單片機(jī)的模糊溫控制器的設(shè)計(jì)

1引

基于單片機(jī)模糊溫度控器的設(shè)計(jì)本文研究的被控對(duì)象為某生產(chǎn)過(guò)程中用到的恒溫按工藝要求需保持箱溫℃恒定不變。我們知道溫度控制對(duì)象大多具有非線性、時(shí)變性、大滯后等特采常規(guī)的控制很難做到參數(shù)間優(yōu)化組以至使控制響應(yīng)不能得到良好的動(dòng)態(tài)效果。而模糊控制通過(guò)把專家的經(jīng)驗(yàn)或手動(dòng)操作人員長(zhǎng)期積累的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)成的若干條規(guī)采簡(jiǎn)便捷活的手段來(lái)完成那用經(jīng)典和現(xiàn)代控制理論難以完成的自動(dòng)化和智能化的目但它也有一些需要進(jìn)一步改進(jìn)和提高的地方控器本身消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的性能比較差難達(dá)到較高的控制精,尤是在離散有限論域設(shè)計(jì)時(shí)更為明,并對(duì)于那時(shí)變的、非線性的復(fù)雜系統(tǒng)采用模糊控制,為了獲得良好的控制效,必須要求模糊控制器具有較完善的控制規(guī)則控規(guī)則是人們對(duì)受控過(guò)程認(rèn)識(shí)的模糊信息的歸納和操作經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)。然而由被控過(guò)程的非線性、高階次、時(shí)變性以及隨機(jī)干擾等因素的影造模糊控制規(guī)則或者粗糙或者不夠完都會(huì)不同程度的影響控制效果。為了彌補(bǔ)其不本文提出用自適應(yīng)模糊控制技達(dá)模糊控制規(guī)則在控制過(guò)程中自動(dòng)調(diào)整和完從而使系統(tǒng)的性能不斷完善以達(dá)到預(yù)期的效果。2自整糊控器結(jié)及真控對(duì)象一般溫度可近似用一階慣性純滯后環(huán)節(jié)來(lái)表其遞函數(shù)式中對(duì)的靜態(tài)增益對(duì)象的時(shí)間常數(shù)對(duì)象的純滯后時(shí)間常數(shù)。本文針對(duì)某干燥箱的溫度控制用公式計(jì)算各參數(shù)。自整模糊控制器的結(jié)構(gòu)自調(diào)整模糊控制器的結(jié)構(gòu)如圖1所。圖帶自調(diào)整因子的模糊控制器

圖中為整因子又稱加權(quán)因子過(guò)調(diào)整α值可改變偏差和偏差變化對(duì)控制輸出量的加權(quán)程,從調(diào)了控制規(guī)則若α值一旦選,在個(gè)控制過(guò)程中就不再改變即在控制規(guī)則中對(duì)偏差、偏差變化的加權(quán)固定不變。然,在實(shí)際控制中模糊控制系統(tǒng)在不同的狀態(tài)對(duì)制規(guī)則中偏差與偏差變化的權(quán)程度會(huì)有不同的要求了應(yīng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和數(shù)的變,并擬人工控制中的學(xué)習(xí)程可以構(gòu)造一個(gè)如圖所示的帶自調(diào)整因子的模糊控制,其質(zhì)是一個(gè)二級(jí)模糊控制系統(tǒng)。具體方法是將整因子看作是一個(gè)模糊,其域?yàn)?根據(jù)希望的控制性能構(gòu)造的改規(guī)則根據(jù)檢測(cè)及計(jì)算得到的信息查修正表以選擇適當(dāng)?shù)闹涤墒接?jì)算控制量的變化此時(shí)上所描述的控制規(guī)則體現(xiàn)了按誤差的大小自動(dòng)調(diào)整誤差對(duì)控制用的權(quán),因?yàn)檫@種自動(dòng)調(diào)整是在整個(gè)誤差論域內(nèi)進(jìn)行所這種自調(diào)整過(guò)程更符人在控制決策過(guò)程中的思維已經(jīng)具有高智能的化特點(diǎn)且常易于通過(guò)微機(jī)實(shí)時(shí)地實(shí)現(xiàn)其控制思想。自整模糊控制器的仿真在模糊控制系統(tǒng),模糊控制的性能在很大程度上取決于模糊控制規(guī)則確定是否合理以及模糊控制器的有關(guān)參數(shù)大小選擇是否合適單的模糊控制器具有設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單制性能比較好的特點(diǎn)于雜的控制系,采相似的模糊控制規(guī)則以及一組固定不變的參數(shù)往控制性能不夠理想。根據(jù)上文介紹的內(nèi),進(jìn)行以下幾種控制方法的仿真包括比例參數(shù)的調(diào)整模糊控制、量化因子和自整模糊控制、控制規(guī)則自調(diào)整的模糊控制。仿真結(jié)果如圖所。圖自調(diào)整模糊控制仿真曲線圖圖中第、、條線分別代表比例參數(shù)控制規(guī)則、量化因子和自整模糊控制仿真輸出溫度曲線。它們的控制性能指標(biāo)如表所。表1三種控制方法的控制性能比較超調(diào)量穩(wěn)態(tài)誤差調(diào)節(jié)時(shí)間比例參數(shù)Ku自調(diào)整模糊控制器

2%≤0.01℃

390s

量化因子Ke和Kec自調(diào)整模糊控制器控制規(guī)則自調(diào)整模糊控制器3控系硬件計(jì)

0.1%≤0.01℃0.1%≤0.01℃

420s270s本系統(tǒng)由機(jī)行用編寫(xiě)的串通信控制軟件與單片機(jī)進(jìn)行串通信實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度箱內(nèi)溫度的實(shí)時(shí)控制機(jī)作為上位機(jī)負(fù)責(zé)接收外部命,由口輸出后經(jīng)接口電路發(fā)送到單片機(jī)使其執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。單片機(jī)作為下位機(jī)構(gòu)成溫度箱的模糊控制系統(tǒng)型熱電阻為溫度傳感器把被控對(duì)象的溫度信號(hào)轉(zhuǎn)化為級(jí)壓信經(jīng)算放大器放大為0的壓信號(hào)然后經(jīng)串行轉(zhuǎn)得到數(shù)字量被單機(jī)口讀,和事先已存于片內(nèi)的中的溫度電壓對(duì)照查詢表對(duì),即可得到實(shí)際的溫度一進(jìn)行在線顯示并經(jīng)串行口傳送到機(jī)存和作,一路作為控制器的輸入變量。控制器的輸出通過(guò)單片機(jī)的口經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)槟M信,經(jīng)放大器放大后去觸發(fā)可控硅的導(dǎo)通以達(dá)到調(diào)節(jié)溫度箱加熱功率的目的。整個(gè)控制系統(tǒng)構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)系,其理圖如圖所。整個(gè)控制系統(tǒng)也可以在沒(méi)有機(jī)的參與,由單機(jī)獨(dú)立完成控制任,只是由于單片機(jī)功能的限制使人機(jī)交互不太理想。4控系軟件計(jì)機(jī)件設(shè)計(jì)機(jī)成的功能主要包控系統(tǒng)的啟動(dòng)控參數(shù)設(shè)置儲(chǔ)單片機(jī)傳送過(guò)來(lái)的實(shí)時(shí)采集的溫度數(shù)據(jù)并將其實(shí)時(shí)顯示和繪圖。軟件流程框圖如圖所機(jī)件由編溫曲線圖的繪制通過(guò)控件編程實(shí)現(xiàn)。溫度數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)通建立數(shù)據(jù)庫(kù)將據(jù)實(shí)時(shí)存入數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

控規(guī)則自調(diào)整模糊控制器的軟件設(shè)計(jì)由計(jì)算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)控制規(guī)則自調(diào)整模糊控制器的控制算流框圖如所。

程序包括如下兩個(gè)部計(jì)算機(jī)離線計(jì)算查詢表程序表建立方法將整因子α看是一個(gè)模糊,其論域?yàn)楦５目刂菩阅軜?gòu)造的改規(guī)則將之制成查詢表將此表存于計(jì)算機(jī)內(nèi)存,供計(jì)算機(jī)在線控制時(shí)使用。計(jì)算機(jī)在線實(shí)時(shí)控制程序。該程序在模糊控制過(guò)程中完成在線計(jì)算輸入變誤和誤差變化率并它們模糊化處理查找查詢表后再作輸出處理。具體步驟如①設(shè)置輸入、輸出變量及控制量的基本論預(yù)量化因子、比例因子采樣周期。②判斷采樣時(shí)間到否若時(shí)間已,則向第三否則等待。③啟動(dòng)轉(zhuǎn),進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。④計(jì)誤差和誤差變化并判斷它們是否已超過(guò)下限值若超,則將其設(shè)定為上下限值。⑤按給定的量化因子將誤差和誤差變化模糊,并由此查詢存放在計(jì)算機(jī)內(nèi)存中的α修規(guī)則查詢表以選擇適當(dāng)?shù)闹耽抻上率接?jì)算控制量的值(將此值乘以給定的比例因若已超過(guò)上下限值則置為下限。⑦啟動(dòng)轉(zhuǎn)得控制器實(shí)際輸出模擬量用來(lái)控制溫度箱的溫度。機(jī)單片機(jī)串口通信軟件設(shè)計(jì)機(jī)單片機(jī)串口通信通過(guò)串通信芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)。軟件的設(shè)計(jì)包括單片機(jī)串口通信和機(jī)上串通信兩部分兩者必須遵從相同的通信協(xié)議才能正常通信。系統(tǒng)采用串口通信格式如波特率為單機(jī)串口工作方式用作為定時(shí)工于方式。將以上已知條件帶入下面的串口波特率計(jì)算公計(jì)算得到(十制(十六進(jìn)制。數(shù)據(jù)位位奇無(wú)啟位位停止位位單片機(jī)串口通信程序包括串口初始化程序和中斷服務(wù)程用編寫(xiě)串口初始化程序是對(duì)串口工作方式進(jìn)行設(shè)置控制寄存器和的置以及定時(shí)器的置。中斷服務(wù)程序主要是采用中斷方式來(lái)接收和發(fā)送數(shù),同時(shí)要用軟件方清除接收中斷標(biāo)志響接收中斷和送中斷標(biāo)志響發(fā)送中斷機(jī)串口通信程序流程框圖見(jiàn)圖所。

機(jī)口通信程序用于讀取單片機(jī)發(fā)來(lái)的溫度數(shù)據(jù)和向單片機(jī)發(fā)送參數(shù)及命用編利串口控件可現(xiàn)機(jī)串口通其程框圖見(jiàn)圖所?？箶_設(shè)計(jì)

nn系統(tǒng)的抗干擾能力是系統(tǒng)可靠性的重要指標(biāo)。本系統(tǒng)主要采用有硬件抗干擾設(shè)計(jì)和軟件抗干擾設(shè)計(jì)。硬件抗干擾設(shè)計(jì)①在后向通道設(shè)計(jì)中采用光電耦合器。光電耦合器有和高的絕緣電阻可達(dá)歐姆以上并能承受以上高,因而能有效隔離高電壓對(duì)微機(jī)系統(tǒng)的種噪聲干,抑制尖峰脈沖電壓具有很強(qiáng)的抗干擾能力。②數(shù)字信號(hào)的傳輸采用雙絞線。雙絞線的阻抗,抗模噪聲能力強(qiáng)能使各個(gè)小環(huán)路的電磁感應(yīng)干擾相互抵消對(duì)電磁場(chǎng)具有一定的抑制效果。③電源線應(yīng)盡量加粗?？墒剐盘?hào)電平穩(wěn)定和增加抗干擾能使源線能通過(guò)倍印刷電路板上的允許電流。④接地線盡量構(gòu)成閉環(huán)路可增加抗干擾能力。⑤配置去耦電容。電源輸入端接～的電解電給每個(gè)集芯片配置一個(gè)的瓷電容器。軟件抗干擾設(shè)計(jì)采用限幅濾波法消除干擾其方法是將兩次相鄰的采樣值求出其增然后與兩次采樣允許的最大差值進(jìn)比較若于或等于則取本次采樣值若于則上次采樣值作為本次采樣值即則y有效nn＞則有效。n式中第n次樣值第次樣相鄰兩次采樣值允許的最大偏差。誤分析誤差主要來(lái)源是①鉑熱電阻在0℃～℃范圍存在℃誤差。②轉(zhuǎn)換誤:。③被控對(duì)象即恒溫箱內(nèi)溫度的不均勻?qū)е抡`差。對(duì)于第項(xiàng)少誤差的方法是在箱內(nèi)安裝風(fēng)扇增加流動(dòng)另外,采取多點(diǎn)測(cè),然后取平均值作為溫度測(cè)量值。綜合以上可知系總的誤差小于℃論

溫度是工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常碰到的控