【正文】 控量，經(jīng)過(guò)傳感器，變送器，通過(guò)輸入接口送到控制器。不同的控制系統(tǒng)，它們的傳感器、變送器、執(zhí)行機(jī)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(shí)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(kāi)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(dòng)調(diào)整是通過(guò)智能化調(diào)整或自校正、自適應(yīng)算法來(lái)實(shí)現(xiàn)。有利用 PID 控制實(shí)現(xiàn)的壓力、溫度、流量、液位控制器，能實(shí)現(xiàn) PID 控制功能的可編程控制器 (PLC)，還有可實(shí)現(xiàn) PID 控制的 PC 系統(tǒng)等等。 PID 控制是最實(shí)用化的控制方式，指的是一項(xiàng)流行的線性控制策略，它是對(duì)偏差信號(hào) e(t)進(jìn)行比例、積分、 微分運(yùn)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(shí)際中得到了廣泛的應(yīng)用，很多大公司都開(kāi)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(jiǎn)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(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或者當(dāng)使用者得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它技術(shù)很難采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確定，這時(shí)用 PID 控制技術(shù)是最方便的。即使當(dāng)我們 不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象﹐或不能通過(guò)有效的測(cè)量手 段來(lái)得到系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合用的也是 PID 控制技術(shù)。 PID 控制，實(shí)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(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。模擬 PID 控制系統(tǒng)的原理框圖（如圖 所示），系統(tǒng)由模擬 PID 控制器和被控對(duì)象組成。 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文 ） 2 圖 模擬 PID 控制系統(tǒng)原理框圖 PID 控制的發(fā)展和趨勢(shì) PID 控制技術(shù)的發(fā)展可以分為兩個(gè)階段。 20 世紀(jì)的 30 年代晚期微分 控制的加入標(biāo)志著 PID 控制成為一種標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu) ,也是 PID 控制兩個(gè)發(fā)展階段的分水嶺。第一個(gè)階段為發(fā)明階段 ( 1900 ～ 1940 ) 。 PID 控制的思想逐漸明確，氣動(dòng)反饋放大器被發(fā)明 ,儀表工業(yè)的重心被放在實(shí)際 PID 控制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(dòng)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(dòng)化儀表公司對(duì) PID 控制器的早期發(fā)展做出重要貢獻(xiàn) ,甚至可以說(shuō) PID 控制器完全是在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中被發(fā)明并逐步完善起來(lái)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(dòng)控制器以及同時(shí)期 Foxboro 儀器公司推出的帶有所謂“ Hyper2re2set”功能的“ Stabilog”氣動(dòng)控制器都是最早出現(xiàn)的具有完整結(jié)構(gòu)的 PID 控制器?！?Pre2act”與“ Haper2re2set”功能實(shí)際都是在控制器中加入了微分控制。 1974 年英國(guó)倫敦大學(xué) 教授 是國(guó)外最早取得應(yīng)用成果的，他先利用模糊控制語(yǔ)句組的模糊控制器，用于鍋爐和汽輪機(jī)的運(yùn)行控制； 我國(guó)的模糊控制理論和研究工作是在 1979 年開(kāi)始的，如對(duì)模糊控制系中國(guó)礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文 ） 3 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(duì)模糊控制器和 PID 控制器的關(guān)系進(jìn)行研究， 1985 年，徐承偉提出模糊控制器輸出與被控對(duì)象之間存在積分作用； 1987 年胡家耀在這基礎(chǔ)上提出 FuzzyPI 調(diào)節(jié)器，用于退火爐燃燒過(guò)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(jī)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(dāng)爐溫在 11001300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(jī)實(shí)現(xiàn)爐溫控制，采 BangBang和 PID 相結(jié)合的算法，達(dá)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(kāi)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(shí)間，大大提高了控制精度最大超調(diào)量小于 1 度； DESBOROUGH 和 MILLER 在 2020 年的一次統(tǒng)計(jì)報(bào)告中指出，目前在美國(guó)有超過(guò) 11600 個(gè)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(duì)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(lái)了機(jī)遇和挑戰(zhàn)。 PID 控制的優(yōu)點(diǎn)很多： 首先， PID 應(yīng)用范圍廣。雖然很多工業(yè)過(guò)程是非線性或時(shí)變的，但通過(guò)對(duì)其簡(jiǎn)化可以變成基本線性和動(dòng)態(tài)特性不隨時(shí)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(guò)程的動(dòng)態(tài)特性及時(shí)整定。如果過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性變化，例如可能由負(fù)載的變化引起系統(tǒng)動(dòng)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(shí)踐中也不斷的得到改進(jìn)。在一些情況下針對(duì)特定的系統(tǒng)設(shè)計(jì)的 PID控制器控制得很好，但仍不可否認(rèn) PID也有其固有的缺點(diǎn)：PID 在控制非線性、時(shí)變、耦合及參數(shù)和結(jié)構(gòu)不確定的復(fù)雜過(guò)程時(shí)，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(guò)程，無(wú)論怎么調(diào)參數(shù)都沒(méi)用。雖然有這些缺點(diǎn)， PID 控制器是最簡(jiǎn)單的有時(shí)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(shí)用控制 器。各種現(xiàn)代控制技術(shù)的出現(xiàn)并沒(méi)有減弱 PID 控制器的應(yīng)用 ,相反 ,新技術(shù)的出現(xiàn)對(duì)于 PID 控制技術(shù)的發(fā)展起了很大的作用。一方面 ,各種新的好的控制思想不斷被應(yīng)用于 PID中國(guó)礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文 ） 4 控制器的設(shè)計(jì)當(dāng)中或者是使用新的控制思想設(shè)計(jì)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(jì)與參數(shù)整定技術(shù)的發(fā)展。 在實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)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(duì)運(yùn)行工況的適應(yīng)性很差。針對(duì)這些問(wèn)題，長(zhǎng)期以來(lái)， 人們一直在尋求 PID 控制器參數(shù)的自動(dòng)整定技術(shù)，以適應(yīng)復(fù)雜的工況和高指標(biāo)的控制要求。隨著微處理機(jī)技術(shù)的發(fā)展和數(shù)字智能式控制器的實(shí)際應(yīng)用，這種設(shè)想已變成了現(xiàn)實(shí)。同時(shí)，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 )研究和應(yīng)用的發(fā)展與深人，為控制復(fù)雜無(wú)規(guī)則系統(tǒng)開(kāi)辟了新途徑。近年來(lái)，出現(xiàn)了許多新型 PID 控制器，如瑞典著名學(xué)者 PID 自整定控制器，對(duì)于復(fù)雜對(duì)象、其控制效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)常規(guī) PID 控制。 尤其引人注目是近些年來(lái)電氣傳動(dòng)及機(jī)電控制等非自動(dòng)儀表傳統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域，又都采 用了 PID，可以說(shuō) PID 應(yīng)用領(lǐng)域已大為擴(kuò)大。國(guó)際著名自動(dòng)化儀表廠商都十分注意 PID 功能的應(yīng)用，如 20 世紀(jì) 70 年代至 80 年代中期，從 DCS 的 PID 組態(tài)，擴(kuò)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(guó) Foxboro 公司的 Exact 自整定調(diào)節(jié)器、日本橫河機(jī)電株式會(huì)社的 YS80 專家自整定調(diào)節(jié)器）。 運(yùn)用單片機(jī)設(shè)計(jì)的控制器有很多的用途，比如用單片機(jī)的全自動(dòng)鍋爐壓力控制器，該系統(tǒng)能根據(jù)鍋爐現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的各個(gè)狀態(tài)做出實(shí)時(shí)精確的自動(dòng)控制，如 實(shí)現(xiàn)溫度、壓力、水位等的監(jiān)控，數(shù)碼管顯示、報(bào)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(jìn)行溫度控制，能克服普通的單片機(jī)PID 溫度控制系統(tǒng)的一些不足之處，讓它達(dá)到令人較為滿意的控制效果。 論文研究的內(nèi)容和結(jié)構(gòu)安排 在對(duì) PID 控制的發(fā)展現(xiàn)狀、 PID 控制器的特點(diǎn)和單片機(jī)的結(jié)構(gòu)等知識(shí)的閱讀和了解，設(shè)計(jì)一個(gè)基于單片機(jī)的 PID 控制器。論文主要結(jié)構(gòu)，第一章緒論，簡(jiǎn)單介紹了 PID 控制在現(xiàn)在社會(huì)的應(yīng)用和 PID 控制的發(fā)展和趨勢(shì)。第二章簡(jiǎn)單介紹了 PID 控制的特點(diǎn)和原理還有 PID 整定的一些方法和特點(diǎn)。第三章主要是 整個(gè)論文的設(shè)計(jì)方案和設(shè)計(jì)的性能要求，單片機(jī)的選擇、引腳功能和現(xiàn)在單片機(jī)的一些類(lèi)型和特點(diǎn)還有單片機(jī)的工作原理。第四章主要是對(duì)電中國(guó)礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文 ） 5 路的設(shè)計(jì)，包括電源電路、按鍵電路、顯示電路、 AD 轉(zhuǎn)換電路和單片機(jī)的復(fù)位和晶振電路。第五章主要是軟件設(shè)計(jì)，有軟件的介紹和程序的設(shè)計(jì)，程序設(shè)計(jì)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(jì)的流程圖和仿真圖。第六章是對(duì)本次設(shè)計(jì)的總結(jié)，主要有這次論文的不足和對(duì) PID 控制的展望。 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文 ） 6 2 PID 控制 PID 控制的特點(diǎn)和原理 在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的 調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡(jiǎn)稱 PID 控制，又稱 PID 調(diào)節(jié)。 PID 控制，實(shí)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(jì)算出控制量來(lái)進(jìn)行控制的。 比例（ P）控制 比例控制是一種最簡(jiǎn)單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（ Steadystate 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(hào)的積分成正比關(guān)系。對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的 或簡(jiǎn)稱有差系統(tǒng)（ System with Steadystate Error）。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)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(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無(wú)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(hào)的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過(guò)程中可能會(huì)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(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說(shuō)，在控制器中僅僅引入“比例”項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項(xiàng)”，它能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)，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(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。所以對(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì)象，比例加上微分 (PD)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過(guò)程中中國(guó)礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文 ） 7 的動(dòng)態(tài)特性。 PID 控制的最大優(yōu)點(diǎn)就是控制機(jī)理完全獨(dú)立于對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，只用控制目標(biāo)與被控對(duì)象實(shí)際行為之間誤差來(lái)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(shí)驗(yàn)中得到廣泛有效的應(yīng)用。而隨著科技的進(jìn)步和對(duì)控制品質(zhì)要求的提高，經(jīng)典 PID 控制技術(shù)的缺陷越來(lái)越凸現(xiàn)出來(lái)。 PID 的缺陷，總體來(lái)說(shuō)就是信號(hào)處理太簡(jiǎn)單、未能充分發(fā)揮其優(yōu)點(diǎn)，具體說(shuō)來(lái)，有四個(gè)方面： (1)產(chǎn)生誤差的方式不太合理控制目標(biāo) A 在過(guò)程中可以“跳變”，但是被 控對(duì)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(lái) 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(hào)的產(chǎn)生沒(méi)有太好的辦法 由于微分器物理不可實(shí)現(xiàn)，只能近似實(shí)現(xiàn)。 (3)誤差積分反饋的引入有很多負(fù)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(zhǔn) 確性，但同時(shí)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(guò)去、將來(lái) 三者的線性組 合。大量工程實(shí)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(duì)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(guò)渡過(guò)程”； (2)合理提取“微分 “跟蹤微分器 ； (3)探討“擾動(dòng)估計(jì) 辦法 “擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器 ； (4)探討合適的組合方法 “非線性組合”；