基于单片机的PID控制器设计
摘 要
工业控制器作为过程控制系统的核心，在现代工业过程控制中起着至关重要的作用。PID控制是迄今为止最为通用的控制方法，是经典控制理论在实际控制系统中的典型应用。作为最早发展起来的控制策略之一，PID控制算法简单、鲁棒性好、可靠性高??已经被广泛应用于工业过程控制。
本文叙述了现在几种成熟的PID控制算法，对PID控制器的设计进行了研究，包括对控制器的硬件选型和软件设计，对合适的硬件给予详细的介绍，对程序的运行给出详细的程序流程图。
PID控制器的核心选用了ATMEL公司的AT89C51单片机，通过合适的外接硬件来完成模拟数据量的采集处理，数据的模数数模转换，液晶显示，按键输入等功能。
关键字：单片机，PID算法，控制器
I
The design of SCM PID controller
Abstract
Industrial controller as the core of process control system in modern industrial process control plays a vital role. PID control is by far the most common diabolic method, is classical control theory in practical control system of a typical application. As the earliest one of the control strategy developed, PID control algorithm is simple and good robustness and high reliability... it was been widely used in industrial process control.
This paper describes the now several mature PID control algorithm, the design of PID controller is studied. Including controller hardware selection and software design of suitable hardware, to the detailed introduction of program running give detailed flow chart.
The core of the PID controller choosing the AT89C51 of ATMEL company, through the appropriate external hardware to complete simulation amount of data acquisition and processing, data module analog-to-digital conversion, LED display, keystroke function etc..
Key words: Microcomputer, PID algorithm, controller
II
目录
摘要 .................................................................................................................................... I Abstract ............................................................................................................................ II 第1章绪论 ....................................................................................................................... 1
1.1 本课题的研究背景和意义 ................................................................................. 1 1.2 PID控制器的研究现状 ...................................................................................... 2
1.2.1国内研究动态 ............................................................................................ 3 1.2.2 国外研究动态 ........................................................................................... 3 1.3 本论文的主要研究内容 ..................................................................................... 4 1.4 本章小结 ............................................................................................................. 4 第2章 PID控制器原理及简介 ..................................................................................... 5
2.1 PID控制器的简单介绍 ...................................................................................... 5 2.2完整的基于单片机的PID控制器的基本构成 ................................................. 6 2.3 本章小结 ............................................................................................................. 7 第3章给予单片机的PID控制器的硬件设计 .............................................................. 8
3.1 键盘输入电路 ..................................................................................................... 8 3.2 LED显示器 ......................................................................................................... 9
3.2.1LED数码管显示器结构和原理 ................................................................ 9 3.2.2 LED数码显示器的接入 ......................................................................... 10 3.3 多路选择器 ....................................................................................................... 12 3．4 AT89C51单片机 ......................................................................................... 15
III
3.4.1 AT89C51单片机的基本组成 ................................................................. 15 3.4.2 89C51单片机的引脚 .............................................................................. 15 3.4.389C51单片机中的CPU结构 ................................................................. 19 3.4.489C51单片机的存储器 ........................................................................... 19 3.5A/D、D/A转换器 .............................................................................................. 21
3.5.1A/D转换器MAX187 .............................................................................. 21 3.5.2D/A转换器MAX531 .............................................................................. 23 3.6本章小结 ............................................................................................................ 26 第4章 基于单片机的PID控制器的软件设计 .......................................................... 27
4.1 主程序流程图 ................................................................................................... 27 4.2PID控制算法 ..................................................................................................... 32
4.2.1常规PID控制 ......................................................................................... 32 4.2.2数字式PID控制 ..................................................................................... 34 4.3PID控制器的参数整定 ..................................................................................... 37 4.4本章小结 ............................................................................................................ 39 第5章 结束语 ............................................................................................................... 40 参考文献 ......................................................................................................................... 41 谢辞 ................................................................................................. 错误！未定义书签。
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第1章 绪论
在工业生产过程中，自动化技术一直都发挥着重要的作用。工程上通过工业过程控制系统来操作和控制实际的工业生产过程，而过程控制系统作为生产自动化的最重要组成部分，常采用测量仪表和计算机等自动化工具，应用控制理论设计而成。工业控制器是专门针对控制参数进行现场控制的装置，应用非常广泛。
1.1 本课题的研究背景和意义
本论文控制器的设计是以现在单片机的广泛应用为背景，以单片机为控制核心来设计的利用PID控制理论为控制程序基础的控制器。
在科学技术不断发展和人们物质生活水平不断提高的今天，一方面，为了满足优质、高产、低消耗及安全生产、保护环境等要求，制造产品的工艺变得越来越复杂；另一方面，工业过程不仅要求控制的精确性，更加注重控制的鲁棒性、实时性、容错性以及控制参数的自适应和自学习能力。
工业过程控制领域中常用的现场仪表主要包括：（1）变送器（压力/差压、温度、流量、物位等）；（2）执行器（电动执行器机构、阀门定位器、电动气动调节阀门等）；仪表为溶入自动化控制系统中必须从仪表的智能化、数字化、模块化、低功耗、多变量、多参数等方面改进，而替代“一对一”的单向的通信方式，总线化的智能仪表不仅应具有起始值、量程、阻尼特性的调整、非线性的校正、多变量的补偿、工程单位的换算等功能，而且还有故障自我诊断、PID调节和运算、自动报警以及同系统双向通信的功能。
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