1、摘要自動控制理論實驗主要任務是通過實驗，使學生掌握H動控制的基本原理和方法，在熟練掌握各種校正方法設計原則的基礎上，加強對控制理論的理解和認識，將理論與實踐有機地結合起來，提高分析問題及解決問題的能力。本設計是在原有實驗箱的基礎上，根據常規的PID控制，開發新型的模糊控制實驗內容。實驗中的控制器為C8051F330單片機，通過上位機C語言開發環境，將代碼寫入單片機進行控制。其算法采用將常規PID控制與模糊控制相結合的控制策略，運用模糊推理思想，根據不同的誤差e及誤差變化率ec對PID三個參數Kp,Ki及Kd進行實時優化，達到最優控制。最終實現模糊PID控制算法。由于原有單片機內存的限制，在經過

2、多次實驗后，選取了兩個模糊控制規則表對搭建的三階被控對象進行算法驗證，實驗表明模糊控制和原有常規PID控制比較，明顯提高了系統的控制性能。關鍵詞：單片機，PID控制，模糊控制AbstractThemaintaskofautomaticcontroltheory'sexperimentsistohelpstudentsmasterbasicprinciplesandmethodsofautomaticcontroltheorybyexperiment.Basedonmasteringvariouscorrectionmethods,ithelpstoenhanceunderstandin

3、gandawarenesstowardscontroltheory,tointegratetheorywithpractice,andtoenhancetheanalysisofproblemsandproblem-solvingabilities.Tliedesignisbasedontheoriginaltestcase,accordingtotheconventionalPIDcontrol,todevelopnewfuzzycontrolexperiments.TlieyarecoredbytheMCUC8051F330,byusingClanguagedevelopmentenvir

4、onmentandwritingcodesintotheMCU.TliealgorithmcombinesconventionalPIDcontrolandfuzzycontroltogether,andusesfuzzyreasoningtooptimizethreePIDparametersKp,KiandKdforreal-timeaccordingtodifferenterroreanderrorchangerateofec,onlytoachieveoptimalcontrol.EventuallyfuzzyPIDcontrolalgorithmisrealized.Sincethe

5、originalMCU'smemoryislimited,afteranumberofexperiments.twofiizzycontrolnilebaseshavebeenselectedtodoalgorithmvalidationtowardsthird-orderplant.ExperimentsshowthatfuzzycontrolhasincreasedsystemcontrolperformanceobviouslycomparedwithconventionalPIDcontrol.Keywords:MCU;PIDcontrol;fuzzycontrol目錄第一章緒

6、論11.1 研究背景和研究意義11.2 本文結構11.3 本章小結2第二章單片機原理31.1.0 單片機系統設計的基礎31 理論儲備31 單片機系統設計的內容31.2.0 單片機控制系統總體方案的設計31 設計方法總述31 直接數字控制41 數字化PID控制41.3.0 單片機系統硬件設計41 存儲器拓展51 模擬量輸入通道的拓展51 模擬量輸出通道的拓展51 開關量的I/O接口設計51 操作面板61 系統速度匹配61 系統負載匹配61.4.0 單片機系統的軟件設計61 保證可靠性61 軟硬件折中問題71 應用軟件的特點71 軟件開發步驟71.5.0 單片機控制系統的調試71 硬件調試71 軟

7、件調試81 硬件、軟件仿真調試9第三章PID控制器102.3 閉環控制算法112.3 PID是比例(P)、積分、微分(D)控制算法112.3 比例(P)、積分、微分(D)控制算法各有作用112.3 控制器的PJD項選擇112.3 公式132.3 PID算法流程圖14第四章基于單片機模糊PID控制算法實現15模糊控制例子15基本原理18模糊控制器算法研究19輸入值的模糊化19模糊控制規則表的建立19模糊控制算法的實現20實驗模糊表20輸入輸出的隸屬度函數22去模糊化25單片機上實現控制算法27模糊規則表的選擇27第五章總結30致謝32參考文獻33附錄34第一章緒論研究背景和研究意義自動控制理論實

8、驗提供的實驗箱中，我們可以搭接不同的被控對象，通過給被控對象輸入階躍信號，在上位機界面上觀察其階躍響應曲線，根據曲線波形，我們可以判定被控對象是否穩定以及各種控制器對被控對象的控制性能如何等。控制器就是單片機。原有的實驗箱單片機中，生產廠家只提供數字PID控制，而我們一般都希望單片機能夠實現多種控制算法，例如模糊控制算法。本次設計所使用的單片機是C8051F330芯片，有10位A/D、D/A轉換，8KB閃存，17個I/O端口，其中A/D的轉換速率為200ksps。在自動控制技術的發展過程中，PID控制是歷史最久，生命力最強的控制方式。至今，PID控制作為工業控制系統的經典控制技術，在過程控制、

9、伺服系統、生產機械H動化控制等各領域各行業中仍然是應用最廣泛的基本控制技術。由于常規PID控制器不能在線整定參數；并且，常規PID控制器對于非線性、時變的系統和模型不清楚的系統就不能很好的控制，其PID參數不是整定困難就是根本無法整定，因此不能得到預期的控制效果。用模糊算法來優化PID參數，使控制器能夠根據實際情況調整比例系數Kp、積分系數Ki和微分系數Kd,以達到調節作用的實時最優。本文結構本文在緒論部分介紹基于單片機的PID控制的研究背景和意義，對用模糊算法優化PID參數作了一個概要描述，并介紹了本文的研究內容。第二章介紹了單片機控制系統的構成、硬件設計、軟件設計和系統調試。第三章研究常規

10、PID控制的原理。在這一章節中，我們深入分析了PID控制在原理和構造方面的問題，以及進行了實驗論證。第四章在介紹模糊控制的原理和特點之后，我們提出了用模糊算法優化PID參數控制策略，并在單片機上實現了模糊控制算法。第五章為本文總結。13本章小結本章介紹了基于單片機的PID控制以及模糊算法研究背景和研究意義，并且提出了本論文的研究內容，并對論文的結構安排進行了簡要說明。第二章單片機原理單片機系統設計的基礎理論儲備單片機控制系統是以單片機(CPU)為核心部件，擴展一些外部接口和設備，組成單片機工業控制機，主要用于工業過程控制。要進行單片機系統設計首先必須具有一定的硬件基礎知識；其次，需要具有一定的

11、軟件設計能力，能夠根據系統的要求，靈活地設計出所需要的程序：笫三，具有綜合運用知識的能力。最后，還必須掌握生產過程的匚藝性能及被測參數的測量方法，以及被控對象的動、靜態特性，有時甚至要求給出被控對象的數學模型。單片機系統設計的內容單片機系統設計主要包括以下幾個方面的內容：控制系統總體方案設計,包括系統的要求、控制方案的選擇，以及工藝參數的測量范圍等：選擇各參數檢測元件及變送器：建立數學模型及確定控制算法；選擇單片機，并決定是H行設計還是購買成套設備；系統硬件設計，包括接口電路，邏輯電路及操作面板：系統軟件設計，包括管理、監控程序以及應用程序的設計，應用系統設計包含有硬件設計與軟件設計兩部分；系

12、統的調試與試驗。2單片機控制系統總體方案的設計2.2.1設計方法總述確定單片機控制系統總體方案，是進行系統設計最重要、最關鍵的一步。總體方案的好壞，直接影響整個控制系統的性能及實施細則。總體方案的設計主要是根據被控對象的任務及工藝要求而確定的。設計方法大致如下：根據系統的要求，首先確定出系統是采用開環系統還是閉環系統，或者是數據處理系統。選擇檢測元件，在確定總體方案時，必須首先選擇好被測參數的測量元件，它是影響控制系統精度的重要因素之一。選擇執行機構，執行機構是微型機控制系統的重要組成部件之一。執行機構的選擇一方面要與控制算法匹配，另一方面要根據被控對象的實際情況確定。選擇輸入/輸出通道及外圍

13、設備。選擇時應考慮以下幾個問題：被控對象參數的數量；各輸入/輸出通道是串行操作還是并行操作：各通道數據的傳遞速率；各通道數據的字長及選擇位數；對顯示、打印有何要求：畫出整個系統原理圖。2.2.2直接數字控制當被控對象的數學模型能夠確定時，可采用直接數字控制。所謂數學模型就是系統動態特性的數學表達式，它表示系統輸入輸出及其內部狀態之間的關系。一般多用實驗的方法測出系統的特性曲線，然后再由此曲線確定出其數學模型。現在經常采用的方法是計算機仿真及計算機輔助設計，由計算機確定出系統的數學模型，因而加快了系統模型的建立。當系統模型建立后，即可選定上述某一種算法，設計數字控制器，并求出差分方程。計算機的主

14、要任務就是按此差分方程計算并輸出控制量，進而實現控制。2.3數字化PID控制由于被控對象是復雜的，因此并非所有的系統均可求出數學模型，有些即使可以求出來，但由于被控對象環境的影響，許多參數經常變化，因此很難進行直接數字控制。此時最好選用數字化PID（比例積分微分）控制。在PID控制算法中，以位置型和增量型2種PID為基礎，根據系統的要求，可對PID控制進行必要的改進。通過各種組合，可以得到更圓滿的控制系統，以滿足各種不同控制系統的要求。例如串級PID就是人們經常采用的控制方法之一。所謂串級控制就是第一級數字PID的輸出不直接用來控制執行機構，而是作為下一級數字PID的輸入值，并與第二級的給定值

15、進行比較，其偏差作為第二級數字PID的控制量。當然，也可以用多級PID嵌套。2.3單片機系統硬件設計盡管單片機集成度高，內部含有I/O控制線，ROM,RAM和定時/計數器。但在組成單片機系統時，擴展若干接口仍是設計者必不可少的任務。擴展接口有兩種方案，一種是購置現成的接口板，另一種是根據系統實際需要，選用適合的芯片進行設計控制系統。基本系統的構成：個獨立的單片機核心系統，一般由時鐘電路、地址鎖存器電路、地址譯碼器、存儲器擴展、模擬量輸入通道的擴展、模擬量輸出通道的擴展、開關量的I/O接口設計、鍵盤輸入和顯示電路等組成。2.3.1存儲器拓展由于單片機有四種不同的存儲器，且程序存儲器和數據存儲器是

16、分別編址的，所以單片機的存儲器容量與同樣位數的微型機相比獷大了一倍多。擴展時，首先要注意單片機的種類：另一方面要把程序存儲器和數據存儲器分開。2.3.2模擬量輸入通道的拓展主要有以下2個問題：一個是數據采集通道的結構形式，一般單片機控制系統都是多通道系統。因此選用何種結構形式采集數據，是進行模擬量輸入通道設計首先要考慮的問題。多數系統都采用共享A/D和S/H形式。但是當被測參數為幾個相關量時，則需選用多路S/H,共享A/D形式。對于那些參數比較多的分布式控制系統，可把模擬量先就地進行A/D轉換，然后再送到主機中處理。對于那些被測參數相同（或相似）的多路數據采集系統，為減少投資，可采用模擬量多路

17、轉換，共享儀用放大器、S/H和A/D的所謂地電平多路切換形式。另外一個問題是A/D轉發器的選擇，設計時一定要根據被控對象的實際要求選擇填A/D瑣轉換器，在滿足系統要求的前提下，盡量選用位數比較低的A/D轉換器。2.3.3模擬量輸出通道的拓展模擬量輸出通道是單片機控制系統與執行機構（或控制設備）連接的紐帶和橋梁。設計時要根據被控對象的通道數及執行機構的類型進行選擇。對于那些可直接接受數字量的執行機構，可由單片機直接輸出數字量，如步進電機或開關、繼電器系統等。對于那些需要接收模擬量的執行機構，則需要用D/A轉化，即把數字量變成模擬量后，再帶動執行機構。2.3.4開關量的I/O接口設計由于開關量只有

18、2種狀態"1”或“0”,所以，每個開關量只需一位二進制數表示即可。因為MCS51系列單片機設有一個專用的布爾處理機，因而對于開關量的處理尤為方便。為了提高系統的抗干擾能力，通常采用光電隔離器把單片機與外部設備隔開。2.3.5操作面板操作面板是人機對話的紐帶，它根據具體情況，可大可小。為了便于現場操作人員操作，單片機控制系統設計一個操作面板的要求：操作方便、安全可靠、并具有自保功能，即使是誤操作也不會給生產帶來惡果。2.3.6系統速度匹配在不影響系統總功率的前提下，時鐘頻率選得低一些較好，這樣可降低系統對其他元器件工作速度的要求，從而降低成本和提高系統的可靠性。但系統頻率選的比較高時，

19、要設法使其他元器件與主機匹配。2.3.7系統負載匹配系統中各個器件之間的負載匹配問題，主要表現在以下幾個方面。邏輯電路間的接口及負教：在進行系統設計時，有時需要采用TTL和CMOS混合電路，由于二者要求的電平不一樣，因此一定要注意電流及負載的匹配問題。MCS-51系列單片及負載：8031的外部擴展功能是很強的，但是8031的P0口和P2以及控制信號ALE的負載能力都是有限的，P0能驅動8個LSTTL電路，P2能驅動4個LSTTL電路。硬件設計時應仔細核對8031的負載，使其不超過總的負載能力的70%。2.4單片機系統的軟件設計單片機控制系統的軟件設計一般分2類，系統軟件和應用軟件設計。系統軟件

20、的主要任務是：管理整個控制系統的全過程，比如，POWERUP自診斷功能，KEYINPIT的管理功能，PRINTEROUTPUT報表功能，DISPLAY功能等等。是控制系統的核心程序，也稱之為MONITER監控管理程序其作用類似PC機的DOS系統。2.4.1保證可靠性可靠性設計為保證系統軟件的可靠性，通常設計一個自診斷程序，定時對系統進行診斷。在可靠性要求較高的場合，可以設計看門狗電路，也可以設計軟件陷阱，防止程序跑飛。2.4.2軟硬件折中問題軟件設計與硬件設計的統一性在單片機系統設計中，通常一個同樣的功能,通過硬件和軟件都可以實現，確定哪些由硬件完成，哪些由軟件完成，這就是軟件、硬件的折中問題

21、。一般來說，在系統可能的情況下，盡量采用軟件，因為這樣可以節省經費。若系統要求實時性比較強，則可采用硬件。2.4.3應用軟件的特點實時性：由于工業過程控制系統是實時控制系統，所以對應用軟件的執行速度都有一定的要求，即能夠在被控對象允許的時間間隔內對系統進行控制、計算和處理。換言之，要求整個應用軟件必須在一個采樣周期內處理完畢。所以一般都采用匯編語言編寫應用軟件。但是，對于那些計算工作量比較大的系統，也可以采用高級語言和匯編語言混合使用的辦法，即數據采集、判斷、及控制輸出程序用匯編語言，而對于那些較為復雜的計算可采用高級語言。為了提高系統的實時性，對于那些需要隨機間斷處理的任務，通常采用中斷系統

22、來完成。通用性：在應用程序設計中，為了節省內存和具有較強的適應能力，通常要求程序有一定的靈活性和通用性。為此，可以采用模塊結構，盡量將共用的程序編寫成子程序，如算術和邏輯運算程序、A/D、D/A轉換程序、延時程序、PID運算程序、數字濾波程序、標度變換程序、報警程序等。4.4軟件開發步驟軟件開發大體包括：劃分功能模塊及安排程序結構；畫出各程序模塊詳細流程圖；選擇合適的語言編寫程序；將各個模塊連接成一個完整的程序。2,5單片機控制系統的調試2.5.1硬件調試根據設計的原理電路做好實驗樣機，便進入硬件調試階段。調試工作的主要任務是排除樣機故障，其中包括設計錯誤和工藝性故障。脫機檢查：用萬能表或邏輯

23、測試筆逐步按照邏輯圖檢查機中各器件的電源及各用腳的連接是否正確，檢查數據總線、地址總線和控制總線是否有短路等故障。有時為保護芯片，先對各管座的電位（或電源）進行檢查，確定其無誤后再插入芯片檢查。仿真調試：暫時排除目標板的CPU和EPROM,將樣機接上仿真機的40芯仿真插頭進行調試，調試各部分接口電路是否滿足設計要求。這部分工作是一種經驗性很強的工作，一般來說，設計制作的樣機不可能一次性完好，總是需要調試的。通常的方法是，先編調試軟件，逐一檢查調試硬件電路系統設計的準確性。其次是調試MONITOR程序，只有MONITOER程序正常工作才可以進行下面的應用軟件調試。硬件電路調試的一般順序是：慕檢查

24、CPU的時鐘電路。通過測試ALE信號，如沒有ALE信號，則判斷是晶體或CPU故障，這稱之為“心臟”檢查。M檢查ABUS/DBUS的分時復用功能的地址鎖存是否正常。M檢查I/O地址分配器。一般是由部分譯碼或全譯碼電路構成，如是部分譯碼設計，則排除地址重置故障。其®對擴展的RAM、ROM進行檢查調試。一般先后寫入55H、AAH,再讀出比較，以此判斷是否正常。因為這樣RAM、ROM的各位均寫入過O、T'代碼。用戶級I/O設備調試。如面板、顯示、打印、報警等等。2.5.2軟件調試軟件調試根據開發的設備情況可以有以下方法：交叉匯編：用IBMPC/XT機對MCS51系列單片機程序進行交叉

25、匯編時，可借助IBMPC/XT機的行編輯和屏幕編輯功能，將源程序按規定的格式輸入到PC機，生成MCS51HEX目標代碼和LIST文件。用匯編語言：現在有些單片STD工業控制機或者開發系統，可直接使用匯編語言，借助CRT進行匯編語言調試。手工匯編：這種方法是最原始，但又是一種最簡捷的調試方法，且不必增加調試設備。這種方法的實質就是對照MCS-51指令編碼表，將源程序指令逐條地譯成機器碼，然后輸入到RAM重新進行調試。在進行手工匯編時，要特別注意轉移指令、調用指令、查表指令。必須準確無誤地計算出操作碼、轉移地址和相對偏移量，以免出錯。以上3種方法調試完成以后，即可通過EPROM寫入器，將目標代碼寫

26、入EPROM中，并將其插至機器的相應插座上，系統便可投入運行。本次設計是在Keil|jVision3環境下編程編譯，通過UEC5燒寫器，可以把程序寫到單片機里。5.3硬件、軟件仿真調試經過硬件、軟件單獨調試后，即可進入硬件、軟件聯合仿真調試階段，找出硬件、軟件之間不相匹配的地方，反復修改和調試。實驗室調試工作完成以后，即可組裝成機器，移至現場進行運行和進一步調試，并根據運行及調試中的問題反復進行修改。第三章PID控制器PID原理在工程實際中，應用最為廣泛的調節器控制規律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，乂稱PID調節。PID控制器問世至今已有近70年歷史，它以其結構簡單、穩定性好、工作可

27、靠、調整方便而成為工業控制的主要技術之一。當被控對象的結構和參數不能完全掌握，或得不到精確的數學模型時，控制理論的其它技術難以采用時，系統控制器的結構和參數必須依靠經驗和現場調試來確定，這時應用PID控制技術最為方便。即當我們不完全了解一個系統和被控對象，或不能通過有效的測量手段來獲得系統參數時，最適合用PID控制技術。PID控制，實際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據系統的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制的。（1）比例（P）控制比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關系。當僅有比例控制時系統輸出存在穩態誤差（Steady-stateerror

28、）o（2）積分（I）控制在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關系。對一個自動控制系統，如果在進入穩態后存在穩態誤差，則稱這個控制系統是有穩態誤差的或簡稱有差系（SystemwithSteady-stateError）o為了消除穩態誤差，在控制器中必須引入“積分項”。積分項對誤差取決于時間的積分,隨著時間的增加，積分項會增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩態誤差進一步減小，直到等于零。因此，比例積分（PI）控制器，可以使系統在進入穩態后無穩態誤差。（3）微分（D）控制在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成

29、正比關系。自動控制系統在克服誤差的調節過程中可能會出現振蕩甚至失穩。其原因是由于存在有較大慣性組件（環節）或有滯后（delay）組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應該是零。這就是說，在控制器中僅引入“比例”項往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項”，它能預測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負值，從而避免了被控量的嚴重超調。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例微分（PD）控制器能改善系統在調節過程中的動態特性

30、。1PID控制閉環控制算法要實現PID算法，必須在硬件上具有閉環控制，就是得有反饋。比如控制一個電機的轉速，就得有一個測量轉速的傳感器，并將結果反饋到控制路線上，下面也將以轉速控制為例。PID是比例（P）、積分（I）、微分（D）控制算法并不是必須同時具備這三種算法，也可以是PD,PI,以至只有P算法控制。我以前對于閉環控制的一個最樸素的想法就只有P控制，將當前結果反饋回來,再與目標相減，為正的話，就減速，為負的話就加速。現在知道這只是最簡單的閉環控制算法。例（P）、積分（I）、微分（D）控制算法各有作用比例，反應系統的基本（當前）偏差e（t）,系數大，可以加快調節，減小誤差，但過大的比例使系統

31、穩定性下降，甚至造成系統不穩定：積分，反應系統的累計偏差工。=地）十7）十十十十1）,使系統消除穩態誤差，提高無差度，因為有誤差，積分調節就進行，直至無誤差；微分，反映系統偏差信號的變化率e（t）-e（t-l）,具有預見性，能預見偏差變化的趨勢，產生超前的控制作用，在偏差還沒有形成之前，已被微分調節作用消除，因此可以改善系統的動態性能。但是微分對噪聲干擾有放大作用，加強微分對系統抗干擾不利。積分和微分都不能單獨起作用，必須與比例控制配合。3.1.4控制器的P,LD項選擇1、比例控制規律P：采用P控制規律能較快地克服擾動的影響，它的作用于輸出值較快，但不能很好穩定在一個理想的數值，不良的結果是雖

32、較能有效的克服擾動的影響，但有余差出現。它適用于控制通道滯后較小、負荷變化不大、控制要求不高、被控參數允許在一定范圍內有余差的場合。如：金彪公用工程部下設的水泵房冷、熱水池水位控制；油泵房中間油罐油位控制等。2、比例積分控制規律（PI）：在工程中比例積分控制規律是應用最廣泛的一種控制規律。積分能在比例的基礎上消除余差，它適用于控制通道滯后較小、負荷變化不大、被控參數不允許有余差的場合。如：在主線窯頭重油換向室中F1401到F1419號槍的重油流量控制系統：油泵房供油管流量控制系統；退火窯各區溫度調節系統等。3、比例微分控制規律（PD）；微分具有超前作用，對于具有容量滯后的控制通道，引入微分參與

33、控制，在微分項設置得當的情況下，對于提高系統的動態性能指標，有著顯著效果。因此，對于控制通道的時間常數或容量滯后較大的場合，為了提高系統的穩定性，減小動態偏差等可選用比例微分控制規律。如：加熱型溫度控制、成分控制。需要說明一點，對于那些純滯后較大的區域里，微分項是無能為力，而在測量信號有噪聲或周期性振動的系統，則也不宜采用微分控制。如：大窯玻璃液位的控制。4、例積分微分控制規律（PID）：PID控制規律是一種較理想的控制規律，它在比例的基礎上引入積分，可以消除余差，再加入微分作用，乂能提高系統的穩定性。它適用于控制通道時間常數或容量滯后較大、控制要求較高的場合。如溫度控制、成分控制等.鑒于D規

34、律的作用，我們還必須了解時間滯后的概念，時間滯后包括容量滯后與純滯后。其中容量滯后通常乂包括：測量滯后和傳送滯后。測量滯后是檢測元件在檢測時需要建立一種平衡，如熱電偶、熱電阻、壓力等響應較慢產生的一種滯后。而傳送滯后則是在傳感器、變送器、執行機構等設備產生的一種控制滯后。純滯后是相對與測量滯后的，在工業上，大多的純滯后是由于物料傳輸所致，如：大窯玻璃液位，在投料機動作到核子液位儀檢測需要很長的一段時間。總之，控制規律的選用要根據過程特性和工藝要求來選取，決不是說PID控制規律在任何情況下都具有較好的控制性能，不分場合都采用是不明智的。如果這樣做，只會給其它工作增加復雜性，并給參數整定帶來困難。

35、當采用PID控制器還達不到工藝要求，則需要考慮其它的控制方案。如串級控制、前饋控制、大滯后控制等。1.5公式比例(P)控制器u(t)=Kpe(t)式(3-2)比例+積分(PD控制器u(t)=Kpe(t)+e(T刈式(3-3)比例+積分+微分(PID)控制器u(t)=Kpe(t)+e(T)dT+Td竽式(3-4)式中Kp一一比例放大系數：T一一積分時間；Td一一微分時間標準的直接計算公式：Pout(t)=Kp*e(t)+5*£e(t)+Kd*e(t)-e(t-1)式(3-5)上一次的計算值：Pout(t-1)=Kp*e(t-1)+Kj*Se(t-1)+Kd*e(t-1)e(t2)式(3

36、-6)兩式相減得到增量法公式：Pdlt=Kp*e(t)-e(t-1)+&*e(t)+Kd*e(t)-2*e(t-1)+e(t-2)式(3-7)3.1.6PID算法流程圖3-1PID控制算法流程圖第四章基于單片機模糊PID控制算法實現模糊控制例子我們都知道，到目前為此，常規PID控制器【大|其控制結構簡單，容易設計且成本低而廣泛應用于工業生產中。根據一項在1989年對口本電器測量儀器制造協會進行過程控制系統狀態的調查發現，90%以上的控制環是PID控制類型1。PID控制公式簡單，容易被相關的不同被控對象所采用，但是如果控制系統是高階的或非線性的，它將不能產生良好的控制效果。而對于復雜或難

37、以精確描述的系統，模糊控制能夠產生簡單比校好的控制效果。如果采用模糊算法來優化PID參數，使控制器能夠根據實際情況調整比例系數Kp、積分系數Ki和微分系數Kd,以達到調節作用的實時最優，將會得到良好的控制效果。考慮以下三階閉環系統，其模擬電路如圖所示。它由一個積分環節和兩個慣性環節構成。其積分時間常數為Ti=R1XC1=1s,慣性時間常數分別為T1=R3XC2=O.ls,Kl=R3/R2=l和T2=R4xC3=0.5,開環增益K=12°該電路的開環傳遞函數為：1212G(S)=S(0.1S+l)(0.5S+1)0.05S3+0.6S2+S閉環傳遞函數為:中（S）=1212S(O.1S

38、+1)(0.554-1)-0.05S3+0.6S2+S+12可得閉環系統的特征方程為：1+G（S）=0,=0.05S3+O.6S2+S+12=0其根可解得：Sl=-12S2,3=±4.4721/由于系統具有虛軸上的共挽極點，可知系統為臨界穩定。給系統階躍信號,可得其響應曲線為：由勞斯陣列分析可知，當系統的開環增益K=12時，系統臨界穩定：當K>12時，系統不穩定；當K12時，系統穩定。因此，若能適當減小系統的開環增益K,就可以使系統穩定，通過比例（P）校正，使得K值變小即可達到改變系統性能目的。硬件實現：系統加入校正環節的電路圖如圖4-3所示。實測系統校正后的階躍響應曲線為:圖

39、4-4系統校正后的階躍響應曲線校正環節電路實現如下圖所示。k=0.2R1圖4-5校正環節電路圖軟件實現：根據硬件校正電路K二0.2,于是在提供的SAct實驗機軟件界面中輸入Kp=0.2,Ti=0,Td=0,T=0.050得到系統階躍響應曲線為：圖1-6數字PID控制曲線我們由此發現，根據理論值K=0.2,軟件實現比硬件實現差，軟件實現中，被控對象的控制量是誤差量經過控制器（單片機）的處理計算得出的，尊法為PID控制算法。如果加入模糊控制算法，對PID的三個參數進行實時優化，將會得到良好的控制效果。以下為加入模糊控制后得到的系統階躍響應曲線：圖4-7模糊PID控制的階躍響應由此可見模糊控制算法優

40、化PID三個參數，得到良好的控制效果。基本原理1965年美國加利福尼亞大學教授L.A.Zadeh發表的兩篇論文“FuzzySets”和“FuzzySetandFuzzySystems”開創了模糊數學的歷史，此后模糊數學這一新興學科逐漸受到人們的重視并發展了起來。模糊數學用于控制始于1973年，L.A.Zadeh將這一思想引入控制科學中，給出了用模糊語言進行系統描述的方法。模糊控制的思想就是利用計算機來實現人的控制經驗。利用模糊數學的方法，對一些用模糊語言描述的模糊規則，建立過程變量和控制方法之間的模糊關系，同時根據當時的實際情況，基于模糊規則，利用模糊推理的方法獲得當時的控制量。模糊控制的核心

41、是模糊控制器。它主要有以下四部分組成：（1）模糊化：這部分的作用是將輸入的精確量轉換成模糊化量。（2）知識庫：知識庫中包含了具體應用領域中的知識和要求的控制目標，即存放控制規則。（3）模糊推理：它具有模擬人的基于模糊概念的推理能力。（4）清晰化（去模糊化）：主要是將模糊推理得到的控制量（模糊量）變換為實際用于控制的精確量模糊控制器算法研究采用模糊PID自整定控制的目的是使控制器能夠根據實際情況調整比例系數Kp、積分系數Ki和微分系數Kd,以達到調節作用的實時最優。為了簡化運算和滿足實時性要求，即該調節系統的基本控制仍為PID控制,但使PID調節參數由模糊自整定控制器根據偏差e和偏差變化率ec進

42、行自動調整,同時把模糊自整定控制器的模糊部分按Kp、Ki和Kd分成3部分，分別由相應的子推理器來實現。iiDJ模糊自整定PID控制器是在fuzzy集的論域中進行討論和計算的，因而首先要將輸入變量變換到相應的論域，并將輸人數據轉換成合適的語言值，也就是要對輸入量進行模糊化。根據該規則可把實際誤差誤差變化率ec（de/dt）對應的語言變量E、EC表示成模糊量。3.2模糊控制規則表的建立Kp控制規則設計在PID控制器中，Kp值的選取決定于系統的響應速度。增大Kp能提高響應速度，減小穩態誤差：但是，Kp值過大會產生較大的超調，甚至使系統不穩定減小Kp可以減小超調，提高穩定性，但Kp過小會減慢響應速度，

43、延長調節時間。因此，調節初期應適當取較大的Kp值以提高響應速度，而在調節中期，Kp則取較小值，以使系統具有較小的超調并保證一定的響應速度：而在調節過程后期再將Kp值調到較大值來減小靜差，提高控制精度。Ki控制規則設計在系統控制中，積分控制主要是用來消除系統的穩態誤差。由于某些原因(如飽和非線性等)，積分過程有可能在調節過程的初期產生積分飽和，從而引起調節過程的較大超調。因此，在調節過程的初期，為防止積分飽和，其積分作用應當弱一些，甚至可以取零；而在調節中期，為了避免影響穩定性，其積分作用應該比較適中；最后在過程的后期，則應增強積分作用，以減小調節靜差。Kd控制規則設計微分環節的調整主要是針對大

44、慣性過程引入的，微分環節系數的作用在于改變系統的動態特性。系統的微分環節系數能反映信號變化的趨勢，并能在偏差信號變化太大之前，在系統中引入一個有效的早期修正信號，從而加快響應速度，減少調整時間，消除振蕩.最終改變系統的動態性能。因此，Kd值的選取對調節動態特性影響很大。Kd值過大，調節過程制動就會超前，致使調節時間過長；Kd值過小，調節過程制動就會落后，從而導致超調增加。根據實際過程經驗，在調節初期，應加大微分作用，這樣可得到較小甚至避免超調：而在中期，由于調節特性對Kd值的變化比較敏感，因此，Kd值應適當小一些并應保持固定不變；然后在調節后期，Kd值應減小，以減小被控過程的制動作用，進而補償

45、在調節過程初期由于Kd值較大所造成的調節過程的時間延長。4.4模糊控制算法的實現4.4.1實驗模糊表本設計中，模糊PID為2輸入3輸出的模糊控制器。該模糊PID控制器是以|e|和|ec|為輸入語言變量，Kp、Ki、Kd為輸出語言變量，其各語言變量的論域如下。系統誤差絕對值：e;0,3,6,10。誤差變化率絕對值：ec=0,2,4,6）o輸出Kp：Up=0,0.5,1.0,1.5o輸出Ki：Ui=0,0.002,0.004,0.006。輸出Kd:Ud=0,3,6,9。輸入語言變量|e|和|ec|的論域取值"大”（B）、“中"（M）、“小”（S）和“零”（Z）4種。輸出語言變量

46、Kp、Ki、Kd的論域取值為“很大”（VB）、“大”（B）、“中"（M）和“小”（S）4種。根據PID參數整定原則及其運行經驗，可列出輸出變量Kp、Ki、Kd的控制規則如表5T表5-3所示。表4-1參數Kp的整定規則1063061.00.51.01.041.51.01.51.521.51.01.51.001.51.01.00表4-2參數Ki的整定規則10630600.0020.0040.006400.0020.0060.0062000.0060.0060000.0060.006表4-3參數Kd的整定規則10630600004333323333099994.4.2輸入輸出的隸屬度函數本

47、設計中，輸入和輸出的隸屬度函數均為三角形，因為三角形隸屬度函數簡單，易于實現算法的編程。以下為各輸入輸出的隸屬度函數：圖4-8誤差e的隸屬度函數圖4-9誤差變化率ec的隸屬度函outputvariable圖4-10Kp的隸屬度函數圖4-11Ki的隸屈度函數圖4-12Kd的隸屬度函數4.4.3去模糊化系統的整個控制過程由單片機來實現，而單片機作為控制器，其處理計算的是數字量，也就是清晰量。所以在實現算法時，需要將模糊量轉化為清晰量。本次設計，模糊算法是基于一種數學概率分布統籌分配原則來實現的。下面根據一個例子我們闡述這種思想。對于表4-1的右下角四格數據，當e=0,且ec=O時，Kp=O.在這種

48、情況下，Kp=O就是最好的選擇：而當。=0,且ec=2時，Kp=1.0就是最好的選擇。但是實際的e和ec是經常變化的，對于e=0,當0<ec<2時，Kp怎么選擇？圖4-13ec在區間（0,2）的隸屬度函數由上圖知，ec趨向于0的概率是P(ec-O),滿足P(ec-0)/l=(2-ec)/2,由此可得P(ec-*0)=l-ec/2;同理ec趨向于2的概率是P(ec-*2)=ec/2：于是Kp的選擇就是：Kp=OXP(ec-*O)+l.OXP(ec-*2)=ec/2=Kpl式(4-1)同理對于e=3,當0<ec<2時，Kp的選擇為：Kp=1.0XP(ec-*0J+1.5XP

49、(ec-*2)=l-ec/4=Kp2式(4-2)然而，如果0ve<3時，Kp乂如何選擇呢？我們按照分析ec在區間(0,2)時的方法來解決。ec在區間(0,2),當e=0時，Kpl是最好的選擇，當e=3時，Kp2是最好的選則。圖4-14e在區間(0,3)的隸屬度函數e趨向于0的概率P(e-0)=l-e/3：趨向于3的概率P(e-3)=e/3。于是我們對Kp的選擇就是：Kp=KplXP(e-*0)+Kp2XP(e-*3)式(4-3)將式(4-1)和式(4-2)帶入式(4-3),得到Kp關于e和ec的表達式：Kp=(l-e/3)Xec/2+(l-ec/4)Xe/3式(4-4)以上分析顯示，當0

50、ve<3,0vec<2時，式(4-4)的Kp是系統“最佳選擇”,所謂“最佳選擇”，是因為Kp由4個參數(表4-1右下角四格數據)參與計算，共同抉擇，真正體現出了模糊理論的廣泛包容性。同樣的方法，在e和"不同的區間，我們可以計算出Kp,Ki和Kd的“最優值”，真正達到了優化PID參數的目的。圖4-7給出了模糊PID控制的階躍響應曲線，證明了該控制器具有良好的控制性能。4.4.4單片機上實現控制算法在自動控制實驗箱上搭接模擬被控對象，被控對象的輸出信號反饋回來，與輸入信號相減，得到誤差信號e。實驗箱系統控制為單片機C8051F330,該芯片自帶D/A及A/D轉換，e經實驗箱板

51、上B3虛擬示波的CH3通道輸入，經A/D轉換，采樣處理計算，得到數字量的控制量U,再經過D/A轉換，得到模擬量的控制量u,經B2的DAOUT輸出，控制被控對象。實際的輸入量只有誤差信號e一個，而單片機要處理的數據還有來自上位機（計算機）的Kp、Ti、Td和T四個參數，單片機作為控制器處理的都是數字量，采樣周期為T,采樣值賦給變量E,上一次采樣到的值賦給E0,所以，e的變化率ec可以用EC=（E-EO）/T來近似求出。知道了E和EC,根據模糊規則表,我們就可以依據4.3.3的數學概率分布統籌分配原則計算出Kp、Ki和Kd的“最優值”。4.4.5模糊規則表的選擇實際上，在給出了模糊規則表后，PID

52、三個參數就能通過模糊算法自整定，系統能夠得到良好的控制效果。對于數字PID控制，實驗箱提供了上位機界面，在上位機的數字PID控制界面上，輸入比例系數Kp,積分時間常數Ti,微分時間常數Td和采樣周期T,在界面的左側可以看到被控對象的PID控制曲線。現在我們在PID控制算法的基礎上加入模糊算法，則PID三個參數能夠依據算法而自整定，所以Kp、Ti、Td三個參數的輸入對于系統的控制曲線幾乎沒有變化，于是在編寫算法時，我們可以利用Td作為參數來選擇模糊表。例如，我們在單片機里增加另外一個模糊控制算法，當Td二1時，執行模糊控制算法1：當Td=2時，執行模糊控制算法2；當TdWl,2時，執行PID控制

53、。本來我們可以在實驗箱提供的界面上，增加模糊控制界面，但是生產廠家沒有給我們界面的源程序，所以我們可以通過這種方式來達到目的。以本章4.1例子的I型三階系統為被控對象，當Td=l時，選擇模糊算法1,控制曲線如下：效字PTB控X圖4-16模糊控制1曲線佗道】7拄,位-工比013二鈔,售T：t瓶研，"拓.向設WML釗聯針零2優T?e28I，公酎“p£n嚴5當Td=2時，選擇模糊算法2,控制曲線如下:圖4-17模糊控制2曲線當Td=0.1時，為PID控制，同時Td=0.1為微分時間常數，控制曲線如下:圖4-18PID控制曲線以上三個控制波形都是同一個被控對象在不同控制器控制下的階

54、躍響應曲線，第一個模糊表是實實在在的針對被控對象制定出的模糊表，第二個模糊表是在第一個模糊表的基礎上，模糊規則不改變，將數據全部改變，例如，將e的論域增大到15,兩個模糊規則表均依照4.4.3的思想編程算法。從圖4-16我們可以看出，模糊算法2的控制效果差了點，但是仍然比PID控制性能好。E的論域從10增大到15,控制效果還是挺好，這就進一步說明了4.4.3思想的優越性。由于單片機閃存僅為8K,所以模糊控制算法只能寫進兩個。編程時我們利用數字PID控制界面的輸入Td來作為選擇控制器的參數。部分程序如下：if(Td=l)fuzzyl();if(Td=2)fuzzy2();elsePID();Td

55、不等于1和2時，選擇數字PID控制，這時Td的初始值為數字PID控制的微分時間常數，而Td等于1或2時，選擇了模糊控制，這時Td對算法幾乎沒什么影響，因為模糊算法能自整定出PID三個參數，達到良好的控制效果。第五章總結比較PID控制和模糊控制控制策略發現，常規PID（比例，積分，微分）控制具有簡單、穩定性好、可靠性高的特點，而且PID調節規律對相當多的工業控制對象，特別是對于線性定常系統的控制是非常有效的，一般都能夠得到比較滿意的控制效果，其調節過程的品質取決于PID控制器各個參數的整定。但是，常規的PID控制存在一些問題。首先，常規PID控制器不能在線整定參數：并且，常規PID控制器對于非線

56、性、時變的系統和模型不清楚的系統就不能很好的控制，其PID參數不是整定困難就是根本無法整定，因此不能得到預期的控制效果。簡單模糊控制由于不具有積分環節，因而在模糊控制的系統中乂很難消除穩態誤差，而且在變量分級不夠多的情況下，常常在平衡點附近會有小的振蕩現象。但模糊控制器對復雜的和模型不清楚的系統都能進行簡單而有效的控制，所以如果把兩者結合起來，就可以構成兼有者兩者優點的模糊PID（FuzzyPID）控制器。所以，針對被控對象的特性選擇利用模糊控制器來給PID控制器在線自整定（或自校正，自調整）PID參數，組成模糊自整定（或門調整）參數PID控制器的控制策略。常規PID控制時通過調節PID三個參數，就可以得到系統比較理想的響應圖，控制效果的優良與參數的調整有很大的關系，也能提高快速性。但三個參數的調整非常繁瑣。而且，如果系統環境不斷變化，則參數乂必須進行重新調整，往往達不到最優。而采用模糊PID控制后，通過模糊控制器對PID進行非線性的參數整定，可使系統無論是快速性方面還是穩定性方面都達到比較好的效果。總之，本文研究的模糊PID控制器具有以下一些特點：（1）算法簡單實用，本質上不依賴于系統的數字模型；（2）可充分利用單片機的軟件資源，可靠性高，開發速度快；（3）克服了傳統PI