毕业设计开题报告

毕业设计(论文)开题报告 题 目： 基于C8051单片机的模糊PID算法的研究 学生姓名： 学 号： 专 业： 电子信息工程 指导教师：

2013年3月29日 1

一、文献综述 本选题为基于C8051单片机的模糊PID算法的研究，其中PID即比例-积分-微分，是自动控制系统中一种闭环控制方法。PID控制是目前工程上应用最广的一种控制方法，在使用中只要设定pK、iT、DT这3个参数即可。在实际应用中，往往不一定三个环节都需要，但是比例控制环节是必不可少的。 PID控制原理的基本框图如图1所示：

其调节规律的数学表达式： ])()(1)([)(dttdeTdtteTiteKptuD （1） 式中u(t)----------------控制量； e(t)-----------------系统偏差； pK----------------比例增益； iT-------------------积分时间；

DT-----------------微分时间。

PID控制技术的一个特点就是：只需要对控制参数进行适度的调整，就可以得到令人满意的控制结果，这些参数主要为：PK、IT和DK，分别表示比例参数、积分参数和微分参数。通常，基于PID技术的控制系统主要包括：PID控制器和被控对象，可以把PID控制器看成是一种线性控制器。这样，就可以根据预先设定的目标期望值()rt和实际输出值()yt，得到整个系统的控制差值()et，在将此差值进行积分和微分的比例化处理，通过线性组合来构成控制量，最终实现对受控对象的有效控制。根据该思想，对控制器进行控制的方程可以表示为： ()()()etrtyt （2） 在现代科学技术中以至在现代社会的多个领域中，自动控制技术都得到空前的发展和广泛深入的应用。大至宇航，小至玩具，都有自动控制技术的应用。自动控制技术目前仍处于迅猛的发展过程中，它越来越深刻地影响着我们生活的方方面面。在科学研究、工程技术、产品的生产与制造等各个领域中，自动控制技术对改善劳动条件，提高产品质量和劳动生产率，实现企业管理自动化都取得了十分明显的效果。 而PID作为经典控制理论最辉煌的成就之一， 它具有很好的稳定性和较高的可靠性，控制规律原理简单且易于实现，对无时间延迟的单回路控制系统极为有效，以及PID算法的计算量较小且控制过程比较准确等优点，所以PID是迄今为止最通用的控制方法，而且它在工

R（S） + -

图1 PID控制结构框图

U（S） Y（S） + +

比例环节Kp

微分环节DT 积分环节iT 对象

+ 2

业过程控制中有着最广泛的应用。 虽然PID广泛应用于工业控制过程，但是PID控制也有其自身的一些不足之处。例如：在传统的PID控制系统中，只能利用固定的参数进行系统控制，而这种系统的缺陷就是：不能够兼顾系统动态性能和静态性能之间的矛盾，设定值和抑制扰动之间的矛盾；任何PID控制器都需要有与之相配套的数据模型，如果该数学模型不够准确和合理，就会降低控制器的性能等。 随着对PID的深入研究，以及不断改进PID算法来提高控制性能，使PID 控制已经应用到很多新的领域。如当前出现的智能 PID 控制，主要有基于专家系统的智能PID 控制器、基于神经网络的智能 PID 控制器、基于模糊控制的智能PID 控制器等。智能PID 控制器不需要知道系统精确的微分方程数学模型，能够实现对非线性、大时滞、不确定系统的有效控制，具有良好的可实现性和鲁棒性，能使系统向着高精度、高性能和智能化的方向发展，其应用前景很广泛。 同时，随着自动控制系统被控对象的复杂化，表现为控制系统具有多输入、多输出的强耦合特性、参数时变性和非线性特性，更突出的问题是从系统对象获得的信息量相对减少，相反对控制性能的要求却日益高度化，很多时候被控对象精确的数学模型很难或无法建立。 而人脑却不存在这样的问题，它可以在只已知部分、甚至不全对的信息情况下进行分析判断。为了使所建立的求解系统具有类似的功能，模糊技术是其中的最关键的因素。 与普通系统相比起来，模糊控制具有以下优点： （1）、不需要精确的被控对象的数学模型； （2）、使用自然语言方法，控制方法易于掌握； （3）、鲁棒性好，能够交大范围的适应参数变化； （4）、与常规PID控制相比，动态响应品质优良。 模糊控制器的原理框图如图2所示：

若将人们的手动控制经验用语言加以描述，构成一系列条件语句，即控制规则，再利用模糊理论、模糊语言变量和模糊逻辑推理，将模糊的控制规则上升为数值运算，让计算机运用程序来实现这些控制规则，这样就可利用计算机模拟人进行自动控制被控对象，这正是模糊控制的基本思想。 但是，由于具有误差、误差变化率，双输人的模糊控制器只相当常规PID控制器 ，另外，模糊控制器本身没有积分环节，消除系统稳态误差的性能比较差，尤其在变量分级不够多的情况下，还可能会在平衡点附近产生小幅振荡，因此常规模糊控制天生具有控制精度不高和适应能力有限的缺点。 所以通过深入分析模糊控制和P I D控制的各自优势及不足，在复杂控制系统和高精度系

输入 输出 数据库 规矩库 模糊化接口 推理机 解模糊接口 图2 模糊控制器原理图 3

统中，采用模糊PID 控制器等复合型控制器，能有效减小系统的超调量，提高系统的响应速度，缩短系统的调节时间，大大增强了控制系统的动态性能，可以达到理想的控制效果。 模糊PID的原理框图如图3所示：

基于单片机的模糊PID算法的研究意义： 传统的控制系统是主要由模拟器件构成的模拟系统， 但模拟系统存在着器件易于老化， 器件随温度变化造成参数漂移， 系统可靠性下降及系统升级困难等缺点，成为制约其发展的瓶颈。随着单片机等数字控制技术不断发展，特别是软件PID 算法控制器的使用，只需要改变软件，而不像模拟控制器那样需要更换硬件，这样就代替了许多硬件PID算法控制器。 虽然目前对模糊PID算法进行了深入的研究，但是随着自动控制技术向着智能化方向发展，控制系统越来越复杂，以及对控制系统的性能要求越来越高，常规的模糊PID算法明显存在着不足，在分析其控制特性之后，可以对模糊PID算法进行许多改进，并将改进的算法编制为相应的程序用于单片机控制系统中，用单片机进行实时系统数据处理和控制，可以进行各种复杂的计算、逻辑判断，而且修改参数方便，便于实现人的各种控制思想，保证系统工作在最佳状态，提高系统的控制精度，有利于提高系统的工作效率。因此，在工业控制系统和嵌入式系统中得到了更加广泛的应用。

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r y PID 模糊推理 d/dt 被控对象 -

+

图3 模糊PID 控制框图 4 二、课题解决的问题以及运用的手段 经典的PID算法是基于模拟系统的，适用于线性的、小惯性、小滞后的过程。当把PID控制应用在非线性、大时滞、参数不确定的系统时，很难获得满意的控制效果。随着计算机、单片机等数字系统的快速发展，模拟PID算法已经不适用于数字系统，而计算机的信息处理能力特别是逻辑判断能力，可以使数字PID在性能上有很大的改进，所以只需要改变软件，不像模拟控制器那样需要更换硬件，这样就代替了许多硬件PID算法控制器。但是数字PID算法也存在不足，例如：平衡点反复调节、积分饱和、微分噪声大等问题。所以可以对数字PID基本算法做许多的改进，来提高控制性能。 结合PID算法和模糊理论的优缺点，将模糊控制和 PID控制相结合组成模糊 PID控制器，不但具有 PID控制精度高等优点，又兼有模糊控制灵活、适应性强的优点，对复杂控制系统和要求高精度的控制系统可获得优良的控制效果，此外也可以对模糊PID算法进行改进，获得更好的的控制效果。 使用Matlab的 Simulink工具对PID控制器和模糊 PID控制器进行仿真，为了得到较好的仿真效果，采用 Simulink结合M文件的编程方法，编写相应的的程序来实现。对仿真运行阶段产生的数据进行分析，而且对仿真结果的分析采用统计学的分析方法，其目的是对仿真数据的可靠性、一致性、置信度等作出判定，并对不同PID算法的优劣性作出评价，为算法方案的最终决策提供辅助支持，最终将仿真结果以曲线、图表和文字等形式形成仿真报告或论文。