基于模糊控制算法的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計畢業(yè)論文

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1、基于模糊控制算法的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計 摘要：以AT89C2051單片機為模糊控制器，結(jié)合溫度傳感變送器、A/D轉(zhuǎn)換器、LED顯示器、固態(tài)繼電器等，組成一個基于模糊控制算法的溫度控制系統(tǒng)。 在此系統(tǒng)中，單片機將給定的溫度與測量溫度的相比較，得出偏差量。然后根據(jù)模糊控制算法得出控制量。采用模擬的PWM控制方法，改變同一個周期中固態(tài)繼電器的導(dǎo)通時間，從而調(diào)節(jié)電爐溫度，達到控制的目的。 從仿真結(jié)果可以看出，系統(tǒng)達到了預(yù)期目標。 關(guān)鍵詞：單片機；模糊控制；測量變送 Abstract: Using the AT89C2051 single chip computer as the

2、Fuzzy controller, with temperature measure and adjust-convection instrument, A/D transformer , LED displayer, solid switch and so on, form a temperature control which based on Fuzzy control arithmetic. In such system, the single chip computer educe the control value based on the difference betwe

3、en the initialization and the measure value. Solid switch used as a analog PWM converter executor, change the close time in a decided periods, which aimed at control the temperature. Seen from the emulation result, system has reach the target. Keywords: Single chip microcomputer, Fuzzy control, me

4、asure and adjust-convection 1引言 溫度控制在工業(yè)自動化控制中占有非常重要的地位。但是其控制對象存在著很大的時滯性和對象模型的不精確性[1]，采用一般的控制方法如PID控制，都不能很好地滿足要求。將模糊控制方法運用到溫度控制系統(tǒng)中，可以克服溫度控制系統(tǒng)中存在的嚴重的滯后現(xiàn)象，在提高采樣頻率的基礎(chǔ)上可以很大程度的提高控制效果和控制精度[2]。 基于模糊控制算法的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計達到的目標： （1）被控對象可以是電爐或燃燒爐，溫度控制在0~100℃，誤差為0.5℃; （2）恒溫控制; （3）LED實時顯示系統(tǒng)溫度，用鍵盤輸入溫度; （4）采用模糊算法，要

5、求誤差小，平穩(wěn)性好。 2模糊溫度控制系統(tǒng)的組成 TL2551 89C2051 固態(tài)繼電器 LED顯示 DDZ—Ⅲ熱電偶溫度變送器 鍵 盤 電爐 溫度 圖1模糊溫度控制系統(tǒng)的組成 2.1硬件組成 系統(tǒng)硬件由單片機、A/D轉(zhuǎn)換器、LED顯示器、集成的熱電偶溫度變送器、固態(tài)繼電器、大功率發(fā)熱器、LED顯示器等組成。如圖1所示。 2.2工作原理 由集成的熱電偶變送器對系統(tǒng)溫度進行檢測，并完成信號標準化、變送功能。單片機執(zhí)行模糊控制功能、由固態(tài)繼電器控制大功率發(fā)熱器電源的導(dǎo)通與斷開，從而達到控制溫度的目的[3]。 其主要特點有： (1) 在完成所要求的任務(wù)的基礎(chǔ)之上還有

6、著結(jié)構(gòu)簡單、明了的特點，很容易實現(xiàn)，而且在一定的程度上節(jié)約成本。 (2) 由于采用了離線的方法進行模糊運算，實現(xiàn)起來較容易。 (3) 采用了無污染能源，保護環(huán)境。同時也省去了為建造燃料供應(yīng)子系統(tǒng)的費用，節(jié)約了成本。采用了模擬的PWM變換，和固態(tài)繼電器。可以將采樣頻率提高到很多的水平，使控制精度更高、實時性更好。 3 系統(tǒng)設(shè)計 整個系統(tǒng)由軟件和硬件兩部分組成。 3.1硬件設(shè)計 系統(tǒng)硬件由電源電路，溫度檢測變送電路、模數(shù)接口轉(zhuǎn)換電路、單片機最小系統(tǒng)和人機接口等部分組成。系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。 單片機最小系統(tǒng) 電源 顯示器 AT24c01 檢測變換電路 鍵盤 TC

7、L2551 執(zhí)行器 圖2 系統(tǒng)原理框圖 3.1.1 溫度檢測與變送環(huán)節(jié) DDZШ熱電偶溫度變送器可以把溫度轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的標準信號（DC4~20mA或DC1~5V），其輸出送顯示儀表或調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器實現(xiàn)對溫度的顯示或自動控制。DDZ-Ш熱電偶溫度變送器具有熱電偶冷端溫度補償、零點調(diào)整、零點遷移、量程調(diào)整以及線性化等重功能[4]。 3.1.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換接口電路 按照設(shè)計指標，精度要求在0.5℃。用12位A/D器，其輸入電壓為0~5V時對應(yīng)的輸出為0~4096，設(shè)計要求溫度控制在0~100℃。我們可以將100℃時A/D輸出為1000，這樣

8、其精度可以達到0.1℃，完全滿足設(shè)計的要求。前面已經(jīng)說明變送器的輸出為1~5V，所以可以調(diào)節(jié)送器的量程，0℃時變送器輸出為1.22V,而A/D轉(zhuǎn)換的輸出為1000;100℃時輸出2.44V，A/D輸出為2000。通過以上設(shè)定，在保證了很大的裕量的同時又減小了其計算的復(fù)雜性。其輸出值=溫度10，運算的時候根本不用采用浮點數(shù)運算，只要一個雙字節(jié)無符號數(shù)減法、除法即可以完成，且在顯示的時候也可以精確顯示到小數(shù)點后面一位[4]。 3.1.3 人機交互接口 (1) 本顯示電路共設(shè)了四位，分別用于顯示溫度的百、十、個、小數(shù)位。所以顯示的溫度可以精確到小數(shù)點后一位，即0.1℃。 (2) 鍵盤在系統(tǒng)功能

9、的實現(xiàn)過程中起著不可或缺的作用。在硬件上，采用串行接口，由一個74HC164，其8個輸出口作為矩陣鍵盤的列線，再由89C2051的P1.1、P1.2作為行線組成，每根線上都加一個上拉電阻，用于減小干擾。整個鍵盤共設(shè)16個鍵。0~9數(shù)字鍵、設(shè)定、上限、下限溫度鍵、下翻、關(guān)機鍵、確認鍵[5]。 (3) 為使系統(tǒng)的人機交互界面更好，設(shè)置了兩路報警信號，顯示越限報警(當(dāng)系統(tǒng)溫度超過或低于上、下溫度時)和誤輸入報警（發(fā)生無輸入報警時）。 3.1.4執(zhí)行機構(gòu) 執(zhí)行機構(gòu)為一個固態(tài)繼電器，程序中采用了模擬的PWM變換方法。通過控制固態(tài)繼電器的導(dǎo)通與關(guān)斷達到控制電爐的通電和斷電的目的。 開始 初始化，

10、開中斷 移入設(shè)定值并顯示 調(diào)用鍵盤子程序 結(jié)束 圖3 主程序流程圖 3.2 軟件設(shè)計 系統(tǒng)的軟件部分以主程序為入口，在初始化之后調(diào)用鍵盤管理程序，完成對鍵盤的掃描，讀入鍵值，并根據(jù)相應(yīng)的鍵值進行各類操作。溫度采樣頻率由定時器控制，在每一次采樣完成之后進行模糊控制時間的計算和顯示刷新。 3.2.1主程序 主程序作為程序的入口，控制各類程序的調(diào)用。在系統(tǒng)中其主要的任務(wù)是調(diào)用鍵盤管理程序。鍵盤管理程序再掃描鍵盤完成用戶要求的任務(wù)。如圖3所示。 3.2.2 串行A/D轉(zhuǎn)換芯片的驅(qū)動和其輸出值的量化 圖4 tlc2551時序圖 (1) TLC2551的驅(qū)動 前面已經(jīng)說明系統(tǒng)中采

11、用的A/D轉(zhuǎn)換芯片是串行的，所以在使用時必須按照其時序一步步的完成，由圖可以看出，在第6個脈沖時將12位的高4位移入存儲器中，到第14個脈沖時移入低8位脈沖。時序如圖4所示。 (2) A/D轉(zhuǎn)換值到溫度的量化子程序 當(dāng)讀入A/D轉(zhuǎn)換值后，將轉(zhuǎn)換值減去1000，再將其結(jié)果除以10，取商和余數(shù)。分別作為溫度的整數(shù)部分和小數(shù)部分，然后用同樣的辦法求出個、十、百位。 3.2.3鍵盤管理子程序 鍵盤有數(shù)字鍵和功能鍵。此程序用于判斷輸入的鍵是功能鍵還是數(shù)字鍵，如果是功能鍵則選擇相應(yīng)的功能或者在誤輸入的情況下報警，提醒操作者。 3.2.4定時中斷應(yīng)答子程序 (1) 定時中斷0中斷服務(wù)子程序 定

12、時中斷0用于等周期的進行A/D轉(zhuǎn)換（即溫度的采樣點數(shù)固定），并將采樣后的值作為模糊輸入量，再由模糊控制程序?qū)崿F(xiàn)由輸入量到輸出量的計算，再將計算出的控制量存儲在fuzztime寄存器中。并調(diào)用顯示程序刷新當(dāng)前系統(tǒng)的溫度。整個程序為順序執(zhí)行。 (2) 定時器1中斷服務(wù)子程序 定時器實現(xiàn)了模擬的PWM變換。即定時器1中存在一個周期時間（為20*10ms）。在這個時間內(nèi)定時器1在fuzztime個周期的時間內(nèi)將執(zhí)行器通電，其余的周期時間（20-fuzztime）執(zhí)行器不通電。 3.2.5 模糊運算子程序 模糊運算程序?qū)崿F(xiàn)了由A/D轉(zhuǎn)換值到模糊控制值的運算。其中包含了求差量化和查模糊表等子程序

13、。偏差e=現(xiàn)行溫度值─設(shè)定溫度值，其模糊集合可以表示為{負大（NB）、負小（NS）、零（Z0）、正?。≒S）、正大（PB）}并將其大小量化為九個等級：-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4。其論域E為E={-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4}。 圖5 系統(tǒng)的模糊關(guān)系R 根據(jù)熟練操作人員手工控制經(jīng)驗，模糊控制規(guī)則如下： 1）IF E=NB THEN U=PB 2）IF E=NS THEN U=PS 3）IF E=ZO THEN U=ZO 4）IF E=PS THEN U=NS 5）IF E=PB THEN U=NB 上述模糊控制規(guī)則為一多重模糊條件語句

14、，則由偏差量E到控制量U的模糊關(guān)系R可以表示為： 實際運用過程中，可以將-4~4量化為0~8，減少符號數(shù)的運算。另外為了減少程序，可由差值e量化后直接求出控制量，而不必要對控制量進行反量化，具體過程如表1所示。 表1 簡化后的實際溫差與實際輸出的關(guān)系表 實際溫差（℃） -5 -0.5 -0.2 -0.1 0 +0.1 +0.2 +0.5 +5 e 0 1 2 3 4 5 6 7 8 實際輸出 20 10 5 3 2 1 0 0 0 注：數(shù)值為每20個周期內(nèi)的導(dǎo)通周期數(shù) 模糊運算子程序與求差量化子程序的流程圖如圖6和圖7所

15、示。 yn nn 圖6 模糊運算子程序的流程圖 入口 求差 值并量化 由差值量化值求fuzztime 返回 保存 入口 差值為正？ 量化 負數(shù)求原碼 返回 A/D值－１０００ 圖7.求差量化子程序 此外還包含了各類子程序如用于讀寫片外E2PROM的讀寫程序及鍵盤掃描程序、顯示數(shù)據(jù)的顯示子程序及配合芯片時序的延時子程序等，這里不一一詳述。 4 系統(tǒng)仿真與分析 圖8 輸入溫度為95℃、45℃時的系統(tǒng)響應(yīng)曲線 系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖8所示。 （1）可以看出當(dāng)?shù)谝淮螠y試時，由于參數(shù)不準，所以出現(xiàn)了誤差較大，達不到系統(tǒng)指標。

16、而經(jīng)過不斷調(diào)整參數(shù)，系統(tǒng)達到了預(yù)期的控制效果。 （2） 當(dāng)參數(shù)調(diào)好后，重新設(shè)置輸入溫度。可以看出在t1以前系統(tǒng)全速加熱，但由于自然散熱，曲線并不是直線。而溫度上升到48℃時上升斜率減小，到相差0.5℃時更小，最終系統(tǒng)誤差在0.5℃以內(nèi)。 綜上所述，系統(tǒng)采用模糊控制算法，在控制精度上完全達到了控制要求。 5 結(jié)論 基于模糊算法的溫度控制系統(tǒng)，利用溫度傳感變送器，將采樣到的溫度信號輸入到單片機中，再由單片機作為模糊控制器，根據(jù)測量溫度與設(shè)定溫度的差值和模糊算法生成控制信號，控制電爐的通電與斷電。整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、所用芯片少、控制精度高。在鍵盤、A/D轉(zhuǎn)換、顯示電路上都采用了串行方式，從而減

17、小了單片機口線的使用，也使使用口線小的單片機成為可能，減小了成本開支。 很顯然，基于模糊算法的溫度控制系統(tǒng)能夠滿足一般溫度控制系統(tǒng)的要求，其有著控制精度高、算法簡單、成本低的優(yōu)點，有著很大的市場前景。當(dāng)然,系統(tǒng)同時也存在幾點缺點。在選擇模糊控制器時用了速度相對較慢的單片機，而沒有采用速度更快的工控機，一定程度上降低了采樣頻率。采用了89C2051，一方面系統(tǒng)更緊湊但同時系統(tǒng)的可擴展性大大降低；采用了經(jīng)典的模糊控制理論，雖然算法簡單，但如果采用更先進的模糊算法，如模糊PID，則控制精度會更高。 參考文獻 [1] 章衛(wèi)國.模糊控制理論與應(yīng)用[M].陜西：西北工業(yè)大學(xué)出版社，1999.10：10-12,78-79 [2] 劉曙光,魏俊民.模糊控制技術(shù)[M].北京:中國防治出版社，2001.6:20,24 [3] Leonhard W. Control of Electrical Drives Springer-Verlag,1985:73 [4] 郁有文,程繼紅.傳感器原理及工程應(yīng)用[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2003.7:20-30 [5] 吳炳勝,王桂梅.80C51單片機原理與應(yīng)用[M].北京：冶金工業(yè)出版社 2001：3-4 [6] 趙晶.PROTEL高級應(yīng)用[M]:人發(fā)郵電出版社,2002.12:224-226 6