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1、.word格式.摘 要自动控制理论实验主要任务是通过实验，使学生掌握自动控制的基本原理和方法，在熟练掌握各种校正方法设计原则的基础上，加强对控制理论的理解和认识，将理论与实践有机地结合起来，提高分析问题及解决问题的能力。本设计是在原有实验箱的基础上，根据常规的PID控制，开发新型的模糊控制实验内容。实验中的控制器为C8051F330单片机，通过上位机C语言开发环境，将代码写入单片机进行控制。其算法采用将常规PID控制与模糊控制相结合的控制策略，运用模糊推理思想，根据不同的误差e及误差变化率ec对PID三个参数Kp，Ki及Kd进行实时优化，达到最优控制。最终实现模糊PID控制算法。由于原有单片机
2、内存的限制，在经过多次实验后，选取了两个模糊控制规则表对搭建的三阶被控对象进行算法验证，实验表明模糊控制和原有常规PID控制比较，明显提高了系统的控制性能。关键词：单片机，PID控制，模糊控制AbstractThe main task of automatic control theorys experiments is to help students master basic principles and methods of automatic control theory by experiment. Based on mastering various correction meth
3、ods, it helps to enhance understanding and awareness towards control theory, to integrate theory with practice , and to enhance the analysis of problems and problem-solving abilities.The design is based on the original test case, according to the conventional PID control , to develop new fuzzy contr
4、ol experiments. They are cored by the MCU C8051F330, by using C language development environment and writing codes into the MCU. The algorithm combines conventional PID control and fuzzy control together, and uses fuzzy reasoning to optimize three PID parameters Kp, Ki and Kd for real-time according
5、 to different error e and error change rate of ec, only to achieve optimal control. Eventually fuzzy PID control algorithm is realized. Since the original MCUs memory is limited , after a number of experiments ,two fuzzy control rule bases have been selected to do algorithm validation towards third-
6、order plant. Experiments show that fuzzy control has increased system control performance obviously compared with conventional PID control. Keywords: MCU; PID control; fuzzy control. 专业.专注 .目录第一章 绪论11.1研究背景和研究意义11.2本文结构11.3本章小结1第二章 单片机原理32.1 单片机系统设计的基础32.1.1 理论储备32.1.2 单片机系统设计的内容32.2单片机控制系统总体方案的设计32
7、.2.1设计方法总述32.2.2直接数字控制42.2.3数字化PID控制42.3 单片机系统硬件设计42.3.1 存储器拓展52.3.2 模拟量输入通道的拓展52.3.3 模拟量输出通道的拓展52.3.4 开关量的I/O接口设计52.3.5 操作面板62.3.6 系统速度匹配62.3.7 系统负载匹配62.4单片机系统的软件设计62.4.1 保证可靠性62.4.2 软硬件折中问题72.4.3 应用软件的特点72.4.4 软件开发步骤72.5单片机控制系统的调试72.5.1 硬件调试72.5.2 软件调试82.5.3 硬件、软件仿真调试9第三章PID控制器103.1.1闭环控制算法113.1.2
8、 PID是比例(P)、积分(I)、微分(D)控制算法113.1.3比例(P)、积分(I)、微分(D)控制算法各有作用113.1.4控制器的P,I,D项选择113.1.5 公式133.1.6 PID算法流程图14第四章 基于单片机模糊PID控制算法实现154.1 模糊控制例子154.2基本原理184.3模糊控制器算法研究194.3.1输入值的模糊化194.3.2模糊控制规则表的建立194.4模糊控制算法的实现204.4.1 实验模糊表204.4.2 输入输出的隶属度函数224.4.3 去模糊化254.4.4 单片机上实现控制算法274.4.5 模糊规则表的选择27第五章 总结30致谢32参考文献
9、33附录34. 专业.专注 .第一章 绪论1.1 研究背景和研究意义自动控制理论实验提供的实验箱中，我们可以搭接不同的被控对象，通过给被控对象输入阶跃信号，在上位机界面上观察其阶跃响应曲线，根据曲线波形，我们可以判定被控对象是否稳定以及各种控制器对被控对象的控制性能如何等。控制器就是单片机。原有的实验箱单片机中，生产厂家只提供数字PID控制，而我们一般都希望单片机能够实现多种控制算法，例如模糊控制算法。本次设计所使用的单片机是C8051F330芯片，有10位A/D、D/A转换，8KB闪存，17个I/O端口，其中A/D的转换速率为200ksps。在自动控制技术的发展过程中，PID控制是历史最久，
10、生命力最强的控制方式。至今，PID控制作为工业控制系统的经典控制技术, 在过程控制、伺服系统、生产机械自动化控制等各领域各行业中仍然是应用最广泛的基本控制技术。由于常规PID 控制器不能在线整定参数；并且，常规PID 控制器对于非线性、时变的系统和模型不清楚的系统就不能很好的控制，其PID参数不是整定困难就是根本无法整定，因此不能得到预期的控制效果。用模糊算法来优化PID参数，使控制器能够根据实际情况调整比例系数Kp、积分系数Ki和微分系数Kd，以达到调节作用的实时最优。1.2 本文结构本文在绪论部分介绍基于单片机的PID控制的研究背景和意义，对用模糊算法优化PID参数作了一个概要描述，并介绍
11、了本文的研究内容。第二章介绍了单片机控制系统的构成、硬件设计、软件设计和系统调试。第三章研究常规PID控制的原理。在这一章节中，我们深入分析了PID控制在原理和构造方面的问题，以及进行了实验论证。第四章在介绍模糊控制的原理和特点之后，我们提出了用模糊算法优化PID参数控制策略，并在单片机上实现了模糊控制算法。第五章为本文总结。1.3 本章小结本章介绍了基于单片机的PID控制以及模糊算法研究背景和研究意义，并且提出了本论文的研究内容，并对论文的结构安排进行了简要说明。第二章 单片机原理2.1 单片机系统设计的基础2.1.1 理论储备单片机控制系统是以单片机（CPU）为核心部件，扩展一些外部接口和
12、设备，组成单片机工业控制机，主要用于工业过程控制。要进行单片机系统设计首先必须具有一定的硬件基础知识；其次，需要具有一定的软件设计能力，能够根据系统的要求，灵活地设计出所需要的程序；第三，具有综合运用知识的能力。最后，还必须掌握生产过程的工艺性能及被测参数的测量方法，以及被控对象的动、静态特性，有时甚至要求给出被控对象的数学模型。2.1.2 单片机系统设计的内容单片机系统设计主要包括以下几个方面的内容：控制系统总体方案设计，包括系统的要求、控制方案的选择，以及工艺参数的测量范围等；选择各参数检测元件及变送器；建立数学模型及确定控制算法；选择单片机，并决定是自行设计还是购买成套设备；系统硬件设计
13、，包括接口电路，逻辑电路及操作面板；系统软件设计，包括管理、监控程序以及应用程序的设计，应用系统设计包含有硬件设计与软件设计两部分；系统的调试与试验。2.2单片机控制系统总体方案的设计2.2.1设计方法总述确定单片机控制系统总体方案，是进行系统设计最重要、最关键的一步。总体方案的好坏，直接影响整个控制系统的性能及实施细则。总体方案的设计主要是根据被控对象的任务及工艺要求而确定的。设计方法大致如下：根据系统的要求，首先确定出系统是采用开环系统还是闭环系统，或者是数据处理系统。选择检测元件，在确定总体方案时，必须首先选择好被测参数的测量元件，它是影响控制系统精度的重要因素之一。选择执行机构，执行机
14、构是微型机控制系统的重要组成部件之一。执行机构的选择一方面要与控制算法匹配，另一方面要根据被控对象的实际情况确定。选择输入/输出通道及外围设备。选择时应考虑以下几个问题：被控对象参数的数量；各输入/输出通道是串行操作还是并行操作；各通道数据的传递速率；各通道数据的字长及选择位数；对显示、打印有何要求；画出整个系统原理图。2.2.2直接数字控制当被控对象的数学模型能够确定时，可采用直接数字控制。所谓数学模型就是系统动态特性的数学表达式，它表示系统输入输出及其内部状态之间的关系。一般多用实验的方法测出系统的特性曲线，然后再由此曲线确定出其数学模型。现在经常采用的方法是计算机仿真及计算机辅助设计，由
15、计算机确定出系统的数学模型，因而加快了系统模型的建立。当系统模型建立后，即可选定上述某一种算法，设计数字控制器，并求出差分方程。计算机的主要任务就是按此差分方程计算并输出控制量，进而实现控制。2.2.3数字化PID控制由于被控对象是复杂的，因此并非所有的系统均可求出数学模型，有些即使可以求出来，但由于被控对象环境的影响，许多参数经常变化，因此很难进行直接数字控制。此时最好选用数字化PID（比例积分微分）控制。在PID控制算法中，以位置型和增量型2种PID为基础，根据系统的要求，可对PID控制进行必要的改进。通过各种组合，可以得到更圆满的控制系统，以满足各种不同控制系统的要求。例如串级PID就是人们经常采用的控制方法之一。 所谓串级控制就是第一级数字PID的输出不直接用来控制执行机构，而是作为下一级数字PID的输入值，并与第二级的给定值进行比较，其偏差作为第二级数字PID的控制量。当然，也可以用多级PI
