三、軟件系統(tǒng)總體設(shè)計

　　1、軟件程序結(jié)構(gòu)

　　在深入學(xué)習(xí)STM32編程、PID控制算法、組態(tài)王軟件的基礎(chǔ)上進(jìn)行溫度控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計。軟件設(shè)計主要包括溫度數(shù)據(jù)的采集變換、PID算法的設(shè)計、PWM輸出信號控制以及觸摸屏顯示設(shè)計、上位機(jī)監(jiān)控畫面的設(shè)計。上位機(jī)監(jiān)控畫面的設(shè)計主要包括設(shè)計監(jiān)控主畫面、設(shè)計報警畫面等。整個程序系統(tǒng)主要有主控程序、初始化程序、溫度設(shè)定程序、PID設(shè)置程序、溫度采集程序、溫度顯示程序、PID控制算法程序、PWM控制信號輸出程序和串口通信程序組成，其結(jié)構(gòu)如圖14所示。 3.2.2 主程序設(shè)計

　　主程序是整個軟件系統(tǒng)的主干，處在程序的最頂一層，引導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)入正常的工作狀態(tài)，并且協(xié)調(diào)著各個程序塊之間的調(diào)用關(guān)系，使硬件系統(tǒng)能正常的工作以完成溫度控制系統(tǒng)任務(wù)，其流程如圖15所示。 3.2.3 初始化程序設(shè)計

　　系統(tǒng)初始化程序在系統(tǒng)上電啟動或者復(fù)位時，對溫度控制器的硬件和軟件進(jìn)行初始化，完成系統(tǒng)的配置工作，初始化程序主要包括：顯示屏初始化、系統(tǒng)時鐘初始化、I/O 端口的配置、定時器初始化。

　　2、溫度采集程序設(shè)計

　　溫度檢測電路是由PT100溫度傳感器和模擬量前向通道組成的，溫度的檢測由二者直接完成。利用溫度檢測電路得到溫度變化對應(yīng)的模擬電壓信號，該信號直接由STM32進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，由于轉(zhuǎn)化的數(shù)值與實際的溫度值之間不是線性關(guān)系，要用DS18B20采集對應(yīng)溫度值，該溫度值用來校驗當(dāng)前溫度是否正確，并用此溫度值對應(yīng)前向通道輸出的模擬電壓值以擬合數(shù)值與溫度值的曲線，得到他們之間的函數(shù)關(guān)系，本次擬合曲線如圖16所示。

　　曲線直線化是曲線擬合的重要手段之一。對于某些非線性的資料可以通過簡單的變量變換使之直線化，這樣就可以按最小二乘法原理求出變換后變量的直線方程，在實際工作中常利用此直線方程繪制資料的標(biāo)準(zhǔn)工作曲線，同時根據(jù)需要可將此直線方程還原為曲線方程，實現(xiàn)對資料的曲線擬合。最終經(jīng)MATLAB得到曲線公式如公式（3）所示。

　　溫度采集相關(guān)的程序核心代碼如下所示：

　　void filter（void） //模擬量前向通道溫度采集

　　{

　　int sum = 0;

　　u8 count，i;

　　for（i=0;i《12;i++）

　　{

　　for（count=0;count《Sampling_Number;count++）

　　{

　　sum += Conv_AD_Value［count］［i］;

　　}

　　After_filter［i］=sum/Sampling_Number;

　　sum=0;

　　}

　　}

　　此程序用來獲取當(dāng)前溫度對應(yīng)的模擬量信號，并將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字量信號，經(jīng)由擬合公式計算出對應(yīng)的溫度值。

　　3、位置式PID控制算法設(shè)計

　　工業(yè)生產(chǎn)過程中，對于生產(chǎn)裝置的溫度、壓力、流量、液位等工藝變量常常要求維持在一定的數(shù)值上，或按一定的規(guī)律變化，以滿足生產(chǎn)工藝的要求。PID控制算法的原理是對整個控制系統(tǒng)進(jìn)行按偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而使被控量的實際值與工藝要求的預(yù)定值一致。因為PID控制算法具有：技術(shù)成熟、容易被人們熟悉和掌握、不需要建立數(shù)學(xué)模型、控制效果好、魯棒性等優(yōu)點，所以PID控制算法成為應(yīng)用最廣泛的控制算法。

　　單片機(jī)控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時刻的偏差值計算控制量。因此連續(xù)PID控制算法不能直接使用，需要采用離散化方法。由于工業(yè)生產(chǎn)過程大多數(shù)是緩慢變化的過程，因此只要控制機(jī)的采樣周期T取得足夠短，斷續(xù)控制形式就趨于連續(xù)控制形式。數(shù)字PID控制算法又分增量式PID控制算法和位置式PID控制算法，由于位置式PID控制算法控制精度比較高，而增量式PID控制算法有：積分截斷效應(yīng)大、有靜態(tài)誤差、溢出的影響大等缺點，所以本設(shè)計選用的控制算法是位置式PID控制算法。

　　位置式PID控制算式如公式（4）所示。

　　PID控制算法的參數(shù)整定與采樣周期的選取

　　PID控制算法參數(shù)整定的方法很多，概括起來有如下兩大類：

　　（1）理論計算整定法。它主要依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過理論計算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計算數(shù)據(jù)未必可以直接使用，還必須通過工程實際進(jìn)行調(diào)整和修改。

　?。?）工程整定法。它主要依賴于工程經(jīng)驗，直接在控制系統(tǒng)的試驗中進(jìn)行，且方法簡單、易于掌握，在工程實際中被廣泛采用。PID控制算法參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線法和衰減法。這三種方法各有其特點，其共同點都是通過試驗，然后按照工程經(jīng)驗公式對控制器參數(shù)進(jìn)行整定。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需要在實際運行中進(jìn)行最后的調(diào)整與完善。

　　本文采用經(jīng)驗法整定PID控制算法參數(shù)，下面具體說明經(jīng)驗法的整定步驟：

　?。?）讓調(diào)節(jié)器參數(shù)的積分系數(shù)I=0，微分系數(shù)D=0，控制系統(tǒng)投入閉環(huán)運行，由小到大改變比例系數(shù)P，讓擾動信號作階躍變化，觀察控制過程，直到獲得滿意的控制過程為止。

　　（2）取比例系數(shù)P為當(dāng)前的值乘以0.83，由小到大增加積分系數(shù)I，同樣讓擾動信號作階躍變化，直至得到滿意的控制過程。

　?。?）積分系數(shù)I保持不變，改變比例系數(shù)P，觀察控制過程有無改善，如有改善則繼續(xù)調(diào)整，直到滿意為止。否則，將原比例系數(shù)P增大一些，再調(diào)整積分系數(shù)I，力求改善控制過程。如此反復(fù)試湊，直到找到滿意的比例系數(shù)P和積分系數(shù)I為止。

　?。?）引入適當(dāng)?shù)奈⒎窒禂?shù)D，此時可適當(dāng)增大比例系數(shù)P和積分系數(shù)I。和前述步驟相同，微分系數(shù)的整定也需反復(fù)調(diào)整，直到控制過程滿意為止。

　　經(jīng)驗法簡單可靠，但需要有一定的現(xiàn)場運行經(jīng)驗，整定時易帶有主觀片面性。當(dāng)采用PID控制算法時，由于有多個整定參數(shù)，反復(fù)試湊的次數(shù)增多，因此增加了得到最佳整定參數(shù)的難度。

　　需要注意的是：本設(shè)計所用到PID控制算法的參數(shù)與的工業(yè)上PID控制算法的參數(shù)有所不同，工業(yè)中由于對象的體積大、容量大、控制室距離現(xiàn)場較遠(yuǎn)等因素，所以其PID控制算法的參數(shù)普遍比本設(shè)計的大。書上、參考資料上的的PID控制算法的參數(shù)多數(shù)都是從工業(yè)生產(chǎn)過程中得來的，因此此經(jīng)驗數(shù)據(jù)不適應(yīng)作本設(shè)計PID控制算法的參數(shù)。

　　采樣周期的選取，按一定的時間間隔T，把時間上連續(xù)和幅值上也連續(xù)的信號，轉(zhuǎn)變成在時刻0、T2、…、kT的一連串脈沖輸出信號的過程稱為采樣過程。執(zhí)行采樣動作的開關(guān)S稱為采樣開關(guān)或采樣器采樣后的脈沖序列??ty*稱為采樣信號，采樣器的輸入信號??ty稱為原始信號，采樣開關(guān)每次通斷的時間間隔T稱為采樣周期。采樣信號??ty在時間上是離散的，但在幅值上仍是連續(xù)的，所以采樣信號是一個離散的模擬信號。信號采樣過程如圖18所示。

　　從信號的采樣過程可知，經(jīng)過采樣不是取全部時間上的信號值，而是取某些時間上的值。這樣處理會不會造成信號丟失呢？香農(nóng)采樣定理指出：如果模擬信號（包括干擾在內(nèi)）頻譜最高頻率為maxf，只要按照采樣頻率max2ff?進(jìn)行采樣，那么采樣信號??ty*就能惟一的復(fù)觀??ty。采樣定理給出了??ty*能惟一的復(fù)觀??ty所必需的最低采樣頻率。實際應(yīng)用中，常取??max105ff??，甚至更高。

　　4、采樣周期的確定需要注意以下事項：

　?。?）從執(zhí)行機(jī)構(gòu)的特性要求來看，有時需要輸出信號保持一定的寬度。采樣周期必須大于這一時間。

　　（2）從控制系統(tǒng)的隨動和抗干擾的性能來看，要求采樣周期短些。

　　（3）從單片機(jī)的工作量和每個調(diào)節(jié)回路的計算來看，一般要求采樣周期大些。

　　（4）從單片機(jī)的精度看，過短的采樣周期是不合適的。

　　經(jīng)過多次調(diào)試設(shè)置，采樣周期T選為1s采樣效果最好，且信號采樣不失真。

　　5、 PWM輸出程序設(shè)計

　　脈沖寬度調(diào)制（PWM），是英文“Pulse Width Modulation”的縮寫，簡稱脈寬調(diào)制，是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中［14］。PWM控制技術(shù)以其控制簡單，靈活和動態(tài)響應(yīng)好的優(yōu)點而成為電力電子技術(shù)最廣泛應(yīng)用的控制方式。

　　通過單片機(jī)輸出的PWM信號控制固態(tài)繼電器的通斷，通過改變一定時間內(nèi)通過的交流波頭數(shù)實現(xiàn)對電加熱水器內(nèi)水溫的控制，我國公共電力網(wǎng)的頻率均為50HZ，周期也就是0.02秒，設(shè)置 PWM 信號的輸出周期為4秒，即STM32單片機(jī)以0.25Hz的頻率輸出PWM，改變PWM的占空比，在4秒的周期內(nèi)，當(dāng)PID算法的控制量大于100時，通過交流電源的最大周期波數(shù)是100，當(dāng) PID 算法的控制量小于0時，最小周期波數(shù)是0，當(dāng)控制量在0~100之間時，就按比例換算進(jìn)行確定PWM輸出信號的占空比。STM32單片機(jī)具有多個定時器/計數(shù)器，每個定時器/計數(shù)器都可以獨立的輸出PWM信號，本設(shè)計采用單片機(jī)的TIM3定時器/計數(shù)器在PB5 引腳輸出PWM，PWM輸出流程如圖19所示。

　　四、上位機(jī)監(jiān)控界面設(shè)計

　　1、上位機(jī)監(jiān)控軟件的選取

　　組態(tài)王（Kingview）由北京亞控自動化軟件有限公司開發(fā)的，該軟件由中國科技大學(xué)學(xué)士、清華大學(xué)碩士林偉總設(shè)計，經(jīng)數(shù)十位工程師歷時五年開發(fā)成功，是最優(yōu)秀的國產(chǎn)組態(tài)軟件，居全國同類軟件產(chǎn)銷量第一。組態(tài)王是一個具有易用性、開放性和集成能力的通用組態(tài)軟件。應(yīng)用組態(tài)王可以使工程師把精力放在控制對象上，而不是形形色色的通信協(xié)議、復(fù)雜的圖形處理、枯燥的數(shù)字統(tǒng)計。只需要進(jìn)行填表操作，即可生成適合于用戶的監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)?？梢栽谡麄€生產(chǎn)企業(yè)內(nèi)部將各種系統(tǒng)和應(yīng)用集成在一起，實現(xiàn)“廠際自動化”的最終目標(biāo)。組態(tài)王開發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)軟件是新型的工業(yè)自動控制系統(tǒng)正以標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)計算機(jī)軟、硬件平臺構(gòu)成的集成系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的封閉式系統(tǒng)，具有適應(yīng)性強(qiáng)、開放性好、易于擴(kuò)展、經(jīng)濟(jì)、開發(fā)周期短等優(yōu)點。組態(tài)軟件以其可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、界面簡單、功能強(qiáng)大、性價比高等顯著特點廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)的自動控制之中。

　　2、 組態(tài)王軟件組態(tài)監(jiān)控界面設(shè)計

　　使用組態(tài)王實現(xiàn)控制系統(tǒng)實驗仿真的基本方法：

　?。?）圖形界面的設(shè)計；

　?。?）構(gòu)造數(shù)據(jù)庫；

　?。?）建立動畫連接；

　?。?）運行和調(diào)試。

　　根據(jù)以上控制方案的確定，本次設(shè)計組態(tài)王監(jiān)控界面如圖20所示

　　定義數(shù)據(jù)變量見表2。

　　選擇設(shè)備的相關(guān)配置如下：

　　設(shè)備名稱：通用單片機(jī)ASCII；

　　通信描述：串口；

　　邏輯名稱：STM32；

　　選擇串口號：COM4；

　　設(shè)備地址：1.0。

　　動態(tài)連接，參數(shù)動態(tài)連接設(shè)置見表3。

　　3、報警和事件窗口設(shè)計

　　運行報警時間記錄是監(jiān)控軟件必不可少的功能，“組態(tài)王”提供了強(qiáng)有力的支持和簡單的控制運行報警和時間記錄方法。

　　組態(tài)王中的報警和事件主要包括變量報警事件、操作事件、用戶登陸事件和工作站事件。通過這些報警和事件，用戶可以方便地記錄和查看系統(tǒng)的報警、操作和各個工作站的運行情況。當(dāng)報警和事件發(fā)生時，在報警窗中會按照設(shè)置的過濾條件實時的顯示出來［16］。定義報警組，本次建立報警畫面如圖21所示。

　　五、系統(tǒng)的運行結(jié)果及問題分析

　　1、運行結(jié)果及分析

　　經(jīng)過多次的參數(shù)設(shè)置的調(diào)試，對比各組設(shè)置參數(shù)的調(diào)節(jié)效果得出：當(dāng)程序中PID設(shè)置參數(shù)如表4所示參數(shù)時控制效果最好。

　　總結(jié)：本系統(tǒng)的控制核心算法是PID控制算法，難點是PID參數(shù)整定。圖22為系統(tǒng)運行曲線的初始溫度50℃，設(shè)定溫度60℃時的結(jié)果，經(jīng)過9分鐘的調(diào)節(jié)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定，實際溫度達(dá)到設(shè)定溫度，穩(wěn)態(tài)誤差為0.4℃，超調(diào)量幾乎為零。本設(shè)計中溫度能達(dá)到設(shè)定溫度，而且超調(diào)量較小，穩(wěn)態(tài)效果很好。

　　2、出現(xiàn)的問題及解決方法

　　在長達(dá)十六周的畢業(yè)設(shè)計中，自己碰到了不少問題。曾經(jīng)，為了解決這些問題也花費了較多的時間。當(dāng)然，這也使自己對實際工程中所遇到或者可能遇到的問題有了個提前認(rèn)知。

　?。?）上位機(jī)采集不到現(xiàn)場的數(shù)據(jù)

　　解決方法：原因是溫度傳感器與模擬量前向通道接線有錯誤、松動，串口使用的通道設(shè)置錯誤，在利用組態(tài)王軟件進(jìn)行I/O設(shè)備組態(tài)的時候應(yīng)選設(shè)備名稱通用單片機(jī)ASCII。

　　（2）上位機(jī)的輸出控制信號控制不了電加熱水器

　　解決方法：上位機(jī)組態(tài)軟件中查看數(shù)字量輸出通道的設(shè)置與當(dāng)前連線的通道不一致。

? ? ? ? （3）系統(tǒng)穩(wěn)定后誤差比較大

　　解決方法：誤差產(chǎn)生的原因有：溫度對象是大慣性對象、單片機(jī)控制信號從發(fā)出到固態(tài)繼電器的吸合，再到加熱絲停止加熱，這過程中存在時間誤差、硬件靈敏度不夠精確等問題。