基于智能PID的溫度控制系統(tǒng)設計 本科畢業(yè)論文

常州工學院畢業(yè)設計PAGEPAGE5摘要溫度是工業(yè)生產中的一個非常重要的過程變量，在一些領域中，例如冶金，電力工業(yè)等，用常規(guī)的控制方法，潛力是有限的，難以滿足較高的性能要求。本設計以電阻爐為控制對象，近年來隨著工業(yè)的發(fā)展，電阻爐在工業(yè)控制中的應用越來越廣泛，所以對溫度的控制要求也越來越高。然而，電阻爐是一種具有非線性、純滯后、大慣性和時變性的控制對象，很難用數(shù)學方法建立精確模型。針對工業(yè)熱處理過程的特點和需求。設計了基于智能PID的電阻爐溫度控制系統(tǒng)。本文以模糊自整定PID控制算法為基礎，通過熱電偶獲取溫度，將溫度進行A/D轉換后送入單片機進行處理，通過PID模糊算法用來控制加熱爐的輸出功率，實現(xiàn)對溫度的最終控制。實驗證明模糊PID算法在電阻爐溫度控制中有著明顯的優(yōu)勢，可大幅度提高被測溫度的技術指標，大大提高其可行性與穩(wěn)定性。關鍵詞：溫度控制；模糊PID控制；單片機AbstractThetemperatureisanimportantprocessvariablesduringtheindustrialproductions，Insomeareas，suchasMetallurgy,electricityindustry,theConventionalcontrolmethodscannotsatisfythehighperformancerequirements。Inthethesis，thetemperaturecontrolsystemthattheobjectisresistancefurnace，withthedevelopmentofindustry,electricheatingfurnaceismoreandmorewidelyused.So,thedemandoftemperaturecontrolisincreasing.Nevertheless,fortheelectricheatingfurnacecontrolsystemwiththecharacteristicofnon-linear,puretime-delayandtime-variation,itisdifficulttoestablishaprecisemathematicalmodel.Adigitaltemperaturecontrolsystemforindustrialstoveisdesignedaimingatthefeaturesofindustrialheattreatmentprocesswhichneedforadvancedtemperaturecontrol．ThispaperdesignsthetowordersTDCtocontrolresistancesbaseofFuzzyself-tuningPIDcontrollingarithmetic.Wegetthetemperaturethroughthethermocouple，thenwecandealwithitthroughthemicrocontrollerafterA/Dconversionprocess.Finally，throughthePIDfuzzyalgorithm，wecanControltheoutputpoweroffurnace,andrealizetheultimatecontrol.TheresultshowsthatthefuzzyPIDcontrolmethodissuperiortotraditionalPIDcontrolmethod,wecangreatlyimprovethetechnicalindexesofthetestedtemperatureanditsfeasibilityandstability.Keywords：temperaturecontrolFuzzyPIDcontrolmicrocontroller目錄TOC\o"1-3"\u摘要 IAbstract II第1章緒論 11.1溫控系統(tǒng)設計背景 11.2溫度控制系統(tǒng)的概述及現(xiàn)況 11.3溫度控制系統(tǒng)的改進 1第2章溫度控制系統(tǒng)的整體設計 32.1傳統(tǒng)的模糊PID控制 32.2電阻爐溫度控制系統(tǒng) 4第3章系統(tǒng)的硬件設計 53.1系統(tǒng)的總體構成 53.2單片機的選取 53.3傳感器的選取 73.3.1溫度傳感器 73.3.2熱電偶的工作原理 83.4A/D轉換電路設計 93.5D/A轉換電路設計 123.6鍵盤顯示電路設計 143.7數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 16第4章控制算法設計 174.1模糊控制系統(tǒng)特點與應用 174.2模糊控制系統(tǒng)的組成 184.3模糊控制器結構的研究 184.3.1PID模糊控制器 204.3.2控制器的結構 224.4模糊PID復合控制算法 234.4.1傳統(tǒng)的PID算法 234.4.2模糊-PID復合控制算法設計 25第5章系統(tǒng)的軟件設計 315.1A/D轉換流程 315.2D/A轉換流程 325.3鍵盤顯示子程序流程 335.4模糊PID控制流程設計 33第6章仿真結果及分析 356.1介紹仿真環(huán)境 356.1.1MATLAB介紹 356.1.2Simulink介紹 356.2傳統(tǒng)PID控制器的設計 366.3模糊PID控制器的設計 376.4模糊PID控制器的系統(tǒng)仿真 39結論 41參考文獻 42致謝 44附錄1 45附錄2 46第1章緒論1.1溫控系統(tǒng)設計背景溫度控制系統(tǒng)是比較常見且典型的過程控制系統(tǒng)。它直接影響燃燒、化學反應、發(fā)酵、烘烤、煅燒、蒸餾、濃度、擠壓成形、結晶以及空氣流動等物理和化學過程。溫度控制不好就可能引起生產安全，產品質量和產量等一系列問題。目前，在很多場合下，溫度已成為非常關鍵的因素，許多物理特性的變化都直接反映在溫度的升降上，因此對溫度的監(jiān)測的意義越來越大。本設計中我們研究的是電阻爐的溫度控制系統(tǒng),電阻爐溫度控制具有升溫單向性、大慣性、大滯后的特點。1.2溫度控制系統(tǒng)的概述及現(xiàn)況溫度控制電路廣泛應用于社會生活的各個領域，如家電、汽車、材料、電力電子等。由于爐子的種類及原理不同，因此所采用的加熱方法及燃料也不同，如煤氣、天然氣、油電等。對于不同生產情況和工藝要求下的溫度控制，所采用的加熱方式，選用的燃料，控制方案也有所不同?？刂品桨赣兄苯訑?shù)字控制（DDC），推斷控制，預測控制，模糊控制（Fuzzy），專家控制(ExpertControl)，魯棒控制（RobustControl），推理控制等。在本設計中，采用傳統(tǒng)的PID和模糊PID控制相結合的方法，更好的來控制電阻爐的溫度。1.3溫度控制系統(tǒng)的改進隨著電子技術和控制技術的發(fā)展，智能儀表逐漸取代傳統(tǒng)儀表成為工業(yè)測控技術的主要工具，隨著計算機，通訊技術在工業(yè)自動化系統(tǒng)的廣泛應用，工業(yè)儀表的功能越來越強大。在高新技術的推動下，作為工業(yè)主要技術，測控儀表正跨入真正的數(shù)字化，智能化，網絡化的時代。數(shù)字化的測控設備可通過網絡將分散的控制裝置和各類智能儀表連接起來，實現(xiàn)工業(yè)生產過程的集散監(jiān)控管理。隨著現(xiàn)代科學技術的迅猛發(fā)展，各個領域對溫度控制系統(tǒng)的精度、穩(wěn)定性等的要求越來越高，測溫范圍越來越廣，因此溫度測控技術的研究是一個重要的研究課題。以智能儀表為控制工具的溫控系統(tǒng)具有一定的實際應用價值。單片機具有集成度高，通用性好，功能強，特別是體積小，重量輕，耗能低，可靠性高，抗干擾能力強和使用方便等獨特優(yōu)點，在數(shù)字、智能化方面有廣泛的用途。單片機主要應用于各控制領域，用來實現(xiàn)對信號的檢測、數(shù)據(jù)的采集以及對應用對象的控制。單片機以其功能強、體積小、可靠性高、造價低和開發(fā)周期短等優(yōu)點，成為自動化領域和其他測控領域中廣泛應用的器件，在工業(yè)生產中成為必不可少的器件。在溫度控制系統(tǒng)中，單片機更是起到了不可替代的核心作用。采用單片機對溫度進行控制不僅具有控制方便、簡單和靈活性好等優(yōu)點，而且可以大幅度提高溫度控制系統(tǒng)的技術指標，從而能夠大大的提高產品的質量和數(shù)量。在這一背景下，本課題提出利用智能控制技術、計算機控制技術、傳感器與檢測技術等現(xiàn)代科學技術手段設計一套電阻爐溫度測控系統(tǒng)，采用應用最廣泛的PID調節(jié)器，引入模糊控制算法，通過單片機對溫度進行控制，構成一個能處理復雜數(shù)據(jù)和控制功能的智能控制器，具有較高的靈活性和可靠性。第2章溫度控制系統(tǒng)的整體設計本設計的選用的被控對象為電阻爐。電阻爐是熱處理生產中應用最廣泛的加熱設備，以電能為熱源，通過布置在爐內的電熱元件將電能轉化為熱能借助輻射與對流的傳熱方式加熱工件。加熱功率從不足一千瓦到數(shù)千千瓦。工作溫度在650℃以下的為低溫爐；650～1000℃為中溫爐；1000℃以上為高溫爐。工業(yè)生產實踐中經常使用電阻爐對產品或過程加熱，通常對電阻爐的控制精度提出較高的要求。電阻爐是一種具有純滯后的大慣性系統(tǒng)，開關爐門、加熱材料、環(huán)境溫度以及電網電壓等都影響控制過程，傳統(tǒng)的加熱爐控制系統(tǒng)大多建立在一定的模型基礎上，難以保證加熱工藝要求。假定電阻爐的傳遞函數(shù)為：（2-1）2.1傳統(tǒng)的模糊PID控制對于以上的不足之處，我們引入模糊控制，采用模糊PID算法，以單片機為核心對電阻爐實現(xiàn)智能的溫度控制，可以解決問題，從而實現(xiàn)高精度控制。圖2-1為傳統(tǒng)的PID控制框圖。圖2-1傳統(tǒng)的PID控制傳統(tǒng)的PID控制器比例環(huán)節(jié)實時地按照一定比例反映系統(tǒng)的偏差量，即一旦偏差出現(xiàn)，控制器立即產生控制作用，以減小偏差；比例系數(shù)越大，系統(tǒng)的調整時間就越短，穩(wěn)態(tài)誤差也越小，但過大，會造成超調量過大，引起系統(tǒng)不穩(wěn)定；積分環(huán)節(jié)消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的無差度。積分系數(shù)越大，積分作用越強，穩(wěn)態(tài)誤差越小，調整時間越短，但大，會造成穩(wěn)定性變差；微分環(huán)節(jié)能及時地反映偏差量的變化趨勢和變化率，有效改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。通常，微分系數(shù)大，系統(tǒng)超調量減小，但大，也會造成系統(tǒng)穩(wěn)定性下降。2.2電阻爐溫度控制系統(tǒng)在本文中，由于在一般的模糊控制系統(tǒng)中，考慮到模糊控制器實現(xiàn)的簡易性和快速性，通常采用二維模糊控制器結構形式。但此類及控制器都是以系統(tǒng)誤差E和誤差變化EC作為輸入語句變量，因此它具有類似于常規(guī)PD控制器的作用，由線性控制理論可知，采用該類模糊控制器的系統(tǒng)具有良好的動態(tài)特性，但無法消除靜態(tài)誤差。為了解決這一問題，在此控制系統(tǒng)中引入模糊積分，這樣不僅可消除極限環(huán)振蕩，而且可以消除系統(tǒng)余差，使得系統(tǒng)成為無差模糊控制系統(tǒng)。結構框圖如圖2-2所示：圖2-2模糊PID爐溫控制系統(tǒng)原理圖在這類模糊控制系統(tǒng)中，其核心的部分是模糊控制器。也就是說，模糊控制器的性能將決定著該系統(tǒng)性能的好壞，而模糊控制器自身性能又取決于模糊語言規(guī)則和合成推理。一般來說，一條模糊控制規(guī)則就是用模糊表達式來表示的一種模糊關系。在模糊邏輯中，我們可以選用模糊推理函數(shù)表示，它不僅表示了推理的直覺判據(jù)。目前模糊推理的方法很多，但是在模糊控制中考慮到推理時間，通常采用運算較簡單的推理方法。最基本的有Zadeh近似推理，它包含有正向推理和逆向推理。但是模糊控制中的推理與知識工程中的模糊推理不一樣，模糊控制中的推理其前提（模糊控制器的實際輸入）不是模糊值，多為確切的數(shù)值。需要經過模糊化。在此控制系統(tǒng)中，使得給定值經過模糊控制與PID處理后，將信號傳給電阻爐，最終實現(xiàn)溫度的控制。第3章系統(tǒng)的硬件設計3.1系統(tǒng)的總體構成本系統(tǒng)以電阻爐為被控對象，由熱電偶測量被控對象的溫度，通過濾波，放大，送至A/D轉換器，這樣通過采樣和A/D轉換，就將所檢測的爐溫對應的電壓信號轉換成數(shù)字信號送入計算機模糊控制器，計算出該電壓信號對應的溫度值與給定值進行比較，得出溫差。其結構圖如圖3-1所示：圖3-1系統(tǒng)結構圖外界的各種非電量通過傳感器轉變?yōu)殡娏俊Ｈ綦娦盘柼?，可用放大器進行放大。濾波器將信號中的噪音濾除，得到平滑的輸入信號。這種輸入信號還是連續(xù)變化的模擬量，要通過采樣和保持電路進行離散化，在通過A/D轉換器對離散的輸入信號進行量化得到幅度和時間均為離散的數(shù)字信號，送入單片機中進行處理。如果輸入模擬信號的變化速度比A/D轉換速度慢的多，則可以不采用采樣保持器，直接通過A/D轉換成數(shù)字量送入單片機，單片機對這些從外部獲取的數(shù)據(jù)進行處理后，再由D/A轉換器變?yōu)槟M信號并且輸出到外部進行各種控制，并將數(shù)字信號進行顯示記錄等。3.2單片機的選取本系統(tǒng)的智能儀表選用AT80C51作為微控制器，這類單片機在存儲器的配置上采用程序存儲器與數(shù)據(jù)存儲器分開的結構，利用不同的指令和尋址方式進行訪問，可分別尋址64KB的程序存儲器空間和64KB的數(shù)據(jù)存儲器空間，充分滿足了工業(yè)測量控制的需要。80C51系列單片機共有111條指令，包括乘除指令和位操作指令。中斷源有5個，分為2個優(yōu)先級，每個中斷源的優(yōu)先級是可編程的，在80c51系列單片機的內部RAM區(qū)中開辟了4個通用工作寄存區(qū)，共有32個通用寄存器，可以適用于多種中斷或子程序嵌套的情況。另外，還在內部RAM中開辟了1個位尋址區(qū)，利用位操作指令可以對其中各個單元的每一位直接進行操作，特別適合解決各種控制和邏輯問題。ROM型80C51在單芯片應用方式下其4個并行I/O口都可以作為輸入/輸出使用，在擴展應用方式下需要采用P0和P2口作為片外擴展地址總線使用。其引腳圖與功能圖如圖3-2圖3-2引腳圖與功能圖單片機的40個引腳大致可分為4類：電源、時鐘、控制和I/O引腳。1.電源VCC：芯片電源，接+5V。VSS：接地端。2.時鐘XTAL1、XTAL2：晶體振蕩電路反相輸入端和輸出端。3.控制線：控制線共有4根(1)ALE/PROG：地址鎖存允許/片內EPROM編程脈沖。ALE功能：用來鎖存P0口送出的低8位地址。

PROG功能：片內有EPROM芯片，在EPROM編程期間，此引腳輸入編程脈沖。(2)PSEN：外ROM讀選通信號。(3)RST/VPD：復位/備用電源。RST（Reset）功能：復位信號輸入端。VPD功能：在Vcc掉電情況下，接備用電源。(4)EA/Vpp：內外ROM選擇/片內EPROM編程電源。EA功能：內外ROM選擇端。Vpp功能：片內有EPROM的芯片，在EPROM編程期間，施加編程電源Vpp。4.I/O線80C51共有4個8位并行I/O端口：P0、P1、P2、P3口，共32個引腳。P3口還具有第二功能，用于特殊信號輸入輸出和控制信號（屬控制總線）。3.3傳感器的選取傳感器是一種人機接口，能感受或響應規(guī)定的被測量，如各種物理量、化學量、生物量或者狀態(tài)量，并且能夠按照一定的規(guī)律轉換成有用信號，便于遠距離傳輸、處理、存儲和控制。通過傳感器，我們可以實現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)。傳感器的種類有很多，按照工作原理來分，可以分為應變式、壓阻式等，而按照測量來分類的話，可以有力、位移、溫度等傳感器。在電阻爐溫度控制系統(tǒng)中，我們需采用的是溫度傳感器。3.3.1溫度傳感器溫度傳感器是一種利用物質的各種物理性質隨溫度變化的規(guī)律，而把溫度轉換為電量的傳感器。按測量方式可分為接觸式和非接觸式兩大類，按照傳感器材料及電子元件特性分為熱電阻和熱電偶兩類。接觸式測溫的特點是感溫原件直接與被測對象相接觸，兩者之間進行充分的熱交換以達到熱平衡，這時通過對感溫原件的某個物理參數(shù)的測量和轉換環(huán)，從而得到與之對應的溫度值，接觸式測溫的主要優(yōu)點在于直觀可靠，但是其缺點在于被測溫度場的分布易受感溫元件的影響，接觸不良時，會帶來測量誤差。由于需要一定的時間才能達到熱平衡，所以存在測溫的延遲現(xiàn)象。此外溫度太高或腐蝕性介質對感溫元件的性能和壽命會產生不利影響。而非接觸式測溫的特點是感溫元件不直接與被測對象相接觸，而是通過熱輻射進行熱交換，故可以避免接觸式測溫法的特點。具有較高的測溫上限而非接觸式測溫法的熱慣性小，可以達到1ms，故便于測量運動物體的溫度和快速變化的溫度。在本文中我們采取的接觸式測溫法。接觸式測溫常用測溫元件如圖3-3所示：測溫元件測溫原理測溫范圍/℃主要特點熱電偶熱電效應0～1600測溫范圍廣，測量精度高，便于遠距離、多點、集中檢測和自動控制，應用廣泛；需進行冷端溫度補償，低溫測量精度低鉑電阻熱阻效應－200～600測溫范圍廣，測量精度高，便于遠距離、多點、集中檢測和自動控制，應用廣泛；不能測高溫。銅電阻－50～150半導體熱敏電阻－50～150靈敏度高，體積小，結構簡單，使用方便；互換性較差，測量范圍有一定限制。圖3-3接觸式測溫常用測溫元件由于在電阻爐中溫度上限很高，并不像日常生活中那樣，所以我們采用的是熱電偶測溫傳感器，不僅由于其構造簡單，使用方便，還具有較高的準確度，溫度測量范圍寬等。常用的熱電偶可測量范圍為-50~1600C。若配用特殊材料其可測溫度范圍可擴大為-180~2000C。目前，國際電工委員會（IEC）推薦了8種類型的熱電偶作為標準化熱電偶，即為T型、E型、J型、K型、N型、B型、R型和S型。3.3.2熱電偶的工作原理熱電偶的基本工作原理是基于物體的熱電效應。由A,B兩種不同的導體兩端相互緊密地連接在一起，組成一個閉環(huán)回路，如圖3-4所示，當兩接點溫度不同時（T>T0）時，回路就會產生電勢，從而形成電流，這一現(xiàn)象稱為熱電效應，該電動勢稱為熱動勢。在熱電偶回路中電極材料相同，總電勢為零，冷、熱端溫度相同，總電勢為零，電極材料不同，溫度相同，熱電勢不同。圖3-4熱電偶的基本工作原理3.4A/D轉換電路設計在本文的控制系統(tǒng)中關于A/D我們采用的是ADC轉換器，將輸入模擬量轉換為與其成比例的數(shù)字量，按其工作原理，有比較式ADC積分式。不同的芯片具有不同的連接方式，其中最主要的是輸入、輸出以及控制信號的連接方式。在這我們可以選擇ICL7135。ICL7135是一種常用的4位半BCD碼雙積分型單片集成ADC芯片，其分辨率相當于14位二進制數(shù)。他的轉換精度高，轉換誤差為1LSB,并且能在繼續(xù)參考電壓下對雙極性輸入模擬電壓進行A/D轉換，模擬輸入電壓范圍0~1.9999v。芯片采用了自動較零技術，可保證零點在常溫下的長期穩(wěn)定性，模擬輸入可以是差動信號，輸入阻抗極高。其芯片引腳排列如圖3-5所示:圖3-5ICL7135芯片引腳圖其各引腳的功能如下：-V：ICL7135負電源引入端，典型值-5V，極限值-9V。+V：ICL7135正電源引入端，典型值+5V，極限值+6V。DGND：數(shù)字地，ICL7135正、負電源的低電平基準。REF：參考電壓輸入，REF的地為AGND引腳，典型值1V，輸出數(shù)字量=10000×(VIN/VREF)。AC：模擬地，典型應用中，與DGND(數(shù)字地)“一點接地”。INHI：模擬輸入正。INLO：模擬輸入負，當模擬信號輸入為單端對地時，直接與AC相連。CLKIN：時鐘信號輸入。當時，，轉換速度為3次/s。極限值時，轉換速度為25次/s。REFC+：外接參考電容正，典型值1μF。REFC-：外接參考電容負。BUFFO：緩沖放大器輸出端，典型外接積分電阻。INTO：積分器輸出端，典型外接積分電容。AZIN：自校零端。LOW：欠量程信號輸出端，輸入信號小于量程范圍的10％時，該端輸出高電平。HIGH：過量程信號輸出端，輸入信號超過計數(shù)范圍(20001)時，該端輸出高電平。：數(shù)據(jù)輸出選通信號，寬度為時鐘脈沖寬度的一半，每次A/D轉換結束時，該端輸出5個負脈沖，分別選通由高到低的BCD碼數(shù)據(jù)(5位)，該端用于將轉換結果打到并行I/O接口。：自動轉換/停頓控制輸入。當輸入高電平時；每隔40002個時鐘脈沖自動啟動下一次轉換；當輸入為低電平時，轉換結束后需輸入一個大于300ns的正脈沖，才能啟動下一次轉換。POL：極性信號輸出，高電平表示極性為正。BUSY：忙信號輸出，高電平有效。正向積分開始時自動變高，反向積分結束時自動變低。B8～B1：BCD碼輸出。B8為高位，對應BCD碼。D5：萬位選通。D4～D1：千、百、十、個位選通。ICL7135的轉換結果輸出是動態(tài)的，因此必須通過并行口才能與單片機連接。圖3-6為ICL7135.通過并行接口芯片8155與單片機80c51的接口電路。圖中74ls157為4位2選一的數(shù)據(jù)多路開關。74ls157的SEL輸入為低電平時，1A、2A、3A輸入信息在1Y、2Y、3Y輸出；SEL為高電平，1B、2B、3B輸入信息在1Y、2Y、3Y輸出。因此，當7135的高位選通信號D5輸出為高電平時，萬位數(shù)據(jù)B1和極性、過量程、欠量程標志輸入到8155的PA0~PA3。當D5為低電平時，7135的B8，B4，B2，B1輸入低位轉換結果的BCD碼，此時BCD碼數(shù)據(jù)線B8，B4，B2，B1輸入到8155的PA3~PA0。圖3-6ICL7135的硬件連接圖3.5D/A轉換電路設計DAC的功能是將數(shù)字量轉換為與其成比例的模擬電壓或電流信號，輸出到儀表外部進行各種控制。通過比較我們可以選取DAC0832芯片，DAC0832是典型的帶內部數(shù)據(jù)緩沖器的8位D/A芯片.其引腳如圖3-7所示：圖3-7DAC0832引腳圖LE是寄存命令。當LE=1時，寄存器輸出隨輸入變化；當LE=0，數(shù)據(jù)鎖存在寄存器中，而不再隨數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)變化而變化，當ILE端為高電平，CS與WR同時為低電平時，使得LE=1.當WR變?yōu)楦唠娖綍r，輸入寄存器便將輸入數(shù)據(jù)鎖存。當XFER與WR2同時為低電平時，使得LE2=1，DAC寄存器的輸出隨寄存器的輸入變化，WR2上升沿將輸入寄存器的信息鎖存在該寄存器中。RFB為外部運算放大器提供的反饋電阻，VREF是由外電路為芯片提供一個+10V~-10V基準電源。圖3-8為DAC0832與80C51單片機組成的D/A轉換系統(tǒng)。其中DAC0832工作于單緩沖器方式。它的ILE接+5V。CS和XFER相連接后由80C51的p2.7控制。WR1和WR2相連后由80C51的WR控制。圖3-8DAC0832與80C51單片機組成的D/A轉換系統(tǒng)3.6鍵盤顯示電路設計鍵盤輸入及顯示輸出是智能化測量控制儀表不可缺少的組成部分。為了減少CPU的負擔，少占用它的工作時間，目前已經出現(xiàn)了專供鍵盤及顯示器接口用的可編程接口芯片。Intel公司生產的8279可編程鍵盤、顯示器接口就是較為常見的一種。8279的鍵盤部分能夠提供64按鍵陣列的掃描接口，也可以接傳感器陣列，鍵的按下可以是雙鍵鎖定或N鍵互鎖。鍵盤輸入經過反彈跳電路自動消除前后沿按鍵抖動影響之后，被選通送入一個8字符的FIFO存儲器。如果送入的字符多于8個，則溢出狀態(tài)置位。按鍵輸入后將中斷輸出線升到高電平向CPU發(fā)中斷申請。而對7段LED、或其他器件接口提供顯示接口。8079有一個內部的16*8顯示RAM，組成一對16*4存儲器。顯示RAM可有CPU寫入或讀出。顯示方式有從右進入的計算器方式和從左進入的電傳打字方式，顯示RAM每次讀/寫之后，其地址自動加1。內部結構如圖3-9所示：圖3-98279內部結構其與單片機的接口電路下圖3-10所示：圖3-10可編程鍵盤8279與單片機的接口電路3.7數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在智能化測量控制儀表中，為了能夠實現(xiàn)對外界各種模擬信號的測量，必須通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將信號送入儀表中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是外部信號進入儀表內部的必經之路。在每一個通道上都加有一個SHA，并受同一觸發(fā)信號控制。這樣就可以將同一時刻內采集的信號暫存在各個SHA的保持電容上，然后由單片機逐個取走經ADC轉換后送入存儲器。這種電力允許對各通道之間的相互關系進行分析。本系統(tǒng)的采樣放大電路采用了ICL7650集成運算放大器。ICL7650具有極低的失調電壓和偏置電流，溫漂系數(shù)小于0.1Uv/C，電源電壓范圍為3~8V。圖3-8為7650的一種接法，調零信號從2千歐姆的電位器引出，輸入運放的反相端，CA和CB應采用優(yōu)質電容。7650用作直流低電平放大時，輸出端可接RC低通濾波器。ADOP-07也是低漂移運放，溫漂系數(shù)為0.2Uv/C。共模輸入電壓范圍為14V，電源電壓范圍正負3V-18V。圖3-11ICL7650放大電路第4章控制算法設計模糊控制系統(tǒng)是一種自動控制系統(tǒng)，它以模糊數(shù)學、模糊語言形式的知識表示和模糊邏輯的規(guī)則為理論基礎；采用計算機控制技術構成的一種具有反饋通道的閉環(huán)結構的數(shù)字控制系統(tǒng)，它的組成核心是具有智能性的模糊控制器，這也是他與其他的控制系統(tǒng)的不同之處。模糊控制技術是一種由模糊數(shù)學、計算機科學等多門學科領域相互滲透、理論性很強的科學技術，實現(xiàn)這種模糊控制技術的理論，即為“模糊控制理論”。4.1模糊控制系統(tǒng)特點與應用模糊控制系統(tǒng)作為一類智能控制系統(tǒng)，它必然和其他所有的自動控制系統(tǒng)一樣，具有某些共性。模糊控制從廣義上講，是基于模糊推理，模仿人的思維方式，對難以建立精確度數(shù)學模型的對象實施的一種控制策略。它是模糊數(shù)學同控制理論相結合的產物，同時也是智能控制的重要的組成部分。其突出特點在于：（1）控制系統(tǒng)的設計不要求知道被控對象的精確數(shù)學模型，只要提供現(xiàn)場操作人員的經驗知識和操作流程。（2）控制系統(tǒng)的魯棒性強，適應于解決常規(guī)控制難以解決的非線性、時變及大時延純滯后等問題。（3）以語言變量代替常規(guī)的數(shù)學變量，易于形成專家的“知識”。（4）控制推理采用“不精確推理”。推理過程模仿人的思維過程。由于介入了人類的經驗，因而能夠處理復雜甚至“病態(tài)”的系統(tǒng)。模糊控制在理論上突飛猛進的同時，也越來越多地、成功的應用于現(xiàn)實世界中。傳統(tǒng)的控制理論（包括經典控制理論和現(xiàn)代控制理論）是利用受控對象的數(shù)學模型（即傳遞函數(shù)模型或狀態(tài)空間模型）對系統(tǒng)進行定量分析，而后設計控制策略。這種方法由于其本質的不相容性，當系統(tǒng)變的復雜的時候難以對其工作特性進行精確的描述，而且這樣的數(shù)學模型結構也不利于表達和處理有關受控對象的一些不確定信息，更不便于利用人的經驗、知識、技巧和直覺推理，所以難以對復雜的系統(tǒng)進行有效的控制。經典的模糊控制器利用模糊集合理論將專家知識或操作人員經驗形成的語言規(guī)則直接轉化為自動控制策略（通常是模糊規(guī)則查詢），其設計不依靠對象精確數(shù)學模型，而是利用其語言知識模型進行設計和修正控制算法。4.2模糊控制系統(tǒng)的組成模糊控制系統(tǒng)通常由模糊控制器、輸入/輸出接口，執(zhí)行機構、被控對象和測量裝置等五部分。其中模糊控制器的結構決定了一個模糊控制系統(tǒng)的性能優(yōu)劣。如圖4-1所示：圖4-1模糊控制器的基本結構由上圖可以看出，模糊控制器主要由模糊化接口、知識庫631024976、模糊推理機、解模糊接口四部分組成，各部分的作用概述如下。1.模糊化(Fuzzification)模糊化接口接受的輸入只有誤差信號，由再生成誤差變化率或誤差的差分，模糊化接口主要完成以下兩項功能：（1）論域變換：和都是非模糊的普通變量，它們的論域（即變化范圍）是實數(shù)域上的一個連續(xù)閉區(qū)間，稱為真實論域，分別用X和Y來代表。在模糊控制器中，真實論域要變換到內部論域和。如果內部論域是離散的（有限個元素），模糊控制器稱為“離散論域的模糊控制器”(D－FC)，如果內部論域是連續(xù)的（無窮多個元素），模糊控制器稱為“連續(xù)論域的模糊控制器”(C－FC)。對于D－FC，，＝{0±整數(shù)}；對于C—FC，，＝[－l，1]。無論是D－FC還是C－FC，論域變換后，變成，，相當乘了一個比例因子（還可能有偏移）。（2）模糊化：論域變換后和仍是非模糊的普通變量，對它們分別定義若干個模糊集合，如：“負大”(NL)、“負中”(NM)、“負小”(NS)、“零”(Z)、“正小”(PS)、“正中”(PM)、“正大”(PL)，…，并在其內部論域上規(guī)定各個模糊集合的隸屬函數(shù)。在t時刻輸入信號的值，經論域變換后得到，，再根據(jù)隸屬函數(shù)的定義可以分別求出，對各模糊集合的隸屬度，如、、…，這樣就把普通變量的值變成了模糊變量（即語言變量）的值，完成了模糊化的工作。，既代表普通變量又代表模糊變量，作為普通變量時其值在論域，中，是普通數(shù)值；作為模糊變量時其值在論域[0，1]中，是隸屬度。2.知識庫（Knowledgebase)它們決定著模糊控制器的性能，是模糊控制器的核心。知識庫又分為兩部分：(1)數(shù)據(jù)庫（database）存貯著有關模糊化、模糊推理、解模糊的一切知識，如前面已經介紹的模糊化中的論域變換方法、輸入變量各模糊集合的隸屬函數(shù)定義等，以及將在下面介紹的模糊推理算法，解模糊算法，輸出變量各模糊集合的隸屬函數(shù)定義等。(2)規(guī)則庫（rulebase）包含一組模糊控制規(guī)則，即以“IF…，THEN…”形式表示的模糊條件語句，如R1：ifisA1andisB1，thenisC1，R2：ifisA2andisB2，thenisC2，……Rn：ifisAnandisBn，thenisCn。其中，和就是語言變量和，Al，A2，…，An是的模糊集合，B1，B2，…，Bn是的模糊集合，Cl，C2，…，Cn是的模糊集合。每條控制規(guī)則是一個在積空間中的模糊關系，，，，如果皆為離散論域，還可以寫出模糊關系矩陣，i＝1，2，…，n。規(guī)則庫中的n條規(guī)則是并列的，它們之間是“或”的邏輯關系，因此整個規(guī)則集的模糊關系為R=（4-1）3.模糊推理機（inferenceengine）在t時刻若輸入量為和，，，若論域都是離散的，在上對應矢量，在上對應矢量，則推理結果是上的矢量，（4-2）4.解模糊（defuzzification）解模糊可以看作是模糊化的反過程，它要由模糊推理結果產生控制的數(shù)值，作為模糊控制器的輸出。解模糊接口主要完成以下兩項工作。⑴解模糊：對也要由真實論域Z變換到內部論域，對定義若干個模糊集合，并規(guī)定各模糊集合的隸屬函數(shù)。模糊推理是在內部論域上進行的，因此得到的推理結果，上的模糊矢量，其元素為對的某個模糊集合的隸屬度。對于某組輸入，，一般會同時滿足多條規(guī)則(稱為激活)，因此會有多個推理結果，i為不同的模糊集合，并用某種解模糊算法(如最大隸屬度法)，即可求得此時的內部控制量。⑵論域反變換：得到的，進行論域反變換即得到真正的輸出，它仍然是非模糊的普通變量。4.3模糊控制器結構的研究4.3.1PID模糊控制器在一般的模糊控制系統(tǒng)中，考慮到模糊控制器實現(xiàn)的簡易型和快速性，通常采用二維模糊控制器結構形式。而這類控制器都是以系統(tǒng)誤差E和誤差變化率EC為輸入語句變量，因此它具有類似于常規(guī)的PD控制器的作用。由線性控制理論可知，采用該類模糊控制器的系統(tǒng)有可能獲得良好的動態(tài)性能，但無法消除靜態(tài)誤差。（1）模糊積分的引入為了改善模糊控制器的穩(wěn)定性能，通常在模糊控制器中引入模糊積分。一個簡單的模糊控制系統(tǒng)見圖4-2。采用了一維模糊控制器，設其輸入變量在論域E上的模糊子集是（i=1,2…m）;輸出變量在論域上的模糊子集是（j=1,2..n）并且滿足<、<.系統(tǒng)為恒值模糊控制即控制目標是使E盡可能小。通過模糊控制器的控制作用，使得系統(tǒng)在擾動量的作用時，其誤差仍落在期望模糊子集，現(xiàn)基于專家知識的模糊控制規(guī)則為：IfE=,then=IfE=,then=E、U分別為e與u的語言變量，并且>,>.若該模糊控制器的模糊關系為，則有U=e*。假使初始條件為e=，=，系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)。在外界擾動作用下系統(tǒng)輸出c偏離給定值，使誤差e=。由于模糊控制器按推理式給出=，但在=的控制下，使得偏差e重新滿足e=，即系統(tǒng)達到原來的平衡狀態(tài)。但是一旦當=，模糊控制器輸出馬上變?yōu)?；剛剛達到的平衡又將不存在。系統(tǒng)將產生極限環(huán)振蕩現(xiàn)象。要想消除這種余差，根據(jù)線性控制理論，必須在控制器內引入積分分量。圖4-2簡單的模糊控制系統(tǒng)（2）模糊積分引入方式1988年由M.Basseville提出的一種PID模糊控制器，如圖4-3所示它是一種對誤差e的模糊值進行積分PID模糊控制器。這種模糊積分要消除極限環(huán)的振蕩必要條件是<-，式中，是指模糊控制器輸出||的非零最小值，其中為被控制量u(t)的給定值。為判定系統(tǒng)進入“模糊穩(wěn)定”的最小允許誤差值。圖4-3PID模糊控制器這種對誤差的模糊值進行積分的PID模糊控制器可以用來消除大的系統(tǒng)余差，但是要消除零點附近的極限環(huán)振蕩必須使縮小，這就需要增加控制規(guī)則數(shù)，然而相應的增加了模糊控制器設計的復雜程度。4.3.2控制器的結構模糊自適應PID控制就是在PID控制系統(tǒng)的基礎上引入模糊推理機，以系統(tǒng)偏差以及偏差變化率作為模糊推理機的輸入，并將PID控制器的三個參數(shù)的修正值為輸出，實時的根據(jù)系統(tǒng)的響應調節(jié)PID控制器，以達到較高的控制效果。通常的二維模糊控制器都是以誤差和誤差變化作為輸入，而實際控制系統(tǒng)在過渡過程中，不同時域所要求的性能指標的重點是不同的。因此將時間作為控制策略的一個重要參考因子是非常必要的。圖4-4所示是一個模糊自適應PID控制器的結構圖。圖4-4模糊自適應PID控制器結構-設定值;.-偏差模糊量;-比例系數(shù);e,-偏差;.-偏差變化速度模糊量;-積分系數(shù);偏差變化速度;-被調整量;-微分系數(shù);Ec-偏差變化速度。4.4模糊PID復合控制算法4.4.1傳統(tǒng)的PID算法PID控制技術是基于反饋的控制方法，反饋理論的要素包括3個部分：測量、比較、和執(zhí)行。將測量值與期望值相比較，并用這個誤差來調節(jié)控制器進而實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制。圖4-5中給出了一個典型的閉環(huán)控制系統(tǒng)。其中D(s)表示控制器，G(s)表示廣義對象。該系統(tǒng)的的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：（4-3）系統(tǒng)結構圖如圖4-5所示：圖4-5典型的閉環(huán)控制系統(tǒng)工程上PID參數(shù)的整定大致有以下四種方法：（1）衰減曲線法衰減曲線法是在總結臨界比例帶法基礎上發(fā)展起來的，它是利用比例作用下產生的4:1衰減振蕩(ψ=0.75)過程時的調節(jié)器比例帶δ及過程衰減周期，或10:1衰減振蕩(ψ=0.9)過程時調節(jié)器比例帶δ及過程上升時間，據(jù)經驗公式計算出調節(jié)器的各個參數(shù)。（2）臨界比例帶法臨界比例帶法又稱邊界穩(wěn)定法，其要點是將調節(jié)器設置成純比例作用，將系統(tǒng)投入自動運行并將比例帶由大到小改變，直到系統(tǒng)產生等幅振蕩為止。這時控制系統(tǒng)處于邊界穩(wěn)定狀態(tài)，記下此狀態(tài)下的比例帶值，即臨界比例帶以及振蕩周期，然后根據(jù)經驗公式計算出調節(jié)器的各個參數(shù)?？梢钥闯雠R界比例帶法無需知道對象的動態(tài)特性，直接在閉環(huán)系統(tǒng)中進行參數(shù)整定。（3）動態(tài)參數(shù)法動態(tài)參數(shù)法是在系統(tǒng)處于開環(huán)狀態(tài)下，作對象的階躍擾動試驗，根據(jù)記錄下的階躍響應曲線求取一組特征參數(shù)、(無自平衡能力對象)或、、(有自平衡能力對象)，再據(jù)經驗公式計算出調節(jié)器的各個參數(shù)。（4）經驗法如果調節(jié)系統(tǒng)在運行中經常受到擾動影響，那么要得到閉環(huán)系統(tǒng)確切的階躍響應曲線就很困難，因此臨界比例法和衰減曲線法都不能得到滿意的結果。通過長期實踐，人們總結了一套參數(shù)整定的經驗，稱之為經驗法。經驗法可以說是根據(jù)經驗進行參數(shù)試湊的方法，它首先根據(jù)經驗設置一組調節(jié)器參數(shù)，然后將系統(tǒng)投入閉環(huán)運行，待系統(tǒng)穩(wěn)定后作階躍擾動試驗，觀察調節(jié)過程；如果過渡過程不令人滿意，則修改調節(jié)器參數(shù)，再作階躍擾動試驗，觀察調節(jié)過程；反復上述試驗，直到調節(jié)過程滿意為止。本設計對于PID控制器的參數(shù)采用試湊法整定。試湊法是通過計算機仿真或實際運行，觀察系統(tǒng)對典型輸入作用的響應曲線，根據(jù)各調節(jié)參數(shù)（）對系統(tǒng)響應的影響，反復調節(jié)試湊，直到滿意為止，從而確定PID參數(shù)。試湊時，可參考PID各參數(shù)對控制系統(tǒng)性能的影響趨勢，實行先比例、后積分、再微分的反復調整。①首先只確定比例系數(shù)，將由小變大，使系統(tǒng)響應曲線略有超調。此時若系統(tǒng)無穩(wěn)態(tài)誤差或穩(wěn)態(tài)誤差已小到允許范圍內，并且認為響應曲線已屬滿意，那么，只須用比例控制器即可，而最優(yōu)比例系數(shù)也就相應確定了。 ②若在比例調節(jié)的基礎上，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差太大，則必須加入積分環(huán)節(jié)。整定時先將第一步所整定的比例系數(shù)略為縮?。ㄈ鐬樵档?.8倍），再將積分時間常數(shù)置成一個較大值并連續(xù)減小，使得在保持系統(tǒng)良好動態(tài)性能的前提下消除穩(wěn)態(tài)誤差。這一步驟可反復進行，即根據(jù)響應曲線的好壞反復改變比例系數(shù)與積分時間常數(shù)，以期得到滿意的結果。③若使用PI控制器消除了穩(wěn)態(tài)誤差，但系統(tǒng)動態(tài)響應經反復調整后仍不能令人滿意，則可以加入微分環(huán)節(jié)，構成PID控制器。在整定時，先將微分時間常數(shù)設定為零，再逐步增加并同時進行前面①、②兩步的調整。如此逐步湊試，以獲得滿意的調節(jié)效果和控制參數(shù)。需要指出，PID控制器的參數(shù)對控制系統(tǒng)性能的影響通常并不十分敏感，因而參數(shù)整定的結果可以不唯一。最后由實驗試湊法得基本PID控制器的參數(shù)3，0.04，4。4.4.2模糊-PID復合控制算法設計本設計提出了模糊-PID復合控制算法用于爐溫控制系統(tǒng)之中。這種復合控制的基本思想是用偏差量的某一閾值來切換控制方式。當偏差值較大時采用模糊控制，依據(jù)偏差和偏差變化率的不同，選取相應的模糊控制規(guī)則找出最合適的控制；當偏差值小于該切換值時，采用PID控制方式，以減小系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。模糊-PID復合控制器系統(tǒng)原理圖見下圖4-6所示。圖4-6模糊PID原理框圖本系統(tǒng)PID控制器：（4-4）其中為當前時刻的控制量，為上一時刻的控制量，為當前時刻的給定量和檢測量的偏差，為上一時刻的偏差，為兩個時刻前的偏差。其基本算法如下：由E，EC及和的Fuzzy子集的隸屬度，再根據(jù)各Fuzzy子集的隸屬度賦值表和各參數(shù)的Fuzzy調整規(guī)則模型，運用Fuzz合成推理設計出的PID參數(shù)Fuzzy調整矩陣表，這是整定系統(tǒng)Fuzzy控制算法的核心。定義和調整算式如下：（4-5）（4-6）式中，和是PID控制器的參數(shù)，，是、的初始參數(shù)，它們通過常規(guī)方法得到。在線運行過程中，通過微機測控系統(tǒng)不斷檢測系統(tǒng)的輸出響應值，并實時的計算出偏差和偏差變化率，然后將它們模糊化得到E和EC，通過查詢Fuzzy調整矩陣即可得到、兩個參數(shù)的調整量，完成對控制器參數(shù)的調整。根據(jù)本設計溫控系統(tǒng)參數(shù)整定原則可知，此模糊控制器是以e、ec為輸入，以PID參數(shù)調節(jié)量、作為輸出的兩輸入兩輸出模糊控制器由對、的調節(jié)規(guī)律，形成控制規(guī)則，歸納如下相應的參數(shù)調節(jié)規(guī)則，其模糊控制表分別如表4-1，4-2所示：表4-1KP的控制規(guī)則調整表ECPBPMPSZONSNMNBΔKPEPBNBNBNMNMNMZOZOPMNBNMNMNMNSZOPSPSNMNMNSNSZOPSPSZONMNMNSZOPSPMPMNSNSNSZOPSPMPMPMNMZSZOPSPSPMPBPBNBZOZOPSPMPMPBPB表4-2Ki的控制規(guī)則調整表ECPBPMPSZONSNMNBΔKiEPBPBPBPMPMPSZOZOPMPBPBPMPSPSZOZOPSPBPMPSPSZONSNMZOPMPMPSZONSNMNMNSPSPSZONSNSNMNBNMZOZONSNSNMNBNBNBZOZONSNMNMNBNB的控制器PID控制器中，比例增量增大，可以加快響應速度，減少系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度，但是過大會使得系統(tǒng)產生超調，甚至導致不穩(wěn)定，反之減少，能使得系統(tǒng)穩(wěn)定于都增大，減少超調量，但卻降低了系統(tǒng)精度，使得過渡過程時間延長。因此，實現(xiàn)自調整將可以隨時改變系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)性能。我們可以在控制起始階段，適當?shù)陌逊旁谳^小的檔次，以減少各物理量初始化的沖擊，在過程中期，適當加上，以提高快速性和動態(tài)精度，而當過渡后期，又將調小，使系統(tǒng)超調減少，提高靜態(tài)穩(wěn)定性。在偏差論域E、偏差變化論域EC、比例系數(shù)修正參數(shù)論域、積分系數(shù)修正參數(shù)論域和微分系數(shù)修正參數(shù)論域上分別定義模糊子集為{負大，負中，負小，零，正小，正中，正大}，并簡記為{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}，模糊語言變量采用三角隸屬度函數(shù)。其中NB表示實際爐溫比給定爐溫很高，NM表示實際爐溫比給定爐溫高，NS表示實爐溫比給定爐溫有點高，ZE表示實際爐溫于給定爐溫相等，PS表示實際爐溫比給爐溫有點低，PM表示實際爐溫比給定爐溫低，PB實際爐溫比給定爐溫很低。則輸入偏差對應的模糊論域為:E={-6，-5，-4，-3，-2，-1,0,1,2,3,4,5,6}設輸入的爐溫偏差變化用模糊語言變量的模糊集EC表示，即:EC=(NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB)對應的模糊論域為:EC={-6，-5，-4，-3，-2，-1,0,1,2,3,4,5,6}設控制量U的變化用模糊語言變量的模糊集U表示，即:U={NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB}。相關數(shù)據(jù)可參照下表：表4-3模糊變量E的賦值表e-6-5-4-3-2-10123456UEPB000000000000.51PM0000000000.510.50PS00000000.510.5000ZO000000.510.500000NS0000.510.50000000NM00.510.5000000000NB10.500000000000表4-4模糊變量EC的賦值表ec-6-5-4-3-2-10123456μECPB000000000000.51PM0000000000.510.50PS00000000.510.5000ZO000000.510.500000NS0000.510.50000000NM00.510.5000000000NB10.500000000000模糊控制的輸出是一個模糊量，這個模糊量不能直接控制被控過程，還需要將它轉換為一個精確量，這個轉換過程稱為解模糊，也稱其為判決。解模糊有三種方法：(1)最大隸屬度方法。根據(jù)模糊變量的賦值表，按控制規(guī)則運算可求出各相應輸出控制量。若對應的模糊判決的模糊子集為,則取該模糊子集中隸屬度最大的那個元素作為控制量。即滿足（4-7）這種方法簡單易行，算法實時性好，但是只考慮隸屬度最大點的控制作用。對于隸屬程度較小的點的控制作用沒有考慮，利用的信息量少。為了避免在模糊控制器輸出中出現(xiàn)隸屬度曲線為雙峰，要求控制器的算法應保證其結果是正規(guī)的凸模糊集。(2)取中位數(shù)方法。為了充分利用模糊子集所有的信息量，可以求出隸屬函數(shù)曲線與橫坐標之間的面積平分為兩部分的數(shù)，以此數(shù)作為判決的結果。(3)加權平均判決方法。這種方法是仿照普通加權平均法的計算公式，其控制量由下式決定：（4-8）對于權系數(shù)加權平均法，其控制量由下式求得：（4-9）權系數(shù)的選擇應根據(jù)實際情況來確定。當選擇時，式(4-8)與式(4-9)相同。對于模糊控制來說，選擇加權系數(shù)將直接影響系統(tǒng)的響應特性。本設計選用最大隸屬度方法來解模糊。在模糊控制系統(tǒng)中，模糊控制表是系統(tǒng)模糊控制算法的結果。該設計和的模糊控制表見表4-7、4-8。將這兩張表存放到計算機的存儲器中，查詢這兩張控制表就可以了。表4-7ΔKP的模糊控制表EC-6-5-4-3-2-10123456ΔKPE-63232333111000-52232323111000-43232333111000-33322233110111-22232211100111-1223211100021102232110111222111110022211222111101222122230000122333233400012233323235000122322232360001223332323表4-8ΔKi的模糊控制表EC-6-5-4-3-2-10123456ΔKiE-6-3-2-3-2-3-3-3-1-1-1000-5-2-2-3-2-3-2-3-1-1-1000-4-3-2-3-2-3-3-3-1-1-1000-3-3-3-2-2-2-3-3-1-10-1-1-1-2-2-2-3-2-2-1-1-100-1-1-1-1-2-2-3-2-1-1-1000-2-1-10-2-2-3-2-1-10-1-1-1-2-2-21-1-1-1-100-2-2-2-1-1-2-22-1-1-1-10-1-2-2-2-1-2-2-230000-1-2-2-3-3-3-2-3-34000-1-2-2-3-3-3-2-3-2-35000-1-2-2-3-2-2-2-3-2-36000-1-2-2-3-3-3-2-3-2-3第5章系統(tǒng)的軟件設計硬件電路確定之后，系統(tǒng)的主要功能將依賴于軟件來實現(xiàn)。對同一個硬件電路，配以不同的軟件，它所實現(xiàn)的功能也就不同，而且有些硬件電路的功能可用軟件來替代。因此，系統(tǒng)的設計很大程度上是軟件設計。5.1A/D轉換流程由于ICL7135的A/D轉換是自動進行的，完成一次A/D轉換后，選通脈沖的產生與80C51中斷的開放是不同步的。為了保證讀出數(shù)據(jù)的完整性，單片機80C51只對最高位的中斷請求做出相應，低位數(shù)據(jù)的輸入則采用查詢的方法。主程序通過中斷服務程序將A/D轉換結果送入單片機80C51片內RAM。當輸入一次完整的A/D轉換結果后，單片機通過查詢該標志位的狀態(tài)，再將結果數(shù)據(jù)送到8155的片內RAM單元中。其具體流程如圖5-1所示：圖5-1A/D轉換流程5.2D/A轉換流程調用D/A轉換子程序進入D/A轉換階段：首先對斷點進行現(xiàn)場保護，然后進行轉換并保存數(shù)據(jù)，當所有數(shù)據(jù)都轉換結束后，子程序返回。具體流程圖如圖5-2所示：圖5—2D/A轉換子程序流程圖5.3鍵盤顯示子程序流程圖5-2鍵盤顯示子程序5.4模糊PID控制流程設計系統(tǒng)首先模糊整定，然后根據(jù)誤差和誤差變化率對PID的3個參數(shù)進行在線調整，把經過模糊調整后的PID參數(shù)作為最終的控制參數(shù)進行PID控制。溫度誤差e和溫度誤差變化率△e的最壞情況值均取為100℃，在此建立的溫度誤差e和溫度誤差變化率△e的基本論域，數(shù)字量化確定e(k)的論域區(qū)間為[-128，128]。規(guī)定對溫度誤差e和溫度誤差變化率△e超過100℃．變換后的e和△e其動態(tài)范圍限幅壓縮，這樣就可以使溫度誤差和溫度誤差變化率△e在整個測控溫度變化范圍[0℃，1112℃]內,控制量都可以起到作用。圖5圖5-3模糊控制流程第6章仿真結果及分析6.1介紹仿真環(huán)境6.1.1MATLAB介紹MATLAB(MATrixLABoratory,即矩陣實驗室)是CleveMoler博士在NewMexico大學講授線性代數(shù)時，發(fā)現(xiàn)用高級語言編程極為不便而構思開發(fā)的。它是集命令翻譯、科學計算于一身的一套交互式軟件系統(tǒng)。MATLAB的典型應用包括數(shù)學和計算算術發(fā)展模型；模擬仿真和原型；數(shù)據(jù)分析、開發(fā)和可視化；科學和工程圖學；應用發(fā)展包括圖形用戶界面設計。MATLAB系統(tǒng)主要由以下幾個部分構成：（1）MATLAB編程語言。主要矩陣描述、函數(shù)等，主要特點是面向目標的編程（OOP）。(2)MATLAB工作環(huán)境。這個集成化的平臺為用戶進行各種各樣的操作提供了便利。（3）MATLA繪圖系統(tǒng)。用戶通過MATLAB可以繪制二維、三維等圖形，還可以進行圖像處理、動畫片制作等。另外，MATLAB允許用戶自己建造完整圖形用戶界面（GUIS）。（4）MATLAB的庫函數(shù)。數(shù)學和分析的功能在MATLAB工具箱中被組織成8個文件夾。（5）應用程序接口（API）。MATLAB允許用戶通過應用程序接口，編寫C、Fortran語言與MATLAB交互的交互程序。由于MATLAB的強大功能，MATLAB不僅流行于控制界，在生物醫(yī)學工程、語言處理、圖像信號處理、雷達工程、信號分析、計算機技術等行業(yè)都有廣泛的應用。6.1.2Simulink介紹

Simulink是一個用來對動態(tài)系統(tǒng)進行建模、仿真和分析的軟件包。它除了包括輸入模塊、輸出模塊、連續(xù)模塊、離散模塊、函數(shù)、和表模塊、數(shù)學模塊、非線性模塊、信號模塊以及子系統(tǒng)模塊外，還包括各個工具箱特有的模塊。Simulink可以用連續(xù)采樣時間、離散采樣時間或兩種混合的采樣時間進行建模，它也支持多速率系統(tǒng)，也就是系統(tǒng)中的不同部分具有不同的采樣速率。用戶可以利用這些模塊搭建自己的系統(tǒng)進行仿真，通過更改這些模塊的參數(shù)提高系統(tǒng)的性能，最終得到合乎自己設計要求的系統(tǒng)。Simulink與MATLAB®緊密集成，可以直接訪問MATLAB大量的工具來進行算法研發(fā)、仿真的分析和可視化、批處理腳本的創(chuàng)建、建模環(huán)境的定制以及信號參數(shù)和測試數(shù)據(jù)的定義。用戶只需用鼠標器選擇所需模塊在模型窗口上“畫出”模型(雙擊任何模塊，即可代開該功能塊來完成參數(shù)的設定)，然后用鼠標器將它們連接起來，就可以構成一個系統(tǒng)的框圖描述，亦即得出系統(tǒng)的SIMULINK描述。建立起系統(tǒng)模型后，用戶可通過選擇仿真菜單設置仿真控制參數(shù)，啟動仿真過程，然后通過輸出Scope(示波器)觀察系統(tǒng)的仿真結果。除此之外，用戶可以在改變參數(shù)后來迅速觀看系統(tǒng)中發(fā)生的變化情況。仿真的結果還可以存放到MATLAB的工作空間里做事后處理。6.2傳統(tǒng)PID控制器的設計在Simulink中創(chuàng)建用PID算法控制電阻爐溫度的結構圖如圖6-1所示：圖6-1傳統(tǒng)PID的系統(tǒng)結構圖傳統(tǒng)PID控制器的響應曲線如圖6-2：圖6-2傳統(tǒng)PID控制器的響應曲線電阻爐溫度控制系統(tǒng)是一個大慣性、純滯后系統(tǒng)，PID控制雖可以使系統(tǒng)達到穩(wěn)定，但是調節(jié)時間過長及超調量大，使得系統(tǒng)達不到理想的控制效果。所以本設計引入了模糊控制，它具有快速性、魯棒性好的特點，可以更好的控制系統(tǒng)。6.3模糊PID控制器的設計首先到MALTAB命令窗口中，輸入FUZZY回車，構建一個模糊控制器命名為wendu1.FIS,如圖6-3所示：圖6-3電阻爐模糊PID控制器可見模糊控制器的輸入變量為E和EC，輸出為控制變量f。本設計采用三角形隸屬度函數(shù)。圖6-4為隸屬度函數(shù)輸入量得曲線，圖6-5為隸屬度函數(shù)輸出量的曲線。圖6-4輸入量E、EC的隸屬函數(shù)曲線圖6-5輸出變量f的隸屬函數(shù)曲線6.4模糊PID控制器的系統(tǒng)仿真在Simulink中創(chuàng)建用模糊PID算法控制電阻爐溫度的結構圖如圖6-6所示：圖6-6模糊PID的系統(tǒng)結構圖Subsystem的結構圖如圖6-7所示：圖6-7Subsystem的結構圖模糊PID控制器的輸出曲線如圖6-8所示：圖6-8模糊PID控制器的輸出曲線從電加熱爐溫度控制的實際效果來看，模糊PID控制器具有以下特點：①系統(tǒng)具有較好動態(tài)特性。不僅升溫速度快，而且超調量很?。虎谙到y(tǒng)具有比較理想的穩(wěn)態(tài)品質，穩(wěn)態(tài)過程沒有振蕩，溫度控制精度在±3℃以內；③系統(tǒng)的抗干擾能力增強，對生產現(xiàn)場的各種噪聲和干擾具有較好的抑制作用；④當被控過程參數(shù)發(fā)生變化時，控制系統(tǒng)仍能保持較好的適應能力和魯棒性。結論本課題的任務是構建一個基于模糊PID的電爐溫度控制系統(tǒng)。在設計的這段時間內，我學到了很多東西，不僅鞏固了以前所學的知識，而且還學到了很多在書本上所沒學到的知識，這次設計使我懂得了理論與實踐相聯(lián)系是十分重要的。當然，在此次設計中，由于對一些前面學過的知識理解的不夠深刻，掌握的不夠牢，使得我發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處，但是通過查閱相關的資料并加以綜合，最后都得以解決了。在這次設計中最難的就是硬件電路的設計，不僅要保證每個電路的可行性，還需保證整個系統(tǒng)的可實現(xiàn)。再接下來就是控制算法的設計?？傊?，這次畢業(yè)設計使得我深刻的認識到必須通過各種途徑去學習的重要性以及實踐能力是重中之中。參考文獻[1]李昌禧.智能儀表原理與設計[M].北京：化學工業(yè)出版社，2005.[2]邢偉，潘海鵬.電阻爐智能溫度控制系統(tǒng)的設計與仿真研究.浙江理工大學學報，2008.[3]MATLAB界面設計與編譯技巧.北京電子工業(yè)出版社，2006.[4]李朝青.單片機原理及接口技術.北京航空航天大學出版社，2006[5]馬占有.模糊PID控制技術在烘干爐單片機溫度控制系統(tǒng)中的應用研究.西北第二名族學院,2007.[6]李躍忠，李昌禧.多功能智能調節(jié)儀開關電源設計[J].華東理工學院學報，2005.[7]張永立.預測模糊自整定PID集成控制系統(tǒng)在溫度控制中的應用研究.河北科技大學學報，2006.[8]李洪亮.基于模糊自適應PID的電阻爐溫度控制系統(tǒng).吉林化工學院學報，2007.[9]方彥軍，孫健.智能儀器技術及其應用[M].北京：化學工業(yè)出版社，2004.[10]馬天艷，馬天虹.熱電偶測溫及其冷端溫度補償[J].計量裝置及應用，2005，[11]曾光奇，胡均安.模糊控制理論與工程應用.華中科大出版社，2006.[12]趙文杰，劉吉臻，金秀章，王東鳳.時滯工業(yè)對象的一種建模及控制方法[J].華北電力大學學報，2001，28(4):29-32.[13]邵裕森.過程控制及儀表.上海交通大學出版社，2008.[14]時文飛.基于人工神經網絡與PID的復合控制研究.重慶大學，2007.[15]劉小河，王永杜，侯浩錄.數(shù)字模型參考自適應控制算法在電弧電極控制中的仿真[J].系統(tǒng)仿真學報，2005，17(3):685-692。[16]金波，周渝曦，寧德勝，翁振濤.基于單片機的網絡型智能多點溫度控制器[J].機電工程，2006，23(l):12-15.[17]朱組濤，毛靜濤.自動化儀表的重大變革—論現(xiàn)場總線智能儀表[J].上海電力學院學報，2000，16(4):35-40.[18]徐建林，陳超.模糊控制在熱處理電阻爐中的應用研究「J」.熱加工藝2002，(5):58-60.[19]李東風.微型計算機控制技術的發(fā)展及應用「J」.中國科技信息，2007，7:103-105.[20]張建民等.自適應模糊爐溫控制系統(tǒng)「J〕.基礎自動化，2001，8(2):21一22.[21]ASTROMKJ，HAGGLUNDT.PIDContro11ers:TheoryDesign，andTuning[J〕.InstrumentSocietyofAlneriea，1995，04(4):11一15.[22]SLJANG，JKLIN.Temperature-dependenceofSteady-stateCharacteristicsofSCR-typeESDProtetionCireuit[J].Solid-StateEleetron，2000，44:2139-2146.[23]SLJANT，SHLIN，LSLIN.AnSCR-typeESDProteetionCireuitwithVariableHoldingVoltage[J〕.Solid一StateEleetron，2001，45(5):689一696.[24]ZhangBinWangJing-cheng,ZhangJian-min,Dynamicmodelofreheatingfurnacebasedonfuzzysystemandgeneticalgorithm.ControlTheory&Application,2003,20(2):293-296.[25]TS.K.andFung,Y.H.MethodologicalDevelopmentofFuzzy-logicControllersfromMultivariableLinearControl.IEEETransSystems,ManandCybernetics,1997,27(3):125-127.[26]Honda,Hiroyuki,Kobayashi,Takenshi.FuzzyControlofBioprocess.JournalofBioscienceandBioengineering,2000:401-408.[27]StuartBennett.ThepastofPIDcontrollers.AnnualReviewsinControl.2001,25:43-53.[28]ShuH.L.Pi，Y.G.PIDneuralnetworksfortime-delaysystems.ComputersandChemicalEngineering.2000(24):859-86