2005年07月25日

2005年06月12日

2005年06月07日

http://www.101science.com/Radio.htm


NEW!! SEE OUR FREE BASIC ELECTRICITY AND  ELECTRONICS COURSE HERE!!!!

NEW!! SEE OUR FREE BASIC ELECTRICITY AND  ELECTRONICS COURSE HERE!!!!

NEW!! SEE OUR FREE BASIC ELECTRICITY AND  ELECTRONICS COURSE HERE!!!!

Amateur Radio

Fourier Transform

RF Design

Antennas & Wavelength Calculator

Formulas – Electrical Engineering

RF Cafe

Basic Electricity – Electric Circuits (2)

HF Transformer Design

Robots

Basic Electronics (3)

Inductors (7)

Schematics

and Projects

Books – Basic Electronics

Integrated Circuits (13)

Shop Practices

(9)

Books – More Books

Introduction to Electronics (1)

Simulation

Books – Top 10 Electronics

Lasers

Smith Charts

Calculations and Conversions

Math for Electronics (8)

Society for Amateur Scientists

Calculators for Electronics

MathCAD for Electronics

Software – Electronics

Capacitors and capacitor circuits (6)

NEWS – Electronics Industry

 

Software – Engineering

Circuit Design and Circuits – SPICE

Ohms Law

 (5)

Soldering – How to Guides

(11)

Circuits and Science

PCB Design

Standards & Data

& Formulas

Computer Links

PCB Development

Substituting/Replacing Transistors

Data Sheets

Phase Locked Loops

Technical Links for Engineers

Digital Electronics  (14)

Power Supplies & Circuits

Television

DSP – Design – Tutorial

Radio Astronomy

Test Equipment

(10)

Electronics Links – Everything!!

Radio Astronomy Links

Toroids I  

Engineer on a Disk

Reference I – Engineering

Toroids II – Calculating

FCC

Reference II – General Electronics

Tutorials – Free Online

Ferrite Cores – Testing Unknown

Resistors and Resistor  Circuits

(4)

Transistors / Diodes-LED’s 

(12)

Filters

Resonant Circuits

TTL Logic        (15)

Soldering – How to Guides

(11)

Circuits and Science

PCB Design

Standards & Data

& Formulas

Computer Links

PCB Development

Substituting/Replacing Transistors

Data Sheets

Phase Locked Loops

Technical Links for Engineers

Digital Electronics  (14)

Power Supplies & Circuits

Television

DSP – Design – Tutorial

Radio Astronomy

Test Equipment

(10)

Electronics Links – Everything!!

Radio Astronomy Links

Toroids I  

Engineer on a Disk

Reference I – Engineering

Toroids II – Calculating

FCC

Reference II – General Electronics

Tutorials – Free Online

Ferrite Cores – Testing Unknown

Resistors and Resistor  Circuits

(4)

Transistors / Diodes-LED’s 

(12)

Filters

Resonant Circuits

TTL Logic        (15)

Software – Engineering

Circuit Design and Circuits – SPICE

Ohms Law

 (5)

Soldering – How to Guides

(11)

Circuits and Science

PCB Design

Standards & Data

& Formulas

Computer Links

PCB Development

Substituting/Replacing Transistors

Data Sheets

Phase Locked Loops

Technical Links for Engineers

Digital Electronics  (14)

Power Supplies & Circuits

Television

DSP – Design – Tutorial

Radio Astronomy

Test Equipment

(10)

Electronics Links – Everything!!

Radio Astronomy Links

Toroids I  

Engineer on a Disk

Reference I – Engineering

Toroids II – Calculating

FCC

Reference II – General Electronics

Tutorials – Free Online

Ferrite Cores – Testing Unknown

Resistors and Resistor  Circuits

(4)

Transistors / Diodes-LED’s 

(12)

Filters

Resonant Circuits

TTL Logic        (15)

Soldering – How to Guides

(11)

Circuits and Science

PCB Design

Standards & Data

& Formulas

Computer Links

PCB Development

Substituting/Replacing Transistors

Data Sheets

Phase Locked Loops

Technical Links for Engineers

Digital Electronics  (14)

Power Supplies & Circuits

Television

DSP – Design – Tutorial

Radio Astronomy

Test Equipment

(10)

Electronics Links – Everything!!

Radio Astronomy Links

Toroids I  

Engineer on a Disk

Reference I – Engineering

Toroids II – Calculating

FCC

Reference II – General Electronics

Tutorials – Free Online

Ferrite Cores – Testing Unknown

Resistors and Resistor  Circuits

(4)

Transistors / Diodes-LED’s 

(12)

Filters

Resonant Circuits

TTL Logic        (15)

NEW!! SEE OUR FREE BASIC ELECTRICITY AND  ELECTRONICS COURSE HERE!!!!

2005年06月02日
基于运动控制卡的步进电机控制系统

newmaker

摘 要:设计了一种步进电机控制系统。该系统通过运动控制卡产生脉冲和方向信号。用MicrosoftVisualBasic编辑界面程序。调用控制卡中的运动函数库,动态改变脉冲频率,控制电机的转向和转速,从而在开环控制状态下实现对步进电机的控制。既提高了实时性和快速性,又方便实用。
关键词:步进电机;运动控制卡;开环控制

1 引言

运动控制系统的上位控制方案一般有单片机系统、专业运动控制PLC、专用控制系统和“PC+运动控制卡”。采用单片机系统实现运动控制,成本较低,但开发难度较大,周期长。这种方案一般适用于产品批量较大、控制系统功能简单、有单片机系统开发经验的用户。许多品牌的PLC都可选配定位控制模块,有些PLC的CPU单元本身就具有运动控制功能,如松下公司的FP0。这种方案一般适用于运动过程比较简单、运动轨迹固定的设备,如送料器、自动焊机等。专用控制系统一般是针对专用设备或专用行业,比如西门子公司的车床数控系统和铣床数控系统等。“PC+运动控制卡”的方案随着PC的普及用得越来越多,将是运动控制系统的主要发展趋势。这种方案可充分利用计算机资源,用于运动过程、机械轨迹都比较复杂,而且柔性比较强的机器设备,比如目前很热门的开放式数控系统大多采用这种方案。

本文介绍的控制系统采用的就是“PC+运动控制卡”方案,这是本文的主要内容。

2 系统组成及硬件介绍

图1示出本系统的硬件组成框图。其中采用德国百格拉三相混合式步进电机(VRDM3910/LHA)及其配套驱动器(D921)。控制卡是成都步进机电有限公司生产的MPC02型运动控制卡。

2.1 驱动器面板及其功能设置

图2是D921型驱动器的面板配置及功能。

功能选择:STEP1、STEP2 设置电机每转步数;

所有输入信号均为光耦输入。

2.2 运动控制卡的结构

MPC02型运动控制卡的结构如图3所示。

该卡插在PC的PCI扩展槽内使用;MPC02卡完成运动控制的所有细节,包括脉冲和方向信号的输出、自动升降速的处理、原点和限位信号的检测等。它采用先进的专用控制集成电路,具有梯形及S形升降速度曲线。使用68芯SISC接口,外接线可采用屏蔽线缆,以提高控制卡的抗干扰能力。其信号接口定义如下:

脉冲量信号:脉冲/方向(编号17~28);编码器反馈(35~52);光隔电源(29、30)。

开关量信号:限位(55、56、60、61、65、66);减速(53、54、58、59、63、64);原点(57、62、67);伺服使能(9、11、13);偏差清零(10、12、14);外部报警(68);通用输入(31~34);通用输出(1~8);光隔电源(15、16)。

3 运动控制系统的软件

3.1 控制卡的软件

在函数库中使用的单位和函数返回值通常约定如下。

3.1.1 单位

1)位移或距离的单位为P(Pulse),即脉冲数;
2)速度的单位是P/S(Pulse/sec),即脉冲/秒;
3)加速度和减速度的单位是P/s2(Pulse/s2),即脉冲/秒2。

3.1.2 函数返回值

运动库中的大多数函数是整型函数,它们的返回意义如下:

0 函数执行正确;-1 函数执行错误。

在函数库中使用的函数有如下几种:控制卡和轴设置函数、独立运动和插补运动函数、制动函数、位置和状态的设置及查询函数、I/O口操作函数、错误代码函数和一些其他函数。这些函数实现的运动有如下六种基本类型,如图4所示。


把带有升/降速控制的运动函数称为快速(fast)运动函数,比如fast_pmove、fast_vmove和fast_hmove,把常速运动函数称为常速(con)运动函数,如con_pmove、con_vmove和con_hmove。

3.2 软件程序:

运动参数设定包括轴号、初速度、最高速度、加速度和移动距离等;运动控制程序包括急停、缓停、清零、常速和快速等;控制效果显示包括位置和速度等。程序如下:

4 结束语

以专用运动控制电路为主控的运动控制卡的运动控制功能由硬件电路实现,集成度高,可靠性比较好。它只需从微机接收控制命令,然后自己完成与运动有关的控制,几乎不占用微机的CPU时间,使用非常方便,不仅可以大大缩短研制和开发周期,而且还能实现更完善的运动控制系统,能够满足对步进电机的控制要求。

2005年02月21日

关于精度的一些概念

精度是误差的反义词,精度的高低是用误差来衡量的。误差大则精度低,误差小则精度高。通常把精度区分为:

1、准确度:它是系统误差大小的反映

2、精密度:它是随机误差大小的反映

3、精确度:它是系统误差和随机误差两者综合的反映

由此可见,精密度高未必准确度一定高,反之亦然。在以上两种情况下,精确度都不一定高。只有在精确度高的情况下,才表明准确度和精密度都高。

此主题相关图片如下:
按此在新窗口浏览图片

关于测量仪器测量误差

1、随机误差:随机误差是由一些独立因素的微量变化的综合影响造成的。其数值的大小和方向没有一定的规律,但就其总体来说,服从统计规律,大多数随机误差服从正态分布。

2、系统误差:系统误差的大小和方向在测量过程中恒定不变,或按一定的规律变化。一般来说,系统误差是可以用理论计算或实验方法求的,可预测它的出现,并可以修正和调节。

误差表示方法:

绝对误差:测得值x与被测量真值x0之差。Δ=x-x0,有量纲,能反映出误差的大小和方向,但不能反映出测量的精细程度。

相对误差:绝对误差与被测真值的比值。δ=Δ/x0。无量纲,能反映出测量的精细程度。

灵敏度与分辨率

灵敏度:输出值与输入值的变化量之比,对于测量仪器来说,灵敏度等于被关测量的示值增量dl与测量的增量dG之比。K=dl/dG

分辨率:是仪器设备能感受,识别或探测的输入量的最小值。

分辨率和精密度、精确度之间关系如下:

1、要提高仪器的测量精密度,必须相应地提高仪器的分辨率。

2、分辨率与精确度紧密相关,提高仪器的分辨率能提高测量的精确度。但有时又是完全独立不相关的。

重复精度与再现精度

重复精度:是指在同一测量方法和测试条件(仪器、设备、测试者、环境条件)下,在一个不太长的时间间隔内,连续多次测量同一物理参数,所得到的数据分散程度。重复精度反映一台设备固有误差的精密度。

复现(再现)精度:它是用不同的测量方法,不同的测试者,不同的测量仪器,在不同的实验室内,在较长的时间间隔对同一物理参数作多次测量,所得数据相一致的接近程度。

对于某一物理参数的测量结果,若重复精度和复现精度都很高,则表示该设备精度稳定,测量结果准确可信。复现精度一般应低于重复精度,因为测定复现精度时所包括的随机变化因素多于测定重复精度。

2005年02月17日

http://www.37c.com.cn

http://www.37c.com.cn/literature/literature06/manage02.asp?manage02file=019/01901.asp

http://www.3722.cn/

http://bbs.bioon.com/

中国生命科学论坛

http://www.dxy.cn/bbs/

2004年12月25日

http://61.186.250.18:8080/index.asp

Name:wzdx;  Password:wzdx

2004年12月16日

自动装置中串行通讯接口电路

 

杨彦杰,陆俭国,张文玲,傅仲文

 

(河北工业大学,天津  300130)

 

[摘要]本文分析了自动装置中三种常用的串行总线接口电路的设计方案,阐述了接口电路设计过程中应注意的问题,给出了三种总线的相互转换电路,该电路无需RTS信号即可实现多点网络通讯。该电路已在实际自动化装置中得到成功应用。

[关键词]自动装置;串行通讯;接口设计

 

 

1 引言

随着微机技术的应用,在各种自动化装置中一般都要求配备串行通讯口,以便于与计算机相联或与其他设备组成网络。如何设计串行通讯口来满足大多数用户的要求,是每一个设计者必须要面对的问题。本文对常用的三种接口标准RS-232C、RS-422、RS-485进行分析和研究,并给出其接口电路设计和相互转换的方法。

2 接口电路设计

(1)RS-232C接口电路设计

RS-232C标准(协议)是美国EIA(电子工业联合会)与BELL等公司一起开发的1969年公布的通信协议。目前广泛用于计算机与终端或外设之间的近端连接。这个标准定义了22根信号线,在微型计算机中只采用了其中的9根线,在自动装置中一般采用3根信号线即能满足要求,即数据发送(TxD)信号、数据接收(RxD)信号和信号地。

RS-232C在电气特征上采用负逻辑,即逻辑1为3~15V,逻辑0为+3~+15V。

RS-232C信号传输由于采用传输信号线与信号地之间的信号电压差,传输速率只能达到20kbit/s,最大传输距离仅为15m,一般用于点对点通讯。

在自动装置中,核心控制芯片多为单片机(如8051,80C196),在单片机上一般都有RxD、TxD信号线,它们为TTL电平,要满足RS-232C的电气特征,必须加转换电路。以前的转换方法是采用MC1488和MC1489芯片外加±12电源,现在已有很多为RS-232C标准生产的专用驱动芯片,如MAX232系列、TC232、ICL232、AD232等,它们在单5V供电条件下,将0/5V(TTL电平)转换为+10V/-10V(RS-232电平),将+10V/-10V(RS-232电平)转换为0/5V(TTL电平),能直接代替传统的接口芯片MC1488和MC1489,并省去±12V电源,使用极为方便。

 


 

21为典型的RS-232接口电路,接口芯片选用MAX202E,倍压电路所需外接电容仅为01μF,并且具有±15kV ESD(静电放电)保护,在插拔电缆或是触摸到I/O端口线时,ESD保护可使接口器件免遭损坏。

随着芯片厂家的不断努力,RS-232接口芯片已具有更多功能,如低电压(3V)、低功耗、小尺寸、高速数据传输能力、自动关断/唤醒功能等。

(2)RS-422接口电路

RS-422接口标准主要是为克服RS-232接口标准的通讯距离短和传输速率慢而建立的。RS-422标准是一种以平衡方式传输的标准,每个信号以两根信号线来传输,逻辑电平是由两条传输线之间的电位差来决定的,RS-422电路由发送器,平衡连接电缆、电缆终端负载和接收器组成。它通过平衡发送器把逻辑电平变换成电位差,完成始端的信息传送;通过差动接收器,把电位差变为逻辑电平,实现终端的信息接收。RS-422标准由于采用了双线传输,大大增强了抗共模干扰的能力,因此最大数据速率可达10Mbit/s(传送15m时)。若传输速率降到90kbit/s时,则最大距离可达1200m。该标准规定电路中只许有一个发送器,可有多个接收器。该标准允许驱动器输出为±2V~±6V,接收器输入电平可以低至±200mV。

接口芯片可选用SN75179B、MAX488、MAX490等芯片,接口电路如图22所示。

 

 

在这种接口电路中,由于YZ输出不为三态输出,所以只能用于点对点通讯,如要组成多点总线传输网络,需要采用RS-485形式的接口电路。

(3)RS-485接口电路

RS-485接口标准是一种多发送器的标准,它扩展了RS-422的性能,它的传输距离和速度与RS-422一样,两者的输入输出参数有如下差别。

RS-422的驱动器共模输出电压-025~+6V,RS-485为-7~+12V。

RS-422的接收器共模输入电压-7~+9V,RS-485为-12~+12V。

RS-422只允许在同一条传输线上有一个发送器,10个接收器。RS-485在同一传输线上允许有32个发送器,32个接收器,因此,RS-485接口在多点网络通讯中得到了广泛应用。

满足RS-485要求的器件,片内装有争用保护电路。即如在同一时刻两个发送接通,则能防止器件损坏。

23为由带静电保护的MAX485E芯片组成的接口电路,在此电路中,控制器80C196需加一控制端P1.0来控制数据的接收和发送,当发送数据时,P1.0置1,数据发送完后,将P1.0置0,使接口电路随时处于接收(命令)状态。图中R1、R2可解决当所有发送端都不发送期间的总线悬空问题,防止接收端的误中断,R3为终端匹配电阻,当本装置位于网络的末端或首端时,需接通R3,以减小线路上传输信号的反射。

 

 

3 实际应用中的常见问题

3.1 抗雷击和抗静电冲击

接口芯片在使用、焊接或设备的运输途中都有可能受到静电的冲击而损坏。在传输线架设于户外的使用场合,接口芯片乃至整个系统还有可能遭致雷电的袭击。选用抗静电或抗雷击的芯片可有效避免此类损失,常见的芯片有MAX202E、MAX485E、MAX487E、MAX1487E等。

3.2 限斜率驱动

由于信号在传输过程中会产生电磁干扰和终端反射,使有效信号和无效信号在传输线上相互迭加,严重时会使通信无法正常进行。为解决这一问题,某些芯片的驱动器设计成限斜率方式,使输出信号边沿不要过陡,以不致于在传输线上产生过多的高频分量,从而有效地扼制干扰的产生。如MAX487、SN75LBC184等都具有此功能。

3.3 故障保护

众所周知,RS-485接口采用的是一种差分传输方式,各节点之间的通信都是通过一对(半双工)或两对(全双工)双绞线作为传输介质。根据RS-图41RS-232/RS-422/RS-485信号转换电路485的标准规定,接收器的接收灵敏度为±200mV,即接收端的差分电压200mV,接收器输出高电平;200mV时,接收器输出为低电平;介于±200mV之间时,接收器输出为不确定状态。在总线空闲即传输线上所有节点都为接收状态以及在传输线开路或短路故障时,若不采取特殊措施,则接收器可能输出高电平也可能输出低电平。一旦某个节点的接收器产生低电平就会使串行接收器(UART)找不到起始位,从而引起通信异常,解决此类问题方法有两种:

(1)使用带故障保护的芯片,它会在总线开路、短路和空闲情况下,使接收器的输出为高电平。确保总线空闲、短路时接收器输出高电平是由改变接收器输入门限来实现的。例如,MAX3080~MAX3089输入灵敏度为-50mV/-200mV,即差分接收器输入电压UA-B-50mV时,接收器输出逻辑高电平;如果UA-B-200mV,则输出逻辑低电平。当接收器输入端总线短路或总线上所有发送器被禁止时,接收器输入端为0V,从而使接收器输出高电平。同理,SN75276的灵敏度为0mV/-300mV,因而达到故障保护的目的。

(2)若使用不带故障保护的芯片,如SN75176、MAX1487等时,可通过在总线上加上拉和下拉电阻的办法来避免总线悬空。

3.4 光电隔离

在某些工业控制领域,由于现场情况十分复杂,各个节点之间存在很高的共模电压。虽然RS-485接口采用的是差分传输方式,具有一定的抗共模干扰的能力,但当共模电压超过RS-485接收器的极限接收电压,即>+12V或<-7V时,接收器就再也无法正常工作了,严重时甚至会烧毁芯片和仪器设备。

解决此类问题的方法是通过DC-DC将系统电源和RS-485收发器的电源隔离;通过光耦将信号隔离,彻底消除共模电压的影响。实现此方案的途径可分为:

(1)用光耦、带隔离的DC-DC、RS-485芯片构筑电路;

(2)使用二次集成芯片,如PS1480、MAX1480等。

4 RS-232/RS-422/RS-485转换电路

在实际应用中,用户对串行通讯口的要求各种各样,因此,往往需要在RS-232、RS-422/RS-485接口之间来回转换,图41为一种RS-232/RS-422/RS-485转换电路。在进行RS-232CRS-422的转换时,将短路子X1,X2的3、4端短接;进行RS-232CRS-485的转换时,将短路子X1,X2的2、3端短接;进行RS-485-RS-422的转换时,将短路子X1,X2的1、2端短接。当进行组网时,网络的始端和终端必须并联终端电阻,通常终端电阻的阻值为120Ω。图中的R4、R15、R18即为终端电阻,需要时将短路子X6、X8、X9短接,则可做为网络的始端或终端,作为网络的中间设备时,这些电阻应断开。

在本电路中,关键解决了RS-485接口的数据方向控制,利用LMC555定时器实现的单稳态触发器可自动检测输出信号,并选通数据输出缓冲器,选通信号的宽度可根据传送波特率通过跨接X9,X11来实现,也可通过跨接X3来自动决定选通信号宽度。由于此电路的采用,省去了由微控制器输出的RTS信号,简化了系统设计。

 

 

 

5 结论

通过对RS-232、RS-422/RS-485接口电路的分析和研究,我厂生产的电站励磁装置已成功配置了RS-232、RS-422/RS-485串行通讯口,现场运行情况良好。

[参考文献]

1]李杏春等.8098单片机原理及实用接口技术[M].北京:北京航空航天大学出版社,1998.

2]杨兆选等.555定时器原理及实用电路集锦[M].天津:天津大学出版社,1989.

3]吕伟杰.新型双通道同步电动机微机励磁装置的研究与开发[C.天津:河北工业大学电气学院,2000.

智能PID控制综述

  沈永福,吴少军,邓方林

(第二炮兵工程学院控制工程系,陕西西安710025) 

 
  [ ] 传统的PID控制应用于复杂的实际系统时存在一定的局限性,而融合了先进智能控制思想和传统PID构成的智能PID控制器则具有良好的特性。文中介绍几种常见的智能PID控制器的构成方式,包括模糊PID、神经网络PID、专家PID控制及基于遗传算法的PID控制等,并分析了各自的特点。
    [关键词] PID控制器;智能控制;智能PID

1 引 言  
  PID控制具有结构简单、稳定性能好、可靠性高等优点,尤其适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统。在控制理论和技术飞速发展的今天,工业过程控制领域仍有近90%的回路在应用PID控制策略。PID控制中一个关键的问题便是PID参数的整定[1]。但是在实际的应用中,许多被控过程机理复杂,具有高度非线性、时变不确定性和纯滞后等特点。在噪声、负载扰动等因素的影响下,过程参数甚至模型结构均会随时间和工作环境的变化而变化。这就要求在PID控制中,不仅PID参数的整定不依赖于对象数学模型,并且PID参数能够在线调整,以满足实时控制的要求。智能控制(IntelligentControl)是一门新兴的理论和技术,它是传统控制发展的高级阶段,主要用来解决那些传统方法难以解决的控制对象参数在大范围变化的问题,其思想是解决PID参数在线调整问题的有效途径[2]
  近年来,智能控制无论是理论上还是应用技术上均得到了长足的发展,随之不断涌现将智能控制方法和常规PID控制方法融合在一起的新方法,形成了许多形式的智能PID控制器。它吸收了智能控制与常规PID控制两者的优点。首先,它具备自学习、自适应、自组织的能力,能够自动辨识被控过程参数、自动整定控制参数、能够适应被控过程参数的变化;其次,它又具有常规PID控制器结构简单、鲁棒性强、可靠性高、为现场工程设计人员所熟悉等特点。正是这两大优势,使得智能PID控制成为众多过程控制的一种较理想的控制装置。文中主要介绍几种智能PID控制器的常见构成形式,并分析各自的特点。
2 基于神经网络的PID控制器
2.1 单神经元PID控制器[3]
   
用单神经元实现自适应PID控制的结构框图如图2-1所示。图2-1中转换器的输入为设定值yr及输出y,转换器的输出为神经元学习控制所需要的状态量X1、X2、X3。神经元PID控制器的输出为

式中,K为神经元比例系数。
  在单神经元控制器中引入输出误差平方的二次型性能指标,通过修改神经元控制器的加权系数Wi,使性能指标趋于最小,从而实现自适应PID的最优控制。利用具有自学习和自适应能力的单神经元来构成单神经元自适应PID控制器,不但结构简单、学习算法物理意义明确、计算量小,且能适应环境变化,具有较强的鲁棒性。


2.2 神经网络PID控制器[4]
  在常规PID控制器的基础上,加入一个神经网络控制器,构成如图2—2所示的神经网络PID控制器[4]。此时神经网络控制器实际是一个前馈控制器,它建立的是被控对象的逆向模型。由图2—2容易看出,神经网络控制器通过向传统控制器的输出进行学习,在线调整自己,目标是使反馈误差e(t)或u1(t)趋近于零,从而使自己逐渐在控制作用中占据主导地位,以便最终取消反馈控制器的作用。但是以PID构成的反馈控制器一直存在,一旦系统出现干扰等,反馈控制器马上可以重新起作用。因此,采用这种前馈加反馈的智能控制方法,不仅可确保控制系统的稳定性和鲁棒性,而且可有效地提高系统的精度和自适应能力。

3 模糊PID控制器
3.1 模糊自适应PID控制器[5]
  模糊自适应PID(FAPID)控制系统如图3—1所示。FAC为模糊自适应控制器,与常规PID控制器一起组成FAPID控制器。FAPID控制器的设计分为独立的两步进行,简单方便。FAC的输出即为PID控制器的输入。PID参数若采用工程方法整定,可不需要被控对象模型。整定PID参数时,去掉FAC的作用。当在每个采样时刻获得了系统响应后,就可以根据此时刻系统响应偏离给定的情况及变化趋势,依据已有的系统控制知识,运用模糊控制方法,适当加大或减小控制力度,以控制响应朝偏离给定的方向变化,使输出尽快趋于稳定,可基于这种思路来设计FAC。模型规则表物理意义明确,实时计算工作量小,便于工程应用。事实上,由于模糊控制部分已隐含对误差的PD成分[6],所以在采用FAPID控制时,PID控制器中微分部分没有必要加入。与传统PID控制比较,FAPID控制大大提高了系统的鲁棒性,减小了超调量,提高了抗干扰能力,缩短了调节时间。

3.2 基于神经网络的模糊PID控制[7]
  将模糊控制具有的较强的逻辑推理功能、神经网络的自适应、自学习功能以及传统PID的优点融为一体,构成基于神经网络的模糊PID系统框图见图3—2所示。它包括4个部分:(1)传统PID控制部分:直接对控制对象形成闭环控制;(2)模糊量化模块:对系统的状态向量进行归档模糊量化和归一化处理;(3)辨识网络NNM:用于建立被控系统中的辨识模型;(4)控制网络NNC:根据系统的状态,调节PID控制的参数以达到某种性能指标最优,具体实现方法是使神经元的输出状态对应PID控制器的被调参数,通过自身权系数的调整,使其稳定状态对应某种最优控制规律下的PID控制参数。这种控制器对模型、环境具有较好的适应能力以及较强的鲁棒性,但是由于系统组成比较复杂,存在运算量大、收敛慢、成本较大的缺点。

4 专家PID控制器[8]  
  具有专家系统的自适应PID控制器结构如图4—1所示。它由参考模型、可调系统和专家系统组成。从原理上看,它是一种模型参考自适应控制系统。其中,参考模型由模型控制器和参考模型被控对象组成;可调系统由数字式PID控制器和实际被控对象组成。控制器的PID参数可以任意加以调整,当被控对象因环境原因而特性有所改变时,在原有控制器参数作用下,可调系统输出y(t)的响应波形将偏离理想的动态特性。这时,利用专家系统以一定的规律调整控制器的PID参数,使y(t)的动态特性恢复到理想状态。
  专家系统由知识库和推理机制两部分组成,它首先检测参考模型和可调系统输出波形特征参数差值即广义误差e。PID自整定的目标就是调整控制器PID参数矢量θC,使θ值逐步趋近于θm(即e值趋近于0)。 

 
  该系统由于采用闭环输出波形的模式识别方法来辨别被控对象的动态特性,不必加持续的激励信号,因而对系统造成的干扰小。另外,采用参考模型自适应原理,使得自整定过程可以根据参考模型输出波形特征值的差值来调整PID参数,这个过程物理概念清楚,并且避免了被控对象动态特性计算错误而带来的偏差。
5 基于遗传算法的PID控制  
  遗传算法(Genetic Algorithm,以下简称GA)是一种基于自然选择和基因遗传原理的迭代自适应概率性搜索算法。基本思想就是将待求解问题转换成由个体组成的演化群体和对该群体进行操作的一组遗传算子,包括3个基本操作:复制(reproduction)、交叉(crossover)、变异(mutation)。其基本流程如图5—1所示。基于遗传算法的PID具有以下特点:(1)把
时域指标同频域指标做了紧密结合,鲁棒性和时域性能都得到良好保证;(2)采用了新型自适应遗传算法,收敛速度和全局优化能力大大提高;(3)具有较强的直观性和适应性;(4)较为科学地解决了确定参数搜索空间的问题,克服了人为主观设定的盲目性[9]。  
  基于遗传算法的自适应PID控制的原理框图如图5—2所示,图中省略了遗传算法的具体操作过程。其思想就是将控制器参数构成基因型,将性能指标构成相应的适应度,便可利用遗传算法来整定控制  器的最佳参数,并且不要求系统是否为连续可微的,能否以显式表示。当遗传算法用于PID控制参数寻优时,其操作流程主要包括:(1)参数编码、种群初始化;(2)适应度函数的确定;(3)通过复制、交叉、变异等算子更新种群;(4)结束进化过程。



6 结束语  
  该文介绍了几种智能PID控制器,并给出了几种常见的构成形式。从文献来看,现代控制理论研究如火如荼,由于具有良好的性能,基于经典PID控制结合智能控制思想的智能PID控制器,由于具有良好的性能在实践中也得到了广泛的应用。

参考文献

[1] 王伟,张晶涛,柴天佑.PID参数先进整定方法综述[J].自动化学报,2000,26(3).
[2] 李人厚.智能控制理论和方法[M].西安:西安电子科技大学出版社,1999.
[3] 杜海树,等.神经智能PID控制算法应用[J].甘肃工业大学学报,1999,25(3).
[4] 赵望达,等.PID控制器及其智能化方法探讨[J].化工自动化及仪表,1999,26(6).
[5] 苏巍.模糊PID的研究[J].工业仪表与自动化装置,2001(2).
[6] 张恩勤,施颂椒,翁正新.模糊控制与PID控制方法的比较[J].上海交通大学学报,1999,33(4).
[7] 莫建林,朱承高.基于神经网络的模糊自适应PID控制及其实现[J].自动化技术与应用,1998,17(2).
[8] 罗安,路甬祥.专家PID控制器及应用[J].信息与控制,1992,21(3).
[9] 郑力新,周凯汀,王永初.PID进化设计法[J].仪器仪表学报,2001,22(4).

串行DA转换器MAX538接口技术及应用

胡卫华,王冬,谢起成,陈全世,田光宇

(清华大学,汽车安全与节能国家重点实验室,北京100084)

   [摘  要]介绍了MAXIM公司的串行DA转换器MAX538与单片机和PC的接口技术。主要内容包括:MAX538和单片机的接口设计要点及应用实例;基于PC并口和LabVIEW的串行通讯模拟软件;多通道模拟量同步调节的实现方案。

   [关键词MAX538;数模转换;单片机;并口;LabVIEW

 

    在后向通道中采用DA转换器是计算机实现对模拟量控制的常用方式,而串行DA转换器由于接口电路简单、易于远程操作以及体积小、功耗低等优点而广泛应用于便携式设备或分布式控制系统中。本文介绍串行DA转换芯片MAX538与单片机、PC机的接口技术及应用。

 

 

 

1MAX538简介

         MAX538MAXIM公司提供的单5V电源供电、内置输出缓冲的12位串行数模转换器,与MAX531MAX539为同一系列产品,其功能框图如图11MAX538输出电压范围为02.6V,具有上电复位和串行数据输出功能,便于构建菊花链式结构,其耗电仅140 μA,适合电池供电或便携式设备。

2MAX538接口与时序

         MAX538采用由片选、时钟和数据构成的三线制串行数据接口,与SPIQSPIMicrowire等多种串行通信标准兼容。芯片通过写入两个字节进行编程,先将包括4个无效位的高位字节写入移位寄存器的MSB,然后将低位字节写入寄存器LSB,其中无效位仅在芯片构成菊花链结构时需要。当片选信号CS为低时,在时钟上升沿数据被写入16位移位寄存器。当CS变高时,移位寄存器的低12位被转移到数模转换寄存器中,同时更新输出电压。MAX538的工作时序如图21,其时钟频率上限为14 MHz,移位寄存器数据更新速率高达877 kHz,但由于12位数模转换的建立时间为25 μs,这将MAX538满幅阶跃调节频率限制在40 kHz左右,而这一频率已经能够满足普通工业控制系统对执行器调节速度的要求。

 

 

 

3MAX538与单片机接口技术及应用

         MOTOROLAATMELMICROCHIP等主要单片机厂商提供具有串行外围接口SPI单片机,而

 

 

MAX538的数据接口和SPI兼容,这为它在单片机系统中的应用提供了方便。SPI接口采用时钟CLK、输出数据DO、输入数据DIN 3根信号线进行时钟同步与数据传输,可以工作在全双工通信模式,并由片选线CS实现多机通信或扩展多片SPI芯片,是一种高效的同步串行通信接口。当MAX538和具有SPI接口的单片机协同工作时,只需将对应信号线连接并正确设置单片机的相关寄存器,相应软件的编写工作简单。下面以MICROCHIP公司的PIC单片机为例对MAX538在单片机系统中的应用进行说明。

        PIC单片机由于效率高、功耗低、体积紧凑等优点在小规模或便携式控制系统中广泛应用,PIC16F873MAX538构建的电动汽车电池温度管理系统如图31所示。系统通过PIC16F873AD模块对电池组温度多点采样,根据当前温度和冷却要求确定风扇功率即斩波器的控制电压,然后将对应数据通过SPI接口传送至MAX538,由MAX538实现对斩波器的控制。其中,接口设计的关键是,PIC16F873SPI接口模块根据时钟极性和采样边沿的不同分为4种工作模式,而MAX538只能工作在时钟上升沿采样的模式,为实现两者的通信,需要正确设置PIC16F873的同步串行口状态寄存器SSPSTAT的时钟边沿选择位CKE和控制寄存器SSPCON的时钟极性选择位CKP。

4MAX538PC接口技术及应用

    对于以PC为主体的控制系统,在后向通道中采用串行DA转换器,可以方便的实现多个变量的远程调节。由于PC不提供支持SPIQSPI等串行通信协议的硬件接口,所以当需要由PC直接控制MAX538时,必须编写软件对上述串行通信协议进行模拟。下面利用PC并口LPT1LabVIEW软件平台,提供一种MAX538和计算机的接口实现方案。接口电路原理图如图41所示,使用LPT1的数据输出口0×378作为计算机和MAX538的通讯口,LPT1的数据输出位<02>分别作为MAX538的时钟SCLK、串行数据输入DIN和片选信号CS,协议实现步骤如下:

 

 

        (1)将对应12位分辨率的调节量转换为16位无符号整形数,并通过“数值/逻辑向量转换”函数将其转换为1×16的逻辑向量;

        (2)在数据输出口0×378写入0×04,将MAX538的片选信号CS1,等待数据或更新输出;

        (3)片选信号CS0,通过循环的方式将16位数据串行输出,每一位输出对应个“顺序”函数:函数的第一个顺序产生时钟的低电平,并在数据位DIN上输出对应二进制数值;第二个顺序产生时钟高电平,制造时钟上升沿,从而将串行数据输入MAX538的移位寄存器;

        (4)循环结束后,根据控制要求,0×378顺序写入0×000×04,或跳转第1步,使MAX538的片CS1,将12位调节量从移位寄存器输入到DAC寄存器,对输出电压进行更新;软件原理框图及主要函数如图42所示。

 

 

    在硬件配置为P350128RAM的计算机上,通过串行通信协议模拟软件,最高可以实现15 kHz的调节速率,这已经与MAX53840kHz的转换速率比较接近。由于Windows定时中断等运行机制的存在,模拟通信协议在时间上的准确性难以保证,如果对调节频率和时间准确性有更高的要求,可以通过采用高速增强并口EPP协议并开发虚拟设备驱动程序来实现。

     事实上,通过并口可以容易的实现多通道模拟量的同步调节:LPT1数据输出端口0×378的第0>位仍作为时钟信号,<17>位分别对应7MAX538的串行数据输入信号,而片选信号LPT1控制端口0×37A的第<0>位充当,这样可以实现7组模拟量的同步调节。这种低成本高效率的后向通道技术在我们开发的混合动力车硬件在环仿真系统中取得了良好的应用效果。

 

[参考文献]

1MAXIM Inc.New Releases Data Book[M].2000

[2]Microchip Inc.28/40pin 8Bit CMOS FLASH MicrocontrollersM].1998.

[3]张利.PC机打印口的原理及应用[M].北京:北京清华大学出版社,1996.

[4]何立民.单片机应用技术选编(5)[M].北京:北京航空航天大学出版社,1998