本科畢業(yè)論文PID溫控系統(tǒng)的設計及仿真

1、可修編-可修編-CENTRALSOUTHUNIVERSITYPID溫控系統(tǒng)的設計及仿真信息科學與工程學院本科生畢業(yè)論文題目學生指導教師學院專業(yè)班級年月完成時間摘要溫度是工業(yè)控制的主要被控參數(shù)之一?？墒怯捎跍囟茸陨淼囊恍┨攸c，如慣性大，滯后現(xiàn)象嚴重，難以建立精確的數(shù)學模型等，給控制過程帶來了難題。要對溫度進行控制，有很多方案可選PID控制簡單且容易實現(xiàn)，在大多數(shù)情況下能滿足性能要求。模糊控制的魯棒性好，無需知道被控對象的數(shù)學模型，且在快速性方面有著自己的優(yōu)勢。研究分析了PID控制和模糊控制的優(yōu)缺點，把兩者相互結合，采用了用模糊規(guī)則整定K、K兩個參數(shù)的模糊自整定PID控制方法。本研究PI以電烤箱為

2、控制對象，用MATLAB軟件對PID控制、模糊控制和參數(shù)模糊自整定PID控制的控制性能分別進行了仿真研究。仿真結果表明PID對于對象模型復雜和模型難以確定的控制系統(tǒng)具有很大的局限性，不能滿足調(diào)節(jié)時間短、超調(diào)小的技術要求由于模糊控制的理論（如量化因子和比例因子的確定問題）并不完善，其可能獲得的控制性能無法把握，而且模糊控制易受模糊規(guī)則有限等級的限制而引起穩(wěn)態(tài)誤差參數(shù)模糊自整定PID控制吸收前兩種方法的長處，滿足了調(diào)節(jié)時間短、超調(diào)量為零且穩(wěn)態(tài)誤差較小的控制要求。因此本論文最終確定采用參數(shù)模糊自整定PID控制方案。本系統(tǒng)硬件采用了以AT89C52單片機為核心的溫度控制器，選用k型熱電偶為溫度傳感器結

3、合MAX6675芯片構成前向通道，同時雙向晶閘管和SSR構成后向通道，由按鍵、LED數(shù)碼顯示器及報警單元等組成人機聯(lián)系電路。關鍵詞：單片機，PID，模糊控制，仿真ABSTRACTTemperatureisoneofthemainparametersintheindustrialprocesscontrol.Yettherearedifficultiestohaveagoodcontroloftemperaturebecauseofthecharacteristicsofthetemperatureitself:thetemperatureinertiaisgreat,itstime-lagis

4、seriousanditishardtoestablishanaccuratemathematicalmodel.Therearemanymethodstobeselectedinordertocontrolasystem.ThePIDcontrolissimple,easilyrealizedandinmostcasesitmeetsthecontroldemand.Fuzzycontrolhastheadvantageofquickness,itsrobustnessisgoodandthereisnoneedtoknowtheobjectsmathematicalmodel.Thispa

5、peranalysestheadvantagesanddisadvantagesofbothPIDcontrolandfuzzycontrolandestothemethodofbiningthemtogether,fuzzyself-tuningPIDcontrol.Inthismethod,KandKofthePIDcontrollerareadjustedbyPIfuzzycontrolrulesInthepapersimulationsofPIDcontrol,fuzzycontrolandfuzzyself-tuningPIDcontrolaredonebyMATLABtocontr

6、olaelectricoven.Conclusionsarethatforthosecontrolobjectsofwhichmodelsareplicatedorhardtoestablish,thePIDmethodhaslimitationanddoesntmeetthecontroldemand.Asthefuzzycontrolmethodtheoryisnotperfect,agoodcontrolperformancecannotbeexpected.Anditcouldeasilycausethesteady-stateerrorforitisrestrictedbylimit

7、edgradesofthefuzzyrules.Finallythefuzzyself-tuningPIDcontrolmethodisselected,sinceitmeetsthecontroldemands.InthispaperAT89C52isusedascontroller,towardaccessisposedofKwhichisusedasthetemperaturesensorandMAX6675.BackwardaccessisposedofbidirectionalthyristorandSSR.Man-machinecircuitisposedofkeyboard,LE

8、Dandwarningunit,etc.Keywords：MicroController,PIDControl,FuzzyControl,Simulation目錄摘要IABSTRACTII第一章緒論11.1課題的提出及意義11.2控制系統(tǒng)背景介紹11.3當代溫控系統(tǒng)及智能算法2第二章溫控系統(tǒng)的設計52.1溫控系統(tǒng)的總體設計52.1.1溫控系統(tǒng)設計的基本原則52.1.2溫控系統(tǒng)的結構及設計62.2溫控系統(tǒng)的硬件設計7前向通道設計72.2.2后向通道設計102.2.3人機通道設計11小結15第三章系統(tǒng)控制方案16PID控制16PID的概述163.1.2PID控制的基本理論及特點163.2模糊控制1

9、8模糊控制的概述183.2.2模糊控制的基本原理及特點183.3模糊PID控制19小結21第四章仿真研究224.1MATLAB及其模糊邏輯工具箱和仿真環(huán)境simulink224.2仿真和優(yōu)選234.2.1控制對象模型23仿真和方案選擇25小結32第五章總結與展望335.1主要工作容335.2工作小結335.3存在的問題及未來的方向34結束語35參考文獻36第一章緒論課題的提出及意義溫度是生產(chǎn)過程和科學實驗中非常普遍而又十分重要的物理參數(shù)。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，為了高效地進行生產(chǎn)，必須對生產(chǎn)工藝過程中的主要參數(shù)，如溫度、壓力流量、速度等進行有效的控制，其中溫度控制在生產(chǎn)過程中占有相當大的比例。準確地

10、測量和有效地控制溫度是優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低耗和安全生產(chǎn)的重要條件。而且在我們的日常生活中也使用微波爐、電烤箱、電熱水器、空調(diào)等家用電器，溫度與我們息息相關。另外在各高等院校的實驗室中，無不將溫度作為被控參數(shù)，構成微機測控系統(tǒng)，供學生作綜合實驗或課程設計?？梢姕囟瓤刂齐娐窂V泛應用于社會生活的各個領域，所以對溫度進行控制是非常有必要和有意義的?？墒怯捎跍囟茸陨淼囊恍┨攸c,如慣性大、滯后現(xiàn)象嚴重、難以建立精確的數(shù)學模型等,使控制系統(tǒng)性能不佳。在關于溫度控制的絕大部分文獻資料中，控制結果都是有超調(diào)的，而且很多時候超調(diào)量較大，本論文是基于這一特點，研究一種控制方案，將其用于大部分溫控場合，都能達到零超調(diào)，且調(diào)

11、節(jié)時間快，穩(wěn)態(tài)誤差也非常小的理想效果。另一方面也是基于控制實驗室建設的需求，將其用于對實驗電烤箱溫度進行控制，達到調(diào)節(jié)時間短、超調(diào)量為零且穩(wěn)態(tài)誤差較小的技術要求?？刂葡到y(tǒng)背景介紹隨著計算機科學和自動化水平的不斷提高，在各種應用領域都大量采用計算機控制系統(tǒng)。計算機控制系統(tǒng)的應用使得科學研究、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、工藝實踐的效率大大提高，同時也大幅度提高了產(chǎn)品和成果的質(zhì)量。計算機控制系統(tǒng)從結構上講都是類同的，它包括計算機組成的控制器和被控對象，并且對象的輸出通過反饋回路反饋給控制器，形成一個閉環(huán)的控制系統(tǒng)。也有部分計算機控制系統(tǒng)是開環(huán)系統(tǒng)，如線切割機等。從采用的部件角度講，計算機控制系統(tǒng)所用的計算機往往有較

12、大區(qū)別在大型管理控制系統(tǒng)中，采用大中型機；在一般控制系統(tǒng)中，采用微型機；而功能較專的控制系統(tǒng)采用單片機。由于大量的控制系統(tǒng)的任務較專業(yè)化，并且執(zhí)行的是直接數(shù)字控制任務，故基本采用單片機。單片機是目前控制系統(tǒng)采用最多的器件和芯片，它在軍事、航空、航天、交通、工業(yè)、農(nóng)業(yè)等領域都有大量的應用1。當代溫控系統(tǒng)及智能算法智能控制算法廣泛應用于各種溫度控制器的設計之中，這里就最近幾年快速發(fā)展的幾種智能控制算法做一個綜述2。1神經(jīng)網(wǎng)絡控制人工神經(jīng)網(wǎng)絡是當前主要的、也是重要的一種人工智能技術，它采用數(shù)學模型的方法模擬生物神經(jīng)細胞結構及對信息的記憶和處理而構成的信息處理方法。它用大量簡單的處理單元廣泛連接形成各

13、種復雜網(wǎng)絡，拓撲結構算法各異，其中誤差反向傳播算法(即BP算法)應用最為廣泛。溫度控制系統(tǒng)由于負載的變化以及外界干擾因素復雜，而傳統(tǒng)的PID控制對于外界環(huán)境的變化只能做近似的估算，因此系統(tǒng)控制精度不高。人工神經(jīng)網(wǎng)絡以其高度的非線性映射、自組織、自學習和聯(lián)想記憶等功能，可對復雜的非線性系統(tǒng)建模。該方法抗干擾能力強，且易于用軟件實現(xiàn)。訓練方法實際是網(wǎng)絡的自學習過程，即根據(jù)事先定義好的學習規(guī)則，按照提供的學習實例，調(diào)節(jié)網(wǎng)絡系統(tǒng)各節(jié)點之間相互連接的權值大小，從而達到記憶、聯(lián)想、歸納等目的。在溫控系統(tǒng)中，將對溫度影響的因素如氣溫、外加電壓、被加熱物體性質(zhì)以及被加熱物體溫度等作為網(wǎng)絡的輸入，將其輸出作為P

14、ID控制器的參數(shù)，以實驗數(shù)據(jù)作為樣本，在微機上反復迭代，自我完善與修正，直至系統(tǒng)收斂，得到網(wǎng)絡權值，達到自整定PID控制器參數(shù)的目的。MNN(Memoryneuronnetwork)在每個網(wǎng)絡節(jié)點增加了記憶神經(jīng)元，在學習動態(tài)非線性系統(tǒng)時，不需知道實際系統(tǒng)太多的結構知識，當系統(tǒng)滯后比較大時也不會造成網(wǎng)絡龐大難以訓練。2模糊控制模糊控制是基于模糊邏輯描述的一個過程控制算法，主要嵌入操作人員的經(jīng)驗和直覺知識。它適用于控制不易取得精確數(shù)學模型和數(shù)學模型不確定或經(jīng)常變化的對象。溫度控制系統(tǒng)的模型通常是不完善的，即使模型已知，也存在參數(shù)變化的問題。PID控制雖然簡單、方便，但難以解決非線性和參數(shù)變化等問題

15、。模糊控制不需要對象的精確模型，僅依賴于操作人員的經(jīng)驗和直觀判斷，非常容易應用。模糊控制對溫度控制的實現(xiàn)一般分如下幾步：(1)將溫控對象的偏差和偏差變化率以及輸出量劃分為不同的模糊值，建立規(guī)則，例如,IF溫度太高OR溫度正在上升，THEN減少控制量將這些模糊規(guī)則寫成模糊條件語句，形成模糊模型。(2)根據(jù)控制查詢表，形成模糊算法。(3)對溫度誤差采樣的精確量模糊化，經(jīng)過數(shù)學處理輸入計算機中，計算機根據(jù)模糊規(guī)則推理做出模糊決策，求出相應的控制量，變成精確量去驅動執(zhí)行機構，達到調(diào)節(jié)溫度，使之穩(wěn)定的目的。同傳統(tǒng)的PID控制比較，模糊控制響應快、超調(diào)量小、對參數(shù)變化不敏感。3模糊控制與PID結合(Fuz

16、zyPID)模糊模型使用模糊語言和規(guī)則描述一個系統(tǒng)的動態(tài)特性及性能指標。其特點是不需知道被控對象的精確模型，易于控制不確定對象和非線性對象，對被控對象參數(shù)變化有強魯棒性，對控制系統(tǒng)干擾有較強抑制能力。然而，模糊控制的局限性在于模糊規(guī)則庫的建立缺乏完整性，沒有明確的控制結構，存在較大穩(wěn)態(tài)誤差等PID控制器結構簡單、明確，能滿足大量工業(yè)過程的控制要求。但PID本質(zhì)是線性控制，而模糊控制具有智能性，屬于非線性領域，因此，將模糊控制與PID結合將具備兩者的優(yōu)點。即用過程的運行狀態(tài)(溫度偏差及溫度變化率)確定PID控制器參數(shù)，用PID控制算法確定控制作用。主要的問題是合理地獲得PID參數(shù)的模糊校正規(guī)則，

17、其實質(zhì)是一種以模糊規(guī)則調(diào)節(jié)PID參數(shù)的自適應控制，即在一般PID控制系統(tǒng)基礎上，加上一個模糊控制規(guī)則環(huán)節(jié)。文獻3給出了不同實時狀態(tài)下對PID參數(shù)的推理結果，當溫差較大時采用Fuzzy控制，響應速度快，動態(tài)性能好：當溫差較小時采用PID控制，使其靜態(tài)性能好，滿足系統(tǒng)精度要求。因此FuzzyPID復合控制，比單一的模糊控制或PID調(diào)節(jié)器有更好的控制性能。文獻4采用模糊自適應PID設計方法，根據(jù)人們要求的溫度曲線，由計算機系統(tǒng)進行監(jiān)控，根據(jù)模糊推理判斷，實現(xiàn)對任何一種模型參數(shù)的系統(tǒng)都能自動調(diào)節(jié)其PID參數(shù)，使系統(tǒng)的實際溫度與要求的溫度曲線趨于一致，實現(xiàn)快速響應特性與超調(diào)量小的統(tǒng)一。4模糊控制與神經(jīng)網(wǎng)

18、絡結合溫控系統(tǒng)由于被控過程常常具有嚴重的非線性時變性以及種類繁多的干擾，使得基于精確數(shù)學模型的傳統(tǒng)控制方案很難獲得滿意的動靜態(tài)控制效果。近些年來模糊邏輯控制取得了巨大成功，但是，模糊控制所基于的專家經(jīng)驗不易獲得，一成不變的控制規(guī)則也很難適應被控制系統(tǒng)的非線性、時變性等問題，嚴重影響控制效果因此應使模糊控制向著自適應方向發(fā)展，使模糊控制規(guī)則隸屬函數(shù)模糊量化在控制過程自動地調(diào)整和完善。自適應模糊控制提供了一種新的有效途徑，利用神經(jīng)網(wǎng)絡的學習能力來修正偏差和偏差變化的比例系數(shù)，達到優(yōu)化模糊控制器作用，從而進一步改進實時控制效果，以便應用于溫度過程控制中，其優(yōu)點動態(tài)響應快，能達到高精度的快速控制，具有

19、極強的魯棒性和適應能力。文獻提出三層前向模糊BP神經(jīng)網(wǎng)絡，選擇溫度采樣誤差值、誤差積分和變化值作為網(wǎng)絡輸入，用模糊控制理論賦予隱層含義，確定神經(jīng)元個數(shù)，用高斯核函數(shù)作為節(jié)點激勵函數(shù)，忽略遠離中心的神經(jīng)元輸出，計算隱層輸出，通過在線學習，以調(diào)整網(wǎng)絡權值，使目標函數(shù)最小。5遺傳算法遺傳算法(GeneticAlgorithms簡稱GA)是模擬達爾文的遺傳選擇和自然淘汰的生物進化過程的全局優(yōu)化搜索算法。它將生物進化過程中適者生存規(guī)則與群體部染色體的隨機信息交換機制相結合，通過正確的編碼機制和適應度函數(shù)的選擇來操作稱為染色體的二進制串丨或0。引入了如繁殖交叉和變異等方法在所求解的問題空間上進行全局的并行

20、的隨機的搜索優(yōu)化，朝全局最優(yōu)方向收斂。基于遺傳算法溫控系統(tǒng)的設計就是將傳感器得到的溫度信號放大，數(shù)字化后送入計算機，計算機將其與給定溫度進行比較，用遺傳算法來優(yōu)化3個PID參數(shù)，然后將控制量輸出。具體實現(xiàn)：將3個PID參數(shù)串接在一起構成一個完整的染色體，從而構成遺傳空間中的個體，通過繁殖交叉和變異遺傳操作生成新一代群體，經(jīng)過多次搜索獲得最大適應度值的個體即所求。在硬件上可采用單片機控制，具有調(diào)試方便，溫控精度高，抗干擾性強等優(yōu)點；在軟件上可采用遺傳算法對PID參數(shù)進行優(yōu)化控制，具有很高的穩(wěn)定度，溫控精度高。6模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡、遺傳算法三者結合文獻6提出基于神經(jīng)網(wǎng)絡的方法，將模式辨識、預測最優(yōu)

21、控制與神經(jīng)網(wǎng)絡結合，由神經(jīng)元網(wǎng)絡模型預估器辨識系統(tǒng)模型，并實時為控制器提供參考輸入，由最優(yōu)控制器對數(shù)據(jù)進行處理、決策，選定最優(yōu)的控制量，達到溫度最佳控制的目的。神經(jīng)網(wǎng)絡應用廣泛的BP網(wǎng)絡，由于其收斂慢和存在局部最小點，因此將遺傳算法和BP算法結合得到的遺傳BP(GABP)算法作為網(wǎng)絡預估器的學習算法。該系統(tǒng)能使溫度隨外界干擾條件的變化，實時的調(diào)節(jié)網(wǎng)絡和控制規(guī)律，具有良好的溫度跟蹤性能和抗干擾能力。近些年來，硬件電路設計的軟件化也應用于溫控系統(tǒng)中，文獻7引入YHDL語言采用自頂向下的設計方法對系統(tǒng)逐步細化，優(yōu)點是可提高系統(tǒng)的效率，達到資源共享。由于其屏蔽了具體工藝及器件差異，不會因工藝及器件變化

22、而變化。綜上所述，無論是神經(jīng)網(wǎng)絡、模糊控制還是遺傳算法，都屬于人工智能領域同PID結合以調(diào)節(jié)PID參數(shù)，適應溫控系統(tǒng)非線性、干擾多、大時延、時變和熱分布不均勻的特點。神經(jīng)網(wǎng)絡采用自適應的方法，具有很強的魯棒性，動態(tài)響應快，缺點是容易陷入局部最優(yōu)，采用遺傳算法來訓練神經(jīng)網(wǎng)絡可以實現(xiàn)結構與參數(shù)的快速全局尋優(yōu)。模糊控制適應大慣性和純延滯后系統(tǒng)，不需要知道系統(tǒng)的精確信息，神經(jīng)網(wǎng)絡結合，能向自適應的方向發(fā)展?？傊瑢崿F(xiàn)溫控系統(tǒng)的參數(shù)自調(diào)整，將線控制與非線性相結合，使溫度能滿足用戶的需要是溫控系統(tǒng)的最終目的。在實際應用中，應該根據(jù)具體的應用場合、不同的加熱對象和所要求的控制曲線和控制精度，選擇不同的系統(tǒng)方

23、法。第二章溫控系統(tǒng)的設計溫控系統(tǒng)的總體設計單片機自20世紀70年代問世以來，已對人類社會產(chǎn)生了巨大的影響。尤其是美國Intel公司生產(chǎn)的MCS-51系列單片機，由于其具有集成度高、處理功能強、可靠性高、系統(tǒng)結構簡單、價格低廉、易于使用等特點，在工業(yè)控制、智能儀器儀表、辦公室自動化、家用電器等諸多領域得到廣泛的應用。20世紀80年代中期以后，Intel公司已把精力集中在CPU芯片的開發(fā)、研制上，并逐漸放棄了單片機芯片的生產(chǎn)，但是以MCS-51核技術為主導的單片機已經(jīng)成為許多廠家及公司競相選用的對象。因此，Intel公司以專利轉讓或技術交換的形式把MCS-51的核技術轉讓給了許多國際上著名的半導體

24、芯片生產(chǎn)廠家，如ATMEL、PHILIPS、Cygnal等公司。這些廠家生產(chǎn)的與MCS-51系列單片機兼容的各種增強型、擴展型單片機，已成為世界上8位單片機市場的主流產(chǎn)品。估計在今后若干年，它們?nèi)允俏覈?位單片機應用領域的主流機型。在本設計中，溫度控制器以AT89C52單片機為核心。在進行系統(tǒng)設計之前，必須對要解決的問題進行調(diào)查研究、分析論證。如產(chǎn)品的應用場合、面向的客戶類型等。在此基礎上，根據(jù)實際應用中的問題提出具體的要求，確定系統(tǒng)所要完成的數(shù)據(jù)采集任務和技術指標，確定調(diào)試系統(tǒng)和開發(fā)軟件的手段等。另外，還要對系統(tǒng)設計過程中可能遇到的技術難點做到心中有數(shù)，初步定出系統(tǒng)設計的技術路線。2.1.1

25、溫控系統(tǒng)設計的基本原則在系統(tǒng)總體設計階段，一般來說，多采用硬件，可以簡化軟件設計工作，并使系統(tǒng)的速度性能得到改善，但成本會增加，同時，也因接點數(shù)增加而增加不可靠因素。若用軟件代替硬件功能，可以增加系統(tǒng)的靈活性，降低成本，但系統(tǒng)的工作速度也降低。要根據(jù)系統(tǒng)的技術要求，在確定系統(tǒng)總體方案時進行合理的功能分配。1硬件設計的基本原則良好的性價比。系統(tǒng)硬件設計中，一定要注意在滿足性能指標的前提下，盡可能地降低價格，以便得到高的性能價格比，這是硬件設計中優(yōu)先考慮的一個主要因素。因為系統(tǒng)在設計完成后，主要的成本便集中在硬件方面，當然也成為產(chǎn)品爭取市場關鍵因素之一。安全性和可靠性。選購設備要考慮環(huán)境的溫度、濕

26、度、壓力、振動、粉塵等要求，以保證在規(guī)定的工作環(huán)境下，系統(tǒng)性能穩(wěn)定、工作可靠。要有超量程和過載保護，保證輸人、輸出通道正常工作。要注意對交流市電以及電火花等的隔離。較強抗干擾能力。有完善的抗干擾措施，是保證系統(tǒng)精度、工作正常和不產(chǎn)生錯誤的必要條件。例如強電與弱電之間的隔離措施，對電磁干擾的屏蔽，正確接地、高輸人阻抗下的防止漏電等。2軟件設計的基本原則結構合理。程序應該采用結構模塊化設計。這不僅有利于程序的進一步擴充或完善，而且也有利于程序的后期修改和維護。操作性能好，使用方便，具備良好的人機界面。具有一定的保護措施和容錯功能。系統(tǒng)應設計一定的檢測程序，例如狀態(tài)檢測和診斷程序，以便系統(tǒng)發(fā)生故障時

27、，便于查找故障部位。對于重要的參數(shù)要定時存儲，以防止因掉電而丟失數(shù)據(jù)。提高程序的執(zhí)行速度，盡量減小占用系統(tǒng)的存。給出必要的程序說明，便于后期程序維護。2.1.2溫控系統(tǒng)的結構及設計整個系統(tǒng)的硬件組成相對簡單，但較小的硬件需要相對復雜的軟件進行補償。本系統(tǒng)的軟件采用結構化模塊程序設計，應用程序主要由主程序、中斷服務程序和各子程序組成。主程序中包括設置堆棧、進行初始化，并設置有關標志及各子程序的調(diào)用。溫度信號的采集、數(shù)字濾波、標度變換、溫度給定、溫度顯示、越限報警及參數(shù)模糊自整定PID控制算法等功能的實現(xiàn)均由各子程序完成。數(shù)字濾波可采用均值法、中間值法和一階慣性法等方法，目的是濾除干擾信號的影響。

28、圖2.1電烤箱溫度控制系統(tǒng)硬件結構框圖溫控系統(tǒng)的硬件設計2.2.1前向通道設計前向通道是系統(tǒng)獲取信息數(shù)據(jù)的組成部分，它的性能好壞直接決定了整個系統(tǒng)的精度，而且一旦產(chǎn)生較大誤差，將無法消除。因此前向通道必須高精確度。1常用形式采用性能較好的熱電偶測溫裝置，采用查表法處理熱電偶電勢與溫度值間的非線性。輔加冷端溫度補償器，濾波的測量放大器、A/D轉換通道等組成。2熱電偶檢測電路幾種常見的熱電偶有：鉑銠10-鉑熱電偶屬貴金屬熱電偶，直徑通常0.5毫米，它長期使用的最高溫度可達1300C,短期可達1600C。鉑銠30-鉑銠6熱電偶它也屬貴金屬熱電偶，長期使用的最高溫度可達1600C,短期使用可達1800

29、C。鎳鉻-鎳硅熱電偶它是廉價金屬，使用溫度在-2001300C?；诒驹O計的要求，采用鎳鉻-鎳硅熱電偶來測量溫度。3冷端補償電路在實際應用中，熱電偶的冷端通?？拷粶y對象，且受到周圍環(huán)境溫度的影響其溫度不是恒定不變的。從熱電效應的原理可知，熱電偶產(chǎn)生的熱電動勢與兩端溫度有關。只有將冷端的溫度恒定，熱電動勢才是熱端溫度的單位函數(shù)。為此，必須采取一些相應的措施進行補償或修正，常用的方法有一下幾種：冷端恒溫法導線補償法電橋補償法計算修正法(5)顯示儀表零位調(diào)整法在本設計中采用導線補償法和電橋補償法相結合的方式。4前置放大電路熱電偶出來的毫伏級電壓，無法直接進行A/D轉換，必須進彳丁放大處理。此電路是

30、前向通道的主要部分之一，因為如果在放大級引入的干擾，被放大后進入到后級的A/D,轉換出來的數(shù)值必定相差很遠。為使系統(tǒng)具有極高的可靠性，所以前置放大電路一般都采用具有性能優(yōu)異體積小、電路結構簡單、成本低等優(yōu)點的AD公司生產(chǎn)的高性能儀表專用運放AD521。而本設計中采用的芯片MAX6675具有熱補償，噪聲補償?shù)?，轉換出來的數(shù)值提高了測量精度。5A/D轉換電路前置放大器輸出的信號是連續(xù)變化的模擬量，必須將此信號轉換成數(shù)字量后才能輸入單片機進行數(shù)據(jù)處理。實現(xiàn)模擬量轉換成數(shù)字量的器件稱為模數(shù)轉換器(ADC)。根據(jù)A/D轉換器實現(xiàn)A/D轉換的原理不同，可以分為雙積分型、逐次逼近型、電壓-頻率型等。雙積分型

31、A/D轉換器具有轉換速度慢但抗干擾能力強的特點；逐次逼近型A/D轉換器的特點正好相反，轉換速度快，但抗干擾能力弱；電壓頻率型的缺點是精度不高。因為溫度的變化比較大，滯后性大，設計中采用雙積分型A/D轉換器。綜合以上條件，本設計采用集成芯片MAX6675作為前向通道進彳丁測溫，并且保證了較好的精度。6集成形式以往的熱電偶測溫電路比較復雜、成本高、精度低,而且容易遭受干擾。MAXIM公司新近開發(fā)出一種K型熱電偶信號轉換器(IC)MAX6675,該轉換器集信號放大、冷端補償、A/D轉換于一體,直接輸出溫度的數(shù)字信號，使溫度測量的前端電路變得十分簡單。用K型熱電偶對溫度進彳丁采集，經(jīng)MAX6675送單

32、片機AT89C52。(1)MAX6675的部電路構成、性能與時序MAX6675的部由精密運算放大器、基準電源、冷端補償二極管、模擬開關、數(shù)字控制器及ADC電路構成,完成熱電偶微弱信號的放大、冷端補償和A/D轉換功能。圖2.3是MAX6675引腳排列圖，采用8腳S0形式封裝,T+接K型熱電偶的正極(鎳鉻合金),T-接K型熱電偶的負極(鎳硅合金或鎳鋁合金)，片選信號端CS為高電平時啟動溫度轉換，低電平時允許數(shù)據(jù)輸出；SCK為時鐘輸入端;S0為數(shù)據(jù)輸出端，溫度轉換后的12位數(shù)據(jù)由該腳以SPI方式輸出。D15是虛擬位,D14D3為溫度轉換的12位數(shù)據(jù)。圖2.3MAX6675引腳圖：sck.nnnnnn

33、nnnnnnnnnnA_/OOOOOOOOOOOOCk-D1SDl4D2DlDo圖2.4MAX6675輸出時序圖(2)MAX6675在單片機溫度測控系統(tǒng)中的應用圖2.5是以MAX6675處理K型熱電偶信號的單片機溫度測控系統(tǒng)原理圖。MAX6675的片選線CS、時鐘線SCK和數(shù)據(jù)線SO分別與單片機AT89C52的P1.0、P1.1和P1.2引腳相連，溫度數(shù)據(jù)采用模擬SPI方式傳送到單片機。單片機對溫度信號處理后一方面送數(shù)碼管顯示,另一方面與設定的溫度曲線進行比較以實施控制。鍵盤用于對控制參數(shù)進行設定。E2PROM24C02用于存儲控制參數(shù),以免掉電丟失。Vcc圖2.5MAX6675與AT89C5

34、2連接圖2.2.2后向通道設計調(diào)功原理可以用來控制電烤箱的電功率從而調(diào)節(jié)溫度，正弦交流電每秒鐘有100個過零，通過調(diào)節(jié)每秒鐘正弦交流電半波的導通個數(shù)N,就可以達到調(diào)節(jié)電功率的目的。執(zhí)行元件為帶光電隔離的過零觸發(fā)型雙向晶閘管ACSSR,正脈沖出發(fā)雙向晶閘管導通觸發(fā)脈沖由過零檢測電路產(chǎn)生。如果在1秒鐘P2.4口線總為高電平，雙向晶閘管ACSSR被觸發(fā)導通100次，此時電烤箱以最大電功率輸出，如果在1秒鐘P2.4口線總為低電平，則ACSSR始終關斷，輸出功率為0，由PID算法計算出每秒鐘應觸發(fā)ACSSR的過零脈沖數(shù)N，即可對溫度進行調(diào)溫控制。1雙向晶閘管當雙向晶閘管陽極電流大于掣住電流I，管子就導通

35、；當陽極電流小于維持電L流I則管子關斷。溫控系統(tǒng)中常用的交流調(diào)壓方式一般有相位控制和通斷控制，相H位控制技術是使晶閘管在電源電壓每一周期中，在選定的時刻將負載與電源接通，改變選定的時刻就可以達到調(diào)壓的目的。這種方法在工作過程中會產(chǎn)生高次諧波，功率因素也較低。而通斷控制是把晶閘管作為開關將負載與交流電源接通幾個周期（工頻1周期為20ms），然后再斷開一定的周期，改變通斷的時間比值達到調(diào)壓的目的。這種控制方式與相位控制相比，電路簡單，功率因素高，適用于有較大的時間常數(shù)的負載。在本系統(tǒng)中采用了通斷控制方式。2固體繼電器SSR固體繼電器（SolidStateRelaySSR）是利用現(xiàn)代微電子技術與電力

36、電子技術相結合而發(fā)展起來的一種新型無觸點電子開關器件。它可以實現(xiàn)用微弱的控制信號（幾毫安到幾十毫安）控制0.1A直至幾百A電流負載，進行無觸點接通或分斷。固體繼電器是一種四端器件，兩個輸入端，兩個輸出端。輸入端接控制信號，輸出端與負載電源串聯(lián)，SSR實際是一個受控的電力電子開關，其等效電路如圖2.6。負載輸入信號輸出信號圖2.6SSR電路圖固體繼電器由輸入電路、驅動電路和輸出電路三部分組成。如圖2.7所示。以應用較多的交流過零型固體繼電器為例。該電路采用過零觸發(fā)技術，具有電壓過零時開啟，負載電流過零時關斷的特性，在負載上可以得到一個完整的正弦波形，因此電路的射頻干擾很小。VOUT固體繼電器與通

37、常的電磁繼電器不同：無觸點、輸入電路與輸出電路之間光（電）隔離、由分立元件半導體微電子電路芯片和電力電子器件組裝而成，以阻燃型環(huán)氧樹脂為原料，采用罐封技術持其封閉在外殼中、使與外界隔離，具有良好的耐壓防腐、防潮抗震動性能。廣泛應用在電動機調(diào)速、家用電器、送變電電網(wǎng)的建設與改造、電力拖動、印染、塑料加工、煤礦、鋼鐵、化工和軍用等方面。本設計中采用固體繼電器SSR來控制脈沖個數(shù)，實現(xiàn)調(diào)節(jié)溫度。2.2.3人機通道設計微機控制系統(tǒng)中除了與生產(chǎn)過程進行信息傳遞的過程輸入、輸出通道與接口處還有與操作人員進行信息交換的輸入、輸出設備或器件，這種人機聯(lián)系的設備或器件稱為人機接口。由人機接口輸入程序或數(shù)據(jù)，完成

38、各種控制操作，顯示生產(chǎn)過程的工藝狀況與運行結果。這種人機接口的典型裝置是一個操作顯示臺或操作顯示面板。本系統(tǒng)的顯示接口采用單片機控制對LED數(shù)碼管進行動態(tài)掃描的方法。而鍵盤輸入接口也采用掃描方式來進行按鍵處理，同時采用555報警器蜂鳴報警。1按鍵電路鍵盤是由若干個按鍵組成的開關矩陣，它是單片機最簡單的信息輸入裝置，操作員通過鍵盤向單片機系統(tǒng)輸入數(shù)據(jù)或命令，實現(xiàn)簡單的人機通信。按鍵是以開關的狀態(tài)來設置控制功能和輸入數(shù)據(jù)。按鍵的作用只是簡單地實現(xiàn)開關的接通或斷開但必須有一套相應的程序與之配合，來解決按鍵的識別，鍵值的產(chǎn)生以及防止抖動等工作。非編碼鍵盤有獨立式連接的和矩陣式連接的，一般矩陣式連接的非

39、編碼鍵盤只適合鍵盤數(shù)目多的情況，由于本系統(tǒng)的按鍵比較少，所以采用獨立式非編碼鍵盤。(1)獨立式鍵盤獨立式按鍵是指直接用I/O口線構成的單個按鍵電路，如圖2.8所示。每個獨立式按鍵單獨占有一根I/O口線，每根I/O口線上的按鍵工作狀態(tài)不會影響其他I/O口線上的工作狀態(tài)。VCC(a)查詢方式VCC(b)中斷方式圖2.8獨立式按鍵電路圖2.8中(a)為查詢方式的獨立式鍵盤電路，通過I/O口線連接，將每個按鍵的端接到單片機的I/O口，另一端接地，這是最簡單的方法。圖2.8中(b)為中斷方式的獨立式鍵盤電路。各個按鍵都連接到一個與門上，當有任何個按鍵按下時，都會使與門輸出為低電平，從而引起單片機的中斷，

40、它的優(yōu)點在于不用在主程序中反復查詢按鍵，而等到有鍵按下，單片機才去執(zhí)行相應的鍵處理程序。本設計采用中斷方式的獨立式鍵盤電路。(2)按鍵去抖動為了讓CPU能準確讀出與按鍵相連的口線的狀態(tài)，并對每一次按鍵只做一次鍵輸入處理，就必須去抖動。常用去抖動的方法有兩種，硬件去抖動，軟件去抖動。本設計中采用軟件去抖動。即在單片機獲得口線為低的信息后，不是立即認定S已經(jīng)被按下，而是延時1020ms時間后再次檢查口線輸入，如果仍為低，說明S鍵的確按下，避開了按鍵按下的抖動時間。并且在檢測到按鍵釋放后再延時1020ms，消除后沿的抖動，然后再對鍵值做處理。2數(shù)碼管顯示電路顯示電路的顯示器主要有發(fā)光二極管LED和液

41、晶顯示器LCD。由于本系統(tǒng)對節(jié)能要求不高，所以選用LED數(shù)碼管顯示器。LED顯示器有兩種顯示方式，即靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示。靜態(tài)顯示只適合顯示器數(shù)目較少的情況。所以本系統(tǒng)采用動態(tài)掃描顯示。數(shù)碼管動態(tài)顯示的工作原理所謂動態(tài)顯示就是用掃描方式輪流點亮LED顯示器的各個位。特點是：將多個8段LED顯示器同名端的段選線復接在一起，只用一個4位I/O控制各個LED顯示器的公共陰極輪流接地，逐一掃描點亮，使每位LED顯示該位應當顯示的字符。恰當?shù)剡x擇點亮LED的時間間隔(1ms5ms)，會給人一種視覺暫停效應，似乎多位LED都在“同時”顯示。數(shù)碼管動態(tài)顯示接口電路如圖2.9所示，數(shù)碼管動態(tài)顯示接口電路是把所有

42、的8個筆畫段的同名端連在起，而每個顯示器的公共極是各自獨立地接受IO線控制。本系統(tǒng)采用8155芯片作為單片機應用系統(tǒng)的IO擴展，8155的PA口作為LED的字型輸出口，為提高亮度，由74LS244驅動段選碼。8155的PC口作為LED的位選控制口，LED共陽極接法，由反向驅動器74LS06驅動LED顯示器，提高驅動能力。動態(tài)顯示的操作由軟件完成。圖2.94位LED動態(tài)顯示接口電路3蜂鳴報警電路本設計中，蜂鳴報警電路采用一片時基電路555（如圖2.10所示）R、C是定時元件；8155的PC5口是輸入觸發(fā)信號，下降沿有效，加在555的TR端（2腳）；u0是輸出信號其中，輸出脈沖寬度t=1.1RCO

43、由圖中參數(shù)可知，蜂鳴的時間為0.5s。w電路的工作原理：（1）沒有觸發(fā)信號時電路工作在穩(wěn)態(tài)：無觸發(fā)信號即u為高電平時，電路工作在1穩(wěn)定狀態(tài)Q=0,u為低電平，TD飽和導通。0（2）u1下降沿觸發(fā)：當u下降沿到來時，電路被觸發(fā)，立即由穩(wěn)態(tài)翻轉到暫穩(wěn)態(tài)1Q=1,u=u、TD截止。因為u=u，由高電平跳變到低電平時，比較器C2的0TH1輸出跳變?yōu)?,基本RS觸發(fā)器立刻被置成1狀態(tài)，即暫穩(wěn)態(tài)。（3）暫穩(wěn)態(tài)的維持時間：在暫穩(wěn)態(tài)期間，電路中有一個定時電容C充電的漸變過程，充電回路是VccfRfCf地，時間常數(shù)t1=RC。在電容上電壓uu上升到CTH2Vcc/3以前，顯然電路將保持暫穩(wěn)態(tài)不變。自動返回(暫穩(wěn)

44、態(tài)結束)時間：隨著C充電過程的進彳丁，u二u逐漸升高，CTH當u二u上升到2VCC/3時，比較器C1輸出0,立即將基本RS觸發(fā)器復位到0狀態(tài)，CTH即Q=0，u=u，TD飽和導通，暫穩(wěn)態(tài)結束。0OL恢復過程：當暫穩(wěn)態(tài)結束后，定時電容C將通過飽和導通的晶體三極管TD放電，時間常數(shù)為t2=RCESC,(RCES是TD的飽和導通電阻，很小)，經(jīng)35t2后,C放電完畢，u=u=0，恢復過程結束。CTH恢復過程結束后，電路返回到穩(wěn)定狀態(tài)，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器又可接收新的輸入觸發(fā)信號。小結系統(tǒng)以AT89C52為控制核心。前向通道是系統(tǒng)獲取信息數(shù)據(jù)的組成部分，它的性能好壞直接決定了整個系統(tǒng)的精度，而且一旦產(chǎn)生較大誤

45、差，將無法消除。因此前向通道必須高精確度。以帶光電隔離的過零觸發(fā)型雙向晶閘管ACSSR為后項通道，通過正脈沖觸發(fā)雙向晶閘管導通，觸發(fā)脈沖由過零檢測電路產(chǎn)生。人機接口的典型裝置是一個操作顯示臺或操作顯示面板。本系統(tǒng)的顯示接口采用單片機控制對LED數(shù)碼管進行動態(tài)掃描的方法。而鍵盤輸入接口也采用掃描方式來進行按鍵處理同時采用555報警器蜂鳴報警。具體設計了以AT89C52單片機為核心，K型熱電偶為溫度傳感器，MAX6675芯片為溫度轉換元件,由雙向晶閘管ACSSR構成溫度反饋信息給單片機，并由按鍵、LED數(shù)碼顯示器及報警電路等組成電烤箱溫度控制閉環(huán)系統(tǒng)?？尚蘧?I可修編-第三章系統(tǒng)控制方案PID控制

46、3.1.1PID的概述PID的發(fā)展過程，很大程度上是它的參數(shù)整定方法和參數(shù)自適應方法的研究過程。自Ziegle和Nichols提出PID參數(shù)整定方法起，有許多技術已經(jīng)被用于PID控制器的手動和自動整定PID控制是迄今為止最通用的控制方法。大多數(shù)反饋控制用該方法或其較小的變形來控制PID調(diào)節(jié)器及其改進型是在工業(yè)過程控制中最常見的控制器(至今在全世界過程控制中用的84%仍是純PID調(diào)節(jié)器，若改進型包含在則超過90%)19。3.1.2PID控制的基本理論及特點PID控制器是一種比例、積分、微分并聯(lián)控制器。它是最廣泛應用的一種控制器。PID控制器的數(shù)學模型可以用公式(3.1)表示：u(t)=Ke(t)

47、+丄e(t)dt+T血(3-1)pTddti其中：u(t)為控制器的輸出e(t)為控制器輸入，它是給定值和被控對象輸出值的差，稱偏差信號K為控制器的比例系數(shù)PTi為控制器的積分時間Td為控制器的微分時間在PID控制器中，它的數(shù)學模型由比例、積分、微分三部分組成。這三部分分別是：(1)比例部分比例部分數(shù)學表達式為：K-e(t)(3.2)P偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即有控制作用，使控制量朝著減小偏差的方向變化，控制作用強弱取決于比例系數(shù)K，K越大，則過渡過程越短，控制結果的穩(wěn)態(tài)誤差PP也越?。坏獽越大，超調(diào)量也越大，越容易產(chǎn)生振蕩，導致動態(tài)性能變壞，甚至會P使閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。故而，比例系數(shù)K，選擇必須

48、適當，才能取得過渡時間少、穩(wěn)P態(tài)誤差小而又穩(wěn)定的效果。(2)積分部分積分部分數(shù)學表達式為：_jpJe(t)dt(3.3)i從積分部分的數(shù)學表達式可以知道，只要存在偏差，則它的控制作用就會不斷地積累，輸出控制量以消除偏差?？梢姡e分部分的作用可以消除系統(tǒng)的偏差。可是積分作用具有滯后特性，積分控制作用太強會使系統(tǒng)超調(diào)加大，控制的動態(tài)性能變差，甚至會使閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。積分時間T對積分部分的作用影響極大。當T較大時，則積分作用較弱，這時，有利于系統(tǒng)減小超調(diào)，過渡過程不易產(chǎn)生振蕩。但是消除誤差所需時間較長。當S較小時，則積分作用較強。這時系統(tǒng)過渡過程中有可能產(chǎn)生振蕩，消除誤差所需的時間較短。(3)微分部

49、分微分部分數(shù)學表達式為：K-T-de(t)/dt(3.4)Pd微分控制得出偏差的變化趨勢，增大微分控制作用可加快系統(tǒng)響應，減小超調(diào)量，克服振蕩，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但使系統(tǒng)抑制干擾的能力降低。微分部分的作用強弱由微分時間T決定。T越大，則它抑制e(t)變化的作用越強，T越小，它反ddd抗e(t)變化的作用越弱。它對系統(tǒng)的穩(wěn)定性有很大的影響。在計算機直接數(shù)字控制系統(tǒng)中，控制器是通過計算機PID控制算法程序實現(xiàn)的。PID計算機直接數(shù)字控制系統(tǒng)大多數(shù)是采樣數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)。進入計算機的連續(xù)時間信號，必須經(jīng)過采樣和整量化后，變成數(shù)字量，方能進入計算機的存貯器和寄存器，而在數(shù)字計算機中的計算和處理，不論是積分

50、還是微分，只能用數(shù)值計算去逼近。在數(shù)字計算機中，PID控制規(guī)律的實現(xiàn)，也必須用數(shù)值逼近的方法。當采樣周期相當短時，用求和代替積分，用差商代替微商，使PID算法離散化，將描述連續(xù)時間PID算法的微分方程，變?yōu)槊枋鲭x散時間PID算法的差分方程，即為數(shù)字PID位置型控制算式，如下式(3.5)：u(k)二Ke(k)+T丈e(i)+T推上推1(3.5)PTdTii=0s式中:u(k)為k采樣周期時的輸出e(k)為k采樣周期時的偏差Ts為采樣周期TPT即有=KtKPTDi3.6)u(k)二Ke(k)+K丈e(i)+Ke(k)+e(k-1)PIDi=0其中K、Ki、K分別為比例、積分、微分系數(shù)。PD模糊控制

51、傳統(tǒng)的PID類型控制器由于其在簡易的控制結構被廣泛應用于工業(yè)當中，這一點在目前是眾人皆知的。根據(jù)1989年日本電子設備制造商聯(lián)盟的一份國家過程控制系統(tǒng)調(diào)查，超過90%的控制環(huán)類型是PID型。PID方程式簡單而且能依據(jù)不同的控制對象輕易的被采用，但是如果控制系統(tǒng)是高階和非線性的，它就不會有良好的控制表現(xiàn)9。3.2.1模糊控制的概述1965年，美國加里福尼亞大學Zadeh教授發(fā)表了模糊集合論一文，標志著模糊數(shù)學的誕生。模糊自動控制是以模糊數(shù)學為理論基礎，即以模糊集合論，模糊語言變量和模糊邏輯推理為基礎的一種計算機數(shù)字控制，屬于智能控制方法。隨著科學技術的迅速發(fā)展，各個領域對自動控制系統(tǒng)控制精度、響

52、應速度、系統(tǒng)穩(wěn)定性與適應能力的要求越來越高，所研究的系統(tǒng)也日益復雜多變。模糊控制從1974年到現(xiàn)在，有三十多年的歷史。在這段時間中模糊控制已經(jīng)歷了二個階段，即簡單模糊控制階段和自我完善模糊控制階段。模糊控制在實踐應用中，具有許多傳統(tǒng)控制無法與之比擬的優(yōu)點，其中主要是使用語言方法，可不需要掌握過程的精確數(shù)學模型。(2)對于具有一定操作經(jīng)驗、但非控制專業(yè)的工作者，模糊控制易于掌握。(3)操作人員易于通過人的自然語言進行人機界面聯(lián)系，這些模糊條件語句很容易加入到過程的控制環(huán)節(jié)上。(4)采用模糊控制，過程的動態(tài)響應品質(zhì)優(yōu)于常規(guī)PID控制，并對過程參數(shù)的變化具有較強的適應性10。3.2.2模糊控制的基本

53、原理及特點模糊控制系統(tǒng)的基本原理可由圖3.1表示。其中的核心部分為模糊控制器，由于模糊控制器的控制規(guī)則是根據(jù)操作人員的控制經(jīng)驗取得的，所以它的作用就是模仿人工控制。模糊控制器的控制規(guī)律由計算機的程序實現(xiàn)。其功能的實現(xiàn)是要先把計算機觀測控制過程得到的精確量轉化為模糊輸入信息，按照總結人的控制經(jīng)驗及策略取得的語言控制規(guī)則進行模糊推理和模糊決策，求得輸出控制量的模糊集，再可修編-可修編-經(jīng)去模糊化處理得到輸出控制的精確量，作用于被控對象。因此，模糊控制器的結構通常是由它的輸入和輸出變量的模糊化、模糊推理算法、模糊合成和模糊判決等部分組成。這樣就確定了模糊控制器(FLC)的基本原理，如圖3.2所示1。

54、由此可見，模糊控制器實質(zhì)上是反映輸入語言變量與輸出語言變量及語言控制規(guī)則的模糊定量關系算法結構，一般常用的是二維模糊控制器，即以偏差和偏差變化率作為輸入，工作過程可概括為下述幾個步驟：將輸入變量的精確值變?yōu)槟：?；根?jù)輸入變量(模糊量)及模糊控制規(guī)則，按模糊推理合成規(guī)則計算控制量(模糊量)；上述得到的控制量(模糊量)清晰化計算得到精確的控制量。圖3.1模糊控制系統(tǒng)的基本原理框圖圖3.2模糊控制器(FLC)的原理圖模糊PID控制常規(guī)的二維模糊控制器是以偏差和偏差變化作為輸入變量，因此，一般認為這種控制器具有Fuzzy比例和微分控制作用，而缺少Fuzzy積分控制作用，眾所周知,在線性控制理論中，積

55、分控制作用能消除穩(wěn)態(tài)誤差，但動態(tài)響應慢；比例控制作用動態(tài)響應快；而比例積分控制作用既能獲得較高的穩(wěn)態(tài)精度，又能具有較快的動態(tài)響應。故把PI(PID)控制策略引入模糊控制器，構成Fuzzy-PI(或PID)復合控制，使動靜態(tài)性能都得到很好的改善，即達到動態(tài)響應快，超調(diào)小、穩(wěn)態(tài)誤差小。模糊控制和PID控制結合的形式有多種ii：模糊-PID復合控制控制策略是:在大偏差圍，即偏差e在某個閾值之外時采用模糊控制，以獲得良好的瞬態(tài)性能；在小偏差圍，即e落到閾值之時轉換成PID(或PI)控制，以獲得良好的穩(wěn)態(tài)性能。二者的轉換閾值由微機程序根據(jù)事先給定的偏差圍自動實現(xiàn)。常用的是模糊控制和PI控制兩種控制模式相

56、結合的控制方法稱之為Fuzzy-PI雙?？刂?。比例-模糊-PI控制當偏差e大于某個閾值時，用比例控制，以提高系統(tǒng)響應速度，加快響應過程；當偏差e減小到閾值以下時，切換轉入模糊控制，以提高系統(tǒng)的阻尼性能，減小響應過程中的超調(diào)。在該方法中，模糊控制的論域僅是整個論域的一部分，這就相當于模糊控制論域被壓縮，等效于語言變量的語言值即分檔數(shù)增加，提高了靈敏度和控制精度。但是模糊控制沒有積分環(huán)節(jié)，必然存在穩(wěn)態(tài)誤差，即可能在平衡點附近出現(xiàn)小振幅的振蕩現(xiàn)象。故在接近穩(wěn)態(tài)點時切換成PI控制，一般都選在偏差語言變量的語言值為零時，(這時絕對誤差實際上并不一定為零)切換至PI控制。模糊-積分混合控制將常規(guī)積分控制器

57、和模糊控制器并聯(lián)構成的。參數(shù)模糊自整定PID控制PID控制的關鍵是確定PID參數(shù)，該方法是用模糊控制來確定PID參數(shù)的，也就是根據(jù)系統(tǒng)偏差e和偏差變化率ec，用模糊控制規(guī)則在線對PID參數(shù)進行修改。其實現(xiàn)思想是先找出PID各個參數(shù)與偏差e和偏差變化率ec之間的模糊關系，在運行過不斷檢測e和ec，在根據(jù)模糊控制原理來對各個參數(shù)進行在線修改，以滿足在不同e和ec時對控制參數(shù)的不同要求，使控制對象具有良好的動、靜態(tài)性能，且計算量小，易于用單片機實現(xiàn)。其原理框圖如圖3.3所示12。圖3.3參數(shù)模糊自整定PID控制算法原理圖小結PID調(diào)節(jié)器及其改進型是在工業(yè)過程控制中最常見的控制器，至今在全世界過程控制

58、中用的84%仍是純PID調(diào)節(jié)器，若改進型包含在則超過90%。模糊控制是基于模糊邏輯描述的一個過程控制算法，主要嵌入操作人員的經(jīng)驗和直覺知識。它適用于控制不易取得精確數(shù)學模型和數(shù)學模型不確定或經(jīng)常變化的對象。溫度控制系統(tǒng)的模型通常是不完善的，即使模型已知，也存在參數(shù)變化的問題。而把PKPID）控制策略引入模糊控制器，構成Fuzzy-PI（或PID）復合控制，可以使系統(tǒng)動靜態(tài)性能都得到很好的改善，即達到動態(tài)響應快，超調(diào)小、穩(wěn)態(tài)誤差小。無論是模糊控制、模糊PID控制，都屬于人工智能領域同PID結合以調(diào)節(jié)PID參數(shù)，從而適應溫控系統(tǒng)非線性、干擾多、大時延、時變和熱分布不均勻的特點。第四章仿真研究為了進

59、行模糊系統(tǒng)的仿真設計，國外的學者都開發(fā)了一些工具。其中一個是MATLAB的模糊控制工具箱(FuzzyLogicToolbox)。模糊控制工具箱是一個不針對具體硬件平臺的模糊控制設計工具，它可以用圖形界面的工作方式設計整個模糊控制器，如定義它的輸入、輸出變量的數(shù)目，各輸入、輸出變量的隸屬函數(shù)的形狀和數(shù)目，模糊規(guī)則的數(shù)目，模糊推理的方法，反模糊化的方法等等。在設計好這樣一個純粹的模糊控制器之后，可以利用MATLAB本身的SIMULINK仿真平臺來構建整個模糊控制系統(tǒng)并進行仿真。它的優(yōu)勢在于它可以利用MATLAB軟件本身豐富的資源，來構建不同結構的模糊系統(tǒng)，比如神經(jīng)網(wǎng)絡模糊系統(tǒng)，遺傳算法模糊系統(tǒng)，模

60、糊PID系統(tǒng)等等，并對這樣的系統(tǒng)進行仿真、分析1314。MATLAB及其模糊邏輯工具箱和仿真環(huán)境simulinkMATLAB是矩陣實驗室(MatrixLaboratory。的簡稱，是美國MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計算的高級技術計算語言和交互式環(huán)境，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。MATLAB和Mathematica、Maple并稱為三大數(shù)學軟件。它在數(shù)學類科技應用軟件中在數(shù)值計算方面首屈-指oMATLAB可以進行矩陣運算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、連接其他編程語言的程序等，主要應用于工程計算、控制設計、信號