毕业论文_基于单片机的pid控制器设计(编辑修改稿)

毕业论文_基于单片机的pid控制器设计(编辑修改稿)内容摘要：

否认 PID也有其固有的缺点：PID 在控制非线性、时变、耦合及参数和结构不确定的复杂过程时，工作地不是太好。 最重要的是：如果 PID 控制器不能控制复杂过程，无论怎么调参数都没用。 虽然有这些缺点， PID 控制器是最简单的有时却是最好的控制器。 PID 控制至今仍然是应用最广泛的一种实用控制 器。 各种现代控制技术的出现并没有减弱 PID 控制器的应用 ,相反 ,新技术的出现对于 PID 控制技术的发展起了很大的作用。 一方面 ,各种新的好的控制思想不断被应用于 PID中国矿业大学 2020 届本科生毕业设计（论文 ） 4 控制器的设计当中或者是使用新的控制思想设计出具有 PID 结构的新控制器 ,PID 控制技术被注入了很多新的活力。 另一方面 ,某些新控制技术的发展要求更精确的 PID控制 ,从而刺激了 PID控制器设计与参数整定技术的发展。 在实际生产现场中，由于受到参数整定方法烦杂的困扰，常规 PID 控制器参数往往整定不良、性能欠佳，对运行工况的适应性很差。 针对这些问题，长期以来， 人们一直在寻求 PID 控制器参数的自动整定技术，以适应复杂的工况和高指标的控制要求。 随着微处理机技术的发展和数字智能式控制器的实际应用，这种设想已变成了现实。 同时，随着现代控制理论 (诸如智能控制、自适应模糊控制和神经网络技术等 )研究和应用的发展与深人，为控制复杂无规则系统开辟了新途径。 近年来，出现了许多新型 PID 控制器，如瑞典著名学者 PID 自整定控制器，对于复杂对象、其控制效果远远超过常规 PID 控制。 尤其引人注目是近些年来电气传动及机电控制等非自动仪表传统的应用领域，又都采 用了 PID，可以说 PID 应用领域已大为扩大。 国际著名自动化仪表厂商都十分注意 PID 功能的应用，如 20 世纪 70 年代至 80 年代中期，从 DCS 的 PID 组态，扩大各种 PID 控制功能（如抗积分饱和、叠加逻辑状态等）到推出自整定 PID 控制（如日本东芝公司的FuiiMicrer 自整定调节器、美国 Foxboro 公司的 Exact 自整定调节器、日本横河机电株式会社的 YS80 专家自整定调节器）。 运用单片机设计的控制器有很多的用途，比如用单片机的全自动锅炉压力控制器，该系统能根据锅炉现场检测的各个状态做出实时精确的自动控制，如 实现温度、压力、水位等的监控，数码管显示、报警、系统参数设置的功能。 该系统还采用模糊 PID 方法进行温度控制，能克服普通的单片机PID 温度控制系统的一些不足之处，让它达到令人较为满意的控制效果。 论文研究的内容和结构安排 在对 PID 控制的发展现状、 PID 控制器的特点和单片机的结构等知识的阅读和了解，设计一个基于单片机的 PID 控制器。 论文主要结构，第一章绪论，简单介绍了 PID 控制在现在社会的应用和 PID 控制的发展和趋势。 第二章简单介绍了 PID 控制的特点和原理还有 PID 整定的一些方法和特点。 第三章主要是 整个论文的设计方案和设计的性能要求，单片机的选择、引脚功能和现在单片机的一些类型和特点还有单片机的工作原理。 第四章主要是对电中国矿业大学 2020 届本科生毕业设计（论文 ） 5 路的设计，包括电源电路、按键电路、显示电路、 AD 转换电路和单片机的复位和晶振电路。 第五章主要是软件设计，有软件的介绍和程序的设计，程序设计有按键程序、显示程序、 PID 参数设置程序和 PID 算法程序与各程序设计的流程图和仿真图。 第六章是对本次设计的总结，主要有这次论文的不足和对 PID 控制的展望。 中国矿业大学 2020 届本科生毕业设计（论文 ） 6 2 PID 控制 PID 控制的特点和原理 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，实际中有 PI和 PD 控制。 PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量来进行控制的。 比例（ P）控制 比例控制是一种最简单的控制方式。 其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。 当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（ Steadystate error）。 积分（ I）控制 在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。 对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的 或简称有差系统（ System with Steadystate Error）。 为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。 积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。 这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。 所以，比例加上积分 (PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。 微分（ D）控制 在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。 自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至 失稳。 主要原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后 (delay)组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。 解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近于零时，抑制误差的作用就应该是零。 这就是说，在控制器中仅仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例加上微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。 所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例加上微分 (PD)控制器能改善系统在调节过程中中国矿业大学 2020 届本科生毕业设计（论文 ） 7 的动态特性。 PID 控制的最大优点就是控制机理完全独立于对象的数学模型，只用控制目标与被控对象实际行为之间误差来产生消除此误差的控制策略，这也是PID 控制技术的精髓。 正是这样，它才能在控制工程实验中得到广泛有效的应用。 而随着科技的进步和对控制品质要求的提高，经典 PID 控制技术的缺陷越来越凸现出来。 PID 的缺陷，总体来说就是信号处理太简单、未能充分发挥其优点，具体说来，有四个方面： (1)产生误差的方式不太合理控制目标 A 在过程中可以“跳变”，但是被 控对象输出 B 的变化都有惯 性，不可能跳变，要求让缓变的变量 b 来 跟踪能够跳变的变量 a，初始误差很大，容易引起超调，很不合理。 (2)误差的微分信号的产生没有太好的办法 由于微分器物理不可实现，只能近似实现。 (3)误差积分反馈的引入有很多负作用 在 PID 控制中，误差积分反馈的作用是消除静差，提高系统响应的准 确性，但同时误差积分反馈的引入，使闭环变得很迟钝，容易产生振 荡，易产生由积分饱和引起的控制量饱和。 (4)线性组合不一定是最好的组合方式 PID 控制器给出的控制量是误差的现在、过去、将来 三者的线性组 合。 大量工程实践表明，线性组合不一定是最好的组合方式，能否 在非线性领域找到更加合适的组合方式是值得去探索的。 对于 PID 存在的这些缺陷，相应的解决办法是： (1)安排合适的“过渡过程”； (2)合理提取“微分 “跟踪微分器 ； (3)探讨“扰动估计 办法 “扩张状态观测器 ； (4)探讨合适的组合方法 “非线性组合”； 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 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 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 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。