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基于单片机的PID控制器设计
摘要
PID控制是一种应用非常广泛的控制技术,在工业生产和科学发展中起着关键作用。
简单、鲁棒性好和可靠性高,被广泛应用于工业过程控制，尤其适用于可建立数学模型的确定性系统。
然而，在工业生产过程中往往具有非线性，时变不确定性，难以建立精确的数学模型，应用传统PID控制，往往不能达到理想的控制效果。
本设计是在传统PID的基础上，加入智能控制的方法，设计了智能PID控制器。
该控制器是在传统PID控制的基础上，依靠准确识别误差的特征而做出相应的决策来调整PID的三个参数。
系统在硬件在线仿真调试环境下,将数据直观的在虚拟示波器上显示出来，以控制直流电机转速为例，简单分析证明了智能PID控制算法较传统的PID算法的优越性。
本文依靠灵活的控制方式，使得系统本来处于矛盾地位的快速性、准确性、和稳定性在这种控制算法下兼得。
系统具有较好的控制效果和兼容性，可自适应环境变量。
关键词：
单片机，PID控制，PID，直流电机
DesignofPID
controllerbasedonMCU
Abstract
PIDcontrolisaverywideapplicationofcontroltechnology,playsakeyroleinindustrialproductionandscientificdevelopment..Simple,robustandhighreliabilityarewidelyusedinindustrialprocesscontrol,especiallyfortheestablishmentofamathematicalmodelofthedeterministicsystem.However,intheprocessofindustrialproduction,itisoftennonlinearandtime-varying,itisdifficulttoestablishaccuratemathematicalmodel,anditcannotachievetheidealcontroleffectbyapplyingthetraditionalPIDcontrol.
ThisdesignisbasedonthetraditionalPID,addingintelligentcontrolmethod,designedtheintelligentPIDcontroller.ThecontrollerisbasedonthetraditionalPIDcontrol,andthethreeparametersofthePIDareadjustedbythecharacteristicsoftheaccurateidentificationerror..Systemintheon-linesimulationofhardwaredebuggingenvironment,thedatadirectlyinthevirtualoscilloscopedisplay,inordertocontrolthespeedofDCmotor,forexample,simpleanalysisprovedintelligentPIDcontrolalgorithmisbetterthanthetraditionalPIDalgorithmissuperior.
Thisarticlereliesontheflexiblecontrolmode,whichmakesthesystemhaveinthecontradictorypositionofrapidity,accuracy,stability,andinthiscontrolalgorithmhaveyourcakeandeatit.Thesystemhasgoodcontroleffectandcompatibility,adaptiveenvironmentvariables.
Keyword：
MCU,PIDcontrol,PID,DCmotor
第1章绪论
1.1课题的提出及研究意义
PID控制是最早发展起来的控制策略之一，由于其简单、鲁棒性好和可靠性高,被广泛应用于工业过程控制，尤其适用于可建立数学模型的确定性系统。
而实际工业生产过程往往具有非线性性、时变不确定性，难以建立精确的数学模型，应用常规PID控制器不能达到理想的控制效果。
为了弥补常规PID的不足之处、改善控制效果，本文探讨并研制了一种基于MC9S12XS128单片机的智能算法基础上的PID控制器，通过单片机来实现智能PID控制算法。
并借助于直流电机调速过程控制系统进行试验。
1.2PID控制技术的发展及趋势
自从上世纪30年代以来，自动化技术获得惊人的成就，现在在工业生产和科学发展中起着关键作用。
当前，自动化装置已成为大型设备不可分割的一部分。
可以说，如果不配备适当的自动化设备，大型生产过程根本无法进行。
事实上，自动化水平高低已经成为衡量工业企业现代化的一个重要标志。
传统的过程控制中对液位高度等参数控制都采用PID控制，可以说获得了很好的效果。
在生产过程中，PID控制已经成为历史最悠久、生命力最强的基本方式。
此后，随着计算机和PLC的发展，计算机和PLC与模糊PID控制技术完美的结合，可以通过计算机控制PLC产生PID参数，控制被控对象以及反馈数据给计算机进行处理。
模糊控制是近十几年来迅速发展的一项技术,与神经网络及专家控制并称为智能控制，但由于其简单实用目前已成功应用于各种控制系统中。
模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的一种计算机数学控制方法属于非线性控制方法。
由于引入专家的逻辑思维方式使得模糊控制器具有一定的自适应控制能力因而特别适用于难于用精确数学模型描述的系统并且有很强的鲁棒性和稳定性。
模糊控制是一种基于规则的控制。
它直接采用语言型控制规则，出发点是现场操作人员的控制经验或相关专家的知识，在设计中不需要建立被控对象的精确数学模型，因而使得控制机理和策略易于接受与理解，设计简单，便于应用。
由工业过程的定性认识出发，比较容易建立语言控制规则，因而模糊控制对那些数学模型难以获取、动态特性不易掌握或变化非常显著的对象非常适用。
基于模型的控制算法及系统设计方法，由于出发点和性能指标的不同，容易导致较大差异；
但一个系统的语言控制规则却具有相对的独立性，利用这些控制规律间的模糊连接，容易找到折中的选择，使控制效果优于常规控制器。
模糊控制算法是基于启发性的知识及语言决策规则设计的，这有利于模拟人工控制的过程和方法，增强控制系统的适应能力，使之具有一定的智能水平。
模糊控制系统的鲁棒性强，干扰和参数变化对控制效果的影响被大大减弱，尤其适合于非线性、时变及纯滞后系统的控制。
随着工业的发展，对象的复杂程度不断加深，尤其对于大滞后、时变的、非线性的复杂系统：
其中有的参数未知或缓慢变化；
有的带有延时或随机干扰；
有的无法获得较精确的数学模型或模型非常粗糙。
加之，人们对控制品质的要求日益提高，常规的PID控制的缺陷逐渐暴露出来。
对于时变对象和非线性系统，传统的PID控制更是显得无能为力。
因此常规PID控制的应用受到很大限制和挑战。
人们在对PID应用的同时，也对具进行了各种改进。
主要体现在以下两个方面：
一是对常规PID本身结构进行改进，即变结构PID控制。
另一方面，专家控制、模糊控制和神经网络控制是目前智能控制中最为活跃的领域，它与常规的PID控制相结合，扬长避短，发挥各自的优势，形成所谓的智能PID控制。
这种新型控制器己经引起人们的普遍的关注和极大的兴趣，并己得到较为广泛的应用。
它具有不依赖精确数学模型的特点，对系统参数变化具有较好的鲁棒性。
智能控制（Intelligentcontrol）是一门新兴的理论和技术，它是传统控制发展显地提高了系的高级阶段，主要用来解决那些用传统方法难以解决的复杂系统的控制，其中包括智能机器人系统，复杂工业过程控制系统，交通运输系统，航天航空系统等。
近年来,智能控制与常规PID控制相结合,形成所谓智能PID控制。
它简化了建模程序，算法简单，明统的控制品质，引起了国内外学者的广泛关注，已经成为当前控制领域研究热点之一。
1.3课题研究的内容
本文主要是用单片机来实现智能PID控制系统，采用MC9S12XS128单片机为主控制芯片的设计方法。
本文具体研究内容包括以下几个方面：
第一章提出研究课题
第二章阐述PID的原理及其应用
第三章以控制直流电机转速为例，构造本系统的PID控制的硬件设计
第四章用MC9S12XS128单片机为基础，设计系统所有程序
第五章系统调试与仿真并得出结论
第2章PID原理及应用
2.1模拟PID调节器
一、模拟PID控制系统组成
图2-1模拟PID控制系统原理框图
二、模拟PID调节器的微分方程和传输函数
PID调节器是一种线性调节器，它将给定值r（t）与实际输出值c（t）的偏差的比例（P）、积分（I）、微分（D）通过线性组合构成控制量，对控制对象进行控制。
1、PID调节器的微分方程
式中
2、PID调节器的传输函数
三、PID调节器各校正环节的作用
1、比例环节：
即时成比例地反应控制系统的偏差信号e（t），偏差一旦产生，调节器立即产生控制作用以减小偏差。
2、积分环节：
主要用于消除静差，提高系统的无差度。
积分作用的强弱取决于积分时间常数TI，TI越大，积分作用越弱，反之则越强。
3、微分环节：
能反应偏差信号的变化趋势（变化速率），并能在偏差信号的值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。
2.2数字PID控制器
2.2.1模拟PID控制规律的离散化
表2-2模拟PID控制规律的离散化
模拟形式
离散化形式
2.2.2数字PID控制器的差分方程
式中
称为比例项
称为积分项
称为微分项
2.2.3常用的控制方式
1、P控制
2、PI控制
3、PD控制
4、PID控制
2.2.4PID算法的两种类型
1、位置型控制
式中,T采样周期,必须使T足够小,才能保证系统有一定的精度;
e（n）----第n次采样的偏差值
e（n-1）----第（n-1）次采样的偏差值;
n----采样序号,n=O,1,.2……
u（n）----第n次采样的输出
u0----基准值
2、增量型控制
位置式PID算法的缺点是：
由于全量输出，所以每次的输出均与过去的状态有关，计算时要对误差进行累加。
计算运行工作量大，而且如果计算机出现故障，会引起执行机构位置的大幅度变化，这种情况往往是生产实践不允许的。
在某些场合会造成很严重的生产事故，因此就利用增量式PID控制算法，所谓增量式PID控制是数字控制器的输出只是控制量的增量。
增量式PID算法的优点：
动由于微机输出增量，所以误动作影响小，必要时可用逻辑判的方法去掉。
②在位置式控制算法中，由手动到自动切换时，必须首先使微机的输出值等于阀门的原始开度，即u（n-1），才能保证手动/自动无扰动切换，这将给程序设计带来困难。
而增量式设计只与本次误差值有关，与阀门原来的位置无关，因此增量式容易实现手动/自动无扰动切换。
③不产生积分失控，所以容易获得较好的调节效果。
但是这种算法也有不足之处：
①积分截断效应大，有静态误差；
②溢出的影响大。
所以，应该根据被控对象的实际情况加以选择。
一般认为，在对控制精度要求较高的系统中，应当采用位置式控制算法，而在以步进电动机或多圈电位器作执行器的系统中，则应当采用增量式控制算法。
2.3数字PID控制的参数选择
2.3.1数字PID参数的原则要求和整定方法
1、原则要求：
被控过程是稳定的，能迅速和准确地跟踪给定值的变化，超调量小，在不同干扰下系统输出应能保持在给定值，操作变量不宜过大，在系统与环境参数发生变化时控制应保持稳定。
一般是满足主要方面，并兼顾其它方面。
2、PID参数整定方法：
理论计算法――依赖被控对象准确的数学模型（一般较难做到）
工程整定法――不依赖被控对象准确的数学模型，直接在控制系统中进行现场整定（简单易行）
2.3.2常用的简易工程整定法
1、扩充临界比例度法――适用于有自平衡特性的被控对象整定数字调节器参数的步骤是：
（1）选择采样周期为被控对象纯滞后时间的十分之一以下。
（2）去掉积分作用和微分作用，逐渐增大比例度系数
直至系统对阶跃输入的响应达到临界振荡状态（稳定边缘），记下此时的临界比例系数
及系统的临界振荡周期
。
2、扩充响应曲线法――适用于多容量自平衡系统
参数整定步骤如下：
（1）让系统处于手动操作状态，将被调量调节到给定值附近，并使之稳定下来，然后突然改变给定值，给对象一个阶跃输入信号。
（2）用记录仪表记录被调量在阶跃输入下的整个变化过程曲线。
3、归一参数整定法
令
，
则增量型PID控制的公式简化为
改变Kp，观察控制效果，直到满意为止。
2.4智能PID控制算法
2.4.1智能PID控制算法的设计
传统的控制方式是以不变的统一模式来处理变化多端的动态过程，而实际工业控制系统中的不确定性是不可避免的。
因此在控制算法中，只有充分考虑了客观不确定性因素的影响，才能使算法实际有效。
智能PID控制，将传统的PID控制算法和智能控制算法结合在一起，仍采用比例、积分和微分控制功能来实现，依据动态过程中的误差特征信息智能调整PID系数的控制方案。
智能控制以模糊控制和自动控制理论为基础，总结人的控制经验，以产生式规则描述其启发、觉推理及控制行为。
它具有分层的信息处理和决策机构、在线的特征辨识和特征记忆、开发式和直接逻辑推理等特征。
智能控制认为，系统误差e（t）、误差变化率e′（t）构成求解的信息空间。
基于单片机MC9S12XS128的智能控制算法，与传统PID控制算法相结合，根据误差e（t）和e′（t）来准确反映误差变化趋势，将控制模态进行了一定的细分。
2.4.2模糊PID控制算法
模糊PID控制是根据PID控制器的三个参数与偏差e（t）和偏差的变化率e′（t）之间的模糊关系，在运行时不断检测e（t）及e′（t），通过事先确定的关系，利用模糊推理的方法，在线修改PID控制器的三个参数，让PID参数可自整定。
就我个人的理解而言，它最终还是一个PID控制器，但是因为参数可自动调整的缘故，所以能解决实际中的很多非线性问题。
根据误差类型去修改PID参数，使得控制更加智能。
总的说来，多模态识别控制正是依靠这种灵活而巧妙的识别，决策，再识别，再决策的控制方式，使得那些本来处于矛盾状态的控制品质（快速性、稳定性、准确性）在该系统下能够兼得。
第3章硬件设计
3.1系统的总体框图
设计一个PID闭环自动控制系统。
本设计是应用MC9S12XS128芯片进行设计制作的控制系统，通过编码器的反馈达到对电机转速快速控制的效果。
在实验程序中通过对不同的拨码开关来设置各速度，在按键按下之后使系统变换各种速度，并进行在线仿真调试。
最后，结合PCB板的实际接线情况进行编程。
使实验顺利完成。
根据电机控制的要求，可将本系统分为三个模块，第一模块是PID控制模块，主要负责电机速度的控制，从而使电机速度快速稳定，第二个模块是编码器测速模块，反馈电机速度，用于闭环调节；
第三是电源模块，给各模块提供电源，让各模块工作。
其系统功能设计结构如图：
图3-1总体功能结构框图
根据系统的原理框图，分别分析各部分电路的元器件的功能以及选择合适的元件。
具体设计思路如下：
收集并整理资料，硬件设计，软件设计，CodeWarrior仿真，做出实物，设计体会与总结。
3.2单片机系统
单片机（Microcontrollers）是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计数器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域广泛应用。
从上世纪80年代，由当时的4位、8位单片机，发展到现在的300M的高速单片机。
单片机又称单片微控制器，它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。
相当于一个微型的计算机，和计算机相比，单片机只缺少了I/O设备。
概括的讲：
一块芯片就成了一台计算机。
它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。
同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。
单片机现在的使用领域已十分广泛，如智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系统、家用电器等。
各种产品一旦用上了单片机，就能起到使产品升级换代的功效，常在产品名称前冠以形容词——“智能型”，如智能型洗衣机等。
近些年来，单片机以很强的面向控制能力等优点，在工业自动化控制、智能化仪表、家用电器、机器人通讯、航空航天技术、数据处理、交通运输等方向获得了广泛的应用。
3.2.1S12XS系列引脚图
图3-2S12XS系列管脚图
MC9S12XS128是16位单片机，由16位中央处理单元（CPU12X）、128KB程序Flash（P_lash）、8KBRAM、8KB数据Flash（D_lash）组成内存储器。
主要功能模块包括：
内部存储器：
内部PLL锁相环模块
2个异步串口通讯SCI
1个串行外设接口SPI
MSCAN模块
1个8通道输入/输出比较定时器模块TIM
周期中断定时器模块PIT
16通道A/D转换模块ADC
1个8通道脉冲宽度调制模块PWM
输入输出数字I/O口说明：
PORTA、PORTB、PORTK为通用I/O口
PORTE中的IRO和XIRQ引脚可作为外部中断输入
PORTT集成了TIM模块功能
PORTS集成了SCI和SPI模块功能
PORTM集成了CAN总线模块
PORTP集成了PWM模块功能
PORTH、PORTJ可作为外部中断输入口
PORTAD集成了ATD模块功能
3.2.2时钟电路
图3-3时钟电路（晶振）
XTAL是片内振荡器的反相放大器输入端，EXTAL则是输出端，使用外部振荡器时，外部振荡信号应直接加到XTAL，而EXTAL悬空。
内部方式时，时钟发生器对振荡脉冲二分频，如晶振为16MHz，时钟频率就为8MHz。
晶振的频率可以在1MHz-24MHz内选择。
电容取30PF左右。
系统的时钟电路设计是采用的内部方式，即利用芯片内部的振荡电路。
电容应尽可能的选择陶瓷电容，电容值约为22μF。
在焊接刷电路板时，晶体振荡器和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近，以减少寄生电容，更好地保证震荡器稳定和可靠地工作。
3.2.3复位电路
复位电路通常采用内部信号复位和按钮复位两种方式，此电路系统采用的是按钮上电复位电路。
本系统采用的复位电路如下图所示：
图3-4复位电路图
3.3驱动电路和电源
驱动电路模块
驱动电路（DriveCircuit），位于主电路和控制电路之间，用来对控制电路的信号进行放大的中间电路（即放大控制电路的信号使其能够驱动功率晶体管），称为驱动电路。
本系统采用BTN7971驱动芯片组成全H桥驱动模块，具有过热、过流保护功能。
系统采用双H桥驱动电路，能够实现电机的正反转，使系统具有更好的减速效果。
图3-5驱动电路
电源模块
稳压电源（stabilizedvoltagesupply）是能为负载提供稳定交流电源或直流电源的电子装置。
包括交流稳压电源和直流稳压电源两大类。
本系统采用LM2940将7.2V电压降压稳定到5V，为系统各个部分提供稳定的电压。
图3-6稳压电源模块
3.4测速模块
光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。
一般的光电编码器主要由光栅盘和光电探测装置组成。
在本系统中，由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，编码器与电动机同速旋转．经编码器检测输出若干脉冲信号。
通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。
此外，为判断旋转方向，码盘还提供相位相差90°
的2个通道的光码输出，根据双通道光码的状态变化以确定电机的转向。
本系统采用的是欧姆龙E6A2-CS3C200线光电编码器。
图3-7光电编码器
编码器输出端接10K的上拉电阻，将输出的信号变化为单片机能够识别的高低电平。
编码器硬件连接原理图电路如下：
图3-8编码器硬件连接原理图
光耦隔离电路的必要性：
驱动电路副边与主电路有耦合关系，而驱动原边是与控制电路连在一起，主电路是一次电路，控制电路是ELV电路，一次电路和ELV电路之间要做加强绝缘，实现绝缘要求一般就采取变压器光耦等隔离措施。
光耦隔离电路（原理图）：
图3-9光耦隔离电路原理图
3.5拨码开关
拨码开关每一个键对应的背面上下各有两个引脚，拨至ON一侧，这下面两个引脚接通；
反之则断开。
这八个键是独立的，相互没有关联。
此类元件多用于二进制编码。
图3-10八路拨码开关
第4章软件设计
本设计采用C语言来编写程序，编程及调试简单,C语言是在国内外广泛使用的一种计算机语言，也是一种结构化语言。
它层次清晰，便于按模块化方式组织程序，易于调试和维护。
C语言的表现能力和处理能力极强。
它不仅具有丰富的运算符和数据类型，便于实现各类复杂的数据结构。
由于C语言实现了对硬件的编程操作，因此C语言集高级语言和低级语言的功能于一体。
既可用于系统软件的开发，也适合于应用软件的开发。
此外，C语言还具有效率高
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