【文章內(nèi)容簡介】 PID 控制器 PID 控制的本質(zhì)是一個(gè)二階線性控制器。 定義：通過調(diào)整比例、積分和微分三項(xiàng)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。 優(yōu)點(diǎn)： 1. 技術(shù)成熟 中國礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文 ） 8 2. 易被人們熟悉和掌握 3. 不需要建立數(shù)學(xué)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(shí)際輸出值c(t)構(gòu)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(gòu)成控制量，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，故稱 PID 控制器。其輸入 e(t)與輸出 u(t)的關(guān)系為 ? ? ? ? ? ? ? ????????? ??? ? dt tdedttetetu t dip TTK 01 （ 22） 式中 u(t)—— 控制器 (也稱調(diào)節(jié)器 )的輸出； e(t)—— 控制器的輸入（常常是設(shè)定值與被控量之差； Kp —— 控制器的比例放大系數(shù)； Ti —— 控制器的積分時(shí)間； Td —— 控制器的微分時(shí)間。 PID 參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響 作用 缺點(diǎn) P 加快調(diào)節(jié)，減少穩(wěn)態(tài)誤差。 穩(wěn)定性下降，甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。 I 因?yàn)橛姓`差，積分調(diào)節(jié)就進(jìn)行，直至無差 .消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高無差度。 加入積分調(diào)節(jié)可使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動(dòng)態(tài)響應(yīng)變慢。積分作用常與另兩種調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合，組成PI 調(diào)節(jié)器或 PID 調(diào)節(jié)器。 D 反映系統(tǒng)偏差信號(hào)變化率，具有預(yù)見性，能預(yù)見偏差變化的趨勢 ，因此能產(chǎn)生超前的控制作用?？梢詼p少超調(diào)，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。 微分作用對(duì)噪聲干擾有放大作用，因此過強(qiáng)的加微分調(diào)節(jié)，對(duì)系統(tǒng)抗干擾不利。微分作用不能單獨(dú)使用，需要與另外兩種調(diào)節(jié)規(guī)蓄料目結(jié)合，組成 PD 或 PID 控制。 中國礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文 ） 9 PID 參數(shù)的調(diào)整原則： PID 參數(shù)的預(yù)置是相輔相成的，運(yùn)行現(xiàn)場應(yīng)該根據(jù)實(shí)際的情況進(jìn)行下列微調(diào)，被控物理量在目標(biāo)值附近振蕩，首先加大積分時(shí)間 I，如果還是有振蕩，可適當(dāng)減小比例增益 P。被控物理量在發(fā)生變化后很難恢復(fù)，首先加大比例增益 P，如果恢復(fù)較慢，可以適當(dāng)?shù)臏p小積分時(shí)間 I，還可以加大微分時(shí)間 D。 影響 Kp Ti Td 穩(wěn)態(tài)性能 可以減少靜差，但不能消除 消除靜差，但不能太大 配合比例控制，可以減少靜差 動(dòng)態(tài)性能 加快系統(tǒng)速度，但會(huì)引起震蕩 太小會(huì)不穩(wěn)定，太大會(huì)影響性能 太大和太小都會(huì)引起超調(diào)量大，過度時(shí)間長 PID 控制器是一個(gè)在工業(yè)控制應(yīng)用中常見的反饋回路部件 。這個(gè)控制器把收集到的數(shù)據(jù)和一個(gè)參考值進(jìn)行比較，然后把這個(gè)差別用于計(jì)算新的輸入值，這個(gè)新的輸入值的目的是可以讓系統(tǒng)的數(shù)據(jù)達(dá)到或者保持在參考值。和其他簡單的控制運(yùn)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(zhǔn)確，更加穩(wěn)定?？梢酝ㄟ^數(shù)學(xué)的方法證明，在其他控制方法導(dǎo)致系統(tǒng)有穩(wěn)定誤差或過程反復(fù)的情況下，一個(gè) PID 反饋回路卻可以保持系統(tǒng)的穩(wěn)定。 PID 控制的自整定 PID 控制器自整定技術(shù)是近 2O 年來受到工業(yè)控制界和學(xué)術(shù)理論界廣泛關(guān)注并取得顯著成果的先進(jìn)控制策略，并早在 8O 年代中期就開發(fā)研制了相應(yīng)的自整定控制器 。近年來，國際自動(dòng)控制領(lǐng)域?qū)?PID 控制器參擾、提高魯棒性、加快算法的收斂速度等方向發(fā)展 。 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(shù)強(qiáng)大的理論生命力 。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和自整定技術(shù)的成熟， El 前有關(guān)自動(dòng)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(xué)徐海學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文 ） 10 INTUNE 等 。而 Fisher Control、 Yokogawa、 Eurotherra 等公司紛紛在各自的工業(yè)控制器系列中也結(jié)合了不同的 PID 參數(shù)自動(dòng)整定算法。 另外也發(fā)展了一批專用的 PID 整定設(shè)備可以外接到工業(yè)控制回路上。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(yīng)用中得到認(rèn)可。 從目前 PID 參數(shù)整定方法的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀來看，以下幾個(gè)方面將是今后一段時(shí)間內(nèi)研究和實(shí)踐的重點(diǎn)： ①對(duì)于單入單出被控對(duì)象，需要研究針對(duì)不穩(wěn)定對(duì)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(jìn)一步增強(qiáng)，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。 ②對(duì)于多入多出被控對(duì)象，需要研究針對(duì)具有顯著耦合的多變量過程的多變量 PID 參數(shù) 整定方法，進(jìn)一步完善分散繼電反饋方法，盡可能減少所需先驗(yàn)信息量，使其易于在線整定。 ③智能 PID 控制技術(shù)有待進(jìn)一步研究，將自適應(yīng)、自整定和增益計(jì)劃設(shè)定有機(jī)結(jié)合，使其具有自動(dòng)診斷功能；結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn)知識(shí)、直覺推理邏輯等專家系統(tǒng)思想和方法對(duì)原有 PID 控制器設(shè)計(jì)思想及整定方法進(jìn)行改進(jìn)；將預(yù)測控制、模糊控制和 PID 控制相結(jié)合，進(jìn)一步提高控制系統(tǒng)性能，都是智能PID 控制發(fā)展的極有前途的方向。 PID 控制參數(shù)的整定方法 在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)或安裝完畢后，被控對(duì)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。只能 通過控制器參數(shù)的工程整定，來調(diào)整控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制質(zhì)量。 PID 控制參數(shù)的整定方法 概念 確定調(diào)節(jié)器的比例度δ、積分時(shí)間 TI和微分時(shí)間 TD。 整定的實(shí)質(zhì)是通過改變調(diào)節(jié)器的參數(shù)，使其特性和過程特性相匹配，以改變系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)指標(biāo)，爭取最佳控制效果。 最佳整定參數(shù)，在某種評(píng)價(jià)指標(biāo)下，系統(tǒng)達(dá)到最佳控制狀態(tài)時(shí)，調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)規(guī)律所對(duì)應(yīng)的一組參數(shù)值。 PID 控制參數(shù)的整定方法 分類 理論計(jì)算整定方法：對(duì)數(shù)頻率特性法、根軌跡法。這種方法需要知道數(shù)學(xué)模型。 工程整定法：經(jīng)驗(yàn)法、衰減曲線法、臨界比例度法、響應(yīng)曲 線法。這種方法不需要事先知道過程的數(shù)學(xué)模型，可直接在系統(tǒng)中進(jìn)行現(xiàn)場整定，比較中國礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文 ） 11 簡單。 幾種整定方法的比較： 整定方法 優(yōu) 點(diǎn) 缺 點(diǎn) 反應(yīng)曲線法 方法簡單 系統(tǒng)開環(huán)，被調(diào)量變化較大，影響生產(chǎn) 穩(wěn)定邊界法 系統(tǒng)閉環(huán) 會(huì)出現(xiàn)被調(diào)量等幅振蕩 衰減曲線法 系統(tǒng)閉環(huán)，安全 實(shí)驗(yàn)費(fèi)時(shí) 經(jīng)驗(yàn)法 系統(tǒng)閉環(huán)，不需計(jì)算 需要經(jīng)驗(yàn) 注意： 同一個(gè)系統(tǒng)，最佳整定參數(shù)可能不是唯一的。不同的 PID 參數(shù)組合，有時(shí)會(huì)得到十分相近的控制結(jié)果。 中國礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文 ） 12 3 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案 系統(tǒng)整體方案 電 源 電 路按 鍵 電 路復(fù) 位 ， 晶振 電 路A / D 轉(zhuǎn) 換 電路單 片 機(jī)數(shù) 碼 管 顯 示 電路D / A 轉(zhuǎn) 換 電路 圖 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)總框圖 這次論文主要以單片機(jī)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的 PID 控制器，外圍電路中包括電源電路、按鍵電路、顯示電路、單片機(jī)的復(fù)位、晶振電路和 AD 轉(zhuǎn)換電路。程序設(shè)計(jì)包括顯示程序、按鍵程序、 AD 轉(zhuǎn)換程序、 PID 算法程序等。 設(shè)計(jì)四個(gè)按鍵，第一個(gè)控制 PID 參數(shù)，第二個(gè)實(shí)現(xiàn)加功能鍵，第三個(gè)實(shí)現(xiàn)減功能鍵 ，最后一個(gè)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(gè)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(gè)參數(shù)（比例系數(shù)，積分 時(shí)間常數(shù)、微分時(shí)間常數(shù)）的設(shè)定數(shù)值，通過按鍵來修改這些數(shù)值。 系統(tǒng)的 性能要求 PID 三個(gè)參數(shù)數(shù)值 的改變并能保持，直至重新設(shè)定另一參數(shù)值，即能實(shí)現(xiàn)參數(shù)的設(shè)定。 P,I,D 三個(gè)參數(shù)和參數(shù)的設(shè)定值。 PID 算法。 ，結(jié)構(gòu)簡單，易于維修。 ，成本低。 中國礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文 ） 13 主控模塊 單片機(jī) 單片機(jī)的定義 單片機(jī)是一種把處理器 CPU、只讀存儲(chǔ)器 ROM、隨機(jī)存儲(chǔ)器 RAM、多種 I/O 口等功能集成到一塊芯片上的完善而小的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。 單片機(jī)也被稱為微控制（ Microcontroller Unit），常用英文字母的縮寫MCU表示單片機(jī)，它最早是被用在工業(yè)控制領(lǐng)域。 單片機(jī)的發(fā)展過程 （ 1） 單芯片微機(jī)的形成階段 Intel 公司在 1976 年推出了 MCS48 系列單片機(jī)。 8 位 CPU、 1K 字節(jié)ROM、 64 字節(jié) PAM、 27 根 I/O 線和一個(gè) 8 位定時(shí) /計(jì)數(shù)器。 特點(diǎn)：存儲(chǔ)器容量小，尋址范圍?。ú淮笥?4K），無串行接口，指令系統(tǒng)功能不算強(qiáng)。 (2) 性能完善提高階段 1980 年， Intel 公司推出了 MCS51 系列的單片機(jī)： 8 位 CPU、 4K 字節(jié)ROM、 128 字節(jié) RAM、 4 個(gè) 8 位并口、 1 個(gè)全雙工串行口、 2 個(gè) 16 位定時(shí) /計(jì)數(shù)器。尋址范圍 64K，并有控制功能較強(qiáng)的布爾處理器。 特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)體系完善，性能已大大提高，面向控制的特點(diǎn)進(jìn)一步突出?，F(xiàn)在 MCS51 已成為公認(rèn)的單片機(jī)經(jīng)典種類 。 （ 3） 微控制器化階段 1982 年，又是 Intel 推出 MCS96 系列單片機(jī)。芯片內(nèi)集成： 16 位 CPU、8K 字節(jié) ROM、 232 字節(jié) RAM、 5 個(gè) 8 位并口、 1 個(gè)全雙工串行口、 2 個(gè) 16位定時(shí) /計(jì)數(shù)器。尋址范圍 64K。片上還有 8 路 10 位 ADC、 1 路 PWM 輸出及高速 I/O 部件等。 特點(diǎn)：片內(nèi)面向測控系統(tǒng)電路增強(qiáng)，使之可以方便靈活地用于復(fù)雜 的自動(dòng)測控系統(tǒng)及設(shè)備?！拔⒖刂破鳌钡姆Q謂更能反應(yīng)單片機(jī)的本質(zhì)。 國內(nèi)人們使用最廣泛的是 MCS51 系列單片機(jī)。因此我們需要學(xué)好、掌握 MCS51 系列單片機(jī)技術(shù)。 51 系列的產(chǎn)品有很多，比如： ATMEL 公司融入 Flash 存儲(chǔ)器技術(shù)的 AT89 系列 Philips 公司的 80C5 80C552 系列 中國礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文 ） 14 華邦公司的 W78C5 W77C51 高速低價(jià)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(jī) 非 51 結(jié)構(gòu)單片機(jī)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(jī) Microchip 的 PIC 系列 RISC 單片機(jī) TI 的 MSP430F 系列 16 位低功耗單片機(jī) 單片機(jī)的廣泛選擇 分別有 MOTOROLA 公司的 MOTOROLA 單片機(jī)、 Microchip 單片機(jī)、Scenix 單片機(jī) 、 NEC 單片機(jī)、東芝單片機(jī)、富士通單片機(jī)、 Epson 單片機(jī)、Intel 公司的 8051 單片機(jī)、 Zilog 單片機(jī)、美國國家半導(dǎo) 體公司的 NS 單片機(jī)、三星單片機(jī)、華邦單片機(jī)。 總體上看，美國著名公司的單片機(jī)技術(shù)仍處于領(lǐng)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(jī)不斷的推出。而日本在單片機(jī)制造業(yè)方面也有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢，在積極爭奪家電產(chǎn)品的大客戶。韓國及我國臺(tái)灣省的一些公司在引進(jìn)美國技術(shù)的基礎(chǔ)上，以低價(jià)位的兼容產(chǎn)品搶占中國的市場。另一方面，如此琳瑯滿目的單片機(jī)品種，著實(shí)給單片機(jī)應(yīng)用的工程師提供了巨大的選擇空間。這么多種單片機(jī)能進(jìn)入中國市場，這就說明了我們的應(yīng)用工程師已經(jīng)能夠綜合各類單片機(jī)的性能、價(jià)格等方面的一些因素，并結(jié)合實(shí)用對(duì)象進(jìn)行 選擇。相對(duì)過去以剖析、復(fù)制外國產(chǎn)品為主的思路有了相當(dāng)?shù)母倪M(jìn)。隨著我國經(jīng)濟(jì)實(shí)力的不斷增長，開發(fā)新產(chǎn)品的思路上以前那種過多注重價(jià)格因素而使新產(chǎn)品開發(fā)上不了檔次的弱點(diǎn)有所改善，開始注意使用當(dāng)前最先進(jìn)的單片機(jī)開發(fā)高檔次產(chǎn)品。各單片機(jī)廠商在開發(fā)工具以及技術(shù)服務(wù)方面也進(jìn)行著激烈的競爭，這種競爭與推出新型的單片機(jī)以顯示