基于單片機(jī)的模糊溫度控制器的設(shè)計(jì)

1、基于單片機(jī)的模糊溫度控制器的設(shè)計(jì)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 c恒定不變。我們知道溫度控制對象大多具有非線性、時(shí)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(yàn)或手動操作人員長期積累的經(jīng)驗(yàn)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(jìn)一步改進(jìn)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(jì)時(shí)更為明顯，并且對于那些時(shí)變的、非線性

2、的復(fù)雜系統(tǒng)采用模糊控制時(shí)，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(yàn)的總結(jié)。然而，由于被控過程的非線性、高階次、時(shí)變性以及隨機(jī)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(bǔ)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：G (s)=除一T虎+1式中：K對象的靜態(tài)增益；Tc對象的時(shí)間常數(shù)；-對象

3、的純滯后時(shí)間常數(shù)。本文針對某干燥箱的溫度控制,用Cohn-Coon公式計(jì)算各參數(shù)得： K=0.181; Tc=60; to =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a為調(diào)整因子，又稱加權(quán)因子。通過調(diào)整a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a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(shí)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)構(gòu)和參數(shù)的變化，并模擬人工控

4、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(shí)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a看作是一個模糊集,其論域?yàn)?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 a的修改規(guī)則；根據(jù)檢測及計(jì)算得到的信息查修 正表，以選擇適當(dāng)?shù)腶值；由下式計(jì)算控制量的變化值：U=-int a E+ (1)EC此時(shí)，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?yàn)檫@種自動調(diào)整是在整個誤差論域內(nèi)進(jìn)行的，所以這種自調(diào)整過程更符合人在控制決策過程中的思維，已經(jīng)具有高 智能”的優(yōu)化特點(diǎn)，且非常

5、易于通過微機(jī)實(shí)時(shí)地實(shí)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(jì)比較簡單、控制性能比較好的特點(diǎn)。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(jìn)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Ke

6、c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(shí)間比例參數(shù)Ku自調(diào)整模糊控制器2%<0.01 C390s量化因子Ke和Kec自調(diào)整模糊控制器0.1%<0.01 C420s控制規(guī)則自調(diào)整模糊控制器0.1%<0.01 C270s3控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)由PC機(jī)運(yùn)行用Delphi6.0編寫的RS-232串行通信控制軟件與單片機(jī)進(jìn)行串行 通信實(shí)現(xiàn)對溫度箱內(nèi)溫度的實(shí)時(shí)控制。PC機(jī)作為上位機(jī)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(jī)，使其執(zhí)行相應(yīng)的動作。單片機(jī)作為下位機(jī)構(gòu)成溫度箱的模糊控制系統(tǒng)。由PT100型鉗熱

7、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(yùn)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(jī)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(shí)際的溫度值，一路進(jìn)行在線顯示并經(jīng)串 行口傳送到PC機(jī)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(jī)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所示。1L閨肛雙向螺沖晞LED整個控制系統(tǒng)也可以在沒有PC機(jī)的參與下，由AT89C51單片機(jī)獨(dú)立完

8、成控制任務(wù)，只是由于單片機(jī)功能的限制使人機(jī)交互不太理想。4控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)(1) PC機(jī)軟件設(shè)計(jì)PC機(jī)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(jī)傳送過來的實(shí)時(shí)采集的溫度數(shù)據(jù)并將其實(shí)時(shí)顯示和繪圖。軟件流程框圖如圖4所示。PC機(jī)軟件由Delphi6.0編寫，溫度曲線圖的繪制通過 TCHART控件編程實(shí)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(shí)時(shí)存入數(shù)據(jù)庫來實(shí)現(xiàn)。也叫主程序果擇時(shí)河口生福加4摘辛再工底照巧薨尊U,除密a但發(fā)港等旗 喑串片機(jī)存入軟非農(nóng)(2)控制規(guī)則自調(diào)整模糊控制器的軟件設(shè)計(jì)由計(jì)算機(jī)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，流程框圖如圖5所示。忸直

9、心.%、片制和啜料雷劭r圖券尸一8&b aft） -e（K - 1）右摸料，匕白劭AG轉(zhuǎn)執(zhí)途)加式仗)篡制化憚宵輸入.輪包if小中地V 一何出! 4(|-&阿出卜典用幼兒0到事4申|我姻程序包括如下兩個部分：1）計(jì)算機(jī)離線計(jì)算查詢表程序。 查詢表的建立方法是：將調(diào)整因子a看作是一個模糊集，其 論域?yàn)椋?, 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(jì)算機(jī)內(nèi)存中，供計(jì)算機(jī)在線控制時(shí)使用。2）計(jì)算機(jī)在線實(shí)時(shí)控制程序。該程序在模糊控制過程中完成在線計(jì)算輸入變量（誤差

10、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(shí)間到否，若時(shí)間已到，則轉(zhuǎn)向第三步，否則等待。啟動A/D轉(zhuǎn)換，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。計(jì)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(jì)算機(jī)內(nèi)存中的a修改規(guī)則查詢表，以選擇適當(dāng)?shù)腶值。由下式計(jì)算控制量的值：U=- int a e+ （-1a ） 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(shí)際輸出模擬

11、量用來控制溫度箱的溫度。（3） PC機(jī)與單片機(jī)串口通信軟件設(shè)計(jì)PC機(jī)與單片機(jī)串口通信通過 MAX3225E串口通信芯片來實(shí)現(xiàn)。軟件的設(shè)計(jì)包括單片機(jī) 串口通信和PC機(jī)（上位機(jī)）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(jī)串口工作于方式 1;用T1作為定時(shí)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(jì)算公式：用I I波特率=3212X 256- (TH1)計(jì)算得到：TH1=244 （ 十進(jìn)制）=0F4H （ 十六進(jìn)制）。數(shù)據(jù)位：8位；奇偶位：無；啟始位:1位；停止位：1

12、位。單片機(jī)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(jìn)行設(shè)置 ，控制寄存器PCON和SCON的設(shè)置以及定時(shí)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(shí)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(jī)串口通信程序流程框 圖見圖6所示。PC機(jī)串口通信程序用于讀取單片機(jī)發(fā)來的溫度數(shù)據(jù)和向單片機(jī)發(fā)送參數(shù)及命令，用Delphi6.0編制，利用串口控件 SPCOMM可實(shí)現(xiàn)PC機(jī)串口通信,其流程框圖見圖7所示。打開可門運(yùn)網(wǎng)到主程序(4)抗干擾設(shè)計(jì)系統(tǒng)的抗干擾能力是系統(tǒng)可靠性的重要指標(biāo)。本

13、系統(tǒng)主要采用有硬件抗干擾設(shè)計(jì)和軟件 抗干擾設(shè)計(jì)。1)硬件抗干擾設(shè)計(jì)在后向通道設(shè)計(jì)中采用光電耦合器MOC3041。光電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(jī)系統(tǒng)的各種噪聲干擾，抑制尖峰脈沖電壓，具有很強(qiáng)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(qiáng)，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。可使信號電平穩(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10lOOF的電解電容，給每個IC集成芯片配

14、置一個0.01W的陶瓷電容器。2)軟件抗干擾設(shè)計(jì)采用限幅濾波法消除干擾，其方法是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 Ay進(jìn)行比較；若小于或等于 Ay,則取本次采樣值，若大于Ay則取上次采 樣值作為本次采樣值，即|y n-y n-l| < A 則 yn 有效;|y n-y n-1| > A y,則 yn-1 有效。式中：y n第n次采樣值；yn-1第n-1 次采樣值；A y 卻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鉗熱電阻在 0c100 c范圍存在 0.1 C的誤差。A/D 轉(zhuǎn)換誤差：1/2 12 = 0.025%。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(xiàng)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(diǎn)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 C。5