PID控制器，也称作PID调节器，因其实现简单、精度稳定而被广泛地应用于工业过程控制，通过调节整定PID控制器的比例参数、积分参数、微分参数来使其能够适应于各种不同的对象，成为一种较为通用的调节器。PID控制是经典控制理论在实际控制系统中的典型应用(统计至今在全球过程控制中所使用的84%是纯PID控制器，若改进型也包含在内的话则超过90%)。随着计算机技术的发展，现代控制理论在实用性方面获得了很大进展，解决了许多经典控制理论不断解决的问题，这使很多人认为，新的理论和技术可以取代PID控制，但后来的发展说明，PID控制并没有让位。
目前，PID控制仍然是在工业控制中应用得最为广泛的一种控制方法。这一方面是由于其结构简单，鲁棒性和适应性较强；另一方面，它的调节整定较少依赖于系统的具体模型。随着计算机技术的发展，人们先后将模糊控制，自适应控制，专家控制，神经网络控制等自动控制理论应用于PID控制，使PID控制的性能不断得到提高，可以逐步克服不能同时很好地满足稳态精度与动态稳定性，平稳性与快速性的要求以及对于存在强非线性、快速时变不确定性、强干扰等特性地现象，控制效果较差等缺点，适用范围越来越广。
1.2 PID控制器的研究现状
PID控制器因为结构简单、容易实现，并且具有较强的鲁棒性，因而被广泛应用于各种工业过程控制中。作为一种广泛的控制规律，PID控制在相当长的一段时间内，并没有因为各种先进控制算法的出现而遭到淘汰，相反，经过时间的考验，PID控制仍然在各种控制技术中占主导地位。PID控制器参数整定的优劣
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与否，是PID控制器能否在实用中得到好的闭环控制效果的一个前提。迄今为止，各种先进PID控制器参数整定方法层出不穷，给PID控制器参数整定的研究带来了活力与契机。
1.2.1国内研究动态
目前来讲，我国商品化自整定控制器的研究仍然处在起步阶段，主要原因有两个：第一，自整定技术是一门集自适应控制、智能控制、自动化控制为一体的高科技工程的新技术，由于商业保密性，国外许多重要设计技术的细节都没有公开。想要利用最少的被控过程数学模型信息来自动获取鲁棒性强且可靠的最优化PID整定参数，从而适应不同的被控过程，这种理论及实践在国内还处在理论分析和仿真试验阶段；第二，自整定控制器是结合未处理计算机、新型精密电子元器件及、高密度的工艺制作为一体的高集成度的自动化仪表，国内在这些方面与国外同类技术差距甚远，影响了国内自整定控制器商品化的研制和发展。
1.2.2 国外研究动态
目前，自动化仪表生产厂家主要集中在美国、日本、德国等工业发达国家。这些公司大多是实力雄厚的跨国公司，代表着自动化仪表领域的最高成就，而且在智能仪表的设计方面也体现出了以下几点特点：
1） 良好的可靠性设计。 国外产品在设计阶段就十分注意可靠性分析与设计，
运用可靠性分配理论，将可靠性指标逐级分配，从而使整机的可靠性得到了保证。
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2） 注重可维护设计。 高的可维护设计可使仪表便于生产调试和维修，包括
在设计中实施与自动检测系统。
3） 产品的通用化和系列化。 产品系列主要体现在功能性、量程范围、精度
等方面。这样会对用户产生巨大的吸引力。先进的智能仪表，通用性很强。体现在大多数产品的通用接口系统，可以方便地将系统互联与计算机组成测试系统，将用途和使用范围大大地扩展。
1.3 本论文的主要研究内容
应用AT89C51单片机为核心进行PID控制器的整体设计规划，独立完成PID控制器的硬件设计和软件设计。
1.4 本章小结
本章主要介绍了PID控制器的应用历程和发展前景，对比了PID控制算法与当今流行控制理论的优缺点及其相互结合的趋势，总结了国内和国外PID控制器产品的特点，给出了本文所设计的PID控制器的主要概况。
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第2章 PID控制器原理及简介
2.1 PID控制器的简单介绍
近年来，尽管控制理论在控制技术领域有了很大的发展，各种先进控制方法层出不穷，但是PID控制仍然广泛地应用于工业控制系统。这主要是因为绝大多数被控过程而言，PID控制器可以提供较好的闭环控制特性：在工作环境有较大变化时，PID控制器表现出了较好的鲁棒性。使用模拟和数字器件可以很方便地实现PID控制，但是实践表明将PID控制器用于具有振荡、积分或不稳定传递函数的被控过程时，无法得到较好的闭环特性，系统的阶跃响应往往具有较大的超调而且会产生振荡。所以，现今也有了很多关于改进PID控制方法的研究，比如将智能控制、专家控制等现代控制方法与传统PID控制方法相结合。PID控制器是应用最广泛的控制器之一，根据不完全统计，在工业过程控制等领域中，PID控制器的使用占80%以上，是唯一大规模商品化生产的控制器。
在模拟系统中，最常使用的控制器规律是PID控制。它是一种线性控制器，将给定值与实际输出值之间偏差的比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。比例环节成比例地反映误差信号，偏差一旦产生，控制器立刻产生控制作用，以减小偏差；积分环节主要用于消除静差，提高系统的无差度；微分环节反映偏差信号的变化趋势，并能在偏差信号变得太大之前，在系统引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的变化趋势，并能在偏差信号变得太大之前，在系统引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减
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少调节时间。三个环节，各有各的作用，而其各项系数均可以在现场灵活调试，以达到预期的控制性能。由于其结构简单，控制效果好，所以应用较广。但是，由于PID控制器的结构限制，将它用于具有振荡、积分或不稳定传递函数的被控过程时，无法得到良好的闭环特性，系统的阶跃响应往往具有大的超调而且会产生振荡。
2.2完整的基于单片机的PID控制器的基本构成
一个完整的控制器，包含有数据采集部分，数据处理部分和数据执行部分，在本论文中，以下图为依据，来进行控制器的设计。
图2.1基于单片机的PID控制器的基本构成
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