【正文】 基于單片機(jī)的PID控制器整體方案設(shè)計(jì)畢業(yè)論文目 錄1 緒論 1 概述 1 PID控制的發(fā)展和趨勢(shì) 2 論文研究的內(nèi)容和結(jié)構(gòu)安排 42 PID控制 6 PID控制的特點(diǎn)和原理 6 PID控制器 7 PID控制的自整定 93 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案 12 系統(tǒng)整體方案 12 系統(tǒng)的性能要求 12 主控模塊 13 單片機(jī) 13 8051單片機(jī) 16 單片機(jī)的引腳簡(jiǎn)介 20 8051單片機(jī)的工作原理 224 電路設(shè)計(jì) 23 電源電路設(shè)計(jì) 23 按鍵電路設(shè)計(jì) 24 顯示電路的設(shè)計(jì) 25 AD轉(zhuǎn)換電路 29 復(fù)位電路和晶振電路 345 軟件設(shè)計(jì) 36 Proteus軟件簡(jiǎn)介 36 Keil軟件 36 設(shè)計(jì)思路 37 程序設(shè)計(jì) 37 顯示子程序 38 按鍵子程序 39 PID參數(shù)設(shè)置子程序 40 PID算法子程序 406 結(jié)束語(yǔ) 46參考文獻(xiàn) 47附錄 48英文原文 53中文譯文 59致 謝 65中國(guó)礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院2012屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）1 緒論 概述目前工業(yè)自動(dòng)化水平已成為衡量各行各業(yè)現(xiàn)代化水平的一個(gè)重要標(biāo)志。同時(shí)，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(gè)階段。一個(gè)控制系統(tǒng)包括控制器﹑傳感器﹑變送器﹑執(zhí)行機(jī)構(gòu)﹑輸入輸出接口這幾個(gè)部分?？刂破鞯妮敵鼋?jīng)過(guò)輸出接口、執(zhí)行機(jī)構(gòu)，加到被控系統(tǒng)上；控制系統(tǒng)的被控量，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（），系統(tǒng)由模擬PID控制器和被控對(duì)象組成。 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?！癙re2act”與“Haper2re2set”功能實(shí)際都是在控制器中加入了微分控制。，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2002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?！　〉谌?，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，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。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”； PID控制器PID控制的本質(zhì)是一個(gè)二階線性控制器。定義：通過(guò)調(diào)整比例、積分和微分三項(xiàng)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(diǎn)：1. 技術(shù)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(shí)際輸出值c(t)構(gòu)成控制偏差： e(t)=r(t)c(t) (21) 將偏差的比例（P）、積分（I）、微分(D)通過(guò)線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)