基于ARM的智能数字调节器设计

论文摘要

本文介绍了数字调节器在工业控制领域的地位、作用及国内外技术发展水平的基础上,结合我国企业实际情况,设计了一款性能稳定可靠、显示直观、实时通信的数字调节器。以实际应用为中心,将数字调节器整个系统功能划分为以下几个功能模块:主要包括CPU核心模块、数据输入模块、数据输出模块、显示模块、键盘模块、CAN通信模块。然后从硬件和软件两方面叙述如何以32位ARM处理器为核心、uC/OS-Ⅱ为实时操作系统来达到合理控制的目的。在硬件设计上,先对处理器LPC2119芯片的功能做了简单介绍,然后具体分析各个功能电路的设计,尤其对CAN总线接口电路设计进行了重点描述。在软件部分,用模块化编程方式给出了系统各个功能任务的流程图;然后介绍了uC/OS-Ⅱ操作系统内核结构和移植过程,并以uC/OS-Ⅱ操作系统为软件开发平台实现对各个功能任务的调度和管理。而为提高系统控制性能,在控制算法上除保留传统的PID控制算法外,还加入了模糊PID控制算法,使数字调节器能更好地适应大时滞、非线性系统。最后通过水温控制实验,证明该调节器能对温控这类非线性系统起到良好的控制作用,且控制精度高、调节时间短,达到了预期设计目标。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题提出的意义
• 1.2 数字调节器的研究现状及发展趋势
• 1.3 本文研究的主要内容
• 1.3.1 研究内容
• 1.3.2 章节安排
• 第二章 课题研究的相关知识
• 2.1 嵌入式系统
• 2.2 ARM嵌入式微控制器
• 2.3 现场总线技术
• 2.3.1 现场总线概念
• 2.3.2 现场总线特点
• 2.3.3 现场总线的发展现状
• 2.3.4 CAN总线的特点
• 2.3.5 CAN总线的分层结构
• 2.4 嵌入式实时操作系统简介
• 2.4.1 嵌入式实时系统简介
• 2.4.2 典型嵌入式操作系统
• 2.4.3 μC/OS-Ⅱ简介
• 2.4.4 使用实时操作系统的必要性
• 2.5 本章小结
• 第三章 数字调节器系统简介
• 3.1 数字调节器结构
• 3.2 调节器面板的设计
• 3.3 数字调节器功能
• 3.4 调节器的特性
• 3.5 本章小结
• 第四章 系统硬件设计
• 4.1 主处理器选择
• 4.2 数字调节器的硬件结构框图
• 4.2.1 电源电路
• 4.2.2 复位电路
• 4.2.3 JTAG电路
• 4.2.4 显示电路
• 4.2.5 键盘电路
• 4.2.6 数据输入电路
• 4.2.7 数据输出电路
• 4.3 CAN接口电路介绍
• 4.3.1 CAN控制器TJA1050介绍
• 4.3.2 CAN控制器工作模式
• 4.3.3 CAN接口电路
• 4.4 调节器的抗干扰措施
• 4.5 本章小结
• 第五章 系统软件设计
• 5.1 控制系统软件结构设计
• 5.2 控制系统软件状态流程
• 5.2.1 状态管理
• 5.2.2 A/D转换
• 5.2.3 数据输出
• 5.2.4 故障处理
• 5.2.5 参数设定
• 5.3 CAN通信模块
• 5.3.1 数据帧结构
• 5.3.2 报文位仲裁
• 5.3.2 CAN控制器主要寄存器及其功能
• 5.3.3 全局验收过滤器
• 5.3.4 本系统中CAN通信设计
• 5.4 控制任务的分配与调度
• 5.4.1 μC/OS-Ⅱ操作系统结构分析
• 5.4.2 μC/OS-Ⅱ移植
• 5.4.3 μC/OS-Ⅱ任务调度原理
• 5.4.4 本控制系统任务分配与调度
• 5.5 本章小结
• 第六章 模糊PID控制算法
• 6.1 PID控制算法
• 6.1.1 PID控制算法的优点
• 6.1.2 PID控制原理
• 6.1.3 PID控制算法的局限性
• 6.2 模糊控制
• 6.2.1 概述
• 6.2.2 模糊控制的特点
• 6.2.3 模糊控制器原理
• 6.2.4 模糊控制的局限性
• 6.3 Fuzzy-PID复合控制
• 6.3.1 模糊PID分类
• 6.4 模糊PID控制器的设计与仿真
• 6.4.1 模糊PID在数字调节器中的应用
• 6.4.2 模糊PID自整定控制器结构
• 6.4.3 确定系统的输入输出变量
• 6.4.4 PID参数模糊规则表的建立
• 6.4.5 模糊合成推理及调整决策矩阵
• 6.5 系统仿真与结果分析
• 6.6 本章小结
• 第七章 系统测试结果
• 1.非线性特性的校正
• 2.可控硅控制
• 第八章 总结与展望
• 8.1 总结
• 8.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文目录