CK系列冲孔桩基自动控制系统的软件设计毕业设计论文

11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：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080307161.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：①查阅国内外相关文献，了解系统的工作原理；②进行系统方案设计、硬件设计；③进行软件程序的设计；④进行系统调试，验证系统的功能；⑤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①实验（时数）*或实习（天数）：不少于200学时②图纸（幅面和张数）*：2张③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

CKSeriesBluntBoreStaketheMachineAutomaticallyControlSystemoftheSoftwareDesignAbstractCKseriesbluntborestakemachineautocontrolsystemoftheresearchinvolvedanautomaticcontrolandartificialintelligence,informationfusion,spreadthecontentsoffeelingDuodooracademicses,suchasmachineandcalculatorscience...etc.,theresearchconcerningthetopicisoneoftheonthegoresearchrealmsatpresent.ThisdesignwithflytothinktheCarlsemi-conductorcompanyproducesoftheMC9S12XS128listslicemachineisacore,carryoneachpartofsystemfirstofthebeginningstarttoturn,thencarryonaparameterallocationtoinclude:Thekeyboard,LCDshows,I2Cetc.isafewmoldpieces.Driveapileamachinebeginningtocirculateaftercompleting,theelectricalengineeringdrivescontrolstoputonbrakesandleavetomatchoflooseandtight,attainarise,decliningofcontrolstakehammer,thusagainandagaincometocarryoutapilingfunctionofmachine.Themaincompletionfunctionhas:Stakehammerheightfromcheck,brakewithleavetomatchthedesignofcontrolingthesystem,electricalengineeringcontrolsystem,keyboardandshowelectriccircuit...etc..ThissoftwarethatdesignseachmoldpieceweavesadistancetomainlyadoptClanguagetowriteprocedureandwellmakeuseofbreakofftoadjusttotryprocedure,therealizationdrivesapilemachineofautomaticcontrolfunction.KeyWords:AutomaticControl;TheParameterInstalls;HeightFromCheck目录1绪论 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 102CK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 153PID控制 163.1数字PID控制原理 163.1.1PID控制的原理及特点 173.1.2PID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 244.1CodeWarrior集成开发环境 244.1.1CodeWarrior软件的基本特性 244.1.2CodeWarrior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 284.3.2PWM初始化 304.3.3I/O初始化 314.3.4ECT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 424.6.3PID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、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。

2CK系列冲孔桩机系统结构分析2CK系列冲孔桩机系统结构分析2.1系统硬件简介硬件核心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，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AC～DC（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。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。3PID控制3PID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。3.1.1PID控制的原理及特点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)被控系统比例环节积分环节++积分环节微分环节+微分环节测量装置测量装置图3.1PID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。3.1.2PID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：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，\l"2#2"通常依据控制器输出与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控制量的增量Δu(k)。采用增量式算法时，计算机输出的控制量Δu(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a.基本思想一旦控制变量进入饱和区，将只执行削弱积分项的运算而停止进行增大积分项的运算。具体地说，在计算u（k）时，将判断上一时刻的控制量u（k）是否已超出限制范围，如果已超出，那么将根据偏差的符号，判断系统输出是否在超调区域，由此决定是否将相应偏差计入积分项。b.算法流程图遇限削弱积分算法流程图如图3.3所示。开始开始计算偏差e(n)计算偏差e(n)计算比例及微分项计算比例及微分项u(k-1)u(k-1)≥Yu(k-1)≤Nu(k-1)≤Ye(k)>0e(k)>0NNe(k)>0e(k)>0计算积分项YY计算积分项计算控制量u(k)计算控制量u(k)返回返回图3.3遇限削弱积分算法流程图3.3.2积分分离PID控制算法积分分离法:减小积分饱和的关键在于不能使积分项累积过大。上面的修正方法是一开始就积分，但进入限制范围后即停止累积。这里介绍的积分分离法正好与其相反，它在开始时不进行积分，直到偏差达到一定的阀值后才进行积分累计。这样，一方面防止了一开始有过大的控制量，另一方面即使进入饱和后，因积分累积小，也能较快退出，减少了超调。采用积分分离法的PID位置算法流程图如图所示。系统输出在门限外时，该算法相当于PD调节器。只有在门限范围内，积分部分才起作用，以消除系统静差。图3.4为积分分离PID算法流程图。开始开始计算e(k)=r(k)-c(t)计算e(k)=r(k)-c(t)计算比例和微分项计算比例和微分项丨e(k)丨≤丨e(k)丨≤εY计算积分项计算积分项各项求和计算各项求和计算计算控制量u(k)计算控制量u(k)返回返回图3.4积分分离PID算法流程图3.3.3微分先行PID算法出发点：避免因给定值变化给控制系统带来超调量过大、调节阀动作剧烈的冲击。特点：只对测量值(被控量)进行微分,而不对偏差微分,也即对给定值无微分作用。R(s)U(s)Y(s)3.5微分先行的PID控制方框图3.3.4带死区的PID调节器基本思想：一旦计算出的控制量u(k)进入饱和区,一方面对控制量输出值限幅；另一方面增加判别程序,算法中只执行削弱积分饱和项的积分运算,而停止增大积分饱和项的运算。在控制精度要求不高的场合，能减少由于频繁动作引起的振荡和能量消耗。控制算式和传递特性图分别为：图3.6带有死区的PID控制特性在控制精度要求不高、控制过程要求平稳的测控系统中，为了避免控制动作过于频繁，消除由此引起的振荡，可以人为的设置一个不灵敏区B，即带死区的PID控制。只有不在死区范围内时，才按PID算式计算控制量。4系统软件设计与实现4系统软件设计与实现系统设计的目标在于建立一个完整的CK系列冲孔桩机自动控制系统，利用程序控制系统运行，在保证实现逻辑模型的基础上，尽可能提高系统的各项指标。通过软件系统确保系统的稳定性，当需要改变操作等问题的时不需要变化硬件，只要修改系统程序即可实现。软件开发应按软件工程进行，按照软件生命周期把软件开发进程分为六个阶段:系统分析(analysis)、系统设计(design)、编码(implementation)、模块测试、系统测试、软件运行。1、系统分析:分析阶段定义了系统的预期行为；2、设计阶段:设计阶段决定了通过交互对象的实时特性如何实现系统操作；3、编码阶段:应用面向对象的语言编制软件；4、模块测试:测试所开发软件的每一个模块是否满足设计的要求；5、系统测试:测试所开发软件系统是否满足规格说明的要求；6、软件运行:软件在实际应用环境中应用。4.1CodeWarrior集成开发环境本课题软件程序在CodeWarrior环境下编写采用CodeWarriorIDE，开发人员可以得益于采用各种处理器和平台（从Motorola到TI到Intel）间的通用功能性。CodeWarrior编译器和调试器在商用嵌入式软件开发工具的使用率方面排名第一。CodeWarrior是经过Palm公司正式认可的开发平台。基于Macintosh的CodeWarrior是最早的Palm开发平台。它利用了Macintosh的代码编辑器和编译器。由于Macintosh计算机使用的处理器芯片和Palm掌上设备的中央处理器芯片都是Motorola公司出品的，因此，它们具有相近的处理器指令体系，这一点也影响到了目前的各种Palm掌上设备的开发平台。4.1.1CodeWarrior软件的基本特性CodeWarrior包括构建平台和应用所必需的所有主要工具-IDE、编译器、调试器、编辑器、链接器、汇编程序等。另外，CodeWarriorIDE支持开发人员插入他们所喜爱的工具，使他们可以自由地以希望的方式工作。CodeWarrior开发工作室将尖端的调试技术与健全开发环境的简易性结合在一起，将C/C++源级别调试和嵌入式应用开发带入新的水平。开发工作室提供高度可视且自动化的框架，可以加速甚至是最复杂应用的开发，因此对于各种水平的开发人员来说，创建应用都是简单而便捷的。它是一个单一的开发环境，在所有所支持的工作站和个人电脑之间保持一致。在每个所支持的平台上，性能及使用均是相同的。无需担心主机至主机的不兼容。CodeWarrior开发工作室包括完成大多数嵌入式开发项目所需的所有工具。4.1.2CodeWarrior软件的主要功能CodeWarrior集成开发环境（IDE）是CodeWarrior系列嵌入式的基本软件开发环境。所有软件开发任务都可以在CodeWarriorIDE下完成，包括编辑、编译和调试。CodeWarriorIDE提供了一个统一的开发平台，用于所有CodeWarrior处理器系统。CodeWarriorIDE为软件开发提供的主要功能如下:工程管理器：为软件开发人员处理最高级别的文件管理；按照主要组别组织项目条目；追踪状态信息（例如文件修改日期）；确定每个构建中特定文件的构建顺序及内容；协调插件程序以提供箱版本控制和RTOS支持这样的业务。文本编辑器：支持源代码和其他文本文件的创建和处理。与其他的IDE功能完全集成。源浏览器：保存用于程序的符号数据库；包括变量及功能的名称和值的符号的举例；使用符号数据库协助代码浏览；将每个符号与此符号相关代码的其他位置链接；处理目标导向和程序语言。构建系统：使用编译器从源代码生成可重新定位的目标代码，并使用链接器从目标码生成最后的可执行图像。CodeWarriorC/C++*编译器工具包括业内领先的C/C++*语言CodeWarrior编译器，包括标准模板库（STL）及各种其他工具。源级别调试器：提供高性能窗口的源级别调试器，配备最新的高效率增强型图形性能，缩短板的bring-up和应用开发时间；使用符号数据库，提供源级别调试；支持符号格式，例如CodeView、DebugWithArbitraryRecordsFormat（DWARF）和STABS。4.2系统的软件设计总体介绍本系统的软件流程分别为系统初始化模块、参数配置模块、运行模块、故障分析等几个部分。系统上电后完成分别对液晶屏、传感器、键盘、DS1302、AT24C512、单片机内部相关寄存器及I/O管脚进行初始化。系统初始化成功后，则进入正常的工作状态。开始初始化开始初始化参数配置运行是否有故障?故障处理NY4.1主程序流程图主程序部分程序如下：voidmain(void){init_all();EnableInterrupts;while(1){MENU_main();//test_key();}}voidinit_all(void){XS128_init();InitTimerA();MyDoc_init();init_lcd();init_key();init_speaker();test_current_init();sensor_init();init_menu();init_1302();init_output();fnSpeaker(2);}本打桩机自动控制系统主程序流程由图4.1组成。软件系统要运行必先初始化，即初始化模块是整个系统运行的基础。本论文在下面编写了系统初始化模块。4.3系统初始化模块系统初始化工作主要完成系统全局变量初始值的设置、时钟设置、PWM周期设置、I/O初始化设置、ECT初始化设置等。只有进行了正确的初始化工作，才能使系统正常工作，并发挥其最大的性能，才能使各模块之间协调工作。系统初始化流程图如图4.2所示。开始开始系统初始化系统时钟初始化系统初始化系统时钟初始化I/O口初始化串口通信初始化PWM初始化输入捕捉中断初始化实时中断初始化键盘初始化高度预置返回4.2系统初始化流程图4.3.1系统时钟初始化系统时钟初始化直接关系到MC9S12XS128单片机工作的总线频率，对于整个系统的性能来说尤为重要。本设计采用DALLAS公司推出的涓流充电时钟芯片DS1302,它内含有一个实时时钟/日历和31字节静态RAM通过简单的串行借口与单片机进行通信，DS1302与单片机之间使用SPI总线，简单地采用同步串行的方式进行通信仅需用到三个总线。DS1302芯片作为系统的时钟芯片，其时钟信号SCLK接单片机PM5管脚，数据线I/O接单片机PM6，复位端RST接单片机PM7管脚。引脚如图4.3所示。图4.3DS1302芯片时钟初始化程序如下：voidinit_1302(void){unsignedcharCrtl_1302=0;//1302初始化控制//端口配置DDRM_DDRM5=1;DDRM_DDRM6=1;DDRM_DDRM7=1;PTM_PTM5=0;PTM_PTM6=0;PTM_PTM7=0;//系统上电1302是否初始化控制Crtl_1302=Read1302(SECOND);if((Crtl_1302&0x80)==0x80){Write1302(WRITE_PROTECT,0x00);//禁止写保护Write1302(WRITE_SECOND,0xc0);Write1302(WRITE_MINUTE,0x11);Write1302(WRITE_HOUR,0x00);Write1302(WRITE_DATA,0x10);Write1302(WRITE_MONTH,0x10);Write1302(WRITE_DAY,0x01);Write1302(WRITE_YEAR,0x11);Write1302(WRITE_SECOND,0x40);Write1302(WRITE_PROTECT,0x80);//允许写保护}}//============================================================voidSDA_1302_in(void){DDRM_DDRM6=0;//SDA输入} voidSDA_1302_out(void){DDRM_DDRM6=1;//SDA输出}4.3.2PWM初始化PWM(PulseWidthModulation)即脉冲宽度调制，它是一种通过改变脉冲输出的宽度实现控制的方法。PWM信号既可以通过硬件的模拟法来实现，也可以通过软件的编程法来实现。硬件的模拟法利用的是运算放大器的比较输出，而软件一般是基于单片机的，其方法主要是借助于系统内部的定时器。如果系统的控制信号可以对定时器的初值进行设定，就可以改变脉冲的输出时间，即实现了对PWM脉宽的控制。PWM通过单片机软件编程实现的前提是该单片机的内部具有定时器。其实现的步骤如下:首先要给定脉冲的周期T，假定控制信号的变化范围为0-V，则可以将其范围内的任一点按比例映射为周期T上某一时刻，由此求出正负脉冲的持续时间;将这两个时间赋值给定时器;定时器在获取赋值后执行+1运算直到产生溢出中断;进入中断响应后执行中断服务程序，控制单片机的某一管脚输出相应的脉冲。系统不断的重复这一过程，单片机的引脚也就不停的输出PWM方波信号。显然，此方波信号是随着控制信号量的变化而变化的。该设计中直流电机采用PWM方式控制。MC9S12XS128本身集成有专用PWM调制口，使用过程简洁方便，只要针对专用PWM初始化使用中就可根据用户要求产生不同的调制波。其特点如下:a.8个带周期占空比可程控的PWM独立通道b.4个可程控选择的时钟源c.每个PWM通道有专用的计数器d.PWM每个通道脉冲极性可以选择e.每个PWM通道可使能/禁止f.周期和占空比双缓冲g.每个通道有中心对齐和边缘对齐方式h.分辨率:8位(8通道)，16位(4通道)i.带中断功能的紧急切断其初始化程序如下:DDRP=0xff;PWME=0X00;PWMPRCLK=0x01;//A口2分频PWMCLK=0xcf;//通道23,67选择SB位时钟源通道01选择SA为时钟源PWMPOL=0x0f;//通道0123输出波形开始极性为1PWMCTL=0xf0;//通道01,23,45,67级联PWMSCLA=0x02;//SB为3MHz（24/(2*4)）//SA提供10KHz的频24MHZ/2/2/30=2MHZPWMSCLB=0x04;//通道23时钟SB为3MHZ(24/(2*4))PWMPER01=6000;//设定通道01输出频率(50Hz)PWMPER23=600;//设定通道23输出频率(50HZ)PWMPER67=600;//设定通道67输出频率(50HZ)4.3.3I/O初始化MC9SXS128单片机有专用的I/O口功能设置寄存器，通过对该寄存器的设置，可以将I/O口初始化为通用I/O口或者专用I/O口。I/O初始化设置如下：DDRB_BIT1=1;DDRB_BIT0=0;DDRA=0XFF;PORTA=0XFF;PORTB_BIT1=1;PIEJ_PIEJ7=0;DDRS=0X00;PERS=0XFF;PPSS=0XFF;4.3.4ECT模块初始化EnhancedCaptureTimerModule模块即增强型捕捉定时器模块，它是在标准定时器模块的基础上增加了脉宽测量和脉冲发生功能，能够实现输出比较两大和输入捕捉功能。在本论文中，当桩机工作时，编码器跟着旋转，产生脉冲信号，送给微控制器的ECT模块，ECT模块捕捉脉冲信号并对其进行计数。本设计中速度检测采用定时中断查询的方式，其流程图如图4.4所示。编码器初始化编码器初始化脉冲捕捉计数脉冲捕捉计数定时2.5定时2.5ms读取脉冲数读取脉冲数ECTECT寄存器清零返回返回图4.4ECT初始化流程图其中ECT模块初始化程序可表示为:TIOS=0X00;//设置为输入捕捉TCTL4=0x09;//设置PT1为场捕捉，下降沿，PT0为行捕捉，上升沿TSCR1=0x80;//定时器正常工作TIE1=0x03;//允许PTI,PTO中断4.4人机交互模块人机交互参数配置主要包括：键盘、液晶显示器、I2C存储器等几个模块。4.4.1键盘设计常规的人机操作为键盘输入、处理和显示。其过程是顺序执行过程，本设计将其转换成并行实现过程。即键盘输入、处理、显示程序无需顺序书写。设编写键处理程序为A，数据处理程序为B，显示程序为C。A，B，C的关系是执行A，再执行B，再执行C的循环，A，B，C之间的相关关系是不可拆分的。如果要使其相对对立，就得以实现以下6种组合关系即A→B→C；A→C→B；B→A→C；B→C→A；C→A→B;C→B→A。无论键盘采用哪种组织形式及读键方式，其主要的操作步骤如下：a.读键：判断是否有键按下。b.键值判断：在确认有键按下以后，进一步识别出是哪一个按键。c.执行子程序：根据识别结果，执行相应子程序。本系统中采用矩阵式键盘，其行线分别为PK0~PK3管脚，列线采用PE0~PE6，共26个按键。键盘程序的流程图如图4.5所示。开始开始有键闭合有键闭合延时去抖动延时去抖动找到闭合键N找到闭合键Y建立无效标志计算键值建立无效标志计算键值闭合键释放N闭合键释放Y建立有效标志位建立有效标志位返回返回图4.5键盘功能流程图4.4.2液晶显示模块这一模块的软件设计采用模块化结构设计，各功能子模块独立，条记起来方便，容易根据需要就行修改和扩展。本系统中液晶屏的数据线连接单片机PA0~PA7管脚，其控制线连接单片机的PB1~PB4管脚，其背光亮暗度通过电位器调节，如图4.6所示，液晶屏的硬件连接图。图4.6液晶显示硬件连线图液晶显示软件流程图如图4.7所示。开始开始液晶显示初始化完成对口的设置：液晶的清屏液晶显示初始化完成对口的设置：液晶的清屏液晶显示子程序液晶显示子程序中断采样完成？中断采样完成？NY数据处理程序数据处理程序延时子程序延时子程序返回返回4.7液晶显示程序流程图液晶显示部分程序如下：voidinit_lcd(void){inti,j;init_lcd_pio();BK_H();RST_L();//del_lcd(2000);del_lcd(1000);RST_H();//del_lcd(2000);del_lcd(1000);CSA_L();CSB_L();CSC_L();//del_lcd(100);del_lcd(50);Write_0108_Reg(Set_Disp_Off);Write_0108_Reg(Set_Start_Line);Write_0108_Reg(Set_Page);Write_0108_Reg(Set_Column);Write_0108_Reg(Set_Disp_On);Clr_Screen();for(j=0;j<8;j++){for(i=0;i<192;i++){disp_zhh_data[i,j]=0;}}}4.4.3存储电路设计本系统要对刹车高度，提升高度，刹车时间，离合时间等进行设置，需要预先设置好相关参数并进行记录保存，为了满足这一需要，选取了E2PROM,AT24C512对数据进行存储。其通信方式为I2C总线。a.AT24C512介绍AT24C512是Atmel公司生产的64KB串行电可擦的可编程存储器，内部有512页，每一页为128字节，任一单元的地址为16位，地址范围为0000—OFFFFH。它采用8引脚封装，具有结构紧凑、存储容量大等特点，可以在2线总线上并接4片芯片，特别适用于具有大容量数据存储要求的数据采集系统，因此在测控系统中被大量采用。b.I2C总线协议在数据传送过程中，当时钟线为高电平时，数据线必须保持稳定状态，不允许有跳变。时钟线为高电平时，数据线的任何电平变化将被看作总线的起始或停止信号。时钟线保持高电平期间，数据线电平从高到低的跳变作为I2C总线的起始信号。时钟线保持高电平期间，数据线电平从低到高的跳变作为I2C总线的停止信号。I2C总线启动与停止信号波形如下：SCL为高电平，SDA下降沿为起始信号；SCL为高电平，SDA上升沿为停止信号。启动信号和停止信号都是由主机发出的，在起始信号产生后，总线就处于被占用状态；在停止信号产生后，总线就处于空闲状态。图4.8为I2C总线的起始与停止信号图。图4.8I2C总线的起始与停止信号I2C总线上字节传送与应答如图4.9所示。总线上传送的每一帧数据均为一个字节，每一个字节必须保证是8位长度。数据传送时，先传送最高位（MSB），每一个被传送的字节后面都必须跟随一位应答位（即一帧共有9位）。由于某种原因从机不对主机寻址信号应答时，它必须将数据线置于高电平，而由主机产生一个终止信号以结束总线的数据传送。如果从机对主机进行了应答，但在数据传送一段时间后无法继续接收更多的数据时，从机可以通过对无法接收的第一个数据字节的“非应答”通知主机，主机则应发出终止信号以结束数据的继续传送。当主机接收数据时，它收到最后一个数据字节后，必须向从机发出一个结束传送的信号。这个信号是由对从机的“非应答”来实现的，然后，从机释放SDA线，以允许主机产生终止信号。图4.9I2C总线的字节传送与应答图I2C的初始化程序如下：voidI2C_init(void) { DDRS_DDRS6=1;//SCLK DDRS_DDRS7=0;//SDA //内部运行变量初始化例如：EKEK1EK2 //配置参数初始化