目 录
1 绪论 ............................................. 1
1.1 概述 ....................................... 1 1.2 PID控制的发展和趋势 ....................... 2 1.3 论文研究的内容和结构安排 ................... 4 2 PID控制 ........................................ 6
2.1 PID控制的特点和原理 ....................... 6 2.2 PID控制器 ................................. 7 2.3 PID控制的自整定 ........................... 9 3 系统的整体设计方案 .............................. 12
3.1 系统整体方案 .............................. 12 3.2 系统的性能要求 ............................ 12 3.3 主控模块 .................................. 13
3.3.1 单片机 .............................. 13 3.3.2 8051单片机 ......................... 16 3.3.3 单片机的引脚简介 .................... 20 3.3.4 8051单片机的工作原理 ............... 22
4 电路设计 ........................................ 23 4.1 电源电路设计 .............................. 23
4.2 按键电路设计 .............................. 24 4.3 显示电路的设计 ............................ 25 4.4 AD转换电路 ............................... 29 4.5 复位电路和晶振电路 ........................ 34 5 软件设计 ........................................ 36
5.1 Proteus软件简介 .......................... 36 5.2 Keil软件 ................................. 36 5.3 设计思路 .................................. 37
5.3.1 程序设计 ............................ 37 5.3.2 显示子程序 .......................... 38 5.3.3 按键子程序 .......................... 39 5.3.4 PID参数设置子程序 .................. 40 5.3.5 PID算法子程序 ...................... 40
6 结束语 .......................................... 46
参考文献 .......................................... 47 附录 .............................................. 48 英文原文 .......................................... 53 中文译文 .......................................... 59 致 谢 ............................................ 65
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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中国矿业大学徐海学院2012届本科生毕业设计（论文）
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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