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1、过程控制系统实验装置开发 PI-P数字调节器摘 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
2、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 Process Control System Experimental Device Development -PI-P Digital RegulatorAbstractIn the process control, regulator is comprised of a great deal of arithmetic elements. Their performance has immediate relation with smooth
3、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 control unites.The stability of the closed-loop system is the first consideration in
4、 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 regulating device is that we can get visual and effective control result in the si
5、te 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 control algorithm, different applications need different algorithms. This paper onl
6、y 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 Computers; PID regulator; Integral Separation目 录摘 要IAbstractII第一章 引 言11.1 PID控制器的现状11.
7、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62.4 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93.1.2 单片机AT89C5193.2 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
8、 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 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335.1 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（
9、P）345.4.2 比例积分控制规律（PI）345.4.3 比例微分控制规律（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控制器能解决许多控制问题，尤其在动态过程是良性的和
10、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，据控制工程杂志估计，有90%以上的工业控制器采用的是PID控制器。而在
11、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
12、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
13、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
14、。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。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”、“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：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
15、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)式中：，KP为比例系数，TI为积分时间常数，TD为微分时间常数。2.1.1 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。KP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中。2.1.2 积分作用在积分控制中，控制器的输出与输入偏
