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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(jì) 摘要：以AT89C2051單片機(jī)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(gè)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(jī)將給定的溫度與測(cè)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(gè)周期中固態(tài)繼電器的導(dǎo)通時(shí)間，從而調(diào)節(jié)電爐溫度，達(dá)到控制的目的。 從仿真結(jié)果可以看出，系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。 關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；模糊控制；測(cè)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(dòng)化控制中占有非常重要的地位。但是其控制對(duì)象存在著很大的時(shí)滯性和對(duì)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(yùn)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(yán)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(jì)達(dá)到的目標(biāo)： （1）被控對(duì)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(shí)時(shí)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(jī)、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(duì)系統(tǒng)溫度進(jìn)行檢測(cè)，并完成信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)化、變送功能。單片機(jī)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(dá)到控制溫度的目的[3]。 其主要特點(diǎn)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(jiǎn)單、明了的特點(diǎn)，很容易實(shí)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(jìn)行模糊運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)起來(lái)較容易。 (3) 采用了無(wú)污染能源，保護(hù)環(huán)境。同時(shí)也省去了為建造燃料供應(yīng)子系統(tǒng)的費(fèi)用，節(jié)約了成本。采用了模擬的PWM變換，和固態(tài)繼電器?？梢詫⒉蓸宇l率提高到很多的水平，使控制精度更高、實(shí)時(shí)性更好。 3 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 整個(gè)系統(tǒng)由軟件和硬件兩部分組成。 3.1硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)硬件由電源電路，溫度檢測(cè)變送電路、模數(shù)接口轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)最小系統(tǒng)和人機(jī)接口等部分組成。系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。 單片機(jī)最小系統(tǒng) 電源 顯示器 AT24c01 檢測(cè)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(cè)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(biāo)準(zhǔn)信號(hào)（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(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的顯示或自動(dòng)控制。DDZ-Ш熱電偶溫度變送器具有熱電偶冷端溫度補(bǔ)償、零點(diǎn)調(diào)整、零點(diǎn)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(jì)指標(biāo)，精度要求在0.5℃。用12位A/D器，其輸入電壓為0~5V時(shí)對(duì)應(yīng)的輸出為0~4096，設(shè)計(jì)要求溫度控制在0~100℃。我們可以將100℃時(shí)A/D輸出為1000，這樣

8、其精度可以達(dá)到0.1℃，完全滿足設(shè)計(jì)的要求。前面已經(jīng)說(shuō)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(shí)變送器輸出為1.22V,而A/D轉(zhuǎn)換的輸出為1000;100℃時(shí)輸出2.44V，A/D輸出為2000。通過(guò)以上設(shè)定，在保證了很大的裕量的同時(shí)又減小了其計(jì)算的復(fù)雜性。其輸出值=溫度10，運(yùn)算的時(shí)候根本不用采用浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算，只要一個(gè)雙字節(jié)無(wú)符號(hào)數(shù)減法、除法即可以完成，且在顯示的時(shí)候也可以精確顯示到小數(shù)點(diǎn)后面一位[4]。 3.1.3 人機(jī)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(gè)、小數(shù)位。所以顯示的溫度可以精確到小數(shù)點(diǎn)后一位，即0.1℃。 (2) 鍵盤在系統(tǒng)功能

9、的實(shí)現(xiàn)過(guò)程中起著不可或缺的作用。在硬件上，采用串行接口，由一個(gè)74HC164，其8個(gè)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(gè)上拉電阻，用于減小干擾。整個(gè)鍵盤共設(shè)16個(gè)鍵。0~9數(shù)字鍵、設(shè)定、上限、下限溫度鍵、下翻、關(guān)機(jī)鍵、確認(rèn)鍵[5]。 (3) 為使系統(tǒng)的人機(jī)交互界面更好，設(shè)置了兩路報(bào)警信號(hào)，顯示越限報(bào)警(當(dāng)系統(tǒng)溫度超過(guò)或低于上、下溫度時(shí))和誤輸入報(bào)警（發(fā)生無(wú)輸入報(bào)警時(shí)）。 3.1.4執(zhí)行機(jī)構(gòu) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)為一個(gè)固態(tài)繼電器，程序中采用了模擬的PWM變換方法。通過(guò)控制固態(tài)繼電器的導(dǎo)通與關(guān)斷達(dá)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(jì) 系統(tǒng)的軟件部分以主程序?yàn)槿肟?，在初始化之后調(diào)用鍵盤管理程序，完成對(duì)鍵盤的掃描，讀入鍵值，并根據(jù)相應(yīng)的鍵值進(jìn)行各類操作。溫度采樣頻率由定時(shí)器控制，在每一次采樣完成之后進(jìn)行模糊控制時(shí)間的計(jì)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(dòng)和其輸出值的量化 圖4 tlc2551時(shí)序圖 (1) TLC2551的驅(qū)動(dòng) 前面已經(jīng)說(shuō)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(shí)必須按照其時(shí)序一步步的完成，由圖可以看出，在第6個(gè)脈沖時(shí)將12位的高4位移入存儲(chǔ)器中，到第14個(gè)脈沖時(shí)移入低8位脈沖。時(shí)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(gè)、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(bào)警，提醒操作者。 3.2.4定時(shí)中斷應(yīng)答子程序 (1) 定時(shí)中斷0中斷服務(wù)子程序 定

12、時(shí)中斷0用于等周期的進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換（即溫度的采樣點(diǎn)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(jì)算，再將計(jì)算出的控制量存儲(chǔ)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(gè)程序?yàn)轫樞驁?zhí)行。 (2) 定時(shí)器1中斷服務(wù)子程序 定時(shí)器實(shí)現(xiàn)了模擬的PWM變換。即定時(shí)器1中存在一個(gè)周期時(shí)間（為20*10ms）。在這個(gè)時(shí)間內(nèi)定時(shí)器1在fuzztime個(gè)周期的時(shí)間內(nèi)將執(zhí)行器通電，其余的周期時(shí)間（20-fuzztime）執(zhí)行器不通電。 3.2.5 模糊運(yùn)算子程序 模糊運(yùn)算程序?qū)崿F(xiàn)了由A/D轉(zhuǎn)換值到模糊控制值的運(yùn)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(fù)大（NB）、負(fù)小（NS）、零（Z0）、正小（PS）、正大（PB）}并將其大小量化為九個(gè)等級(jí)：-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(yàn)，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(yǔ)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(shí)際運(yùn)用過(guò)程中，可以將-4~4量化為0~8，減少符號(hào)數(shù)的運(yùn)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(duì)控制量進(jìn)行反量化，具體過(guò)程如表1所示。 表1 簡(jiǎn)化后的實(shí)際溫差與實(shí)際輸出的關(guān)系表 實(shí)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(shí)際輸出 20 10 5 3 2 1 0 0 0 注：數(shù)值為每20個(gè)周期內(nèi)的導(dǎo)通周期數(shù) 模糊運(yùn)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(yùn)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(fù)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(shí)序的延時(shí)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(shí)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(cè)試時(shí)，由于參數(shù)不準(zhǔn)，所以出現(xiàn)了誤差較大，達(dá)不到系統(tǒng)指標(biāo)。

16、而經(jīng)過(guò)不斷調(diào)整參數(shù)，系統(tǒng)達(dá)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?？梢钥闯鲈趖1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(shí)上升斜率減小，到相差0.5℃時(shí)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(dá)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(hào)輸入到單片機(jī)中，再由單片機(jī)作為模糊控制器，根據(jù)測(cè)量溫度與設(shè)定溫度的差值和模糊算法生成控制信號(hào)，控制電爐的通電與斷電。整個(gè)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(jī)口線的使用，也使使用口線小的單片機(jī)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(jiǎn)單、成本低的優(yōu)點(diǎn)，有著很大的市場(chǎng)前景。當(dāng)然,系統(tǒng)同時(shí)也存在幾點(diǎn)缺點(diǎn)。在選擇模糊控制器時(shí)用了速度相對(duì)較慢的單片機(jī)，而沒有采用速度更快的工控機(jī)，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(shí)系統(tǒng)的可擴(kuò)展性大大降低；采用了經(jīng)典的模糊控制理論，雖然算法簡(jiǎn)單，但如果采用更先進(jìn)的模糊算法，如模糊PID，則控制精度會(huì)更高。 參考文獻(xiàn) [1] 章衛(wèi)國(guó).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(guó)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(jī)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(jí)應(yīng)用[M]:人發(fā)郵電出版社,2002.12:224-226 6