基于单片机的模糊温度控制器的设计

《基于单片机的模糊温度控制器的设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于单片机的模糊温度控制器的设计（14页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、基于单片机的模糊温度控制器的设计作者：Free 文章来源：Free 点击数： 413 更新时间：2011-4-4 1 1 引言引言 本文研究的被控对象为某生产过程中用到的恒温箱,按工艺要求需保持箱 温 100恒定不变。我们知道温度控制对象大多具有非线性、时变性、大 滞后等特性, 采用常规的 PID 控制很难做到参数间的优化组合, 以至使控 制响应不能得到良好的动态效果。而模糊控制通过把专家的经验或手动操 作人员长期积累的经验总结成的若干条规则,采用简便、快捷、灵活的手 段来完成那些用经典和现代控制理论难以完成的自动化和智能化的目标, 但它也有一些需要进一步改进和提高的地方。模糊控制器本身消除系

2、统稳 态误差的性能比较差, 难以达到较高的控制精度, 尤其是在离散有限论域 设计时更为明显, 并且对于那些时变的、非线性的复杂系统采用模糊控制 时, 为了获得良好的控制效果, 必须要求模糊控制器具有较完善的控制规 则。这些控制规则是人们对受控过程认识的模糊信息的归纳和操作经验的 总结。然而, 由于被控过程的非线性、高阶次、时变性以及随机干扰等因素的影响, 造成模糊控制规则或者 粗糙或者不够完善, 都会不同程度的影响控制效果。为了弥补其不足, 本文提出用自适应模糊控制技术,达到 模糊控制规则在控制过程中自动调整和完善, 从而使系统的性能不断完善, 以达到预期的效果。2 2 自调整模糊控制器的结构

3、及仿真自调整模糊控制器的结构及仿真 (1) 控制对象 一般温度可近似用一阶惯性纯滞后环节来表示, 其传递函数为:式中: K对象的静态增益; Tc对象的时间常数; 对象的纯滞后时间常数。 本文针对某干燥箱的温度控制, 用 Cohn-Coon 公式计算各参数得: K=0.181; Tc=60; =20。( 2) 自调整模糊控制器的结构 自调整模糊控制器的结构如图 1 所示。图 1 带自调整因子的模糊控制器图中 为调整因子, 又称加权因子。通过调整 值,可以改变偏差 E 和偏差变化 EC 对控制输出量 U 的加 权程度, 从而调整了控制规则。但是, 若 值一旦选定, 在整个控制过程中就不再改变, 即

4、在控制规则中对 偏差、偏差变化的加权固定不变。然而, 在实际控制中, 模糊控制系统在不同的状态下, 对控制规则中偏差 E 与偏差变化 EC 的加权程度会有不同的要求。为了适应被控对象的结构和参数的变化, 并模拟人工控制中的 学习过程可以构造一个如图 1 所示的带自调整因子的模糊控制器, 其实质是一个二级模糊控制系统。 具体方法是: 将调整因子 看作是一个模糊集, 其论域为( 0, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9,1) ; 根据希望的控制性能构造 的修改规则; 根据检测及计算得到的信息查修正表, 以选择适当的 值; 由下式计算控制量的变化值

5、: U=-int E+ (1-)EC 此时, 上式所描述的控制规则体现了按误差的大小自动调整误差对控制作用的权重, 因为这种自动调整是在 整个误差论域内进行的, 所以这种自调整过程更符合人在控制决策过程中的思维, 已经具有高“智能” 的优 化特点,且非常易于通过微机实时地实现其控制思想。 ( 3) 自调整模糊控制器的仿真 在模糊控制系统中, 模糊控制的性能在很大程度上取决于模糊控制规则的确定是否合理以及模糊控制器的有 关参数大小选择是否合适。简单的模糊控制器具有设计比较简单、控制性能比较好的特点。对于复杂的控制 系统, 采用相似的模糊控制规则以及一组固定不变的参数, 往往控制性能不够理想。根据

6、上文介绍的内容, 进行以下几种控制方法的仿真, 包括: 比例参数 Ku 的自调整模糊控制、量化因子 Ke 和 Kec 自调整模糊控 制、控制规则自调整的模糊控制。仿真结果如图 2 所示。图 2 自调整模糊控制仿真曲线图 图中, 第 1、2、3 条曲线分别代表比例参数 Ku、控制规则、量化因子 Ke 和 Kec 自调整模糊控制仿真输出温 度曲线。它们的控制性能指标如表 1 所示。表 1 三种控制方法的控制性能比较 超调 量稳态误差调节时 间 比例参数 Ku 自调整模糊控制 器2%0.01 390s量化因子 Ke 和 Kec 自调整模 糊控制器0.1%0.01 420s控制规则自调整模糊控制器0.

7、1%0.01 270s3 3 控制系统硬件设计控制系统硬件设计本系统由 PC 机运行用 Delphi6.0 编写的 RS-232 串行通信控制软件与单片机进行串行通信实现对温度箱内 温度的实时控制。PC 机作为上位机负责接收外部命令, 由串口输出后经接口电路发送到单片机, 使其执行相 应的动作。 单片机作为下位机构成温度箱的模糊控制系统。由 PT100 型铂热电阻作为温度传感器把被控对象的温度信号 转化为 mV 级电压信号, 经运算放大器放大为 05V 的电压信号, 然后经串行 A/D 转换得到数字量, 被 AT89 C51 单片机 I/O 口读取, 和事先已存于片内的 EEPROM 中的温度

8、电压对照查询表对照, 即可得到实际的温度值 , 一路进行在线显示并经串行口传送到 PC 机储存和作图, 一路作为控制器的输入变量。控制器的输出通过 单片机的 I/O 口经 D/A 转换变为模拟信号, 经放大器放大后去触发可控硅的导通角, 以达到调节温度箱加热 功率的目的。整个控制系统构成一个闭环系统, 其原理图如图 3 所示。整个控制系统也可以在没有 PC 机的参与下, 由 AT89C51 单片机独立完成控制任务, 只是由于单片机功能的 限制使人机交互不太理想。4 4 控制系统软件设计控制系统软件设计 ( 1) PC 机软件设计 PC 机完成的功能主要包括: 控制系统的启动、停止,控制参数设置

9、, 储存单片机传送过来的实时采集的温度 数据并将其实时显示和绘图。软件流程框图如图 4 所示。PC 机软件由 Delphi6.0 编写, 温度曲线图的绘制 通过 TCHART 控件编程实现。温度数据的存储通过建立 Access 数据库,将数据实时存入数据库来实现。( 2) 控制规则自调整模糊控制器的软件设计 由计算机程序实现控制规则自调整模糊控制器的控制算法, 流程框图如图 5 所示。程序包括如下两个部分: 1) 计算机离线计算查询表程序。查询表的建立方法是: 将调整因子 看作是一个模糊集, 其论域为( 0, 0. 1,0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.

10、9, 1) ; 根据希望的控制性能构造 的修改规则; 将之制成查 询表, 将此表存于计算机内存中, 供计算机在线控制时使用。 2) 计算机在线实时控制程序。该程序在模糊控制过程中完成在线计算输入变量( 误差和误差变化率) , 并将 它们模糊化处理, 查找查询表后再作输出处理。具体步骤如下: 设置输入、输出变量及控制量的基本论域, 预置量化因子、比例因子和采样周期。 判断采样时间到否, 若时间已到, 则转向第三步,否则等待。 启动 A/D 转换, 进行数据采集。 计算误差和误差变化并判断它们是否已超过上( 下) 限值, 若已超过, 则将其设定为上( 下) 限值。 按给定的量化因子将误差和误差变化

11、模糊化, 并由此查询存放在计算机内存中的 修改规则查询表, 以选 择适当的 值。 由下式计算控制量的值: U=- int e+ ( 1- ) ec ,将此值乘以给定的比例因子, 若已超过上( 下) 限值, 则设置为上( 下) 限值。 启动 D/A 转换得到控制器实际输出模拟量用来控制温度箱的温度。( 3) PC 机与单片机串口通信软件设计 PC 机与单片机串口通信通过 MAX3225E 串口通信芯片来实现。软件的设计包括单片机串口通信和 PC 机( 上 位机) 串口通信两部分内容, 两者必须遵从相同的通信协议才能正常通信。系统采用串口通信格式如下: 波 特率为 4800bps, SMOD=1,

12、 单片机串口工作于方式 1; 用 T1 作为定时器, 工作于方式 2, fOSC=11.0592M。 将以上已知条件带入下面的串口波特率计算公式:计算得到: TH1=244 ( 十进制) =0F4H ( 十六进制) 。 数据位: 8 位; 奇偶位: 无; 启始位: 1 位; 停止位:1 位。 单片机串口通信程序包括串口初始化程序和中断服务程序, 用 C51 编写。串口初始化程序是对串口工作方式 进行设置, 控制寄存器 PCON 和 SCON 的设置以及定时器 T1 的设置。中断服务程序主要是采用中断方式来接 收和发送数据, 同时要用软件方式清除接收中断标志 RI(响应接收中断后) 和发送中断标

13、志 TI(响应发送中断 后) 。单片机串口通信程序流程框图见图 6 所示。PC 机串口通信程序用于读取单片机发来的温度数据和向单片机发送参数及命令, 用 Delphi6.0 编制, 利用 串口控件 SPCOMM 可实现 PC 机串口通信, 其流程框图见图 7 所示。( 4) 抗干扰设计 系统的抗干扰能力是系统可靠性的重要指标。本系统主要采用有硬件抗干扰设计和软件抗干扰设计。 1) 硬件抗干扰设计 在后向通道设计中采用光电耦合器 MOC3041。光电耦合器具有和高的绝缘电阻可达欧姆以上, 并能承受 200 0V 以上高压, 因而能有效隔离高电压对微机系统的各种噪声干扰, 抑制尖峰脉冲电压, 具有

14、很强的抗干扰能 力。 数字信号的传输采用双绞线。双绞线的阻抗高, 抗共模噪声能力强, 能使各个小环路的电磁感应干扰相互 抵消, 对电磁场具有一定的抑制效果。 电源线应尽量加粗。可使信号电平稳定和增加抗干扰能力, 使电源线能通过 3 倍于印刷电路板上的允许电 流。 接地线尽量构成闭环路, 可增加抗干扰能力。 配置去耦电容。电源输入端接 10100F 的电解电容, 给每个 IC 集成芯片配置一个 0.01F 的陶瓷电 容器。 2) 软件抗干扰设计 采用限幅滤波法消除干扰, 其方法是将两次相邻的采样值求出其增量, 然后与两次采样允许的最大差值 y 进行比较; 若小于或等于 y, 则取本次采样值, 若

15、大于 y,则取上次采样值作为本次采样值, 即 |yn-yn-1|y, 则 yn 有效; |yn-yn-1|y, 则 yn-1 有效。 式中: yn第 n 次采样值; yn-1第 n-1 次采样值; y相邻两次采样值允许的最大偏差。( 5) 误差分析 误差主要来源是: PT100 铂热电阻在 0100范围存在 0.1的误差。 A/D 转换误差: 1/2120.025%。 被控对象即恒温箱内温度的不均匀导致误差。 对于第 3 项减少误差的方法是在箱内安装风扇增加流动性; 另外, 采取多点测量, 然后取平均值作为温度测 量值。 综合以上可知, 系统总的误差小于 0.3。5 5 结论结论 温度是工业生

16、产中经常碰到的控制参数之一, 对温度控制的好坏直接影响产品的质量甚至产品制造的成功与 失败, 因而对温度的控制具有广泛的实际应用价值和应用前景。本系统作为一次单片机系统在温度控制领域 的探索和研究, 根据温度具有非线性、时变性、大滞后等特性, 采用了控制规则自调整模糊控制方法, 结合 ATMEL 的 89C51 单片机的应用, 通过硬件的设计、调试以及 PC 机(上位机) 和单片机(下位机) 的软件的编 程调试, 基本开发出了人机界面友好的模糊自适应温度控制器。基于基于 PIDPID 参数的温度控制系统设计参数的温度控制系统设计发布:2011-09-07 | 作者: | 来源: caiduoshi | 查看:383 次 | 用户关注：O 引言在微电子器件领域，针对 SiC 器件的研究较多，已经取得了较大进展， 而在 MEMS 领域针对 SiC 器件的研究仍有许多问题亟