基于單片機的模糊溫度控制器的設(shè)計

1、基于單片機的模糊溫度控制器的設(shè)計1 引言 本文研究的被控對象為某生產(chǎn)過程中用到的恒溫箱,按工藝要求需保持箱溫100恒定不變。我們知道溫度控制對象大多具有非線性、時變性、大滯后等特性, 采用常規(guī)的PID 控制很難做到參數(shù)間的優(yōu)化組合, 以至使控制響應(yīng)不能得到良好的動態(tài)效果。而模糊控制通過把專家的經(jīng)驗或手動操作人員長期積累的經(jīng)驗總結(jié)成的若干條規(guī)則,采用簡便、快捷、靈活的手段來完成那些用經(jīng)典和現(xiàn)代控制理論難以完成的自動化和智能化的目標(biāo), 但它也有一些需要進一步改進和提高的地方。模糊控制器本身消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的性能比較差, 難以達(dá)到較高的控制精度, 尤其是在離散有限論域設(shè)計時更為明顯, 并且對于那些時

2、變的、非線性的復(fù)雜系統(tǒng)采用模糊控制時, 為了獲得良好的控制效果, 必須要求模糊控制器具有較完善的控制規(guī)則。這些控制規(guī)則是人們對受控過程認(rèn)識的模糊信息的歸納和操作經(jīng)驗的總結(jié)。然而, 由于被控過程的非線性、高階次、時變性以及隨機干擾等因素的影響, 造成模糊控制規(guī)則或者粗糙或者不夠完善, 都會不同程度的影響控制效果。為了彌補其不足, 本文提出用自適應(yīng)模糊控制技術(shù),達(dá)到模糊控制規(guī)則在控制過程中自動調(diào)整和完善, 從而使系統(tǒng)的性能不斷完善, 以達(dá)到預(yù)期的效果。2 自調(diào)整模糊控制器的結(jié)構(gòu)及仿真(1) 控制對象 一般溫度可近似用一階慣性純滯后環(huán)節(jié)來表示, 其傳遞函數(shù)為:式中: K對象的靜態(tài)增益;Tc對象的時間

3、常數(shù);對象的純滯后時間常數(shù)。本文針對某干燥箱的溫度控制, 用Cohn-Coon 公式計算各參數(shù)得:K=0.181; Tc=60; =20。( 2) 自調(diào)整模糊控制器的結(jié)構(gòu) 自調(diào)整模糊控制器的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。圖1 帶自調(diào)整因子的模糊控制器 圖中為調(diào)整因子, 又稱加權(quán)因子。通過調(diào)整值,可以改變偏差E 和偏差變化EC 對控制輸出量U 的加權(quán)程度, 從而調(diào)整了控制規(guī)則。但是, 若值一旦選定, 在整個控制過程中就不再改變, 即在控制規(guī)則中對偏差、偏差變化的加權(quán)固定不變。然而, 在實際控制中, 模糊控制系統(tǒng)在不同的狀態(tài)下, 對控制規(guī)則中偏差E 與偏差變化EC的加權(quán)程度會有不同的要求。為了適應(yīng)被控對象的結(jié)

4、構(gòu)和參數(shù)的變化, 并模擬人工控制中的學(xué)習(xí)過程可以構(gòu)造一個如圖1 所示的帶自調(diào)整因子的模糊控制器, 其實質(zhì)是一個二級模糊控制系統(tǒng)。 具體方法是: 將調(diào)整因子看作是一個模糊集, 其論域為( 0, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9,1) ; 根據(jù)希望的控制性能構(gòu)造的修改規(guī)則; 根據(jù)檢測及計算得到的信息查修正表, 以選擇適當(dāng)?shù)闹? 由下式計算控制量的變化值:U=-int E+ (1-)EC 此時, 上式所描述的控制規(guī)則體現(xiàn)了按誤差的大小自動調(diào)整誤差對控制作用的權(quán)重, 因為這種自動調(diào)整是在整個誤差論域內(nèi)進行的, 所以這種自調(diào)整過程更符合人在控制決策過

5、程中的思維, 已經(jīng)具有高“智能” 的優(yōu)化特點,且非常易于通過微機實時地實現(xiàn)其控制思想。( 3) 自調(diào)整模糊控制器的仿真 在模糊控制系統(tǒng)中, 模糊控制的性能在很大程度上取決于模糊控制規(guī)則的確定是否合理以及模糊控制器的有關(guān)參數(shù)大小選擇是否合適。簡單的模糊控制器具有設(shè)計比較簡單、控制性能比較好的特點。對于復(fù)雜的控制系統(tǒng), 采用相似的模糊控制規(guī)則以及一組固定不變的參數(shù), 往往控制性能不夠理想。根據(jù)上文介紹的內(nèi)容, 進行以下幾種控制方法的仿真, 包括: 比例參數(shù)Ku 的自調(diào)整模糊控制、量化因子Ke 和Kec 自調(diào)整模糊控制、控制規(guī)則自調(diào)整的模糊控制。仿真結(jié)果如圖2 所示。圖2 自調(diào)整模糊控制仿真曲線圖

6、圖中, 第1、2、3 條曲線分別代表比例參數(shù)Ku、控制規(guī)則、量化因子Ke 和Kec 自調(diào)整模糊控制仿真輸出溫度曲線。它們的控制性能指標(biāo)如表1 所示。表1 三種控制方法的控制性能比較超調(diào)量穩(wěn)態(tài)誤差調(diào)節(jié)時間比例參數(shù)Ku 自調(diào)整模糊控制器2%0.01390s量化因子Ke 和Kec 自調(diào)整模糊控制器0.1%0.01420s控制規(guī)則自調(diào)整模糊控制器0.1%0.01270s3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計 本系統(tǒng)由PC 機運行用Delphi6.0 編寫的RS-232 串行通信控制軟件與單片機進行串行通信實現(xiàn)對溫度箱內(nèi)溫度的實時控制。PC 機作為上位機負(fù)責(zé)接收外部命令, 由串口輸出后經(jīng)接口電路發(fā)送到單片機, 使其執(zhí)行相

7、應(yīng)的動作。 單片機作為下位機構(gòu)成溫度箱的模糊控制系統(tǒng)。由PT100 型鉑熱電阻作為溫度傳感器把被控對象的溫度信號轉(zhuǎn)化為mV 級電壓信號, 經(jīng)運算放大器放大為05V 的電壓信號, 然后經(jīng)串行A/D 轉(zhuǎn)換得到數(shù)字量, 被AT89C51單片機I/O 口讀取, 和事先已存于片內(nèi)的EEPROM中的溫度電壓對照查詢表對照, 即可得到實際的溫度值, 一路進行在線顯示并經(jīng)串行口傳送到PC 機儲存和作圖, 一路作為控制器的輸入變量?？刂破鞯妮敵鐾ㄟ^單片機的I/O 口經(jīng)D/A 轉(zhuǎn)換變?yōu)槟M信號, 經(jīng)放大器放大后去觸發(fā)可控硅的導(dǎo)通角, 以達(dá)到調(diào)節(jié)溫度箱加熱功率的目的。整個控制系統(tǒng)構(gòu)成一個閉環(huán)系統(tǒng), 其原理圖如圖3

8、所示。 整個控制系統(tǒng)也可以在沒有PC 機的參與下, 由AT89C51 單片機獨立完成控制任務(wù), 只是由于單片機功能的限制使人機交互不太理想。4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計( 1) PC 機軟件設(shè)計 PC 機完成的功能主要包括: 控制系統(tǒng)的啟動、停止,控制參數(shù)設(shè)置, 儲存單片機傳送過來的實時采集的溫度數(shù)據(jù)并將其實時顯示和繪圖。軟件流程框圖如圖4 所示。PC機軟件由Delphi6.0 編寫, 溫度曲線圖的繪制通過TCHART控件編程實現(xiàn)。溫度數(shù)據(jù)的存儲通過建立Access 數(shù)據(jù)庫,將數(shù)據(jù)實時存入數(shù)據(jù)庫來實現(xiàn)。( 2) 控制規(guī)則自調(diào)整模糊控制器的軟件設(shè)計 由計算機程序?qū)崿F(xiàn)控制規(guī)則自調(diào)整模糊控制器的控制算法,

9、流程框圖如圖5 所示。 程序包括如下兩個部分:1) 計算機離線計算查詢表程序。查詢表的建立方法是: 將調(diào)整因子看作是一個模糊集, 其論域為( 0, 0.1,0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9, 1) ; 根據(jù)希望的控制性能構(gòu)造的修改規(guī)則; 將之制成查詢表, 將此表存于計算機內(nèi)存中, 供計算機在線控制時使用。2) 計算機在線實時控制程序。該程序在模糊控制過程中完成在線計算輸入變量( 誤差和誤差變化率) , 并將它們模糊化處理, 查找查詢表后再作輸出處理。具體步驟如下:設(shè)置輸入、輸出變量及控制量的基本論域, 預(yù)置量化因子、比例因子和采樣周期。判斷采樣時間到

10、否, 若時間已到, 則轉(zhuǎn)向第三步,否則等待。啟動A/D 轉(zhuǎn)換, 進行數(shù)據(jù)采集。 計算誤差和誤差變化并判斷它們是否已超過上( 下) 限值, 若已超過, 則將其設(shè)定為上( 下) 限值。按給定的量化因子將誤差和誤差變化模糊化, 并由此查詢存放在計算機內(nèi)存中的修改規(guī)則查詢表, 以選擇適當(dāng)?shù)闹?。由下式計算控制量的? U=- int e+ ( 1- ) ec ,將此值乘以給定的比例因子, 若已超過上( 下) 限值, 則設(shè)置為上( 下) 限值。啟動D/A 轉(zhuǎn)換得到控制器實際輸出模擬量用來控制溫度箱的溫度。( 3) PC 機與單片機串口通信軟件設(shè)計 PC 機與單片機串口通信通過MAX3225E 串口通信芯片

11、來實現(xiàn)。軟件的設(shè)計包括單片機串口通信和PC 機( 上位機) 串口通信兩部分內(nèi)容, 兩者必須遵從相同的通信協(xié)議才能正常通信。系統(tǒng)采用串口通信格式如下: 波特率為4800bps, SMOD=1, 單片機串口工作于方式1; 用T1 作為定時器, 工作于方式2, fOSC=11.0592M。 將以上已知條件帶入下面的串口波特率計算公式: 計算得到: TH1=244 ( 十進制) =0F4H ( 十六進制) 。 數(shù)據(jù)位: 8 位; 奇偶位: 無; 啟始位: 1 位; 停止位:1 位。 單片機串口通信程序包括串口初始化程序和中斷服務(wù)程序, 用C51 編寫。串口初始化程序是對串口工作方式進行設(shè)置, 控制寄存

12、器PCON 和SCON 的設(shè)置以及定時器T1的設(shè)置。中斷服務(wù)程序主要是采用中斷方式來接收和發(fā)送數(shù)據(jù), 同時要用軟件方式清除接收中斷標(biāo)志RI(響應(yīng)接收中斷后) 和發(fā)送中斷標(biāo)志TI(響應(yīng)發(fā)送中斷后) 。單片機串口通信程序流程框圖見圖6 所示。 PC 機串口通信程序用于讀取單片機發(fā)來的溫度數(shù)據(jù)和向單片機發(fā)送參數(shù)及命令, 用Delphi6.0 編制, 利用串口控件SPCOMM可實現(xiàn)PC 機串口通信, 其流程框圖見圖7 所示。( 4) 抗干擾設(shè)計 系統(tǒng)的抗干擾能力是系統(tǒng)可靠性的重要指標(biāo)。本系統(tǒng)主要采用有硬件抗干擾設(shè)計和軟件抗干擾設(shè)計。1) 硬件抗干擾設(shè)計在后向通道設(shè)計中采用光電耦合器MOC3041。光電

13、耦合器具有和高的絕緣電阻可達(dá)歐姆以上, 并能承受2000V 以上高壓, 因而能有效隔離高電壓對微機系統(tǒng)的各種噪聲干擾, 抑制尖峰脈沖電壓, 具有很強的抗干擾能力。數(shù)字信號的傳輸采用雙絞線。雙絞線的阻抗高, 抗共模噪聲能力強, 能使各個小環(huán)路的電磁感應(yīng)干擾相互抵消, 對電磁場具有一定的抑制效果。電源線應(yīng)盡量加粗?？墒剐盘栯娖椒€(wěn)定和增加抗干擾能力, 使電源線能通過3 倍于印刷電路板上的允許電流。接地線盡量構(gòu)成閉環(huán)路, 可增加抗干擾能力。配置去耦電容。電源輸入端接10100F 的電解電容, 給每個IC 集成芯片配置一個0.01F 的陶瓷電容器。2) 軟件抗干擾設(shè)計 采用限幅濾波法消除干擾, 其方法是

14、將兩次相鄰的采樣值求出其增量, 然后與兩次采樣允許的最大差值y 進行比較; 若小于或等于y, 則取本次采樣值, 若大于y,則取上次采樣值作為本次采樣值, 即|yn-yn-1|y, 則yn 有效;|yn-yn-1|y, 則yn-1 有效。式中: yn第n 次采樣值;yn-1第n-1 次采樣值;y相鄰兩次采樣值允許的最大偏差。( 5) 誤差分析 誤差主要來源是:PT100 鉑熱電阻在0100范圍存在0.1的誤差。A/D 轉(zhuǎn)換誤差: 1/2120.025%。被控對象即恒溫箱內(nèi)溫度的不均勻?qū)е抡`差。 對于第3 項減少誤差的方法是在箱內(nèi)安裝風(fēng)扇增加流動性; 另外, 采取多點測量, 然后取平均值作為溫度測量值。 綜合以上可知, 系統(tǒng)總的誤差小于0.3。5 結(jié)論 溫度是工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常