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1、毕业设计论文题 目 基于单片机的模糊PID综合控制系统学生专业班级自动化06-2 所在院系电气信息学院指导教师职称所在单位自动化教研室教研室主任完成日期 20XX6月25日 / 摘要PID控制Control of Proportion Integration Differentiation就是比例、积分、微分控制。它的性能取决于参数的整定情况,对那些对象模型复杂和难以确定精确模型的控制系统,具有很大的局限性,而且它的快速性和超调量之间的矛盾关系,使它不一定能满足调节时间短,超调小的技术要求。而模糊控制的鲁棒性好,无需知道被控对象的数学模型,且在快速性方面有着自己的优势。但模糊控制易受模糊规则有
2、限等级的限制而引起稳态误差。这就是说,单一的PID控制或单一的模糊控制都有其自身的不足,因此,分析它们各自的优缺点,考虑可以把它们相互结合,实现优势互补,形成模糊PID控制。此外,考虑把模糊PID控制和当今新型的、性能较好的单片机结合在一起,更好的发挥他们的作用。本文主要围绕模糊PID控制器进行研究,主要研究PID控制器以及模糊控制的过去、现状以及未来的发展趋势。借助单片机,应用模糊PID控制,设计了一个基于单片机的模糊PID控制器。本文主要以AT89S52单片机作为载体,利用8155芯片、AD转换器、DA转换器等主要元件进行设计,实现了基于单片机的模糊PID控制器的硬件设计和软件设计。关键词
3、：PID控制器单片机模糊控制ABSTRACTThe proportional integral derivative controller is Control of Proportion Integration Differentiation.It performance depends on the situation that parameters sets, those control systems whose object model complex and uncertain accurate have great limitations, and its relationshi
4、p between rapidity and overshoot make it impossibleto meet regulating time and short overshoot technical requirements.The robust of the fuzzy control is effective, without knowledge of the controlled objects mathematical model, and the rapidity has its own advantage. But the fuzzy control has fuzzy
5、rules limited level, itcan cause steady-state error. This means single PID control or single Fuzzy Control has its own deficiencies, therefore analysis their advantages and disadvantages, consider combine them and formed fuzzy PID Control, Realize complementary strengths. Addition, consider combine
6、the fuzzy PID control and MCU which is new and whose performance is better.This paper mainly centered fuzzy PID controller.Introducethe past, status and future development trend of the PID controller and the fuzzy control.Using MCU and fuzzy PID control designe a Fuzzy PID controllerbased MCU. Consi
7、der the AT89S52 MCU as a carrier, using 8155 chip, A D converter, D A converter ,complete the hardware and software design of the fuzzy PID controller based MCU.Keyword: PID control MCU Fuzzy control目 录第一章引言11.1 课题研究背景及意义11.2 课题简介1第二章控制器简介22.1 PID控制器22.2 模糊PID控制器32.3 单片机42.4 可行性分析6第三章模糊自整定PID控制器的设计7
8、3.1 模糊控制器的设计73.2 模糊PID控制器的设计113.3 PID参数对控制性能的影响153.4 模糊自整定 PID 控制器性能的研究17第四章系统硬件电路设计284.1 基于单片机的模糊PID综合控制系统的控制回路284.2 单片机的选择294.3 A/D转换器的选择及连接324.4 D/A转换器的选择及连接364.5 单片机系统的扩展简介404.6 存储器的扩展404.7 I/O口的扩展8155扩展芯片444.8 锁存器474.9 系统的部分主要电路48第五章系统的软件设计565.1 主程序流程图565.2T0中断服务程序565.3 采样子程序575.4 模糊PID校正程序流程图5
9、75.5 控制部分输出程序58结论60辞61参考文献62附录63第一章 引 言1.1 课题研究背景及意义随着科技的飞速发展,一个国家自动化程度的高低,已经成为衡量其发展水平的重要标志。而工业控制的水平又是反映自动化程度的关键。PID控制作为自动控制的典型,在工业控制领域的应用已达90%以上。所谓PID控制Control of Proportion Integration Differentiation就是比例、积分、微分控制。PID控制器产生于20世纪30年代末期,从最初的模拟控制器到现在的数字控制器,经过人类广泛的理论研究和丰富的应用实践,PID控制取得了巨大的发展,PID控制器也是工业控制
10、领域应用最广泛最成功的一种控制器。PID控制具有结构简单,参数调整方便等优点。但它的性能取决于参数的整定情况,对那些对象模型复杂和难以确定精确模型的控制系统,具有很大的局限性,而且它的快速性和超调量之间的矛盾关系,使它不一定能满足调节时间短,超调小的技术要求。而模糊控制的鲁棒性好,无需知道被控对象的数学模型,且在快速性方面有着自己的优势。但模糊控制易受模糊规则有限等级的限制而引起稳态误差。这就是说,单一的PID控制或单一的模糊控制都有其自身的不足,因此,分析它们各自的优缺点,把它们相互结合,实现优势互补,形成模糊PID控制。目前,国外的模糊PID控制大多以单片机为载体进行实现,本设计也不例外。
11、单片机已经渗透到我们生活的各个领域,导弹的导航装置,飞机上各种仪表的控制,计算机的网络通讯与数据传输,工业自动化过程的实时控制和数据处理,广泛使用的各种智能IC卡,民用豪华轿车的安全保障系统,录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制,以及程控玩具、电子宠物等等,这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。因此,把模糊PID的控制算法和单片机结合在一起,更好的发挥他们的作用。模糊PID控制应用围广泛,液位控制、温度控制、压力控制等,就连我们日常使用的全自动洗衣机中,也应用了模糊控制。本次进行模糊PID控制器的设计,使模糊PID更好的发挥自身优势,达到人们需要的控制效果,进而
12、提高我国工业自动化水平。1.2 课题简介本次设计是以单片机为载体,利用其他相关芯片,完成对不同被控对象的模糊PID综合控制系统,即用一套设备可以完成对不同对象的模糊PID控制。根据题目容要求,设计的预期目标是,利用单片机以及其它相关芯片,设计出一套硬件设备,使其适应不同的被控对象。设计系统的模糊PID控制器,假设系统传递函数模型,灵活应用PID各种方法得出PID参数值、模糊PID参数值,并用simulink进行仿真,得出相应的控制曲线,对比其优缺点。设计系统的部分硬件电路图,设计软件流程图。使其可以通过对单片机进行程序更改,完成PID的参数整定,从而来完成对不同被控对象的最优控制。第二章 控制
13、器简介2.1 PID控制器2.1.1PID控制的产生背景PID控制器产生于20世纪30年代末,从最开始的模拟控制器到现在的数字控制器,经过广泛的理论研究和丰富的应用实践,取得了巨大的成功,是工业控制领域应用最广泛也最成功的一种控制器。在工程实际中,应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制,简称PID控制,又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70多年历史,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。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P
14、ID控制技术最为方便。也就是说当我们不完全了解一个系统和被控对象,或是不能通过有效的测量手段来获得系统参数时,最适合用PID控制技术。PID控制器就是根据系统的误差,利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。在实际应用中也有PI和PD控制。2.1.2 PID控制的应用在工业过程控制中,目前采用最多的控制方式依然是PID方式,即使在工业较先进的国家,PID控制的使用率也达845。这一方面是,由于PID控制器具有简单而固定的形式,在很宽的操作条件围都能保持较好的鲁棒性；另一方面是,因为PID控制器允许工程技术人员以一种简单而直接的方式来调节系统。但PID参数复杂繁琐的整定过程一直困扰着工程技术人
15、员,因此研究PID参数整定及自整定技术具有十分重大的工程实践意义1。2.1.3 PID控制的存在问题在一些情况下针对特定的系统设计的PID控制器控制得很好,但它们仍存在一些问题需要解决：例如,如果自整定要以模型为基础,为了PID参数的重新整定在线寻找和保持好过程模型是较难的。闭环工作时,要求在过程中插入一个测试信号。这个方法会引起扰动,所以基于模型的PID参数自整定在工业应用不是太好。如果自整定是基于控制律的,经常难以把由负载干扰引起的影响和过程动态特性变化引起的影响区分开来,因此受到干扰的影响控制器会产生超调,产生一个不必要的自适应转换。另外,由于基于控制律的系统没有成熟的稳定性分析方法,参数整定可靠与否存在很多问题。因此,许多自身整定参数的PID控制器经常工作在自动整定模式而不是连续的自身整定模式。自动整定通常是指根据开环状态确定的简单过程模型自动计算PID参数。PID在控制非线性、时变、耦合及参数和结构不确定的复杂过程时,工作地不是太好。最重要的是,如果PID控制器不能控制复杂过程,无论怎么调参数都没用。2.1.4 PID控制的发展方向PID控制发展至今已经有智能PID控制、模糊PID控制、自适应PID控制、参数自整定PID控制等,而PID控制器的精髓在于其控制算法。其控制算法从传统的模拟PID控制算法发展到当今的
