恒溫電熱水爐控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

恒溫電熱水爐控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要電熱水鍋爐是一種新型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，是目前較為理想的環(huán)保、節(jié)能型供暖設(shè)備。由于電熱水鍋爐的溫度、水位控制都具有非線性、大慣性、大滯后以及難以建立精確的數(shù)學(xué)模型的特點(diǎn)，因此給控制過程帶來很大麻煩。在本設(shè)計(jì)中，尋求一種最佳的控制方案，以達(dá)到系統(tǒng)穩(wěn)定、調(diào)節(jié)時(shí)間短且超調(diào)量小的性能指標(biāo)。本文先闡述了恒溫電熱水爐控制系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，對(duì)可用的控制方案進(jìn)行了說明。先對(duì)常規(guī)PID控制、模糊控制的理論基礎(chǔ)進(jìn)行了說明，然后分別設(shè)計(jì)控制器，根據(jù)被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，利用Matlab的Simulink開發(fā)環(huán)境和模糊邏輯工具箱分別對(duì)溫度、水位的PID控制系統(tǒng)和模糊控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。結(jié)果表明模糊控制的效果更好，性能指標(biāo)更為理想，因此模糊控制是一種較為理想的控制方案。在電熱水鍋爐控制系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)功能要求的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了以AT89C51單片機(jī)為核心部件的硬件電路，實(shí)現(xiàn)了溫度的采集與控制、水位的采集與控制、無(wú)水報(bào)警與保護(hù)等各種功能。在硬件電路設(shè)計(jì)的同時(shí)，也進(jìn)行了相應(yīng)的軟件設(shè)計(jì)，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用了模塊化結(jié)構(gòu)，分模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞：溫度，水位，模糊控制，仿真，單片機(jī)

CONTROLSYSTEMDESIGNOFTHERMOSTATELECTRICWATERHEATERABSTRACTElectrichotwaterboilerisakindofelectromechanicalproductmodel,whichisenvironmentalfriendly,energy-savingheatingequipmentoftheideal.Becausethecontrolofelectricwaterboiler’stemperature,waterlevelhasthenonlinear,largeinertia,largedelayanditisdifficulttoestablishaccuratemathematicalmodel,sotocontroltheprocesshavealotoftrouble.Inthisdesign,inordertoachievetheperformanceindexofsystemstability,controlperformanceinshorttimeandsmallovershoot,toseekanoptimalcontrolschemeisimportant.Thispaperfirstdescribesthepresentsituationoftheconstanttemperaturecontrolsystemofelectricwaterheatersbothathomeandabroad,thenintroducesomeavailablecontrolschemes.Atfirst,thetheoreticalbasisofconventionalPIDcontrolandfuzzycontrol,thenbasedonthemathematicalmodeloftheobject,designthecontroller,usingMatlabSimulinkdevelopmentenvironmentandthefuzzylogictoolboxrespectivelyonthetemperatureandwaterlevelinthePIDcontrolsystemandfuzzycontrolsystemsimulationanalysis.Theresultsshowthattheperformanceoffuzzycontrolisbetter,sothefuzzycontrolisakindofidealcontrolscheme.Basedonthesystemfunctionrequirementofelectrichotwaterboilercontrolsystem,designingthehardwarecircuitwithAT89C51singlechipasthecorecomponentsofthedesign,realizingthefunctionoftemperatureacquisitionandcontrol,watercollectionandcontrol,alarmandprotectionfunctionofanhydrous.Inthehardwarecircuitdesignatthesametime,hasalsocarriedonthecorrespondingsoftwaredesign,systemsoftwaredesignusesthemodularstructuredesignmodule.KEYWORDS：temperature,waterlevel,fuzzycontrol,simulation,single-chipmicrocomputer目錄前言 1第1章緒論 2§1.1選題的背景及意義 2§1.2國(guó)內(nèi)外電熱水鍋爐控制方案發(fā)展現(xiàn)狀 2§1.3模糊控制方法發(fā)展現(xiàn)狀 4§1.4本文的主要研究?jī)?nèi)容 5第2章控制算法的基本理論 7§2.1PID控制的理論基礎(chǔ) 7PID控制的基本理論 7PID控制算法 9§2.2模糊控制的基本理論 10模糊控制的基本原理 10模糊控制器的結(jié)構(gòu) 10模糊控制器的優(yōu)點(diǎn) 13§2.3本章小結(jié) 14第3章恒溫電熱水爐模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真 15§3.1控制系統(tǒng)的仿真工具 15§3.1.1MATLAB概況 15Simnlink仿真實(shí)現(xiàn) 15§3.2電熱水鍋爐PID控制系統(tǒng)仿真 16溫度PID控制系統(tǒng)仿真 16水位PID控制系統(tǒng)仿真 18§3.3溫度模糊控制器設(shè)計(jì) 19§3.4水位模糊控制器設(shè)計(jì) 21§3.5本章小結(jié) 24第4章恒溫電熱水爐控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 25§4.1系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 25§4.2各單元模塊硬件電路設(shè)計(jì) 26單片機(jī)的選型 26溫度檢測(cè)電路設(shè)計(jì) 29水位檢測(cè)電路設(shè)計(jì) 32鍵盤和顯示電路設(shè)計(jì) 33缺水保護(hù)電路設(shè)計(jì) 35溫度控制電路設(shè)計(jì) 35水位控制電路設(shè)計(jì) 36§4.3本章小結(jié) 37第5章恒溫電熱水爐控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 38§5.1主程序設(shè)計(jì) 38§5.2溫度檢測(cè)子程序設(shè)計(jì) 39§5.3水位檢測(cè)子程序設(shè)計(jì) 41§5.4鍵盤輸入子程序設(shè)計(jì) 41§5.5顯示子程序設(shè)計(jì) 42§5.6本章小結(jié) 43結(jié)論 44參考文獻(xiàn) 45致謝 47前言隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)，控制技術(shù)，檢測(cè)技術(shù)的快速發(fā)展，工業(yè)的生產(chǎn)和管理進(jìn)入自動(dòng)化、信息化和智能化時(shí)代，智能化已經(jīng)成為時(shí)代發(fā)展的需要，實(shí)現(xiàn)電熱水鍋爐的智能化控制成為了電熱水鍋爐研究的主要趨勢(shì)。在國(guó)外，由于對(duì)電熱水鍋爐的研究較早，所以電熱水鍋爐的控制水平較高。由于起步較晚，國(guó)內(nèi)電熱水鍋爐的控制水平相對(duì)不高，主要表現(xiàn)在算法簡(jiǎn)單、粗糙，造成溫度、水位控制效果不佳，易產(chǎn)生輸出控制量的震蕩，而且自動(dòng)化程度不高。鍋爐控制作為過程控制的一個(gè)典型，不管是國(guó)外還是國(guó)內(nèi)的鍋爐溫度、水位控制主要采用PID控制。PID控制是最早發(fā)展起來的應(yīng)用經(jīng)典控制理論的控制策略之一，由于其算法簡(jiǎn)單、魯棒性好和可靠性高，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)過程控制中，尤其適用于可建立精確數(shù)學(xué)模型的確定性控制系統(tǒng)。但實(shí)際上電熱水鍋爐溫度、水位控制是一個(gè)滯后、時(shí)變、非線性的復(fù)雜系統(tǒng)，因此應(yīng)用常規(guī)PID控制往往不能達(dá)到較為理想的控制效果。因此，我們有必要采用一種新型的控制方式，既能使控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度降低，又能達(dá)到設(shè)備的控制要求。而模糊控制技術(shù)為該領(lǐng)域提供了一種有效的解決方法。模糊控制正適合數(shù)學(xué)模型未知,動(dòng)態(tài)過程變化大的系統(tǒng)。模糊控制不需要建立控制對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型,只要求把人工操作的經(jīng)驗(yàn)與數(shù)據(jù)歸納成較完善的語(yǔ)言控制規(guī)則,因此它能繞過對(duì)象的不確定性、干擾及非線性、時(shí)變性、時(shí)滯性等影響。將模糊控制方法運(yùn)用到電熱水爐溫度、水位的控制中，可以很大程度的提高控制效果。本設(shè)計(jì)中基于模糊控制算法設(shè)計(jì)模糊控制器，以AT89C51單片機(jī)為核心進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)電熱水鍋爐的溫度控制和水位控制，具備無(wú)水報(bào)警與保護(hù)、水位和溫度的數(shù)字化顯示等功能。本文前兩章是基礎(chǔ)部分，主要介紹了電熱水鍋爐的國(guó)內(nèi)外控制方案發(fā)展現(xiàn)狀和一些控制算法的理論基礎(chǔ)。第三章主要是模糊控制器的設(shè)計(jì)與仿真，并與PID控制方法進(jìn)行對(duì)比，說明模糊控制的優(yōu)點(diǎn)。第四、五章分別是硬件和軟件部分設(shè)計(jì)。緒論選題的背景及意義在工業(yè)生產(chǎn)過程中，控制對(duì)象各種各樣，溫度和水位是生產(chǎn)過程和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中普遍而且重要的物理參數(shù)之一。在生產(chǎn)過程中，為了高效地進(jìn)行生產(chǎn)，必須對(duì)它的主要參數(shù)，如溫度、水位、壓力、流量等進(jìn)行有效的控制。溫度、水位的控制在生產(chǎn)過程中占有相當(dāng)大的比例，其關(guān)鍵在于檢測(cè)和控制兩方面。溫度、水位檢測(cè)是控制的基礎(chǔ)，技術(shù)已經(jīng)比較成熟。由于控制對(duì)象越來越復(fù)雜，在溫度、水位控制方面，還存在著許多問題。如何更好地提高控制性能，滿足不同系統(tǒng)的控制要求，是目前科學(xué)研究領(lǐng)域的一個(gè)重要課題。溫度、水位控制一般指對(duì)某一特定空間的溫度、水位進(jìn)行控制調(diào)節(jié)，使其達(dá)到工藝過程的要求。本文主要研究電熱水鍋爐水溫水位控制的方法。電熱水鍋爐是將電能轉(zhuǎn)換為熱能的能量轉(zhuǎn)換裝置[1]。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、污染小、自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)。與傳統(tǒng)的以煤和石化產(chǎn)品為燃料的鍋爐相比還具有基本投資少、占地面積小、操作方便、熱效率高、能量轉(zhuǎn)化率高等優(yōu)點(diǎn)。近年來，電熱水鍋爐已成為供熱采暖的主要設(shè)備。鍋爐控制作為過程控制的一個(gè)典型，動(dòng)態(tài)特性具有大慣性大延遲的特點(diǎn)，而且伴有非線性。目前國(guó)內(nèi)電熱鍋爐控制很多采用的是開關(guān)式控制，甚至是人工控制方法。采用這些控制方法的系統(tǒng)穩(wěn)定性不好，超調(diào)量大，同時(shí)對(duì)外界環(huán)境變化響應(yīng)慢，實(shí)時(shí)性差。另外，頻繁的開關(guān)切換對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生很大的沖擊，降低了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益，減少了鍋爐的使用年限。因此，研究一種最佳的電鍋爐控制方法，對(duì)提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、便捷性、穩(wěn)定性具有重要的意義。國(guó)內(nèi)外電熱水鍋爐控制方案發(fā)展現(xiàn)狀隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)，控制技術(shù)，檢測(cè)技術(shù)的快速發(fā)展，工業(yè)的生產(chǎn)和管理進(jìn)入自動(dòng)化、信息化和智能化時(shí)代，智能化已經(jīng)成為時(shí)代發(fā)展的需要，實(shí)現(xiàn)鍋爐的智能化控制成為了鍋爐研究的主要趨勢(shì)。鍋爐微機(jī)控制，是近些年來實(shí)現(xiàn)鍋爐智能化控制的重要方法，它是微型計(jì)算機(jī)軟件、硬件、自動(dòng)控制、鍋爐節(jié)能等幾項(xiàng)技術(shù)緊密結(jié)合的產(chǎn)物。單片機(jī)自問世以來，性能不斷提高和完善，體積小、速度快、功耗低的特點(diǎn)使它的應(yīng)用領(lǐng)域日益廣泛，把單片機(jī)運(yùn)用于鍋爐控制中是實(shí)現(xiàn)鍋爐智能化控制的很好的選擇。目前，不管是國(guó)外還是國(guó)內(nèi)的鍋爐溫度、水位控制主要采用PID控制。PID控制是最早發(fā)展起來的應(yīng)用經(jīng)典控制理論的控制策略之一，由于其算法簡(jiǎn)單、魯棒性好和可靠性高，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)過程控制中，尤其適用于可建立精確數(shù)學(xué)模型的確定性控制系統(tǒng)。但實(shí)際上電熱水鍋爐溫度、水位控制是一個(gè)滯后、時(shí)變、非線性的復(fù)雜系統(tǒng)，再加上設(shè)備運(yùn)行時(shí)間的增加及環(huán)境因素變化，使得PID算法中的參數(shù)可能需要不定期的重新整定，因此應(yīng)用常規(guī)PID控制往往不能達(dá)到較為理想的控制效果?；谏鲜鲈颍覀冇斜匾捎靡环N新型的控制方式，既能使控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度降低，又能達(dá)到設(shè)備的控制要求。近些年來，隨著智能控制技術(shù)的發(fā)展和成熟，在鍋爐溫度、水位控制系統(tǒng)中日益廣泛。智能控制是一類無(wú)需人的干預(yù)就能夠針對(duì)控制對(duì)象的狀態(tài)自動(dòng)地調(diào)節(jié)控制規(guī)律以實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)的控制策略。它避開了建立精確的數(shù)學(xué)模型和用常規(guī)控制理論進(jìn)行定量計(jì)算與分析的困難性。就目前而言，智能控制是解決傳統(tǒng)過程控制局限性問題和提高控制質(zhì)量的一個(gè)重要途徑[2]。目前應(yīng)用于電熱水鍋爐控制系統(tǒng)的幾種常用智能控制方法有：模糊控制模糊控制是基于模糊邏輯的描述一個(gè)過程的控制算法，它不需要被控對(duì)象的精確模型，僅依賴于操作人員的經(jīng)驗(yàn)和直覺判斷，容易應(yīng)用。模糊控制的實(shí)現(xiàn)過程為：①將控制對(duì)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，將這些模糊規(guī)則寫成模糊條件語(yǔ)句，形成模糊模型。②根據(jù)模糊查詢表，形成模糊控制算法。③對(duì)輸入量的精確值模糊化，經(jīng)數(shù)學(xué)處理輸入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)由模糊規(guī)則推理做出模糊決策，求出相應(yīng)的控制量，變成精確值去驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，調(diào)整輸入，達(dá)到調(diào)節(jié)控制量的目的[3]。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與PID的結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種利用數(shù)理模型的方法模擬生物神經(jīng)細(xì)胞結(jié)構(gòu)及對(duì)信息的記憶和處理而構(gòu)成的信息處理方法。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以其高度的非線性映射、自組織、自學(xué)習(xí)和聯(lián)想記憶等功能，可對(duì)復(fù)雜的非線性系統(tǒng)建模。該方法響應(yīng)速度快，抗干擾能力強(qiáng)、算法簡(jiǎn)單，且易丁用硬件和軟件實(shí)現(xiàn)。在鍋爐溫度、水位控制系統(tǒng)中，將溫度、水位的影響因素作為網(wǎng)絡(luò)的輸入，將其輸出作為PID控制器的參數(shù)，以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為樣本，在微機(jī)上反復(fù)迭代，自我完善與修止，直至系統(tǒng)收斂，得到網(wǎng)絡(luò)權(quán)值，達(dá)到白整定PID控制器參數(shù)的目的，也就是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)整定PID參數(shù)的方法[4,5]。模糊控制與PID的結(jié)合模糊控制與PID的具體結(jié)合形式有多種，主要是Fuzzy-PID復(fù)合控制和模糊自整定PID參數(shù)的方法。Fuzzy-PID復(fù)合控制是指當(dāng)系統(tǒng)偏差較大時(shí)采用模糊控制，這樣響應(yīng)速度快，動(dòng)態(tài)性能好；當(dāng)系統(tǒng)偏差較小時(shí)采用PID控制，使其具有好的靜態(tài)性能，保證控制精度，是一種模糊控制和PID控制分階段切換控制的方法。參數(shù)自調(diào)整模糊PID控制的方法是根據(jù)系統(tǒng)偏差和偏差變化率，由模糊推理來調(diào)整PID參數(shù)，也就是一種以模糊規(guī)則來調(diào)節(jié)PID參數(shù)的自適應(yīng)控制方法[6]。模糊控制與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合模糊控制所依賴的專家經(jīng)驗(yàn)一般不容易獲得，一成不變的控制規(guī)則也很難適應(yīng)不同被控對(duì)象的要求，所以應(yīng)該使模糊控制向著自適應(yīng)的方向發(fā)展。基于這樣的要求，可以利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)能力來修正系統(tǒng)偏差和偏差變化率的比例系數(shù)、修正模糊控制的隸屬函數(shù)，從而達(dá)到優(yōu)化模糊控制器的作用，進(jìn)一步改進(jìn)實(shí)時(shí)控制的效果[7]。模糊控制方法發(fā)展現(xiàn)狀模糊集合和模糊控制的概念是由美國(guó)加利福尼亞大學(xué)著名教授于1965年在其Fuzzy,FuzzyAlgorithm等著名論著中首先提出的。模糊集合的引入可將人的判斷、思維過程用比較簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)形式直接表達(dá)出來，從而使對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)做出符合實(shí)際的、符合人類思維方式的處理成為可能，為經(jīng)典模糊控制器的形成奠定了基礎(chǔ)。為了加快模糊控制理論的研究，1972年在日本東京大學(xué)建立了“模糊系統(tǒng)研究會(huì)”，以后，各大學(xué)相繼召開模糊控制的國(guó)際學(xué)術(shù)交流會(huì)，大大促進(jìn)了模糊控制的發(fā)展。1974年，英國(guó)工程師首次把模糊數(shù)學(xué)應(yīng)用于對(duì)鍋爐和蒸汽機(jī)的控制,取得了圓滿的成功,成為了應(yīng)用模糊技術(shù)的先驅(qū)。盡管模糊集理論的提出至今只有30年，但發(fā)展迅速，至今世界上研究“模糊”的學(xué)者已超過萬(wàn)人，發(fā)表的重要論文達(dá)5000多篇。二十世紀(jì)80年代以來，自動(dòng)控制系統(tǒng)的被控對(duì)象更加復(fù)雜化，它不僅表現(xiàn)在多輸入，多輸出的強(qiáng)耦合性、參數(shù)時(shí)變性和嚴(yán)重的非線性，更突出的是從系統(tǒng)對(duì)象所能獲得的數(shù)據(jù)量相對(duì)的減少，以及對(duì)控制性能要求的日益增高。因此要想精確地描述復(fù)雜對(duì)象與系統(tǒng)的任何物理現(xiàn)象和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，實(shí)際已不可能。關(guān)鍵是如何在精確和簡(jiǎn)明之間取得平衡，而使問題的描述具有實(shí)際意義。這樣模糊控制理論的優(yōu)點(diǎn)在現(xiàn)代控制理論中起著越來越重要的地位和意義。同時(shí)世界各國(guó)也涌現(xiàn)了越來越多模糊控制的成功應(yīng)用范例，特別是在工業(yè)過程、機(jī)器人和家用電器控制方面，并且生產(chǎn)出了專用的模糊芯片與模糊計(jì)算機(jī)。近些年，對(duì)于經(jīng)典模糊控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能的改善、模糊集成控制、模糊自適應(yīng)控制、專家模糊控制與多變量模糊控制的研究，特別是針對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的自學(xué)習(xí)與參數(shù)自調(diào)整模糊系統(tǒng)方面的研究受到各國(guó)學(xué)者的重視。目前，將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊控制技術(shù)相互結(jié)合，取長(zhǎng)補(bǔ)短，形成一種模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、模擬人腦的智能信息處理系統(tǒng)，其發(fā)展前景十分誘人。將模糊控制方法運(yùn)用到電熱水鍋爐溫度、水位控制系統(tǒng)中，可以克服溫度、水位控制系統(tǒng)中存在的嚴(yán)重的滯后現(xiàn)象，同時(shí)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[8,9]。本文的主要研究?jī)?nèi)容基于以上所述目前各種控制方法的特點(diǎn)，以及鍋爐溫度、水位這兩個(gè)物理參數(shù)變化緩慢，大慣性和大滯后的特點(diǎn)，本文考慮采用模糊控制方法。模糊控制系統(tǒng)組成原理框圖如圖1-1所示：圖1-1模糊控制系統(tǒng)組成原理框圖本文的具體研究?jī)?nèi)容如下：1.本文先對(duì)所采用控制算法的理論基礎(chǔ)進(jìn)行介紹，分別介紹PID控制算法、模糊控制算法的理論基礎(chǔ)，并說明模糊控制方法的優(yōu)點(diǎn)。2.針對(duì)溫度、水位的控制特點(diǎn)，分別設(shè)計(jì)控制溫度和水位的模糊控制器。運(yùn)用MATLAB軟件的Simulink開發(fā)環(huán)境和模糊邏輯工具對(duì)PID控制和模糊進(jìn)行建模仿真，并對(duì)控制性能指標(biāo)進(jìn)行分析，比較PID控制系統(tǒng)和模糊控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間、超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)誤差。3.結(jié)合電熱水鍋爐控制系統(tǒng)對(duì)控制器的硬件要求，設(shè)計(jì)一個(gè)基于單片機(jī)的控制器，包括總體方案設(shè)計(jì)、硬件電路設(shè)計(jì)和部分軟件設(shè)計(jì)。實(shí)現(xiàn)熱水爐的溫度控制盒水位控制，具備無(wú)水報(bào)警與保護(hù)、水位、溫度的數(shù)字化顯示功能?？刂扑惴ǖ幕纠碚搶?duì)電熱水鍋爐溫度、水位的控制，首先可采用的控制方案是PID控制，它是經(jīng)典控制理論中最典型的控制方法，對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過程的線性定常系統(tǒng)，大多采用經(jīng)典控制方法，它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性強(qiáng)，容易實(shí)現(xiàn)，并且可以消除穩(wěn)定誤差，在大多數(shù)情況下能夠滿足性能要求。第二個(gè)可采用方案是模糊控制，由于它是以先驗(yàn)知識(shí)和專家經(jīng)驗(yàn)為控制規(guī)則的智能控制技術(shù)，可以模擬人的推理和決策過程，因此無(wú)須知道被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型就可以實(shí)現(xiàn)較好的控制，且響應(yīng)時(shí)間短，可以保持較小的超調(diào)量[10]。PID控制的理論基礎(chǔ)PID控制的基本理論P(yáng)ID控制在生產(chǎn)過程中是一種被普遍采用的控制方法，它是基于對(duì)變量“過去”、“現(xiàn)在”和“未來”信息估計(jì)的交叉控制算法。常規(guī)PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖2-1所示，系統(tǒng)主要有被控對(duì)象和PID控制器兩部分組成。常規(guī)的PID一般為線性控制器，實(shí)際輸出值和給定值會(huì)存在一個(gè)偏差，將偏差按比例、積分和微分通過線性組合來構(gòu)成控制量，最后對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，故稱PID控制器。工業(yè)上所用的控制規(guī)律是這些基本規(guī)律之間的不同組合。理想的PID控制器根據(jù)給定值r(t)與實(shí)際輸出值c(t)構(gòu)成的控制偏差e(t)(2.1)將偏差的比例、積分和微分通過線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制。(2.2)式中──控制器的輸出；──控制器的輸入，給定值與被控對(duì)象輸出值的差，即偏差信號(hào)；──比例控制項(xiàng)，為比例系數(shù)；──積分控制項(xiàng)，為積分時(shí)間常數(shù)；——微分控制項(xiàng)，為微分時(shí)間常數(shù)。圖2-1基本PID控制系統(tǒng)原理框圖在圖2-1的基礎(chǔ)上分析一下PID控制器各校正環(huán)節(jié)的作用[11]：(1)比例環(huán)節(jié)比例環(huán)節(jié)的引入是為了及時(shí)成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)，以最快的速度產(chǎn)生控制作用，使偏差向最小的方向變化。隨著比例系數(shù)K的增大，穩(wěn)定誤差逐漸減小，但同時(shí)動(dòng)態(tài)性能變差，振蕩比較嚴(yán)重，超調(diào)量增大。(2)積分環(huán)節(jié)積分環(huán)節(jié)的引入主要用于消除靜差，即當(dāng)閉環(huán)系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，則此時(shí)控制輸出量和控制偏差量都將保持在某一個(gè)常值上。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)T，時(shí)間常數(shù)越大積分作用越弱，反之越強(qiáng)。隨著積分時(shí)間常數(shù)T的減小，靜差在減??；但過小的積分常數(shù)會(huì)加劇系統(tǒng)振蕩，甚至使系統(tǒng)失去穩(wěn)定。(3)微分環(huán)節(jié)微分環(huán)節(jié)的引入是為了改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，它可以預(yù)測(cè)將來，能反映偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)，并能在偏差信號(hào)值變太大之前，在系統(tǒng)引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而加速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)速度，減小調(diào)節(jié)時(shí)間。PID控制算法在計(jì)算機(jī)直接數(shù)字控制系統(tǒng)中，PID控制器是通過計(jì)算機(jī)PID控制算法程序?qū)崿F(xiàn)的。進(jìn)入計(jì)算機(jī)的連續(xù)時(shí)間信號(hào)，必須經(jīng)過采樣和量化后，變成數(shù)字量，才能進(jìn)入計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器和寄存器，而在數(shù)字計(jì)算機(jī)中的計(jì)算和處理，不論是積分還是微分，只能用數(shù)值計(jì)算去逼近。PID控制規(guī)律在計(jì)算機(jī)中的實(shí)現(xiàn)，也是用數(shù)值逼近的方法。當(dāng)采樣周期T足夠短時(shí)，用求和代替積分，用差商代替微商，使PID算法離散化，即可作如下近似變換：(k=0,1,2,…)(2.3)式中T──采樣周期。將描述連續(xù)PID算法的微分方程，變?yōu)槊枋鲭x散時(shí)間PID算法的差分方程，為書寫方便，將簡(jiǎn)化表示成,即為數(shù)字PID位置型控制算法，如式(2.4)所示。(2.4)式中k──采樣序號(hào)，k=0,1,2,…；──第k次采樣時(shí)刻的計(jì)算機(jī)輸出值；──第k次采樣時(shí)刻輸入的偏差值；──第(k-1)次采樣時(shí)刻輸入的偏差值；──積分系數(shù)，；──微分系數(shù)，;由(2.4)式可得：Δ==(2.5)式中ΔΔ，Δ即為增量式PID控制算法，由第次采樣計(jì)算得到的控制量輸出增量?？梢钥闯觯捎谝话阌?jì)算機(jī)控制系統(tǒng)采用恒定的采樣周期，一旦確定了、、，只要使用前3次的測(cè)量值偏差，即可求出控制量的增量。模糊控制的基本理論模糊控制的基本原理模糊控制是模糊集合理論中的一個(gè)重要方面，是以模糊集合化、模糊語(yǔ)言變量和模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種計(jì)算機(jī)數(shù)字控制，從線性控制到非線性控制的角度分類，模糊控制是一種非線性控制；從控制器的智能性看，模糊控制屬于智能控制的范疇[12]。模糊控制是建立在人類思維模糊性基礎(chǔ)上的一種控制方式，模糊邏輯控制技術(shù)模仿人的思考方式接受不精確不完全信息來進(jìn)行邏輯推理,用直覺經(jīng)驗(yàn)和啟發(fā)式思維進(jìn)行工作,是能涵蓋基于模型系統(tǒng)的技術(shù)。它不需用精確的公式來表示傳遞函數(shù)或狀態(tài)方程，而是利用具有模糊性的語(yǔ)言控制規(guī)則來描述控制過程?？刂埔?guī)則通常是根據(jù)專家的經(jīng)驗(yàn)得出的，所以模糊控制的基本思想就是利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)人的控制經(jīng)驗(yàn)[13]。模糊控制器的結(jié)構(gòu)模糊控制器(FC—FuzzyController)又稱為模糊邏輯控制器(FLC—FuzzyLogicController),它的模糊控制規(guī)則用模糊條件語(yǔ)句來描述，是一種語(yǔ)言型控制器，因此有時(shí)又被稱為模糊語(yǔ)言控制器。通常將模糊控制器輸入變量的個(gè)數(shù)稱為模糊控制器的維數(shù)，以單輸入單輸出模糊控制器為例，可分為一維控制器、二維控制器和三維控制器[14]。從理論上講，模糊控制器的維數(shù)越高，控制精度越高，但維數(shù)過高會(huì)導(dǎo)致控制規(guī)則復(fù)雜，控制算法實(shí)現(xiàn)困難等問題，目前人們廣泛設(shè)計(jì)和應(yīng)用的是二維模糊控制器，本設(shè)計(jì)中應(yīng)用的也是二維控制器，其圖如圖2-2所示。圖2-2二維模糊控制器模糊控制器的結(jié)構(gòu)框圖如圖2-3所示模糊控制器主要由模糊化接口、知識(shí)庫(kù)，模糊推理機(jī)、解模糊口四部分組成[15]，各部分作用如下：圖2-3模糊控制器結(jié)構(gòu)框圖(1)模糊化模糊化接口接受的輸入只有誤差信號(hào)e，由e再生成誤差變化率Δe或誤差的積分，模糊化接口完成兩項(xiàng)功能：a.論域變換：和Δ都是非模糊的普通變量，它們的論域(即變化范圍)是實(shí)際域上的一個(gè)真實(shí)論域，分別用X和Y來代表。在模糊控制器中，真實(shí)論域要變換到內(nèi)部論域X′和Y′，無(wú)論是對(duì)于D-FC(離散論域的模糊控制器)，還是C-FC(連續(xù)論域的模糊控制器)，論域變換后e和Δ變成E和EC，相當(dāng)于乘了一個(gè)比例因子(還可能有偏移)。b.模糊化：論域變換后E和EC仍是非模糊的普通變量，這里把它們分成若干個(gè)模糊集合，如：“負(fù)大”(NB)、“負(fù)中”(NM)、“負(fù)小”(NS)、“零”(Z)、“正小”(PS)、“正中”(PM)、“正大”(PB)，……，并在其內(nèi)部論域上規(guī)定各個(gè)模糊集合的隸屬度函數(shù)。在時(shí)刻輸入信號(hào)的值和Δ經(jīng)論域變換后得到E和EC，再根據(jù)隸屬函數(shù)的定義可以分別求出E和EC對(duì)各模糊集合的隸屬度，如(E)、μ(EC)、……，這樣就把普通變量的值變成了模糊變量(即語(yǔ)言變量)的值，完成了模糊化的工作。這里E，EC既代表普通變量又代表了模糊變量，作為普通變量時(shí)其值在論域X′和Y′中，是普通數(shù)值；作為模糊變量是其值在論域[0，1]中，是隸屬度。(2)知識(shí)庫(kù)顧名思義，知識(shí)庫(kù)中存儲(chǔ)著有關(guān)模糊控制器的一切知識(shí)，它們決定著模糊控制器的性能。是模糊控制器的核心。知識(shí)庫(kù)又分為兩部分，分別介紹如下：a.數(shù)據(jù)庫(kù)：它與計(jì)算機(jī)軟件中的數(shù)據(jù)庫(kù)不同，它存儲(chǔ)著有關(guān)模糊化、模糊推理、解模糊的一切知識(shí)，如模糊化中的論域變換方法、輸入變量各模糊集合的隸屬函數(shù)定義、模糊推理算法、解模糊算法、輸出變量各模糊集合的隸屬函數(shù)定義等。b.規(guī)則庫(kù)：其中包含一組模糊控制規(guī)則，即以“if…，then…”形式表示的模糊條件語(yǔ)句如：R1：ifEisA1andECisB1,thenUisC1；R1：ifEisA2andECisB2,thenUisC2；……Rn：ifEisAnandECisBn,thenUisCn。其中，E和EC就是前面的語(yǔ)言變量，A1，A2,…，An是E的模糊集合，B1，B2，…Bn是EC的模糊集合，C1，C1，…，C1是U的模糊集合。每條規(guī)則是在一個(gè)積分空間X′×Y′×Z′中的模糊關(guān)系，，EC∈Y′，U∈Z′。如果X′、Y′、Z′皆為離散論域，還可以寫成模糊關(guān)系矩陣，=1,2,…,n。規(guī)則庫(kù)中的n條規(guī)則是并列的，它們之間是“或”的邏輯關(guān)系，因此整個(gè)規(guī)則集的模糊關(guān)系為(2.6)(3)模糊推理機(jī)推理機(jī)有每個(gè)采樣時(shí)刻的輸入，依據(jù)模糊控制規(guī)則推導(dǎo)出控制作用，而模糊控制規(guī)則這一組模糊條件語(yǔ)句可以導(dǎo)出一個(gè)輸入輸出空間上的模糊關(guān)系，推理機(jī)按著模糊推理的合成規(guī)則進(jìn)行運(yùn)算從，而求得控制作用，推理機(jī)制為在時(shí)刻若輸入量為E和EC，E∈X′，EC∈Y′，若論域X′、Y′、Z′皆為離散的，E在X′上對(duì)應(yīng)矢量A′，EC在對(duì)應(yīng)矢量B′，則推理結(jié)果是Z′上的矢量C′(4)解模糊解模糊可以看作模糊化的反過程，它要由模糊推理結(jié)果產(chǎn)生的數(shù)值，作為模糊控制器的輸出。解模糊接口主要完成以下兩項(xiàng)工作：a.解模糊：對(duì)也要有真實(shí)論域Z變換到內(nèi)部論域Z′，對(duì)U∈Z′定義若干個(gè)模糊集合，并規(guī)定各模糊集合的隸屬度函數(shù)。模糊推理是在內(nèi)部論域上進(jìn)行的，因此得到的推理結(jié)果C′是Z′上的模糊矢量，其元素為對(duì)U的某個(gè)模糊集合的隸屬度。對(duì)于某組輸入E和EC，一般會(huì)同時(shí)滿足多條規(guī)則,因此會(huì)有多個(gè)推理結(jié)果，為不同的模糊集合,用公式(3.2)求C。（2.7）并用解模糊算法(如最大隸屬度法、重心法、中位法等)，即可求得此時(shí)的內(nèi)部控制量。b.論域反變換：得到的U∈Z′，進(jìn)行論域反變換即可得到真正的輸出，它仍是非模糊的普通變量。模糊控制器的優(yōu)點(diǎn)本設(shè)計(jì)中選用模糊控制器，主要?dú)w結(jié)為模糊控制器的以下優(yōu)點(diǎn)[16]：(1)無(wú)需知道被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。模糊控制是以人對(duì)被控系統(tǒng)的控制經(jīng)驗(yàn)為依據(jù)而設(shè)計(jì)的控制器，故無(wú)需知道被控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。對(duì)多輸入多輸出、時(shí)變及滯后等復(fù)雜系統(tǒng)都能進(jìn)行控制，它的實(shí)現(xiàn)主要依賴模糊規(guī)則庫(kù)，且從工業(yè)過程的定性認(rèn)識(shí)出發(fā)，較容易建立語(yǔ)言變量控制規(guī)則。(2)是一種反映人類智慧思維的智能控制。模糊控制采用人類思維中的模糊量，如“高”、“中”、“低”、“大”、“小”等，使得控制機(jī)理和控制策略易于理解和接受，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，便于維護(hù)和推廣。(3)易被人們所接受。模糊控制核心是控制規(guī)則，這些規(guī)則是以人類語(yǔ)言表示的，很明顯這些規(guī)則易被一般人所接受和理解。(4)構(gòu)造容易。用單片機(jī)來構(gòu)造模糊控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)與一般的數(shù)字控制系統(tǒng)無(wú)異，而且隨著模糊控制系統(tǒng)軟硬件的發(fā)展，模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)變得越來越簡(jiǎn)單，成本也越來越低。(5)魯棒性好。模糊控制系統(tǒng)無(wú)論被控對(duì)象是線性的還是非線性的，都能執(zhí)行有效的控制，具有良好的魯棒性和適應(yīng)性。(6)根據(jù)不同的要求出發(fā)，可以設(shè)計(jì)出幾個(gè)不同的指標(biāo)函數(shù)，但是對(duì)于一個(gè)給定的系統(tǒng)而言，其語(yǔ)言是分別獨(dú)立的控制規(guī)則。本章小結(jié)本章介紹了電熱水鍋爐控制系統(tǒng)的兩種控制方案，即PID控制和模糊控制，分析了兩種控制方法的基本理論及控制特點(diǎn)，介紹了兩種控制器的設(shè)計(jì)及控制算法的實(shí)現(xiàn)。最后說明了模糊控制的優(yōu)點(diǎn)。恒溫電熱水爐模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真控制系統(tǒng)的仿真工具M(jìn)ATLAB概況MATLAB語(yǔ)言是由美國(guó)的CleverMoler博士于1980年開發(fā)，以后又經(jīng)多位專家加以補(bǔ)充、添加。成為功能強(qiáng)大、內(nèi)容廣泛的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的軟件工具。MATLAB語(yǔ)言設(shè)計(jì)者的初衷是為了解決數(shù)學(xué)中“線性代數(shù)”課程的矩陣運(yùn)算問題而進(jìn)行開發(fā)的。之后控制學(xué)者們注意到了它特有的矩陣處理功能，并發(fā)現(xiàn)了用于控制理論研究的功能豐富的控制系統(tǒng)專用工具箱和結(jié)構(gòu)圖程序設(shè)計(jì)的SIMULINK仿真環(huán)境，使得MATLAB語(yǔ)言成為控制界計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的有利工具。其他諸如信號(hào)處理、應(yīng)用數(shù)學(xué)等學(xué)科，也紛紛向MATLAB中加入了各種實(shí)用的專用工具，使得MATLAB語(yǔ)言越來越完善，功能越來越強(qiáng)大。例如在信息與控制學(xué)科中相當(dāng)活躍的模糊邏輯、小波分析、人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、ARMA模型技術(shù)等，在MATLAB中都有專用的工具箱?？梢哉f，迄今為止MATLAB語(yǔ)言的擴(kuò)展開發(fā)遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有結(jié)束，各學(xué)科的相互促進(jìn)、相互滲透使得MATLAB語(yǔ)言的應(yīng)用越來越廣泛，越來越實(shí)用[17]。Simnlink仿真實(shí)現(xiàn)本文在MATLAB7.0下的SIMULINK仿真工具對(duì)電熱水鍋爐水溫、水位控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，因?yàn)镸ATLAB提供了基本模糊邏輯工具箱(FuzzylogicToolbox)，使得建立和設(shè)計(jì)模糊控制器變得方便。模糊邏輯工具箱提供了模糊邏輯控制器及系統(tǒng)設(shè)計(jì)的各種途徑。工具箱提供了生成和編輯模糊推理系統(tǒng)(FIS)常用的工具函數(shù)，它包括了產(chǎn)生新的FIS，給FIS加入變量、隸屬函數(shù)、規(guī)則、設(shè)置解模糊方法及存儲(chǔ)FIS等功能，用戶可以用命令調(diào)用這些函數(shù)的方式生成和編輯模糊推理系統(tǒng)，工具箱還提供了GUI(圖形用戶界面)編輯函數(shù)，利用它用戶可以更直觀迅速地生成系統(tǒng)。交互式的模型輸入與仿真環(huán)境SIMULINK工具箱是MATLAB軟件的擴(kuò)展，主要用于動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的仿真。它的windows中提供了建立系統(tǒng)模型所需的大部分類型方塊。用戶只需用鼠標(biāo)器選擇所需模塊在模型窗口上“畫出”模型(雙擊任何模塊，即可打開該功能塊來完成參數(shù)的設(shè)定)，然后用鼠標(biāo)器將它們連接起來，就可以構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)的框圖描述，亦即得出系統(tǒng)的SIMULINK描述。建立起系統(tǒng)模型后，用戶可通過選擇仿真菜單設(shè)置仿真控制參數(shù)，啟動(dòng)仿真過程，然后通過輸出Scope(示波器)觀察系統(tǒng)的仿真結(jié)果[18]。電熱水鍋爐PID控制系統(tǒng)仿真溫度PID控制系統(tǒng)仿真電鍋爐的溫度控制系統(tǒng)是常見的確定性系統(tǒng)，采用飛升曲線測(cè)量方法，測(cè)出鍋爐溫控制系統(tǒng)的飛升曲線，即可得到控制對(duì)象的數(shù)學(xué)模型[19]。由此方法可以得到電鍋爐溫度系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：=（3.1）在Simulink中創(chuàng)建用PID算法控制電鍋爐溫度的結(jié)構(gòu)圖如圖3-1所示：圖3-1電鍋爐溫度PID控制系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖由電鍋爐溫度控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)得：K=1.25，T=120秒，τ=10秒Ti=2τ=20秒，秒。根據(jù)Ziegler-Nichols(齊格勒—尼柯爾斯)參數(shù)整定法則得PID三個(gè)參數(shù)為：在該參數(shù)下，PID控制響應(yīng)曲線圖如3-2所示：圖3-2Ziegler-Nichols整定參數(shù)PID控制響應(yīng)曲線人工整定時(shí)，設(shè)定PID參數(shù)為：KP=9，KI=0.13，KD=30，響應(yīng)曲線如圖3-3所示：圖3-3人工整定參數(shù)PID控制響應(yīng)曲線水位PID控制系統(tǒng)仿真電鍋爐水箱水位控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)數(shù)學(xué)模型也是一階慣性滯后環(huán)節(jié)[20]，根據(jù)實(shí)驗(yàn)可大致求出其參數(shù)，其傳遞函數(shù)為：（3.2）在Simulink中創(chuàng)建用PID算法控制電鍋爐溫度的結(jié)構(gòu)圖如圖3-4所示：圖3-4電鍋爐水位PID控制系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖由電鍋爐水位控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)得：K=6，T=600秒，τ=5秒，Ti=2τ=10秒，Td=0.5τ=2.5秒，對(duì)參數(shù)進(jìn)行人工整定，PID三個(gè)參數(shù)為：KP=15，KI=0.1，KD=5。在該參數(shù)下，PID控制響應(yīng)曲線圖如3-5所示：圖3-5人工整定參數(shù)PID控制響應(yīng)曲線溫度模糊控制器設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)選用Mamdani型二維模糊控制器，如圖3-6所示。圖3-6Mamdani型二維模糊控制器控制器的輸入變量為溫度偏差E和偏差變化率EC，輸出為控制變量U。輸入變量E、EC和控制變量U的模糊子集為{NB，NM，NS，Z0，PS，PM，PB}，論域都選為{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}。E、EC和U的模糊隸屬度函數(shù)均選擇三角形隸屬度函數(shù)，曲線圖如圖3-7所示。圖3-7變量E、EC、U的隸屬度函數(shù)曲線在考慮模糊控制規(guī)則時(shí)，選取控制量變化的原則是：當(dāng)誤差大或較大時(shí)，選擇控制量以盡快消除誤差為主；但誤差較小時(shí)選擇控制量要注意防止超調(diào)，以系統(tǒng)的穩(wěn)定性為出發(fā)點(diǎn)。根據(jù)實(shí)際控制經(jīng)驗(yàn)，本設(shè)計(jì)中的模糊控制規(guī)則表如表3-1所示。表3-1電熱水鍋爐溫度模糊控制規(guī)則表UECPBPMPSZONSNMNBEPBPBPBPBPBPMZOZOPMPBPBPBPMPSZOZOPSPMPMPMPSZONSNSZOPMPMPSZONSNMNMNSPSPSZONSNMNMNMNMZOZONSNMNBNBNBNBZOZONMNBNBNBNB利用Simulink構(gòu)建溫度模糊控制系統(tǒng)仿真模型，如圖3-8所示：圖3-8溫度模糊控制系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖在階躍響應(yīng)下，模糊控制器控制電熱水鍋爐溫度控制系統(tǒng)仿真響應(yīng)曲線圖如3-9所示：圖3-9溫度模糊控制響應(yīng)曲線水位模糊控制器設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)選用Mamdani型二維模糊控制器，如圖3-所示。控制器的輸入變量為水位偏差E和偏差變化率EC，輸出為控制變量U。輸入變量E、EC和控制變量U的模糊子集為{NB，NM，NS，Z0，PS，PM，PB}，論域都選為{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}。E、EC和U的模糊隸屬度函數(shù)均選擇三角形隸屬度函數(shù)，曲線圖如圖3-10所示。圖3-10變量E、EC、U的隸屬度函數(shù)曲線控制量U的模糊子集中，NB表示水閥關(guān)的很快，NM表示水閥關(guān)的快，NS表示水閥關(guān)的有點(diǎn)快，ZO表示水閥保持正常開度，PS表示水閥關(guān)的有點(diǎn)慢，PM表示水閥關(guān)的有點(diǎn)慢，PM表示水閥關(guān)的慢，PB表示水閥關(guān)的很慢。根據(jù)實(shí)際控制經(jīng)驗(yàn)，本設(shè)計(jì)中的模糊控制規(guī)則表如表3-2所示[21]。表3-2電熱水鍋爐水位模糊控制規(guī)則表UECPBPMPSZONSNMNBEPBPBPBPBPMPMPSZOPMPBPBPMPMPSZONSPSPBPMPMPSZONSNMZOPBPMPSZONSNMNBNSPMPSZONSNMNMNBNMPSZONSNSNMNBNBNBZONSNMNMNBNBNB利用Simulink構(gòu)建水位模糊控制系統(tǒng)仿真模型，如圖3-11所示。圖3-11水位模糊控制系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖在階躍響應(yīng)下，模糊控制器控制電熱水鍋爐水位控制系統(tǒng)仿真響應(yīng)曲線圖如3-12所示：圖3-12水位模糊控制響應(yīng)曲線本章小結(jié)本章首先對(duì)溫度、水位的PID控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，然后又分別設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)了溫度模糊控制器和水位模糊控制器，并進(jìn)行仿真。從仿真結(jié)果中可以看出，和PID控制相比，模糊控制的超調(diào)量小、調(diào)節(jié)時(shí)間短，基本沒有穩(wěn)態(tài)誤差?？梢钥闯鲈诒驹O(shè)計(jì)中選用模糊控制是一種比較好的控制方案。恒溫電熱水爐控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)是本文的一項(xiàng)重要工作，制定一個(gè)好的總體方案能為系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)提供良好的指導(dǎo)，是研究工作順利完成的保證。在本文中，電熱水鍋爐溫度、水位控制系統(tǒng)由單片機(jī)、溫度檢測(cè)電路、水位檢測(cè)電路、鍵盤輸入電路、顯示電路、保護(hù)及報(bào)警電路、溫度控制電路和水位控制電路等部分組成，其系統(tǒng)框圖如圖4-1所示。鍵盤控制輸鍵盤控制輸入固態(tài)繼電器AT89C51電熱器電磁閥繼電器顯示電路報(bào)警保護(hù)電路水度檢測(cè)水位檢測(cè)圖4-1恒溫電熱水鍋爐控制系統(tǒng)整體框圖在該系統(tǒng)中，利用數(shù)字式溫度傳感器測(cè)得電熱水鍋爐中實(shí)際水溫，并把數(shù)字信號(hào)輸入單片機(jī)。利用水位傳感器測(cè)得實(shí)際水位，把測(cè)得的模擬信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸入單片機(jī)。單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，通過顯示器顯示實(shí)時(shí)溫溫和水位，同時(shí)將溫度和水位與設(shè)定溫度和水位進(jìn)行比較，然后由設(shè)定的控制算法計(jì)算出控制量，根據(jù)控制量通過控制加熱電路和上水電路從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電熱水鍋爐溫度和水位的控制。各單元模塊硬件電路設(shè)計(jì)單片機(jī)的選型本控制系統(tǒng)選擇以AT89C51單片機(jī)作為核心器件。AT89C51單片機(jī)是一種低功耗、高性能的8位CMOS微控制器，芯片ROM全部采用FlashROM,它能于3V的超低壓工作，與MCS-51系列單片機(jī)完全兼容，而且AT89C51單片機(jī)成本低廉且工作可靠，采用12MHz的晶振。此外，AT89C51還可以工作于低功耗模式，可通過兩種軟件選擇空閑和掉電模式。在空閑模式下凍結(jié)CPU，而RAM定時(shí)器、串行口和中斷系統(tǒng)維持其功能。掉電模式下，保存RAM數(shù)據(jù)，時(shí)鐘震蕩停止，同時(shí)停止芯片內(nèi)其他功能。所以我們選擇了AT89C51作為系統(tǒng)微處理器[22]。AT89C51有40引腳雙列直插（DIP）形式，其邏輯引腳圖如圖4-2所示。圖4-2AT89C51邏輯引腳圖各引腳功能敘述如下：1．電源和晶振VCC——運(yùn)行和程序校驗(yàn)時(shí)加+5VGND——接地XTAL1——接外部晶振的一端。在單片機(jī)內(nèi)部，它是反相放大器的輸入端。該放大器構(gòu)成了片內(nèi)振蕩器。XTAL2——接外部晶振的另一端。在單片機(jī)內(nèi)部，接至上述振蕩器的反相放大器的輸出端，振蕩器的頻率是晶體振蕩頻率。（當(dāng)使用外部振蕩器時(shí)，XTAL1接地，XTAL2接收振蕩器信號(hào)）在本設(shè)計(jì)中，XTAL1和XTAL2端外接石英晶體作為定時(shí)元件，內(nèi)部反相放大器自激振蕩，產(chǎn)生時(shí)鐘。石英晶體的振蕩頻率為12MHz，其原理圖如圖4-3所示：圖4-3晶體振蕩電路2．I/O（4個(gè)口，32根）P0口——8位、漏極開路的雙向I/O口。當(dāng)使用片外存儲(chǔ)器（ROM、RAM）時(shí)，作地址和數(shù)據(jù)分時(shí)復(fù)用。在程序校驗(yàn)期間，輸出指令字節(jié)（需加外部上拉電路）。P0口（作為總線時(shí)）能驅(qū)動(dòng)8個(gè)LSTTL負(fù)載。P1口——8位、準(zhǔn)雙向I/O口。在編程/校驗(yàn)期間，用于輸入低位字節(jié)地址。P1口可驅(qū)動(dòng)4個(gè)LSTTL負(fù)載。對(duì)于80C51，P1.0——T2，是定時(shí)器的計(jì)數(shù)端且位輸入；P1.1——T2EX，是定時(shí)器的外部輸入端。這時(shí)，讀兩個(gè)特殊輸入引腳的輸出鎖存器應(yīng)由程序置1。P2口——8位、準(zhǔn)雙向I/O口。當(dāng)使用片外存儲(chǔ)器（ROM及RAM）時(shí)，輸出高8位地址。在編程/校驗(yàn)期間，接收高位字節(jié)地址。P2口可以驅(qū)動(dòng)4個(gè)LSTTL負(fù)載。P3口——8位、準(zhǔn)雙向I/O口，具有內(nèi)部上拉電路。P3口提供各種替代功能。在提供這些功能時(shí)，其輸出鎖存器應(yīng)由程序置1。P3口可以輸入/輸出4個(gè)LSTTL負(fù)載。3．串行口P3.0——RXD（串行輸入口），輸入。P3.1——TXD（串行輸出口），輸出。4．中斷P3.2——INT0外部中斷0，輸入。P3.3——INT1外部中斷1，輸入。5．定時(shí)器/計(jì)數(shù)器P3.4——T0定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0的外部輸入，輸入。P3.5——T1定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1的外部輸入，輸入。6．?dāng)?shù)據(jù)存儲(chǔ)器選通P3.6——WR低電平有效，輸出，片外存儲(chǔ)器寫選通。P3.7——RD低電平有效，輸出，片外存儲(chǔ)器讀選通。7．控制線(共4根)輸入：RST——復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持RST腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。圖4-4是復(fù)位電路圖，在通電瞬間，電容C通過電阻R充電，RST端出現(xiàn)正脈沖，用以復(fù)位。關(guān)于參數(shù)的選定，應(yīng)保證復(fù)位高電平持續(xù)時(shí)間大于2個(gè)機(jī)器周期。當(dāng)采用晶振為12MHz時(shí)，可取C=10uF,R=10KΩ。圖4-4復(fù)位電路圖EA/Vpp——片外程序存儲(chǔ)器訪問允許信號(hào)，低電平有效。在編程時(shí)，其上施加21V的編程電壓。輸入、輸出：ALE/PROG——地址鎖存允許信號(hào)，輸出。ALE以1/6的振蕩頻率穩(wěn)定速率輸出，可用作對(duì)外輸出的時(shí)鐘或用于定時(shí)。在EPROM編程期間，作輸入，輸入編程脈沖（PROG）。ALE可以驅(qū)動(dòng)8個(gè)LSTTL負(fù)載。當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的低位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時(shí)，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。輸出：PSEN——片外程序存儲(chǔ)器選通信號(hào)，低電平有效。在從片外程序存儲(chǔ)器取址期間，在每個(gè)機(jī)器周期中，當(dāng)PSEN有效時(shí)，程序存儲(chǔ)器的內(nèi)容被送上P0口（數(shù)據(jù)總線）。PSEN可以驅(qū)動(dòng)8個(gè)LSTTL負(fù)載。溫度檢測(cè)電路設(shè)計(jì)本系統(tǒng)采用了美國(guó)DALLAS半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的數(shù)字溫度傳感器DS18B20作為溫度檢測(cè)元件。DS18B20是支持單總線接口的溫度傳感器。DS18B20測(cè)溫范圍為-55℃~+125℃，精度為士0.5℃，分辨率最大可達(dá)0.0625℃?，F(xiàn)場(chǎng)溫度直接以單總線的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。DS18B20可以程序設(shè)定9~12位的分辨率，支持3.0V~5.5V的電壓范圍，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)更靈活、方便。分辨率設(shè)定存儲(chǔ)在EEPROM中，掉電后依然保存[23]。DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成：64位激光ROM、溫度傳感器、非失性溫度報(bào)警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器圖4-5DS18B20的外形及管腳圖溫度傳感器DS18B20的測(cè)溫原理如圖4-6所示，低溫度系數(shù)振蕩器的震蕩頻率受溫度的影響很小，用以產(chǎn)生穩(wěn)定頻率的脈沖信號(hào)送入計(jì)數(shù)器1；高溫度系數(shù)振蕩器隨溫度變化它的振蕩頻率明顯改變，所產(chǎn)生的信號(hào)作為計(jì)數(shù)器2的脈沖輸入。高溫度系數(shù)振蕩器相當(dāng)于T/f轉(zhuǎn)換器，能將被測(cè)溫度T轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)，圖中還隱含著計(jì)數(shù)門，當(dāng)計(jì)數(shù)門打開時(shí)，DS18B20對(duì)低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)，進(jìn)而完成溫度測(cè)量。圖4-6DS18B20的測(cè)溫原理計(jì)數(shù)門開通時(shí)間由高溫度系數(shù)振蕩器決定。每次測(cè)量之前，首先將-55停止溫度寄存器的累加，此時(shí)溫度寄存器的值就是被測(cè)溫度值，這就是DS18B20測(cè)量溫度的原理。圖4-6中，斜率累加器用于補(bǔ)償和修正測(cè)溫過程中的非線性其輸出用于修正計(jì)數(shù)器的預(yù)置值，只要計(jì)數(shù)門仍未關(guān)閉，就重復(fù)上述過程直至溫度寄存器的值達(dá)到被測(cè)溫度值。在硬件上，DS18B20與單片機(jī)的連接有兩種方法，一種是用VDD接外部電源，GND接地，I/O與單片機(jī)的I/O線相連；另一種是用寄生電源供電，此外VDD、GND接地，I/O接單片機(jī)I/O引腳。無(wú)論是外部供電還是內(nèi)部寄生電源供電，當(dāng)傳感器DS18B20處于寫存儲(chǔ)器操作和溫度A/D轉(zhuǎn)換操作時(shí)，總線上必須有較強(qiáng)的上拉，上拉開啟時(shí)間最大為10μs，因此I/O口線接4.7k的上拉電阻。該設(shè)計(jì)中只用一個(gè)DS18B20，選用寄生電源供電方式，在這種方式下，DS18B20從單線信號(hào)線上汲取能量：在信號(hào)線DQ處于高電平期間把能量?jī)?chǔ)存在內(nèi)部電容里，在信號(hào)線處于低電平期間消耗電容上的電能工作，直到高電平到來再給寄生電源（電容）充電。圖4-7DS18B20與單片機(jī)連接圖水位檢測(cè)電路設(shè)計(jì)對(duì)于水位的檢測(cè)可以采用連續(xù)液位傳感器和分段式液位傳感器，連續(xù)液位傳感器控制精度較高，但價(jià)格也比較貴?？紤]到系統(tǒng)成本和控制要求，本設(shè)計(jì)采用分段式液位傳感器，在水位顯示上也采用分段顯示。水位檢測(cè)部分的硬件連接如圖4-8所示。圖4-8水位監(jiān)測(cè)及顯示接口電路檢測(cè)原理如下：當(dāng)水箱中無(wú)水時(shí)，8個(gè)非門均由1M歐姆電阻上拉成高電平，所以圖中各“非”門(CD4069)輸出均為低電平，LED1～LED8均不亮。當(dāng)水位高于“非”門1的輸入探針時(shí)，由于水的導(dǎo)電作用，使“非”門1的輸入變?yōu)榈碗娖剑云漭敵鲎優(yōu)楦唠娖?，LED點(diǎn)亮，依此類推。隨著水位的上升，各“非”門輸出相繼為高電平，LED依次點(diǎn)亮。這里要注意的是上拉電阻不能選擇太小，因?yàn)樗碾娮柙?00k歐姆左右，所以上拉電阻選擇太小的話，將在水位升高時(shí)，無(wú)法把“非”門輸入端拉成低電平。實(shí)驗(yàn)表明，上拉電阻選擇在500k～1M歐姆左右能很好地滿足電路的工作要求。為了使AT89C51隨時(shí)能夠讀出當(dāng)前的水位情況，這里選用74LS244作為狀態(tài)輸入緩沖器。鍵盤和顯示電路設(shè)計(jì)對(duì)于大多數(shù)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，為了實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能都需要配置輸入外設(shè)和輸出外設(shè)，而鍵盤和顯示器是常用的出入、輸出外設(shè)。鍵盤可實(shí)現(xiàn)溫度的設(shè)定，顯示電路可實(shí)現(xiàn)溫度、水位的數(shù)字化顯示。1.鍵盤電路設(shè)計(jì)根據(jù)硬件連接方式的不同，鍵盤可以分為獨(dú)立式鍵盤和矩陣式鍵盤。獨(dú)立式鍵盤是指各按鍵相互獨(dú)立，每個(gè)按鍵分別與單片機(jī)的I/O口或外擴(kuò)I/O芯片的一根輸入線相連，這種方法一般適用于按鍵較少或操作速度較高的場(chǎng)合[25]。矩陣式鍵盤適用于按鍵數(shù)量多、操作速度不高的場(chǎng)合，本設(shè)計(jì)中采用矩陣式鍵盤。矩陣式鍵盤通常由行線和列線組成，按鍵位于行、列線的交叉點(diǎn)上。行、列線分別連接到按鍵開關(guān)的兩端。一般行線通過上拉電阻接到+5V上，平時(shí)無(wú)按鍵按下時(shí)，行線處于高電平狀態(tài)，而當(dāng)有按鍵按下時(shí)，行線電平狀態(tài)將由于此行線相連的列線電平?jīng)Q定。在本控制系統(tǒng)中采用的是4×3行、列矩陣鍵盤，其電路如圖4-9所示，行線由控制，列線由P1．4-P1．6控制。電路中共有12個(gè)鍵，包括0-9十個(gè)數(shù)字鍵、功能鍵、增加/減少鍵。數(shù)字鍵用于設(shè)定給定溫度、水位值，功能鍵用于確定進(jìn)入增加、減少模式，增加/減少鍵用于修改給定溫度、水位值的大小。圖4-9鍵盤電路2.顯示電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)中顯示數(shù)值是溫度和水位，使用八個(gè)LED數(shù)碼管顯示，顯示電路中前四個(gè)數(shù)碼管顯示溫度、后四個(gè)顯示水位。本課題設(shè)計(jì)顯示電路時(shí)采用的是專用數(shù)碼管顯示控制芯片MAX7219，它使用方便靈活，連線簡(jiǎn)單。其LED數(shù)字顯示電路如圖4-10所示。MAX7219是美國(guó)MAXIM公司生產(chǎn)的八位串行輸入/輸出共陰極顯示驅(qū)動(dòng)。該芯片可直接驅(qū)動(dòng)最多8位7段數(shù)字LED顯示器或64個(gè)LED和條形圖顯示器。MAX7219的數(shù)據(jù)是串行傳送的，在LOAD為低電平時(shí)，將16位數(shù)據(jù)串發(fā)送到DIN端，在每個(gè)CLK的上升沿把數(shù)據(jù)移入到內(nèi)部16位寄存器中；數(shù)據(jù)標(biāo)記為D0~D15，其中D8~D11為寄存器地址，D0~D7位數(shù)據(jù)，D12~D15位任意位，接收到的第一位是D15。本系統(tǒng)中MAX7219與單片機(jī)的連接電路圖如圖4-10所示。單片機(jī)的I/O口P0.0作為串行數(shù)據(jù)輸入信號(hào)DIN，P0.1作為L(zhǎng)OAD信號(hào)，P0.2為時(shí)鐘信號(hào)[26,27]。圖2-10LED數(shù)字顯示電路缺水保護(hù)電路設(shè)計(jì)缺水保護(hù)電路原理圖如圖2-12所示，當(dāng)鍋爐缺水時(shí)，若不及時(shí)切斷電源就會(huì)損壞加熱器甚至發(fā)生事故，系統(tǒng)設(shè)置了缺水自動(dòng)保護(hù)電路，當(dāng)不缺水時(shí)，達(dá)林頓管Q1導(dǎo)通，則使得光電藕合器的輸出高電平，74LS06A輸出為低電平，系統(tǒng)正常工作，當(dāng)鍋爐缺水時(shí)，即水位低于A點(diǎn)，水位傳感器的A,B倆點(diǎn)斷開，達(dá)林頓管不通，光耦斷開，74LS06A輸出高電平，此高電平信號(hào)去繼電器板以斷開SSR的電源，保證了人身安全，產(chǎn)生的高電平信號(hào)同時(shí)還進(jìn)行了聲音報(bào)警以通知用戶采取緊急措施。圖2-11蜂鳴報(bào)警電路圖2-12缺水保護(hù)電路原理圖溫度控制電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)中電熱水爐溫度控制是通過控制電熱絲的工作情況來實(shí)現(xiàn)的。單片機(jī)的輸出端口并不能直接驅(qū)動(dòng)電熱絲工作，本設(shè)計(jì)中采用固態(tài)繼電器(SOLIDSTATERELAYS，簡(jiǎn)寫成“SSR”)驅(qū)動(dòng)電熱絲工作。固態(tài)繼電器是一種全部由固態(tài)電子元件組成的新型無(wú)觸點(diǎn)開關(guān)器件，它利用電子元件(如開關(guān)三極管、雙向可控硅等半導(dǎo)體器件)的開關(guān)特性，可達(dá)到無(wú)觸點(diǎn)無(wú)火花地接通和斷開電路的目的，因此又被稱為“無(wú)觸點(diǎn)開關(guān)”。固態(tài)繼電器的觸發(fā)電路采用的是過零觸發(fā)方式，當(dāng)加入控制信號(hào)，交流電壓過零時(shí)，SSR即為通態(tài)；而當(dāng)斷開控制信號(hào)后，SSR要等待交流電的正半周與負(fù)半周的交界點(diǎn)(零電位)時(shí)，SSR才為斷態(tài)。這種設(shè)計(jì)能防止高次諧波的干擾和對(duì)電網(wǎng)的污染[28]。本設(shè)計(jì)中選用GJ20-W型固態(tài)繼電器，由于過零型固態(tài)繼電器內(nèi)部已有光電藕合電路隔離輸入輸出電路,所以電路中不需另加隔離措施[29]。AT89C51與GJ20-W型固態(tài)繼電器的接口電路如圖2-13所示。單片機(jī)的P3.0口為控制信號(hào)輸出端，P3.O口輸出低電平時(shí)，三極管Q18的集電極輸出為高電平，因此三極管Q13導(dǎo)通，固態(tài)繼電器的輸入端有輸入電壓，輸出端接通。需要停止電熱絲工作時(shí)，P3.O輸出為高電平。圖2-13單片機(jī)與GJ20-W固態(tài)繼電器接口電路水位控制電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)中水位的控制是通過電磁閥控制水箱是否上水實(shí)現(xiàn)的。電磁閥是屬于執(zhí)行器是用來控制流體的自動(dòng)化基礎(chǔ)元件，是執(zhí)行進(jìn)水放水的執(zhí)行部分。電磁閥的組成包括磁鐵、線圈和拉桿?；竟ぷ髟硎谴蜷_電源線圈通電時(shí)，線圈便產(chǎn)生磁性，近而和跟磁鐵相互吸引，磁鐵就會(huì)拉動(dòng)拉桿進(jìn)行電磁閥開和關(guān)。當(dāng)電源關(guān)閉時(shí)，磁鐵和拉桿就得到了復(fù)位。本設(shè)計(jì)的電磁閥起控制是否上水，其電路如圖2-14所示。在系統(tǒng)中用晶體管來驅(qū)動(dòng)電磁閥，當(dāng)晶體管基極輸入高電平時(shí)，晶體管飽和導(dǎo)通，集電極變?yōu)榈碗娖?，因此電磁閥閉合，開始工作；當(dāng)晶體管基極輸入低電平時(shí)，晶體管截止，電磁閥斷開，停止工作。其中二極管并聯(lián)在線圈的兩端，起保護(hù)作用。后接發(fā)光二極管，顯示電磁閥是否工作。燈亮表示電磁閥打開，水箱上水中；燈滅就表示電磁閥關(guān)閉，水箱停止上水。圖2-14電磁閥控制電路本章小結(jié)本章針對(duì)恒溫電熱水爐控制系統(tǒng)的要求設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的總體實(shí)現(xiàn)方案，選用AT89C51單片機(jī)為硬件核心元件，完成了溫度、水位控制系統(tǒng)的硬件電路部分的詳細(xì)設(shè)計(jì)，包括溫度檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)、水位檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)、報(bào)警和保護(hù)電路的設(shè)計(jì)、鍵盤和顯示電路的設(shè)計(jì)、溫度控制電路的設(shè)計(jì)、水位控制電路的設(shè)計(jì)。恒溫電熱水爐控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主程序設(shè)計(jì)本系統(tǒng)主要完成由AT89C51為核心控制器來實(shí)現(xiàn)對(duì)電熱水鍋爐水溫和水位的檢測(cè)，并在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候報(bào)警并斷電，并把溫度、水位顯示在顯示器上。主程序首先完成對(duì)串口，定時(shí)器，中斷源的初始化設(shè)置，初始運(yùn)行參數(shù)，開中斷。檢測(cè)到鍋爐中無(wú)水時(shí)，立即進(jìn)行報(bào)警，并切斷電源。鍋爐中有水時(shí)，系統(tǒng)正?？刂疲h(huán)讀取鍵盤狀態(tài)，子程序檢測(cè)溫度和水位狀況并實(shí)時(shí)顯示溫度和水位?？刂谱映绦蚋鶕?jù)根據(jù)溫度和水位與設(shè)定值的差值控制溫度和水位。圖5-1主程序流程圖溫度檢測(cè)子程序設(shè)計(jì)由于DS18B20單線通信功能是分時(shí)完成的，具有嚴(yán)格的時(shí)隙概念，因此讀寫時(shí)序很重要。CPU對(duì)它的訪問流程是：先對(duì)DS18B20初始化，在進(jìn)行ROM操作命令，最后才能對(duì)存儲(chǔ)器操作，數(shù)據(jù)操作。DS18B20每一步操作都要遵循嚴(yán)格的工作時(shí)序和通信協(xié)議。如主機(jī)控制DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換這一過程，根據(jù)DS18B20的通訊協(xié)議，經(jīng)過三個(gè)步驟：每一次讀寫之前都要對(duì)DS18B20進(jìn)行復(fù)位，復(fù)位成功后發(fā)送一條ROM指令，最后發(fā)送RAM指令，這樣才能對(duì)DS18B20進(jìn)行預(yù)訂的操作。溫度采集流程圖如圖5-2,5-3所示。圖5-2DS18B20通信協(xié)議圖5-3溫度采集流程圖采集溫度時(shí)，為了最大程度上減小干擾的影響，取連續(xù)三次采樣結(jié)果，如果數(shù)據(jù)相差不超過0.2℃則取這三個(gè)數(shù)據(jù)的平均值，若超過則丟棄數(shù)據(jù)水位檢測(cè)子程序設(shè)計(jì)水位檢測(cè)子程序主要完成系統(tǒng)當(dāng)前水位的檢測(cè)。其流程圖如圖5-4所示。圖5-4水位檢測(cè)子程序鍵盤輸入子程序設(shè)計(jì)在本控制系統(tǒng)中采用的是矩陣式鍵盤，由于矩陣鍵盤兩端都與單片機(jī)I/O口相連，因此在檢測(cè)時(shí)需人為通過單片機(jī)I/O口送出低電平。檢測(cè)時(shí)，先送一列為低電平，其余幾列為高電平(此時(shí)就確定了列數(shù))，然后立即輪流檢測(cè)一次各行是否有低電平，若檢測(cè)到某一行為低電平(此時(shí)就又確定了行數(shù))，則可以確認(rèn)當(dāng)前被按下的鍵是哪一行哪一列的，剛同樣方法輪流送各列一次低電平，再輪流檢測(cè)一次各行是否變?yōu)榈碗娖?，這樣即可檢測(cè)完所有的按鍵，當(dāng)有按鍵按下時(shí)便可以判斷出按下的是哪一個(gè)鍵。當(dāng)然也可以將行線置低電平，掃描列是否有低電平。另外需要注意，在按鍵被按下時(shí)，由丁機(jī)械觸點(diǎn)的彈性及電壓突變等原因，在觸點(diǎn)閉合或斷開的瞬間會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)現(xiàn)象，抖動(dòng)時(shí)間的長(zhǎng)短和按鍵的機(jī)械特性有關(guān)，一般為5-10ms。因此，單片機(jī)在檢測(cè)鍵盤是否按下時(shí)為了避免抖動(dòng)引起按鍵功能的實(shí)現(xiàn)出現(xiàn)失誤，需要加上去抖動(dòng)操作。在去抖操作中，有專用的去抖動(dòng)電路，也有專用的去抖動(dòng)芯片，但一般為了簡(jiǎn)化硬件電路，常采用軟件延時(shí)的方法來解決抖動(dòng)問題，在本設(shè)計(jì)中就采用軟件延時(shí)的方法來躲過抖動(dòng)，延時(shí)時(shí)間取10ms。鍵盤輸入程序流程圖如圖5-5所示。圖5-5鍵盤輸入子程序流程圖顯示子程序設(shè)計(jì)顯示子程序主要完成系統(tǒng)當(dāng)前溫度、水位的顯示。其流程圖如圖5-6所示。本系統(tǒng)所使用的顯示驅(qū)動(dòng)芯片MAX7219的數(shù)據(jù)是采用串行傳送的，在顯示之前必須進(jìn)行初始化設(shè)置,這一步在初始化子程序中實(shí)現(xiàn)。由于MAX7219能對(duì)LED顯示位進(jìn)行位尋址,所以發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)既可以對(duì)需要改變的某一位或幾位發(fā)送,也可以一次發(fā)8組數(shù)據(jù),對(duì)芯片所驅(qū)動(dòng)的LED全部刷新,但不需要改變的位只是把原來的內(nèi)容重發(fā)一次,這完全由程序控制。圖5-6顯示子程序流程圖本章小結(jié)在硬件電路確定之后，則其主要功能將由軟件來實(shí)現(xiàn)。本章即利用模塊化設(shè)計(jì)方法，結(jié)合硬件系統(tǒng)要求設(shè)計(jì)了各主要模塊的子程序，給出了相關(guān)軟件流程圖。結(jié)論電熱水鍋爐是大慣性、大滯后、非線性的控制對(duì)象，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型，依據(jù)傳統(tǒng)控制理論的控制方法難以得到滿意的控制效果，例如傳統(tǒng)的PID控制方式具有參數(shù)調(diào)整繁瑣針對(duì)不同的應(yīng)用對(duì)象需要人工重新設(shè)置、調(diào)整參數(shù)等缺點(diǎn)，因而傳統(tǒng)的PID控制難以適應(yīng)恒溫電熱水鍋爐控制的復(fù)雜性。智能控制是一類無(wú)需人的干預(yù)就能實(shí)現(xiàn)控制的自動(dòng)控制方案，具有自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)、自協(xié)調(diào)等能力，保證了控制系統(tǒng)系統(tǒng)的控制精度、抗干擾能力、穩(wěn)定性等性能。本文研究了恒溫電熱水鍋爐控制中常用的PID控制和模糊控制兩種算法，經(jīng)仿真研究，分析比較了他們?cè)陔姛崴仩t溫度、水位控制系統(tǒng)中的控制效果。仿真結(jié)果表明，采用模糊控制算法，控制效果好、響應(yīng)快、超調(diào)小。根據(jù)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，在設(shè)計(jì)硬件部分和軟件部分時(shí)分模塊進(jìn)行，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)難度。當(dāng)然，系統(tǒng)同時(shí)也存在一定不足。在選擇模糊控制器時(shí)選用了速度相對(duì)較慢的單片機(jī)，一定程度上降低了采樣頻率。對(duì)于AT89C51單片機(jī)采用了模糊控制理論，雖然算法簡(jiǎn)單，但控制精度受到一定的限制。在現(xiàn)有方案的基礎(chǔ)上，單片機(jī)的I/O口還有空余，可以考慮擴(kuò)展外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，采用模糊PID控制，將模糊控制適應(yīng)性強(qiáng)和PID控制穩(wěn)態(tài)精度高的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合，以彌補(bǔ)基本模糊控制器的不足，進(jìn)一步改善模糊控制器的穩(wěn)態(tài)性能。參考文獻(xiàn)[1]孫新國(guó).電加熱恒溫?zé)崴仩t及其設(shè)計(jì)[J].工業(yè)鍋爐,2010,(1):62-64.[2]顧毅.智能控制發(fā)展綜述[J].信息技術(shù),2009,(6):39-40.[3]曾光奇,胡均安,王東等.模糊控制理論與工程應(yīng)用[M].武漢:華中科技大學(xué)出版社,2006:56-80.[4]邱東強(qiáng),涂亞慶.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的現(xiàn)狀和展望[J].自動(dòng)化儀器儀表,2001,(5):1-6.[5]程紅,陳蓉.人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在PID控制算法中的應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工,2006,(11):42.[6]邵紅,李川香.一種基于模糊PID的溫度控制系統(tǒng)[J].自動(dòng)化儀表,2002,23(9):70.[7]RogerJangJS,ANFIS.Adaptivenetwork-basedfussyInterencesystems[J].IEEETran,System,ManandCybernatics,2010,23(3):665-685.[8]E.H.Mamdani.Applicationoffuzzyalogorithmsforcontrolofsimpledynamieplan[J].Proe.IEE,2000:1585-158.[9]P.J.King.Theapplicationoffuzzycontrolsystemtoindustrialprocesses[J].Automatiea,2008:235-24.[10]S.Jagannathan.Robustbacksteppingcontrolofaclassofnonlinearsystemsusingfuzzylogic[J].InformationSciences,2010:123-125.[11]陶永華.新型PID控制及其應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2002:125-134.[12]ZadehLA.Fuzzysets[J].InformationandControl.2009,8(3):[13]韓啟剛,吳錫祺.計(jì)算機(jī)模糊控制技術(shù)與儀表裝置[M].北京:中國(guó)計(jì)量出版社,1999:75-109.[14]PetrovM,GanchevI.FuzzyPIDcontrolofnonlinearplants[J].IntelligentSystems.2002FirstInternationalIEEESymposim,2009,1(9):30-35.[15]湯兵勇,路林吉,王文杰.模糊控制理論與應(yīng)用技術(shù)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2002:37-58.[16]李丹,謝植,承接.模糊控制在溫度控制中的應(yīng)用[J].黃金學(xué)報(bào),2011,2(4):294-269.[17]劉文定,王東林.MATLAB/Simulink與過程控制系統(tǒng)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2012:10-36.[18]