【正文】 ........................ 38 按鍵子程序 .......................... 39 PID 參數(shù)設置 子 程序 .................. 40 PID 算法 子 程序 ...................... 40 6 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 2020 屆本科生畢業(yè)設計（論文 ） 1 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?！?Pre2act”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。 第三， PID 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(chǎn)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，如瑞典著名學者 PID 自整定控制器，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。 中國礦業(yè)大學徐海學院 2020 屆本科生畢業(yè)設計（論文 ） 6 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(jīng)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 中國礦業(yè)大學徐海學院 2020 屆本科生畢業(yè)設計（論文 ） 8 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，直至無差 .消除穩(wěn)態(tài)誤差，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?？梢酝ㄟ^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(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 公司中國礦業(yè)大學徐海學院 2020 屆本科生畢業(yè)設計（論文 ） 10 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(chǎn) 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(jīng)驗法 系統(tǒng)閉環(huán)，不需計算 需要經(jīng)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。 總體上看，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(chǎn)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(jīng)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(chǎn)品的消費者。 (2) 體積小、價格低、易于產(chǎn)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(jīng)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(wǎng)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，中國礦業(yè)大學徐海學院 2020 屆本科生畢業(yè)設計（論文 ） 16 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(chǎn)品的性能價格比下降。 8051 單片機的基本組成 中國礦業(yè)大學徐海學院 2020 屆本科生畢業(yè)設計（論文 ） 17 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。 8051 單片機的內部結構 時鐘電路 SFR 和 RAM ROM CPU 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 T1 P0 P1 P2 P3 TXD RXD INT0 INT1 中國礦業(yè)大學徐海學院 2020 屆本科生畢業(yè)設計（論文 ） 18 圖 單片機的內部組成 8051 單片機的 CPU CPU就是中央處理器，是單片機的核心部件，它完成各種運算和控制操作， CPU由運算器和控制器兩部分組成。在進行加法或減法運算時，若運算結果的最 高位有進位或借位， CY=1，否則 CY=0，在執(zhí)行位操作指令時， CY 作為位累加器。 *RS1 和 RS0：工作寄存器組選擇，如下表所示。 *P：奇偶校驗標志。 程序計數(shù)器 PC：當一條指令按 PC 所指向的地址從程序存儲器中取出之后， PC 的值就會自動增量，即指向下一條指令。 數(shù)據(jù)指針寄存器 DRTR：它是一個 16 位的寄存器，由高位字節(jié) DPH 和低位字節(jié) DPL 組成，用來存放 16 位數(shù)據(jù)存儲器的地 址，便于對片外 64kB的數(shù)據(jù) RAM 區(qū)進行讀寫操作。 ① ALE 功能：用來鎖存 P0 口送出的低 8 位地址。 ① RST（ Reset）功能：復位信號輸入端。 ② Vpp 功能：片內有 EPROM 的芯片，在 EPROM 編程期間，施加編程電源 Vpp。 ，當?shù)刂房偩€。 即： 編程脈沖： 30 腳（ ALE/PROG） 編程電壓（ 25V）： 31 腳（ EA/Vpp） 8051 單片機的工作原理 單片機自動完成賦予它任務的過程，也就是單片機執(zhí)行程序的過程，即一條條執(zhí)行的指令的過程，指令就是把要求單片機執(zhí)行的各種操作用的命令的形式寫下來，這是在設計人員賦予它的指令系統(tǒng)所決定的，一條指令對應著一種基本操作；單片機所能執(zhí)行的全部指令，就是該單片機的指令系統(tǒng)，不同種類的單片機，其指令系統(tǒng)亦不同。 中國礦業(yè)大學徐海學院 2020 屆本科生畢業(yè)設計（論文 ） 23 4 電路設計 電源電路設計 本次論文的電源電路用 7805 穩(wěn)壓電源。 中國礦業(yè)大學徐海學院 2020 屆本科生畢業(yè)設計（論文 ） 24 VI1VO3GND2U17 8 0 5C11 0 0 u fC21 0 0 u fT R 1T RA N 2 P 2 SB R 12 W 0 2 G( + ) 圖 7805 的整流電路 2 2 0 v 交 流 電 全 橋 整 流 穩(wěn) 壓7 8 0 5 穩(wěn) 壓5 v 直 流 電 輸 出 圖 整流電路原理圖 變壓器后面是由四個二極管組成的一個橋式整流電路。 (2) 有可靠的邏輯處理辦法。 單片機控制系統(tǒng)中，一般可能只需要幾個功能鍵，此時，可采用獨立式按鍵結構。常見數(shù)碼管有 10 根管腳。 圖 數(shù)碼管內部結構圖 本次設計中我們用的是四位一體的數(shù)碼管，下面簡單介紹一下。 T1 還可以作為其串行口的波特率發(fā)生器。 中國礦業(yè)大學徐海學院 2020 屆本科生畢業(yè)設計（論文 ） 29 定時器的編程包括： （ 1）置工作方式。 定時器 /計數(shù)器由四種工作方式，所用的計數(shù)位數(shù)不同，因此，定時計數(shù)常數(shù)也就不同。 這里選用集成 A/D 轉換器 ——ADC0832。復雜的硬件或具有合適的軟件指令的簡單硬件都可能實現(xiàn)模數(shù)轉換。 ADC0832 是美國國家半導體公司生產(chǎn)的一種 8 位分辨率、雙通道 A/D 轉換芯片。 CH0：模擬輸入通道 0，或作為 IN+/使用。 DO：數(shù)據(jù)信號輸出，轉換數(shù)據(jù)輸出。 VREF——參考電源參考電壓用來與輸入的模擬信號進行比較，作為逐次逼近的基準。芯片轉換時間僅為 32μ S，據(jù)有雙數(shù)據(jù)輸出