【正文】 ................................................ 35 附錄 1： PID 仿真程序 .......................................................................................................... 36 附錄 2： 單片機(jī) 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(jī)的改進(jìn)型 PID 控制器設(shè)計(jì) 摘 要 在工業(yè)控制中，按偏差的比例、積分和微分進(jìn)行控制的 PID 調(diào)節(jié)器現(xiàn)在得到廣泛的應(yīng)用。參數(shù)整定的技術(shù)有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制、自適應(yīng)控制等；控制結(jié)構(gòu)的改進(jìn)有積分分離、抗積分飽和、微分先行等。 （ 3）再次，針對積分分離 PID 控制器，設(shè)計(jì)了基于 PIC 單片機(jī)的積分分離 PID 控制器。 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。 選題背景 PID 控制器問世至今已有近 70 年歷史，同時(shí)，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(gè)階段。一個(gè)控制系統(tǒng)包括控制器、變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感器、輸入輸出接口。目前，各種 PID 控制器已經(jīng)很多，并在實(shí)際生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。在這之前，除了在最簡情況下采用開關(guān)控制外， PID控制是唯一的控制方法。它的原理來源于內(nèi)模原理，是在將一個(gè)偏差加到被控對象的輸入信號(hào)處外，還疊加一個(gè) “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。 1957 年 , .Smith 提出了著名的 Smith 預(yù)估器 來控制含有時(shí)滯環(huán)節(jié)的對象，從理論上解決了時(shí)滯系統(tǒng)的控制問題。當(dāng)被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采用時(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 調(diào)試來確定，這時(shí)應(yīng)用 PID 控制技術(shù)最為方便。 貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 3 頁 PID 的未來 雖然 DCS 控制的發(fā)展使得現(xiàn)場控制器的改進(jìn)有了新的機(jī)遇，但是 PID 控制還是以其操作簡單，可靠性強(qiáng)等獨(dú)有的優(yōu)勢被人們應(yīng)用至今，如今的 PID 控制走的是融合發(fā)展的道路。自適應(yīng)控制中的 MRAS， STR 模型適應(yīng)與調(diào)節(jié)器適應(yīng)的思想的發(fā)展，可能會(huì)導(dǎo)致非線性自適應(yīng) PID控制器。 設(shè)計(jì)內(nèi)容 設(shè)計(jì)改進(jìn)型 PID 控制器，通過 Matlab 進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)及分析；設(shè)計(jì)基于 PIC 系列單片機(jī)的改進(jìn)型 PID 控制器硬件電路， 并編寫相關(guān)代碼 。如果轉(zhuǎn)換后的電流或電壓信號(hào)輸出是模擬信號(hào)，還必須進(jìn)行 A／ D 轉(zhuǎn)換，以滿足單片機(jī)接口的需要。它根據(jù)給定值 r(t)與實(shí)際輸入值 y(t)構(gòu)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。 2 、對穩(wěn)態(tài)特性的影響 加大比例系數(shù) KP，在系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下，可以減小穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度，但是加大 KP 只是減少穩(wěn)態(tài)誤差，卻不能完全消除穩(wěn)態(tài)誤差。 對穩(wěn)態(tài)特性的影響 積分作用能消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制系統(tǒng)的控制精度。 積分分離 PID 控制算法 對 PID 控制的改進(jìn)主要是參數(shù)整定的先進(jìn)技術(shù)，以及對控制結(jié)構(gòu)的改進(jìn)和更新 。但控制系統(tǒng)啟動(dòng)、結(jié)束等大幅增減設(shè)定的時(shí)候，系統(tǒng)的輸出會(huì)有比較大的誤差，從而造成積分的累積，引起系統(tǒng)較大的超調(diào)量 積分分離 PID 控制可以根據(jù)實(shí)際情況來引入個(gè)取消積分作用，當(dāng)設(shè)定值與被控量之間的偏差較小時(shí)，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(dāng)設(shè)定值與被控量接近時(shí)，引入積分作用 ，實(shí)現(xiàn)靜差的消除，提高了控制精度。在確定下系統(tǒng)的整體自動(dòng)控制方案確定，控制器和控制機(jī)構(gòu)已經(jīng)選定并安裝好以后，控制器的參數(shù)選擇降主要的決定著控制質(zhì)量，控制器參數(shù)的確定即是控制系統(tǒng)的整定。然而理論計(jì)算的方法過分依賴數(shù)學(xué)模型，而且計(jì)算繁瑣，計(jì)算得出的數(shù)據(jù)在工業(yè)實(shí)際中還要進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)試和修改。 PID整定口訣： 參數(shù)整定找最佳，從小到大順序查 。 曲線偏離回復(fù)慢，積分時(shí)間往下降 。微分時(shí)間應(yīng)加長 。 一、 臨界比例度法 臨界比例度 法（又叫做穩(wěn)定邊界法），是一種閉環(huán)調(diào)整方法，是將調(diào)節(jié)器設(shè)置成純比例作用，讓系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行并由大到小改變比例度。記錄下此時(shí)的 KT 和 K? (3)根據(jù)所記錄的振蕩周期 KT 和進(jìn)階比例度為 K? ，然后按表給出的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出調(diào)節(jié)器的各個(gè)參數(shù)。以此，需要在實(shí)踐中做一些調(diào)整，以期更好的運(yùn)用此法。如果響應(yīng)振蕩衰減太快，應(yīng)逐步減小比例度；反之，就逐步增大系統(tǒng)的比例度。 圖 系統(tǒng)衰減振蕩曲線 (3)按表中給出的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算調(diào)節(jié)器的各個(gè)參數(shù)，觀察調(diào)節(jié)過程，適當(dāng)修改調(diào)節(jié)器參數(shù)，到滿意為止。 貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 12 頁 表 衰減曲線法參數(shù)計(jì)算公式 ? 控制規(guī)律 整定參數(shù) ? iT dT P s? ― ― PI s? ― PID s? P s? ― ― PI s? rt2 ― PID s? 經(jīng)驗(yàn)法 上面的兩種工程整定方法的優(yōu)點(diǎn)是簡單方便，因此，可以應(yīng)用于工程實(shí)踐。 而在控制工程中，通過長期實(shí)踐，人們總結(jié)了一套參數(shù)整定的經(jīng)驗(yàn)，稱之為經(jīng)驗(yàn)法。讓系統(tǒng)進(jìn)入閉環(huán)運(yùn)行并待其穩(wěn)定，進(jìn)行階躍擾動(dòng)試驗(yàn)，觀察調(diào)節(jié)過程，若過度過程有期望的衰減率 (ψ=～ )即可，否則改變比例度 δ值，重復(fù)上述試驗(yàn)。保持比例度為一特點(diǎn)值不變，修改積分時(shí)間 iT ，反復(fù)進(jìn)行試湊，直至滿意。當(dāng) M=2 時(shí)，采用一般 PID 控制 160se)s( 100s??G 貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 15 頁 仿真程序 %積分分離 PID 控制 clear all。inputdelay39。)。 %延時(shí)程序 yout(k)=den(2)*y_1+num(2)*u_5。 M=1 時(shí)采用積分分離 PID 控制 if M==1 %采用積分分離 PID 控制 if abs(error(k))=30amp。 elseif abs(error(k))=10amp。 貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 16 頁 end 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)法設(shè)定 PID 參數(shù) kp=。 對控制量進(jìn)行限幅、控制量的更新以及各分量的更新。u_4=u_3。 %更新輸出量 y_3=y_2。 kp=。 PIC16F877A 的程序存儲(chǔ)器是 Flash 型的， 可以重復(fù)的燒錄程序，適合開發(fā)和教學(xué)。其以存儲(chǔ)器映像寄存器的方式來控制器存取，使得使用起來更為便捷。 下圖 PIC16F877 的 40 根引腳圖， PLC 單片機(jī)也有 PLCC 和 QFP 兩種包裝形式，可以根據(jù)需要的不同需要，用不同形式包裝。 主復(fù)位引腳 MCLR/Vpp:人工復(fù)位輸入端（低電平有效） /編程電壓輸入端 (Pin1) 時(shí)鐘復(fù)位引腳 OSC1/CLKIN：時(shí)鐘振蕩器晶體連接端 1/外部時(shí)鐘源輸入端。 溫度傳感器 DS18B20 DS18B20 是美國 Dallas 公司的單線數(shù)字溫度傳感器芯片，與普通的熱敏電阻不同，DS18B20 可將測得的溫度轉(zhuǎn)換直接轉(zhuǎn)換成串行數(shù)字信號(hào)供單片機(jī)處理。 圖 DS18B20 引腳圖 另外，多片 DS18B20 芯片可以同時(shí)連接到一根單線總線上，這一特性在儀器或機(jī) 貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 22 頁 器的溫度以及過程檢測與控制等方面有著非常大的作用。 DS18B20 各引腳功能 : （ 1） GND 為 接地端； （ 2） VDD 為外接電源輸入端。通常要求外接一個(gè)約 5kΩ的上拉電阻 . 顯示器 LCD 1602 LCD1602 為工業(yè)字符型液晶顯示器，可 以顯示 2 行 16 列共 32 個(gè)字符。接正電源時(shí)亮度最弱，接地時(shí)亮度最大。 D0D7 為 8 位雙向數(shù)據(jù)端 貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 23 頁 表 41 寄存器的選擇控制 RS R/W 操作說明 0 0 寫入指令寄存器（清除屏等） 0 1 都 busy flag（ DB7），以及讀取位址計(jì)數(shù)器（ DB0~DB6）值 1 0 寫入數(shù)據(jù)寄存器（顯示各字型等） 1 1 從數(shù)據(jù)寄存器讀取數(shù)據(jù) 表 42 顯示地址 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 00H 01H 02H 03H 04H 05H 06H 07H 08H 09H 0AH 0BH 0CH 0DH 0EH 0FH 40H 41H 42H 43H 44H 45H 46H 47H 48H 49H 4AH 4BH 4CH 4DH 4EH 4FH 單總線技術(shù) 單總線（ 1～ Wire Bus）采用單根信號(hào)線，傳輸數(shù)據(jù)是雙向的。因?yàn)橹欢x了一根信號(hào)線，所以必須采用嚴(yán)格的主從結(jié)構(gòu)，只有當(dāng)主機(jī)呼叫從機(jī)時(shí)，從機(jī)才能應(yīng)答。單片機(jī)與溫度傳感器之間的數(shù)據(jù)傳輸采用 IC 總線。 圖 顯示模塊（ LCD LED） 貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 26 頁 鍵盤 輸入模塊 輸入模塊有一個(gè) 74ls244 連接輸入按鍵，兩個(gè)按鈕分別用來設(shè)定增減溫度，雙刀雙擲開關(guān)用來選擇空調(diào)的狀態(tài)。 再次，針對積分分離 PID 控制器，設(shè)計(jì)了基于 PIC 單片機(jī)的積分分離 PID 控制器。 [3] 王蕾，宋文忠 .PID 控制 [J].東南大學(xué)自動(dòng)化所， 2022,25(4)。 同時(shí)，我還要感謝所有在大學(xué)期間給予我指導(dǎo)教學(xué)的各位老師，沒有平時(shí)的基礎(chǔ)，我也不會(huì)將這次畢業(yè)設(shè)計(jì)完善至此。希望各位老師予以更正。 ts=20。 dsys=c2d(sys,ts,39。v39。u_3=0。y_2=0。 ei=0。 error(k)=rin(k)yout(k)。abs(error(k))=40 beta=。abs(error(k))=20 beta=。 ki=。 end if u(k)=110 u(k)=110。u_2=u_1。y_1=yout(k)。 plot(time,rin,39。)。ylabel(39。 plot(time,u,39。time(s)3