本科毕设论文-—ck系列冲孔桩基自动控制系统的软件设计.doc

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1、西安工业大学北方信息工程学院本科毕业设计（论文）题目：CK系列冲孔桩机自动控制系统的软件设计1毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：

2、按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书

3、本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日毕业设计（论文）任务书院（系） 电子信息系 专业 通信工程 班级080307 姓名 夏 凯 学号 08030716 1.毕业设计（论文）题目：CK系列冲孔桩机自动控制系统的软件设计 2.题目背景和意义：由于当今各种打桩机的气动控制系统及电气控制系统方面已

4、经比较成熟，国内外各种桩机的发展主要体现在控制系统方面，微电子技术的飞速发展，为改进各种打桩机的性能、提高稳定性、加工效率方面提供了可能。从我国打桩机行业来看，国内机型虽种类齐全，但技术含量相对较低，缺乏高技术含量的机型。而目前的国内外各种打桩机的控制向着高速化、智能化、自动化发展，如果将自动控制技术应用于冲孔打桩机，使其实现冲孔打桩的全自动化或半自动化，将操作人员从繁琐重复的体力劳动中解放出来，无疑会使冲孔打桩机焕发出新的生机。当前市场中有上万台甚至数十万台冲孔机在各种施工现场作业，造成大量人力、物力资源的浪费，使工程效益明显降低。在现有的冲孔打桩机的基础上对其进行自动化改造，使其具备自动冲

5、孔打桩的能力，可以大大提高工程进度，并可节约大量能源，降低工程造价，创造良好的经济效益。 3.设计(论文)的主要内容（理工科含技术指标）： 要求：完成CK系列冲孔桩机自动控制系统的软件设计内容：利用C语言编程，熟悉XS128单片机的编译环境，编写刹车、离合、放绳、键盘与显示等子程序，设计CK系列冲孔桩机自动控制系统的软件流程图。4.设计的基本要求及进度安排（含起始时间、设计地点）： 基本要求： 查阅国内外相关文献，了解系统的工作原理； 进行系统方案设计、硬件设计； 进行软件程序的设计； 进行系统调试，验证系统的功能； 完成毕业设计论文及答辩。 进度安排： 第1-3周：查找借阅相关书籍资料,确定

6、系统的总体方案，完成开题报告； 第4-10周：对课题进行深度研究； 第11-12周：进行软件流程图设计； 第13-15周：进行软件设计、系统调试，验证系统功能； 第16-17周：完成毕业论文,准备答辩 自2012 年 月 日起至 月 日止 ；设计地点西安工业大学。 5.毕业设计（论文）的工作量要求 实验（时数）*或实习（天数）：不少于200学时 图纸（幅面和张数）*： 2张 其他要求： 指导教师签名： 年 月 日 学生签名： 年 月 日 系（教研室）主任审批： 年 月 日CK系列冲孔桩机自动控制系统的软件设计摘 要CK系列冲孔桩机自动控制系统的研究涉及到了自动控制、人工智能、信息融合、传感器及

7、计算机科学等夺门学科的内容，关于该课题的研究是当前很活跃的研究领域之一。本设计以飞思卡尔半导体公司生产的MC9S12XS128单片机作为核心，首先进行系统各部分的初始化，然后进行参数配置包括：键盘、液晶显示、I2C等几个模块。完成后打桩机开始运行，电机驱动控制刹车、离合的松和紧，来达到控制桩锤的升、降，如此反复来实现桩机的打桩功能。主要完成功能有：桩锤高度自检、刹车和离合控制系统、电机控制系统的设计、键盘与显示电路等。本设计各个模块的软件编程主要采用C语言编写程序，充分利用外中断来调试程序，实现打桩机的自动控制功能。关键词：自动控制;参数配置;高度自检CK Series Blunt Bore

8、Stake the Machine Automatically Control System of the Software DesignAbstractCK series blunt bore stake machine auto control system of the research involved an automatic control and artificial intelligence, information fusion, spread the contents of feeling Duo door academicses, such as machine and

9、calculator science.etc., the research concerning the topic is one of the on the go research realms at present.This design with fly to think the Carl semi-conductor company produces of the MC9 S12 XS128 list slice machine is a core, carry on each part of system first of the beginning start to turn, t

10、hen carry on a parameter allocation to include:The keyboard, LCD shows, I2C etc. is a few mold pieces.Drive a pile a machine beginning to circulate after completing, the electrical engineering drives controls to put on brakes and leave to match of loose and tight, attain a rise, declining of control

11、 stake hammer, thus again and again come to carry out a piling function of machine.The main completion function has:Stake hammer height from check, brake with leave to match the design of controling the system, electrical engineering control system, keyboard and show electric circuit.etc.This softwa

12、re that designs each mold piece weaves a distance to mainly adopt C language to write procedure and well make use of break off to adjust to try procedure, the realization drives a pile machine of automatic control function.KeyWords: Automatic Control ;The Parameter Installs ;Height From Check目 录1 绪论

13、91.1课题名称及背景91.2研究意义91.3国内外相关研究情况101.4论文的主要任务及内容102 CK系列冲孔桩机系统结构分析122.1系统硬件简介122.1.1设计方案的研究122.1.2 机械改装设计132.2硬件结构框图的分析142.3软件设计方法153 PID控制163.1数字PID控制原理163.1.1 PID控制的原理及特点173.1.2 PID控制器的参数整定173.2 数字PID控制算法183.2.1位置式PID控制算法183.2.2增量式PID控制算法193.3 数字PID控制算法的改进203.3.1 遇限削弱积分算法213.3.2 积分分离PID控制算法213.3.3

14、微分先行PID算法223.3.4 带死区的PID调节器234 系统软件设计与实现244.1 CodeWarrior集成开发环境244.1.1 CodeWarrior软件的基本特性244.1.2 CodeWarrior软件的主要功能254.2系统的软件设计总体介绍254.3系统初始化模块274.3.1 系统时钟初始化284.3.2 PWM初始化304.3.3 I/O初始化314.3.4 ECT模块初始化324.4 人机交互模块324.4.1键盘设计324.4.2 液晶显示模块344.4.3存储电路设计364.5打桩机运行程序384.6电机控制414.6.1电机控制原理414.6.2芯片功能424

15、.6.3 PID控制算法434.7故障分析435系统调试446论文工作总结45致 谢47参考文献48毕业设计（论文）知识产权声明49毕业设计（论文）独创性声明50附录 1 程序51西安工业大学北方信息工程学院毕业设计(论文)1 绪论1.1课题名称及背景近年来，随着我国国民经济的逐步增强，国内各大城市的高层建筑、立交桥、海港码头、铁路公路桥梁等基础设施项目极具猛增，建筑业迅速发展，大口径基础桩工程得到广泛应用。工业与民用建筑大量采用桩基础，打桩施工越来越普遍，桩机的发展越来越快，广泛应用于城市建筑的各种桩基工程、深基坑支护工程以及防洪工程中的防渗坝工程等各类工程中。由于现代化的高层建筑、大型桥梁

16、和港口码头等结构复杂，负荷十分巨大，对基础的承载能力和防止沉陷方面的要求较高。根据建设本门的资料，对高层建筑基础的处理，通常是采用箱式、地下连续墙、桩等形式作为基础。因此，各个工程对打桩机的需求也越来越大。冲孔打桩机进行成孔作业所利用的是冲击式冲孔打桩的方法。它利用动力装置将具有一定重量的冲击重锤提升至一定高度，然后使重锤自由下落，利用冲击动力对冲孔底部进行周期性的冲击破碎，以形成具有一定直径和深度的桩孔。冲孔打桩机因其施工工艺简单、适应性强、对地层无特殊要求，日前在桩基础工程施工中发挥着重要的作用。目前在桩基工程中应用的冲孔打桩机多是乎动机械式操纵，设备操作人员在工作过程中需要频繁对离合器、

17、抱闸等控制部件进行操纵，劳动强度很大。通过在工程中的实际调查，在使用冲孔打桩机进行成孔作业时，每间隔两个小时就需要更换一名操作人员，以缓解其劳动压力。同时，由于操纵台所处的位置距孔口较远，使得操作人员不便于观察孔口作业情况。1.2研究意义在城市现代化建设过程中，由于高层建筑物的发展，桩基成为了一种常用的基础形式。其中预制桩因为质量易于保证，承载性能稳定，承载力强，施工效率高等特点，得到了极为广泛的应用。桩基根据打入地下的方式不同其可分为锤击桩和静压桩。静压桩在压入过程中基本无振动、无噪音，对周围环境不造成明显影响，但相对锤击桩而言施工费用较高，因此锤击桩的使用不可避免。本研究系统中，CK系列冲

18、孔桩机自动控制系统能够根据施工需要对各个系列桩孔大小进行选择，利用微控制器代替人的操作，利用气动执行元件代替人力劳动实现打桩机的自动打桩控制，这种控制方式有着人为控制无法比拟的优势和应用价值。a.提高工作效率。它能把放绳长度调到最短而不逮锥，而且每次放锥均是如此，仅此一项，就可提高效率20%（同样的提升高度，人工操作是每分钟8次，而自动操作是10次）再加上它永远不休息，实际上提高效率在30%以上。b.减少事故的发生。当出现吸锥（夹锥）、离合刹车突然不灵、停电时等故障时，它能处理紧急情况，避免事故的发生，减少不必要的损失。c.节约了生产成本。打桩施工是一个长期的工程，如果通过人为来控制，施工方需

19、要长期支付工人工资以及各种人为消耗，对于自动打桩机控制系统来说，只需要一次性资金投入，长远来看，在提高工作效率和减少安全生产事故的同时，节约了生产成本。d.保证了施工质量。在冲孔打桩工作过程中，单纯依靠人的操作经验来控制施工的质量显然无法满足当今社会对建筑工程质量越来越高的要求，而冲孔桩机自动控制系统的控制由各种程序和算法完成，控制精确、稳定，保证了建筑施工的质量。1.3国内外相关研究情况由于当今各种打桩机的气动控制系统及电气控制系统方面已经比较成熟，国内外各种桩机的发展主要体现在控制系统方面，微电子技术的飞速发展，为改进各种打桩机的性能、提高稳定性、加工效率方面提供了可能。从我国打桩机行业来

20、看，国内机型虽种类齐全，但技术含量相对较低，缺乏高技术含量的机型。而目前的国内外各种打桩机的控制向着高速化、智能化、自动化发展，如果将自动控制技术应用于冲孔打桩机，使其实现冲孔打桩的全自动化或半自动化，将操作人员从繁琐重复的体力劳动中解放出来，无疑会使冲孔打桩机焕发出新的生机。当前市场中有上万台甚至数十万台冲孔机在各种施工现场作业，造成大量人力、物力资源的浪费，使工程效益明显降低。在现有冲孔桩机的基础上对其进行自动化改造，使其具备自动冲孔打桩的能力，可以大大提高工程进度，并可节约大量能源，降低工程造价，创造良好的经济效益。1.4论文的主要任务及内容a.分析比较当前国内外打桩机控制系统的现状与优

21、缺点，主要了解CK系列打桩机的控制流程，为打桩机自动控制系统的设计提供依据。b.设计打桩机自动控制系统的整体方案，确定该系统应该完成的任务。c.控制系统的机械设计：包括离合控制机械系统和离合位移传感器安装；刹车系统机械设计和刹车位移传感器安装；高度传感器的安装。d.控制系统的算法研究：包括离合系统的建模；刹车系统的建模；高度检测系统建模；余绳算法的研究；本系统为时延系统，时延控制算法仿真与实现。e.研究面向智能体软件方法，使控制软件具有良好的框架，便于软件修改、删除、添加和升级。软件功能中增加故障自诊断和看门狗等功能保证系统可靠性运行。2 CK系列冲孔桩机系统结构分析2.1系统硬件简介硬件核心

22、模块主要由四大部分组成，分别是最小系统、数据采集模块、刹车和离合的控制模块和人机交互模块。2.1.1设计方案的研究CK系列冲孔桩机是利用桩锤自身重量将桩贯入地层的桩工机械。由桩锤、桩架、卷扬机及附属设备等组成。本设计在此基础上加上自动控制系统，将原来的纯手动作业改为了手自动一体化系统，如图2.1所示。图2.1 打桩机系统结构示意图本课题所研究设计的CK系列冲孔桩机自动控制系统属于小型打桩机控制系统，但小型打桩机控制系统的实验设备也并不好搭建，因此本课题拟利用实验室现有的小型电动机、自行车车架、车轮以及小型钢架和自制桩锤搭建的模拟平台进行实验及软硬件调试。自制桩锤的重量比实际打桩机的桩锤轻得多，

23、虽然桩锤的质量会影响控制参数的设定，但并不影响本课题开展的各项研究。图2.2打桩机系统结构示意图CK系列冲孔桩机自动控制系统原理框图如图2.2所示。操作人员通过触摸屏对打桩机进行参数设定，如刹车时间、离合时间、提升高度、刹车高度等。控制器根据所设定的参数驱动电机转动，同时发出指令松开刹车控制杆，拉紧离合控制杆，绕线器借助齿轮的传动作用开始绕线，桩锤被提升。桩锤到达提升高度时控制器发出指令松开离合控制杆，拉紧刹车控制杆，经过预设的刹车时间后，控制器发出指令松开刹车控制杆，桩锤开始自由落体，以其自身重力撞向桩基。当桩锤到达刹车高度时，控制器发出指令拉紧刹车杆，但瞬间又松开，经过离合时间之后，控制器

24、发出指令拉紧离合控制杆，桩锤再次被提升。如此往复进行打桩自动作业。由于下一次的打桩作业比这一次的作业需要的挂绳长度长，所以控制器在离合时间之内要完成放余绳的工作，为下一次作业做准备。控制余绳加放多少很关键。余绳太长会导致打桩太松，余绳太短会导致打桩太紧。与此同时，打桩机的各个参数与打桩机周围的土质也有关系。2.1.2 机械改装设计本课题通过对传统的CK系列冲孔桩机的控制机构进行机械改装，使其具有原有的手动作业方式和自动控制方式。如果不具有手动作业方式，自动控制是无法完成打桩机调试工作的。在保留原有作业方式的同时，可对刹车控制系统进行机械改造。刹车控制机械改装如图2.3所示。图2.3刹车控制机械

25、改装示意图本系统的执行装置可采用气动方式，液压方式和电机控制三种方式，为了方便起见，选择采用电机控制方式。电机选用MC33035直流电机，直流电机响应速度快、力矩大并且体积小。改装时，将固定块和电机导轨固定在打桩机的底座上，电机旋转带动丝杠沿导轨运行。在原有人工作业方式下运行时，即手动模式下，控制杆收到远离刹车杆的位置，不影响人员操作。离合控制系统的机械改装和刹车控制系统相同。2.2硬件结构框图的分析本课题研究的自动打桩机打桩机系统，主要包括控制器系统设计；电源电路的设计；刹车控制系统、执行装置和位移传感器接口设计；离合控制系统、执行装置设计及位移传感器接口设计；电机控制系统的设计；保护电路的

26、设计；键盘与显示电路等；硬件结构框图如图2.4所示。实时时钟电源模块卡锤传感器开关量信号I2C存储电机保护继电器电机过流保护电流互感器保护护离合控制刹车控制键盘JTAG高度自检液晶显示CPUXS128图2.4系统结构框图a.电源模块设计：电源电压分为直流+1.8V，+3.3V，+5V，和交流220V几种。其中+1.8V为微控制器的内核供电，+3.3V为微控制器的外设I/O口线供电；+5V为其他大部分芯片供电；+24V外围接口电路供电；交流220V为ACDC（220V转24V）供电。电源电路主要经过稳压芯片稳压和电容滤波。b.高度自检模块：高度自检采用永磁铁和现成的霍尔传感器模块。将数十个永磁铁

27、均匀固定在绕线器的轮子边缘，由固定在不远处的霍尔传感器检测轮子转过的角度。霍尔传感器的输出是开关量信号，因此经过光电隔离器6N137之后直接可以接到微控制芯片进行计数并处理。c.卡锤检测模块：当打桩机在提锤过程中桩锤卡住时，会引起卷扬机的尾部翘起。故在卷扬机尾部安装霍尔传感器和永磁铁来检测系统是否卡锤。d.刹车控制模块、离合控制模块：刹车、离合、电机的控制归根到底都是对电机的控制，由于需要控制电机的通断，所以控制也只需要简单的继电器控制，故采用普通I/O口和功率三极管即可。e.存储器模块：主要用于将系统重要的数据存储起来，以及当打桩机系统需要和上位机进行通信时，会把将要发送的数据存储在存储器中

28、。f.人机交互模块：主要用于读取按键信息并且经过处理驱动液晶显示内容。2.3软件设计方法一个好的硬件平台只有搭配了好的软件才可以发挥出它的功效。因此，软件的设计方法就显得十分的重要，这在很大程度上取决于系统软件的结构是否合理，方法是否得当。在软件的编程过程当中，通常用到四种方法:过程化、模块化-结构化、面向对象以及面向智能体的编程方法。对于过程化编程采用自底向上的方法,而其他的方法都采用自顶向下的方法。首先，建立各个模块、对象、或智能体，再将各个模块单元连接起来，最后实现系统的整体功能。对比这四种方法的优缺点，本设计设计中采用了新的软件构建方法。这种方法结合模块化编程方法和面向智能体编程方法的

29、优势，使系统具有更为广泛的实用性，自学习性。软件模块和硬件模块相对应，结构简明，编写的难度也大大降低了。3 PID控制CK系列冲孔桩机自动控制系统属于过程控制，而PID控制是过程控制系统应用最广泛的一种控制规律，因此，PID控制是CK系列冲孔桩机自动控制系统中非常重要的环节。近年来，微机在过程控制领域获得了广泛的应用，用微机取代常规过程控制系统中的模拟调节器，用计算机程序来实现PID控制算式便构成了微机控制系统。由于微机控制系统的计算机程序具有很高的灵活性，因此可以很方便地修改PID控制算式，构成性能良好而模拟调节器难以实现的复杂控制系统。当今的自动控制技术都是基于反馈的概念。反馈理论的要素包

30、括三个部分：测量、比较和执行。测量关心的变量，与期望值相比较，用这个误差纠正调节控制系统的响应。 这个理论和应用自动控制的关键是，做出正确的测量和比较后，如何才能更好地纠正系统，PID（比例-积分-微分）控制器作为最早实用化的控制器已有 50 多年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。 PID控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。3.1数字PID控制原理 目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。同时，控制理论的发展也经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。智能控制的典型实例是模糊全自动洗衣机等。自动控制系统可分

31、为开环控制系统和闭环控制系统。一个控制系统包括控制器、传感器、变送器、执行机构、输入输出接口。控制器的输出经过输出接口、执行机构，加到被控系统上；被控量，经过传感器，变送器，通过输入接口送到控制器。不同的控制系统，其传感器、变送器、执行机构是不一样的。比如压力控制系统要采用压力传感器。电加热控制系统的传感器是温度传感器。PID调节器是一种线性调节器，这种调节器是将设定值r（t）与输出值c（t）进行比较构成控制偏差 e（t）r（t）c（t） ,将其按比例、积分、微分运算后，并通过线性组合构成控制量，如图3.1所示，所以简称为P（比例）、I（积分）、D（微分）调节器。3.1.1 PID控制的原理及

32、特点PID控制是比例积分微分控制的简称，它实际上是比例调节(P调节)、积分调节(I节)和微分调节(D调节)三种调节的组合。在控制器最常用的控制规律是PID控制，PID控制系统的控制原理结构框图如图3.1所示。系统由模拟PID控制器和被控象组成.被控系统比例环节 R(S) + E(s) + M(s) C(s)积分环节- + +微分环节 +测量装置图3.1 PID控制系统的控制结构框图在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。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

33、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难以采用时，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。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，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。PID控制的优点主要表现在以下几个方面:a.原理简单，使用方便；b.适应性强，可以广泛应用于化工、热工、冶金、炼油、以及造纸、建材等各种生产部门。按PID控制进行工作的自动控制器早已商品化。在具体实现上它们经历了机械式、液动式、气动式、电子式等发展阶段，但始终没有脱离PID控制的范畴。虽然很多工业过程是非线性或时变的，但通过

34、对其简化可以变成基本线性和动态特性不随时间变化的系统，这样PID就可控制了。3.1.2 PID控制器的参数整定PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应

35、曲线法和衰减法。三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。现在一般采用的是临界比例法。利用该方法进行 PID控制器参数的整定步骤如下：a.首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作；b.仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期；c.在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。 PID 控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。其输入 e(t) 与输出 u(t) 的关系为PID的参数对系统性能的影响：

36、a.比例系数KP对系统性能的影响：增大比例系数KP一般将加快系统的响应，在有静差的情况下有利于减小静差。但过大的比例系数会使系统有较大的超调，并产生振荡，使稳定性变坏；b.积分时间TI对系统性能的影响：增大积分时间有利于减小超调，减小振荡，使系统更加稳定，但系统静差的消除将随之减慢；c.微分时间TD对系统性能的影响：增大微分时间TD，也有利于加快系统响应，使超调量减小，稳定性增加，但系统对扰动的抑制能力减弱。3.2 数字PID控制算法PID调节器是比例调节(P调节)、积分调节(I调节)和微分调节(D调节)的组合。PID调节器的动作规律是在实际的控制中，一般都采用计算机控制，通常依据控制器输出与

37、执行机构的对应关系，将基本数字PID算法分为位置式PID和增量式PID两种。3.2.1位置式PID控制算法基本PID控制器的理想算式为 (3.1)式中：u(t)控制器(也称调节器)的输出；e(t)控制器的输入（常常是设定值与被控量之差，即e(t)=r(t)-c(t)）；Kp控制器的比例放大系数；Ti 控制器的积分时间；Td控制器的微分时间。设u(k)为第k次采样时刻控制器的输出值，可得离散的PID算式 (3.2) r(t) + e(t) u(k) c(k)被控对象PID位置式算法 -图3.2 位置式PID算法控制原理图由于计算机的输出u(k)直接控制执行机构（如阀门），u(k)的值与执行机构的

38、位置（如阀门开度）一一对应，所以通常称式(3.2)为位置式PID控制算法。对于位置式算法，控制从手动切换到自动时，必须先将计算机的输出值设置为原始阀门开度u0，才能保证无冲击切换。如果采用增量算法，易于实现手动到自动的无冲击切换。此外，在计算机发生故障时，由于执行装置本身有寄存作用，故可仍然保持在原位。位置式PID控制算法的缺点：当前采样时刻的输出与过去的各个状态有关，计算时要对e(k)进行累加，运算量大；而且控制器的输出u(k)对应的是执行机构的实际位置，如果计算机出现故障，u(k)的大幅度变化会引起执行机构位置的大幅度变化。3.2.2增量式PID控制算法增量式PID是指数字控制器的输出只是

39、控制量的增量u(k)。采用增量式算法时，计算机输出的控制量u(k)对应的是本次执行机构位置的增量，而不是对应执行机构的实际位置，因此要求执行机构必须具有对控制量增量的累积功能，才能完成对被控对象的控制操作。执行机构的累积功能可以采用硬件的方法实现；也可以采用软件来实现，如利用算式程序化来完成。由式(3.2)可得增量式PID控制算式 (3.3)式中进一步可以改写成 (3.4)一般计算机控制系统的采样周期T在选定后就不再改变，所以，一旦确定了Kp、Ti、Td，只要使用前后3次测量的偏差值即可求出控制增量。它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量，需要采用计算机控制系统的设计方法中有关模拟调节器的离散化

40、方法，若用矩形法数值积分近似式中的连续积分，用一阶后差近似代替微分, 采用不同调节动作时具有同样衰减率的响应过程。显然，PID三个同时作用时效果最佳，但这并不意味着，在任何情况下采用三作用调节都是合理的。同时，三作用调节器有3个需要整定的参数，如果这些参数整定不合适，则不仅不能发挥各种调节动作应有的作用，反而适得其反。事实上，选择什么样动作规律的调节器与具体对象匹配，是一个非常复杂的问题，需要综合考虑多种因素方能获得合理解决。通常，选择调节器动作规律时应根据对象特性、负荷变化、主要扰动和系统控制要求等具体情况，同时还要考虑擦系统的经济性以及系统投入方便等。增量式PID算法的优点：位置式算法每次输出与整个过去状态有关，计算式中要用到过去偏差的累加值，容易产生较大的积累误差。而增量式只需计算增量，当存在计算误差或精度不足时，对控制量计算的影响较小。3.3 数字PID控制算法的改进在计算机控制系统中，PID控制规律是用计算机程序来实现的，因此他的灵活性很大，一些原来在模拟PID控制器中无法实现的问题，在引入计算机后就可以得到解决，于是产生了一系列的算法改进，以满足不同控制系统的需求。下面介绍几种数字PID的改进算法：遇限削弱积分法，积分分离PID控制算法，不完全微分PID控制算法，微分先行PID控制算法和带死区的PID控制算法。3.3.1 遇限削弱积分算法