点。
虽然随着DCS系统在我国的迅速发展，给智能调节器的应用带来了一定的冲击，但是昂贵的DCS系统对于那些规模不大、自动化程度不高的企业来说性价比并不高。
而随着微处理器技术的发展，调节器的功能不断完善，DCS系统的各项功能己经可以用通用微型计算机加数字调节器的组合来实现。
因此设计一款显示直观、控制精度高、物美价廉的数字调节器对于那些中小型企业来说是十分有意义的。
随着微电子和微处理器的迅速发展，数字调节器的功能也在不断增强，但同时控制系统对仪表的要求也越来越高。
不仅要求数字调节器有较高的可靠性，较多的功能，还需能做各种控制运算，能与其它测控设备通信共同实现复杂控制。
因而传统的8/16位单片机渐渐显现出软硬件资源不足的问题。
嵌入式系统是一种软硬件可扩充或删减的专业计算机系统，它以面向应用为主，是将计算机技术，半导体技术和电子技术以及各个行业的具体应用相结合的产物。
相对于传统的8/16单片机，嵌入式系统具有速度高、容量大、扩充性能良好，实时性好，并可执行多任务操作系统的特点。
而AVR[3]体系结构已被公认是业界领先的8位嵌入式RISC微处理结构。
在AVR嵌入式系统的基础上设计智能数字调节器，具有功耗小，功能完备、精度高、速度快、存储容量大和功能可扩展的特点。
目前测控自动化系统还多采用RS-485总线方式进行数据通信。
RS-485总线具有形式简单、造价低等优点，但随着科技的发展，RS-485总线的总线效率低、系统实时性差、通信可靠性低、单总线可挂接节点少等缺点慢慢地暴露出来，给用户带来极大的不便。
AVR单片机内含有1个可编程的异步串行USART接口，主/从SPI串行接口，双线
串行接口，是增强型的高速同/异步串行通信，具有硬件产生校验码、硬件检错和校验帧错、两级接收缓冲、波特率自动调整定位（接收时）、屏蔽数据帧等功能，提高了通信的可靠性，方便程序编写，更便于组成分布式网络和实现多机通信系统的复杂应用，串行接口能力大大超过MCS-51/96单片机的串行接口，加之AVR单片机速度高、中断响应时间短，故可实现高波特率通信。
1.3本设计的主要内容
本文在深入研究国内外数字调节器发展现状及其工作原理基础上，结合实际工业需要，设计了这款应用8位AVR芯片作为中央处理器；采用稳定可靠的总线系统保证调节器通信的可靠性和高速实时性；利用源代码开放，具有丰富的软件资源，驱动丰富的C-51作为软件开发平台；同时为提高数字控制器对各种大惯性、纯滞后等对象的控制效果，采用了数字式PID增量控制算法的智能调节器。
该设计的智能数字调节器除了具有一般调节器的功能（调节、显示、PID运算等）外，还具有自诊断和报警、抗积分饱和、时钟显示、完善的通信等功能。
第二章总体方案设计
2.1智能调节器系统组成及其功能描述
一般的控制器或控制设备均具有显示和调节功能，即实测量的显示功能和电位器调节设备功能。
电位器作为一种模拟器件，具有连续调节能力，但容易出现接触不良的问题，而且数字化发展方向不吻合。
目前虽有数字电位器可供选用，但分辨率普遍较低，抽头数最高的如XICOR公司的X9110，只有1024个抽头，即1024级，不能适应某种特殊要求。
数字化调节器的研究正是基于这种背景。
该数字化调节器具有显示和调节功能，而且是按键操作，克服了电位器旋钮不能密封的固有缺陷，可广泛应用于电位器调节的应用场合。
数字化调节器的主要功能是调节和显示，具体设计要求如下：
1．调节功能
具有电压和电流两种调节方式。
2．显示功能
同时显示实测值和调节设定值；采用数码管显示，能适应不同的照明环境要求；8位显示，前4位是实测值，后4位是设定值，各自的首位用面板文字“电压”或“电流”的指示灯表示电压或电流，用“电压细步”或“电流细步”的指示灯表示目前为细分设定状态。
本设计中所设计的智能调节器除了具有一般的调节和显示功能外，还具有自诊断和报警、抗积分饱和、时钟显示、完善的通信等功能。
其硬件大致由以下部分组成：
CPU、A/D转换、D/A转换、键盘电路、数码管显示、MAX232通信电路、报警电路以及V/I转换电路。
如图2.1所示：
2.2调节器的控制算法
在调节器的设计与工作过程中，调节器的控制算法起着至关重要的作用。
调节器控制理论[23]经历了古典控制理论、现代控制理论、智能控制理论，古典控制算法又包括模拟PID算法和数字式PID算法；现代控制算法包括最优控制、随机控制、自适应控制等；智能控制算法包括模糊控制、神经网络控制、专家控制、仿人智能控制、遗传算法等。
PID控制算法是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单、鲁棒性好和可靠性高，被广泛用于过程控制和运动控制中。
数字式PID控制算法是将模拟PID离散化得到，各参数有着明显的物理意义，调整方便。
2.2.1经典PID算法
在连续—时间控制系统中，PID控制器应用得非常广泛。
其设计技术成熟，长期以来形成了典型的结构，参数整定方便，结构更改灵活，能满足一般的控制要求。
在模拟调节系统中，PID控制算法的模拟表达式[12]为：
式（2.1）
式中，
为调节器的输出信号；
为偏差信号，它等于给定量与输出量之差；
为比例系数；
为积分时间常数；
为微分时间常数。
其控制框图如图2.2所示：
PID控制器是一种线性控制器，输出量
和给定量
之间的误差是时间的函数。
式（2.2）
由比例，积分，微分的线性组合，构成控制量
，这种控制方式具有上述三种控制方式，因而被称为比例（Proportional）、积分（Integrating），微分（Differentiation）控制，简称PID控制。
在实际应用中，根据受控对象的特性和控制的性能要求，可以灵活地采用不同的控制组合，构成比例（P）控制器、比例积分（PI）控制器、比例微分（PD）控制器或是比例积分微分（PID）控制器。
比例控制能够迅速反应误差，从而减小稳态误差。
但是，比例控制不能彻底消除稳态误差。
随着比例放大系数的加大，系统会逐渐变得不稳定，因此需要进行积分控制。
积分控制的作用是，当系统存在误差时，积分控制器就不断地积累，输出控制量，以消除误差，只要有充分的时间，积分控制就能够完全消除误差，从而消除稳态误差。
但是积分作用太强会引起系统超调加大，甚至使系统出现振荡，此时又需要引入微分控制。
微分控制可以减小超调量，克服振荡，使系统的稳定性提高，同时加快系统的动态响应速度，减小调整时间，从而改善系统的动态性能。
应用PID控制，就是根据具体情况适当地调整比例放大系数
，积分时间
和微分时间
，使整个控制系统达到满意的控制效果。
2.2.2数字式PID算法
在数字控制系统中，PID控制器是通过计算机PID控制算法程序实现的。
连续的时间信号，必须经过离散化后，变成数字量，才能用计算机进行数据处理与存储。
在数字计算机中，计算和处理积分、微分时，只能用数值计算去逼近。
因此在数字计算机中PID控制规律的实现也必须用数值逼近的方法，用求和代替积分，用差商代替微商，使PID算法离散化，将描述连续一时间PID算法的微分方程，变为描述离散一时间PID算法的差分方程。
式（2.3）
式中
是控制量的基值，即稳态时PID控制器的输出值；
是第k次采样时刻的控制，
为比例放大系数，
为积分放大系数，
，
为微分放大系数，
，
为采样周期。
式（2.3）称为位置式PID制算法。
由位置式PID控制算法推导出：
式（2.4）
其中，
式（2.5）
式（2.6）
式（2.7）
公式（2.4）称为增量式PID控制算法，从该表达式已经看不出P、I、D作用的直接关系，只表示了各次误差量对控制作用的影响。
从式（2.4）看出，数字增量式PID算法，只要贮存最近的三个误差采样值
、
、
即可当执行机构需要的不是控制量的绝对值，而是控制量的增量时，该算法可以起到很好的控制效果。
本设计中就是采用了增量式数字PID算法。
因为增量式数字PID有很多优点：
（1）由于计算机输出的是增量，所以误动作影响小，必要时可用逻辑判断的方法去掉；
（2）在位置型控制算法中，由手动到自动切换时，必须首先使计算机的输出值等于阀门的原始开度，才能保证手动/自动地无扰动切换，这将给程序设计带来困难。
而增量设计只与本次的偏差值有关，与阀门原来的位置无关，因而增量算法易于实现手动/自动的无扰动切换；（3）不产生积分失控，所以容易获得较好的调节品质。
2.2.2.1数字PID采样周期的选择[24]
1．选择采样周期的重要性
采样周期越小，数字模拟越精确，控制效果越接近连续控制。
对大多数算法，缩短采样周期可使控制回路性能改善，但采样周期缩短时，频繁的采样必然会占用较多的计算工作时间，同时也会增加计算机的计算负担，而对有些变化缓慢的受控对象无需很高的采样频率即可满意地进行跟踪，过多的采样反而没有多少实际意义。
2．选择采样周期的原则――采样定理
最大采样周期
式（2.8）式中
为信号频率组分中最高频率分量。
3. 选择采样周期应综合考虑的因素
（1）给定值的变化频率
加到被控对象上的给定值变化频率越高，采样频率应越高，以使给定值的改变通过采样迅速得到反映，而不致在随动控制中产生大的时延。
（2）被控对象的特性
①考虑对象变化的缓急，若对象是慢速的热工或化工对象时，T一般取得较大。
在对象变化较快的场合，T应取得较小。
②考虑干扰的情况，从系统抗干扰的性能要求来看，要求采样周期短，使扰动能迅速得到校正。
（3）使用的算式和执行机构的类型
①采样周期太小，会使积分作用、微分作用不明显。
同时，因受微机计算精度的影响，当采样周期小到一定程度时，前后两次采样的差别反映不出来，使调节作用因此而减弱。
②执行机构的动作惯性大，采样周期的选择要与之适应，否则执行机构来不及反应数字控制器输出值的变化。
（4）控制的回路数
要求控制的回路越多时，相应的采样周期越长，以使每个回路的调节算法都有足够的时间来完成。
控制的回路数n与采样周期T有如下关系：
式（2.9）
式中，
是第j个回路控制程序的执行时间。
采样周期的选择方法有两种，一种是计算法，一种是经验法。
计算法由于比较复杂，特别是被控系统各个环节时间常数难以确定，所以工程上用得比较少。
工程上应用最多的还是经验法。
所谓经验法实际上是一种凑试法，即根据人们在工作实践中积累的经验以及被控对象的特点、参数，先粗选一个采样周期T，送入计算机控制系统进行试验，根据对被控对象的实际控制效果，反复修改T，直到满意为止。
2.2.2.2数字PID控制的参数选择
1. 参数选择的原则要求和整定方法
（1）原则要求
被控过程是稳定的，能迅速和准确地跟踪给定值的变化，超调量小，在不同干扰下系统输出应能保持在给定值，操作变量不宜过大，在系统与环境参数发生变化时控制应保持稳定。
显然，要同时满足上述各项要求是困难的，必须根据具体过程的要求，满足主要方面，并兼顾其它方面。
（2）PID参数整定方法
理论计算法——依赖被控对象准确的数学模型（一般较难做到）。
工程整定法——不依赖被控对象准确的数学模型，直接在控制系统中进行现场整定（简单易行）。
2. 常用的工程整定法
（1）扩充临界比例度法――适用于有自平衡特性的被控对象
整定数字调节器参数的步骤是：
①选择采样周期为被控对象纯滞后时间的十分之一以下。
②去掉积分和微分作用，逐渐增大比例度系数
直至系统对阶跃输入的响应达到临界振荡状态（稳定边缘），记下此时的临界比例系数
及系统的临界振荡周期
。
③ 选择控制度。
式（2.10）通常，当控制度为1.05时，就可以认为DDC与模拟控制效果相当。
④ 根据选定的控制度，查表求得T、KP、TI、TD的值。
（2）响应曲线法――适用于多容量自平衡系统
参数整定步骤如下：
①让系统处于手动操作状态，将被调量调节到给定值附近，并使之稳定下来，然后突然改变给定值，给对象一个阶跃输入信号。
图2.2阶跃响应曲线
②用记录仪表记录被调量在阶跃输入下的整个变化过程曲线，如图2.2所示。
③在曲线最大斜率处作切线，求得滞后时间τ，被控对象时间常数
以及它们的比值
。
④由求得的τ、
及
查表，即可求得数字调节器的有关参数
、
、
及采样周期
。
（3）归一参数定法
令
，
，
。
则增量型PID控制的公式简化为
式（2.11）改变
，观察控制效果，直到满意为止。
2.2.2.3数字PID控制的工程实现
图2.3数字PID控制的工程实现
第三章智能调节器的硬件设计
3.1单片机介绍
单片机又称单片微控制器，它是把一个计算机系统集成到一片芯片上，概括的讲：
一片芯片就成了一台计算机。
单片机技术是计算机技术的一个分支,是智能调节器的核心元件，调节器智能化的实现以及智能化程度主要依赖于所选用的单片机的性能与特点。
而高可靠性、功能强、高速度、低功耗和低价位，一直是衡量单片机性能的重要指标，也是单片机占领市场赖以生存的必要条件。
3.1.1单片机的选型
传统单片机工艺及设计水平不高、功耗高、抗干扰性能差、指令周期长、执行速度慢，最典型的代表是C51单片机。
自从AVR单片机推出以后，彻底改变了这种状态。
它采用精简指令集，硬件结构采取8位机与16位机的折中策略，采用局部寄存器存堆和单体高速输入/输出的方案。
这样，既提高了指令执行速度，克服了瓶颈现象，增强了功能；又减少了对外设管理的开销，相对化了硬件结构，降低了成本。
AVR与传统C51单片机的区别为：
简单的说，CPU构架不同，虽然都是8位的，但指令集不同，AVR是用RISC的，哈佛结构的总线；51是用CISC，冯诺依曼结构的总线。
跟AVR单片机相比，51内部资源少，速度慢，但学习简单，是用的最多最精典的单片机。
AVR是后来才出来的，工艺上远超过51，内部资源丰富，速度快。
AVR单片机的先进性和特点还有很多，如脉宽调制（PWM）输出，看门狗定时器，休眠模式（低功耗）的应用，片内A/D转换器的使用，异、同步串口通信，软件等。
所以对于现在一般的嵌入式控制应用，AVR单片机是一个很好的选择。
本设计中我选用的是AVR单片机中ATmega系列中的一个子集ATmega8。
ATmega8[3]是具有AVRRISC结构的低功耗的CMOS8微处理器。
ATmega8是一个非常特殊的单片机，它的芯片内部集成了较大容量的存储器和丰富强大的硬件接口电路，具备AVR高档单片机MEGE系列的全部性能和特点，但由于采用了小引脚封装（PDIP为28和TQFP/MLF为32），所以其价格仅与低档单片机相
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