1、内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）毕业设计说明书（毕业论文）过程控制系统实验装置开发PI-P 数字调节器内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）摘 要在过程控制中，调节器是由大量运算单元组成。它们的性能直接关系到生产过程的平稳运行和产品的最终质量，与企业的经济效益息息相关，因而其优化设计具有重要的现实意义。系统稳定是调节器设计首先需要考虑的问题，如果系统不稳定，提高其它性能也就没有意义了。常规的模拟调节装置之所以采用基本 PID 控制方案，主要是因为它在现场能够获得直观的、有效的控制效果。因此，直到现在它仍然是一种最基本的控制规律。而采用单片机实现的数字 PID 算法，由于软件系统的灵活
2、性，使算法得到了进一步修正和完善。PID 控制算法的种类很多，应用场合不同对算法的要求也有所不同。本次设计主要对积分分离式 PID 控制算法进行了重点的研究 ，结果证明在一定场合下积分分离式 PID 控制算法优于基本的 PID 算法。关键词：单片机；PID 调节器；积分分离内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）Process Control System Experimental Device Development -PI-P Digital RegulatorAbstractIn the process control, regulator is comprised of a great
3、 deal of arithmetic elements. Their performance has immediate relation with smooth running in the course of production and the final quality of products. It is also closely interrelated to the economic benefit of enterprises. So it has far-reaching signification that the optimization design of PID c
4、ontrol unites.The stability of the closed-loop system is the first consideration in the controller design. If the system is unstable, the improvement of the other performances would be not signification. The main reason that the basic PID control program can be widely used in conventional simulation
5、 regulating device is that we can get visual and effective control result in the site by it. So it still be a basic control law until now. Due to the flexibility of software system, the digital PID algorithm accomplished by micro-computer is further revised and improved. There are many types of PID
6、control algorithm, different applications need different algorithms. This paper only study integral separation of PID control algorithm simply. The results prove that the integral separation PID algorithm is better than the conventional PID algorithm in some certain occasions.keyword：Single-chip Com
7、puters; PID regulator; Integral Separation内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）目 录摘 要 .IAbstract.II第一章 引 言 .11.1 PID 控制器的现状 .11.2 PID 控制器设计方法回顾 .21.3 设计 PID 控制器应考虑的问题 .2第二章 常规 PID 控制器 .32.1 控制器的基础知识 .32.1.1 比例作用 .32.1.2 积分作用 .42.1.3 微分作用 .42.2 模拟 PID 调节器 .42.3 数字 PID 控制算法 .52.3.1 位置式 PID 控制算法 .52.3.2 增量式 PID 控制算法 .6
8、2.4 数字调节器的整体设计 .72.4.1 功能和要求 .72.4.2 整体结构设计 .8第三章 硬件设计 .93.1 单片机 .93.1.1 单片机的发展概况 .9内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）3.1.2 单片机 AT89C51.93.2 A/D 转换电路设计 .113.3 D/A 转换电路设计 .133.4 复位电路设计 .153.5 键盘电路设计 .163.6 显示电路设计 .163.6.1 LED 数码管 .163.6.2 显示电路 .17第四章 软件设计 .204.1 软件流程介绍 .204.2 数字滤波 .224.3 标度变换 .234.4 偏差处理 .244.4.1
9、较大偏差处理 .244.4.2 较小偏差处理 .244.5 不完全微分的 PID 算法设计 .254.6 积分分离算法设计 .274.7 限幅程序设计 .284.8 报警程序设计 .284.9 键盘程序设计 .294.9.1 键盘扫描 .294.9.2 按键处理 .30第五章 调节器设计中遇到的 问题 .33内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）5.1 数字 PID 控制器采样周期的选择 .335.2 正反作用问题 .335.3 手动/自动无扰动切换 .345.4 控制规律的选择 .345.4.1 比例控制规律（P ） .345.4.2 比例积分控制规律（PI） .345.4.3 比例微分控
10、制规律（PD） .345.4.4 比例积分微分控制规律（PID） .355.5 PID 参数整定 .355.5.1 PID 参数对系统性能的影响 .355.5.2 PID 参数整定 .355.6 调节器测试实验 .36结束语 .43参考文献 .44附录 A 硬件图 .45附录 B 源程序 .46致 谢 .57内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）第一章 引 言1.1 PID 控制器的现状在工业过程控制中，PID 控制是历史最悠久，生命力最强的一种控制方式。它是迄今为止最通用的控制方法 1。它提供一种反馈控制，通过积分作用可以消除稳态误差，通过微分作用可以预测未来 9。PID 控制器能解决许多
11、控制问题，尤其在动态过程是良性的和性能要求不太高的情况下。PID 控制不仅是分布式控制系统的重要组成部分，而且嵌入在许多有特殊要求的控制系统中。在过程控制中，90%以上的控制回路采用 PID类型的控制器，因此，大多数反馈回路采用该方法或其较小的变形来控制。我们今天所熟知的 PID 控制器产生并发展于 1915-1940 年期间。尽管 1940 年以来，许多先进的控制方法不断推出，但 PID 控制器以其结构简单，仍被广泛应用于冶金、化工、电力、轻工和机械等工业过程控制中。据日本电气计量器工业会先进控制动向调查委员会统计，在日本有 91%的控制回路采用的是 PID 控制器控制。在美国，据控制工程杂
12、志估计，有 90%以上的工业控制器采用的是 PID 控制器。而在我国现在 PID调节器的应用就更加普遍。虽然随着控制理论的发展和控制手段的更新，许多基于现代控制理论的新型控制器不断出现，但 PID 控制仍是最重要的控制方法。据估计：在我国过程控制工业中需要约 50 万个智能的 PID 控制器。PID 调节器的发展经历了液动式、气动式几个阶段，目前正经历由模拟控制器向着数字化、智能化控制器的方向发展阶段；这些数字化、智能化的控制器有着传统的模拟控制器无法比拟的优点，如：可以灵活的改变控制参数；可以灵活的改变控制策略等。随着工业的发展，对象的复杂程度不断加深，尤其对于大滞后、时变的、非线性的复杂系
13、统：其中有的参数未知或缓慢变化；有的带有延时或随机干扰；有的无法获得较精确的数学模型或模型非常粗糙。加之，人们对控制品质的要求日益提高，基本PID 控制器的缺陷逐渐暴露出来。对于时变对象和非线性系统，基本的 PID 控制更是显得无能为力。因此，基本 PID 控制的应用受到很大限制和挑战。人们在对 PID 应用的同时，也对其控制算法进行了各种改进，例如：不完全微分 PID 算式、积分分离 PID内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）算式、变速积分 PID 算式和带死区 PID 算式等。1.2 PID 控制器设计方法回顾在过去的几十年中，人们提出了许多 PID 控制器的设计方法。然而，在这些方法
14、中没有一种是能得到普遍接受的，也就是最好的控制方法依然没有找到。另一方面，也需要各种各样整定 PID 控制器的方法：从一些简单的整定方法到基于对象模型的更精确的设计方法。各种不同的控制问题要有不同的设计方法来解决。大多数设计方法往往仅考虑了控制问题的一个方面，例如：有些设计方法只考虑了抑制负载扰动而没有考虑设定值跟踪。一个好的设计方法应该满足一系列工程指标，如：负载扰动抑制、设定值跟踪以及控制器的非脆弱性等。许多传统的 PID 控制器设计方法没有对这些方面进行全面考虑，而是采用一种不能令人满意的折衷手段。1.3 设计 PID 控制器应考虑的问题当我们去解决一个实际控制问题的时候，首先必须弄清楚
15、控制的主要目的，也就是找出重点要解决的问题。一般来说好的设定值跟踪和快速抑制负载扰动是两个主要控制目标 10。由于一些性能指标的实现往往受到 PID 控制器结构形式的限制。例如：利用传统的单自由度控制器就无法同时满足设定值跟踪和负载扰动抑制的要求；线性积分器在提高系统稳态精度的同时，也带来了相位的滞后，恶化了控制系统的品质，时常引起系统快速性与稳定性之间不可调和的矛盾 2。因此，对控制器的结构形式要做一些深入研究，可根据控制系统的实际要求，采用非常规 PID 控制器。内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）第二章 常规 PID 控制器2.1 控制器的基础知识PID 控制器是一种基于“过去” 、
16、 “现在”和“未来”信息估计的简单算法。基本PID 控制系统原理图如图 2.1 所示：比例积分微分+_+被控对象P ( t )+e ( t )y ( t )ys p( t )图 2.1 PID 控制系统原理图系统主要由 PID 控制器和被控对象组成。作为一种线性控制器，它根据设定值 ysp (t)和被控对象的反馈值 y(t)构成控制偏差 e(t ) ，将偏差按比例、积分和微分通过线性组合构成控制量 P(t)，对被控对象进行控制。控制器的输入输出关系可描述为：(2.1)01()()()()tPDIdettKetT式中： ，K P 为比例系数，T I 为积分时间常数，T D 为微分时间常数。()s
17、pety2.1.1 比例作用比例作用的引入是为了及时成比例的反映控制系统的偏差信号 e(t)，以最快速度产生控制作用，使偏差向减小的方向变化。由于比例调节器的输出和输入成比例关系，只要有偏差存在，调节器的输出立刻与偏差成比例的变化，因此比例调节作用及时迅速，这是它的一个显著特点。但是这种调节器用在控制系统中，将会使系统出现稳态误差 ，也就是说，当被控变量受干扰影响而偏离给定值后，不可能再回到原先数值上，因为如果被控变量值和给定值之间的偏差为零，调节器的输出就不会发生变化，系统也就无法保持平衡。为了减小稳态误差，可增大 KP。K P 越大，稳态误差越小。但 KP 增大将使系统的稳定性变差，容易产
18、生振荡。比例调节器一般用在干扰较小，允许有稳态误差的系统内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）中。2.1.2 积分作用在积分控制中，控制器的输出与输入偏差信号的积分成正比关系。对于一个自动控制系统来说，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项” 。随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便偏差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。2.1.3 微分作用在微分控制中，控制器的输出与输入偏差信号的微分
19、（即偏差的变化率）成正比关系。自动控制系统在克服偏差的调节过程中可能会出现振荡。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后组件，具有抑制偏差的作用，其变化总是落后于偏差的变化。解决的办法是使抑制偏差的作用的变化“超前” ，即在偏差接近零时，抑制偏差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大偏差的幅值，而目前需要增加的是“微分项” ，它能预测偏差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制偏差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+ 微分 (PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。2.2 模拟 PID 调节器模拟 PID 控制器，实际上是由电阻、电容、运算放大器构成的模拟电子电路来实现 PID 运算的功能 3。模拟 PID 控制电路如图 2.2 所示：
