【正文】 本科畢業(yè)論文（設計）論文（設計）題目：基于PIC系列單片機的改進型PID控制器設計學 院： 電氣工程學院＿專 業(yè)： 自 動 化 班 級： *** 學 號： *** 學生姓名： *** 指導教師： *** 2012年 05月 26日貴州大學本科畢業(yè)論文（設計）誠信責任書本人鄭重聲明：本人所呈交的畢業(yè)論文（設計），是在導師的指導下獨立進行研究所完成。畢業(yè)論文（設計）中凡引用他人已經(jīng)發(fā)表或未發(fā)表的成果、數(shù)據(jù)、觀點等，均以明確注明出處。特此聲明。論文（設計）作者簽名： 日期： 目 錄摘 要 ⅠABSTRACT Ⅱ第一章 緒論 1 1 1 PID控制概況 1 1 PID技術的不足 2 PID未來發(fā)展趨勢 意義和設計內(nèi)容 3 3第二章 PID控制器 5 PID控制原理 5 6 PID整定方法 8 9 12第三章 積分分離PID控制在MATLAB上的實現(xiàn) 14 MATLAB簡介 14 積分分離PID控制器的M文件仿真 14 積分分離PID控制器的simulink仿真 18第四章 硬件選型及電路 20 20 PIC單片機PIC16F877A 20 溫度傳感器DS18B20 21 顯示器LCD1602 22 單總線技術 23 23 23 24 25 25 26 26第五章 軟件設計 28 28 主程序流程圖 28 DS18B20溫度采集程序流程圖 29 PID控制程序流程圖 30 鍵盤輸入子程序 31 LCD顯示子程序 32第六章 結(jié)論 33參考文獻 34致 謝 35附錄1： PID仿真程序 36附錄2： 單片機仿真程序 39原理圖及程序流程圖見大圖 基于PIC系列單片機的改進型PID控制器設計摘 要在工業(yè)控制中，按偏差的比例、積分和微分進行控制的 PID 調(diào)節(jié)器現(xiàn)在得到廣泛的應用。它以其結(jié)構簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術之一。對PID控制的改進主要是參數(shù)整定的先進技術，以及對控制結(jié)構的改進和更新。參數(shù)整定的技術有神經(jīng)網(wǎng)絡、模糊控制、自適應控制等；控制結(jié)構的改進有積分分離、抗積分飽和、微分先行等。這其中應用最多的是積分分離。論文主要研究積分分離PID控制器的設計及其在PIC單片機系統(tǒng)中的應用，完成了以下工作：（1）首先普通PID控制和積分分離PID控制的原理。（2）其次，運用MATLAB實現(xiàn)了對積分分離PID控制器的設計及仿真，進行了M文件和simulink仿真。（3）再次，針對積分分離PID控制器，設計了基于PIC單片機的積分分離PID控制器。仿真結(jié)果表明，當設定值與被控量之間的偏差較小時，取消積分作用，避免積分作用降低控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，增大超調(diào)量；當設定值與被控量接近時，引入積分作用，實現(xiàn)靜差的消除，提高了控制精度。關鍵詞 ：積分分離PID，MATLAB，M文件仿真，simulink仿真，PIC單片機Integration Separation PID control based on PIC microcontroller system39。s applicationABSTRACTPID regulator,according to the deviation of the proportional, integral and differential,has been widely used in industrial control,.It has been one of the most important technical and industrial control,with its simple structure, good stability, reliable, and easy to adjust The improvement of PID control is the high technology of parameter tuning , as well as the improvement of structure. Parameter tuning technology including neural networks, fuzzy control, adaptive control。 improvement of the control structure including integral separation, antiwindup . Which the most widely used is the integral separation.The thesis of the integral separation PID controller design and its application to the PIC microcontroller system, pleted the following work:(1) First, PID control and integral separation PID control principle.(2) Second, to achieve the integral separation PID controller design and simulation by MATLAB according Mfiles and simulink simulation.(3) Third ,for the integral separation PID controller, inventing the integral separation PID controller based on PIC microcontroller.The simulation results show that when the deviation between the set value and the amount charged is small, the integral action is canceled to avoid the integral action to reduce the stability of the control system, increases the overshoot。 when the deviation between settings and charged is nearly , the integral action will be introduced to eliminate static errors, and improve the control precision.Keywords: Integration Separation PID ，MATLAB ，Mfile simulation, simulink simulation, PIC microcontroller第一章 緒論在工業(yè)控制中，按偏差的比例、積分和微分進行控制的 PID 調(diào)節(jié)器現(xiàn)在得到廣泛的應用。它以其結(jié)構簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術之一。通過對所以環(huán)節(jié)，比如被控對象、控制算法、單片機編程等的研究，加深了對計算機控制技術的理論知識并為以后的工程工作打下基礎。PID 控制器問世至今已有近 70 年歷史，同時，控制理論的發(fā)展也經(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。人類的許多希望和夢想，被科學和技術變成現(xiàn)實；其中自動控制理論和技術已經(jīng)介入到許多學科，滲透到各個工程領域，如今異?；馃岬钠囯娮又械能嚿砜刂?、底盤控制、發(fā)動機控制、安全控制、娛樂系統(tǒng)；以及傳統(tǒng)工業(yè)控制中的電機控制、溫控系統(tǒng)、儀表設備、樓宇自控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和計算機網(wǎng)絡通信、數(shù)據(jù)傳輸、軍用設備、航空航天等。行業(yè)現(xiàn)代化水平的重要標志之一就是工業(yè)的自動化水平。溫度控制是智能控制的一個比較典型的實例。一個控制系統(tǒng)包括控制器、變送器、執(zhí)行機構、傳感器、輸入輸出接口。不同的控制系統(tǒng)，其傳感器、變送器、執(zhí)行機構是不一樣的。比如電加熱控制系統(tǒng)的傳感器是溫度傳感器。壓力控制系統(tǒng)要采用壓力傳感器。目前，各種PID控制器已經(jīng)很多，并在實際生產(chǎn)中得到廣泛的應用和發(fā)展。PID 控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設計的核心內(nèi)容。它是根據(jù)被控過程的特性確定 PID 控制器的比例系數(shù)、積分時間和微分時間的大小嵌入式系統(tǒng)。它具有原理簡單，易于實現(xiàn)，適用面廣，控制參數(shù)相互獨立，參數(shù)的選定比較簡單等優(yōu)點 PID控制概況PID控制是最早發(fā)展起來的控制策略之一，19151945年期間，PID控制器得到突破性發(fā)展，產(chǎn)生了現(xiàn)如今使用的PID控制器。在這之前，除了在最簡情況下采用開關控制外，PID控制是唯一的控制方法。雖然以后，許多新的控制方法不斷推出，然而由于PID控制方法具有結(jié)構簡單、可靠性高、魯棒性強的優(yōu)點，使其仍為現(xiàn)今應用最廣泛的控制方法。尤其在工控中，在冶金、化工、機電、機械等工業(yè)領域得到廣泛的應用據(jù)統(tǒng)計，有90%以上的工業(yè)控制器采用PID控制器。日本的一位科學家提出一種重復控制，用于抑制周期性干擾和跟蹤信號輸入，進行伺服重復軌跡的高精度控制。它的原理來源于內(nèi)模原理，是在將一個偏差加到被控對象的輸入信號處外，還疊加一個“過去的偏差”，將“過去的偏差”在現(xiàn)在反映出來，和“現(xiàn)在的偏差”一起控制被控對象。（Rudolph E. Kalman）命名的卡爾曼濾波的提出，成為控制、信號處理與通訊等領域的最重要和最基礎的計算方法和工具之一，人們在改善卡爾曼濾波的數(shù)值穩(wěn)定性和計算復雜性上進行了大量的探索和研究，是模擬達爾文生物進化論的自然選擇和遺傳學機理的生物進化過程的計算模型，是模擬生物進化論和自然界遺傳機制的最優(yōu)化方法。遺傳算法已被人們廣泛地應用于組合優(yōu)化、機器學習、信號處理、自適應控制和人工生命等領域。它是現(xiàn)代有關智能計算中的關鍵技術。1957 年, .Smith 提出了著名的 Smith 預估器 來控制含有時滯環(huán)節(jié)的對象，從理論上解決了時滯系統(tǒng)的控制問題。smith控制方法前提是必須確切地知道被控對象的數(shù)學模型，再次基礎上能得到精確地預估模型，得到很好的控制效果。 PID技術的不足PID 控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設計的核心內(nèi)容。它是根據(jù)被控過程的特性確定 PID 控制器的比例系數(shù)、積分時間和微分時間的大小嵌入式系統(tǒng)。當被控對象的結(jié)構和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學模型時，控制理論的其它技術難以采用時，系統(tǒng)控制器的結(jié)構和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時應用 PID 控制技術最為方便。但目前的情況是，由于自身的缺點和技術的局限，使得在實際應用過程中，許多的被控過程復制，而且有著高度非線性和純滯后等特性，比如在負載擾動、噪聲的影響下。其不足，主要是型號處理過于簡單，不能發(fā)揮其優(yōu)點。比如積分反饋引入有很多的負作用，而對微分信號的產(chǎn)生和不好實現(xiàn)。 PID的未來雖然DCS控制的發(fā)展使得現(xiàn)場控制器的改進有了新的機遇，但是PID控制還是以其操作簡單，可靠性強等獨有的優(yōu)勢被人們應用至今，如今的PID控制走的是融合發(fā)展的道路。（1）對單輸入單輸出的被控對象，為使其抗干擾性和魯棒性方面進一步的提高，可以研究針對不穩(wěn)定對或有較強干擾下的被控對象下的PID參數(shù)整定。（2）對多輸入多輸出的被控對象，對于多變量的過程的PID參數(shù)整定方法的研究，可以進一步完善繼電反饋法，減少檢驗的信息量，使在線整定給位方便。（3）先進控制理論對PID的促進作用，將自整定、自適應有機結(jié)合。自適應控制中的MRAS，STR模型適應與調(diào)節(jié)器適應的思想的發(fā)展，可能會導致非線性自適應PID控制器。、意義和主要內(nèi)容目的：掌握自動控制理論、計算機控制技術、控制系統(tǒng)設計及仿真、單片機原理及應用、Matlab控制系統(tǒng)仿真、C語言程序設計等相關專業(yè)知識。意義隨著數(shù)字控制技術的發(fā)展，使我們在控制器的設計上有了更大的靈活性，改進型 PID 控制的研究，可以改善系統(tǒng)品質(zhì)，滿足不同控制系統(tǒng)的需要。而在設計過程中，可以把所學的東西用于實踐，進一步升華理論知識。設計內(nèi)容設計改進型PID控制器，通過Matlab進行仿真設計及分析；設計基于PIC系列單片機的改進型PID控制器硬件電路，并編寫相關代碼。，整個系統(tǒng)由控制核心（即控制器，本設計中控制其選PIC單片機）、A/D和D/A轉(zhuǎn)換電路、測量變送環(huán)節(jié)和調(diào)節(jié)器（即熱電偶冷卻器）組成。其溫度的控制過程為：經(jīng)過測量變送環(huán)節(jié)，將測量值與給定值的偏差送到控制器中，通過控制器輸出控制量給調(diào)節(jié)器，由調(diào)節(jié)器在調(diào)節(jié)溫度。單片機的接口信號是數(shù)字信號，要想用單片機獲取溫度等非電信號的信息，必須使用溫度傳感器將溫度信號轉(zhuǎn)換為電流或電壓信號輸出。如果轉(zhuǎn)換后的電流或電壓信號輸出是模擬信號，還必須進行A／D轉(zhuǎn)換，以滿足單片機接口的需要。 控制器原理圖第二章 PID控制器 PID控制原理 在控制系統(tǒng)中，最常用最基礎的控制規(guī)律是PID控制。他是將比例、積分和微分（P、I、D）通過線性結(jié)合構成了控制量，對被控對象進行控制。原理圖見下圖: PID控制原理圖PID控制器是一種線性控制器，系統(tǒng)由控制器和被控對象組成。它根據(jù)給定值r(t)與實際輸入值y(t)構成控制偏差e(t)=r(t)v(t)將其比例、積分、微分線性線性組合，以此來控制被控對象。