基于单片机的模糊PID综合控制系统毕业设计论文.docx
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基于单片机的模糊PID综合控制系统毕业设计论文
毕业设计(论文)
题目基于单片机的模糊PID综合控制系统
毕业设计(论文)原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人郑重承诺:
所呈交的毕业设计(论文),是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知,除文中特别加以标注和致谢的地方外,不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果,也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体,均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
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指导教师签名:
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作者签名:
日 期:
学位论文原创性声明
本人郑重声明:
所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
作者签名:
日期:
年月日
学位论文版权使用授权书
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涉密论文按学校规定处理。
作者签名:
日期:
年月日
导师签名:
日期:
年月日
指导教师评阅书
指导教师评价:
一、撰写(设计)过程
1、学生在论文(设计)过程中的治学态度、工作精神
□优□良□中□及格□不及格
2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度
□优□良□中□及格□不及格
3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力
□优□良□中□及格□不及格
4、研究方法的科学性;技术线路的可行性;设计方案的合理性
□优□良□中□及格□不及格
5、完成毕业论文(设计)期间的出勤情况
□优□良□中□及格□不及格
二、论文(设计)质量
1、论文(设计)的整体结构是否符合撰写规范?
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文(设计)任务(包括装订及附件)?
□优□良□中□及格□不及格
三、论文(设计)水平
1、论文(设计)的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意?
设计是否有创意?
□优□良□中□及格□不及格
3、论文(设计说明书)所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩:
□优□良□中□及格□不及格
(在所选等级前的□内画“√”)
指导教师:
(签名)单位:
(盖章)
年月日
评阅教师评阅书
评阅教师评价:
一、论文(设计)质量
1、论文(设计)的整体结构是否符合撰写规范?
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文(设计)任务(包括装订及附件)?
□优□良□中□及格□不及格
二、论文(设计)水平
1、论文(设计)的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意?
设计是否有创意?
□优□良□中□及格□不及格
3、论文(设计说明书)所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩:
□优□良□中□及格□不及格
(在所选等级前的□内画“√”)
评阅教师:
(签名)单位:
(盖章)
年月日
教研室(或答辩小组)及教学系意见
教研室(或答辩小组)评价:
一、答辩过程
1、毕业论文(设计)的基本要点和见解的叙述情况
□优□良□中□及格□不及格
2、对答辩问题的反应、理解、表达情况
□优□良□中□及格□不及格
3、学生答辩过程中的精神状态
□优□良□中□及格□不及格
二、论文(设计)质量
1、论文(设计)的整体结构是否符合撰写规范?
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文(设计)任务(包括装订及附件)?
□优□良□中□及格□不及格
三、论文(设计)水平
1、论文(设计)的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意?
设计是否有创意?
□优□良□中□及格□不及格
3、论文(设计说明书)所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
评定成绩:
□优□良□中□及格□不及格
(在所选等级前的□内画“√”)
教研室主任(或答辩小组组长):
(签名)
年月日
教学系意见:
系主任:
(签名)
年月日
摘 要
PID控制(ControlofProportionIntegrationDifferentiation)就是比例、积分、微分控制。
它的性能取决于参数的整定情况,对那些对象模型复杂和难以确定精确模型的控制系统,具有很大的局限性,而且它的快速性和超调量之间的矛盾关系,使它不一定能满足调节时间短,超调小的技术要求。
而模糊控制的鲁棒性好,无需知道被控对象的数学模型,且在快速性方面有着自己的优势。
但模糊控制易受模糊规则有限等级的限制而引起稳态误差。
这就是说,单一的PID控制或单一的模糊控制都有其自身的不足,因此,分析它们各自的优缺点,考虑可以把它们相互结合,实现优势互补,形成模糊PID控制。
此外,考虑把模糊PID控制和当今新型的、性能较好的单片机结合在一起,更好的发挥他们的作用。
本文主要围绕模糊PID控制器进行研究,主要研究PID控制器以及模糊控制的过去、现状以及未来的发展趋势。
借助单片机,应用模糊PID控制,设计了一个基于单片机的模糊PID控制器。
本文主要以AT89S52单片机作为载体,利用8155芯片、A\D转换器、D\A转换器等主要元件进行设计,实现了基于单片机的模糊PID控制器的硬件设计和软件设计。
关键词:
PID控制器单片机模糊控制
ABSTRACT
Theproportionalintegralderivative(PID)controllerisControlofProportionIntegrationDifferentiation.Itperformancedependsonthesituationthatparameterssets,thosecontrolsystemswhoseobjectmodelcomplexanduncertainaccuratehavegreatlimitations,anditsrelationshipbetweenrapidityandovershootmakeitimpossibletomeetregulatingtimeandshortovershoottechnicalrequirements.Therobustofthefuzzycontroliseffective,withoutknowledgeofthecontrolledobject'smathematicalmodel,andtherapidityhasitsownadvantage.Butthefuzzycontrolhasfuzzyruleslimitedlevel,itcancausesteady-stateerror.ThismeanssinglePIDcontrolorsingleFuzzyControlhasitsowndeficiencies,thereforeanalysistheiradvantagesanddisadvantages,considercombinethemandformedfuzzyPIDControl,Realizecomplementarystrengths.Addition,considercombinethefuzzyPIDcontrolandMCUwhichisnewandwhoseperformanceisbetter.
ThispapermainlycenteredfuzzyPIDcontroller.Introducethepast,statusandfuturedevelopmenttrendofthePIDcontrollerandthefuzzycontrol.UsingMCUandfuzzyPIDcontroldesigneaFuzzyPIDcontrollerbasedMCU.ConsidertheAT89S52MCUasacarrier,using8155chip,A\Dconverter,D\Aconverter,completethehardwareandsoftwaredesignofthefuzzyPIDcontrollerbasedMCU.
Keyword:
PIDcontrolMCUFuzzycontrol
第一章引言
1.1课题研究背景及意义
随着科技的飞速发展,一个国家自动化程度的高低,已经成为衡量其发展水平的重要标志。
而工业控制的水平又是反映自动化程度的关键。
PID控制作为自动控制的典型,在工业控制领域的应用已达90%以上。
所谓PID控制(ControlofProportionIntegrationDifferentiation)就是比例、积分、微分控制。
PID控制器产生于20世纪30年代末期,从最初的模拟控制器到现在的数字控制器,经过人类广泛的理论研究和丰富的应用实践,PID控制取得了巨大的发展,PID控制器也是工业控制领域应用最广泛最成功的一种控制器。
PID控制具有结构简单,参数调整方便等优点。
但它的性能取决于参数的整定情况,对那些对象模型复杂和难以确定精确模型的控制系统,具有很大的局限性,而且它的快速性和超调量之间的矛盾关系,使它不一定能满足调节时间短,超调小的技术要求。
而模糊控制的鲁棒性好,无需知道被控对象的数学模型,且在快速性方面有着自己的优势。
但模糊控制易受模糊规则有限等级的限制而引起稳态误差。
这就是说,单一的PID控制或单一的模糊控制都有其自身的不足,因此,分析它们各自的优缺点,把它们相互结合,实现优势互补,形成模糊PID控制。
目前,国内外的模糊PID控制大多以单片机为载体进行实现,本设计也不例外。
单片机已经渗透到我们生活的各个领域,导弹的导航装置,飞机上各种仪表的控制,计算机的网络通讯与数据传输,工业自动化过程的实时控制和数据处理,广泛使用的各种智能IC卡,民用豪华轿车的安全保障系统,录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制,以及程控玩具、电子宠物等等,这些都离不开单片机。
更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。
因此,把模糊PID的控制算法和单片机结合在一起,更好的发挥他们的作用。
模糊PID控制应用范围广泛,液位控制、温度控制、压力控制等,就连我们日常使用的全自动洗衣机中,也应用了模糊控制。
本次进行模糊PID控制器的设计,使模糊PID更好的发挥自身优势,达到人们需要的控制效果,进而提高我国工业自动化水平。
1.2课题简介
本次设计是以单片机为载体,利用其他相关芯片,完成对不同被控对象的模糊PID综合控制系统,即用一套设备可以完成对不同对象的模糊PID控制。
根据题目内容要求,设计的预期目标是,利用单片机以及其它相关芯片,设计出一套硬件设备,使其适应不同的被控对象。
设计系统的模糊PID控制器,假设系统传递函数模型,灵活应用PID各种方法得出PID参数值、模糊PID参数值,并用simulink进行仿真,得出相应的控制曲线,对比其优缺点。
设计系统的部分硬件电路图,设计软件流程图。
使其可以通过对单片机进行程序更改,完成PID的参数整定,从而来完成对不同被控对象的最优控制。
第二章控制器简介
2.1PID控制器
2.1.1PID控制的产生背景
PID控制器产生于20世纪30年代末,从最开始的模拟控制器到现在的数字控制器,经过广泛的理论研究和丰富的应用实践,取得了巨大的成功,是工业控制领域应用最广泛也最成功的一种控制器。
在工程实际中,应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制,简称PID控制,又称PID调节。
PID控制器问世至今已有近70多年历史,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,或得不到精确的数学模型时,控制理论的其它技术难以采用时,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,这时应用PID控制技术最为方便。
也就是说当我们不完全了解一个系统和被控对象,或是不能通过有效的测量手段来获得系统参数时,最适合用PID控制技术。
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。
在实际应用中也有PI和PD控制。
2.1.2PID控制的应用
在工业过程控制中,目前采用最多的控制方式依然是PID方式,即使在工业较先进的国家,PID控制的使用率也达84.5%。
这一方面是,由于PID控制器具有简单而固定的形式,在很宽的操作条件范围内都能保持较好的鲁棒性;另一方面是,因为PID控制器允许工程技术人员以一种简单而直接的方式来调节系统。
但PID参数复杂繁琐的整定过程一直困扰着工程技术人员,因此研究PID参数整定及自整定技术具有十分重大的工程实践意义[1]。
2.1.3PID控制的存在问题
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,但它们仍存在一些问题需要解决:
例如,如果自整定要以模型为基础,为了PID参数的重新整定在线寻找和保持好过程模型是较难的。
闭环工作时,要求在过程中插入一个测试信号。
这个方法会引起扰动,所以基于模型的PID参数自整定在工业应用不是太好。
如果自整定是基于控制律的,经常难以把由负载干扰引起的影响和过程动态特性变化引起的影响区分开来,因此受到干扰的影响控制器会产生超调,产生一个不必要的自适应转换。
另外,由于基于控制律的系统没有成熟的稳定性分析方法,参数整定可靠与否存在很多问题。
因此,许多自身整定参数的PID控制器经常工作在自动整定模式而不是连续的自身整定模式。
自动整定通常是指根据开环状态确定的简单过程模型自动计算PID参数。
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。
2.1.4PID控制的发展方向
PID控制发展至今已经有智能PID控制、模糊PID控制、自适应PID控制、参数自整定PID控制等,而PID控制器的精髓在于其控制算法。
其控制算法从传统的模拟PID控制算法发展到当今的数字PID控制在工程中的改进算法。
随着单片机技术和计算机的飞速发展,今后将出现更精确的PID控制算法和PID控制器,来解决上述以及其他的一些工业中的控制问题。
2.2模糊PID控制器
2.2.1模糊控制
模糊控制是以模糊集合论、模糊数学、模糊语言形式的知识表示和模糊逻辑的规则推理为理论基础,采用计算机控制技术构成的一种具有反馈通道的闭环数字控制系统模糊控制原理。
主要包括其中的模糊量化处理、模糊控制规则、模糊决策、非模糊化处理等环节组成的模糊控制器。
为克服常规PID控制器的不足,经过长期的研究,提出了许多PID自适应调整方案,其中采用模糊技术与PID结合构成模糊PID是一种常用的控制方法。
2.2.2模糊控制的产生背景
在传统的控制领域里,控制系统动态模式的精确与否是影响控制优劣的最主要关键,系统动态的信息越详细,则越能达到精确控制的目的。
然而,对于复杂的系统,由于变量太多,往往难以正确的描述系统的动态,于是工程师便利用各种方法来简化系统动态,以达成控制的目的,但却不尽理想。
换言之,传统的控制理论对于明确系统有强而有力的控制能力,但对于过于复杂或难以精确描述的系统,则显得无能为力了。
因此便尝试着以模糊数学来处理这些控制问题。
1964年Zadeh教授提出模糊数学和模糊控制的概念,对于不明确系统的控制有极大的贡献,自七十年代以后的20多年的时间里模糊理论得到了飞速的发展。
模糊控制器是模糊控制理论的一个重要分支,也是一个模糊控制系统的核心。
自从1974年第一台模糊控制器[2]诞生以来,人们对模糊控制器的研究投入了极大的热情,一些实用的模糊控制器相继的完成,在许多领域获得了成功的应用[3],同时模糊控制器集成硬件也已出现(如El本富士电机公司的FRU1TAX;英国ImageAutomation公司的LINKman等)。
使得我们在控制领域中又向前迈进了一大步。
2.2.3模糊PID控制器的发展展望
模糊控制器并不像常规控制器有固定的结构,因为它在以下几方面没有确定的标准:
(1)隶属函数的形式;
(2)模糊子集个数;(3)规则的基本形式;(4)推理机制和解模糊方式。
所以如何合理地应用模糊控制器的非线性,设计合适的模糊PID控制器,这是亟需解决的问题,这关系到模糊PID控制器能否被广泛地接受和应用。
从目前模糊PID控制器研究和应用的情况来看,以下几个方面是今后工作的重点:
(1)模糊PID控制器的结构。
一方面由模糊控制器构造PID功能时形式多样,另外模糊控制器本身有许多不确定性,所以如何才能使控制工程技术人员方便地根据控制要求,选择相应的控制器结构是模糊控制器被广泛应用的前提。
(2)控制器参数调整。
PID三参数具有明确的物理意义,对它们之间的相互关系及在响应各阶段的要求也已研究比较透彻,找到模糊PID控制器各参数和PID参数间的等效关系,根据控制要求调整模糊PID控制器参数,这也是今后研究的一个方向。
(3)控制器评价标准。
虽然有些控制器结构提出后,也做了稳定性研究,但往往是针对特定的对象,没有通用性。
目前这方面的工作逐渐得到重视[4][5][6]。
2.3单片机
2.3.1单片机的发展
单片机诞生于20世纪70年代末,其作为微型计算机的一个重要分支,应用面很广,发展很快。
自单片机诞生至今,已发展为上百种系列的近千个机种。
如果将8位单片机的推出作为起点,那么单片机的发展历史大致可分为:
单片机的控索阶段(1976-1978),单片机的完善阶段(1978-1982),8位单片机的巩固发展及16位单片机的推出阶段,也是单片机向微控制器发展的阶段(1982-1990),微控制器的全面发展阶段(1990-今)等四个阶段。
2.3.2单片机的特点
(1)高集成度,体积小,高可靠性
单片机将各功能部件集成在一块晶体芯片上,集成度很高,体积自然也是最小的。
芯片本身是按工业测控环境要求设计的,内部布线很短,其抗工业噪音性能优于一般通用的CPU。
单片机程序指令,常数及表格等固化在ROM中不易破坏,许多信号通道均在一个芯片内,故可靠性高。
(2)控制功能强
为了满足对对象的控制要求,单片机的指令系统均有极丰富的条件:
分支转移能力,I/O口的逻辑操作及位处理能力,非常适用于专门的控制功能。
(3)低电压,低功耗,便于生产便携式产品
为了满足广泛使用于便携式系统,许多单片机内的工作电压仅为1.8V~3.6V,而工作电流仅为数百微安。
(4)易扩展
片内具有计算机正常运行所必需的部件。
芯片外部有许多供扩展用的三总线及并行、串行输入/输出管脚,很容易构成各种规模的计算机应用系统。
(5)优异的性能价格比
单片机的性能极高。
为了提高速度和运行效率,单片机已开始使用RISC流水线和DSP等技术。
单片机的寻址能力也已突破64KB的限制,有的已可达到1MB和16MB,片内的ROM容量可达62MB,RAM容量则可达2MB。
由于单片机的广泛使用,因而销量极大,各大公司的商业竞争更使其价格十分低廉,其性能价格比极高。
2.3.3单片机的应用
由于单片机具有显著的优点,它已成为科技领域的有力工具,人类生活的得力助手。
它的应用遍及各个领域,主要表现在以下几个方面:
(1)单片机在智能仪表中的应用:
单片机广泛地用于各种仪器仪表,使仪器仪表智能化,并可以提高测量的自动化程度和精度,简化仪器仪表的硬件结构,提高其性能价格比。
(2)单片机在机电一体化中的应用:
机电一体化是机械工业发展的方向。
机电一体化产品是指集成机械技术、微电子技术、计算机技术于一体,具有智能化特征的机电产品,例如微机控制的车床、钻床等。
单片机作为产品中的控制器,能充分发挥它的体积小、可靠性高、功能强等优点,可大大提高机器的自动化、智能化程度。
(3)单片机在日常生活及家用电器领域的应用:
自从单片机诞生以后,它就步入了人类生活,如洗衣机、电冰箱、空调器、电子玩具、电饭煲、视听音响设备等家用电器配上单片机后,提高了智能化程度,增加了功能,倍受人们喜爱。
单片机将使人类生活更加方便、舒适、丰富多彩。
(4)单片机在办公自动化设备中的应用:
现代办公室使用的大量通信和办公设备多数嵌入了单片机。
如打印机、复印机、传真机、绘图机、考勤机、电话以及通用计算机中的键盘译码、磁盘驱动等。
(5)单片机在商业营销设备中的应用:
在商业营销系统中已广泛使用的电子称、收款机、条形码阅读器、IC卡刷卡机、出租车计价器以及仓储安全监测系统、商场保安系统、空气调节系统、冷冻保险系统等都采用了单片机控制。
(6)单片机在计算机网络和通信领域中的应用:
现代的单片机普遍具备通信接口,可以很方便地与计算机进行数据通信,为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件,现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制,从手机,电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话,集群移动通信,无线电对讲机等。
(7)单片机在医用设备领域中的应用:
单片机在医用设备中的用途亦相当广泛,例如医用呼吸机,各种分析仪,监护仪,超声诊断设备及病床呼叫系统等等。
(8)单片机在汽车电子产品中的应用:
现代汽车的集中显示系统、动力监测控制系统、自动驾驶系统、通信系统和运行监视器(黑匣子)等都离不开单片机。
(9)单片机在航空航天系统和国防军事、尖端武器等领域的应用:
航空航天系统和国防军事、尖端武器等各种实时控制中,单片机是不可缺少的控制器。
(10)单片机在实时控制中的应用:
单片机广泛地用于各种实时控制系统中。
例如,在工业测控、航空航天、尖端武器、机器人等各种实时控制系统中,都可以用单片机作为控制器。
单片机的实时数据处理能力和控制功能,可使系统保持在最
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