图4-11串行口输出程序和串行口输出中断程序流程图
任务调用接口 在应用程序设计中，只需分别调用函数Uart_Init()、Uart_SendStr()、Uart_Getch()、Uart_Sendch()等函数接口，即可完成对串口的操作，实现数据的输入和输出。 4.3.4.2 串行通信应用程序的设计 在系统中串行通行程序是专门用于接收PC机发送来的读写命令，根据命令的不同，完成不同的操作，既可以对系统当前的运行状态或参数进行改变，也可以把PC机需要的数据信息打包发送。 在设计中，为简单起见，系统作为从机，只能被动接收PC机发来命令，对命令帧分析处理之后执行，可以改变系统当前的运行方式和参数。当需要向PC激发信息时，它要按要求把相关信息组帧发送，如当前继电器状态、第一路温度值、第二路温度值等。关于帧的类型和组帧格式，详细内容在下一章中论述。 它的流程图如图4-12所示。 图4-12 串行通信流程图 4.3.5 温度测量及控制模块详细设计 数据信号的采集处理是把实际过程中的模拟量、开关量以及其它信息量通过相关的方式送入计算机，再由计算机进行存储和进一步的处理（如计算、显示、控制等）。模拟量的采集是将模拟量转换成数字量并送入计算机。然后调用处理算法将这些数字量存储并进行二次计算处理，一方面要输出显示便于观察，另一方面调用相关的控制模块，对被测对象进行控制。控制模块通常采用合理的控制算法，对被控对象进行控制，使其满足用户的要求。 此模块完成对温度信号的采集处理、控制运算和输出控制功能，是最重要的一个模块。系统要实现对两路温度进行采集控制，其电路图见图4-3。温度信号经两个模拟转换开关CD4052之后，以差分式输入模拟转换器LTC2430的输入端子,转换后的数字量送入微控制器SM5964，从而完成信号的采集。 由于20位模数转换器LTC2430采用了专有的无延迟Delta Sigma结构，消除了数字滤波器的接续时间，使每次转换均有效，只要将其转换结果进行正确的读出即可。其数据输出格式如图4-4所示，当最高位EOC为低电平时，表示本次转换完成可以读取结果。对于温度的计算，采用了查表法。获得LTC2430转换结果之后，通过线性插值及标度变换之后，可以计算出当前的实际温度值。以上的采集处理过程相应容易实现，在此模块中，主要是控制部分软件的设计，设计中采用了时间最优控制和PID算法相结合的控制方法，取得很好的效果，其实现如下。 1).控制算法 在工业过程控制中，应用最广泛的控制方法应该是PID控制，它是按偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)组合而成的控制规律。比例控制简单易行，积分的加入能消除静差，微分能提高，改善系统的动态性能。 采用了数字PID的方式进行调节，其框图如图4-13所示。
图4-13 PID控制框图
下面是增量式PID控制算法公式。为了抑制饱和效应的发生，控制系统采用了积分分离式的PID控制算法。 (4-3) 即： (4-4) 在上式中，为系统采样周期，为积分时间常数，为微分时间常数，为比例系数，为积分系数，为微分系数。 温度变化是个慢过程，如单纯采用PID控制，当有较大扰动或大幅度改变给定值时，会产生较大的偏差，此时在积分项的作用下，往往会产生较大的超调和长时间的波动。因此在系统中又采用了PID算法与时间最优控制相结合的控制方式。 时间最优控制是Pontryagin于1956年提出的一种最优控制方法。它是研究满足约束条件下获得允许控制的方法，也叫最大值原理。用最大值原理可以设计出控制变量只在|u(t)|≤1范围内取值的时间最优控制系统。而在工程上控制变量只取±1两个状态，而且依照一定的法则加以切换，使系统从一个初始状态转到另一个状态所经历的过渡时间最短，这种类型的最优切换系统，称为开关控制(Bang-Bang)系统,即: 当时，。 当时，。 为t＝kT时控制器的输出，为系统的最大输出，e(k)为温度测量值与给定值之差，当偏差大于零时，控制器输出最大值，控制对象加热．当偏差小于等于零时，控制器输出0，停止加热．这种算法具有控制简单、实现方便等优点，但当偏差接近零时，系统容易发生振荡．因此，采用PID算法与时间最优控制相结合的双模控制方式，控制规律为: 时，采用时间最优控制 时，采用PID控制 规定一阈值ε(偏差区域)，当偏差大于ε时，实行时间最优控制，即Bang—Bang控制；而在阈值ε以内，实行PID控制．这样，既可以发挥Bang—Bang控制快速消除大偏差的优点，又能发挥PID控制精度高，超调小的优点，从而使静态、动态性能指标较为理想． 2).参数的整定 数字PID调节器参数的整定是根据控制对象对控制性能的要求，调整调节器的参数，使控制过程满足要求。在系统采样周期确定的情况下，需要调整的参数有比例系数Kp、积分时间常数Ti和微分时间常数Td。它们分别对控制性能的影响如下： 比例系数Kp：它控制着系统调整的反应速度，减少静差，如Kp太小，系统动作缓慢，Kp加大，可以使系统动作灵敏，调节速度加快。但Kp偏大，可能使系统震荡次数增多，调节时间加长。Kp过大，可使系统不稳定。 积分时间常数Ti: PID调节中的的积分项主要作用是消除静差。Ti减少时，积分项作用增大，系统调节速度加快，但易使系统趋于不稳定，震荡次数较多。Ti增大，积分项对系统性能的影响减少，跟踪速度减慢。当Ti合适时，过渡度特性比较理想。 微分时间常数Td: 微分控制可以改善调节的动态特性，如减少超调量，缩短调节时间。当Td偏大或者偏小时，超调量和调节时间都会增大，只有当Td合适时，才能得到比较满意的结果。 在做PID参数整定时，首先根据系统要求应选择合适的采样周期，采样周期确定之后，比例系数Kp、积分时间常数Ti和微分时间常数Td的整定可以根据一定的算法，比如扩充临界比例系数法、扩充响应曲线法以及PID归一化参数整定法来设定。但是在现场系统不允许振荡或外加扰动信号，以上方法在现场不能使用。 实际上在现场主要根据经验整定参数，应遵循以下规则： 在进行PID参数调节时，调节幅度要小； 在调节时，需要各参数协同调节； 系统反映（温度变化）速度慢，可调大比例系数Kp,增大微分时间常数Td，减少积分时间常数Ti； 有振荡现象
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