基于单片机的参数自整定PID控制器教学实验系统研究与开发

摘要

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控制中。尽管已经出现多种先进控制方法，PID控制仍然在各种工业控制技术中占着主导地位。但是，一般的PID控制器参数必须由工程技术人员根据经验手动调节。这对于需要经常对PID参数进行调整的用户十分不方便，从而限制了PID控制器的使用。随着计算机技术的飞跃发展和人工智能技术渗透到自动控制领域，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无限活力和契机。自整定技术的发展一方面减轻了控制工程师现场调试的工作量，节省了大量的时间，另一方面也使整定的结果更加理想，并使一些复杂但是更加精细的设计方法得以应用于实际工业工程。然而很多先进的整定方法并没有像预期的那样产生完美的控制效果。这主要是因为被控对象的精确数学模型未知以及没有一个较好的算法能方便计算出匹配的PID参数。
　　 同时，高等学校在进行PID控制的实践教学中也需要这样一种PID参数自整定的设备来进行演示，或者是让学生制作一个PID参数自整定的控制器。本文通过研究传统PID控制策略和自校正算法，将传统PID控制和自校正算法相结合，吸取两者优点，完成了PID自校正算法。该算法通过系统的输入输出信息估计出被控对象的数学模型，通过自校正算法计算出PID控制的参数，从而达到控制要求。用MATLAB软件完成计算过程，最后用Cygnal公司的C8051F020单片机完成了对被控对象辨识信号的输入和输出数据的采集系统和PID参数自整定控制器的设计与实现。
　　 本文主要内容如下:
　　 ①通过对各种PID控制参数自整定方法的研究，了解到需要辨识被控对象的数学模型才能更方便的计算出PID控制器的参数。通过对各种辨识方法的研究，选择用最小二乘法对被控对象的数学模型进行辨识。辨识的内容包括对被控对象输入伪随机信号阶数的确定，以及辨识的方法和步骤。
　　 ②通过对各种PID参数自整定方法的对比和研究，在自校正算法的基础上，和传统的PID控制器形式相结合，得出PID控制器形式的自校正算法。能根据辨识出的被控对象数学模型和需要完成的控制要求，计算出自校正PID控制器的控制参数。
　　 ③完成由单片机C8051F020为主控制芯片的对被控对象的伪随机信号M序列的输入和输出采集系统设计，以及根据控制目标计算出PID参数，最后完成PID控制任务的控制器设计，包括硬件设计以及软件设计。
　　 ④在过程控制实验室验证设计的整个系统可操作性和实用性。
　　 从实物验证的效果来看，PID参数自整定控制器已经达到了控制要求，并满足了PID控制的实验教学要求。目前该控制器已经作为一种教学用具在某高等学校的过程控制实验室中使用，并达到良好教学效果。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 国内外研究现状

1．2．1 基于过程频率的响应方法

1．2．2 基于模型的整定方法

1．2．3 参数优化方法

1．2．4 智能PID整定方法

1．2．5 多变量PID控制

1．3 PID自校正算法

1．4 论文研究的背景和内容

第二章 参数自整定PID控制器教学实验系统概述

2．1 参数自整定PID控制器教学实验系统的总体构想

2．2 参数自整定PID控制器教学实验系统的实现方法

2．3 参数自整定PID控制器教学实验系统的验证

第三章 系统辨识

3．1 系统辨识的定义

3．1．1 系统辨识的方法

3．1．2 系统辨识的步骤

3．2 输入的伪随机码的产生及其性质

3．2．1 M序列的产生

3．3 最小二乘系统辨识方法

3．3．1 最小二乘法的批处理算法

3．3．2 过程模型结构辨识

第四章 参数自整定PID控制原理

4．1 PID控制算法

4．1．1 模拟及数字式PID算法及与原理

4．2 自校正控制系统

4．2．1 自校正PID控制原理

第五章 数据采集及PID控制过程实现

5．1 数据采集系统及控制器的总体设计

5．2 系统的硬件结构方案

5．2．1 单片机选型

5．2．2 电源转换电路

5．2．3 振荡器电路设计

5．2．4 复位电路设计

5．2．5 通信接口电路设计

5．2．6 键盘接口电路设计

5．2．7 时钟电路设计

5．2．8 继电器、蜂鸣器驱动电路设计

5．2．9 显示电路设计

5．2．10 输入输出信号调理电路设计

5．2．11 系统引脚分配

5．3 单片机C8051F020内部子系统

5．3．1 端口输入／输出

5．3．2 定时器3

5．3．3 A／D子系统

5．3．4 D／A子系统

5．3．5 电压基准

5．4 软件设计

5．4．1 μ Vision2集成开发环境

5．4．2 系统软件设计

第六章 系统验证

6．1 系统辨识验证过程

6．2 系统辨识检验

6．3 PID控制参数自整定过程及验证

第七章 设计PID参数自整定控制器教学安排

7．1 设计PID参数自整定控制器课程设计任务书

7．1．1 任务

7．1．2 要求

7．2 设计PID参数自整定控制器的教学步骤

7．3 设计PID参数自整定控制器的注意点

7．3．1 被控对象的确定

7．3．2 伪随机信号级数的确定

7．3．3 采样时间间隔的确定

7．3．4 模型验证

7．3．5 确定控制目标

7．4 设计PID参数自整定控制器的考核与评分标准

第八章 总结及展望

致谢

参考文献