【正文】 完善起來的。 1940 年以后則是第二階段 —— 革新階段。 中國礦業(yè)大學徐海學院 2020 屆本科生畢業(yè)設計（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 PID 控制技術的發(fā)展可以分為兩個階段。即使當我們 不完全了解一個系統(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。 PID 控制被證明是一種非常好的控制模式。電加熱控制系統(tǒng)的傳感器是溫度傳感器。一個控制系統(tǒng)包括控制器﹑傳感器﹑變送器﹑執(zhí)行機構﹑輸入輸出接口這幾個部分。 8051SCM 。另一方面 ,某些新控制技術的發(fā)展要求更精確的 PID 控制 ,從而刺激了 PID 控制器設計與參 數(shù)整定技術的發(fā)展。 PID 控制是最為廣泛和通用的的控制方法， PID 控制器以其結(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。 中國礦業(yè)大學徐海學院 本科生畢業(yè)論 文 學 院： 徐海學院 專 業(yè)： 自動化 論文題目： 基于單片機的 PID 控制器設計 中國礦業(yè)大學徐海學院畢業(yè)論文任務書 任 務 下 達 日 期 ： 2020 年 12 月 14 日 畢業(yè)論文日期 : 2020 年 12 月 20 日至 2020 年 6 月 5 日 畢業(yè)論文題目： 基于單片機的 PID 控制器 設計 畢業(yè)論文專題題目： 畢業(yè)論文主要內(nèi)容和要求： 基于單片機的 PID 控制器整體方案設計 硬件電路設計，包括電源、顯示、按鍵、 A/D、 D/A 轉(zhuǎn)換等外圍電 路設計 軟件設計，包括參數(shù)設置程序、顯示程序、按鍵程序、 PID 算法 程序等 應用 PROTEUS、 Keil C51軟件進行設計及仿真 指導教師簽字： 鄭 重 聲 明 本人所呈交的畢業(yè)論文，是在導師的指導下，獨立進行研究所取得的成果。本論文屬于原創(chuàng)。雖然各種現(xiàn)代控制技術頻繁的出現(xiàn)，但并沒有削弱 PID 控制器的應用。 本次論文以 8051 單片機為基礎設計一個 PID 控制器，包括電源、顯示、按鍵電路和復位晶振電路還有 A/D 和 D/A 轉(zhuǎn)換電路，最后在 Proteus 與 Keil搭建的仿真平臺上進行仿真。 PID parameters 。控制器的輸出經(jīng)過輸出接口、執(zhí)行機構，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，通過輸入接口送到控制器。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、自適應算法來實現(xiàn)。它的 產(chǎn)品已經(jīng)在工程實際中得到了廣泛的應用，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，實際中有 PI 和 PD控制。 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 ,也是 PID 控制兩個發(fā)展階段的分水嶺。在革新階段， PID 控制器已經(jīng)發(fā)展成一種魯棒的、可靠的、易于應用的控制器。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 Foxboro 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)構的 PID 控制器。 PID 控制的優(yōu)點很多： 首先， PID 應用范圍廣。如果過程的動態(tài)特性變化，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。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。另一方面 ,某些新控制技術的發(fā)展要求更精確的 PID控制 ,從而刺激了 PID控制器設計與參數(shù)整定技術的發(fā)展。同時，隨著現(xiàn)代控制理論 (諸如智能控制、自適應模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡技術等 )研究和應用的發(fā)展與深人，為控制復雜無規(guī)則系統(tǒng)開辟了新途徑。 運用單片機設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)設置的功能。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。第六章是對本次設計的總結(jié)，主要有這次論文的不足和對 PID 控制的展望。 比例（ P）控制 比例控制是一種最簡單的控制方式。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 Steadystate Error）。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。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該是零。正是這樣，它才能在控制工程實驗中得到廣泛有效的應用。 (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。 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。 穩(wěn)定性下降，甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。 D 反映系統(tǒng)偏差信號變化率，具有預見性，能預見偏差變化的趨勢 ，因此能產(chǎn)生超前的控制作用。 中國礦業(yè)大學徐海學院 2020 屆本科生畢業(yè)設計（論文 ） 9 PID 參數(shù)的調(diào)整原則： PID 參數(shù)的預置是相輔相成的，運行現(xiàn)場應該根據(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，如果還是有振蕩，可適當減小比例增益 P。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，這樣可以使系統(tǒng)更加準確，更加穩(wěn)定。 K． J． Astrom、 ． Hang、Qingguo Wang、 Z． J． Palmor、 S． H． Shen 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 自整定技術強大的理論生命力 。如日本 Toyo Systems 的 Supertuner，美國 Techmadon 的 Protuner， PowellProcess Instruments 的 Micon P200 Controller 等，其中一些產(chǎn)品已在工業(yè)應用中得到認可。 PID 控制參數(shù)的整定方法 在控制系統(tǒng)設計或安裝完畢后，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。 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)律所對應的一組參數(shù)值。這種方法不需要事先知道過程的數(shù)學模型，可直接在系統(tǒng)中進行現(xiàn)場整定，比較中國礦業(yè)大學徐海學院 2020 屆本科生畢業(yè)設計（論文 ） 11 簡單。程序設計包括顯示程序、按鍵程序、 AD 轉(zhuǎn)換程序、 PID 算法程序等。 PID 算法。 單片機也被稱為微控制（ Microcontroller 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)控制領域。 (2) 性能完善提高階段 1980 年， Intel 公司推出了 MCS51 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。 （ 3） 微控制器化階段 1982 年，又是 Intel 推出 MCS96 系列單片機。 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雜 的自動測控系統(tǒng)及設備。 51 系列的產(chǎn)品有很多，比如： ATMEL 公司融入 Flash 存儲器技術的 AT89 系列 Philips 公司的 80C5 80C552 系列 中國礦業(yè)大學徐海學院 2020 屆本科生畢業(yè)設計（論文 ） 14 華邦公司的 W78C5 W77C51 高速低價系列 ADI 公司的 ADμ C8xx 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 非 51 結(jié)構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 MCS96 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 體公司的 NS 單片機、三星單片機、華邦單片機。另一方面，如此琳瑯滿目的單片機品種，著實給單片機應用的工程師提供了巨大的選擇空間。各單片機廠商在開發(fā)工具以及技術服務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方面的優(yōu)勢是相輔相成的。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。 （ 5） 優(yōu)異的性能價格比 單片機的性能極高。 單片機的應用領域 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域，幾乎很難找到哪個領域沒有單片機的蹤跡。 此外，單片機在工商，金融，科研、教育，國防航空航天等領域都有著十分廣泛的應用。 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）。 （ 4）兩個定時 /計數(shù)器 T0、 T1，可用作定時器，也可用以 對外部脈沖進行計數(shù)。 （ 8）內(nèi)部時鐘電路。 PSW: D7 D0 *CY：進位標志。 *F0：用戶標志。 *PSW 中的 D1 位為保留位，對于 8051 來說沒有意義，對于 8052 來說 為用戶標志，與 F0 相同。控制電路完成指揮控制工作，協(xié)調(diào)單片機各部分正常工作。 指令譯碼器：當指令送入指令譯碼器后，由譯碼器對該指令進行譯碼，CPU根據(jù)譯碼器輸出的電平信號使定時控制的電路產(chǎn)生執(zhí)行該指令所需要的各種控制信號。 3. 控制線 : 控制線共有 4 根， （ 1） ALE/PROG:地址鎖存允許 /片內(nèi) EPROM 編程脈沖。 (3) RST/VPD:復位 /備用電源。 ① EA 功能：內(nèi)外 ROM 選擇端。 中國礦業(yè)大學徐海學院 2020 屆本科生畢業(yè)設計（論文 ） 21 引腳功能 四個 I/O口 P0 口有三個功能 ，當數(shù)據(jù)總線。 P2 口有兩個功能 ， 當作地址總線使用； I/O 口使用，其內(nèi)部有上拉電阻； 圖 8051 單片機的引腳圖 RST/VPD RXD/ TXD/ INT0/ INT1/ T0/ T1/ WR/ RD/ XTAL2 XTAL1 VSS 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 8051 40 39 38 37 36 35 34 33 32 31 30 29 2