【正文】 被控對(duì)象進(jìn)行控制，故稱PID控制器。其輸入e(t)與輸出u(t)的關(guān)系為 （22） 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(shí)間；——控制器的微分時(shí)間。PID參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響作用缺點(diǎn)P加快調(diào)節(jié)，減少穩(wěn)態(tài)誤差。穩(wěn)定性下降，甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。I因?yàn)橛姓`差，積分調(diào)節(jié)就進(jìn)行，提高無(wú)差度。加入積分調(diào)節(jié)可使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動(dòng)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(hào)變化率，具有預(yù)見(jiàn)性，能預(yù)見(jiàn)偏差變化的趨勢(shì)，因此能產(chǎn)生超前的控制作用?？梢詼p少超調(diào)，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。微分作用對(duì)噪聲干擾有放大作用，因此過(guò)強(qiáng)的加微分調(diào)節(jié)，對(duì)系統(tǒng)抗干擾不利。微分作用不能單獨(dú)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(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)該根據(jù)實(shí)際的情況進(jìn)行下列微調(diào)，被控物理量在目標(biāo)值附近振蕩，首先加大積分時(shí)間I，如果還是有振蕩，可適當(dāng)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(dāng)?shù)臏p小積分時(shí)間I，還可以加大微分時(shí)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(dòng)態(tài)性能加快系統(tǒng)速度，但會(huì)引起震蕩太小會(huì)不穩(wěn)定，太大會(huì)影響性能太大和太小都會(huì)引起超調(diào)量大，過(guò)度時(shí)間長(zhǎng)PID 控制器是一個(gè)在工業(yè)控制應(yīng)用中常見(jiàn)的反饋回路部件。這個(gè)控制器把收集到的數(shù)據(jù)和一個(gè)參考值進(jìn)行比較，然后把這個(gè)差別用于計(jì)算新的輸入值，這個(gè)新的輸入值的目的是可以讓系統(tǒng)的數(shù)據(jù)達(dá)到或者保持在參考值。和其他簡(jiǎn)單的控制運(yùn)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(lái)調(diào)整輸入值，這樣可以使系統(tǒng)更加準(zhǔn)確，更加穩(wěn)定?？梢酝ㄟ^(guò)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(guò)程反復(fù)的情況下，一個(gè)PID反饋回路卻可以保持系統(tǒng)的穩(wěn)定。 PID控制的自整定PID控制器自整定技術(shù)是近2O年來(lái)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(jìn)控制策略，并早在8O年代中期就開(kāi)發(fā)研制了相應(yīng)的自整定控制器 。近年來(lái)，國(guó)際自動(dòng)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 。K．J．Astrom、．Hang、Qingguo Wang、Z．J．Palmor、S．H．Shen等自整定專家不斷在幾大國(guó)際雜志上發(fā)表新的研究成果，顯示了PID 自整定技術(shù)強(qiáng)大的理論生命力 。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和自整定技術(shù)的成熟，El前有關(guān)自動(dòng)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(dòng)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Toyo Systems的Supertuner，美國(guó)Techmadon 的Protuner，PowellProcess Instruments的Micon P200 Controller等，其中一些產(chǎn)品已在工業(yè)應(yīng)用中得到認(rèn)可。從目前PID參數(shù)整定方法的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀來(lái)看，以下幾個(gè)方面將是今后一段時(shí)間內(nèi)研究和實(shí)踐的重點(diǎn)：①對(duì)于單入單出被控對(duì)象，需要研究針對(duì)不穩(wěn)定對(duì)象或被控過(guò)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(jìn)一步增強(qiáng)，使用最少量的過(guò)程信息及較簡(jiǎn)單的操作就能較好地完成整定。②對(duì)于多入多出被控對(duì)象，需要研究針對(duì)具有顯著耦合的多變量過(guò)程的多變量PID參數(shù)整定方法，進(jìn)一步完善分散繼電反饋方法，盡可能減少所需先驗(yàn)信息量，使其易于在線整定。③智能PID控制技術(shù)有待進(jìn)一步研究，將自適應(yīng)、自整定和增益計(jì)劃設(shè)定有機(jī)結(jié)合，使其具有自動(dòng)診斷功能；結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn)知識(shí)、直覺(jué)推理邏輯等專家系統(tǒng)思想和方法對(duì)原有PID控制器設(shè)計(jì)思想及整定方法進(jìn)行改進(jìn)；將預(yù)測(cè)控制、模糊控制和PID控制相結(jié)合，進(jìn)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(jì)或安裝完畢后，被控對(duì)象、測(cè)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(guò)控制器參數(shù)的工程整定，來(lái)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)器的比例度δ、積分時(shí)間TI和微分時(shí)間TD。整定的實(shí)質(zhì)是通過(guò)改變調(diào)節(jié)器的參數(shù)，使其特性和過(guò)程特性相匹配，以改變系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)指標(biāo)，爭(zhēng)取最佳控制效果。最佳整定參數(shù)，在某種評(píng)價(jià)指標(biāo)下，系統(tǒng)達(dá)到最佳控制狀態(tài)時(shí)，調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)規(guī)律所對(duì)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(jì)算整定方法：對(duì)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(yàn)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(guò)程的數(shù)學(xué)模型，可直接在系統(tǒng)中進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)整定，比較簡(jiǎn)單。幾種整定方法的比較：整定方法優(yōu) 點(diǎn)缺 點(diǎn)反應(yīng)曲線法方法簡(jiǎn)單系統(tǒng)開(kāi)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(huì)出現(xiàn)被調(diào)量等幅振蕩衰減曲線法系統(tǒng)閉環(huán)，安全實(shí)驗(yàn)費(fèi)時(shí)經(jīng)驗(yàn)法系統(tǒng)閉環(huán)，不需計(jì)算需要經(jīng)驗(yàn)注意：同一個(gè)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(shí)會(huì)得到十分相近的控制結(jié)果。3 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案 系統(tǒng)整體方案 圖 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)總框圖這次論文主要以單片機(jī)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)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(jī)的復(fù)位、晶振電路和AD轉(zhuǎn)換電路。程序設(shè)計(jì)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(jì)四個(gè)按鍵，第一個(gè)控制PID參數(shù)，第二個(gè)實(shí)現(xiàn)加功能鍵，第三個(gè)實(shí)現(xiàn)減功能鍵 ，最后一個(gè)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(gè)參數(shù)（可以以P、I、D顯示），另三位作為數(shù)字顯示，就是三個(gè)參數(shù)（比例系數(shù)，積分時(shí)間常數(shù)、微分時(shí)間常數(shù)）的設(shè)定數(shù)值，通過(guò)按鍵來(lái)修改這些數(shù)值。 系統(tǒng)的性能要求 的改變并能保持，直至重新設(shè)定另一參數(shù)值，即能實(shí)現(xiàn)參數(shù)的設(shè)定。 ,I,D三個(gè)參數(shù)和參數(shù)的設(shè)定值。，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于維修。，成本低。 主控模塊 單片機(jī)單片機(jī)的定義單片機(jī)是一種把處理器CPU、只讀存儲(chǔ)器ROM、隨機(jī)存儲(chǔ)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)。單片機(jī)也被稱為微控制（Microcontroller Unit），常用英文字母的縮寫(xiě)MCU表示單片機(jī)，它最早是被用在工業(yè)控制領(lǐng)域。單片機(jī)的發(fā)展過(guò)程（1） 單芯片微機(jī)的形成階段Intel公司在1976年推出了MCS48系列單片機(jī)。8位CPU、1K字節(jié)ROM、64字節(jié)PAM、27根I/O線和一個(gè)8位定時(shí)/計(jì)數(shù)器。特點(diǎn)：存儲(chǔ)器容量小，尋址范圍?。ú淮笥?K），無(wú)串行接口，指令系統(tǒng)功能不算強(qiáng)。 (2) 性能完善提高階段1980年，Intel公司推出了MCS51系列的單片機(jī)：8位CPU、4K字節(jié)ROM、128字節(jié)RAM、4個(gè)8位并口、1個(gè)全雙工串行口、2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器。尋址范圍64K，并有控制功能較強(qiáng)的布爾處理器。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)體系完善，性能已大大提高，面向控制的特點(diǎn)進(jìn)一步突出。現(xiàn)在MCS51已成為公認(rèn)的單片機(jī)經(jīng)典種類 。（3） 微控制器化階段1982年，又是Intel推出MCS96系列單片機(jī)。芯片內(nèi)集成：16位CPU、8K字節(jié)ROM、232字節(jié)RAM、5個(gè)8位并口、1個(gè)全雙工串行口、2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)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(diǎn)：片內(nèi)面向測(cè)控系統(tǒng)電路增強(qiáng)，使之可以方便靈活地用于復(fù)雜的自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)及設(shè)備。“微控制器”的稱謂更能反應(yīng)單片機(jī)的本質(zhì)。國(guó)內(nèi)人們使用最廣泛的是MCS51系列單片機(jī)。因此我們需要學(xué)好、掌握MCS51系列單片機(jī)技術(shù)。51系列的產(chǎn)品有很多，比如：ATMEL公司融入Flash存儲(chǔ)器技術(shù)的AT89系列Philips公司的80C580C552系列華邦公司的W78C5W77C51高速低價(jià)系列ADI公司的ADμC8xx高精度ADC系列LG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(jī)非51結(jié)構(gòu)單片機(jī)新品不斷推出，給用戶提供了更為廣泛的選擇空間 ，近年來(lái)推出的非51系列的主要產(chǎn)品有：Intel的MCS96系列16位單片機(jī)Microchip的PIC系列RISC單片機(jī) TI的MSP430F系列16位低功耗單片機(jī)單片機(jī)的廣泛選擇 分別有 MOTOROLA公司的 MOTOROLA單片機(jī)、Microchip單片機(jī)、Scenix單片機(jī) 、NEC單片機(jī)、東芝單片機(jī)、富士通單片機(jī)、Epson單片機(jī)、Intel公司的8051單片機(jī)、Zilog單片機(jī)、美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司的NS單片機(jī)、三星單片機(jī)、華邦單片機(jī)。總體上看，美國(guó)著名公司的單片機(jī)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(jī)不斷的推出。而日本在單片機(jī)制造業(yè)方面也有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢(shì)，在積極爭(zhēng)奪家電產(chǎn)品的大客戶。韓國(guó)及我國(guó)臺(tái)灣省的一些公司在引進(jìn)美國(guó)技術(shù)的基礎(chǔ)上，以低價(jià)位的兼容產(chǎn)品搶占中國(guó)的市場(chǎng)。另一方面，如此琳瑯滿目的單片機(jī)品種，著實(shí)給單片機(jī)應(yīng)用的工程師提供了巨大的選擇空間。這么多種單片機(jī)能進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)，這就說(shuō)明了我們的應(yīng)用工程師已經(jīng)能夠綜合各類單片機(jī)的性能、價(jià)格等方面的一些因素，并結(jié)合實(shí)用對(duì)象進(jìn)行選擇。相對(duì)過(guò)去以剖析、復(fù)制外國(guó)產(chǎn)品為主的思路有了相當(dāng)?shù)母倪M(jìn)。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)實(shí)力的不斷增長(zhǎng)，開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品的思路上以前那種過(guò)多注重價(jià)格因素而使新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)上不了檔次的弱點(diǎn)有所改善，開(kāi)始注意使用當(dāng)前最先進(jìn)的單片機(jī)開(kāi)發(fā)高檔次產(chǎn)品。各單片機(jī)廠商在開(kāi)發(fā)工具以及技術(shù)服務(wù)方面也進(jìn)行著激烈的競(jìng)爭(zhēng)，這種競(jìng)爭(zhēng)與推出新型的單片機(jī)以顯示高技術(shù)方面的優(yōu)勢(shì)是相輔相成的。競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果是為單片機(jī)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(jī)產(chǎn)品的消費(fèi)者。由于單片機(jī)對(duì)各行各業(yè)都有用，這種電子技術(shù)的進(jìn)步導(dǎo)致各行各業(yè)的進(jìn)步，也帶動(dòng)了人類文明的不斷進(jìn)步。看單片機(jī)的發(fā)展過(guò)程，可以預(yù)示單片機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)，大致有： 低功耗CMOS化微型單片機(jī)主流與多品種共存單片機(jī)的特點(diǎn)(1) 控制性能好、可靠性高可對(duì)I/O端口直接操作，位操作能力更是其它計(jì)算機(jī)無(wú)法比擬的。由于CPU、存儲(chǔ)器及I/O接口集成在同一芯片內(nèi)，數(shù)據(jù)在傳送時(shí)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(jià)格低、易于產(chǎn)品化 應(yīng)用系統(tǒng)的印制板減小、安裝簡(jiǎn)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(kuò)展 單片機(jī)內(nèi)具有計(jì)算機(jī)正常運(yùn)行必需的部件。芯片外部有許多供擴(kuò)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(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。 （5）優(yōu)異的性能價(jià)格比 單片機(jī)的性能極高。為了提高速度和運(yùn)行效率，單片機(jī)已經(jīng)開(kāi)始使用RISC流水線和DSP等技術(shù)。單片機(jī)的尋址能力也突破64KB的限制，有的已可達(dá)到1MB和16MB，片內(nèi)的ROM容量可達(dá)62MB，RAM容量則可達(dá)2MB。由于單片機(jī)的廣泛使用，因而銷量極大，各大公司的商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)更加使其價(jià)格低廉，其性能價(jià)格比極高。 單片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域主要的幾個(gè)方面：(1) 智能儀器儀表 (2) 機(jī)電一體化產(chǎn)品(3) 實(shí)時(shí)工業(yè)控制(4) 家用電器目前單片機(jī)滲透到人們生活的各個(gè)領(lǐng)域，幾乎很難找到哪個(gè)領(lǐng)域沒(méi)有單片機(jī)的蹤跡。導(dǎo)彈的導(dǎo)航裝置，飛機(jī)上各種儀表的控制，計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通訊與數(shù)據(jù)傳輸，工業(yè)自動(dòng)化過(guò)程的實(shí)時(shí)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(jī)、攝像機(jī)、全自動(dòng)洗衣機(jī)的控制，以及程控玩具、電子寵物等等，這些都離不開(kāi)單片機(jī)。更不用說(shuō)家用電器，汽車設(shè)備領(lǐng)域，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通信領(lǐng)域，自動(dòng)控制領(lǐng)域的機(jī)器人、智能儀表、醫(yī)療器械以及各種智能機(jī)械了。因此，單片機(jī)的學(xué)習(xí)、開(kāi)發(fā)與應(yīng)用將造就一批又計(jì)算機(jī)應(yīng)用與智能化控制的科學(xué)家、工程師。 　　此外，單片機(jī)在工商，金融，科研、教育，國(guó)防航空航天等領(lǐng)域都有著十分廣泛的應(yīng)用。 對(duì)于明確的應(yīng)用對(duì)象，選擇功能過(guò)少的單片機(jī)，會(huì)無(wú)法完成控制任務(wù)，達(dá)不到要求；選擇功能過(guò)強(qiáng)的單片機(jī)，則會(huì)造成資源浪費(fèi)，使產(chǎn)品的性能價(jià)格比下降。目前，市面上的單片機(jī)不僅種類繁多，而且在性能方面也各有不同。在實(shí)際應(yīng)用中，針對(duì)不同的需求要選擇合適的單片機(jī)，選擇單片機(jī)時(shí)要注意下幾點(diǎn)：(1)單片機(jī)的基本性能參數(shù)；(2)單片機(jī)的增強(qiáng)功能；(3)單片機(jī)的存儲(chǔ)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(jí)、軍品級(jí)還是商業(yè)級(jí)；(6)單片機(jī)的工作電壓范圍；(7)單片機(jī)的抗干擾性能好；(8)單片機(jī)開(kāi)發(fā)是否支持高級(jí)語(yǔ)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(jì)的要求，我們選擇了8051單片機(jī)作為主控模塊的核心芯片。 8051單片機(jī)8051單片機(jī)的特點(diǎn) ：8051單片機(jī)可分為ROM型和無(wú)ROM型兩種，無(wú)ROM型的芯片，必須外接EPROM才能應(yīng)用（典型芯片為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(jī)的基本組成時(shí)鐘電路SFR和RAM ROMCPU定時(shí)/計(jì)數(shù)器并行端口中斷系統(tǒng)串行端口系 統(tǒng) 總 線時(shí)鐘源T0 T1P0 P1 P2 P3TXD RXD