基于AVR单片机的自整定PID控制器的设计

论文摘要

PID控制器是过程控制中所用的主要控制器。由于其算法简单,鲁棒性好和可靠性高等特点,PID控制器被广泛应用于工业过程控制。但是PID参数的整定一般需要经验丰富的工程技术人员来完成,既耗时又费力。加之实际系统有滞后和非线性等因素,增加了PID参数整定的难度。如何在线自整定PID参数,以符合过程控制的要求,是目前控制器设计中的一个重要课题。它不仅能减少操作人员的负担,还可以得到最佳运行。继电自整定是目前已提出的PID参数自整定方法之一。它的基本原理是利用继电反馈引起的极限周期振荡来确定系统的临界增益和临界周期,然后采用Ziegle-Nichols、极点配置等方法来整定PID参数。针对这些问题,本文设计了一种基于AVR单片机的PID控制器。该控制器采用继电自整定PID控制算法,用ATmega128作为核心芯片,实现对FESTO水位的控制,并采用8位LED数码管对控制对象的水位值和用户设定值进行实时显示。首先,文中对PID控制器的国内外背景,研究现状和发展趋势做了简单的介绍。然后,在第二章重点介绍了PID控制器的基本原理,改进的数字PID控制器,以及PID自整定技术,并对继电型PID自整定技术和策略做了详细地介绍。在第三章,介绍了本文设计的自整定PID控制器的硬件设计,采用模块化设计,分别对各个模块进行了详细地介绍。第四章里介绍了控制器的软件设计,对控制器设计的软件平台,流程设计做了介绍,并对继电型PID算法做了Matlab仿真。第五章,对设计的自整定PID控制器对控制对象的控制效果做了介绍,并进行了分析。第六章里,对自整定PID控制的发展前景做了展望。试验结果表明,本文设计的继电型在线自整定PID控制器可以在线自整定PID控制器的参数值,把自整定的PID参数值赋给PID控制器。用此控制器对实验对象进行控制,能得到很好的控制效果,速度快,控制平稳,超调量小。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题研究的国内外背景及意义
• 1.2 课题研究的内容
• 1.3 发展前景
• 1.4 论文结构安排
• 2 PID算法
• 2.1 PID控制原理
• 2.2 数字PID控制算法
• 2.2.1 位置式PID控制算法
• 2.2.2 增量式PID控制算法
• 2.3 PID控制器的自整定的原理和方法
• 2.4 继电自整定PID控制
• 2.4.1 继电反馈的基本原理
• 2.4.2 继电反馈的函数描述法
• 2.4.3 继电反馈的傅立叶法
• 2.4.4 继电反馈特性的选择
• 2.5 本章小结
• 3 硬件设计
• 3.1 系统结构
• 3.2 硬件设计
• 3.2.1 单片机的选择
• 3.2.2 键盘输入电路
• 3.2.3 LED显示电路
• 3.2.4 AD和DA转换电路
• 3.2.5 电源转换电路
• 3.3 本章小结
• 4 软件设计
• 4.1 软件平台
• 4.1.1 编程环境ICCAVR6.31
• 4.1.2 调试和下载工具AVR Studio
• 4.1.3 实验对象FESTO
• 4.2 MATLAB仿真
• 4.2.1 采用Simulink仿真模块进行仿真
• 4.2.2 用MATLAB程序仿真
• 4.3 软件设计
• 4.3.1 程序流程图
• 4.3.2 继电PID自整定软件设计方法
• 4.4 程序调试
• 4.5 本章小结
• 5 结果与分析
• 5.1 实验结果与分析
• 5.1.1 普通PID控制
• 5.1.2 继电自整定PID控制
• 5.2 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 在校研究成果
• 致谢
• 附录1