1、摘要I本科毕业论文（20 届）嵌入式 PID 流量控制实现设计所在学院 专业班级 自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 摘要II摘要现代工业生产过程中，随着生产规模的不断扩大，对产品质量的要求日益提高，以及现场环境的复杂化，使工业过程控制系统已成为生产过程中必不可少的设备。工业控制器作为过程控制系统的核心，在现代工业过程控制中起着至关重要的作用。PID控制是迄今为止最为通用的控制方法，是经典控制理论在实际控制系统中的典型应用。作为最早发展起来的控制策略之一，由于PID控制算法简单、鲁棒性好、可靠性高等特点，被广泛应用于工业过程控制。但是，PID控制器的核心内容：参数整定，还
2、多依赖于人工经验，参数整定的偶然性较大，整定结果往往不能令人满意，而且常规PID控制器是依赖于具体的对象模型的，对于纯滞后、非线性、时变系统控制效果不好。近些年发展起来的智能PID控制技术，包括基于规则的智能PID自学习控制、加辨识信号的智能自整定PID控制、专家式智能自整定PID控制、模糊PID控制、基于神经网络的PID控制等多种类型。本文通过对基于 2812 系列 DSP 的嵌入式流量系统的设计，培养综合运用所学知识分析与解决实际问题的能力，增强计算、绘图、编制技术文件和动手制作的能力，强化实际应用技能训练，为今后在电子系统设计和开发方面打下基础。关键词：嵌入式 PID,流量控制,DSPA
3、BSTRACTIIABSTRACTThe modern industrial production process, with the continuous expansion of production scale, product quality requirements increasing, as well as the complexity of the environment of the scene, industrial process control systems have become essential equipment in the production proce
4、ss. The core of the industrial controller as a process control system plays a vital role in the modern industrial process control.PID control is by far the most common control method is a typical application of classical control theory in the actual control system. As one of the earliest developed c
5、ontrol strategies, PID control algorithm is simple, robust, and high reliability are widely used in industrial process control. However, the core content of the PID controller: parameter tuning, but also more dependent in the human experience, parameter tuning contingency larger tuning results are o
6、ften unsatisfactory, and the conventional PID controller is dependent on the specific object model for pure lag, nonlinear, time-varying system control ineffective.Intelligent PID control technology developed in recent years, including rule-based intelligent PID control self-learning, plus the ident
7、ification signal of intelligent self-tuning PID control, expert intelligent self-tuning PID control, fuzzy PID control, PID control based on neural networksvarious types.In this paper, based on the 2812 series of DSP embedded flow system design, training the integrated use of knowledge to analyze an
8、d solve practical problems to enhance the computing, graphics, preparation of technical documents and hands-on production ability to strengthen the practical application of skills training,lay the foundation for future electronic systems design and development.Keywords: Embedded PID ,flow control,DS
9、P目录III目录摘 要 . IABSTRACT（英文摘要） . II目 录 . III第一章 引 言 . 11.1 研究目的及意义 . 11.2 本领域的国内外研究现状及发展趋势 . 21.2.1 国内研究动态. 21.2.2 国外研究动态. 2第二章 系统总体设计 . 42.1 功能模块的实现方案 . 42.1.1 处理器的选择 42.1.2 串行通信方案 52.2 系统模块设计图 . 52.3 系统流程图 . 6第三章 硬件设计 . 83.1 电源输入 . 93.2 3V 和 1.8V 电源模块的实现 . 103.3 晶 振 选 择 . 113.3.1 无源晶振 113.3.2 有源晶振
10、113.4 JTAG 模块实现 . 123.5 复位电路 . 133.6 DA 转换模块 . 143.7 串行通信模块的实现 . 153.8 电磁阀 193.9 系统总原理图 . 20第四章 软件设计 . 214.1 PID 算法程序 . 214.2 串行通讯程序 .22 4.3 上位机程序 . 23目录IV第五章 综合调试 . 26结论 . 27参考文献 . 28致谢 . 29附录. .30第一章 引 言1第一章 引言在工业企业生产过程中，自动化技术起了关键的作用。工程上通过工业过程控制系统来操作和控制实际的工业生产过程。而过程控制系统作为生产自动化的最重要组成部分，常采用测量仪表和计算机等
11、自动化工具，应用控制理论进行设计而成。工业控制器是专门针对控制参数进行现场控制的装置，应用非常广泛。1.1 研究目的及意义在科学技术不断发展和人们物质生活水平不断提高的今天，一方面，为满足优质、高产、低消耗及安全生产、保护环境等要求，制造产品的工艺变得越来越复杂；另一方面，工业过程不仅要求控制的精确性，更加注重控制的鲁棒性、实时性、容错性以及对控制参数的自适应和自学习能力。工业过程控制领域中常用的现场仪表主要包括：（1）变送器（压力/差压、温度、流量、物位等）；（2）执行器（电动执行器机构、阀门定位器、电动气动调节阀门等）；仪表为溶入自动化控制系统中必须从仪表的智能化、数字化、模块化、低功耗、
12、多变量、多参数等方面改进，而替代“一对一”的单向的通信方式，总线化的智能仪表不仅应具有起始值、量程、阻尼特性的调整、非线性的校正、多变量的补偿、工程单位的换算等功能，而且还有故障自诊断、PID调节和运算、自动报警以及同系统双向通信的功能。传统的过程控制绝大多数是基于对象模型的，即按照建模控制优化进行，建模的精确程度决定着控制质量的高低。尽管目前的建模理论和方法有长足的进步，但仍有许多过程或对象的机理不清楚，动态特性难以掌握，甚至有些过程难以用数学语言描述。这样，我们不得不对过程模型进行简化或近似，将一个理论上极为先进的控制策略应用在这样的模型上，控制效果必然大打折扣。如自适应控制，对缓慢的变化
13、过程比较有效，但是对变化剧烈的过程却力不从心了。PID控制器（也称PID调节器）因其实现简单、精度稳定而被广泛地应用于工业过程控制，通过调节整定PID控制器的比例系数、积分系数、微分系数，使其能够适应于各种不同的对象，成为一种较为通用的调节器。PID控制是经典控制理论在实际控制系统中的典型应用。据统计至今在全世界过程控制中用的84% 仍是纯 PID调节器，若改进型包含在内则超过90%。随着计算机技术的发展，现代控制理论在实用性方面获得了很大进展，解决了许多经典控制理论不第一章 引 言2能解决的问题，这使很多人认为，新的理论和技术可以取代PID控制，但后来的发展说明，PID控制并没有让位。目前，
14、PID控制仍然是在工业控制中应用得最为广泛得一种控制方法。这一方面是由于其结构简单，鲁棒性和适应性较强；另一面，其调节整定很少依赖于系统的具体模型。随着计算机技术的发展，人们先后将模糊控制、自适应控制、专家控制、神经网络控制等自动控制理论应用于PID控制，使PID控制的性能不断提高，可以逐步克服不能同时很好地满足稳态精度与动态稳定性，平稳性与快速性的要求以及对于存在强非线性、快速时变不确定性、强干扰等特性地对象，控制效果较差等缺点，适用范围越来越广。最近几年，应用嵌入式作为一种新技术从单片机独立发展而来，美国著名未来学家尼葛洛庞帝于1999年1月访华时曾预言，4、5年后嵌入式智能工具将是继PC
15、 和因特网之后最伟大的发明。但近几年将工业控制器以嵌入式技术来实现的研究还很少。笔者认为将先进的智能PID控制由高性能的微控制器来实现，以应用嵌入式技术为控制器作软硬件升级保证，加上实时操作系统的支持，使得工业现场应用的智能PID控制器高速、智能、稳定的完成控制任务，另外，通讯及互联网技术的普及己经极大的改变着人们的工作和生活，但传统的工业控制器由于本身的硬件电路设计的局限性对各种通讯协议的支持是很不到位的，研究多总线通讯的智能PID控制器控制也将使控制器的应用领域进一步扩大，有着广阔的应用前景，这也是是工业仪器智能化的主要研究任务之一。1.2 本领域的国内外应用现状及发展趋势1.2.1 国内
16、研究动态目前国内商品化自整定控制器研究仍处在起步阶段，主要原因有两个：第一，自整定技术是一门集自适应控制、智能控制、自动化过程控制为一体的高科技工程新技术，由于商业上保密的原因，国外许多关键设计技术细节都没有公开发表。如何在线利用最少的被控过程数学模型信息来自动获取鲁棒性强且可靠的最优化PID整定参数，以适应不同的被控过程，这种理论及实践方法在国内还处在理论分析、仿真实验阶段；第二，自整定控制器是微处理计算机、新型精密电子元器件及高密度的工艺制作技术为一体的高集成度的自动化仪表，国内在这些方面与国外同类技术差距甚远，影响了国内自整定控制器商品化的研制。1.2.2 国外研究动态第一章 引 言3主
17、要的自动化仪表生产厂家主要集中在美国、日本、德国等工业发达国家，这些公司大多是实力雄厚的跨国公司，代表着自动化仪表领域的最新成就。在智能仪表的设计方面体现出以下几个方面的特点：（1）良好的可靠性设计。国外产品在设计阶段就十分注意可靠性的分析与设计，运用可靠性分配理论，将可靠性指标逐级分配，从而是整机的可靠性的到了保证。（2）注重可维护性设计。高的可维护性可使仪表便于生产调试和维修，包括在设计中实施与自动检测系统。（3）产品的通用化和系列化。产品系列化体现在功能性、量程范围、精度等方面。这样会对用户带来巨大的吸引力，先进的智能仪表，其通用性很强。体现在大多数产品的通用接口系统，可以方便地将系统互
18、联与计算机组成测试系统，将用途和使用范围大大地扩展。第二章 系统总体设计4第二章 系统总体设计本设计要求是设计一个控制回路，实现对阀门流量的控制。并通过上位机实现流量测量值的实时显示。通过前端流量传感器实现传感器的模拟信号到数字信号的转换，通过 RS232 接口将测量值实时传输给 2812 单片机，单片机内运行 PID 控制算法，计算得到输出值，通过驱动器控制阀门的流量，最终使实际的流量测量值逼近设定值，并实时显示测量值。2.1 功能模块的实现方案按照上述要求，在模块化设计思想的指导下，我们将系统任务分成以下模块。硬件设计包括：处理器最小系统模块、电源模块、DA 转换模块、串口通讯模块等。软件
19、设计包括：PID 控制算法程序、串口通讯程序、上位机串口显示程序等。下面我们讨论几个模块实现方案的选择。2.1.1 处理器的选择DSP（digital singnal processor）是一种独特的微处理器，有自己的完整指令系统，是以数字信号来处理大量信息的器件。一个数字信号处理器在一块不大的芯片内包括有控制单元、运算单元、各种寄存器以及一定数量的存储单元等等，在其外围还可以连接若干存储器，并可以与一定数量的外部设备互相通信，有软、硬件的全面功能，本身就是一个微型计算机。DSP 采用的是哈佛设计，即数据总线和地址总线分开，使程序和数据分别存储在两个分开的空间，允许取指令和执行指令完全重叠。也
20、就是说在执行上一条指令的同时就可取出下一条指令，并进行译码，这大大的提高了微处理器的速度 。另外还允许在程序空间和数据空间之间进行传输，因为增加了器件的灵活性。其工作原理是接收模拟信号，转换为 0 或 1 的数字信号，再对数字信号进行修改、删除、强化，并在其他系统芯片中把数字数据解译回模拟数据或实际环境格式。它不仅具有可编程性，而且其实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令程序，远远超过通用微处理器，是数字化电子世界中日益重要的电脑芯片。它的强大数据处理能力和高运行速度，是最值得称道的两大特色。由于它运算能力很强，速度很快，体积很小，而且采用软件编程具有高度的灵活性，因此为从事各种复杂的应用提供
21、了一条有效途径。根据数字信号处理的要求，DSP 芯片一般具有如下主要特点：第二章 系统总体设计5（1）在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法；（2）程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据；（3）片内具有快速 RAM，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问；（4）具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持；（5）快速的中断处理和硬件 I/O 支持；（6）具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器；（7）可以并行执行多个操作；（8）支持流水线操作，使取指、译码和执行等操作可以重叠执行。综合考虑我们选择广泛使用的 DSP 芯片 TMS320F2812 作为处理器。2.1.2 串行通信方案1969 年
22、,美国电子工业协会(EIA)公布了 RS-232C 作为串行通信接口的电气标准,该标准定义了数据终端设备(DTE)和数据通信设备(DCE)间按位串行传输的接口信息,合理安排了接口的电气信号和机械要求,在世界范围内得到了广泛的应用.但它采用单端驱动非差分接收电路,因而存在着传输距离不太远(最大传输距离 15m)和传送速率不太高(最大位速率为 20Kb/s)的问题.远距离串行通信必须使用 Modem,增加了成本.在分布式控制系统和工业局部网络中 ,传输距离常介于近距离之间的情况,这时 RS-232C(25 脚连接器 )不能采用,用 Modem又不经济,因而需要制定新的串行通信接口标准。考虑到我们的设备对输距离和传送速率要求不是很高，再考虑到性价比以及实现的简易程度，我们选择的是 RS-232 通信协议。2.2 系统模块设计图按照功能模块要求，以及模块话设计的理念，本系统的模块设计图如图2.1 系统模块设计图所示。
