毕业设计-基于PIC系列单片机的改进型PID控制器设计.doc

本科毕业论文（设计）论文（设计）题目：基于pic系列单片机的改进型pid控制器设计学 院： 电气工程学院专 业： 自 动 化 班 级： * 学 号： * 学生姓名： * 指导教师： * 2012年 05月 26日目 录摘 要abstract第一章 绪论11.1课题来源11.2选题背景11.3 pid控制概况11.3.1发展现状11.3.2 pid技术的不足21.3.3 pid未来发展趋势31.4设计的目的、意义和设计内容31.5课题整体方案3第二章 pid控制器52.1 pid控制原理52.2积分分离pid控制器62.3 pid整定方法82.3.1工程整定法92.3.2经验法12第三章 积分分离pid控制在matlab上的实现143.1 matlab简介143.2 积分分离pid控制器的m文件仿真143.3 积分分离pid控制器的simulink仿真18第四章 硬件选型及电路204.1设备选型204.1.1 pic单片机pic16f877a204.1.2 温度传感器ds18b20214.1.3 显示器lcd1602224.1.4 单总线技术234.2硬件电路234.2.1最小系统234.2.2加热模块244.2.3数据采集电路254.2.4显示模块254.2.5键盘输入模块264.2.6电源模块26第五章 软件设计285.1程序流程图285.1.1 主程序流程图285.1.2 ds18b20温度采集程序流程图295.1.3 pid控制程序流程图305.1.4 键盘输入子程序315.1.5 lcd显示子程序32第六章 结论33参考文献34致 谢35附录1： pid仿真程序36附录2： 单片机仿真程序39原理图及程序流程图见大图 基于pic系列单片机的改进型pid控制器设计摘 要在工业控制中，按偏差的比例、积分和微分进行控制的 pid 调节器现在得到广泛的应用。它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。对pid控制的改进主要是参数整定的先进技术，以及对控制结构的改进和更新。参数整定的技术有神经网络、模糊控制、自适应控制等；控制结构的改进有积分分离、抗积分饱和、微分先行等。这其中应用最多的是积分分离。论文主要研究积分分离pid控制器的设计及其在pic单片机系统中的应用，完成了以下工作：（1）首先普通pid控制和积分分离pid控制的原理。（2）其次，运用matlab实现了对积分分离pid控制器的设计及仿真，进行了m文件和simulink仿真。（3）再次，针对积分分离pid控制器，设计了基于pic单片机的积分分离pid控制器。仿真结果表明，当设定值与被控量之间的偏差较小时，取消积分作用，避免积分作用降低控制系统的稳定性，增大超调量；当设定值与被控量接近时，引入积分作用，实现静差的消除，提高了控制精度。关键词 ：积分分离pid，matlab，m文件仿真，simulink仿真，pic单片机integration separation pid control based on pic microcontroller systems applicationabstractpid regulator,according to the deviation of the proportional, integral and differential,has been widely used in industrial control,.it has been one of the most important technical and industrial control,with its simple structure, good stability, reliable, and easy to adjust the improvement of pid control is the high technology of parameter tuning , as well as the improvement of structure. parameter tuning technology including neural networks, fuzzy control, adaptive control; improvement of the control structure including integral separation, anti-windup . 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, completed 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 m-files 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; when the deviation between settings and charged is nearly , the integral action will be introduced to eliminate static errors, and improve the control precision.keywords: integration separation pid ，matlab ，m-file simulation, simulink simulation, pic microcontroller 贵州大学本科毕业论文（设计） 第65页第一章 绪论1.1课题来源在工业控制中，按偏差的比例、积分和微分进行控制的 pid 调节器现在得到广泛的应用。它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。通过对所以环节，比如被控对象、控制算法、单片机编程等的研究，加深了对计算机控制技术的理论知识并为以后的工程工作打下基础。1.2选题背景pid 控制器问世至今已有近 70 年历史，同时，控制理论的发展也经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。人类的许多希望和梦想，被科学和技术变成现实；其中自动控制理论和技术已经介入到许多学科，渗透到各个工程领域，如今异常火热的汽车电子中的车身控制、底盘控制、发动机控制、安全控制、娱乐系统；以及传统工业控制中的电机控制、温控系统、仪表设备、楼宇自控系统、数据采集系统和计算机网络通信、数据传输、军用设备、航空航天等。行业现代化水平的重要标志之一就是工业的自动化水平。温度控制是智能控制的一个比较典型的实例。一个控制系统包括控制器、变送器、执行机构、传感器、输入输出接口。不同的控制系统，其传感器、变送器、执行机构是不一样的。比如电加热控制系统的传感器是温度传感器。压力控制系统要采用压力传感器。目前，各种pid控制器已经很多，并在实际生产中得到广泛的应用和发展。pid 控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定 pid 控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小嵌入式系统。它具有原理简单，易于实现，适用面广，控制参数相互独立，参数的选定比较简单等优点1.3 pid控制概况1.3.1发展现状pid控制是最早发展起来的控制策略之一，1915-1945年期间，pid控制器得到突破性发展，产生了现如今使用的pid控制器。在这之前，除了在最简情况下采用开关控制外，pid控制是唯一的控制方法。虽然以后，许多新的控制方法不断推出，然而由于pid控制方法具有结构简单、可靠性高、鲁棒性强的优点，使其仍为现今应用最广泛的控制方法。尤其在工控中，在冶金、化工、机电、机械等工业领域得到广泛的应用据统计，有90%以上的工业控制器采用pid控制器。日本的一位科学家提出一种重复控制，用于抑制周期性干扰和跟踪信号输入，进行伺服重复轨迹的高精度控制。它的原理来源于内模原理，是在将一个偏差加到被控对象的输入信号处外，还叠加一个“过去的偏差”，将“过去的偏差”在现在反映出来，和“现在的偏差”一起控制被控对象。它的发明者鲁道夫.e.卡尔曼（rudolph e. kalman）命名的卡尔曼滤波的提出，成为控制、信号处理与通讯等领域的最重要和最基础的计算方法和工具之一，人们在改善卡尔曼滤波的数值稳定性和计算复杂性上进行了大量的探索和研究由美国michigan大学j.holland教授于1975年首先提出了遗传算法，是模拟达尔文生物进化论的自然选择和遗传学机理的生物进化过程的计算模型，是模拟生物进化论和自然界遗传机制的最优化方法。遗传算法已被人们广泛地应用于组合优化、机器学习、信号处理、自适应控制和人工生命等领域。它是现代有关智能计算中的关键技术。1957 年,o.j .smith 提出了著名的 smith 预估器 来控制含有时滞环节的对象，从理论上解决了时滞系统的控制问题。smith控制方法前提是必须确切地知道被控对象的数学模型，再次基础上能得到精确地预估模型，得到很好的控制效果。1.3.2 pid技术的不足pid 控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定 pid 控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小嵌入式系统。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用 pid 控制技术最为方便。但目前的情况是，由于自身的缺点和技术的局限，使得在实际应用过程中，许多的被控过程复制，而且有着高度非线性和纯滞后等特性，比如在负载扰动、噪声的影响下。其不足，主要是型号处理过于简单，不能发挥其优点。比如积分反馈引入有很多的负作用，而对微分信号的产生和不好实现。1.3.3 pid的未来虽然dcs控制的发展使得现场控制器的改进有了新的机遇，但是pid控制还是以其操作简单，可靠性强等独有的优势被人们应用至今，如今的pid控制走的是融合发展的道路。（1）对单输入单输出的被控对象，为使其抗干扰性和鲁棒性方面进一步的提高，可以研究针对不稳定对或有较强干扰下的被控对象下的pid参数整定。（2）对多输入多输出的被控对象，对于多变量的过程的pid参数整定方法的研究，可以进一步完善继电反馈法，减少检验的信息量，使在线整定给位方便。（3）先进控制理论对pid的促进作用，将自整定、自适应有机结合。自适应控制中的mras，str模型适应与调节器适应的思想的发展，可能会导致非线性自适应pid控制器。1.4设计的目的、意义和主要内容目的：掌握自动控制理论、计算机控制技术、控制系统设计及仿真、单片机原理及应用、matlab控制系统仿真、c语言程序设计等相关专业知识。意义随着数字控制技术的发展，使我们在控制器的设计上有了更大的灵活性，改进型 pid 控制的研究，可以改善系统品质，满足不同控制系统的需要。而在设计过程中，可以把所学的东西用于实践，进一步升华理论知识。设计内容设计改进型pid控制器，通过matlab进行仿真设计及分析；设计基于pic系列单片机的改进型pid控制器硬件电路，并编写相关代码。1.5课题整体方案控制方案如图1.1所示，整个系统由控制核心（即控制器，本设计中控制其选pic单片机）、a/d和d/a转换电路、测量变送环节和调节器（即热电偶冷却器）组成。其温度的控制过程为：经过测量变送环节，将测量值与给定值的偏差送到控制器中，通过控制器输出控制量给调节器，由调节器在调节温度。单片机的接口信号是数字信号，要想用单片机获取温度等非电信号的信息，必须使用温度传感器将温度信号转换为电流或电压信号输出。如果转换后的电流或电压信号输出是模拟信号，还必须进行ad转换，以满足单片机接口的需要。图1.1 控制器原理图第二章 pid控制器2.1 pid控制原理 在控制系统中，最常用最基础的控制规律是pid控制。他是将比例、积分和微分（p、i、d）通过线性结合构成了控制量，对被控对象进行控制。原理图见下图:图2.1 pid控制原理图pid控制器是一种线性控制器，如图2.1所示，系统由控制器和被控对象组成。它根据给定值r(t)与实际输入值y(t)构成控制偏差e(t)=r(t)-v(t)将其比例、积分、微分线性线性组合，以此来控制被控对象。pid的控制规律为 公式2-1写成传递函数的形式为 公式2-2式中 kp：比例系数 ti：积分时间常数 td：微分时间常数（1）比例环节 比例环节：成比例地反应控制系统的偏差信号，偏差一旦产生，控制器立即开始控制，使偏差向减小的趋势变化。1、 对动态特性的影响比例系数kp增大，可以使系统的动作更灵敏，速度加快， kp偏大时，振荡次数加多，增加调节的时间。当kp太大时，系统会趋于不稳定，若kp太小，又会使系统的动作缓慢。2 、对稳态特性的影响加大比例系数kp，在系统稳定的情况下，可以减小稳态误差，提高控制精度，但是加大kp只是减少稳态误差，却不能完全消除稳态误差。（2）积分环节积分环节：主要的作用是消除静差，保证被控量在稳态时对设定值的无静差跟踪，提高系统的无差度。它对系统的性能影响可以体现在以下两方面：1 、对动态特性的影响积分作用会降低系统的稳定性。如果积分时间ti太小系统将不稳定，ti偏小，振荡次数较多；如果ti太大，又会减少对系统性能的影响，只有当ti合适时，过渡特性比较理想。2、 对稳态特性的影响积分作用能消除系统的稳态误差，提高控制系统的控制精度。积分作用的强入弱有时间常数ti决定，ti越大，积分作用越弱。（3） 微分环节微分作用反应偏差信号的变化趋势，可以改善闭环系统的稳定性和动态特性，如缩短调节时间，减小超调量。当微分时间td偏大时，超调量较大，调节时间较长；当td偏小时，超调量也较大，调节时间也较长只有合适时，可以得到比较满意的过渡过程。2.2积分分离pid控制算法对pid控制的改进主要是参数整定的先进技术，以及对控制结构的改进和更新。参数整定的技术有神经网络、模糊控制、自适应控制等；控制结构的改进有积分分离、抗积分饱和、微分先行等。这其中应用最多的是积分分离。在普通的pid控制中引入积分环节是为了消除系统的静态误差，从而提高控制系统的精度。但控制系统启动、结束等大幅增减设定的时候，系统的输出会有比较大的误差，从而造成积分的累积，引起系统较大的超调量积分分离pid控制可以根据实际情况来引入个取消积分作用，当设定值与被控量之间的偏差较小时，取消积分作用，避免积分作用降低控制系统的稳定性，增大超调量；当设定值与被控量接近时，引入积分作用，实现静差的消除，提高了控制精度。图2.2 积分分离pid控制原理图实现其功能的详细步骤如下：a) 根据实际情况，人为设定阈值0；b) 当| error ( k) | 时，采用pd控制，可避免产生过大的超调，又使系统有较快的响应；（error为控制偏差）c) 当| error ( k) | 时，采用pid控制，以保证系统的控制精度。积分分离控制算法可表示为： 公式 2-3式中: t：采样时间；：积分项的开关系数。 根据积分分离式pid 控制算法得到其程序框图，见图开始初始化采入r（t）及v（t）计算偏差值errorerror(k)pid控制pd控制控制器的输出参数更新返回图2.3积分分离pid控制算法程序图2.3 pid整定方法一个控制系统的控制质量取决于控制方案、干扰的形式和大小、对象特性以及控制器参数的整定等各种因素。在确定下系统的整体自动控制方案确定，控制器和控制机构已经选定并安装好以后，控制器的参数选择降主要的决定着控制质量，控制器参数的确定即是控制系统的整定。控制系统整定的任务就是根据控制对象的特性及控制系统的结构选择最佳的控制器参数及其他仪表参数，使得控制过度过程具有最为满意的品质指标。控制器的整定方法可以分为两大类：理论计算的方法和工程整定的方法。理论计算方法主要是依靠系统的数学模型，预先给定各环节的传递环节，即预先给定误差积分准则，再通过计算得出整定参数。然而理论计算的方法过分依赖数学模型，而且计算繁琐，计算得出的数据在工业实际中还要进行现场调试和修改。以此最终很少应用的工程实践中。工程整定方法主要是靠实践经验，直接在系统的实际运行即闭合的控制回路中对控制器参数进行整定。这种方法，方便、简单、容易掌握，因此在工程中得到广泛的应用。 pid整定口诀：参数整定找最佳，从小到大顺序查 。先是比例后积分，最后再把微分加 。曲线振荡很频繁，比例度盘要放大 。曲线漂浮绕大湾，比例度盘往小扳 。曲线偏离回复慢，积分时间往下降 。曲线波动周期长，积分时间再加长 。曲线振荡频率快，先把微分降下来 。动差大来波动慢。微分时间应加长 。理想曲线两个波，前高后低4比1 。一看二调多分析，调节质量不会低。2.3.1工程整定法工程整定法又有临界比例度法、衰减曲线法和反应曲线法。一、临界比例度法临界比例度法（又叫做稳定边界法），是一种闭环调整方法，是将调节器设置成纯比例作用，让系统自动运行并由大到小改变比例度。这种控制方法不需要测试过程中的动态特性，简单、使用方便，因此得到了广泛的应用。临界比例度法的整定步骤：(1)将调节器的积分时间置于最大，即；置微分时间置零， =0；置比例带为一个较大的值。(2)使系统投入闭环运行，等系统运行稳定后，对设定值施加一个阶跃变化，并逐渐减小比例度，直到系统进入下图的等幅振荡状态。记录下此时的和(3)根据所记录的振荡周期和进阶比例度为，然后按表给出的经验公式计算出调节器的各个参数。图2.4 系统的临界振荡过程需要指出，如果工艺方面不允许反复进行振荡实验，这种方法就不能应用，像锅炉给水系统等；对于某些时间常数较大的过程，采用比例调剂规律不会出现等幅振荡，故也不能应用此法这种方法只适用于二阶以上的高阶对象，或一阶加纯滞后的对象。表2.1 临界比例度发的参数计算表 整定参数调节规律ppipid此外，随着过程特性不同，按此法整定的调节器参数也不一定获得所需的结果。在有无自衡特性的过程中，按此法整定的参数会是系统响应的衰减率偏大或偏小。以此，需要在实践中做一些调整，以期更好的运用此法。二、衰减曲线法 衰减曲线法与临界比例度法类似，此法不需要出现等幅振荡的过程，它是利用比例作用下产生的4:1衰减振荡(=0.75)过程时的及衰减振荡周期，或10:1衰减振荡(=0.9)过程时的及输出响应的峰值时间，根据下表的经验公式计算出、和。衰减曲线法的具体步骤是： (1)先置调节器的积分时间，微分时间0，比例带置于较大的数值；将系统投入闭环运行。(2) 待系统稳定运行后，对设定值作阶跃变化，观察控制过程系统的响应。如果响应振荡衰减太快，应逐步减小比例度；反之，就逐步增大系统的比例度。并重复试验，直到过渡过程曲线出现4:1的衰减过程（如图）。对于=0.9的调节过程，也同样的做上面的试验，直到出现衰减比为10:1的衰减过程。记录下4:1(或10:1)的、（或），如图所示。图2.5 系统衰减振荡曲线(3)按表中给出的经验公式计算调节器的各个参数，观察调节过程，适当修改调节器参数，到满意为止。试验过渡过程出现振荡的时间比较短，而且是衰减振荡，以此，衰减曲线法对多数过程适用。但是有时4:1衰减比较难确定其衰减程度，只能是近似，因此难以得出准确的、和。尤其是对于一些干扰比较频繁地控制系统。表2.2 衰减曲线法参数计算公式控制规律整定参数0.75ppipid0.9ppi pid2.3.2经验法 上面的两种工程整定方法的优点是简单方便，因此，可以应用于工程实践。但是，无论是衰减曲线法还是临界比例度法，所确定的控制器整定参数都是初步的。当系统在运行的过程中受到干扰，要得到闭环系统的阶跃响应曲线就变得异常困难，此时，单纯的临界比例度法和衰减曲线法都很难得到满意的结果。因此，我们还要在工程现场对其进行调试和修正。 而在控制工程中，通过长期实践，人们总结了一套参数整定的经验，称之为经验法。经验法可以理解为通过经验而进行参数试凑的方法，它是根据经验设定一组控制器参数，然后让系统进入闭环运行状态，等系统稳定下来，进行系统的阶跃扰动试验，观察控制过度过程；如果控制过程是想要的结果，则修改之前的控制器参数，重新进行阶跃扰动试验；重复进行上述试验，直到控制过度过程满意为止。其调整的经验准则是“看曲线，调参数”：（1）比例度越大，过渡过程越平缓，稳态误差越大；反之，过度过程振荡的越剧烈，稳态误差越小；但如果比例度过小，可能出现发散振荡。（2）积分时间越大，积分作用越微弱，过渡过程越平缓，稳态误差消除的也越慢；反之，过渡过程振荡的越剧烈，稳态误差消除的越快（3）微分时间越大，微分作用越微弱，过渡过程趋向稳定，最大偏差越小；但是如果微分时间过大，会以此增加过渡过程的波动程度经验法整定参数的具体步骤是：(1)将调节器的积分时间置于最大，微分时间放到最小，然后根据经验设置比例度。让系统进入闭环运行并待其稳定，进行阶跃扰动试验，观察调节过程，若过度过程有期望的衰减率(=0.750.9)即可，否则改变比例度值，重复上述试验。(2)将调节器的积分时间置于某一个特定的值，积分作用的引入会使系统的稳定性相应下降，将系统的比例度 增大，增大的值通常为纯比例作用的1.2倍。进行阶跃扰动试验，观察过度过程，进而重复进行相应试验，直到满意为止。(3)保持积分时间不变，更改比例度，观察过度过程有没有改善，如果得到改善，继续更改比例度，若没有得到改善则反方向修改比例度，直到得到满意的结果。保持比例度为一特点值不变，修改积分时间，反复进行试凑，直至满意。第三章 积分分离pid控制在matlab上的实现3.1matlab简介美国mathworks公司研究开发了“matrix laboratory（矩阵实验室）”，来解决面对一些大量运算，尤其是涉及到矩阵运算时编程和调试难等困难；经过不断的发展和扩充，公司于1984年推出了matlab正式版；1992年推出了matlab4.0版，到目前为止，matlab的应用范围越来越广matlab编程跟人类进行计算的表达方式和思维方法是一致的，所以用matlab进行数学运算非常的方便。即使用户不懂c等这样的程序语言，也可以在matlab上实现几乎全部功能。matlab语言的特点如下：(1)matlab语言的简洁紧凑，编程效率高(2)界面友好，用户使用方便(3)matlab图形功能强大(4)程序设计自由度大，可移植性好(5)扩充能力强(6)matlab庞大的模块集(7)matlab强大的系统仿真功能3.2积分分离pid控制器的m文件仿真对于温度控制系统，经过分析，精简数学模型，被控对象可以看做是一个一阶的纯滞后系统，这里用的对象是：采样时间为20s，延迟时间为5个采样时间，即100s，被控对象离散化为： y(k)=-den(2)y(k-1)+mum(2)u(k-5) 公式3-1当m=1时，是积分分离pid控制，这里采用的是分段式积分分离的方式，即采用不同的积分强度，对应的是不同的误差绝对值。当m=2时，采用一般pid控制仿真程序%积分分离pid控制clear all;close all;ts=20; %延时程序sys=tf(1,60,1,inputdelay,100);dsys=c2d(sys,ts,zoh);num,den=tfdata(dsys,v);%延时程序yout(k)=-den(2)*y_1+num(2)*u_5;积分分离程序rin(k)=40;error(k)=rin(k)-yout(k);ei=ei+error(k)*ts;m=1时采用积分分离pid控制if m=1 %采用积分分离pid控制 if abs(error(k)=30&abs(error(k)=20&abs(error(k)=10&abs(error(k)=110 %对控制量进行限幅 u(k)=110;endif u(k)=30&abs(error(k)=20&abs(error(k)=10&abs(error(k)=110 % restricting the output of controller u(k)=110;endif u(k)=-110 u(k)=-110;endu_5=u_4;