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PID参数自整定方法研究与控制器研制

作　者: 孟祥泉
导　师: 宋彤
学　校: 大连理工大学
专　业: 检测技术与自动化装置
关键词: PID控制 相关系数 模糊自整定 AVR单片机 控制器
分类号: TP273
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 643次
引　用: 2次
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内容摘要


PID控制是目前过程工业应用最普遍的控制方法之一。但是简单PID控制不能很好地适应对象系统特性变化时的最佳控制要求,而人工调整参数在控制精度和调整频度上均不可能满足时时变化的对象系统的控制要求。目前已有的多种具有PID参数自整定功能的智能调节器大多整定复杂并对实际控制过程有影响。鉴于PID控制方法目前仍有广泛应用,对PID参数自整定方法的研究将具有很好的应用价值。本文针对应用现状,提出并实现了一种基于嵌入式系统的具有自整定功能的PID控制器的设计。本文首先对数字PID控制进行了简单介绍,对目前PID自整定方法的研究现状进行了分析,然后重点研究了基于相关系数辨识的PID自整定和模糊自整定的原理和设计方法,并进行了Matlab仿真。在理论研究基础上本文利用AVR单片机实现了基于相关系数法的PID自整定控制器的研制,并详细给出了硬件和软件设计。自整定过程主要分为模型辨识和PID参数寻优两个部分。论文描述了利用相关系数法建模的基本步骤,建立了对象系统的FOPDT(一阶惯性加纯滞后)模型,并选用H-J搜索法进行PID参数寻优。该控制器能够对多种传感器输入信号进行精确采样,可输出4～20mA电流或周期和占空比均可调的PWM脉冲两种控制信号,以适应不同的应用场合。同时本控制器扩展了数字量输入输出接口,能够满足不同的控制需求。软件采用模块化设计方法,加强了程序的可扩展性。论文最后将该控制器应用到温度控制系统中,通过上位机监控界面显示并在线修改控制器参数值。实际应用表明该控制系统具有较快的系统响应和较好的准确性和稳定性,控制效果良好。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-9
1 绪论  9-12
  1.1 选题背景和意义  9
  1.2 PID参数自整定方法的研究现状  9-10
  1.3 PID控制器的嵌入式开发  10-11
  1.4 本论文的主要工作  11-12
2 参数自整定PID控制器算法研究及仿真  12-29
  2.1 数字PID控制方法研究  12-15
    2.1.1 PID控制简介  12-14
    2.1.2 数字PID控制算法的改进  14-15
  2.2 基于相关系数辨识的PID自整定方法研究  15-20
    2.2.1 模型辨识  15-17
    2.2.2 PID参数整定  17-18
    2.2.3 仿真研究  18-20
  2.3 模糊PID参数自整定研究  20-28
    2.3.1 模糊PID控制器设计方法  20-24
    2.3.2 Matlab仿真  24-28
  2.4 本章小结  28-29
3 控制器硬件设计  29-47
  3.1 总体电路设计方案  29-30
  3.2 CPU及周边电路设计  30-32
  3.3 模拟量测量电路  32-37
    3.3.1 模拟输入信号采集与转换电路  32-33
    3.3.2 差动放大电路  33-35
    3.3.3 A/D转换电路  35-37
  3.4 数字量输入输出电路  37-39
    3.4.1 数字量输入电路设计  37-38
    3.4.2 数字量输出电路设计  38-39
  3.5 4～20mA电流输出电路  39-40
  3.6 RS485串口通信电路设计  40-41
  3.7 开关电源电路设计  41-46
    3.7.1 推挽电路设计  43-45
    3.7.2 整流、稳压电路设计  45-46
  3.8 本章小结  46-47
4 软件设计  47-60
  4.1 程序总体结构设计  47-49
  4.2 底层驱动程序设计  49-54
    4.2.1 A/D采集程序  49-51
    4.2.2 D/A转换程序  51-52
    4.2.3 Modbus串口通信程序  52-54
  4.3 基于相关系数法的PID参数自整定程序设计  54-58
    4.3.1 模型辨识程序  55-57
    4.3.2 H-J搜索法程序  57-58
  4.4 PID控制程序设计  58-59
  4.5 本章小结  59-60
5 实验验证  60-63
  5.1 上位机监控界面设计  60-61
  5.2 温控实验  61-62
  5.3 本章小结  62-63
结论  63-64
参考文献  64-66
附录A PID自整定控制器实物图  66-67
攻读硕士学位期间发表学术论文情况  67-68
致谢  68-70

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化系统 > 自动控制、自动控制系统
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