基于51單片機的PID智能控制器設(shè)計研究

田冰

摘 要 在科技不斷發(fā)展的今天，智能控制技術(shù)已經(jīng)成為工業(yè)控制技術(shù)的發(fā)展方向，現(xiàn)在工業(yè)上常用的PLC和調(diào)節(jié)器的基本控制算法是PID，但是它們不能通過簡單的更改程序而適用于各種應(yīng)用情況，所以一種基于51單片機的PID智能控制器就是一個簡單方便的開發(fā)平臺。

關(guān)鍵詞 智能控制技術(shù);PID;開發(fā)平臺

本次項目的主要目的是設(shè)計一個基于51單片機的PID智能控制器。這個控制器的主要功能是控制單容水箱的液位。當(dāng)水箱液位與設(shè)定值出現(xiàn)偏差時，本次設(shè)計的PID智能控制器能夠快速反應(yīng)，以此來控制單容水箱的液位。

1 項目設(shè)計

硬件設(shè)計方面，主要利用AT89c51單片機最小系統(tǒng)作為控制器，而信號的轉(zhuǎn)換則利用A/D、D/A芯片來實現(xiàn)。

軟件設(shè)計方面，對基于51單片機的PID智能控制器來說，它程序編寫的主要思路如下：

（1）信號采集和數(shù)據(jù)處理器選用AT89C51單片機[1]。

（2）根據(jù)I2C總線協(xié)議來定義兩個I/O口，控制A/D模塊，把下水箱的液位傳感器所反饋回來的電流量通過電阻轉(zhuǎn)換為電壓信號，再轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號并傳遞給51單片機[2]。

（3）51單片機對信號進行采集的同時根據(jù)用戶所設(shè)定的水位值進行PID算法計算，分析得到控制電壓值。

（4）通過D/A轉(zhuǎn)換模塊把所需要的電壓傳遞給調(diào)節(jié)閥，從而實現(xiàn)對水箱液位實時、快捷、準(zhǔn)確地控制。

2 PID控制算法

PID調(diào)節(jié)器把系統(tǒng)設(shè)備所給的值和我們在實際中所得到的系統(tǒng)真正輸出的值之間的偏差通過P、I與D之間的線性組合來組成系統(tǒng)所需要的控制量，進而控制被控對象。

PID調(diào)節(jié)器各環(huán)節(jié)對系統(tǒng)校驗的作用：

（1）比例環(huán)節(jié)P：能快速減小系統(tǒng)實際輸出值與我們所需要得到的輸出值之間的偏差。

（2）積分環(huán)節(jié)I：消除靜差。積分常數(shù)越大，積分作用越弱[3]。

（3）微分作用D：能在系統(tǒng)偏差值變大之前，盡早引入有效修正信號，減小調(diào)節(jié)時間。

基于51單片機的智能控制器采用的PID為增量型控制算法，所以在程序編寫時，主要采用了公式（1）：

編程時，我們可以定義比例系數(shù)Kp，積分系數(shù)Ki，微分系數(shù)Kd，PID輸出最大輸出值PID_MAX，誤差error=設(shè)置水位值Set-實際水位值Real，得出比例量P_term=Kp*error，積分量I_term=Ki *（error+error1）， 微分量D_term=Kd *（error-last error1），根據(jù)公式，可以得到PID輸出PID_out=P_term+I_term+D_term。在計算中如果所得值大于最高上限值或低于下限值那么就直接輸出。把PID函數(shù)計算所得到的值賦值給執(zhí)行器這樣就實現(xiàn)了水箱水位的控制。

3 系統(tǒng)調(diào)試與實驗結(jié)果分析

本次項目的調(diào)試過程是在A3000過程控制實驗裝置上進行的。此實驗裝置包括被控水箱、供電系統(tǒng)、液位傳感器、調(diào)節(jié)閥等裝置，將此實驗裝置與本次項目所設(shè)計的PID控制器相連。

在PID控制器與A3000實驗裝置的硬件接線上，首先將A3000實驗裝置中的液位傳感器與A/D模塊相接，然后A/D模塊與51單片機相連，51單片機又與D/A模塊相連，最后 D/A模塊與調(diào)節(jié)閥相連，由此構(gòu)成一個回路，用來控制水箱液位。

對于單容水箱液位的控制，當(dāng)設(shè)定值為180時，PID控制算法所得到的系統(tǒng)輸出變化值如下圖。分析PID控制系統(tǒng)的液位輸出圖可知，當(dāng)時間為150左右時，PID控制系統(tǒng)液位達到180并逐漸趨于平穩(wěn);

4 結(jié)束語

本次項目設(shè)計的PID控制器的基本原理為：

（1）通過A/D模塊將液位傳感器檢測到的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量傳遞給51單片機;

（2）用PID算法計算控制作用值;

（3）將控制作用值通過D/A模塊傳遞給調(diào)節(jié)閥，以此來控制水箱液位。

通過實驗分析，當(dāng)水箱液位與設(shè)定值出現(xiàn)偏差時，本次設(shè)計的PID控制器能夠快速反應(yīng)，以此來控制單容水箱的液位。

參考文獻

[1] 孫全芳.基于CAN總線的智能化溫度檢測系統(tǒng)的設(shè)計與研發(fā)[D].青島：中國海洋大學(xué)，2011.

[2] 夏曉晶.單片機實現(xiàn)的仿人智能PID控制器[D].大連：大連海事大學(xué)，2004.

[3] 馬林，周煒明.變頻器SB60G過程PID控制技術(shù)的應(yīng)用[J].精密制造與自動化，2013（4）：41-42.