【正文】 roller 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。程序設計包括顯示程序、按鍵程序、AD轉換程序、PID算法程序等。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，比較簡單。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，調節(jié)器的調節(jié)規(guī)律所對應的一組參數(shù)值。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。如日本Toyo Systems的Supertuner，美國Techmadon 的Protuner，PowellProcess Instruments的Micon P200 Controller等，其中一些產品已在工業(yè)應用中得到認可。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 。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)率來調整輸入值，這樣可以使系統(tǒng)更加準確，更加穩(wěn)定。PID參數(shù)的調整原則：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，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。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，因此能產生超前的控制作用。穩(wěn)定性下降，甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。定義：通過調整比例、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。 (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，容易產生振 蕩，易產生由積分飽和引起的控制量飽和。正是這樣，它才能在控制工程實驗中得到廣泛有效的應用。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。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。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）。比例（P）控制 比例控制是一種最簡單的控制方式。第六章是對本次設計的總結，主要有這次論文的不足和對PID控制的展望。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。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。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網絡技術等)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。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。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。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。PID控制的優(yōu)點很多：首先，PID應用范圍廣。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)的具有完整結構的PID控制器。在革新階段，PID 控制器已經發(fā)展成一種魯棒的、可靠的、易于應用的控制器。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構,也是PID控制兩個發(fā)展階段的分水嶺。PID控制，實際中有PI和PD控制。它的產品已經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。目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器（儀表）已經很多，產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節(jié)器 (intelligent regulator)，其中PID控制器參數(shù)的自動調整是通過智能化調整或自校正、自適應算法來實現(xiàn)?？刂破鞯妮敵鼋涍^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，經過傳感器，變送器，通過輸入接口送到控制器?；趩纹瑱C的PID控制器整體方案設計畢業(yè)論文目 錄1 緒論 1 概述 1 PID控制的發(fā)展和趨勢 2 論文研究的內容和結構安排 42 PID控制 6 PID控制的特點和原理 6 PID控制器 7 PID控制的自整定 93 系統(tǒng)的整體設計方案 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 13 8051單片機 16 單片機的引腳簡介 20 8051單片機的工作原理 224 電路設計 23 電源電路設計 23 按鍵電路設計 24 顯示電路的設計 25 AD轉換電路 29 復位電路和晶振電路 345 軟件設計 36 Proteus軟件簡介 36 Keil軟件 36 設計思路 37 程序設計 37 顯示子程序 38 按鍵子程序 39 PID參數(shù)設置子程序 40 PID算法子程序 406 結束語 46參考文獻 47附錄 48英文原文 53中文譯文 59致 謝 65中國礦業(yè)大學徐海學院2012屆本科生畢業(yè)設計（論文）1 緒論 概述目前工業(yè)自動化水平已成為衡量各行各業(yè)現(xiàn)代化水平的一個重要標志。不同的控制系統(tǒng)，它們的傳感器、變送器、執(zhí)行機構都是不一樣的。有利用PID控制實現(xiàn)的壓力、溫度、流量、液位控制器，能實現(xiàn)PID控制功能的可編程控制器(PLC)，還有可實現(xiàn)PID控制的PC系統(tǒng)等等。PID控制器至今已有近70年歷史，它以其結構簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調整方便而成為工業(yè)控制的主要技術之一。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制的。第一個階段為發(fā)明階段( 1900 ～1940 ) 。儀表工業(yè)的重心是使PID控制技術能跟上工業(yè)技術的最新發(fā)展?！癙re2act”與“Haper2re2set”功能實際都是在控制器中加入了微分控制。雖然很多工業(yè)過程是非線性或時變的，但通過對其簡化可以變成基本線性和動態(tài)特性不隨時間變化的系統(tǒng)，這樣PID就可控制了?！　〉谌琍ID控制器在實踐中也不斷的得到改進。PID控制至今仍然是應用最廣泛的一種實用控制器。在實際生產現(xiàn)場中，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，對運行工況的適應性很差。近年來，出現(xiàn)了許多新型PID控制器，對于復雜對象、其控制效果遠遠超過常規(guī)PID控制。該系統(tǒng)還采用模糊PID方法進行溫度控制，能克服普通的單片機PID溫度控制系統(tǒng)的一些不足之處，讓它達到令人較為滿意的控制效果。第三章主要是整個論文的設計方案和設計的性能要求，單片機的選擇、引腳功能和現(xiàn)在單片機的一些類型和特點還有單片機的工作原理。2 PID控制 PID控制的特點和原理在工程實際中，應用最為廣泛的調節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調節(jié)。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關系。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項”。微分（D）控制 在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關系。這就是說，在控制器中僅僅引入“比例”項往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項”，它能預測誤差變化的趨勢，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，甚至為負值，從而避免了被控量的嚴重超調。而隨著科技的進步和對控制品質要求的提高，經典PID控制技術的缺陷越來越凸現(xiàn)出來。(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、過去、將來三者的線性組 合。優(yōu)點：1. 技術成熟 2. 易被人們熟悉和掌握 3. 不需要建立數(shù)學模型 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)和實際輸出值c(t)構成控制偏差： e(t)=r(t)c(t) (21) 將偏差的比例（P）、積分（I）、微分(D)通過線性組合構成控制量，對被控對象進行控制，故稱PID控制器。I因為有誤差，積分調節(jié)就進行，提高無差度?？梢詼p少超調，減少調節(jié)時間。被控物理量在發(fā)生變化后很難恢復，首先加大比例增益P，如果恢復較慢，可以適當?shù)臏p小積分時間I，還可以加大微分時間D。可以通過數(shù)學的方法證明，在其他控制方法導致系統(tǒng)有穩(wěn)定誤差或過程反復的情況下，一個PID反饋回路卻可以保持系統(tǒng)的穩(wěn)定。隨著計算機技術的發(fā)展和自整定技術的成熟，El前有關自動整定控制器的商業(yè)化產品已大量涌現(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 。從目前PID參數(shù)整定方法的研究和應用現(xiàn)狀來看，以下幾個方面將是今后一段時間內研究和實踐的重點：①對于單入單出被控對象，需要研究針對不穩(wěn)定對象或被控過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一步增強，使用最少量的過程信息及較簡單的操作就能較好地完成整定。只能通過控制器參數(shù)的工程整定，來調整控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制質量。PID控制參數(shù)的整定方法分類理論計算整定方法：對數(shù)頻率特性法、根軌跡法。幾種整定方法的比較：整定方法優(yōu) 點缺 點反應曲線法方法簡單系統(tǒng)開環(huán)，被調量變化較大，影響生產穩(wěn)定邊界法系統(tǒng)閉環(huán)會出現(xiàn)被調量等幅振蕩衰減曲線法系統(tǒng)閉環(huán)，安全實驗費時經驗法系統(tǒng)閉環(huán)，不需計算需要經驗注意：同一個系統(tǒng)，最佳整定參數(shù)可能不是唯一的。設計四個按鍵，第一個控制PID參數(shù)，第二個實現(xiàn)加功能鍵，第三個實現(xiàn)減功能鍵 ，最后一個作為確定鍵，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，就是三個參數(shù)（比例系數(shù)，積分時間常數(shù)、微分時間常數(shù)）的設定數(shù)值，通過按鍵來修改這些數(shù)值。，結構簡單，易于維修。單片機的發(fā)展過程（1） 單芯片微機的形成階段Intel公司在1976年推出了MCS48系列單片機。尋址范圍64K，并有控制功能較強的布爾處理器。芯片內集成：16位CPU、8K字節(jié)ROM、232字節(jié)RAM、5個8位并口、1個全雙工串行口、2個16位定時/計數(shù)器?！拔⒖刂破鳌钡姆Q謂更能反應單片機的本質?？傮w上看，美國著名公司的單片機技術仍處于領先的地位，特別是在高端產品方面，高性能的新穎的單片機不斷的推出。這么多種單片機能進入中國市場，這就說明了我們的應用工程師已經能夠綜合各類單片機的性能、價格等方面的一些因素，并結合實用對象進行選擇。競爭的結果是為單片機應用工程師提供更廣闊的選擇空間，而最終受益的是單片機產品的消費者。 (2) 體積小、價格低、易于產品化 應用系統(tǒng)的印制板減小、安裝簡單方便、接插件減少。為了提高速度和運行效率，單片機已經開始使用RISC流水線和DSP等技術。導彈的導航裝置，飛機上各種儀表的控制，計算機的網絡通訊與數(shù)據(jù)傳輸，工業(yè)自動化過程的實時控制和數(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、攝像機、全自動洗衣機的控制，以及程控玩具、電子寵物等等，這些都離不開單片機。 對于明確的應用對象，選擇功能過少的單片機，會無法完成控制任務，達不到要求；選擇功能過強的單片機，則會造成資源浪費，使產品的性能價格比下降。8051單片機的基本組成時鐘電路SFR和RAM ROMCPU定時/計數(shù)器并行端口中斷系統(tǒng)串行端口系 統(tǒng) 總 線時鐘源T0 T1P0 P1 P2 P3TXD RXD INT0 INT1 圖 8051單片機的基本組成一個8051單片機包含下列部件 （1）一個8位微處理器CPU。 （5）四個8位可編程的并行I/O端口，每個端口既可作輸 入，也可作輸出。通道0驅動器通道2驅動器RAM地址鎖存器RAM通道0鎖存器通道2鎖存器ROM/
EPROMB寄存器程序地址寄存器緩沖器PC遞增器程序計數(shù)器PC數(shù)據(jù)指針DPTRVCCGND～堆棧指針SPACCTMP2PSW通道3鎖存器通道1鎖存器通道1驅動器通道3驅動器TMP1SCONTMODPCONTCONTL0TH1TH0TL1IESBUF(TX/RX)IP中斷、串行口和定時器邏輯振蕩器～RSTEAALEPSENXTAL2XTAL1ALU(+5V)指令
寄存器定時和
控制邏輯指令
譯碼器8051單片機的內部結構通道0驅動器通道2驅動器RAM地址鎖存器RAM通道0鎖存器通道2鎖存器ROM/
EPROMB寄存器