基于单片机的pid控制器设计论文(编辑修改稿)

基于单片机的pid控制器设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

PID 控制器 PID 控制的本质是一个二阶线性控制器。 定义：通过调整比例、积分和微分三项参数，使得大多数的工业控制系统获得良好的闭环控制性能。 优点： 1. 技术成熟 中国矿业大学徐海学院 2020 届本科生毕业设计（论文 ） 8 2. 易被人们熟悉和掌握 3. 不需要建立数学模型 4. 控制效果好 5. 鲁棒性 PID 控制器是一种线性的控制器，它根据给定值 r(t)和实际输出值c(t)构成控制偏差： e(t)=r(t)c(t) (21) 将偏差的比例（ P）、积分（ I）、微分 (D)通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，故称 PID 控制器。 其输入 e(t)与输出 u(t)的关系为           dt tdedttetetu t dip TTK 01 （ 22） 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； 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。 PID 参数对系统性能的影响 作用 缺点 P 加快调节，减少稳态误差。 稳定性下降，甚至造成系统的不稳定。 I 因为有误差，积分调节就进行，直至无差 .消除稳态误差，提高无差度。 加入积分调节可使系统稳定性下降，动态响应变慢。 积分作用常与另两种调节规律结合，组成PI 调节器或 PID 调节器。 D 反映系统偏差信号变化率，具有预见性，能预见偏差变化的趋势 ，因此能产生超前的控制作用。 可以减少超调，减少调节时间。 微分作用对噪声干扰有放大作用，因此过强的加微分调节，对系统抗干扰不利。 微分作用不能单独使用，需要与另外两种调节规蓄料目结合，组成 PD 或 PID 控制。 中国矿业大学徐海学院 2020 届本科生毕业设计（论文 ） 9 PID 参数的调整原则： PID 参数的预置是相辅相成的，运行现场应该根据实际的情况进行下列微调，被控物理量在目标值附近振荡，首先加大积分时间 I，如果还是有振荡，可适当减小比例增益 P。 被控物理量在发生变化后很难恢复，首先加大比例增益 P，如果恢复较慢，可以适当的减小积分时间 I，还可以加大微分时间 D。 影响 Kp Ti Td 稳态性能 可以减少静差，但不能消除 消除静差，但不能太大 配合比例控制，可以减少静差 动态性能 加快系统速度，但会引起震荡 太小会不稳定，太大会影响性能 太大和太小都会引起超调量大，过度时间长 PID 控制器是一个在工业控制应用中常见的反馈回路部件。 这个控制器把收集到的数据和一个参考值进行比较，然后把这个差别用于计算新的输入值，这个新的输入值的目的是可以让系统的数据达到或者保持在参考值。 和其他简单的控制运算不同， PID 控制器可以根据历史数据和差别的出现率来调整输入值，这样可以使系统更加准确，更加稳定。 可以通过数学的方法证明，在其他控制方法导致系统有稳定误差或过程反复的情况下，一个 PID 反馈回路却可以保持系统的稳定。 PID 控制的自整定 PID 控制器自整定技术是近 2O 年来受到工业控制界和学术理论界广泛关注并取得显著成果的先进控制策略，并早在 8O 年代中期就开发研制了相应的自整定控制器。 近年来，国际自动控制领域对 PID 控制器参扰、提高鲁棒性、加快算法的收敛速度等方向发展。 K． J． Astrom、 ． Hang、Qingguo Wang、 Z． J． Palmor、 S． H． Shen 等自整定专家不断在几大国际杂志上发表新的研究成果，显示了 PID 自整定技术强大的理论生命力。 随着计算机技术的发展和自整定技术的成熟， El 前有关自动整定控制器的商业化产品已大量涌现，其中比较著名的如 Foxboro 公司的 ExACT 系列、 First Control 的 M R0CONTROLLER 系列、 Leed ＆ Northrop 的 Electromax V 系列、 SattControl 的 ECA40 系 、 Honeywell 公司的 RPID、 ControlSoft 公司中国矿业大学徐海学院 2020 届本科生毕业设计（论文 ） 10 INTUNE 等。 而 Fisher Control、 Yokogawa、 Eurotherra 等公司纷纷在各自的工业控制器系列中也结合了不同的 PID 参数自动整定算法。 另外也发展了一批专用的 PID 整定设备可以外接到工业控制回路上。 如日本 Toyo Systems 的 Supertuner，美国 Techmadon 的 Protuner， PowellProcess Instruments 的 Micon P200 Controller 等，其中一些产品已在工业应用中得到认可。 从目前 PID 参数整定方法的研究和应用现状来看，以下几个方面将是今后一段时间内研究和实践的重点： ①对于单入单出被控对象，需要研究针对不稳定对象或被控过程存在较大干扰情况下的 PID 参数整定方法，使其在初始化、抗干扰和鲁棒性能方面进一步增强，使用最少量的过程信息及较简单的操作就能较好地完成整定。 ②对于多入多出被控对象，需要研究针对具有显著耦合的多变量过程的多变量 PID 参数 整定方法，进一步完善分散继电反馈方法，尽可能减少所需先验信息量，使其易于在线整定。 ③智能 PID 控制技术有待进一步研究，将自适应、自整定和增益计划设定有机结合，使其具有自动诊断功能；结合专家经验知识、直觉推理逻辑等专家系统思想和方法对原有 PID 控制器设计思想及整定方法进行改进；将预测控制、模糊控制和 PID 控制相结合，进一步提高控制系统性能，都是智能PID 控制发展的极有前途的方向。 PID 控制参数的整定方法 在控制系统设计或安装完毕后，被控对象、测量变送器和执行器这三部分的特性就完全确定了，不能任意改变。 只能 通过控制器参数的工程整定，来调整控制系统的稳定性和控制质量。 PID 控制参数的整定方法 概念 确定调节器的比例度δ、积分时间 TI和微分时间 TD。 整定的实质是通过改变调节器的参数，使其特性和过程特性相匹配，以改变系统的动态和静态指标，争取最佳控制效果。 最佳整定参数，在某种评价指标下，系统达到最佳控制状态时，调节器的调节规律所对应的一组参数值。 PID 控制参数的整定方法 分类 理论计算整定方法：对数频率特性法、根轨迹法。 这种方法需要知道数学模型。 工程整定法：经验法、衰减曲线法、临界比例度法、响应曲 线法。 这种方法不需要事先知道过程的数学模型，可直接在系统中进行现场整定，比较中国矿业大学徐海学院 2020 届本科生毕业设计（论文 ） 11 简单。 几种整定方法的比较： 整定方法 优 点 缺 点 反应曲线法 方法简单 系统开环，被调量变化较大，影响生产 稳定边界法 系统闭环 会出现被调量等幅振荡 衰减曲线法 系统闭环，安全 实验费时 经验法 系统闭环，不需计算 需要经验 注意： 同一个系统，最佳整定参数可能不是唯一的。 不同的 PID 参数组合，有时会得到十分相近的控制结果。 中国矿业大学徐海学院 2020 届本科生毕业设计（论文 ） 12 3 系统的整体设计方案 系统整体方案 电 源 电 路按 键 电 路复 位 ， 晶振 电 路A / D 转 换 电路单 片 机数 码 管 显 示 电路D / A 转 换 电路 图 系统电路设计总框图 这次论文主要以单片机为基础设计的 PID 控制器，外围电路中包括电源电路、按键电路、显示电路、单片机的复位、晶振电路和 AD 转换电路。 程序设计包括显示程序、按键程序、 AD 转换程序、 PID 算法程序等。 设计四个按键，第一个控制 PID 参数，第二个实现加功能键，第三个实现减功能键 ，最后一个作为确定键，再做四位的数码管显示电路，一位显示 PID 三个参数（可以以 P、 I、 D 显示），另三位作为数字显示，就是三个参数（比例系数，积分 时间常数、微分时间常数）的设定数值，通过按键来修改这些数值。 系统的 性能要求 PID 三个参数数值 的改变并能保持，直至重新设定另一参数值，即能实现参数的设定。 P,I,D 三个参数和参数的设定值。 PID 算法。 ，结构简单，易于维修。 ，成本低。 中国矿业大学徐海学院 2020 届本科生毕业设计（论文 ） 13 主控模块 单片机 单片机的定义 单片机是一种把处理器 CPU、只读存储器 ROM、随机存储器 RAM、多种 I/O 口等功能集成到一块芯片上的完善而小的计算机系统。 单片机也被称为微控制（ Microcontroller Unit），常用英文字母的缩写MCU表示单片机，它最早是被用在工业控制领域。 单片机的发展过程 （ 1） 单芯片微机的形成阶段 Intel 公司在 1976 年推出了 MCS48 系列单片机。 8 位 CPU、 1K 字节ROM、 64 字节 PAM、 27 根 I/O 线和一个 8 位定时 /计数器。 特点：存储器容量小，寻址范围小（不大于 4K），无串行接口，指令系统功能不算强。 (2) 性能完善提高阶段 1980 年， Intel 公司推出了 MCS51 系列的单片机： 8 位 CPU、 4K 字节ROM、 128 字节 RAM、 4 个 8 位并口、 1 个全双工串行口、 2 个 16 位定时 /计数器。 寻址范围 64K，并有控制功能较强的布尔处理器。 特点：结构体系完善，性能已大大提高，面向控制的特点进一步突出。 现在 MCS51 已成为公认的单片机经典种类。 （ 3） 微控制器化阶段 1982 年，又是 Intel 推出 MCS96 系列单片机。 芯片内集成： 16 位 CPU、8K 字节 ROM、 232 字节 RAM、 5 个 8 位并口、 1 个全双工串行口、 2 个 16位定时 /计数器。 寻址范围 64K。 片上还有 8 路 10 位 ADC、 1 路 PWM 输出及高速 I/O 部件等。 特点：片内面向测控系统电路增强，使之可以方便灵活地用于复杂 的自动测控系统及设备。 “微控制器”的称谓更能反应单片机的本质。 国内人们使用最广泛的是 MCS51 系列单片机。 因此我们需要学好、掌握 MCS51 系列单片机技术。 51 系列的产品有很多，比如： ATMEL 公司融入 Flash 存储器技术的 AT89 系列 Philips 公司的 80C5 80C552 系列 中国矿业大学徐海学院 2020 届本科生毕业设计（论文 ） 14 华邦公司的 W78C5 W77C51 高速低价系列 ADI 公司的 ADμ C8xx 高精度 ADC 系列 LG 公司的 GMS90/97 低压高速系列 Maxim公司的 DS89C420 高速（ 50MIPS）系列 Cygnal 公司的 C8051F 系列高速 SOC 单片机 非 51 结构单片机新品不断推出，给用户提供了更为广泛的选择空间 ，近年来推出的非 51 系列的主要产品有： Intel 的 MCS96 系列 16 位单片机 Microchip 的 PIC 系列 RISC 单片机 TI 的 MSP430F 系列 16 位低功耗单片机 单片机的广泛选择 分别有 MOTOROLA 公司的 MOTOROLA 单片机、 Microchip 单片机、Scenix 单片机 、 NEC 单片机、东芝单片机、富士通单片机、 Epson 单片机、Intel 公司的 8051 单片机、 Zilog 单片机、美国国家半导 体公司的 NS 单片机、三星单片机、华邦单片机。 总体上看，美国著名公司的单片机技术仍处于领先的地位，特别是在高端产品方面，高性能的新颖的单片机不断的推出。 而日本在单片机制造业方面也有相当的优势，在积极争夺家电产品的大客户。 韩国及我国台湾省的一些公司在引进美国技术的基础上，以低价位的兼容产品抢占中国的市场。 另一方面，如此琳琅满目的单片机品种，着实给单片机应用的工程师提供了巨大的选择空间。 这么多种单片机能进入中国市场，这就说明了我们的应用工程师已经能够综合各类单片机的性能、价格等方面的一些因素，并结合实用对象进行 选择。 相对过去以剖析、复制外国产品为主的思路有了相当的改进。 随着我国经济实力的不断增长，开发新产品的思路上以前那种过多注重价格因素而使新产品开发上不了档次的弱点有所改善，开始注意使用当前最先进的单片机开发高档次产品。 各单片机厂商在开发工具以及技术服务方面也进行着激烈的竞争，这种竞争与推出新型的单片机以显示。