中国矿业大学徐海学院2012届本科生毕业设计（论文）
1 绪论
1.1 概述
目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。同时，控制理论的发展主要经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。一个控制系统包括控制器﹑传感器﹑变送器﹑执行机构﹑输入输出接口这几个部分。控制器的输出经过输出接口、执行机构，加到被控系统上；控制系统的被控量，经过传感器，变送器，通过输入接口送到控制器。不同的控制系统，它们的传感器、变送器、执行机构都是不一样的。比如压力控制系统要采用压力传感器。电加热控制系统的传感器是温度传感器。目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器（仪表）已经很多，产品已在工程实际中得到了广泛的应用，有各种各样的PID控制器产品，各大公司均开发了具有PID参数自整定功能的智能调节器 (intelligent regulator)，其中PID控制器参数的自动调整是通过智能化调整或自校正、自适应算法来实现。有利用PID控制实现的压力、温度、流量、液位控制器，能实现PID控制功能的可编程控制器(PLC)，还有可实现PID控制的PC系统等等。
PID控制是最实用化的控制方式，指的是一项流行的线性控制策略，它是对偏差信号e(t)进行比例、积分、微分运算变换后形成的一种控制规律，基本思想是“利用偏差、消除偏差”。PID控制被证明是一种非常好的控制模式。它的产品已经在工程实际中得到了广泛的应用，很多大公司都开发了具有PID参数自整定功能的智能控制器。
PID控制器至今已有近70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，或者当使用者得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术很难采用时，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，这时用PID控制技术是最方便的。即使当我们不完全了解一个系统和被控对象﹐或不能通过有效的测量手段来得到系统参数时，最适合用的也是PID控制技术。PID控制，实际中有PI和PD控制。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。模拟PID控制系统的原理框图（如图1.1所示），系统由模拟PID控制器和被控对象组成。
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图 1.1 模拟PID控制系统原理框图
1.2 PID控制的发展和趋势
PID控制技术的发展可以分为两个阶段。20世纪的30年代晚期微分控制的加入标志着PID控制成为一种标准结构,也是PID控制两个发展阶段的分水岭。第一个阶段为发明阶段( 1900 ～1940 ) 。PID控制的思想逐渐明确，气动反馈放大器被发明,仪表工业的重心被放在实际PID 控制器的结构设计上。1940年以后则是第二阶段——革新阶段。在革新阶段，PID 控制器已经发展成一种鲁棒的、可靠的、易于应用的控制器。仪表工业的重心是使PID控制技术能跟上工业技术的最新发展。从气动控制到电气控制到电子控制再到数字控制, PID 控制器的体积逐渐缩小,性能不断的提高。一些处于世界领先地位的自动化仪表公司对PID控制器的早期发展做出重要贡献,甚至可以说PID控制器完全是在实际工业应用中被发明并逐步完善起来的。值得提出的是, 1939年Taylor仪器公司推出的一款带有所谓“Pre2act”功能的名为“Fulscope”的气动控制器以及同时期Foxboro仪器公司推出的带有所谓“Hyper2re2set”功能的“Stabilog”气动控制器都是最早出现的具有完整结构的PID控制器。“Pre2act”与“Haper2re2set”功能实际都是在控制器中加入了微分控制。
1974年英国伦敦大学教授E.H.Mandani是国外最早取得应用成果的，他先利用模糊控制语句组的模糊控制器，用于锅炉和汽轮机的运行控制；
我国的模糊控制理论和研究工作是在1979年开始的，如对模糊控制系
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统的结构、模糊推理算法、自学习或自组织模糊控制器以及模糊控制器的稳定性方面的研究；
80年代末对模糊控制器和PID控制器的关系进行研究，1985年，徐承伟提出模糊控制器输出与被控对象之间存在积分作用；1987年胡家耀在这基础上提出Fuzzy-PI调节器，用于退火炉燃烧过程中；
1988年，河北廊坊市工具厂李利民、王金奎研制的高温盐浴炉微机控制系统以磁性调压器作为执行元件，采用MPID调解方式，当炉温在1100-1300摄氏度范围内任意调节误差小于20度；
1989年，武汉铝厂郑恭恒、沈协和用单片机实现炉温控制，采Bang-Bang和PID相结合的算法，达到升温速度快，超调量小的升温效果；
1997年，吉林工业大学吕俊伟、王文成、黄海东研制的模糊PI开关混合控制器用于渗炭炉温度控制系统，缩短了升温时间，大大提高了控制精度最大超调量小于1度；
DES-BOROUGH和MILLER在2002年的一次统计报告中指出，目前在美国有超过11600个有PID控制器结构的调节器在工业控制中应用，有一些复杂的控制律其基本控制也用的PID控制算法，有大部分的反馈回路都是用的PID控制算法。但是，只有三分之一的控制器在应用中能够让人满意，剩下的控制器都不能让用户对它的控制满意，这给我们现在研究控制理论的学者带来了机遇和挑战。 PID控制的优点很多：
首先，PID应用范围广。虽然很多工业过程是非线性或时变的，但通过对其简化可以变成基本线性和动态特性不随时间变化的系统，这样PID就可控制了。
第二，PID参数较易整定。也就是，PID参数Kp，Ki和Kd可以根据过程的动态特性及时整定。如果过程的动态特性变化，例如可能由负载的变化引起系统动态特性变化，PID参数就可以重新整定。
第三，PID控制器在实践中也不断的得到改进。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，但仍不可否认PID也有其固有的缺点：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。虽然有这些缺点，PID控制器是最简单的有时却是最好的控制器。
PID控制至今仍然是应用最广泛的一种实用控制器。各种现代控制技术的出现并没有减弱PID控制器的应用,相反,新技术的出现对于PID控制技术的发展起了很大的作用。一方面,各种新的好的控制思想不断被应用于PID
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控制器的设计当中或者是使用新的控制思想设计出具有PID结构的新控制器,PID控制技术被注入了很多新的活力。另一方面,某些新控制技术的发展要求更精确的PID控制,从而刺激了PID控制器设计与参数整定技术的发展。
在实际生产现场中，由于受到参数整定方法烦杂的困扰，常规PID控制器参数往往整定不良、性能欠佳，对运行工况的适应性很差。针对这些问题，长期以来，人们一直在寻求PID控制器参数的自动整定技术，以适应复杂的工况和高指标的控制要求。随着微处理机技术的发展和数字智能式控制器的实际应用，这种设想已变成了现实。同时，随着现代控制理论(诸如智能控制、自适应模糊控制和神经网络技术等)研究和应用的发展与深人，为控制复杂无规则系统开辟了新途径。近年来，出现了许多新型PID控制器，如瑞典著名学者K.J.Astrom等人推出的智能型PID自整定控制器，对于复杂对象、其控制效果远远超过常规PID控制。尤其引人注目是近些年来电气传动及机电控制等非自动仪表传统的应用领域，又都采用了PID，可以说PID应用领域已大为扩大。国际著名自动化仪表厂商都十分注意PID功能的应用，如20世纪70年代至80年代中期，从DCS的PID组态，扩大各种PID控制功能（如抗积分饱和、叠加逻辑状态等）到推出自整定PID控制（如日本东芝公司的FuiiMicrer自整定调节器、美国Foxboro公司的Exact自整定调节器、日本横河机电株式会社的YS-80专家自整定调节器）。
运用单片机设计的控制器有很多的用途，比如用单片机的全自动锅炉压力控制器，该系统能根据锅炉现场检测的各个状态做出实时精确的自动控制，如实现温度、压力、水位等的监控，数码管显示、报警、系统参数设置的功能。该系统还采用模糊PID方法进行温度控制，能克服普通的单片机PID温度控制系统的一些不足之处，让它达到令人较为满意的控制效果。
1.3 论文研究的内容和结构安排
在对PID控制的发展现状、PID控制器的特点和单片机的结构等知识的阅读和了解，设计一个基于单片机的PID控制器。论文主要结构，第一章绪论，简单介绍了PID控制在现在社会的应用和PID控制的发展和趋势。第二章简单介绍了PID控制的特点和原理还有PID整定的一些方法和特点。第三章主要是整个论文的设计方案和设计的性能要求，单片机的选择、引脚功能和现在单片机的一些类型和特点还有单片机的工作原理。第四章主要是对电
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路的设计，包括电源电路、按键电路、显示电路、AD转换电路和单片机的复位和晶振电路。第五章主要是软件设计，有软件的介绍和程序的设计，程序设计有按键程序、显示程序、PID参数设置程序和PID算法程序与各程序设计的流程图和仿真图。第六章是对本次设计的总结，主要有这次论文的不足和对PID控制的展望。
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