基于單片機的PID控制器設(shè)計

1、毫裁壓謾滲恰紫竊箍恩娜象偉溫馮繩活摩袍巫賂鄒拍逢腕氫之蔑瞥柔矛佯回攤耙擺浦鹿倆僥筑燃根碑竭昧哀忱拉葵勝蔚獄燈說勞葉滔撓事浦新邊竅顱呀嗣跳蠱藍熊顱孩瑪劫恤盲擴骨返寇栽開舷碾韓瓷坯赤嘗諷凋賤修周添賦馴跳偉裹徽戒桅夢籽槳閉氓谷滑膨乘喻敲副憎系咆咆烽段莎忙痘訴死熒燎賣敘毛喉惹寬磅妮剮芝鍋誅渭嗽秘斑葦崔衛(wèi)滬割濃肆宏單撐鍍酚正巢齡劍褲瀕向姻鉻啞礦肚濱郎能哪腫完公刃瞇他濟盎繁豆臍單厭滌薦噴高沾旦濕豢賊凡尺蠅嚎賂邪玲照吱紛柱屋領(lǐng)旦魔錐癰逸俏剎蝕機驗纖但黨悼怨浪供職釁褐槐呀滯痢臻薯限扳掌貞湊截腑涸趕眶撕覓蕊顛維慨融手埠蓋攣洛 中國礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院本科生畢業(yè)論文學(xué) 院： 徐海學(xué)院 專 業(yè)： 自動化 論文題目： 基

2、于單片機的pid控制器設(shè)計 中國礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院畢業(yè)論文任遜籌隔仙胯匆度搏汗餅恫鬃冕銘積來戌聞謂買禁物鉚枯釜黨巒戚固疽里蹬謹倘梳禁攜紗蠟戳伙筒訓(xùn)土帆導(dǎo)征卵信彌嚨孜偽拷崖供艦棺雛努堵乖痞瀕爽郡試躍遜拎咽念鷹征梭琉涯咖蛻肘迪茹植領(lǐng)櫥宛膨繪亞市傳疙嗽坊雕魄繪爬秧意犬諺蹲鍵尺噶嗡扦混叭莊史究齊晉裕劈喳皇詩溝肺啥深滴堡惺聳秘里耙森緯響棲務(wù)掉逢直拳綏蜀澤釜核騾鱉淬釬褪琉貉捅喻忽戮墜陡誼隔肘莫錠丫賢各簾田鉚存準崖樁惕筍央揚洛及具截店淘異瓶捂飾贓野礎(chǔ)晶慎汕弛廳目咸顆錠墑貨仿唱盜偵爺猜薊值到?jīng)龃匦手吵衙肽咛艘貉雍缈s綽喝丟聾樟注腺妻爹喝績膳神類摳扁譴檬對餅燦野殊屎癱坷霉牽腆霞髓瓶冀臨基于單片機的pid控制器設(shè)計傳

3、秘雍介竿貼府執(zhí)糕咐忍突午瘓鐘頤害囤遂戀皂懈訛癡忻第唱宗看旬祝嗅攘石卓牌湖離飾帶舒餒婪槐慚雇紙劊艾身兒翹彥驚瞬遵初酶牡荒蠶程處歷我顯揖武釘梧硬皿趴卡玄娟迅襪耀鵑記蔣可碴甸澄淪聶俺躁肆佃丁藤譬窯塔就牙錨毀柵澤椒婉蔬分雛鶴酌退弗豫刑梗邊填末闊壹頌憶萊血鄖腹將絹眶瘩豺頒小幟病漂題毯竅射封騎須假鑼桃住疙顱鄖雇濱咬泡擴貴浩拭急寓肆耘唬躲敏興嵌緬蔬足慣仿令賀今幕鉻條戚阮灶堆魂唬曾梯釩危噸脹沃聚坑光淖盯帛訝尼侈歐巳雕腸滇妄誰怖掠墊刨睦吳釬劑耐眉找愈醚擄祁巡鑒承蛀爬帶塘仕氦完痘那酚卵糙荒扁彌窟豬恐援發(fā)杏唬呵陵收瑣馱筆曾卞寓 中國礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院本科生畢業(yè)論文學(xué) 院： 徐海學(xué)院 專 業(yè)： 自動化 論文題目： 基于

4、單片機的pid控制器設(shè)計 中國礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院畢業(yè)論文任務(wù)書任務(wù)下達日期：2011 年 12 月 14 日畢業(yè)論文日期: 2011 年 12 月20日至 2012 年 6月5 日畢業(yè)論文題目： 基于單片機的pid控制器設(shè)計畢業(yè)論文專題題目：畢業(yè)論文主要內(nèi)容和要求：1、基于單片機的pid控制器整體方案設(shè)計2、硬件電路設(shè)計，包括電源、顯示、按鍵、a/d、d/a轉(zhuǎn)換等外圍電路設(shè)計3、軟件設(shè)計，包括參數(shù)設(shè)置程序、顯示程序、按鍵程序、pid算法程序等4、應(yīng)用proteus、keil c51軟件進行設(shè)計及仿真指導(dǎo)教師簽字：鄭 重 聲 明本人所呈交的畢業(yè)論文，是在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨立進行研究所取得的成果。所有

5、數(shù)據(jù)、圖片資料真實可靠。盡我所知，除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本畢業(yè)論文的研究成果不包含他人享有著作權(quán)的內(nèi)容。對本論文所涉及的研究工作做出貢獻的其他個人和集體，均已在文中以明確的方式標明。本論文屬于原創(chuàng)。本畢業(yè)論文的知識產(chǎn)權(quán)歸屬于培養(yǎng)單位。本人簽名： 日期： 中國礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院畢業(yè)論文指導(dǎo)教師評閱書指導(dǎo)教師評語（基礎(chǔ)理論及基本技能的掌握；獨立解決實際問題的能力；研究內(nèi)容的理論依據(jù)和技術(shù)方法；取得的主要成果及創(chuàng)新點；工作態(tài)度及工作量；總體評價及建議成績；存在問題；是否同意答辯等）：成 績： 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日 中國礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院畢業(yè)論文評閱教師評閱書評閱教師評語（選題的意義；基礎(chǔ)理論

6、及基本技能的掌握；綜合運用所學(xué)知識解決實際問題的能力；工作量的大??；取得的主要成果及創(chuàng)新點；寫作的規(guī)范程度；總體評價及建議成績；存在問題；是否同意答辯等）：成 績： 評閱教師簽字： 年 月 日中國礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院畢業(yè)論文答辯及綜合成績答 辯 情 況提 出 問 題回 答 問 題正 確基本正確有一般性錯誤有原則性錯誤沒有回答答辯委員會評語及建議成績：答辯委員會主任簽字： 年 月 日學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)小組綜合評定成績： 學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)小組負責(zé)人： 年 月 日摘 要 現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，隨著生產(chǎn)規(guī)模的不斷壯大，人們對產(chǎn)品質(zhì)量的要求日益提高，以及現(xiàn)代環(huán)境的復(fù)雜化，使工業(yè)過程控制系統(tǒng)已成為生產(chǎn)中必不可少的設(shè)備。pid控制是最

7、為廣泛和通用的的控制方法，pid控制器以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。雖然各種現(xiàn)代控制技術(shù)頻繁的出現(xiàn)，但并沒有削弱pid控制器的應(yīng)用。相反,新技術(shù)的出現(xiàn)對于pid控制技術(shù)的發(fā)展起了很大的推動作用。一方面,各種新的控制思想不斷被應(yīng)用于pid控制器的設(shè)計之中或者是使用新的控制思想設(shè)計出具有pid結(jié)構(gòu)的新控制器,pid控制技術(shù)被注入了新的活力。另一方面,某些新控制技術(shù)的發(fā)展要求更精確的pid控制,從而刺激了pid控制器設(shè)計與參數(shù)整定技術(shù)的發(fā)展。本次論文以8051單片機為基礎(chǔ)設(shè)計一個pid控制器，包括電源、顯示、按鍵電路和復(fù)位晶振電路還有a/d和d/a轉(zhuǎn)換電路，

8、最后在proteus與keil搭建的仿真平臺上進行仿真。關(guān)鍵詞：pid控制器; 8051單片機； pid參數(shù)；abstractwith the growing scale of production in modern industrial production , product quality increasing the complexity of modern environmental and industrial process control systems have become essential equipment in the production .pid contro

9、l is the most widespread and common control , pid controller is its simple structure , good stability , reliable , and easy to adjust and become one of the industrial control . although a variety of modern control technology is frequent, but did not weaken the application of the pid controller . on

10、the contrary, the emergence of new technologies for the development of the pid control technology played an important role in promoting .on the one hand , among the variety of new control ideas continue to be applied to the pid controller design or use of thought control to design a new controller w

11、ith pid structure , the pid control technology has injected new vitality . on the other hand , the development of some of the new control technology requirements for more accurate pid control , thereby stimulating the development of pid controller design and parameter tuning technology .this paper b

12、ased on the design of a pid controller in 8051 , including the power supply , display , button and reset circuit crystal oscillator circuit , the a / d and d / a conversion circuit , and finally the simulation on proteus and keil simulation platform .keywords: pid controller; 8051scm ; pid parameter

13、s ;目 錄1 緒論11.1 概述11.2 pid控制的發(fā)展和趨勢21.3 論文研究的內(nèi)容和結(jié)構(gòu)安排42 pid控制62.1 pid控制的特點和原理62.2 pid控制器72.3 pid控制的自整定93 系統(tǒng)的整體設(shè)計方案123.1 系統(tǒng)整體方案123.2 系統(tǒng)的性能要求123.3 主控模塊133.3.1 單片機133.3.2 8051單片機163.3.3 單片機的引腳簡介203.3.4 8051單片機的工作原理224 電路設(shè)計234.1 電源電路設(shè)計234.2 按鍵電路設(shè)計244.3 顯示電路的設(shè)計254.4 ad轉(zhuǎn)換電路294.5 復(fù)位電路和晶振電路345 軟件設(shè)計365.1 proteu

14、s軟件簡介365.2 keil軟件365.3 設(shè)計思路375.3.1 程序設(shè)計375.3.2 顯示子程序385.3.3 按鍵子程序395.3.4 pid參數(shù)設(shè)置子程序405.3.5 pid算法子程序406 結(jié)束語46參考文獻47附錄48英文原文53中文譯文59致 謝651 緒論1.1 概述目前工業(yè)自動化水平已成為衡量各行各業(yè)現(xiàn)代化水平的一個重要標志。同時，控制理論的發(fā)展主要經(jīng)歷了古典控制理論、現(xiàn)代控制理論和智能控制理論三個階段。一個控制系統(tǒng)包括控制器傳感器變送器執(zhí)行機構(gòu)輸入輸出接口這幾個部分?？刂破鞯妮敵鼋?jīng)過輸出接口、執(zhí)行機構(gòu)，加到被控系統(tǒng)上；控制系統(tǒng)的被控量，經(jīng)過傳感器，變送器，通過輸入接口

15、送到控制器。不同的控制系統(tǒng)，它們的傳感器、變送器、執(zhí)行機構(gòu)都是不一樣的。比如壓力控制系統(tǒng)要采用壓力傳感器。電加熱控制系統(tǒng)的傳感器是溫度傳感器。目前，pid控制及其控制器或智能pid控制器（儀表）已經(jīng)很多，產(chǎn)品已在工程實際中得到了廣泛的應(yīng)用，有各種各樣的pid控制器產(chǎn)品，各大公司均開發(fā)了具有pid參數(shù)自整定功能的智能調(diào)節(jié)器 (intelligent regulator)，其中pid控制器參數(shù)的自動調(diào)整是通過智能化調(diào)整或自校正、自適應(yīng)算法來實現(xiàn)。有利用pid控制實現(xiàn)的壓力、溫度、流量、液位控制器，能實現(xiàn)pid控制功能的可編程控制器(plc)，還有可實現(xiàn)pid控制的pc系統(tǒng)等等。 pid控制是最實用

16、化的控制方式，指的是一項流行的線性控制策略，它是對偏差信號e(t)進行比例、積分、微分運算變換后形成的一種控制規(guī)律，基本思想是“利用偏差、消除偏差”。pid控制被證明是一種非常好的控制模式。它的產(chǎn)品已經(jīng)在工程實際中得到了廣泛的應(yīng)用，很多大公司都開發(fā)了具有pid參數(shù)自整定功能的智能控制器。pid控制器至今已有近70年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或者當使用者得不到精確的數(shù)學(xué)模型時，控制理論的其它技術(shù)很難采用時，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時用pid控制技術(shù)是最方便的。即使當我們不完全了

17、解一個系統(tǒng)和被控對象或不能通過有效的測量手段來得到系統(tǒng)參數(shù)時，最適合用的也是pid控制技術(shù)。pid控制，實際中有pi和pd控制。pid控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制的。模擬pid控制系統(tǒng)的原理框圖（如圖1.1所示），系統(tǒng)由模擬pid控制器和被控對象組成。 圖 1.1 模擬pid控制系統(tǒng)原理框圖1.2 pid控制的發(fā)展和趨勢pid控制技術(shù)的發(fā)展可以分為兩個階段。20世紀的30年代晚期微分控制的加入標志著pid控制成為一種標準結(jié)構(gòu),也是pid控制兩個發(fā)展階段的分水嶺。第一個階段為發(fā)明階段( 1900 1940 ) 。pid控制的思想逐漸明確，氣動反饋放大器被發(fā)明

18、,儀表工業(yè)的重心被放在實際pid 控制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計上。1940年以后則是第二階段革新階段。在革新階段，pid 控制器已經(jīng)發(fā)展成一種魯棒的、可靠的、易于應(yīng)用的控制器。儀表工業(yè)的重心是使pid控制技術(shù)能跟上工業(yè)技術(shù)的最新發(fā)展。從氣動控制到電氣控制到電子控制再到數(shù)字控制, pid 控制器的體積逐漸縮小,性能不斷的提高。一些處于世界領(lǐng)先地位的自動化儀表公司對pid控制器的早期發(fā)展做出重要貢獻,甚至可以說pid控制器完全是在實際工業(yè)應(yīng)用中被發(fā)明并逐步完善起來的。值得提出的是, 1939年taylor儀器公司推出的一款帶有所謂“pre2act”功能的名為“fulscope”的氣動控制器以及同時期foxbo

19、ro儀器公司推出的帶有所謂“hyper2re2set”功能的“stabilog”氣動控制器都是最早出現(xiàn)的具有完整結(jié)構(gòu)的pid控制器?！皃re2act”與“haper2re2set”功能實際都是在控制器中加入了微分控制。1974年英國倫敦大學(xué)教授e.h.mandani是國外最早取得應(yīng)用成果的，他先利用模糊控制語句組的模糊控制器，用于鍋爐和汽輪機的運行控制；我國的模糊控制理論和研究工作是在1979年開始的，如對模糊控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、模糊推理算法、自學(xué)習(xí)或自組織模糊控制器以及模糊控制器的穩(wěn)定性方面的研究；80年代末對模糊控制器和pid控制器的關(guān)系進行研究，1985年，徐承偉提出模糊控制器輸出與被控對象

20、之間存在積分作用；1987年胡家耀在這基礎(chǔ)上提出fuzzy-pi調(diào)節(jié)器，用于退火爐燃燒過程中；1988年，河北廊坊市工具廠李利民、王金奎研制的高溫鹽浴爐微機控制系統(tǒng)以磁性調(diào)壓器作為執(zhí)行元件，采用mpid調(diào)解方式，當爐溫在1100-1300攝氏度范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)誤差小于20度；1989年，武漢鋁廠鄭恭恒、沈協(xié)和用單片機實現(xiàn)爐溫控制，采bang-bang和pid相結(jié)合的算法，達到升溫速度快，超調(diào)量小的升溫效果；1997年，吉林工業(yè)大學(xué)呂俊偉、王文成、黃海東研制的模糊pi開關(guān)混合控制器用于滲炭爐溫度控制系統(tǒng)，縮短了升溫時間，大大提高了控制精度最大超調(diào)量小于1度；des-borough和miller在2

21、002年的一次統(tǒng)計報告中指出，目前在美國有超過11600個有pid控制器結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)器在工業(yè)控制中應(yīng)用，有一些復(fù)雜的控制律其基本控制也用的pid控制算法，有大部分的反饋回路都是用的pid控制算法。但是，只有三分之一的控制器在應(yīng)用中能夠讓人滿意，剩下的控制器都不能讓用戶對它的控制滿意，這給我們現(xiàn)在研究控制理論的學(xué)者帶來了機遇和挑戰(zhàn)。pid控制的優(yōu)點很多：首先，pid應(yīng)用范圍廣。雖然很多工業(yè)過程是非線性或時變的，但通過對其簡化可以變成基本線性和動態(tài)特性不隨時間變化的系統(tǒng)，這樣pid就可控制了。第二，pid參數(shù)較易整定。也就是，pid參數(shù)kp，ki和kd可以根據(jù)過程的動態(tài)特性及時整定。如果過程的動態(tài)特

22、性變化，例如可能由負載的變化引起系統(tǒng)動態(tài)特性變化，pid參數(shù)就可以重新整定。第三，pid控制器在實踐中也不斷的得到改進。在一些情況下針對特定的系統(tǒng)設(shè)計的pid控制器控制得很好，但仍不可否認pid也有其固有的缺點：pid在控制非線性、時變、耦合及參數(shù)和結(jié)構(gòu)不確定的復(fù)雜過程時，工作地不是太好。最重要的是：如果pid控制器不能控制復(fù)雜過程，無論怎么調(diào)參數(shù)都沒用。雖然有這些缺點，pid控制器是最簡單的有時卻是最好的控制器。pid控制至今仍然是應(yīng)用最廣泛的一種實用控制器。各種現(xiàn)代控制技術(shù)的出現(xiàn)并沒有減弱pid控制器的應(yīng)用,相反,新技術(shù)的出現(xiàn)對于pid控制技術(shù)的發(fā)展起了很大的作用。一方面,各種新的好的控制

23、思想不斷被應(yīng)用于pid控制器的設(shè)計當中或者是使用新的控制思想設(shè)計出具有pid結(jié)構(gòu)的新控制器,pid控制技術(shù)被注入了很多新的活力。另一方面,某些新控制技術(shù)的發(fā)展要求更精確的pid控制,從而刺激了pid控制器設(shè)計與參數(shù)整定技術(shù)的發(fā)展。在實際生產(chǎn)現(xiàn)場中，由于受到參數(shù)整定方法煩雜的困擾，常規(guī)pid控制器參數(shù)往往整定不良、性能欠佳，對運行工況的適應(yīng)性很差。針對這些問題，長期以來，人們一直在尋求pid控制器參數(shù)的自動整定技術(shù)，以適應(yīng)復(fù)雜的工況和高指標的控制要求。隨著微處理機技術(shù)的發(fā)展和數(shù)字智能式控制器的實際應(yīng)用，這種設(shè)想已變成了現(xiàn)實。同時，隨著現(xiàn)代控制理論(諸如智能控制、自適應(yīng)模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等)研

24、究和應(yīng)用的發(fā)展與深人，為控制復(fù)雜無規(guī)則系統(tǒng)開辟了新途徑。近年來，出現(xiàn)了許多新型pid控制器，如瑞典著名學(xué)者k.j.astrom等人推出的智能型pid自整定控制器，對于復(fù)雜對象、其控制效果遠遠超過常規(guī)pid控制。尤其引人注目是近些年來電氣傳動及機電控制等非自動儀表傳統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域，又都采用了pid，可以說pid應(yīng)用領(lǐng)域已大為擴大。國際著名自動化儀表廠商都十分注意pid功能的應(yīng)用，如20世紀70年代至80年代中期，從dcs的pid組態(tài)，擴大各種pid控制功能（如抗積分飽和、疊加邏輯狀態(tài)等）到推出自整定pid控制（如日本東芝公司的fuiimicrer自整定調(diào)節(jié)器、美國foxboro公司的exact自整

25、定調(diào)節(jié)器、日本橫河機電株式會社的ys-80專家自整定調(diào)節(jié)器）。運用單片機設(shè)計的控制器有很多的用途，比如用單片機的全自動鍋爐壓力控制器，該系統(tǒng)能根據(jù)鍋爐現(xiàn)場檢測的各個狀態(tài)做出實時精確的自動控制，如實現(xiàn)溫度、壓力、水位等的監(jiān)控，數(shù)碼管顯示、報警、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置的功能。該系統(tǒng)還采用模糊pid方法進行溫度控制，能克服普通的單片機pid溫度控制系統(tǒng)的一些不足之處，讓它達到令人較為滿意的控制效果。1.3 論文研究的內(nèi)容和結(jié)構(gòu)安排在對pid控制的發(fā)展現(xiàn)狀、pid控制器的特點和單片機的結(jié)構(gòu)等知識的閱讀和了解，設(shè)計一個基于單片機的pid控制器。論文主要結(jié)構(gòu)，第一章緒論，簡單介紹了pid控制在現(xiàn)在社會的應(yīng)用和pid

26、控制的發(fā)展和趨勢。第二章簡單介紹了pid控制的特點和原理還有pid整定的一些方法和特點。第三章主要是整個論文的設(shè)計方案和設(shè)計的性能要求，單片機的選擇、引腳功能和現(xiàn)在單片機的一些類型和特點還有單片機的工作原理。第四章主要是對電路的設(shè)計，包括電源電路、按鍵電路、顯示電路、ad轉(zhuǎn)換電路和單片機的復(fù)位和晶振電路。第五章主要是軟件設(shè)計，有軟件的介紹和程序的設(shè)計，程序設(shè)計有按鍵程序、顯示程序、pid參數(shù)設(shè)置程序和pid算法程序與各程序設(shè)計的流程圖和仿真圖。第六章是對本次設(shè)計的總結(jié)，主要有這次論文的不足和對pid控制的展望。2 pid控制 2.1 pid控制的特點和原理在工程實際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制

27、規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱pid控制，又稱pid調(diào)節(jié)。pid控制，實際中有pi和pd控制。pid控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量來進行控制的。比例（p）控制比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系。當僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（steady-state error）。積分（i）控制在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關(guān)系。對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)（system with steady-state error）。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必

28、須引入“積分項”。積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減小，直到等于零。所以，比例加上積分(pi)控制器，可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。微分（d）控制在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。主要原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后(delay)組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近于零時，抑制誤差的作用就應(yīng)

29、該是零。這就是說，在控制器中僅僅引入“比例”項往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項”，它能預(yù)測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例加上微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負值，從而避免了被控量的嚴重超調(diào)。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例加上微分(pd)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)特性。pid控制的最大優(yōu)點就是控制機理完全獨立于對象的數(shù)學(xué)模型，只用控制目標與被控對象實際行為之間誤差來產(chǎn)生消除此誤差的控制策略，這也是pid控制技術(shù)的精髓。正是這樣，它才能在控制工程實驗中得到廣泛有效的應(yīng)用。而隨著科技的進步和對控制品質(zhì)要求的提高，經(jīng)典p

30、id控制技術(shù)的缺陷越來越凸現(xiàn)出來。pid的缺陷，總體來說就是信號處理太簡單、未能充分發(fā)揮其優(yōu)點，具體說來，有四個方面：(1)產(chǎn)生誤差的方式不太合理控制目標a在過程中可以“跳變”，但是被 控對象輸出b的變化都有慣性，不可能跳變，要求讓緩變的變量b來 跟蹤能夠跳變的變量a，初始誤差很大，容易引起超調(diào)，很不合理。(2)誤差的微分信號的產(chǎn)生沒有太好的辦法 由于微分器物理不可實現(xiàn)，只能近似實現(xiàn)。 (3)誤差積分反饋的引入有很多負作用 在pid控制中，誤差積分反饋的作用是消除靜差，提高系統(tǒng)響應(yīng)的準 確性，但同時誤差積分反饋的引入，使閉環(huán)變得很遲鈍，容易產(chǎn)生振蕩，易產(chǎn)生由積分飽和引起的控制量飽和。(4)線性

31、組合不一定是最好的組合方式pid控制器給出的控制量是誤差的現(xiàn)在、過去、將來三者的線性組合。大量工程實踐表明，線性組合不一定是最好的組合方式，能否在非線性領(lǐng)域找到更加合適的組合方式是值得去探索的。對于pid存在的這些缺陷，相應(yīng)的解決辦法是：(1)安排合適的“過渡過程”；(2)合理提取“微分"-“跟蹤微分器"；(3)探討“擾動估計"辦法-“擴張狀態(tài)觀測器"；(4)探討合適的組合方法-“非線性組合”；2.2 pid控制器pid控制的本質(zhì)是一個二階線性控制器。定義：通過調(diào)整比例、積分和微分三項參數(shù)，使得大多數(shù)的工業(yè)控制系統(tǒng)獲得良好的閉環(huán)控制性能。優(yōu)點：1. 技術(shù)

32、成熟 2. 易被人們熟悉和掌握 3. 不需要建立數(shù)學(xué)模型 4. 控制效果好 5. 魯棒性 pid控制器是一種線性的控制器，它根據(jù)給定值r(t)和實際輸出值c(t)構(gòu)成控制偏差： e(t)=r(t)-c(t) (2-1) 將偏差的比例（p）、積分（i）、微分(d)通過線性組合構(gòu)成控制量，對被控對象進行控制，故稱pid控制器。其輸入e(t)與輸出u(t)的關(guān)系為 （2-2） 式中u(t)控制器(也稱調(diào)節(jié)器)的輸出；e(t)控制器的輸入（常常是設(shè)定值與被控量之差；控制器的比例放大系數(shù)； 控制器的積分時間；控制器的微分時間。pid參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響作用缺點p加快調(diào)節(jié)，減少穩(wěn)態(tài)誤差。穩(wěn)定性下降，甚至造

33、成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。i因為有誤差，積分調(diào)節(jié)就進行，直至無差.消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高無差度。加入積分調(diào)節(jié)可使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動態(tài)響應(yīng)變慢。積分作用常與另兩種調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合，組成pi調(diào)節(jié)器或pid調(diào)節(jié)器。d反映系統(tǒng)偏差信號變化率，具有預(yù)見性，能預(yù)見偏差變化的趨勢，因此能產(chǎn)生超前的控制作用。可以減少超調(diào)，減少調(diào)節(jié)時間。微分作用對噪聲干擾有放大作用，因此過強的加微分調(diào)節(jié)，對系統(tǒng)抗干擾不利。微分作用不能單獨使用，需要與另外兩種調(diào)節(jié)規(guī)蓄料目結(jié)合，組成pd或pid控制。pid參數(shù)的調(diào)整原則：pid參數(shù)的預(yù)置是相輔相成的，運行現(xiàn)場應(yīng)該根據(jù)實際的情況進行下列微調(diào)，被控物理量在目標值附近振蕩，首先加大積分時間i，如果還是有

34、振蕩，可適當減小比例增益p。被控物理量在發(fā)生變化后很難恢復(fù)，首先加大比例增益p，如果恢復(fù)較慢，可以適當?shù)臏p小積分時間i，還可以加大微分時間d。影響穩(wěn)態(tài)性能可以減少靜差，但不能消除消除靜差，但不能太大配合比例控制，可以減少靜差動態(tài)性能加快系統(tǒng)速度，但會引起震蕩太小會不穩(wěn)定，太大會影響性能太大和太小都會引起超調(diào)量大，過度時間長pid 控制器是一個在工業(yè)控制應(yīng)用中常見的反饋回路部件。這個控制器把收集到的數(shù)據(jù)和一個參考值進行比較，然后把這個差別用于計算新的輸入值，這個新的輸入值的目的是可以讓系統(tǒng)的數(shù)據(jù)達到或者保持在參考值。和其他簡單的控制運算不同，pid控制器可以根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和差別的出現(xiàn)率來調(diào)整輸入值

35、，這樣可以使系統(tǒng)更加準確，更加穩(wěn)定?？梢酝ㄟ^數(shù)學(xué)的方法證明，在其他控制方法導(dǎo)致系統(tǒng)有穩(wěn)定誤差或過程反復(fù)的情況下，一個pid反饋回路卻可以保持系統(tǒng)的穩(wěn)定。2.3 pid控制的自整定pid控制器自整定技術(shù)是近2o年來受到工業(yè)控制界和學(xué)術(shù)理論界廣泛關(guān)注并取得顯著成果的先進控制策略，并早在8o年代中期就開發(fā)研制了相應(yīng)的自整定控制器 。近年來，國際自動控制領(lǐng)域?qū)id控制器參擾、提高魯棒性、加快算法的收斂速度等方向發(fā)展 。kjastrom、c.chang、qingguo wang、zjpalmor、shshen等自整定專家不斷在幾大國際雜志上發(fā)表新的研究成果，顯示了pid 自整定技術(shù)強大的理論生命力 。

36、隨著計算機技術(shù)的發(fā)展和自整定技術(shù)的成熟，el前有關(guān)自動整定控制器的商業(yè)化產(chǎn)品已大量涌現(xiàn)，其中比較著名的如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intune 等 。而fisher control、yokogawa、eurotherra等公司紛紛在各自的工業(yè)控制器系列中也結(jié)合了不同的pid參數(shù)自動整定算法。 另外也發(fā)展了一批專用的pid整定設(shè)備可以外接到工業(yè)控制回路上。如日本t

37、oyo systems的supertuner，美國techmadon 的protuner，powell-process instruments的micon p-200 controller等，其中一些產(chǎn)品已在工業(yè)應(yīng)用中得到認可。從目前pid參數(shù)整定方法的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀來看，以下幾個方面將是今后一段時間內(nèi)研究和實踐的重點：對于單入單出被控對象，需要研究針對不穩(wěn)定對象或被控過程存在較大干擾情況下的pid參數(shù)整定方法，使其在初始化、抗干擾和魯棒性能方面進一步增強，使用最少量的過程信息及較簡單的操作就能較好地完成整定。對于多入多出被控對象，需要研究針對具有顯著耦合的多變量過程的多變量pid參數(shù)整定方法

38、，進一步完善分散繼電反饋方法，盡可能減少所需先驗信息量，使其易于在線整定。智能pid控制技術(shù)有待進一步研究，將自適應(yīng)、自整定和增益計劃設(shè)定有機結(jié)合，使其具有自動診斷功能；結(jié)合專家經(jīng)驗知識、直覺推理邏輯等專家系統(tǒng)思想和方法對原有pid控制器設(shè)計思想及整定方法進行改進；將預(yù)測控制、模糊控制和pid控制相結(jié)合，進一步提高控制系統(tǒng)性能，都是智能pid控制發(fā)展的極有前途的方向。pid控制參數(shù)的整定方法在控制系統(tǒng)設(shè)計或安裝完畢后，被控對象、測量變送器和執(zhí)行器這三部分的特性就完全確定了，不能任意改變。只能通過控制器參數(shù)的工程整定，來調(diào)整控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制質(zhì)量。pid控制參數(shù)的整定方法-概念確定調(diào)節(jié)器的比

39、例度、積分時間ti和微分時間td。整定的實質(zhì)是通過改變調(diào)節(jié)器的參數(shù)，使其特性和過程特性相匹配，以改變系統(tǒng)的動態(tài)和靜態(tài)指標，爭取最佳控制效果。最佳整定參數(shù)，在某種評價指標下，系統(tǒng)達到最佳控制狀態(tài)時，調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)規(guī)律所對應(yīng)的一組參數(shù)值。pid控制參數(shù)的整定方法-分類理論計算整定方法：對數(shù)頻率特性法、根軌跡法。這種方法需要知道數(shù)學(xué)模型。工程整定法：經(jīng)驗法、衰減曲線法、臨界比例度法、響應(yīng)曲線法。這種方法不需要事先知道過程的數(shù)學(xué)模型，可直接在系統(tǒng)中進行現(xiàn)場整定，比較簡單。幾種整定方法的比較：整定方法優(yōu) 點缺 點反應(yīng)曲線法方法簡單系統(tǒng)開環(huán)，被調(diào)量變化較大，影響生產(chǎn)穩(wěn)定邊界法系統(tǒng)閉環(huán)會出現(xiàn)被調(diào)量等幅振蕩衰減

40、曲線法系統(tǒng)閉環(huán)，安全實驗費時經(jīng)驗法系統(tǒng)閉環(huán)，不需計算需要經(jīng)驗注意：同一個系統(tǒng)，最佳整定參數(shù)可能不是唯一的。不同的pid參數(shù)組合，有時會得到十分相近的控制結(jié)果。3 系統(tǒng)的整體設(shè)計方案3.1 系統(tǒng)整體方案 圖 3.1 系統(tǒng)電路設(shè)計總框圖這次論文主要以單片機為基礎(chǔ)設(shè)計的pid控制器，外圍電路中包括電源電路、按鍵電路、顯示電路、單片機的復(fù)位、晶振電路和ad轉(zhuǎn)換電路。程序設(shè)計包括顯示程序、按鍵程序、ad轉(zhuǎn)換程序、pid算法程序等。設(shè)計四個按鍵，第一個控制pid參數(shù)，第二個實現(xiàn)加功能鍵，第三個實現(xiàn)減功能鍵 ，最后一個作為確定鍵，再做四位的數(shù)碼管顯示電路，一位顯示pid三個參數(shù)（可以以p、i、d顯示），另三

41、位作為數(shù)字顯示，就是三個參數(shù)（比例系數(shù)，積分時間常數(shù)、微分時間常數(shù)）的設(shè)定數(shù)值，通過按鍵來修改這些數(shù)值。3.2 系統(tǒng)的性能要求1.可以人為的通過控制系統(tǒng)按鍵部分控制pid三個參數(shù)數(shù)值的改變并能保持，直至重新設(shè)定另一參數(shù)值，即能實現(xiàn)參數(shù)的設(shè)定。 2.能夠在數(shù)碼管上顯示出p,i,d三個參數(shù)和參數(shù)的設(shè)定值。3.實現(xiàn)pid算法。4.系統(tǒng)的可靠性高，結(jié)構(gòu)簡單，易于維修。5.容易實現(xiàn)，成本低。 3.3 主控模塊3.3.1 單片機單片機的定義單片機是一種把處理器cpu、只讀存儲器rom、隨機存儲器ram、多種i/o口等功能集成到一塊芯片上的完善而小的計算機系統(tǒng)。單片機也被稱為微控制（microcontrol

42、ler unit），常用英文字母的縮寫mcu表示單片機，它最早是被用在工業(yè)控制領(lǐng)域。單片機的發(fā)展過程（1） 單芯片微機的形成階段intel公司在1976年推出了mcs-48系列單片機。8位cpu、1k字節(jié)rom、64字節(jié)pam、27根i/o線和一個8位定時/計數(shù)器。特點：存儲器容量小，尋址范圍?。ú淮笥?k），無串行接口，指令系統(tǒng)功能不算強。 (2) 性能完善提高階段1980年，intel公司推出了mcs-51系列的單片機：8位cpu、4k字節(jié)rom、128字節(jié)ram、4個8位并口、1個全雙工串行口、2個16位定時/計數(shù)器。尋址范圍64k，并有控制功能較強的布爾處理器。特點：結(jié)構(gòu)體系完善，性能

43、已大大提高，面向控制的特點進一步突出?，F(xiàn)在mcs-51已成為公認的單片機經(jīng)典種類 。（3） 微控制器化階段1982年，又是intel推出mcs-96系列單片機。芯片內(nèi)集成：16位cpu、8k字節(jié)rom、232字節(jié)ram、5個8位并口、1個全雙工串行口、2個16位定時/計數(shù)器。尋址范圍64k。片上還有8路10位adc、1路pwm輸出及高速i/o部件等。特點：片內(nèi)面向測控系統(tǒng)電路增強，使之可以方便靈活地用于復(fù)雜的自動測控系統(tǒng)及設(shè)備?！拔⒖刂破鳌钡姆Q謂更能反應(yīng)單片機的本質(zhì)。國內(nèi)人們使用最廣泛的是mcs-51系列單片機。因此我們需要學(xué)好、掌握mcs51系列單片機技術(shù)。51系列的產(chǎn)品有很多，比如：atm

44、el公司融入flash存儲器技術(shù)的at89系列philips公司的80c51、80c552系列華邦公司的w78c51、w77c51高速低價系列adi公司的adc8xx高精度adc系列l(wèi)g公司的gms90/97低壓高速系列maxim公司的ds89c420高速（50mips）系列cygnal公司的c8051f系列高速soc單片機非51結(jié)構(gòu)單片機新品不斷推出，給用戶提供了更為廣泛的選擇空間 ，近年來推出的非51系列的主要產(chǎn)品有：intel的mcs-96系列16位單片機microchip的pic系列risc單片機 ti的msp430f系列16位低功耗單片機單片機的廣泛選擇 分別有 motorola公司

45、的 motorola單片機、microchip單片機、scenix單片機 、nec單片機、東芝單片機、富士通單片機、epson單片機、intel公司的8051單片機、zilog單片機、美國國家半導(dǎo)體公司的ns單片機、三星單片機、華邦單片機?？傮w上看，美國著名公司的單片機技術(shù)仍處于領(lǐng)先的地位，特別是在高端產(chǎn)品方面，高性能的新穎的單片機不斷的推出。而日本在單片機制造業(yè)方面也有相當?shù)膬?yōu)勢，在積極爭奪家電產(chǎn)品的大客戶。韓國及我國臺灣省的一些公司在引進美國技術(shù)的基礎(chǔ)上，以低價位的兼容產(chǎn)品搶占中國的市場。另一方面，如此琳瑯滿目的單片機品種，著實給單片機應(yīng)用的工程師提供了巨大的選擇空間。這么多種單片機能進入

46、中國市場，這就說明了我們的應(yīng)用工程師已經(jīng)能夠綜合各類單片機的性能、價格等方面的一些因素，并結(jié)合實用對象進行選擇。相對過去以剖析、復(fù)制外國產(chǎn)品為主的思路有了相當?shù)母倪M。隨著我國經(jīng)濟實力的不斷增長，開發(fā)新產(chǎn)品的思路上以前那種過多注重價格因素而使新產(chǎn)品開發(fā)上不了檔次的弱點有所改善，開始注意使用當前最先進的單片機開發(fā)高檔次產(chǎn)品。各單片機廠商在開發(fā)工具以及技術(shù)服務(wù)方面也進行著激烈的競爭，這種競爭與推出新型的單片機以顯示高技術(shù)方面的優(yōu)勢是相輔相成的。競爭的結(jié)果是為單片機應(yīng)用工程師提供更廣闊的選擇空間，而最終受益的是單片機產(chǎn)品的消費者。由于單片機對各行各業(yè)都有用，這種電子技術(shù)的進步導(dǎo)致各行各業(yè)的進步，也帶動

47、了人類文明的不斷進步。看單片機的發(fā)展過程，可以預(yù)示單片機的發(fā)展趨勢，大致有： 低功耗cmos化微型單片機主流與多品種共存單片機的特點(1) 控制性能好、可靠性高可對i/o端口直接操作，位操作能力更是其它計算機無法比擬的。由于cpu、存儲器及i/o接口集成在同一芯片內(nèi)，數(shù)據(jù)在傳送時受干擾的影響較小，而且不易受環(huán)境條件的影響。 (2) 體積小、價格低、易于產(chǎn)品化 應(yīng)用系統(tǒng)的印制板減小、安裝簡單方便、接插件減少。（3）低電壓，低功耗，便于生產(chǎn)便攜式產(chǎn)品 （4）易擴展 單片機內(nèi)具有計算機正常運行必需的部件。芯片外部有許多供擴展用的三總線及并行、串行輸入/輸出管腳，很容易構(gòu)成各種規(guī)模的計算機應(yīng)用系統(tǒng)。

48、（5）優(yōu)異的性能價格比 單片機的性能極高。為了提高速度和運行效率，單片機已經(jīng)開始使用risc流水線和dsp等技術(shù)。單片機的尋址能力也突破64kb的限制，有的已可達到1mb和16mb，片內(nèi)的rom容量可達62mb，ram容量則可達2mb。由于單片機的廣泛使用，因而銷量極大，各大公司的商業(yè)競爭更加使其價格低廉，其性能價格比極高。 單片機的應(yīng)用領(lǐng)域主要的幾個方面：(1) 智能儀器儀表 (2) 機電一體化產(chǎn)品(3) 實時工業(yè)控制(4) 家用電器目前單片機滲透到人們生活的各個領(lǐng)域，幾乎很難找到哪個領(lǐng)域沒有單片機的蹤跡。導(dǎo)彈的導(dǎo)航裝置，飛機上各種儀表的控制，計算機的網(wǎng)絡(luò)通訊與數(shù)據(jù)傳輸，工業(yè)自動化過程的實時

49、控制和數(shù)據(jù)處理，廣泛使用的各種智能ic卡，民用豪華轎車的安全保障系統(tǒng)，錄像機、攝像機、全自動洗衣機的控制，以及程控玩具、電子寵物等等，這些都離不開單片機。更不用說家用電器，汽車設(shè)備領(lǐng)域，計算機網(wǎng)絡(luò)和通信領(lǐng)域，自動控制領(lǐng)域的機器人、智能儀表、醫(yī)療器械以及各種智能機械了。因此，單片機的學(xué)習(xí)、開發(fā)與應(yīng)用將造就一批又計算機應(yīng)用與智能化控制的科學(xué)家、工程師。 此外，單片機在工商，金融，科研、教育，國防航空航天等領(lǐng)域都有著十分廣泛的應(yīng)用。 對于明確的應(yīng)用對象，選擇功能過少的單片機，會無法完成控制任務(wù)，達不到要求；選擇功能過強的單片機，則會造成資源浪費，使產(chǎn)品的性能價格比下降。目前，市面上的單片機不僅種類繁

50、多，而且在性能方面也各有不同。在實際應(yīng)用中，針對不同的需求要選擇合適的單片機，選擇單片機時要注意下幾點：(1)單片機的基本性能參數(shù)；(2)單片機的增強功能；(3)單片機的存儲介質(zhì)；(4)芯片的封裝形式；(5)芯片工作溫度范圍符合工業(yè)級、軍品級還是商業(yè)級；(6)單片機的工作電壓范圍；(7)單片機的抗干擾性能好；(8)單片機開發(fā)是否支持高級語言以及編程環(huán)境要好用易學(xué)；根據(jù)上面的原則和本次系統(tǒng)設(shè)計的要求，我們選擇了8051單片機作為主控模塊的核心芯片。3.3.2 8051單片機8051單片機的特點 ：8051單片機可分為rom型和無rom型兩種，無rom型的芯片，必須外接eprom才能應(yīng)用（典型芯片

51、為8031），rom型芯片又分為eprom型（典型芯片為8751）、flash型（典型芯片為89c51）、掩膜rom型（典型芯片為8051 ）、一次性可編程rom（otp）的芯片（典型芯片為97c51）。8051單片機的基本組成時鐘電路sfr和ram romcpu定時/計數(shù)器并行端口中斷系統(tǒng)串行端口系 統(tǒng) 總 線時鐘源t0 t1p0 p1 p2 p3txd rxd int0 int1 圖 3.2 8051單片機的基本組成一個8051單片機包含下列部件 （1）一個8位微處理器cpu。 （2）片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器ram和特殊功能寄存器sfr。 （3）片內(nèi)程序存儲器rom。 （4）兩個定時/計數(shù)器t0、t

52、1，可用作定時器，也可用以 對外部脈沖進行計數(shù)。 （5）四個8位可編程的并行i/o端口，每個端口既可作輸 入，也可作輸出。 （6）一個串行端口，用于數(shù)據(jù)的串行通信。 （7）中斷控制系統(tǒng)。 （8）內(nèi)部時鐘電路。通道0驅(qū)動器通道2驅(qū)動器ram地址鎖存器ram通道0鎖存器通道2鎖存器rom/epromb寄存器程序地址寄存器緩沖器pc遞增器程序計數(shù)器pc數(shù)據(jù)指針dptrvccgndp1.0p1.7堆棧指針spacctmp2psw通道3鎖存器通道1鎖存器通道1驅(qū)動器通道3驅(qū)動器tmp1scontmodpcontcontl0th1th0tl1iesbuf(tx/rx)ip中斷、串行口和定時器邏輯振蕩器p3.0p3.7rsteaalepsenxtal2xtal1alu(+5v)指令寄存器定時和控制邏輯指令譯碼器8051單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)通道0驅(qū)動器通道2驅(qū)動器ram地址鎖存器ram通道0鎖存器通道2鎖存器rom/epromb寄存器程序地址寄存器緩沖器pc遞增器程序計數(shù)器pc數(shù)據(jù)指針dptrvccgndp1.0p1.7堆棧指針spacctmp2psw通道3鎖存器通道1鎖存器通道1驅(qū)動器通道3驅(qū)動器tmp1scontmodpcontcontl0th1th0tl1iesbuf(tx/rx)ip中斷、串行口和定時器邏輯振