基于FreescaleHCS12系列单片机的结晶器振动控制系统 - PID算法实

题 目：基于

Freescale HCS12系列单

片机的结晶器振动控制系统

——PID算法实现

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基于Freescale HCS12系列单片机的结晶器振动控制系统

——PID算法实现

摘 要

结晶器是连续铸钢中的铸坯成型设备，是连铸机心脏设备之一。它的功能是将不断注入其内腔的高温钢水强制冷却，导出热量，使之逐渐凝固成为具有所要求的断面形状和坯壳厚度的铸坯。结晶器振动装置的主要功能是使结晶器按照给定的振幅、频率和波形振动，其目的是防止铸坯在凝固过程中与结晶器壁粘结而出现粘结漏钢事故。

经典控制理论PID控制是较常采用的控制策略，在控制系统中仍有广泛应用。PID控制器，具有结构简单、易于实现等特点。由于工业技术的发展，传统的模拟PID控制不能解决快速性和稳态特性之间的矛盾，不能适应工业发展的要求。

本设计基于Freescale HCS12系统单片机，通过D/A5660产生振动波形，传感器与A/D7367采集结晶器振动信号并反馈给单片机，并在单片机内进行PID运算，输出控制信号。此外，PID参数可通过键盘调整。希望通过研究结晶器振动系统的特性，采用改进型数字PID控制策略对结晶器的振动波形进行控制，以使其能够适应工业应用要求。

关键词：结晶器；飞思卡尔；HCS12；单片机；PID控制；增量型式PID；

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Series Vibration Control System Mold Based on the Freescale Hcs12

MCU— PID Algorithm

Abstract

Crystallizer is a continuous casting mold in the shape of the casting equipment, also the one core equipment of the continuous casting machine. Its function is to force cooling the high-temperature molten steel which is continuously injected into its cavity, and derive heat. Gradually the high-temperature molten steel would be solidified into the cross-section with required shape and billet shell thickness. The main function of the vibration device of crystallizer is to force the Crystallizer moving according as the giving amplitude, frequency and wave. Its purpose is to avoid the casting adhesive bonding to the crystallizer wall during the solidification process.

As the PID control of classical control theory is a control strategy in common use, it’s also widely used in the control system now. PID controller has the features as simple structure, easy to implement and so on. In view of the development of industrial technology, the traditional PID control is unable to resolve the contradiction between speediness and steady-state characteristics. It can not meet the requirements of industrial development.

This design is based on the Freescale HCS12 systematical microcontroller, which can control the crystallizer's vibration by the waveform generated through D/A5660, sensors and A/D7367 collect the vibration signal, and then feedback it to the microcontroller, finally it runs the PID operation in the single-chip, output the controlling signals, in addition, PID parameters can be adjusted through the keyboard. By studding the characteristics of the vibration system, using the improved digital PID control strategy control the crystallizer's vibration waveform, which is to enable them to meet the requirements of industrial application.

keywords：Crystallize; Freescale; HCS12; PID control;

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目 录

摘 要 ..................................................................................................................................... I Abstract ...................................................................................................................................... II 第一章 引 言 .......................................................................................................................... 1

1.1连铸结晶器简介 ......................................................................................................... 1

1.1.1 结晶器的功能与发展 .................................................................................... 1 1.1.2 连铸结晶器的振动规律 ................................................................................ 2 1.2 HCS12单片机 .......................................................................................................... 4

1.2.1 微处理器与嵌入式系统的发展 ...................................................................... 4 1.2.2 MC9S12外部接口与最小系统 ........................................................................ 6 1.3 PID控制的运算规律和构成 ..................................................................................... 13

1.3.1 PID控制的原理和特点 ............................................................................... 13 1.3.2 PID算法的数字化 ....................................................................................... 17

第二章 硬件设计 .................................................................................................................. 20

2.1 设计思路 ................................................................................................................. 20 2.2 方案选择 ................................................................................................................. 20

2.2.1 PID调节器方案比较与选择 ....................................................................... 20 2.2.2 键盘方案的比较与选择 ................................................................................ 21

第三章 软件设计 .................................................................................................................. 23

3.1 软件设计思想 .......................................................................................................... 23 3.2 各模块功能 .............................................................................................................. 23

3.2.1 PID算法模块 ............................................................................................... 24 3.2.2 键盘功能模块 ................................................................................................ 26 3.2.3 串口发送模块 ................................................................................................ 28 3.2.4 定时器中断处理模块 .................................................................................... 30

第四章 程序调试 .................................................................................................................. 31

4.1 调试PID参数的一般原则和方法 ......................................................................... 31 4.2 程序运行结果 ......................................................................................................... 32 第五章 总结 .......................................................................................................................... 34

III

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参考文献 .................................................................................................................................. 35 附录A源程序 ......................................................................................................................... 36 附录B硬件电路图 ................................................................................................................. 53 致 谢 ...................................................................................................................................... 54

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第一章 引 言

1.1连铸结晶器简介

1.1.1 结晶器的功能与发展

结晶器是连续铸钢中的铸坯成型设备，也是连铸机心脏设备之一。它的功能是将不断注入其内腔的高温钢水强制冷却，导出热量，使之逐渐凝固成为具有所需断面形状和坯壳厚度的铸坯。结晶器质量的好坏对提高拉坯速度防止漏钢、减少铸坯的裂纹、变形等有十分重要的意义。因此对于结晶器必须具有良好的导热性能，钢水进入后能够迅速形成足够的初生坯壳，还有较强的耐磨性和较长的使用寿命及有良好的刚性和结构工艺性。结晶器工艺图如图1-1所示。

图1-1结晶器工艺图

连铸是连续铸钢的简称，它是把炼钢和轧钢衔接起来的一项工艺，即使冶炼的合格钢水，在浇注过程中经过结晶和凝固，成为具有一定形状的铸坯。连铸具有金属收得率高、节约能源、铸坯质量高、有利于实现机械化和自动化等一系列优点。

回顾连续铸钢的发展历史，直至二十世纪三十年代，结晶器振动装置才开始应用于有色金属的浇注。而在这之前，连铸结晶器是固定不动的。在拉坯过程中，坯壳极易与结晶器壁发生粘结从而导致拉不动或拉漏事故，因此浇铸速度很低。据有关文献记载，1913年瑞典人皮尔逊（A·H·Pehrson）曾提出结晶器应按照一定的振幅和频率做往复运动的想法，即采用结晶器振动装置使结晶器按照给定的振幅、频率和波形运动。真正将这一想法付诸实践的是德国人容汉斯(S·Junghans）。容汉斯开发的结晶器振动装置于1933年成功的应用于有色金属-黄铜的连铸。1949年容汉斯的合作者美国人艾尔文·罗西（Irving·Rossi）获得

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了容汉斯振动结晶器的使用权，并在美国的阿·勒德隆钢公司（Allegheng Ludlum Steel Corporation）的Watervliet厂的一台方坯试验连铸机上采用了振动结晶器。与此同时，容汉斯振动结晶器又被应用于德国曼内斯曼（Mannesmann）公司胡金根厂（Huckiugen）的一台试验连铸机上。容汉斯振动结晶器在这两台连铸机上的成功应用，使得结晶器的振动应用引起了人们的注意。这项技术能较好地解决早期固定式结晶器容易与坯壳粘结而引起的表面缺陷以及一些与浇铸有关的问题从而获得良好的铸坯表面。

因为结晶器振动拥有的这一系列优点，结晶器振动便成了连铸生产的标准操作，这也从一定程序上促进了连铸技术在工业上的应用与发展。

1.1.2 连铸结晶器的振动规律

结晶器振动规律的发展至今经历了很长一段时间。结晶器振动波形控制是连铸机的核心技术，钢水所形成的坯壳与结晶器壁的脱离全靠振动的作用。由于结晶器振动所具有的这一系列优点，人们纷纷对结晶器的振动规律进行试验研究，发展了各种结晶器振动规律。

最早出现的是矩形速度振动规律，其特点是结晶器在下降时与铸坯做同步运动，然后以3倍的拉坯速度上升，即所谓的3:1型振动方式。这种振动方式对铸坯脱模是有效的。其主要缺点是机械加工比较困难，振动机构和拉坯机构之间要有严格的电气连锁，在上升和下降的转折点处速度变化很大，因此设备冲击大，不利于采用高频振动。但这种振动规律的实际应用，第一次使固定的结晶器变为振动的结晶器，使连铸技术产生一个质的飞跃。

随后负滑动理论出现，矩形速度规律被梯形速度规律所代替，其特点是结晶器向下运动过程中有较长一段时间其速度稍大于拉坯速度，即“负滑脱运动”，使坯壳中产生压应力，可以使拉裂的坯壳压合，使粘结的坯壳强制脱模，结晶器在上升、下降转折点处速度变化较缓和，提高了设备的平稳性，梯形波的出现使连铸的生产更加顺畅，这种振动波形沿用了很多年，负滑动理论也一直沿用至今。

随着负滑动理论的不断发展和完善，出现了现在仍然广泛应用的正弦振动速度规律。正弦振动速度规律采用偏心轮实现，这种振动规律打破了结晶器和铸坯之间要有一定的速度关系的限制，着重发挥它的脱模作用。用偏心轮代替凸轮，正弦振动仍有一小段负滑动阶段，有利于脱模，速度、加速度变化平缓。采用偏

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心轮设备简单，易于加工制造、安装和维护，运动精度高，设备运动平稳，冲击小，易于采用较高频率振动。

目前连铸结晶器的常用振动波形有正弦波和非正弦波两种方式。

(1)正弦波式振动时的结晶器振动速度与时间的关系为一条正弦曲线或余弦曲线。正弦振动方式的上下振动时间相等，上下振动的最大速度也相同。在整个振动周期中，铸坯与结晶器之间始终存在着相对运动，在结晶器振动过程中，有一小段的下振速度大于拉坯速度，因此可以防止或消除坯壳与结晶器内壁间的粘结，并对被拉裂的坯壳起到愈合作用。另外由于结晶器的运动速度是按正弦规律变化的，其加速度必然按余弦规律变化，所以过度比较平稳，冲击较小。

(2)非正弦振动时的结晶器振动速度随时间变化的规律不是正弦曲线的都称为非正弦振动。连铸结晶器非正弦振动是发展高效连铸的关键技术。随着高速铸机的开发，拉坯速度越来越快，结晶器上振时与铸坯间的相对运动速度越来越大，特别是结晶器应用高频振动后此速度更大。由于拉速提高后结晶器保护渣用量相对减少，坯壳与结晶器壁之间发生粘结而导致了漏钢的可能性增加。为了解决这一问题，除了使用新型保护渣外，另一个措施就是采用非正弦振动。非正弦振动是结晶器上振动时间大于下振时间，以缩小结晶器上振与铸坯之间的相对运动速度。

图1-2 正弦与非正弦振动示意图

与正弦振动相比，非正弦振动具有以下特点：

①在正滑动时间里结晶器振动速度与拉坯速度之差减小。因此可减小结晶器施加给铸坯向上作用的摩擦力,作用在弯月面下坯壳的拉应力减小，减少拉裂；

②在负滑动时间里结晶器振动速度与拉坯速度之差较大。因此作用于坯壳上的压力增大,有利于铸坯脱膜；

③负滑动时间短铸坯表面振痕浅，正滑动时间长可增加保护渣的消耗量，有利于结晶器的润滑。

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此外，可以通过调节振动频率、振幅等因素来控制波形的变化，使非正弦运动的位移、速度和加速度都发生了变化，从而能够得到更高质量铸坯和有效避免粘结的振动波形。

1.2 HCS12单片机

1.2.1 微处理器与嵌入式系统的发展

从20世纪70年代起，VLSI(very large scale integrated circuits)技术，即超大规模集成电路技术的运用使得我们可以将整个中央处理器集成在一个芯片上。1971年，Intel公司生产了世界上第一台4位微处理器Intel4004，它本身就是为了嵌入式应用（即计算器）而设计的。它仅提供基本的算术运算能力，因此不能算作通用计算机。翌年，Intel公司又研制成功了8位微处理器Intel8008。同4004一样，8008也是为专门用途而设计的嵌入式微处理器。它们都属于第一代微处理器，其典型应用是计算器、打字机、微波炉和交通灯控制。

1974年，第二代8位微处理器Intel8080诞生。作为代替传统复杂电子逻辑电路的器件，8080成为诸如字处理机、导航系统以及巡航导弹这样具有可编程、体积小等特点的嵌入式应用的标准微处理器。同时期微处理器的同类产品还有Motorola公司的M6800、Zilog公司的Z80、Intel公司的8085等。

1978年出现了第三代16位微处理器，其典型代表为Intel公司的8086、Zilog公司的Z800以及Motorola公司的M68000。第三代微处理器的性能较第二代提高了近10倍，使得微处理器从专用目的的微处理器发展成为通用微计算机系统的中央处理器。1981年，IBM公司推出了8088的个人计算机系统IBM-PC，使得计算机进入了PC时代。

在通用微处理器的基础上，将输入/输出(I/O)接口电路，时钟电路、定时器/计数器以及一定容量的存储器等部件集成在同一芯片上，再加上必要的外围器件，如晶体振荡器就构成了一个较为完整的计算机硬件系统。由于这类计算机系统的基本部件均集成在同一个芯片内，因此被称为微控制器(Microcontroller Unit，缩写MCU)。一个典型的MCU框图如图1-3所示：

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CPURAMFLASHMCU内部总线定时器串行通信接口AD转换接口其它I/O模块 图1-3 典型MCU框图

真正意义上的嵌入式系统是从20世纪70年代随着微处理器的出现发展起来的。嵌入式系统（Embedded System）一词在我国广泛使用的历史并不长。在2001年中国单片机学会召开的年会上，才把单片机与嵌入式系统联系在一起。

嵌入式系统相对于通用计算机而言，主要用于控制领域，兼顾数据处理。他强调三个基本要素：嵌入性、专用性与计算机系统。嵌入式系统比较完整的定义是以应用为中心，以计算机技术为基础，软件硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。

伴随着微处理器的发展，嵌入式系统至今已经有30多年的历史，它大致经历了以下4个阶段：

第一阶段是以4位到8位单片机为核心的可编程控制系统，同时具有检测、伺服、指示设备相配合的功能。这一阶段系统的主要特点是：结构的功能相对单一、效率较低、存储容量较小、几乎没有人机交互接口，其应用范围主要局限于一些专业性极强的工业控制系统中，一般没有操作系统支持，通过汇编语言对系统进行直接控制。尽管这类系统使用简单方便，价格便宜，但是，对于工业发展需要的大容量存储介质、友好的人机交互界面以及远距离或无线通讯的高性能后PC时代所新兴的信息家电等领域而言，已远远不能满足要求。

第二阶段是以8位到16位嵌入式中央处理器(CPU)为基础，以简单操作系统为核心的嵌入式系统。这一阶段系统的主要特点是CPU种类繁多、通用性较弱、系统的开销小、操作系统的兼容性和扩展性较低、应用软件较为专业、用户界面不够友好以及网络功能较弱。这种嵌入式系统的主要任务是提高智能化水平应用，如智能化仪器仪表、智能化家电等。

第三阶段是以32位RISC嵌入式中央处理器加嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统。这一阶段系统的主要特点是：嵌入式操作系统能够运行于各种不同类型的处理器之上，操作系统内核精练小巧、效率高、模块化程度高，具有文件和目

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录管理，支持多任务处理，支持网络操作，具有图形窗口和用户界面等功能，应用接口以及各种组件，开发程序简单、高效，能够满足日益复杂的应用需求、这也是我们现在通常所说的典型嵌入式系统，然而它在通用性、兼容性和扩展性方面仍有待改进。

第四阶段是以基于Internet接入为标志的嵌入式系统，这是一个正在迅速发展的阶段。随着网络在人们生活中的地位日益重要，越来越多的应用需要采用Internet接入功能的嵌入式系统，如手机、PDA，甚至电视机、电冰箱等传统家电都需要上网，所以在嵌入式系统中使用网络操作系统将成为今后的发展趋势

本设计中采用的HCS12系列微控器前身是68HC11，采用了高性能的16位处理器HCS12，可提供丰富的指令系统，具有较强的数值运算、逻辑运算能力和总线速度。其内部的大容量的FLASH存储器，EEPROM和RAM可存储各种控制参数。此外，还具有的背景调试模块BDM，因而能够实现在线编程，对单片机进行动态调试；MC9S12的低功耗、复位控制、看门狗及实时中断等配置和功能更有助于系统的可靠运行，这些产品的工作电压都为5DVC。MC9S12有多个系列几十个品种，而且仍然在不断发展之中。该系列单片机有很高的集成度，片上集成了很多功能模块，如串行通信接口、串行设备接口、USB接口、A/D转换器、PWM和CAN等，丰富的外设资源使用户使用起来十分方便。 1.2.2 MC9S12外部接口与最小系统

MC9S12DG128微控制器属于HCS12系列单片机，是以速度更快的16位CPU12为核心的单片机，片内总线时钟频率最高可达25MHZ。CPU12是调整的16位处理单元。片内资源包括8KB RAM、128KB FLASH、2KB EEPROM。包括模块有SCI、SPI、PWM等接口模块；PWM模块可设置成4路8位或2路16位，宽范围可选择逻辑时钟频率；它还提供2个8路10位精度A/D转换器、控制器局域网模块CAN和增强型捕捉定时器，并支持背景调试模式。 1.2.2.1 MC9S12DG128外部接口

1. 电源相关引脚 (1) VDDR和VSSR：

外部电源和地引脚，提供I/O驱动和电压调整器的输入。为了满足信号的快速上升要求，一般要求电源能提供瞬时大电流，因此要在两个之间放置高频旁路

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电容，并且要尽量靠近MCU，具体旁路要求取决于MCU引脚的负载。

(2) VDDX和VSSX：

I/O电源和接地引脚，提供I/O驱动。要在两个之间放置旁路电容，并且要尽量靠近MCU。

(3) VDDA和VSSA：

ADC转换模块电源和接地引脚，为电压调整器和AD转换器提供电源和地，同时为内部电压调整器提供参考电压。两个引脚之间需要放置旁路电容。

(4) VRH和VRL：

AD转换器的参考电压输入引脚，其精度和稳定性直接影响转换结果，因此这路电源要求品质较高，不能受数字部分的影响，因为功率较小，单独供电既经济又容易实现。

(5) VDD1.2和VSS1.2：

外部2.5V供电引脚，用两对引脚直接对内部2.5V内核供电。如果内部电压

调整器使能，2.5V来自于电压调整器，不需要外部提供，这两组电源引脚上不能放置静态负载。如果VREGEN接地，内部调整器关闭，这两对引脚需要2.5V电源。

(6) VDDPLL和VSSPLL：

振荡器和锁相环供电引脚。电压调整器关闭时，该引脚必须接2.5V。电压调整器工作时，该引脚的电压由电压调整器提供。

(7) VREGEN：

电压调整模块选择引脚。该引脚拉高则使能内部电压调整器，该引脚拉低则禁止内部电压调整器。若VREGEN接地，内部电压调整器禁止，不能输出2.5V电压，VDD1.2和VDDPLL需要的2.5V必须由外部提供。

2. 模式选择引脚

表1-1 模式选择表

BKGD(MODC)PE6(MODB)PE5(MODA)000001010011100101110111模式选择特殊单片模式仿真扩展窄模式测试模式仿真宽扩展模式普通单片模式普通窄扩展模式特殊外设模式普通宽扩展模式地址线宽度数据线宽度001681616161600168————1616

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MC9S12单片机指定三个引脚MODC(BKGD)、MODB(PE6)、MODA(PE5)来设定单片机的运行模式。模式选择见表1-1

3. 系统功能引脚

(1) XTAL和EXTAL、XFC：

XTAL和EXTAL分别是晶体驱动和外部时钟输入引脚。EXTAL既可接晶振，也可接COMS兼容的时钟信号信号，驱动内部时钟产生电路，器件中所有时钟信号都源于该引脚输入的时钟。XTAL是晶体驱动输出，当EXTAL外接时钟时，该引脚必须悬空。XFC是锁相环滤波引脚

(2) PE7(NOACC/XCLKS)：

外部振荡电路方式选择。当使用串行振荡电路时，该引脚要接高；当使用并行振荡电路时，该引脚要接地。

(3) RESET：

低有效的双向控制复位引脚。当作为输入时，外部的低电平用来初始化MCU的初始状态。如果时钟监视或COP看门狗电路检测到内部故障，该引脚作为开涮输出，对外指示这种状态，结束复位是同步方式，这使得器件即使在时钟失效时情况下也可以进入真正的复位状态，同时又可以在复位结束后以同步方式开始运行。

一次复位是内部还是外部引起的，是可以判别的。内部复位首先将该引脚拉

低并保持131-134个系统时钟周期然后释放该引脚，再过64个系统时钟周期采样该引脚电平，如果该引脚回到了高电平，说明复位是由时钟监视器或COP看门狗电路引起的，CPU将取得时钟监视器或COP看门狗的复位向量；如果该引脚仍然是低电平，就确定为外部复位，将取得外部复位的向量。

(4) PE1 (IRQ)：

可屏蔽外部中断输入脚，可通过程序选择（中断控制寄存器INTCR），该引脚是否中断逻辑连接，以及下降沿或电平触发方式。复位后，IRQ默认为电平触发方式，同时在条件码寄存器中IRQ中断被屏蔽。可以通过软件清零或置位CCR寄存器中的I位来使能或禁止所有可屏蔽的中断，当然也包括IRQ中断。

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(5) PE0(XIRQ)：

该不可屏蔽外部中断引脚提供了一种复位初始化后申请非屏蔽中断的手段。在复位阶段，CCR寄存器中的X位和I位被置1,在MCU通过软件允许以前，任何中断都被屏蔽。系统初始化后，可以通过软件清零X位，从而使能该中断。X位一旦清零，就不能再通过软件的方式将该位置1了。该中断申请经常用于系统掉电、硬件故障等场合。

(6) BKGD：

背景调试引脚。采用自定义协议，通过BDM调试工具可以单线双向通信，进行实时在线调试。

4. MC9S12DG128 I/O接口概述

MC9S12DG128 MCU有10个普通I/O口，其中有通用并行I/O口以及SCI、PWM、ADC等专用子系统。复位后所有I/O引脚默认设置为通用I/O输入，当专用子系统激活后，自动变为专用功能。MC9S12DG128输入输出口包括有PTA、PTB、PTE、PTH、PTJ、PTK、PTM、PTP、PTS、AD0、AD1等。

（1）A、B口

在扩展方式下为地址数据分时复位总线，但是在普通单片模式下作为通用I/O口时，输入可选内部上拉和输出具有降功率驱动功能。

（2）E口

用于总线控制和中断请求，余下其他引脚可作通用I/O。输入可内部上拉，输出具有降低功率驱动功能，但PE1、PE0固定为输入。

（3）AD口

ATD子系统输入或通用输入引脚，复位后默认为通用I/O输入引脚并且只能做输入。ATD模块使能后，用作模拟输入。MC9S12G128有16个A/D引脚对应于两个独立的ATD模块。

（4）K口

扩展方式下外部总线的扩展地址线、地址片选输出或通用I/O，复位后为通用I/O引脚。输入可选内部上拉，输出具有降低功率驱动功能。

（5）T口

I/O与增强型捕捉定时器共享引脚，复位后为通用I/O引脚，定时器功能使

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能后，用途输入捕捉或输出比较或脉冲累加输入。输入可选内部上拉，输出具有降功率驱动功能。

（6）P口

SPI、脉宽调制输出、I/O中断或通用I/O。复位后为通用I/O引脚，要使用某特殊功能，可以通过相应功能寄存器的使能位来实现。

（7）S口

SCI、SPI或通用I/O，复位后为通用I/O引脚。SCI或SPI使能后，对应引脚的通用I/O关闭。

（8）M口

I/O与CAN、BDLC共享，复位后为通用I/O引脚。CAN或BKLC使能后，对应引脚的通用I/O关闭。

（9）J口

I/O与I2C、CAN、I/O中断共享，复位后为通用I/O引脚。特殊功能使能后，对应引脚的通用I/O关闭。

（10）H口

I/O与I/O中断共享，复位后为通用I/O引脚。特殊功能使能后，对应引脚的通用I/O关闭。

MC9S12DG128 I/O接口特点

A/D转换接口：两个８渠道的10位A/D转换器、具有外部转换触发能力。 CAN总线接口：内部集成了2个CAN协议控制器—MSCAN12模块，符合CAN 2.0A/B协议标准；可编程传输速率达1Mb/s；具有５个接收缓冲区和３个发送缓冲区；灵活的标识符滤波模式，可配置成２个32位过滤码或4个16位过滤码，或者8个８位过滤码；含有4个独立的中断输入引脚Rx、Tx、error和wape-up，内置低通滤波的唤醒功能。

输入捕捉/输出比较与PWM：具有8通道的输入捕捉/输出比较，还具有８个可编程PWM通道，可配置成８通道８位或４通道16位PWM，其每个通道的周期和占空比均可通过编程独立设置。可编程的时钟选择逻辑，使得输出脉冲的频率可设定在范围内。

串行通信接口：RS-232电平采用负逻辑，即逻辑1：-3V~-5V，逻辑0：

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+3V~+15V。RS-232适用于设备之间的通信距离不大于15m，传输速率最大为20KB/s的数据传输领域，对于较短的通信，异步串行通信的速率可115200B/s。MC9S12DG128上面带有一个串行接口，可以通过串口驱动电路的RS-232电平转换芯片MAX232将TTL电平转换成RS-232电平，然后通过9芯串行电缆和PC机进行通信。

1.2.2.1MC9S12DG128最小系统组成

MC9S12DG128最小系统为保证系统能够成功运行，应该包括以下几个部分：电源电路、时钟电路、串口电路、BDM接口、复位电路、调试小灯。

１．电源电路

HCS12 MCU的芯片内部使用3V电压，I/O端口和外部供电电压5V。在电源电路部分可增加电容构成滤波电路，可以改善系统的电磁兼容性，降低电源波动对系统的影响，增强电路工作稳定性。为标识系统通电与否，可以增加一个电源指示灯。

２．PLL电路

片内的PLL电路兼有频率放大和信号提纯的功能，因此，系统可以以较低的外部时钟信号获得较高的工作频率，以降低因调整开关时钟所造成调频噪声，PLL电路中，VDDPLL引脚由片内提供2.5V电压；CS、CP和RS的取值与晶振、REFDV寄存器和SYNR寄存器有关，需要通过计算得出。对fOSC=4MHz，总线时钟为25MHz，通过计算得出CS、CP和RS的值分别为4.7nF、470pF和10kΩ。

PLL的滤波电路要尽量靠近MCU，每个电源端和接地端都要接一个去耦电

容，去耦电容要尽量接近MCU。

３．复位电路

HCS12系列MCU共有四种事件可以触发系统复位。

（1）外部复位：HCS12 MCU配备一个标记为RESET的低电平有效复位引脚，当该引脚电压为低时，触发复位。

（2）回电复位：在MC9S12DG128的VDD引脚上的一个正向变化将触发加电复位。当给HCS12加电时，它以一个已知的、确定的设置启动。

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（3）计算机工作正常（Computer Operating Properly，COP）COP系统包含一个用户设置的倒计数定时器。若定时器过期，则触发一个系统复位。为了防止定时器过期，执行的程序必须在倒计数定时器失效前向其中顺序写入$55和$AA(必须按此顺序)。若程序陷入死循环，则触发COP复位（向ARMCOP寄存器写入其他值也会导致COP复位）。

（4）时钟监控复位：当系统时钟频率低于某个预设值时或停止时，将触发时钟监控复位。当上述事件触发复位时，HCS12在程序计数器中旋转一个复位向量（内存地址），处理器执行启动例程。COP复位和时钟监控复位还有其各自的复位向量。如果复位引脚被一直拉低，则MCU将不能正常工作。

对于最小系统的复位电路的基本功能是系统上电时提供复位信号和在系统运行不正常时提供手动复位信号。

4．晶振电路

时钟脉冲是CPU工作的基础，MC9S12微控制器的系统时钟信号，由时钟振

荡电路或专用时序脉冲信号提供。MCU内部的所有时钟信号都来源EXTAL引脚。也为MCU与其他外接芯片之间的通信提供了可靠的同步时钟信号。S12微控制器系统时钟范围较广，实际可以高达到40MHz。

MC9S12在内部集成了完整的振荡电路，XTAL和EXTAL分别为振荡器的输出和输入引脚。XTAL和EXTAL引脚可接入一个石英或陶瓷振荡空器。晶体振荡器分为有源晶振和无源晶振两种类型。需要外接电源的称为有源晶振。无源晶振是有两个引脚的无极性元件，需要借助于时钟电路才能产生振荡信号，自身无法振荡起来。DG128的XCLKS引脚是晶振电路类型选择引脚。S12的总线时钟是MCU系统的定时基准和工作同步脉冲，其频率固定为晶体频率的1/2。

5． BDM接口电路

背景调试模式(BDM)是由Freescale半导体公司自定义的片上调试规范。开发人员可以能过它向目标板下载程序，同时也可通过BDM对调试器对目标板MCU的Flash存储器进行写入、擦除等操作。BDM硬件调试插头的设计非常简单，标准BDM调试手头如下所示：

BKGD1NC 3NC 52 GND4 RESET6 VDD

图1-４ BDM接口图

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BDM调试的各个端口含义如表1-2所示。

表1-2 BDM调试的端口定义列表

BKGDGNDVDDRESET单线背景调试模式引脚接地电源目标机复位引脚

6．LED调试小灯

一共4个LED小灯开在B口，可以做信号指示，以及程序运行调试的时候，

用于判断程序的运行状态。

1.3 PID控制的运算规律和构成

1.3.1 PID控制的原理和特点

在工程实际中，比例、积分、微分控制，即PID控制作为连续系统中技术最成熟，应用最广泛的一种控制方式，其控制的实质就是根据输入输出的偏差值，按比例、积分、微分的函数关系进行运算，运算结果用以控制输出。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术就难以采用，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。因此当我们不完全了解一个系统和被控对象时，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。

在单回路控制系统中，由于扰动作用使被控变量偏离给定值，从而产生偏差e(t)=r(t)-y(t) 式中e(t)为偏差，r(t)为输入值，y(t)测量值。习惯上称e(t)>0为正偏差，e(t)<0为负偏差。

扰动r(t)─e(t)控制器对象y(t)

图1-5 单回路控制系统方框图

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在模拟电路中，PID控制器的运算功能实际上是由电阻、电容、运算放大器构成的模拟电子电路来实现的，模拟电路的PID算法表达式为：

1P(t)=Kp[e(t)+TI或用传递函数表示为 w(s)=式中

?t0e(t)dt+TDde(t)] (1) dtΔY(s)1=Kp(1++TDs) E(s)TIsP(t)—调节器的输出信号

e(t)—调节器的偏差信号，它等于测量值与给定值之差

Kp—调节器比例系数

TI—调节器的积分时间 TD—调节器的微分时间

常规的模拟PID控制系统原理框图如图所示。该系统由模拟PID控制器和被控制对象组成。图中，r(t)是给定值，y(t)是系统的实际输出值，偏差e(t)=r(t)-y(t)。

图1-6 模拟PID控制方框图

常见的PID控制规律有P(比例)控制规律，PI(比例-积分)控制规律，PD(比例-微分)控制规律，PID(比例-积分-微分)控制规律。

1. P(比例)控制规律

当PID控制器只有比例控制规律时，就称为P(比例)控制器。比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与误差信号成比例关系，也是唯一能复原输入信号的控制规律。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差，比例控制的阶跃响应特性如图1-7所示。

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εKpεtt

图1-7 比例控制的阶跃响应特性

e(t)，在模拟电路的PID控制器中，比例环比例部分的数学式表示是：Kp?节的作用是以瞬间偏差做出反应。偏差一旦产生控制器立即产生控制作用，使控制量向减少偏差的方向变化。控制作用的强弱取决于比例系数Kp，比例系数Kp越大，控制作用越强，则过度过程越快，控制过程的静态偏差也就越小；但是Kp越大，也越容易产生振荡，破坏系统的稳定性。故而，比例系统Kp选择必须恰当，才能达到过渡时间少、静差小而又稳定的效果。

2. PI(比例积分运算规律) 积分部分的数学式表示是

KPTI?e(t)dt+ Kp*e(t)

0t (2)

或 W(s)=Kp(1+

1) TIs从积分部分的数学表达式可以知道，只要存在偏差，则它的控制作用就不断的增加，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。随着时间的增加积分项增大，这样即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小。只有在偏差e(t)＝0时，它的输出才能是一个常数。可见，积分部分可以消除系统的偏差。

积分环节的调节作用虽然会消除静态误差，但也会降低系统的响应速度，增加系统的超调量。积分常数TI越大，积分的积累作用越弱，这时系统在过渡时不会产生振荡，但是增大积分常数TI会减慢静态误差的消除过程，消除偏差所要的时间也较长，这样会造成控制不及时，使系统稳定裕度下降。因此，控制系统中积分项是不能单独使用的，而是与比例作用组合起来构成PI控制器。由于TI较

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小时，则积分的作用较强，这时系统过渡时间中有可能产生振荡，不过消除偏差要的时间较短。所以必须根据实际控制的具体要求来确定TI。

在阶跃偏差信号作用下，理想PI控制的输出随时间变化的表达式为

?y?Kp(1?t)? (3) TI理想PI控制的阶跃响应如图1-8所示。在阶跃信号加入的瞬间，输出突跳到某一值，这是比例作用的输出(Kp?)；以后随时间不断增加，为积分作用的输出(

Kp?t)。理想PI控制器的阶跃响应如图-8所示。图中在阶跃正偏差信号加入TI的瞬间，输出突跳到某一值，这是比例作用，以后随时间不断增加，为积分作用。

?t?yt

图1-8 理想PI控制的阶跃响应特性

3. PD运算规律

PD比例微分运算的数学表达式表示是：

Kp?TDde(t)?Kp?e(t) (4) d(t)微分时间越长，微分作用就越强。微分作用是根据偏差变化速度进行控制的，即使e(t)很小，只要出现变化趋势，就有控制作用输出，因此有超前控制之称。

4. PID运算规律

PID运算的数学表达式是：

P(t)=Kp[e(t)+1TI?t0e(t)dt+TDde(t)] (5) dt实际在控制系统除了希望消除静态误差，还要求能加快调节过程。在偏差出现的瞬间，或在偏差变化的瞬间，不但要对偏差量做出立即响应（比例环节的作

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用），而且要根据偏差的变化趋势预先给出适当的纠正(微分环节的作用)。PID控制器正好可以用来实现这一功能。 1.3.2 PID算法的数字化

在模拟系统中，其过程控制方式就是将被测参数，如温度、压力、流量、成分、液位等，由传感器转换成统一的标准信号送入调节器中与给定值进行比较，然后把运算得到的差值经PID运算后送到执行机构，改变进给量以达到自动调节的目的。这种系统多用电动(或气动)单元组合仪表DDZ(或QDZ)来完成。而在数字系统中，是用数字调节器来模拟调节器的。其调节过程是先对参数进行采样。并通过模拟量输入通道将模拟量变成数字量。这些数字量由计算机按一定控制算法进行运算处理，运算结果由模拟量输出通道输出，并通过执行机构去控制生产，以达到调节的目的。

由于计算机控制是采样控制，它只能根据采样时刻的偏差来计算控制量。因此，在计算机控制系统中，必须首先对(1)式进行离散化处理，用数字形式的微分方程代替连续系统的微分方程，此时积分项和微分项可用来求和增量式表示：

?n0e(t)dt??E(j)?t?T?E(j) (6)

j?0j?0nnde(t)E(k)?E(k?1)E(k)?E(k?1)?? (7) dt?tT

将式(6)和(7)代入(1)式，则可得到离散的PID表达式

TP(k)?Kp{E(k)?TI?E(j)?j?0kTD[E(k)?E(k?1)]} (8) T式中 ?t?T：采样周期，必须使T足够小，才能保证系统有一定的精度；

E(k)：第K次采样时的偏差值。 E(k?1)：第(K-1)次采样时的偏差值。

K：采样序号，k=0，１……。

P(k)：第Ｋ次采样时调节器的输出

由于(8)式的输出值与阀门开度的位置一一对应，因此，通常把(8)式称为位置

型PID的位置控制算式，根据递推原理，可写出(k-1)次的PID输出表达式：

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TP(k-1)=Kp{E(k-1)+TI?E(j)+j=0k-1TD[E(k-1)-E(k-2)]} (9) T用式(8)减去(9)式可得：

P(k)=P(k-1)+kP[E(k)-E(k-1)]+kIE(k)+kD[E(k)-2E(k-1)+E(k-2)] (10) 式中

KI=KpT TI

KD=KpTD T由(8)式可知要计算第k次输出值P(k)，只需要知道P(K-1)，E(k)，E(K-1)，E(k-2)即可，比用式(8)简单很多，移项后得到表达式(11)。

ΔP(k)=P(k)-P(k-1)=Kp[E(k)-E(k-1)]+KIE(k)+KD[E(k)-2E(k-1)+E(k+2)] （11）

上式表示第k次输出的增量?P(k)，等于第k次与第k-1次调节器的输出的

差值，因此把(11)式称为增量式PID控制算式。用微型机实现位置式和增量式控制算式的原理如图1-9所示。

(a)位置式PID控制

(b)增量式PID控制 图1-９ 两种PID控制原理图

从(8)式可以得到位置式PID控制算法可以看出，位置型PID控制算法的缺点是因为全量输出，所以每次输出都与过去的状态有关，计算时要对e(k)进行累加，这样不仅计算烦琐，而且为保存E(j)还要占用很多内存，计算机运算的工作量大。因为计算机的输出对应的是执行机构的实际位置，如果计算机出现故障，P(k)的大幅度变化，会引起执行机构的位置的大幅度变化，这种情况往往是生产实践中不允许的，在某些场合，还可能造成重大的生产事故。

从(11)式得到的增量式PID控制算法可以看出，对于增量式PID控制算法，计算机输出的控制增量△P(k)对应的是本次执行机构位置(如阀门开度)的增量。

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对应阀门实际位置的控制量，目前采用较多的是利用算式P(k)=P(k-1)十△P(k)通过软件来完成。

增量式控制虽然只是在算法上作了一点改进，但却带来了不少的优点： 1. 由于计算机输出增量，所以误动作时影响小，必要时可用逻辑判断的方法去除。

2. 手动-自动切换时冲击小，便于实现无扰动切换。此外，当计算机发生故障时，由于输出通道或执行装置具有信号的锁存作用，故能保持原值。位置式控制算法中，由手动-自动切换时，必须首先使计算机的输出值等于阀门开度，才能保证无扰动切换，这将给程序设计带来困难。增量式控制只与本次偏差值有关，与阀门原来的位置无关，因而增量算法易于实现手动/自动的无扰动切换而不产生失控，所以容易获得较好的调节品质。

3. 算式中不需要累加，控制增量△P(k)的确定仅与最近三次的采样值有关，所以较容易通过加权处理而获得较好的控制效果。而位置式控制算式中，不仅需要对E(j)进行累加，而且计算机的任何故障都会引起P(k)大幅度变化，对生产不利。

综上可以得出，在计算机系统中一般都采用增量式PID控制算法，而不使用位置式PID控制算法。

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第二章 硬件设计

2.1 设计思路

结晶器振动控制系统的设计思想是以MC9S12DG128单片机为核心，通过单片机控制外围芯片及电路。通过MC9S12DG128单片机与D/A5660转换器构成波形发生器，即MCU在其数据线上送出一系列按一定规律变化的数据信息，通过D/A转换器和运算放大器转化为电压信号。结晶器振动信号采集通过A/D7367和传感器完成，PID控制部分的作用是实现采集回来的数字信号与波形发生信号的PID运算，然后输出控制信号。总体设计框图如图2-1所示。

本设计的主要任务是把波形发生器发出的波形信号和采集回来的波形信号进行PID运算来输出控制信号，PID运算的参数信号可以通过键盘调节。此外，在上位机上可以通过串口观察到控制信号的值。

图2-1 总体设计框图

2.2 方案选择

2.2.1 PID调节器方案比较与选择

PID调节器广泛的应用于电子电路，自动控制等领域。PID调节器可由硬件或软件来实现。下面分别对两种方案进行比较和选择。

方案1：由专用PID控制器实现。采用XMPA-9000智能PID调节器，它是一种带有智能声光报警，二个或三个模拟量输出通道，以及调节器正反作用选择等功能的PID调节器。

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方案2：由软件实现。采用MC9S12DG128单片机，用软件实现PID调节，外接键盘电路，可由键盘进行参数设定，串口实现单片机与上位机通信。

对于人工智能型PID调节器，功能强大但是价格昂贵。由于MC9S12DG128单片机性能优越，用基于单片机的数字PID调节器特点是价格低廉，结构简单，能灵活配置，现场针对性强，且符合结晶器设计要求。经反复比较及实际应用要求，最终选择方案2。 2.2.2 键盘方案的比较与选择

键盘实际上是由排列成矩阵形式的一系列按键开关组成的，它是单片机系统中最常用的一种输入设备，常用于实现数据输入、命令传送等功能，是人工干预的主要手段。

键盘类型一般可以分为两大类：编码键盘和非编码键盘。

编码键盘：闭合键的识别由专用的硬件译码器实现并产生按键编号或键值的称为编码键盘，如BCD码键盘、ASCII键盘等。由硬件逻辑电路完成必要的键识别工作与可靠性措施。每按一次键，键盘自动提供被按键的读数，同时产生选通脉冲通知微处理器，一般还具有反弹跳和同时按键保护功能。这种键盘使用方便，但硬件比较复杂，价格较贵。对于主机任务繁重的情况，采用可编程键盘管理接口芯片构成编码式键盘系统是很实用的方案。

非编码键盘：靠软件识别的称为非编码键盘。只简单地提供键盘的行列与矩阵，其他操作比如按键的识别，按键的读数等全靠软件完成，故硬件较为简单，但相对编码键盘非编码键盘占用CPU时间较多。非编码键盘又包括有独立式按键结构、矩阵式按键结构两种。独立式按键结构是提将每一个独立按键按一对一的方式直接接到单片机的I/O输入线上，读键值时直接读I/O口，每一个键的状态通过读入键值0或1来反映键按下与否，所以也称这种方式为一维直读方式。这种方式实现简单，因为占用I/O资源较多，一般在键的数量较少的时候采用。矩阵式按键结构是用N条I/O线组成行输入口，M条I/O线组成列输出口，在行列线的每一个交点上设置一个按键。读键值的方法一般采用扫描方式，即输出口按位轮换输出低电平，再从输入口读入键信息，最后获得键值。占用I/O线较少，这种方式在按键较多时应用广泛。两种键盘示意图如图2-2所示。

键盘访问方式有两种方法，一种是采用中断方式，另一种是采用轮询方式。

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中断应用是提高微控制器工作效率的一种重要手段，中断方式与查询方式相比，MCU的程序设计更加高效与灵活，可以提高嵌入式系统的实时处理能力，扩大其应用范围，是在低功耗应用系统中，中断是一个必要的技术手段。可以说MCU的中断系统的功能如何在某种程序上决定了MCU的用途，中断功能强大与否也是判断MCU性能的一个指标。

图2-2 键盘示图

轮询方式相对中断方式而言，要消耗资系统资源，但是不需要占用系统的中断资源，在如果采用标志位检测方式，对系统的性能影响很小。

在本设计中，键盘用来设定PID的6个参数，考虑到单片机引脚和键盘的功能，方案最终采用非编码键盘中的独立键盘，用轮询方式访问。键盘接口接在MCU的A/D转换口上，因为系统的A/D转换口只有输入功能，不能输出，用来做键盘输入最为合适。

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第三章 软件设计

3.1 软件设计思想

软件主要实现PID算法和人机接口。人机接口包括串行口发送和键盘扫描，PID算法实现系统的PID控制。单片机上电后进行上电复位，复位后程序开始运行，分别对D/A转换器、D/A转换器、串口、定时器、PWM进行初始化。初始化后，D/A转换器、D/A转换器、D/A转换器、串口、定时器开始运行，同时单片机内部进行PID运算，定时器中断程序每1ms产生一次中断，键盘扫描计数器进行计数，当计数满10次时，对键盘扫描标志位进行置位，即每100ms扫描一次键盘。当有键按下时键盘程序执行相应功能，并且串口进行提示。键盘程序主要实现PID参数的设置，串行口发送PID运算的输出量和PID参数设置时的按键提示，PWM进行驱动蜂鸣器，当有键按下时，蜂鸣器发声用于按键提示。程序采用模块化编程，总体程序流程所图3-1所示。

开始硬件初始化波形信号发生振动信号采集PID运算有键按下Y键盘程序N

图3-1 总体设计流程图

3.2 各模块功能

本设计，共划分了4个模块，分别为PID算法模块，键盘功能模块，串口字字符发送模块，定时器中断处理模块，其中键盘功能模块因为很繁琐又划分为3个子模块。

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3.2.1 PID算法模块

因为增量式PID控制算法相对位置式PID控制算法有多优点，所以选用基于增量式的PID控制算法。增量式PID控制算法对D/A转换器输入数据和A/D转换器的输出数据进行增量式PID运算。增量式PID控制的算法如图3-2所示。

图3-2 增量型PID控制流程

由于系统的执行机构线性范围受到限制，当偏差E较大时，如系统在开工、停工或大幅度提降时，由于积分项的作用，将会产生一个很大的超调量，使系统不停的振荡。在计算机控制系统中，为了消除这一现象，可以采用积分分离的方法，即在控制量开始时跟踪，取消积分作用，直到被调量接近给定值时，才产生积分作用。

在基于增量式PID控制的基础上，由积分分离式PID控制的算式

?>A时，为PD控制 当E(k)=R(k)-M(k)=???A时，为PID控制可以得到积分分离式PID的程序流程如图3-3所示。

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图3-3 积分分离式PID控制程序流程

为了避免控制动作过于频繁，以消除由于频繁动作所引起的振荡，采用带死区的PID控制算式。其动作特性如图3-4所示。带死区的PID控制算式为

??P(k)当R(k)-M(k)?E(k)?BP(k)??

KP(k)当R(k)-M(k)?E(k)?B??式中，K为死区增益，其数值可为0，0.25，0.5，1等。死区B是一个可调的参数，B值太小使调节动作过于频繁，不能达到稳定被调对象的目的。如果B取得太大，则系统将产生很大的滞后，当B＝0时，或K＝1时，则为PID控制。其计算程序流程如图3-5所示。

图3-4 带死区的PID动作特性 图3-5 带死区的PID控制流程

综合上述所有PID控制程序，可得最终PID控制流程如图3-6所示。

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第四章 程序调试

4.1 调试PID参数的一般原则和方法

在数字控制系统中，参数的整定是十分重要的，调节系统中参数整定的好坏直接影响调节品质。由于自动控制系统的被控对象千差万别，所以PID的参数也必须随之变化以满足系统的性能要求。一般的生产过程都具有较大的时间常数，而数字控制系统的采样周期则要小得多，所以数字调节器的整定完全可以按模拟调节器的各种参数整定方法进行分析和综合。但是数字调节器除的整定除和自身的参数有关外，还与外部采样周期T有关。从理论上来讲，采样频率越高，失真越小，但从控制空对空本身而言，大都依靠偏差信号E(k)进行计算。当采样周期T太小时，偏差信号E(k)也会太小，这样计算机将会失去调节作用。采样周期过长又会增加误差。因此，采样周期T也必须综合考虑。

PID调试一般原则是在输出不振荡时，增大比例增益Kp。其次是在输出不振荡时，减小积分时间常数TI。然后在输出不振荡时，增大微分时间常数Td。

常用的PID整定方法有试凑法和扩充临界比例度法。 1．试凑法

首先确定比例增益Kp，确定比例增益Kp时，首先去掉PID的积分项和微分项，一般是令TI=0,Td=0，使PID为纯比例调节。输入设定为系统允许的最大值的60%~70%，由0逐渐加大比例增益P直至系统出现振荡。再反过来，从此时的比例增益Kp逐渐减小，直至系统振荡消失，记录此时的比例增益Kp。设定PID的比例增益Kp为当前值的60%~70%，比例增益Kp调试完成。

比例增益Kp确定后，确定积分时间常数TI，先设定一个较大的积分时间常数TI，然后逐渐减小TI直至系统出现振荡，之后再反过来，逐渐加大TI直至系统振荡消失。记录此时的TI，设定PID的积分时间常数TI为当前值的150%~180%，积分时间常数TI调试完成。

微分时间常数TD一般不用设定，为0即可。若要设定，与确定Ｋp和TI的方

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法相同，取不振荡时的30%。在本系统中，微分时间常数设为0。

在比例时间常数，微分时间常数和积分时间常数调节完后，再系统空载带载情况下对PID参数进行微调直至满足系统性能要求。

PID常用口诀：

参数整定找最佳，从小到大顺序查 先是比例后积分，最后再把微分加 曲线振荡很频繁，比例度盘要放大 曲线漂浮绕大湾，比例度盘往小扳 曲线偏离回复慢，积分时间往下降 曲线波动周期长，积分时间再加长 2．扩充临界比例度法

扩充临界比例度法是模拟控制器使用的临界比例度法的扩充，它用来整定数字PID控制器的参数。其整定步骤如下：

1）选择合适的采样周期。所谓合适是指周期足够小，一般应选对象的纯滞后时间的1/10以下，此采样周期我们用Tmin表示。

2）用上述的Tmin，仅让控制器作纯比例控制，逐渐增大比例系数kp，直至使系统出现等幅振荡，记下此时的比例系数ku，再记下此时的振荡周期Tu。

3）选择控制度，所谓控制度定义为数字控制系统误差平方的积分与对应的模拟控制系统误差平方的积分之比。

?E2(t)][?0DDC控制度＝2?[?0E(t)]模拟

对于模拟系统，其误差平方积分可由纸上计算。而DDC(直接数字控制)系统直接控制。通常当控制度为1.05时，表示DDC系统与模拟系统的控制效果相当。

4）根据控制度，查表即可求得T，KP，KI，KD。

4.2 程序运行结果

在开发板上进行程序调试时，由于没有实际调试环境，修改了程序设置，虚

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拟了波形发生器产生的20个数组和结晶器振动的20个数组，来查看运行结果以及测试各按键功能。此外，在开发板上进行了键盘引脚的调整并增加了部分代码，分别是在程序开始运行时，蜂鸣器响三声以示程序已开始运行，PORTB口的灯闪烁表示程序运行成功，此外增加了按健声音提示，键盘接口引脚接到了PROTH口。程序运行测试截图如图4-1所示。程序运用于实际时必须再经过参数整定。

图4-1 程序开始运行截图

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第五章 总结

到目前为止，基本完成了毕业设计的内容。回顾整个设计的过程，差不多也就是熟悉MC9S12DG128这款单片机和数字PID控制的过程。从一款完全陌生的单片机到几乎能熟练运用单片机的全部功能，花了很长一段时间，收获也颇多。

首先这款单片机中文资料很少。网上大部分是英文资料，看英文资料进度慢，于是买了几本相关的书。在了解了单片机的相关工作原理的同时，制定基于MC9S12的结晶器振动控制系统和数字PID控制方案。

其次是程序的编写。由于以前没有接触过这款单片机，所以，用了好几周的时间来熟悉编程环境和相关寄存器、I/O端口的操作。软件的编写，不仅涉及到PID的算法，还涉及到硬件电路。通过软件和硬件的结合，也更进一步的体会了嵌入式编程，这也是这次设计中收获最大的地方。在刚开始程序的编写过程中，犯了很多错误，比如PID浮点运算问题，中断调试问题以及到最后才发现的键盘逻辑错误问题，这些问题最后都得到了比较完美的解决。

在设计中，使用了MC9S12DG128的开发板，通过开发板的使用，很快就熟悉和掌握了该单片机的大部分模块的功能。程序运行成功后，由于没有实际调试环境，没有对PID参数进行整定，只能通过串口观察程序运行情况，实在可惜。因此，本程序有等进一步的完善。

这次设计的时间不是很长，我们也不可能通过一次设计就掌握所有单片机设计的知识，但通过这一次设计，让我更深信，只要努力就有收获，单片机的发展日新月异，在今后的工作中，我们还要不断的学习才能适应技术的发展。

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