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1、一 绪论1.1 应用场合在人类的生活环境中，温度扮演着极其重要的角色。无论你生活在哪里，从事什么工作，无时无刻不在与温度打着交道。自 18 世纪工业革命以来，工业发展与是否能掌握温度有着密切的联系。在冶金、钢铁、石化、水泥、玻璃、医药等行业，可以说几乎 80%的工业部门都不得不考虑着温度的因素。温度不但对于工业如此重要，在农业生产中温度的监测与控制也有着十分重要的意义。今天，我们的生活环境和工作环境有越来越多称之为单片机的小电脑在为我们服务。单片机在工业控制、尖端武器、通信设备、信息处理、家用电器等各测控领域的应用中独占鳌头。时下，家用电器和办公设备的智能化、遥控化、基于单片机的温度测控系统在
2、温室大棚中的设计与实现模糊控制化己成为世界潮流，而这些高性能无一不是靠单片机来实现的。1.2 温度测控技术的发展与现状近年来，温度的检测在理论上发展比较成熟，但在实际测量和控制中，如何保证快速实时地对温度进行采样，确保数据的正确传输，并能对所测温度场进行较精确的控制，仍然是目前需要解决的问题。温度测控技术包括温度测量技术和温度控制技术两个方面。在温度的测量技术中，接触式测温发展较早，这种测量方法的优点是：简单、可靠、低廉、测量精度较高，一般能够测得真实温度；但由于检测元件热惯性的影响，响应时间较长，对热容量小的物体难以实现精确的测量，并且该方法不适宜于对腐蚀性介质测温，不能用于超高温测量，难于
3、测量运动物体的温度。另外的非接触式测温方法是通过对辐射能量的检测来实现温度测量的方法，其优点是：不破坏被测温场，可以测量热容量小的物体，适于测量运动物体的温度，还可以测量区域的温度分布，响应速度较快。但也存在测量误差较大，仪表指示值一般仅代表物体表观温度，测温装置结构复杂，价格昂贵等缺点。因此，在实际的温度测量中，要根据具体的测量对象选择合适的测量方法，在满足测量精度要求的前提下尽量减少投入1。温度控制技术按照控制目标的不同可分为两类：动态温度跟踪与恒值温度控制。动态温度跟踪实现的控制目标是使被控对象的温度值按预先设定好的曲线进行变化。在工业生产中很多场合需要实现这一控制目标，如在发酵过程控制
4、，化工生产中的化学反应温度控制，冶金工厂中燃烧炉中的温度控制等;恒值温度控制的目的是使被控对象的温度恒定在某一给定数值上，且要求其波动幅度(即稳态误差)不能超过某允许值。本文所讨论的基于单片机的温度控制系统就是要实现对温控箱的恒值温度控制要求，故以下仅对恒值温度控制进行讨论。从工业控制器的发展过程来看，温度控制技术大致可分以下几种：1.3.1 定值开关控温法所谓定值开关控温法，就是通过硬件电路或软件计算判别当前温度值与设定目标温度值之间的关系，进而对系统加热装置(或冷却装置)进行通断控制。若当前温度值比设定温度值高，则关断加热器，或者开动制冷装置;若当前温度值比设定温度值低，则开启加热器并同时
5、关断制冷器。这种开关控温方法比较简单，在没有计算机参与的情况下，用很简单的模拟电路就能够实现。目前，采用这种控制方法的温度控制器在我国许多工厂的老式工业电炉中仍被使用。由于这种控制方式是当系统温度上升至设定点时关断电源，当系统温度下降至设定点时开通电源，因而无法克服温度变化过程的滞后性，致使被控对象温度波动较大，控制精度低，完全不适用于高精度的温度控制。1.3.2PID 线性控温法这种控温方法是基于经典控制理论中的 PID 调节器控制原理，PID 控制是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单、鲁棒性好、可靠性高等优点被广泛应用工业过程控制中，尤其适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统。由
6、于 PID 调节器模型中考虑了系统的误差、误差变化及误差积累三个因素，因此，其控制性能大大地优越于定值开关控温。其具体控制电路可以采用模拟电路或计算机软件方法来实现 PID 调节功能。前者称为模拟 PID 控制器，后者称为数字 PID 控制器。其中数字 PID 控制器的参数可以在现场实现在线整定，因此具有较大的灵活性，可以得到较好的控制效果。采用这种方法实现的温度控制器，其控制品质的好坏主要取决于三个 PID 参数（比例值、积分值、微分值） 。只要 PID 参数选取的正确，对于一个确定的受控系统来说，其控制精度是比较令人满意的。但是，它的不足也恰恰在于此，当对象特性一旦发生改变，三个控制参数也
7、必须相应地跟着改变，否则其控制品质就难以得到保证。1.3.3 智能温度控制法为了克服 PID 线性控温法的弱点，人们相继提出了一系列自动调整 PID 参数的方法，如 PID 参数的自学习，自整定等等。并通过将智能控制与 PID 控制相结合，从而实现温度的智能控制。智能控温法以神经网络和模糊数学为理论基础，并适当加以专家系统来实现智能化。其中应用较多的有模糊控制、神经网络控制以及专家系统等。尤其是模糊控温法在实际工程技术中得到了极为广泛的应用。目前已出现一种高精度模糊控制器，可以很好的模拟人的操作经验来改善控制性能，从理论上讲，可以完全消除稳态误差。所谓第三代智能温控仪表，就是指基于智能控温技术
8、而研制的具有自适应 PID 算法的温度控制仪表。目前国内温控仪表的发展，相对国外而言在性能方面还存在一定的差距，它们之间最大的差别主要还是在控制算法方面，具体表现为国内温控仪在全量程范围内温度控制精度比较低，自适应性较差。这种不足的原因是多方面造成的，如针对不同的被控对象，由于控制算法的不足而导致控制精度不稳定。本次设计的模糊 PID 温度控制系统主要包括单片机控制模块，温度采集模块，温度显示模块，温度上下限调整模块，电机驱动模块和外部存储模块等六大部分。二 模糊 PID 控制理论2.1PID 控制器2.1.1PID 控制的发展PID 控制策略是最早发展起来的控制策略之一，现金使用的 PID
9、控制器产生并发展于 1915-1940 年期间尽管自 1940 年以来，许多先进的控制方法不断的推出，但由于 PID 控制具有结构简单、鲁棒性好、可靠性高、参数易于整定，P、I、D 控制规律各自成独立环节，可根据工业过程进行组合，而且其应用时期较长，控制工程师们已经积累大量的 PID 控制器参数的调节经验。因此，PID 控制器在工业控制中仍然得到广泛的应用，许多工业控制器仍然采用 PID控制器。PID 控制器的发展经历了液动式、气动式、电动式几个阶段，目前正由模拟控制器向着数字化、智能化控制器的方向发展3。2.1.2PID 控制理论PID 控制器是一种线性控制器，它根据给定值 r(t)与实际输
10、出值 y(t)构成控制偏 差 e(t)：式（2-1）)()()(tytrte 将偏差 e(t)的比例(Proportional)、积分(Integral)和微分(Derivative)通过线性组合 构成控制量，对被控对象进行控制，因此称为 PID 控制，PID 控制系统原理如 图 2-1 所示：图 2-1 PID 控制系统原理图其控制规律为式（2-2）)()(1)()(0tDPdttdeTdtteTteKtu或者写成传递函数形式为式（2-3）)11 ()(DS ISPTTKsG式 2-3 中：比例系数；：积分时间常数；：微分时间常数。PKIKDKPID 控制器各校正环节的作用如下：（1）比例环
11、节即时成比例地反映控制系统的偏差信号 e(t)，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差；（2）积分环节主要用于消除静差，提高系统的无差度。 ；（3）微分环节能够反映偏差信号的变化趋势(变化速率)，并且能在偏差信号值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间5。2.1.3PID 控制算法由于计算机控制是一种采样控制系统，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量。因此，式 2-3 中的积分和微分项不能直接使用，需要进行离散化处理现令 T 为采样周期，以一系列的采样时刻点 KT 代表连续时间 t，以累加求和近似代替积分以一阶后向差分近似代替微分做如下
12、的近似变换2：KTt 式（2-4）式（2- tkjkjjeTjTeTte 000)()()(5）式（2-6）Tkeke TTkeKTe dttde) 1()() 1()()(其中，T 为采样周期，e(k)为系统第 k 次采样时刻的偏差值，e(k-l)为系统第(k-l)次采样时刻的偏差值，k 为采样序号，k=0，1，2，。将上面的式 2-4 和式 2-5 代入式 2-6 则可以得到离散的 PID 表达式：式（2- kjDIPkekeTTjeTTkeKku0)1()()()()(7）如果采样周期了足够小，该算式可以很好的逼近模拟 PID 算式，因而使被控过程与连续控制过程十分接近。通常把式 2-7
13、 称为 PID 的位置式控制算法。若在式 2-7 中，令：（称为积分系数）IP ITTKK (称为微分系数）TTKKDP D则式（2- kjDIIkekeKjeKkeKku0)1()()()()(8）(2-8)式即为离散化的位置式 PID 控制算法的编程表达式。可以看出，每次输出与过去的所有状态都有关，要想计算 u(k)，不仅涉及 e(k)和 e(k-l)，且须将历次 e(j)相加，计算复杂，浪费内存。下面，推导计算较为简单的递推算式。为此，对(2-8)式作如下的变动：考虑到第（k-1）次采样时有：式（2-9)2() 1()() 1() 1(10kjDIPkekeTTjeTTkeKku）使（2
14、-8）两边对应减去（2-9）式得)2() 1(2)()() 1()() 1()(kekekeTTkeTTkekeKkukuDIP整理后得式（2-)2() 1()() 1()(210keakeakeakuku10）其中：； )1 (0TT TTKaDIP)21 (1TTKaD PTTKaD P2式（2-10）就是 PID 位置式的递推形式如果令，则：) 1()()(kukuku式（2-)2() 1()()(210keakeakeaku11）式中、同式（2-10）中一样。0a1a2a因为在计算机控制中式中、都可以事先求出，所以，实际控制时0a1a2a只须获得 、三个有限的偏差值就可以求出控制增量。
15、由)(ke) 1( ke)2( ke于其控制输出对应执行机构的位置的增量，故(2-11)式通常被称为 PID 控制的增量式算式3。增量式 PID 控制算法与位置式控制算法比较，有如下的一些优点：（1）位置式算法每次输出与整个过去状态有关，算式中要用到过去偏差的累加值，容易产生较大的累计误差。而增量式中只须计算增量，控制增)( je量的确定仅与最近几次偏差采样值有关，当存在计算误差或者精度不足时，对控制量的影响较小，且较容易通过加权处理获得比较好的控制效果；（2）由于计算机只输出控制增量，所以误动作影响小，而且必要时可以用逻辑判断的方法去掉，对系统安全运行有利；（3）手动与自动切换时冲击比较小5
16、。2.2 模糊控制原理2.2.1 模糊控制系统的基本概念在人参与的实际控制系统中，人们发现，有些有经验的操作人员，虽然不懂被控对象或者被控过程的数学模型，也不懂自动控制的基本原理，却能凭借经验采取相应的决策，很好的完成控制工作，如图 2-2 是典型的人机控制系统框图4。人控制对象信息图 2-2 典型人机控制系统框图操作者根据仪表显示的信息（包括声、光、及数字信息） ，获得系统的运行状态，然后操作者根据自己以往的经验和积累的知识，做出相应的决策，并对控制对象进行运作，在这个系统中，仪表的信息都是精确量，通过人的感官传入操作者的大脑，然后在脑中形成具有模糊性的概念，然后操作者根据经验，进行模糊决策。显然，这种人机控制系统进行的控制是一种模糊控制，人们为了模拟这种控制过程，设计了一种以模糊数学为基础的控制系统，模糊控制系统的工作过程同人机控制系统
