基于單片機(jī)得PID控制器設(shè)計(jì)

基于單片機(jī)的PID控制器設(shè)計(jì)摘要工業(yè)控制器作為過程控制系統(tǒng)的核心，在現(xiàn)代工業(yè)過程控制中起著至關(guān)重要的作用。PID控制是迄今為止最為通用的控制方法，是經(jīng)典控制理論在實(shí)際控制系統(tǒng)中的典型應(yīng)用。作為最早開展起來的控制策略之一，PID控制算法簡單、魯棒性好、可靠性高……已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)過程控制。本文表達(dá)了現(xiàn)在幾種成熟的PID控制算法，對PID控制器的設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，包括對控制器的硬件選型和軟件設(shè)計(jì)，對適宜的硬件給予詳細(xì)的介紹，對程序的運(yùn)行給出詳細(xì)的程序流程圖。PID控制器的核心選用了ATMEL公司的AT89C51單片機(jī)，通過適宜的外接硬件來完成模擬數(shù)據(jù)量的采集處理，數(shù)據(jù)的模數(shù)數(shù)模轉(zhuǎn)換，液晶顯示，按鍵輸入等功能。關(guān)鍵字：單片機(jī)，PID算法，控制器ThedesignofSCMPIDcontrollerAbstractIndustrialcontrollerasthecoreofprocesscontrolsysteminmodernindustrialprocesscontrolplaysavitalrole.PIDcontrolisbyfarthemostcommondiabolicmethod,isclassicalcontroltheoryinpracticalcontrolsystemofatypicalapplication.Astheearliestoneofthecontrolstrategydeveloped,PIDcontrolalgorithmissimpleandgoodrobustnessandhighreliability...itwasbeenwidelyusedinindustrialprocesscontrol.ThispaperdescribesthenowseveralmaturePIDcontrolalgorithm,thedesignofPIDcontrollerisstudied.Includingcontrollerhardwareselectionandsoftwaredesignofsuitablehardware,tothedetailedintroductionofprogramrunninggivedetailedflowchart.ThecoreofthePIDcontrollerchoosingtheAT89C51ofATMELcompany,throughtheappropriateexternalhardwaretocompletesimulationamountofdataacquisitionandprocessing,datamoduleanalog-to-digitalconversion,LEDdisplay,keystrokefunctionetc..Keywords:Microcomputer,PIDalgorithm,controller目錄摘要IAbstractII第1章緒論11.1本課題的研究背景和意義11.2PID控制器的研究現(xiàn)狀2國內(nèi)研究動態(tài)31.2.2國外研究動態(tài)31.3本論文的主要研究內(nèi)容41.4本章小結(jié)4第2章PID控制器原理及簡介52.1PID控制器的簡單介紹52.2完整的基于單片機(jī)的PID控制器的根本構(gòu)成62.3本章小結(jié)7第3章給予單片機(jī)的PID控制器的硬件設(shè)計(jì)83.1鍵盤輸入電路83.2LED顯示器9數(shù)碼管顯示器結(jié)構(gòu)和原理93.2.2LED數(shù)碼顯示器的接入103.3多路選擇器123．4AT89C51單片機(jī)153.4.1AT89C51單片機(jī)的根本組成153.4.289C51單片機(jī)的引腳15單片機(jī)中的CPU結(jié)構(gòu)19單片機(jī)的存儲器193.5A/D、D/A轉(zhuǎn)換器21轉(zhuǎn)換器MAX18721轉(zhuǎn)換器MAX531233.6本章小結(jié)26第4章基于單片機(jī)的PID控制器的軟件設(shè)計(jì)274.1主程序流程圖274.2PID控制算法32常規(guī)PID控制32數(shù)字式PID控制344.3PID控制器的參數(shù)整定374.4本章小結(jié)39第5章結(jié)束語40參考文獻(xiàn)41謝辭42緒論在工業(yè)生產(chǎn)過程中，自動化技術(shù)一直都發(fā)揮著重要的作用。工程上通過工業(yè)過程控制系統(tǒng)來操作和控制實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)過程，而過程控制系統(tǒng)作為生產(chǎn)自動化的最重要組成局部，常采用測量儀表和計(jì)算機(jī)等自動化工具，應(yīng)用控制理論設(shè)計(jì)而成。工業(yè)控制器是專門針對控制參數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場控制的裝置，應(yīng)用非常廣泛。1.1本課題的研究背景和意義本論文控制器的設(shè)計(jì)是以現(xiàn)在單片機(jī)的廣泛應(yīng)用為背景，以單片機(jī)為控制核心來設(shè)計(jì)的利用PID控制理論為控制程序根底的控制器。在科學(xué)技術(shù)不斷開展和人們物質(zhì)生活水平不斷提高的今天，一方面，為了滿足優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低消耗及平安生產(chǎn)、保護(hù)環(huán)境等要求，制造產(chǎn)品的工藝變得越來越復(fù)雜；另一方面，工業(yè)過程不僅要求控制的精確性，更加注重控制的魯棒性、實(shí)時性、容錯性以及控制參數(shù)的自適應(yīng)和自學(xué)習(xí)能力。工業(yè)過程控制領(lǐng)域中常用的現(xiàn)場儀表主要包括：〔1〕變送器〔壓力/差壓、溫度、流量、物位等〕；〔2〕執(zhí)行器〔電動執(zhí)行器機(jī)構(gòu)、閥門定位器、電動氣動調(diào)節(jié)閥門等〕；儀表為溶入自動化控制系統(tǒng)中必須從儀表的智能化、數(shù)字化、模塊化、低功耗、多變量、多參數(shù)等方面改良，而替代“一對一〞的單向的通信方式，總線化的智能儀表不僅應(yīng)具有起始值、量程、阻尼特性的調(diào)整、非線性的校正、多變量的補(bǔ)償、工程單位的換算等功能，而且還有故障自我診斷、PID調(diào)節(jié)和運(yùn)算、自動報警以及同系統(tǒng)雙向通信的功能。PID控制器，也稱作PID調(diào)節(jié)器，因其實(shí)現(xiàn)簡單、精度穩(wěn)定而被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)過程控制，通過調(diào)節(jié)整定PID控制器的比例參數(shù)、積分參數(shù)、微分參數(shù)來使其能夠適應(yīng)于各種不同的對象，成為一種較為通用的調(diào)節(jié)器。PID控制是經(jīng)典控制理論在實(shí)際控制系統(tǒng)中的典型應(yīng)用(統(tǒng)計(jì)至今在全球過程控制中所使用的84%是純PID控制器，假設(shè)改良型也包含在內(nèi)的話那么超過90%)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的開展，現(xiàn)代控制理論在實(shí)用性方面獲得了很大進(jìn)展，解決了許多經(jīng)典控制理論不斷解決的問題，這使很多人認(rèn)為，新的理論和技術(shù)可以取代PID控制，但后來的開展說明，PID控制并沒有讓位。目前，PID控制仍然是在工業(yè)控制中應(yīng)用得最為廣泛的一種控制方法。這一方面是由于其結(jié)構(gòu)簡單，魯棒性和適應(yīng)性較強(qiáng)；另一方面，它的調(diào)節(jié)整定較少依賴于系統(tǒng)的具體模型。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的開展，人們先后將模糊控制，自適應(yīng)控制，專家控制，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等自動控制理論應(yīng)用于PID控制，使PID控制的性能不斷得到提高，可以逐步克服不能同時很好地滿足穩(wěn)態(tài)精度與動態(tài)穩(wěn)定性，平穩(wěn)性與快速性的要求以及對于存在強(qiáng)非線性、快速時變不確定性、強(qiáng)干擾等特性地現(xiàn)象，控制效果較差等缺點(diǎn)，適用范圍越來越廣。1.2PID控制器的研究現(xiàn)狀PID控制器因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)簡單、容易實(shí)現(xiàn)，并且具有較強(qiáng)的魯棒性，因而被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)過程控制中。作為一種廣泛的控制規(guī)律，PID控制在相當(dāng)長的一段時間內(nèi)，并沒有因?yàn)楦鞣N先進(jìn)控制算法的出現(xiàn)而遭到淘汰，相反，經(jīng)過時間的考驗(yàn)，PID控制仍然在各種控制技術(shù)中占主導(dǎo)地位。PID控制器參數(shù)整定的優(yōu)劣與否，是PID控制器能否在實(shí)用中得到好的閉環(huán)控制效果的一個前提。迄今為止，各種先進(jìn)PID控制器參數(shù)整定方法層出不窮，給PID控制器參數(shù)整定的研究帶來了活力與契機(jī)。1.2.1國內(nèi)研究動態(tài)目前來講，我國商品化自整定控制器的研究仍然處在起步階段，主要原因有兩個：第一，自整定技術(shù)是一門集自適應(yīng)控制、智能控制、自動化控制為一體的高科技工程的新技術(shù)，由于商業(yè)保密性，國外許多重要設(shè)計(jì)技術(shù)的細(xì)節(jié)都沒有公開。想要利用最少的被控過程數(shù)學(xué)模型信息來自動獲取魯棒性強(qiáng)且可靠的最優(yōu)化PID整定參數(shù)，從而適應(yīng)不同的被控過程，這種理論及實(shí)踐在國內(nèi)還處在理論分析和仿真試驗(yàn)階段；第二，自整定控制器是結(jié)合未處理計(jì)算機(jī)、新型精密電子元器件及、高密度的工藝制作為一體的高集成度的自動化儀表，國內(nèi)在這些方面與國外同類技術(shù)差距甚遠(yuǎn)，影響了國內(nèi)自整定控制器商品化的研制和開展。1.2.2國外研究動態(tài)目前，自動化儀表生產(chǎn)廠家主要集中在美國、日本、德國等工業(yè)興旺國家。這些公司大多是實(shí)力雄厚的跨國公司，代表著自動化儀表領(lǐng)域的最高成就，而且在智能儀表的設(shè)計(jì)方面也表達(dá)出了以下幾點(diǎn)特點(diǎn)：良好的可靠性設(shè)計(jì)。國外產(chǎn)品在設(shè)計(jì)階段就十分注意可靠性分析與設(shè)計(jì)，運(yùn)用可靠性分配理論，將可靠性指標(biāo)逐級分配，從而使整機(jī)的可靠性得到了保證。注重可維護(hù)設(shè)計(jì)。高的可維護(hù)設(shè)計(jì)可使儀表便于生產(chǎn)調(diào)試和維修，包括在設(shè)計(jì)中實(shí)施與自動檢測系統(tǒng)。產(chǎn)品的通用化和系列化。產(chǎn)品系列主要表達(dá)在功能性、量程范圍、精度等方面。這樣會對用戶產(chǎn)生巨大的吸引力。先進(jìn)的智能儀表，通用性很強(qiáng)。表達(dá)在大多數(shù)產(chǎn)品的通用接口系統(tǒng)，可以方便地將系統(tǒng)互聯(lián)與計(jì)算機(jī)組成測試系統(tǒng)，將用途和使用范圍大大地?cái)U(kuò)展。1.3本論文的主要研究內(nèi)容應(yīng)用AT89C51單片機(jī)為核心進(jìn)行PID控制器的整體設(shè)計(jì)規(guī)劃，獨(dú)立完成PID控制器的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。1.4本章小結(jié)本章主要介紹了PID控制器的應(yīng)用歷程和開展前景，比照了PID控制算法與當(dāng)今流行控制理論的優(yōu)缺點(diǎn)及其相互結(jié)合的趨勢，總結(jié)了國內(nèi)和國外PID控制器產(chǎn)品的特點(diǎn)，給出了本文所設(shè)計(jì)的PID控制器的主要概況。第2章PID控制器原理及簡介2.1PID控制器的簡單介紹近年來，盡管控制理論在控制技術(shù)領(lǐng)域有了很大的開展，各種先進(jìn)控制方法層出不窮，但是PID控制仍然廣泛地應(yīng)用于工業(yè)控制系統(tǒng)。這主要是因?yàn)榻^大多數(shù)被控過程而言，PID控制器可以提供較好的閉環(huán)控制特性：在工作環(huán)境有較大變化時，PID控制器表現(xiàn)出了較好的魯棒性。使用模擬和數(shù)字器件可以很方便地實(shí)現(xiàn)PID控制，但是實(shí)踐說明將PID控制器用于具有振蕩、積分或不穩(wěn)定傳遞函數(shù)的被控過程時，無法得到較好的閉環(huán)特性，系統(tǒng)的階躍響應(yīng)往往具有較大的超調(diào)而且會產(chǎn)生振蕩。所以，現(xiàn)今也有了很多關(guān)于改良PID控制方法的研究，比方將智能控制、專家控制等現(xiàn)代控制方法與傳統(tǒng)PID控制方法相結(jié)合。PID控制器是應(yīng)用最廣泛的控制器之一，根據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在工業(yè)過程控制等領(lǐng)域中，PID控制器的使用占80%以上，是唯一大規(guī)模商品化生產(chǎn)的控制器。在模擬系統(tǒng)中，最常使用的控制器規(guī)律是PID控制。它是一種線性控制器，將給定值與實(shí)際輸出值之間偏差的比例、積分和微分通過線性組合構(gòu)成控制量，對被控對象進(jìn)行控制。比例環(huán)節(jié)成比例地反映誤差信號，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立刻產(chǎn)生控制作用，以減小偏差；積分環(huán)節(jié)主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度；微分環(huán)節(jié)反映偏差信號的變化趨勢，并能在偏差信號變得太大之前，在系統(tǒng)引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的變化趨勢，并能在偏差信號變得太大之前，在系統(tǒng)引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減少調(diào)節(jié)時間。三個環(huán)節(jié)，各有各的作用，而其各項(xiàng)系數(shù)均可以在現(xiàn)場靈活調(diào)試，以到達(dá)預(yù)期的控制性能。由于其結(jié)構(gòu)簡單，控制效果好，所以應(yīng)用較廣。但是，由于PID控制器的結(jié)構(gòu)限制，將它用于具有振蕩、積分或不穩(wěn)定傳遞函數(shù)的被控過程時，無法得到良好的閉環(huán)特性，系統(tǒng)的階躍響應(yīng)往往具有大的超調(diào)而且會產(chǎn)生振蕩。2.2完整的基于單片機(jī)的PID控制器的根本構(gòu)成一個完整的控制器，包含有數(shù)據(jù)采集局部，數(shù)據(jù)處理局部和數(shù)據(jù)執(zhí)行局部，在本論文中，以下列圖為依據(jù)，來進(jìn)行控制器的設(shè)計(jì)。圖2.1基于單片機(jī)的PID控制器的根本構(gòu)成2.3本章小結(jié)在本章節(jié)中，對市面上出現(xiàn)的PID控制器的控制原理和應(yīng)用情況給予了簡單的介紹，并且列出了所要設(shè)計(jì)的PID控制器的根本硬件圖，為下面章節(jié)中控制器的選型和設(shè)計(jì)提供了一定的參考。第3章單片機(jī)的PID控制器的硬件設(shè)計(jì)3.1鍵盤輸入電路在單片機(jī)控制器的設(shè)計(jì)中，需要操作者對系統(tǒng)進(jìn)行干預(yù)，如設(shè)置或修改參數(shù)、選擇操作功能、對系統(tǒng)進(jìn)行人工控制等，這就要求系統(tǒng)中有鍵盤輸入的功能。在本論文的設(shè)計(jì)中，由于不需要經(jīng)常和大量地進(jìn)行鍵盤操作，同時為了簡化硬件電路，往往采用非編碼鍵盤，利用軟件來進(jìn)行按鍵的識別和功能的散轉(zhuǎn)。根據(jù)需要按鍵的多少，又可以選擇獨(dú)立式或行列矩陣式的鍵盤。鑒于所需要的按鍵不多，往往只需要幾個功能鍵，此時，可采用獨(dú)立式按鍵結(jié)構(gòu)。獨(dú)立式鍵盤是直接用I/O口線構(gòu)成的單個按鍵電路，其特點(diǎn)是每個按鍵單獨(dú)占用一根I/O口線，每個按鍵的工作不會影響其他I/O口線的狀態(tài)。在本論文的鍵盤設(shè)計(jì)中，利用P3端口的P3.2、P3.3、P3.4、P3.5作為四個按鍵的輸入端。電路連接圖如圖3.1所示：圖3.1PID控制器的按鍵電路連接圖3.2LED顯示器在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，顯示器是人機(jī)對話的重要組成局部，它將系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)、輸出和結(jié)果直觀地顯現(xiàn)出來。在本論文中，基于89C51單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)，采用了電路簡單、對硬件及I/O接口的要求少的特點(diǎn)的LED顯示器作為其輸出單元。在本論文所應(yīng)用的顯示電路中，利用擴(kuò)展芯片8255A來連接一個6位共陰極的LED顯示器。LED數(shù)碼管顯示器結(jié)構(gòu)和原理LED〔LightEmittingDiode〕數(shù)碼管顯示器的每一位由八個發(fā)光二極管組成。其中，7個發(fā)光二極管構(gòu)成字型“8〞的各個筆畫，依次稱為a-g段，另一個發(fā)光二極管作為小數(shù)點(diǎn)，稱為dp。當(dāng)在某發(fā)光二極管上施加一定的正向電壓時，該段比畫即亮；不加電壓那么不點(diǎn)亮。為了保護(hù)各段LED不被破壞，需外加限流電阻。每管驅(qū)動電流3-10mA〔平均值〕，發(fā)光二極管將管壓降為約1.8V。單片機(jī)中通常使用的LED數(shù)碼管有共陰極和共陽極兩種。圖3.2LED顯示器實(shí)物圖以共陰極LED顯示管為例，各LED公共陰極KO接地。假設(shè)向各段的控制端加上高電壓〔信號“1〞〕，那么該段發(fā)光二極管發(fā)亮，加上信號“0〞，那么該段發(fā)光二極管熄滅。公共端接地時，向各段控制輸出端輸出不同的信號，就會顯示出不同的信號，就會顯示出不同的代碼。鑒于管數(shù)目有限，這種LED數(shù)碼顯示器智能顯示0-9、A、B、C、D、E、F、H、L、P、U等字符和小數(shù)點(diǎn)。共陽極LED數(shù)碼管與共陰極LED數(shù)碼管相反。3.2.2LED數(shù)碼顯示器的接入在本論文中，選擇共陰極LED數(shù)碼管顯示器作為以單片機(jī)為核心的PID控制器的顯示器，其中，有六個LED數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)，為了減少硬件連線，采用LED動態(tài)掃描顯示方式。圖3.3數(shù)碼管引腳圖為了實(shí)現(xiàn)上述功能，在系統(tǒng)中擴(kuò)展了一片通用的并行接口8255A。Intel公司的8255A使一個通用的可編程并行接口芯片，它具有3個獨(dú)立的8位I/O接口〔A口、B口、C口〕，提供TTL兼容的并行接口。作為輸入時提供三態(tài)緩沖器功能，作為輸出時提供數(shù)據(jù)鎖存功能。8255有3種工作方式：方式0、方式1、方式2，能使用無條件、查詢和中斷等多種數(shù)據(jù)傳送方式完成CPU與I/O設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換。在單片機(jī)外部擴(kuò)展的8255A，令它的A、B、C口均工作方式0，即簡單輸入/輸出方式。8255A的A、B口控制LED顯示器，LED顯示器采用動態(tài)掃描顯示方式。其中，A口8條線輸出LED顯示器的端碼〔a、b、c、d、e、f、g、dp〕，B口輸出LED的位選信號，用PB0-PB5這6條線控制6個LED數(shù)碼管圖3.4LED顯示器與89C51單片機(jī)的電路連接3.3多路選擇器模擬量輸入是單片機(jī)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵局部，需要單片機(jī)進(jìn)行處理的信號可以是溫度、壓力、氣體或液體的流量、濃度等連續(xù)變化的物理量，這些信號必須經(jīng)過單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來轉(zhuǎn)換成連續(xù)變化的電信號，單片機(jī)才能對其進(jìn)行處理?；趩纹瑱C(jī)89C51為核心的控制系統(tǒng)的模擬量輸入開關(guān)，可以選擇多路選擇器CD4051。多路選擇器CD4051是一個8選1的模擬開關(guān)電路。通過它可以由軟件分時選通各個模擬通道的輸入。模擬開關(guān)電路4051的介紹：CD4051相當(dāng)于一個單刀八擲開關(guān),開關(guān)接通哪一通道,由輸入的3位地址碼ABC來決定。其真值表如下?！癐NH〞是禁止端,當(dāng)“INH〞=1時,各通道均不接通。圖3.5CD4051實(shí)物圖INHCBA輸出0000“0〞00001“1〞0010“2〞0011“3〞0100“4〞0101“5〞0110“6〞0111“7〞1均不接通圖3.64051真值表圖3.74051引腳圖引腳號符號功能1,2,4,5,12,13,14,15IN/OUT輸入/輸出端9,10,11A,B,C地址端3OUT/IN公共輸出/輸入端6INH禁止端7VEE模擬信號接地端8VSS數(shù)字信號接地端16VDD電源+圖3.8CD4051引腳功能說明表圖3.9CD4051與89C51單片機(jī)的電路連接圖3.4AT89C51單片機(jī)3.4.1AT89C51單片機(jī)的根本組成89C51單片機(jī)的根本組成包括：〔1〕一個8位的微處理器〔2〕片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器RAM為128B，有21個特殊功能存放器〔SFR〕〔3〕片內(nèi)程序存儲器FlashROM有4KB〔4〕可尋址片內(nèi)統(tǒng)一編址的64KB的ROM，可尋址片外64KB的RAM〔5〕4個8位并行I/O接口〔P0-P3〕；一個全雙工通用異步串行接口UART；〔6〕兩個16位的定時器/計(jì)數(shù)器；〔7〕5個中斷源、兩個優(yōu)先級的中斷控制系統(tǒng)；〔8〕具有位操作功能的布爾處理機(jī)及位尋址功能；〔9〕片內(nèi)振蕩器和時鐘產(chǎn)生電路3.4.289C51單片機(jī)的引腳VCC：電源電壓GND：地P0口：P0口是一組8位漏極開路雙向I/O口，即地址/數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸出口時，每一個管腳都能夠驅(qū)動8個TTL電路。當(dāng)“1〞被寫入P0口時，每個管腳都能夠作為高阻抗輸入端。P0口還能夠在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時，轉(zhuǎn)換地址和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，并在這時激活內(nèi)部的上拉電阻。P0口在閃爍編程時，P0口接收指令，在程序校驗(yàn)時，輸出指令，需要接電阻。圖3.10AT89C51單片機(jī)的引腳圖P1口：P1口是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P1的輸出緩沖級可驅(qū)動4個TTL電路。對端口寫“1〞，通過內(nèi)部的電阻把端口拉到高電平，此時可作為輸入口。因?yàn)閮?nèi)部有電阻，某個引腳被外部信號拉低時輸出一個電流。閃爍編程時和程序校驗(yàn)時，P1口接收低8位地址。P2口：P2口是一個內(nèi)部帶有上拉電阻的8位雙向I/O口，P2的輸出緩沖級可驅(qū)動4個TTL電路。對端口寫“1〞，通過內(nèi)部的電阻把端口拉到高電平，此時，可作為輸入口。因?yàn)閮?nèi)部有電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流。在訪問外部程序存儲器或16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器時，P2口送出高8位地址數(shù)據(jù)。在訪問8位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器時，P2口線上的內(nèi)容在整個運(yùn)行期間不變。閃爍編程或校驗(yàn)時，P2口接收高位地址和其它控制信號。P3口：P3口是一組帶有內(nèi)部電阻的8位雙向I/O口，P3口輸出緩沖故可驅(qū)動4個TTL電路。對P3口寫入“1〞時，它們被內(nèi)部電阻拉到高電平并可作為輸入端時，被外部拉低的P3口將用電阻輸出電流。P3口除了作為一般的I/O口外，更重要的用途是它的第二功能，如下表所示：端口引腳第二功能P3.0RXDP3.1TXDP3.2INT0P3.3INT1P3.4T0P3.5T1P3.6WRP3.7RDP3口還接收一些用于閃爍存儲器編程和程序校驗(yàn)的控制信號。RST：復(fù)位輸入。當(dāng)震蕩器工作時，RET引腳出現(xiàn)兩個機(jī)器周期以上的高電平將使單片機(jī)復(fù)位。ALE/：當(dāng)訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時，ALE輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。即使不訪問外部存儲器，ALE以時鐘震蕩頻率的1/16輸出固定的正脈沖信號，因此它可對輸出時鐘或用于定時目的。要注意的是：每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時將跳過一個ALE脈沖時，閃爍存儲器編程時，這個引腳還用于輸入編程脈沖。如果必要，可對特殊存放器區(qū)中的8EH單元的D0位置禁止ALE操作。這個位置后只有一條MOVX和MOVC指令A(yù)LE才會被應(yīng)用。此外，這個引腳會微弱拉高，單片機(jī)執(zhí)行外部程序時，應(yīng)設(shè)置ALE無效。PSEN：程序儲存允許輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當(dāng)AT89C51由外部程序存儲器讀取指令時，每個機(jī)器周期兩次PSEN有效，即輸出兩個脈沖。在此期間，當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的PSEN信號不出現(xiàn)。EA/VPP：外部訪問允許。欲使中央處理器僅訪問外部程序存儲器，EA端必須保持低電平。需要注意的是：如果加密位LBI被編程，復(fù)位時內(nèi)部會鎖存EA端狀態(tài)。如EA端為高電平，CPU那么執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器中的指令。閃爍存儲器編程時，該引腳加上+12V的編程允許電壓VPP，當(dāng)然這必須是該器件是使用12V編程電壓VPP。XTAL1：震蕩器反相放大器及內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。XTAL2：震蕩器反相放大器的輸出端。3.4.389C51單片機(jī)中的CPU結(jié)構(gòu)89C51單片機(jī)的CPU包括運(yùn)算器和控制器兩局部。運(yùn)算器中，包括了一個8位算術(shù)/邏輯運(yùn)算單元〔ALU〕、8位的暫存存放器、8位的累加器、8位的存放器、程序狀態(tài)標(biāo)志存放器、十進(jìn)制調(diào)整電路和布爾處理單元等?？刂破髦校艘粋€16位的程序計(jì)數(shù)器，由兩個8位的計(jì)數(shù)器PCH和PCL組成，還包括接受指令代碼的指令存放器和進(jìn)行譯碼的指令譯碼器，89C51內(nèi)有片內(nèi)振蕩電路和定時電路。3.4.489C51單片機(jī)的存儲器89C51單片機(jī)內(nèi)采用了哈佛結(jié)構(gòu)，在物理結(jié)構(gòu)上分為程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器。程序存儲器，用來存放編好的程序和一些固定不變的表格常數(shù)。在應(yīng)用時，這些程序代碼一般要永久存放在ROM中，即固化到ROM中。數(shù)據(jù)存儲器RAM用來存放運(yùn)算的中間結(jié)果各個數(shù)據(jù)的緩存、緩沖等。它的特點(diǎn)是可讀寫，但是斷電后信息會消失。在單片機(jī)中使用的等都是半導(dǎo)體靜態(tài)RAM。由于89C51單片機(jī)的偏內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器只有128B，往往不夠用，89C51可以擴(kuò)展片外數(shù)據(jù)存儲器。89C51的片外數(shù)據(jù)存儲器〔RAM〕的存儲空間為64KB，地址范圍為0000H-FFFFH。外部RAM的擴(kuò)展可以使用靜態(tài)RAM芯片6264〔8K×8〕，這時，89C51由P0端口分時復(fù)用提供低8位地址A0-A7和數(shù)據(jù)總線D0-D7，由P2端口提供高8位地址A8-A15。訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，使用專門的指令MOVX。采用尋址方式為存放器間接尋址，數(shù)據(jù)指針存放器〔DPTR〕的內(nèi)容作為間接尋址的地址指針，DPTR為16位，其尋址范圍為64KB。當(dāng)外部擴(kuò)展的數(shù)據(jù)存儲器的地址小于256B時，可以使用工作存放器中的R0和R1做間接尋址存放器的地址指針。DPTR數(shù)據(jù)指針存放器是一個16位的特殊功能存放器，它的高位字節(jié)存放器用DPH表示〔地址為83H〕，低位字節(jié)存放器用DPL表示〔地址為82H〕。內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器和外部數(shù)據(jù)存儲器采用獨(dú)立編址，這樣它們的低256B地址有重疊，但是，訪問這兩局部RAM時所用的指令形式和尋址方式不同，訪問內(nèi)部RAM用MOV指令，訪問外部RAM用MOVX指令。因此能保證CPU對內(nèi)部、外部數(shù)據(jù)存儲器的正確訪問。單片機(jī)89C51讀寫外部數(shù)據(jù)RAM的操作使用MOVX指令。圖3.116264存儲器與89C51單片機(jī)的電路連接由圖3.11可見，ALE把P0端口輸出的低8位地址A0-A7鎖存在74L373中，P2端口的P2.0-P2.4直接輸出高五位地址A8-A12，由于單片機(jī)的RD和WR分別與6264的輸出允許OE和寫信號WE相連，執(zhí)行讀操作指令時，RD使OE有效，6264RAM中指定地址單元的數(shù)據(jù)經(jīng)DO-D7由P0口讀入，執(zhí)行寫指令時，WR使WE有效，由P0口提供的要寫入RAM的數(shù)據(jù)經(jīng)D0-D7寫入6264的指定地址單元中。3.5A/D、D/A轉(zhuǎn)換器多路模擬開關(guān)所輸出的信號是不能被單片機(jī)直接進(jìn)行處理的模擬信號，需要經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換成能夠被單片機(jī)處理的數(shù)字信號。在單片機(jī)將由A/D轉(zhuǎn)換器送來的信號進(jìn)行系統(tǒng)所要的處理后，輸出數(shù)字信號，此時，就需要D/A轉(zhuǎn)換器，將所接收到的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成能夠調(diào)節(jié)執(zhí)行器的模擬信號，來完成控制系統(tǒng)的功能。在本論文中，分別選用了A/D轉(zhuǎn)換器MAX187和D/A轉(zhuǎn)換器MAX531A/D轉(zhuǎn)換器MAX187MAX187是一個12位精度的A/D轉(zhuǎn)換器〔ADC〕，具有如下特點(diǎn)：〔1〕12位的A/D轉(zhuǎn)換精度；〔2〕內(nèi)部采樣/保持電路，采樣保頻率為75Hz；〔3〕三線串行接口和處理器通信，并且兼容SPI、QSPI和Microwire同步串行接口標(biāo)準(zhǔn)；〔4〕低功耗，待機(jī)電流為2uA，工作電流為1.5mA；〔5〕小封裝，8個引腳的DIP〔雙列直插〕封裝芯片。圖3.12MAX187引腳圖MAX187利用輸入的采樣/保持電路和逐次比擬存放器將輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換成12位的數(shù)字信號輸出，它的采樣/保持電路不需要外接電容。圖3.13MAX187操作時序圖MAX187的A/D轉(zhuǎn)換過程在SCLK為低電平、CS端的輸入信號由電平高變低〔下降沿〕時啟動。DOUT端編程高電平，表示A/D轉(zhuǎn)換完成。轉(zhuǎn)換的結(jié)果在DOUT端單向串行輸出。DOUT端輸出12個數(shù)據(jù)位，一共要經(jīng)過13個SCLK周期。在每個SCLK的下降沿后移出一位。串行輸出由數(shù)據(jù)的最高位開始。完成數(shù)據(jù)傳送后，CS變?yōu)楦唠娖?，DOUT端成為高阻抗?fàn)顟B(tài)。MAX端允許輸入信號頻率最大為75kHz。引腳符號功能1VDD電源電壓2AIN采樣模擬輸入3SHDN三態(tài)關(guān)斷輸入4REF參考電壓輸出端5GND模擬和數(shù)字地10AGND模擬地11DGND數(shù)字地6DOUT串行數(shù)據(jù)輸出7CS片選信號8SCLK串行時鐘輸入圖3.14MAX引腳功能說明表D/A轉(zhuǎn)換器MAX531MAX531芯片是Maxim公司推出的性能優(yōu)越、高分辨率的D/A轉(zhuǎn)換集成電路。它具有功耗低、轉(zhuǎn)換速率快、內(nèi)部帶基準(zhǔn)電壓等特點(diǎn)，能完成12位D/A轉(zhuǎn)換，數(shù)字輸入為串行。MAX531為14腳DIP封裝，能夠與本論文中的89C51單片機(jī)接口，構(gòu)成單片機(jī)處理系統(tǒng)，引腳圖如下：D/A轉(zhuǎn)換器MAX531在輸入數(shù)據(jù)之前必須把CLR清楚端口置1，然后才能輸入數(shù)據(jù)，從時序圖中可以看出，當(dāng)片選信號CS來一個下降沿時，才開始進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入。CS的下降沿之后再時鐘的作用下可使數(shù)據(jù)輸入存放器。因?yàn)閿?shù)據(jù)中的每一位，都在各個時鐘上升沿之后輸入存放器。由于有十二位數(shù)據(jù)，所以輸入這些數(shù)據(jù)至少需要12個時鐘上升沿。當(dāng)片選信號CS來一個上升沿是，將使D/A轉(zhuǎn)換器開始進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果以電壓的方式從Vout端口輸出。圖3.15MAX531引腳圖引腳符號功能1BIPOFF空端口2DIN串行數(shù)據(jù)輸入3CLR清楚端4SCLK串行時鐘信號輸入5CS片選端6DOUT串行數(shù)據(jù)輸出7DGND數(shù)據(jù)地8AGND模擬地9REFIN基準(zhǔn)電壓輸入10REFOUT基準(zhǔn)電壓輸出11VSS公共接地端12VOUT模擬電壓輸出13VDD電源輸入端14RFB反應(yīng)輸入端圖4.16MAX531引腳功能表圖4.17MAX531的工作時序圖圖4.18MAX531與89C51單片機(jī)的電路連接圖在本論文的設(shè)計(jì)中，選擇了8路輸入那么需要同時輸出8路模擬信號來控制8個對象，由于選擇的D/A轉(zhuǎn)換器只能輸出一路的模擬控制信號，所以需要連接8個D/A轉(zhuǎn)換器來完成控制器的功能，與單片機(jī)之間串接一個74LS138譯碼器通過時鐘信號的分時選通來輔助完成控制器所需要的功能。3.6本章小結(jié)在論文的本章中，對PID控制器所涉及的硬件裝置進(jìn)行了正確的選型，并且對各個硬件在原理、應(yīng)用和連接等方面給予了詳細(xì)的介紹，給控制器的軟件設(shè)計(jì)指明了方向。第4章基于單片機(jī)的PID控制器的軟件設(shè)計(jì)在控制器的軟件設(shè)計(jì)中，按照功能模塊化的思想，將整個控制器分為幾個模塊，每一個模塊來實(shí)現(xiàn)以各個具體的任務(wù)，比方數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)將接受到的模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)榭晒﹩纹瑱C(jī)進(jìn)行處理運(yùn)算的數(shù)字信號，而數(shù)據(jù)處理模塊即是將需要進(jìn)行運(yùn)算的數(shù)據(jù)通過計(jì)算轉(zhuǎn)變成可對執(zhí)行器發(fā)出有效控制的數(shù)據(jù)。在各個子模塊的功能已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)的根底上，設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)監(jiān)控主程序，協(xié)調(diào)各個模塊的功能，它是系統(tǒng)程序的框架。節(jié)點(diǎn)編程語言采用C語言，它是一種結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)語言且具有完善的模塊程序結(jié)構(gòu)，與匯編語言相比，采用C語言可以大大縮短開發(fā)周期，便于改良和擴(kuò)充、可移植性、可維護(hù)性好，且不需要了解處理器的指令集，不必了解存儲器結(jié)構(gòu)，更符合人們的思考習(xí)慣。開發(fā)環(huán)境用KeilC51uVision3，它是基于80C51內(nèi)核的微處理器軟件開發(fā)平臺，內(nèi)嵌多種符合當(dāng)前工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)工具，可以完成從工程建立到管理，編譯，連接，目標(biāo)代碼的生成，軟件仿真，硬件仿真等完整的開發(fā)流程，尤其是其C編譯工具在產(chǎn)生代碼的準(zhǔn)確性和效率方面到達(dá)了很好的水平，而且可以附加靈活地控制選項(xiàng)，能極大提高單片機(jī)軟件開發(fā)的效率，擁有Keil這個強(qiáng)大的開發(fā)平臺也是8051系列單片機(jī)與其他系列單片機(jī)相比的一個非常重要的優(yōu)勢。4.1主程序流程圖主程序完成初始化和顯示控制向總線發(fā)送數(shù)據(jù)等功能，程序流程見圖初始化包括設(shè)置堆棧和程序狀態(tài)字、為各個變量賦初值、設(shè)置外部中斷和定時器的工作方式以及各外設(shè)芯片的設(shè)置。開機(jī)后，通過鍵盤設(shè)定各控制器所要控制需要的參數(shù)值，然后系統(tǒng)開始采集數(shù)據(jù)并顯示，對控制量進(jìn)行計(jì)算和輸出，接下來將將得到的輸出信號傳送到執(zhí)行器來完成控制器的控制功能，并將需要顯示器顯示的數(shù)據(jù)及時準(zhǔn)確地顯示出來。圖4.1主程序流程圖在本論文的控制器設(shè)計(jì)中，相當(dāng)于主程序來說，數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和LED顯示控制模塊也是相對來水比擬重要的模塊，下面分別給出這三個模塊的程序流程圖：〔1〕數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)流程圖單片機(jī)控制器的數(shù)據(jù)采集模塊的任務(wù)包括系統(tǒng)的初始化，數(shù)據(jù)的A/D轉(zhuǎn)換，輸入數(shù)據(jù)的顯示，鍵盤處理，超限報警的檢測和處理和合理數(shù)據(jù)的傳送等，根據(jù)所要完成的任務(wù)可以編寫如下的程序流程圖。圖4.2數(shù)據(jù)采集流程圖數(shù)據(jù)處理流程圖相對于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來說，單片機(jī)控制器的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)包括了對接收到的信號調(diào)用相應(yīng)的子程序來進(jìn)行計(jì)算，檢查輸出數(shù)據(jù)的合理行，并將合理數(shù)據(jù)送入D/A轉(zhuǎn)換，然后傳送到執(zhí)行器來完成系統(tǒng)的控制任務(wù)。圖4.3數(shù)據(jù)處理流程圖在單片機(jī)的控制系統(tǒng)中，顯示單元已經(jīng)成為不可或缺的一局部，在本論文的設(shè)計(jì)中，應(yīng)用擴(kuò)展接口8255A來連接LED顯示器，完成控制器的顯示功能，下列圖給出了89C51的LED動態(tài)顯示流程圖，由流程圖可以看出顯示程序包括8255A的初始化、數(shù)據(jù)和段碼的查表變換、向LED送選定的段碼、延時、反復(fù)循環(huán)等。圖4.489C51的LED動態(tài)顯示流程圖4.2PID控制算法在PID控制器的軟件設(shè)計(jì)中，單片機(jī)要處理的數(shù)據(jù)需要相應(yīng)的功能子程序來執(zhí)行，在本論文中，控制的根底理論為PID控制理論，下面簡單介紹最常應(yīng)用的PID控制算法。4.2.1常規(guī)PID控制在模擬控制系統(tǒng)中，控制器最常用的控制理論是PID控制。PID控制規(guī)律的根本輸入輸出關(guān)系可用微分方程表示為：u(t=QUOTEu(t=KPet式中，KP為比例系數(shù)；Ti為積分時間常數(shù)；TD為微分時間常數(shù)；e(t)為控制系統(tǒng)的偏差信號，e(t)=r(t)-y(t)。此外，控制規(guī)律還可寫成傳遞函數(shù)的形式：Gs=UsEs圖中KP、KI和KD分別為比例、積分和微分系數(shù)，由式〔4.2〕可知，KI=KP/TI，KD=KPTD。傳統(tǒng)的PID控制系統(tǒng)原理框圖如下圖，系統(tǒng)由PID控制器和被控對像組成。圖4.5傳統(tǒng)的模擬PID控制系統(tǒng)原理框圖這三種根本控制環(huán)節(jié)各具特點(diǎn)：(1)P比例控制：成比例的反映控制系統(tǒng)的誤差信號，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減小偏差。比例控制器在信號變換時，只改變信號的幅值而不改變信號的相位，采用比例控制可以提高系統(tǒng)的開環(huán)增益，是系統(tǒng)的主要控制局部。需要注意的是，過大的比例系數(shù)會使系統(tǒng)產(chǎn)生比擬大的超調(diào)，并產(chǎn)生振蕩，使穩(wěn)定性變壞。(2)I積分控制：積分控制主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度，但是會使系統(tǒng)的震蕩加劇，超調(diào)增大，損害動態(tài)性能，一般不單獨(dú)作用，而是與PD控制相結(jié)合。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時間常數(shù)TI，時間常數(shù)越大，積分作用就越弱，反之那么越強(qiáng)。(3)D微分控制：反映誤差信號的變化趨勢〔變化速率〕，并能在誤差信號變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修下信號，從而加快系統(tǒng)的運(yùn)作速度，減少調(diào)節(jié)時間。微分控制可以預(yù)測系統(tǒng)的變化，增大系統(tǒng)的阻尼ξ，提高相角裕度，起到改善系統(tǒng)動態(tài)性能的作用，但是微分對干擾有很大的放大作用，過大的微分會使系統(tǒng)震蕩加劇，降低系統(tǒng)信噪比。為了實(shí)現(xiàn)控制目的和到達(dá)控制指標(biāo)，需要選擇適宜的控制算法。常用的控制方法有反應(yīng)控制、順饋控制、P控制、PD控制、PI控制、PID控制等，其中PID控制是應(yīng)用最為廣泛的控制方法之一。PID的復(fù)合控制，可以綜合這幾種控制規(guī)律的各自特點(diǎn)，使系統(tǒng)同時獲得很好的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能4.2.2數(shù)字式PID控制隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和電子設(shè)備的開展，控制技術(shù)已經(jīng)從模擬控制逐步轉(zhuǎn)變成數(shù)字控制。使得控制速度和精度都得到了大大的提高。數(shù)字PID就是對上面講述的模擬PID控制的離散化，通常數(shù)字PID控制分為位置式PID控制算法和增量式PID控制算法。在數(shù)字控制器中，控制量是通過采樣方式，根據(jù)采樣時刻的偏差值計(jì)算控制量，故對式(4.1)中的積分和微分項(xiàng)不能直接使用，需要對其進(jìn)行離散化處理。按模擬PID控制算法的算式(4.1)，現(xiàn)以一系列的采樣時刻點(diǎn)kT代表連續(xù)時間t，以和式代替積分，以增量代替微分，那么可以作如下的近似變換:0QUOTEde(t)dt≈ekT-e式中，T--采樣周期。uk=KPek+TTij=0kej+TDTek-e(k-1)（4.4）在離散化過程中，采樣周期或u式中，k--采樣序號，k=0,1,2,...;u(k)--第k次采樣時刻的被控對象輸出值，即反應(yīng)量；e(k)--第k次采樣時刻輸入的偏差值；e(k-1)--第(k-1)次采樣時刻輸入的偏差值；Ki—積分系數(shù)，Ki=Kp*T/TiKd—微分系數(shù)，Kd=Kp*Td/T由z變換的性質(zhì)。ZZ得到式(4.5)的z變換式為:U從而可以得到數(shù)字PID控制器的Z傳遞函數(shù)為:G我們常稱式(4.4)或式(4.5)為位置式PID控制算法。對于位置式PID控制算法來說，由于是全量輸出，所以每次輸出均與過去的狀態(tài)有關(guān)，計(jì)算時要對誤差進(jìn)行累加，所以運(yùn)算工作量大。而且如果執(zhí)行器一一計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障，那么會引起執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置的大幅度變化，而這種情況是生產(chǎn)場合不允許的，因而產(chǎn)生了增量式PID控制算法。所謂增量式PID是指數(shù)字控制器的輸出只是控制量的增量Δu(k)。當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要的是控制量的增量時，可以由式(4.5)導(dǎo)出提供增量的PID控制算式。根據(jù)遞推原理可得:u用式(4.5)減去式(4.8)，可得?u=K式中：?e式(4.9)稱為增量式PID控制算法。增量式控制與位置式控制相比，雖然只是算法上作了一些改良，卻帶來了不少優(yōu)點(diǎn):〔1〕位置式PID控制的輸出與整個過去的狀態(tài)有關(guān)，用到了誤差的累加值；而增量式PID的輸出只與當(dāng)前拍和前兩拍的誤差有關(guān)，因此位置式PID控制的累積誤差相對更大；〔2〕增量式PID控制輸出的是控制量增量，并無積分作用，因此該方法適用于執(zhí)行機(jī)構(gòu)帶積分部件的對象，如步進(jìn)電機(jī)等，而位置式PID適用于執(zhí)行機(jī)構(gòu)不帶積分部件的對象，如電液伺服閥?！?〕由于增量式PID輸出的是控制量增量，如果計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障，誤動作影響較小，而執(zhí)行機(jī)構(gòu)本身有記憶功能，可仍保持原位，不會嚴(yán)重影響系統(tǒng)的工作，而位置式的輸出直接對應(yīng)對象的輸出，因此對系統(tǒng)影響較大。4.3PID控制器的參數(shù)整定PID控制器的參數(shù)整定方法一般包括比例系數(shù)KP、積分時間TI和微分時間TD3個參數(shù)的整定，三個參數(shù)的選取是PID控制器控制質(zhì)量好壞的關(guān)鍵。因而準(zhǔn)確選取3個參數(shù)尤為重要。1理論計(jì)算法理論計(jì)算的方法是在獲取廣義對象數(shù)學(xué)模型的根底上，并根據(jù)控制質(zhì)量的要求，通過理論計(jì)算出控制器的最正確參數(shù)方法，經(jīng)典的方法有頻率響應(yīng)法、極點(diǎn)配置法和零級相消法，借助于計(jì)算機(jī)，利用優(yōu)化方法或線性二次型指標(biāo)，找出控制指標(biāo)下的PID控制參數(shù)最優(yōu)值。這種方法工作量大，比擬繁瑣，有時會因優(yōu)化算法無解析性而以失敗。2臨界比例度法這是一種目前使用較多的方法。在閉環(huán)的控制系統(tǒng)中，先將控制器變?yōu)榧儽壤饔?，即將TI放大“∞〞位置上，TD放在“0〞位置上。在干擾作用下，從大到小地逐漸改變控制器的比例度，直至系統(tǒng)產(chǎn)生等幅振蕩〔即臨界振蕩〕，得到臨界增益和臨界振蕩周期，由此得到P，PI，PID三種情況的參數(shù)整定值。另外，繼電反應(yīng)方法通過繼電控制使過程產(chǎn)生極限環(huán)振蕩，從而獲得所需要的臨界值。基于繼電自動整定法防止了Z—N法整定時間長、臨界穩(wěn)定等問題，保存了簡單的特點(diǎn)。3衰減曲線法衰減曲線法通過使系統(tǒng)產(chǎn)生衰減振蕩；來整定PID參數(shù)。具體方法為：在閉環(huán)的控制系統(tǒng)中，先將控制器變?yōu)榧儽壤饔茫⒈壤阮A(yù)置在較大的數(shù)值上。在系統(tǒng)到達(dá)穩(wěn)定后，用改變給定值的方法參加階躍干擾，觀察被控變量記錄曲線的衰減比，然后從大到小改變比例度，直至出現(xiàn)4:1衰減比為止，得到衰減比例度，記下此時的比例度和衰減周期，求出控制器的PID參數(shù)。4基于模糊控制的PID整定法根據(jù)比例系數(shù)、積分時間和微分時間對誤差及誤差變化的不同作用，由誤差及誤差變化來編制模糊控制規(guī)那么，在線調(diào)整PID參數(shù)或者根據(jù)響應(yīng)在不同時段3個參數(shù)所起的不同作用來調(diào)整參數(shù)。5經(jīng)驗(yàn)湊試法經(jīng)驗(yàn)湊試法是長期的生產(chǎn)實(shí)踐中總結(jié)出來的一種整定方法，它是根據(jù)各種控制規(guī)律對系統(tǒng)控制質(zhì)量的影響來進(jìn)行的一種行之有效的方法。在整定過程中，實(shí)行先比例，后積分，最后微分的順序，即首先只整定比例系數(shù)，將PID控制器的TI設(shè)為無窮大，TD設(shè)置為0，按經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)設(shè)定比例系數(shù)，使系統(tǒng)到達(dá)4:1的衰減振蕩曲線；然后參加積分作用，將積分時間先取為衰減周期的一般值，比例度增加10%-20%，再根據(jù)曲線的變化情況來調(diào)整參數(shù)，直至系統(tǒng)到達(dá)4:1的衰減曲線；如果需引入微分作用〔較大的滯后現(xiàn)象，如溫度控制對象〕，可取TD=〔1/3—1/4〕TI,然后比照例度進(jìn)行湊試，直到曲線到達(dá)滿意為止。經(jīng)驗(yàn)湊試法的關(guān)鍵是“看曲線，調(diào)參數(shù)〞，因此必須了解3個參數(shù)變化對過度過程曲線的影響。一般情況下，增大比例系數(shù)KP會加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，有利于減少靜差；但過大的比例系數(shù)會使系統(tǒng)有較大的超調(diào)，并產(chǎn)生振蕩使系統(tǒng)穩(wěn)定性變差。增大積分時間TI將減少積分作用，有利于減少超調(diào)使系統(tǒng)穩(wěn)定，但系