【正文】 生產(chǎn)便攜式產(chǎn)品 為了滿足廣泛使用于便攜式系統(tǒng)，～，而工作電流僅為數(shù)百微安。目前這方面的工作逐漸得到重視[4][5][6]。 模糊PID控制器的發(fā)展展望模糊控制器并不像常規(guī)控制器有固定的結(jié)構(gòu)，因為它在以下幾方面沒有確定的標準：(1)隸屬函數(shù)的形式；(2)模糊子集個數(shù)；(3)規(guī)則的基本形式；(4)推理機制和解模糊方式。 模糊控制的產(chǎn)生背景在傳統(tǒng)的控制領(lǐng)域里，控制系統(tǒng)動態(tài)模式的精確與否是影響控制優(yōu)劣的最主要關(guān)鍵，系統(tǒng)動態(tài)的信息越詳細，則越能達到精確控制的目的。PID在控制非線性、時變、耦合及參數(shù)和結(jié)構(gòu)不確定的復(fù)雜過程時，工作地不是太好。但PID參數(shù)復(fù)雜繁瑣的整定過程一直困擾著工程技術(shù)人員，因此研究PID參數(shù)整定及自整定技術(shù)具有十分重大的工程實踐意義[1]。在工程實際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)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(diào)節(jié)。模糊PID控制應(yīng)用范圍廣泛，液位控制、溫度控制、壓力控制等，就連我們?nèi)粘Ｊ褂玫娜詣酉匆聶C中，也應(yīng)用了模糊控制。但它的性能取決于參數(shù)的整定情況，對那些對象模型復(fù)雜和難以確定精確模型的控制系統(tǒng)，具有很大的局限性，而且它的快速性和超調(diào)量之間的矛盾關(guān)系，使它不一定能滿足調(diào)節(jié)時間短，超調(diào)小的技術(shù)要求。本文主要以AT89S52單片機作為載體，利用8155芯片、A\D轉(zhuǎn)換器、D\A轉(zhuǎn)換器等主要元件進行設(shè)計，實現(xiàn)了基于單片機的模糊PID控制器的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。畢業(yè)設(shè)計（論文）題 目 基于單片機的模糊PID綜合控制系統(tǒng)學(xué)生姓名 專業(yè)班級　自動化062 所在院系　　　　電氣信息學(xué)院　　　　指導(dǎo)教師　　職稱　　　　所在單位　　　　自動化教研室　　　　教研室主任　　　　　　　　　　　完成日期 2010年6月25日摘　　要PID控制（Control of Proportion Integration Differentiation）就是比例、積分、微分控制。借助單片機，應(yīng)用模糊PID控制，設(shè)計了一個基于單片機的模糊PID控制器。PID控制具有結(jié)構(gòu)簡單，參數(shù)調(diào)整方便等優(yōu)點。因此，把模糊PID的控制算法和單片機結(jié)合在一起，更好的發(fā)揮他們的作用。第二章 控制器簡介 PID控制器 PID控制的產(chǎn)生背景PID控制器產(chǎn)生于20世紀30年代末，從最開始的模擬控制器到現(xiàn)在的數(shù)字控制器，經(jīng)過廣泛的理論研究和豐富的應(yīng)用實踐，取得了巨大的成功，是工業(yè)控制領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛也最成功的一種控制器。這一方面是，由于PID控制器具有簡單而固定的形式，在很寬的操作條件范圍內(nèi)都能保持較好的魯棒性；另一方面是，因為PID控制器允許工程技術(shù)人員以一種簡單而直接的方式來調(diào)節(jié)系統(tǒng)。自動整定通常是指根據(jù)開環(huán)狀態(tài)確定的簡單過程模型自動計算PID參數(shù)。為克服常規(guī)PID控制器的不足，經(jīng)過長期的研究，提出了許多PID自適應(yīng)調(diào)整方案，其中采用模糊技術(shù)與PID結(jié)合構(gòu)成模糊PID是一種常用的控制方法。使得我們在控制領(lǐng)域中又向前邁進了一大步。雖然有些控制器結(jié)構(gòu)提出后，也做了穩(wěn)定性研究，但往往是針對特定的對象，沒有通用性。 （2）控制功能強 為了滿足對對象的控制要求，單片機的指令系統(tǒng)均有極豐富的條件:分支轉(zhuǎn)移能力，I/O口的邏輯操作及位處理能力，非常適用于專門的控制功能。 單片機的應(yīng)用由于單片機具有顯著的優(yōu)點，它已成為科技領(lǐng)域的有力工具，人類生活的得力助手。如打印機、復(fù)印機、傳真機、繪圖機、考勤機、電話以及通用計算機中的鍵盤譯碼、磁盤驅(qū)動等。單片機的實時數(shù)據(jù)處理能力和控制功能，可使系統(tǒng)保持在最佳工作狀態(tài)，提高系統(tǒng)的工作效率和產(chǎn)品質(zhì)量。這種軟件代替硬件的控制技術(shù)也稱為微控制技術(shù)，是傳統(tǒng)控制技術(shù)的一次革命。單片機是一種集成在電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時器/計時器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個小而完善的計算機系統(tǒng)，其具有計算機的優(yōu)點。二維模糊控制器輸入語言變量為被控量與給定值的偏差和偏差變化率，能夠較全面嚴格地反映被控過程的動態(tài)特性，因此控制效果比一維模糊控制器好。（1）模糊化接口完成從偏差e及偏差的變化率ec的精確值到模糊量的量化、模糊化過程。規(guī)則庫用來存放全部模糊控制規(guī)則，在推理時為推理機提供控制規(guī)則。當(dāng)誤差為正時，控制思想與此基本相同，僅符號相反。（4）清晰化接口把由模糊推理所得到的模糊輸出量，轉(zhuǎn)變?yōu)榫_控制量。但太多可能使控制變得復(fù)雜，編程困難，占用存儲量大；分檔太少，規(guī)則變少，效果較差。Kec選擇越大系統(tǒng)超調(diào)越小，但系統(tǒng)的響應(yīng)速度變慢。表31 量化因子、比例因子對系統(tǒng)性能的影響評價性能Ki值系統(tǒng)超調(diào)過渡過程時間Ke選大增大較長選小無長Kec選大無長選小很大長Ku選大負超調(diào)大于正超調(diào)長選小無較長量化因子和比例因子的確定有個一般的公式：Ke=n/e(max)，Kec=m/ec(max)，Ku=u(max)/l。一般可選用三角形、梯形隸屬函數(shù)，優(yōu)點是數(shù)學(xué)表達和運算較簡單，所占內(nèi)存空間小，在輸入值變化時，比正態(tài)分布或鐘形分布具有更大的靈敏性，當(dāng)存在偏差時，能很快反應(yīng)產(chǎn)生一個相應(yīng)的調(diào)整量輸出。（6）控制規(guī)則的確定模糊控制規(guī)則是模糊控制器的核心，控制規(guī)則是人們對受控過程認識的模糊信息的歸納和操作經(jīng)驗的總結(jié)，控制器的性能很大程度上取決于模糊控制規(guī)則的確定及其可調(diào)整性。本設(shè)計中要設(shè)計的模糊PID控制器就屬于復(fù)合性模糊控制器。③當(dāng)|E|較小時，為使系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性，Kp與Ki均應(yīng)取大些，同時為避免系統(tǒng)在設(shè)定值附近出現(xiàn)振蕩，并考慮系統(tǒng)的抗干擾性能，應(yīng)適當(dāng)?shù)剡x取Kd值。Kp的控制規(guī)則如表32所示。Kd值過大，調(diào)節(jié)過程制動就會超前，致使調(diào)節(jié)時間過長；Kd值過小，調(diào)節(jié)過程制動就會落后，從而導(dǎo)致超調(diào)增加。積分器雖然能消除靜差，但使系統(tǒng)響應(yīng)速度變慢。這種控制器輸出的變化與輸入控制器的偏差成比例關(guān)系。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）。通過加上一個負的平均誤差比例值，平均的系統(tǒng)誤差值就會總是減少。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例+微分(PD)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)特性。只有TD合適，才能使超調(diào)量較小，減短調(diào)節(jié)時間。本設(shè)計采用雙入三輸出模糊控制器，輸入輸出變量分別為偏差E和偏差變化率EC，輸出變量分別為Kp，Ki，Kd。由于本設(shè)計無固定被控對象，因此設(shè)被控對象的傳遞函數(shù)為。微分控制D(Diffenrential)可改善系統(tǒng)的動態(tài)特性，如減小超調(diào)量，縮短調(diào)節(jié)時間，允許加大比例控制，使穩(wěn)態(tài)誤差減小，提高控制精度。被控物理量在發(fā)生變化后難以恢復(fù)，首先加大比例增益P，如果恢復(fù)仍較緩慢，可適當(dāng)減小積分時間I，還可加大微分時間D。現(xiàn)在一般采用的是臨界比例法。理想曲線兩個波，前高后低4比1；一看二調(diào)多分析，調(diào)節(jié)質(zhì)量不會低。Tcrit——Kp5=圖314 PID控制器的最終參數(shù)調(diào)整 模糊PID的參數(shù)整定 模糊PID控制器中PID控制器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如圖315所示。如果沒有眼睛，就沒有了反饋回路，也就成了一個開環(huán)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)控制主電路是由AT89S5外圍芯片，及一些輔助的部分構(gòu)成的。空閑模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。在flash編程時，P0口也用來接收指令字節(jié)；在程序校驗時，輸出指令字節(jié)。 /T2（定時器/計數(shù)器T2的外部計數(shù)輸入），時鐘輸出。 /SCK（在系統(tǒng)編程用）。l P3口：P3口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O 口，P3輸出緩沖器能驅(qū)動4個TTL邏輯電平。 (串行輸出口)。 (定時/計數(shù)器1)。l ALE/PROG：當(dāng)訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。l EA/VPP：外部訪問允許，欲使CPU僅僅訪問外部程序存儲器（地址為0000HFFFFH），EA端口必須保持低電平（接地）。Vref Vref(+) ()OE8位A/D轉(zhuǎn)換器三態(tài)輸出鎖存器8路模擬量開關(guān)地址鎖存與譯碼START CLKABCALEIN0IN7D0D738EOCVccGND8位模擬量輸入8位數(shù)字量輸出8位模擬量輸入圖45 ADC0809的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)圖中多路開關(guān)可選通8個模擬通道，允許8路模擬量分時輸入，共用一個A/D轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換。l START轉(zhuǎn)換啟動信號—START上跳沿時，所有內(nèi)部寄存器清“0”；START下跳沿時，開始進行A/D轉(zhuǎn)換；在A/D轉(zhuǎn)換期間，START應(yīng)保持低電平。l CLK 時鐘信號—ADC0809的內(nèi)部沒有時鐘電路，所需時鐘信號由外界提供。 單片機與ADC0809接口需解決三個問題：①要給START線送一個100ns寬的起動正脈沖，如圖448所示；②獲取EOC線上的狀態(tài)信息，因為它是A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)束標志，如圖49所示；③要經(jīng)“三態(tài)輸出鎖存器”輸出一個端口地址，也就是給OE端送一個輸出轉(zhuǎn)換得到數(shù)據(jù)的信號，如圖49所示。查詢方式：查詢EOC引腳。（2）查詢方式采用查詢法就是將轉(zhuǎn)換結(jié)束信號接到I/O接口的某一位，或經(jīng)過三態(tài)門接到單片機數(shù)據(jù)總線上。能完成數(shù)字量輸入到模擬量(電流)輸出的轉(zhuǎn)換。l IOUT2：模擬電流輸出端2，IOUT2與IOUT1的和為一個常數(shù)，即IOUT1＋IOUT2＝常數(shù)。l /WR2—第2寫信號（輸入）低電平有效。因為DAC0832是電流輸出型D/A轉(zhuǎn)換器，為得到電壓的轉(zhuǎn)換輸出，使用時需在兩個電流輸出端接運算放大器， RFB端可以直接接到外部運算放大器的輸出端，即將一個反饋電阻接在運算放大器的輸出端和輸入端之間?！?位輸人寄存器”用于存放CPU送來的數(shù)字量，使輸人的數(shù)字量得到緩沖和鎖存，由/LE1控制。根據(jù)上述對DAC0832的輸入寄存器和DAC寄存器不同的控制方法，DAC0832有如下3種工作方式：（1）單緩沖方式。此方式適用于連續(xù)反饋控制線路，不過在使用時，必須通過另加I/O接口與CPU連接，以匹配CPU與D/A轉(zhuǎn)換。雙緩沖方式是先使輸入寄存器接收資料，再控制輸入寄存器的輸出資料到DAC寄存器，即分兩次鎖存輸入資料。 第一種方法是使輸入寄存器工作在鎖存狀態(tài)，而DAC寄存器工作在直通狀態(tài)。l VCC：芯片供電電壓，范圍為(+5~15)V。l Iout1—電流輸出“1”；當(dāng)數(shù)據(jù)為全1時，輸出電流最大；為全0時輸出電流最小。該信號與ILE信號共同控制輸入寄存器是數(shù)據(jù)直通方式還是數(shù)據(jù)鎖存方式：216。DAC0832以其價廉、接口簡單、轉(zhuǎn)換控制容易等優(yōu)點，在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。特點：在A/D轉(zhuǎn)換過程中不占用CPU的時間，且實時性強。如ADC0809的轉(zhuǎn)換時間為128us。由于ALE與START連在一起，因此ADC0809在鎖存通道地址的同時也啟動轉(zhuǎn)換。 EOC=0，正在進行轉(zhuǎn)換；216。l OE 輸出允許信號—用于控制三態(tài)輸出鎖存器向單片機輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。模擬量輸入在A/D轉(zhuǎn)換過程中，其值不應(yīng)當(dāng)變化，對變化速度快的模擬量，在輸入前應(yīng)增加采樣保持電路。l XTAL1：振蕩器反相放大器和內(nèi)部時鐘發(fā)生電路的輸入端。如有必要，可通過對特殊功能寄存器（SFR）區(qū)中的8EH單元的D0位置位，可禁止ALE操作。 (外部數(shù)據(jù)存儲器讀功能被選通)。 (外中斷1)。P3口亦作為AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如下所示。在訪問外部程序存儲器或用16位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲器（例如執(zhí)行MOVX DPTR）時，P2 口送出高八位地址。 /MOSI（在系統(tǒng)編程用）。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。作為輸出口，每位能驅(qū)動8個TTL邏輯電平。片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。模糊推理RPID調(diào)節(jié)器被控對象de/dt測量反饋基于單片機的模糊PID控制器Y干擾擾動控制部分圖41 基于單片機的模糊PID綜合控制系統(tǒng)的控制原理圖基于單片機的模糊PID控制器的運行原理：電源輸出5伏的電壓給各個芯片，使其獲得穩(wěn)定的電壓值。第四章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 基于單片機的模糊PID綜合控制系統(tǒng)的控制回路在控制中我們采取閉環(huán)控制系統(tǒng)，閉環(huán)控制系統(tǒng)(closedloop control system)的特點是系統(tǒng)被控對象的輸出(被控制量)會反送回來影響控制器的輸出，形成一個或多個閉環(huán)。5=Kpcrit按照表35所示，計算出Kp、Ti、Td的值。曲線振蕩很頻繁，比例度盤要放大；曲線漂浮繞大灣，比例度盤往小扳。二是工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗，直接在控制系統(tǒng)的試驗中進行，且方法簡單、易于掌握，在工程實際中被廣泛采用。微分控制可以預(yù)測偏差，產(chǎn)生超前校正作用，因此可以較好的改善動態(tài)性能。積分控制I(Integral)通常與比例控制或比例微分控制聯(lián)合使用，構(gòu)成PI或PID控制。在File菜單下選擇Mamdain型。只要三個作用的控制參數(shù)選擇得當(dāng)，便可充分發(fā)揮三種控制規(guī)律的優(yōu)點，得到較為理想的控制效果。這個D參數(shù)也是PID被稱為可預(yù)測的控制器的原因。自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。因此，比例+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。Kp太小，又會使系統(tǒng)的動作緩慢。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系。可根據(jù)被控對象的狀態(tài)自動調(diào)整PID的三個控制參數(shù)的取值。依據(jù)以上分析，制定的Ki控制規(guī)則表如表33所列。根據(jù)PID的整定原則，得出Kp、Ki、Kd的模糊控制表如表3334所示。輸