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1、CENTRAL SOUTH UNIVERSITY本科生毕业论文题 目PID温控系统的设计及仿真学生姓名指导教师学 院信息科学与工程学院专业班级完成时间年 月摘 要温度是工业控制的主要被控参数之一。可是由于温度自身的一些特点，如惯性大，滞后现象严重，难以建立精确的数学模型等，给控制过程带来了难题。要对温度进行控制，有很多方案可选。PID控制简单且容易实现，在大多数情况下能满足性能要求。模糊控制的鲁棒性好，无需知道被控对象的数学模型，且在快速性方面有着自己的优势。研究分析了PID控制和模糊控制的优缺点，把两者相互结合，采用了用模糊规则整定、两个参数的模糊自整定PID控制方法。本研究以电烤箱为控制对
2、象，用MATLAB软件对PID控制、模糊控制和参数模糊自整定PID控制的控制性能分别进行了仿真研究。仿真结果表明PID对于对象模型复杂和模型难以确定的控制系统具有很大的局限性，不能满足调节时间短、超调小的技术要求。由于模糊控制的理论（如量化因子和比例因子的确定问题）并不完善，其可能获得的控制性能无法把握，而且模糊控制易受模糊规则有限等级的限制而引起稳态误差。参数模糊自整定PID控制吸收前两种方法的长处，满足了调节时间短、超调量为零且稳态误差较小的控制要求。因此本论文最终确定采用参数模糊自整定PID控制方案。本系统硬件采用了以 AT89C52 单片机为核心的温度控制器，选用 k 型热电偶为温度传
3、感器结合MAX6675芯片构成前向通道，同时双向晶闸管和SSR构成后向通道，由按键、LED 数码显示器及报警单元等组成人机联系电路。关键词：单片机，PID，模糊控制，仿真ABSTRACTTemperature is one of the main parameters in the industrial process control. Yet there are difficulties to have a good control of temperature because of the characteristics of the temperature itself: the tem
4、perature inertia is great, its time-lag is serious and it is hard to establish an accurate mathematical model.There are many methods to be selected in order to control a system. The PID control is simple, easily realized and in most cases it meets the control demand. Fuzzy control has the advantage
5、of quickness, its robustness is good and there is no need to know the objects mathematical model. This paper analyses the advantages and disadvantages of both PID control and fuzzy control and comes to the method of combining them together, fuzzy self-tuning PID control. In this method, and of the P
6、ID controller are adjusted by fuzzy control rulesIn the paper simulations of PID control, fuzzy control and fuzzy self-tuning PID control are done by MATLAB to control a electric oven. Conclusions are that for those control objects of which models are complicated or hard to establish, the PID method
7、 has limitation and doesnt meet the control demand. As the fuzzy control method theory is not perfect, a good control performance cannot be expected. And it could easily cause the steady-state error for it is restricted by limited grades of the fuzzy rules. Finally the fuzzy self-tuning PID control
8、method is selected, since it meets the control demands.In this paper AT89C52 is used as controller, toward access is composed of K which is used as the temperature sensor and MAX6675. Backward access is composed of bidirectional thyristor and SSR. Man-machine circuit is composed of keyboard, LED and
9、 warning unit, etc.Key words：Micro Controller, PID Control, Fuzzy Control, Simulation目 录摘 要IABSTRACTII第一章绪论11.1 课题的提出及意义11.2 控制系统背景介绍11.3 当代温控系统及智能算法2第二章温控系统的设计52.1 温控系统的总体设计52.1.1 温控系统设计的基本原则52.1.2 温控系统的结构及设计62.2 温控系统的硬件设计72.2.1 前向通道设计72.2.2 后向通道设计102.2.3 人机通道设计11小 结15第三章系统控制方案163.1 PID 控制163.1.1 P
10、ID的概述163.1.2 PID 控制的基本理论及特点163.2 模糊控制183.2.1 模糊控制的概述183.2.2 模糊控制的基本原理及特点183.3 模糊 PID 控制19小 结21第四章仿真研究224.1 MATLAB及其模糊逻辑工具箱和仿真环境 simulink224.2 仿真和优选234.2.1 控制对象模型234.2.2 仿真和方案选择25小 结32第五章 总结与展望335.1 主要工作内容335.2 工作小结335.3 存在的问题及未来的方向34结束语35参考文献36IVPID温控系统的设计和仿真 第一章 绪论第一章 绪 论1.1 课题的提出及意义温度是生产过程和科学实验中非常
11、普遍而又十分重要的物理参数。在工业生产过程中，为了高效地进行生产，必须对生产工艺过程中的主要参数，如温度、压力、流量、速度等进行有效的控制，其中温度控制在生产过程中占有相当大的比例。准确地测量和有效地控制温度是优质、高产、低耗和安全生产的重要条件。而且在我们的日常生活中也使用微波炉、电烤箱、电热水器、空调等家用电器，温度与我们息息相关。另外在各高等院校的实验室中，无不将温度作为被控参数，构成微机测控系统，供学生作综合实验或课程设计。可见温度控制电路广泛应用于社会生活的各个领域，所以对温度进行控制是非常有必要和有意义的。可是由于温度自身的一些特点,如惯性大、滞后现象严重、难以建立精确的数学模型等
12、,使控制系统性能不佳。在关于温度控制的绝大部分文献资料中，控制结果都是有超调的，而且很多时候超调量较大，本论文是基于这一特点，研究一种控制方案，将其用于大部分温控场合，都能达到零超调，且调节时间快，稳态误差也非常小的理想效果。另一方面也是基于控制实验室建设的需求，将其用于对实验电烤箱温度进行控制，达到调节时间短、超调量为零且稳态误差较小的技术要求。1.2 控制系统背景介绍随着计算机科学和自动化水平的不断提高，在各种应用领域都大量采用计算机控制系统。计算机控制系统的应用使得科学研究、工农业生产、工艺实践的效率大大提高，同时也大幅度提高了产品和成果的质量。计算机控制系统从结构上讲都是类同的，它包括
13、计算机组成的控制器和被控对象，并且对象的输出通过反馈回路反馈给控制器，形成一个闭环的控制系统。也有部分计算机控制系统是开环系统，如线切割机等。从采用的部件角度讲，计算机控制系统所用的计算机往往有较大区别：在大型管理控制系统中，采用大中型机；在一般控制系统中，采用微型机；而功能较专的控制系统采用单片机。由于大量的控制系统的任务较专业化，并且执行的是直接数字控制任务，故基本采用单片机。单片机是目前控制系统采用最多的器件和芯片，它在军事、航空、航天、交通、工业、农业等领域都有大量的应用 余永权, 旺明慧, 黄英. 单片机在控制系统中的应用M. 北京：电子工业出版社，2003. 10. 1-17。1.
14、3 当代温控系统及智能算法智能控制算法广泛应用于各种温度控制器的设计之中，这里就最近几年快速发展的几种智能控制算法做一个综述 丁辉, 张莉莉编译. 国外模糊控制理论和技术的发展概况R, 国外情况报道, 3-4。1神经网络控制人工神经网络是当前主要的、也是重要的一种人工智能技术，它采用数学模型的方法模拟生物神经细胞结构及对信息的记忆和处理而构成的信息处理方法。它用大量简单的处理单元广泛连接形成各种复杂网络，拓扑结构算法各异，其中误差反向传播算法(即 BP 算法)应用最为广泛。温度控制系统由于负载的变化以及外界干扰因素复杂，而传统的 PID 控制对于外界环境的变化只能做近似的估算，因此系统控制精度
15、不高。人工神经网络以其高度的非线性映射、自组织、自学习和联想记忆等功能，可对复杂的非线性系统建模。该方法抗干扰能力强，且易于用软件实现。训练方法实际是网络的自学习过程，即根据事先定义好的学习规则，按照提供的学习实例，调节网络系统各节点之间相互连接的权值大小，从而达到记忆、联想、归纳等目的。在温控系统中，将对温度影响的因素如气温、外加电压、被加热物体性质以及被加热物体温度等作为网络的输入，将其输出作为PID控制器的参数，以实验数据作为样本，在微机上反复迭代，自我完善与修正，直至系统收敛，得到网络权值，达到自整定 PID 控制器参数的目的。 MNN (Memory neuron network)在每个网络节点增加了记忆神经元，在学习动态非线性系统时，不需知道实际系统太多的结构知识，当系统滞后比较大时也不会造成网络庞大难以训练。2模糊控制模糊控制是基于模糊逻辑描述的一个过程控制算法，主要嵌入操作人员的经验和直觉知识。它适用于控制不易取得
