基于模糊控制策略的智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

浙江科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）PAGE25-基于模糊控制策略的智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要：本文介紹了以凌陽(yáng)16位單片機(jī)SPCE061A為核心的溫度控制平臺(tái)的設(shè)計(jì)。并介紹了其軟、硬件設(shè)計(jì)的方法和給出了系統(tǒng)的硬件原理圖、軟件流程圖。在該設(shè)計(jì)中采用精密集成電路傳感器LM35系列中的LM35DZ對(duì)烤箱的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)精確測(cè)量，測(cè)量出的電壓信號(hào)直接送入到SPCE061A中，并進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)溫度檢測(cè)。本系統(tǒng)利用按鍵輸入設(shè)定溫度。設(shè)定溫度和實(shí)時(shí)溫度都可以從四位的LED數(shù)碼管顯示出來(lái)?？刂撇糠植捎媚：刂扑惴?，每隔2秒更新PWM控制輸出參數(shù)，控制繼電器的通斷時(shí)間，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)烤箱溫度的控制。關(guān)鍵字：SPCE061A；溫度控制；模糊控制Abstract:Inthispaper,thedesignoftemperaturecontrolsplatformbasedonSPCE061Aisintroduced.Theauthoralsointroducesthesoftwareandhardwaredesignofthissystem.Inthisdesign,aprecisionintegrationcircuittransducerLM35DZisadoptedtomeasurethetemperatureoftheheatingfurnaceinrealtime,andthevoltagesignalmeasuredisinputtedintotheSPCE061Adirectly,thendoADconversion.Thesettingtemperaturecanbeinputtedintothesystemthroughthekeyboard.ThesettingtemperatureandthetemperatureofcurrentcanbedisplayedontheLEDmonitorof4digits.Thecontrolsectionadoptsthefuzzycontrolalgorithm,andupdatesthePWMparameterevery2seconds.ThePWMcontrolsthetimeoftherelay'sonandoff,thencontrolsthetemperatureoftheheatingfurnace.Keywords：SPCE061A；temperaturecontrol；fuzzycontrol.1緒論1.1背景溫度控制是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中經(jīng)常遇到的過(guò)程控制，有些工藝過(guò)程對(duì)其溫度的控制效果直接影響著產(chǎn)品的質(zhì)量。在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用的電阻爐，升溫靠電阻絲加熱，降溫依靠自然冷卻，溫度超調(diào)后調(diào)整很慢，是一種單向性、大慣性、有一定滯后，特性參數(shù)隨爐溫變化而變化的非線性、時(shí)變的復(fù)雜系統(tǒng)，很難得到其精確的數(shù)學(xué)模型。目前多數(shù)電阻爐溫度控制仍采用常規(guī)的PID控制方法，這種方法簡(jiǎn)單、實(shí)用，可靠性高，能滿足大多數(shù)溫度控制要求。但是PID控制參數(shù)的整定依賴于被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。當(dāng)控制對(duì)象溫度精度要求高時(shí)，且被控對(duì)象難以獲得其精確的數(shù)學(xué)模型,便很難得到滿意的控制效果。而模糊控制是一種仿人智能控制方法，它不依賴于對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)對(duì)模糊信息的處理可以對(duì)復(fù)雜對(duì)象實(shí)施良好的控制。鑒于傳統(tǒng)PID控制的控制效果并不好，考慮到模糊控制的優(yōu)點(diǎn)，在對(duì)烤箱溫度進(jìn)行控制時(shí)，模糊控制是一種較好的控制方法。這樣設(shè)計(jì)出來(lái)的高精度的智能溫度控制系統(tǒng)是非常有價(jià)值的。隨著電子技術(shù)和單片機(jī)的迅速發(fā)展，單片機(jī)測(cè)量和控制技術(shù)也得到了迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。利用單片機(jī)對(duì)溫度進(jìn)行測(cè)控的技術(shù)，也便隨之而生，并得到日益發(fā)展和完善，越來(lái)越顯示出其優(yōu)越性，實(shí)踐也證明用單片機(jī)對(duì)爐溫度的控制可以提高產(chǎn)品質(zhì)量和數(shù)量，節(jié)約能源，還能改善勞動(dòng)條件。在現(xiàn)有的單片機(jī)產(chǎn)品中，凌陽(yáng)16位單片機(jī)SPCE061A具有高速度、低價(jià)、可靠、實(shí)用、體積小、功耗低和簡(jiǎn)單易學(xué)等特點(diǎn)，并且集成了ADC、DAC、PLL、AGC等電路，并配有凌陽(yáng)16位單片機(jī)SPCE061A集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，支持標(biāo)準(zhǔn)C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言，使得開(kāi)發(fā)方便、容易。采用SPCE061A可以加快開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，降低了成本，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，同時(shí)又能設(shè)計(jì)出高精度的溫度控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)正是采用了凌陽(yáng)16位單片機(jī)SPCE061A。本課題屬于單片機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，涉及測(cè)控電路，單片機(jī)控制，智能控制。這個(gè)工程是對(duì)自動(dòng)化所學(xué)專業(yè)的綜合應(yīng)用。1.2溫度智能控制平臺(tái)的總體概述本畢業(yè)設(shè)計(jì)的要求是構(gòu)建單片機(jī)溫度控制平臺(tái)，可利用按鍵輸入設(shè)定溫度值，之后單片機(jī)控制烤箱內(nèi)溫度達(dá)到設(shè)定的溫度。溫度設(shè)定范圍為40℃－100℃，能夠控制烤箱內(nèi)溫度在預(yù)設(shè)溫度的＋（－）2℃內(nèi)。本系統(tǒng)是在凌陽(yáng)61板（SPCE061A單片機(jī)）的基礎(chǔ)上，用LM35DZ精密集成電路傳感器進(jìn)行溫度檢測(cè)，用四位的數(shù)碼管顯示測(cè)量溫度值和設(shè)定溫度值，單片機(jī)輸出PWM控制繼電器吸合和釋放來(lái)控制電熱絲電流的通斷。系統(tǒng)設(shè)計(jì)總框圖如下：SPCE061ASPCE061A16bitMCU按鍵設(shè)定溫度采集數(shù)據(jù)顯示繼電器電熱絲圖1.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)總框圖對(duì)上述系統(tǒng)框圖的說(shuō)明如下：1、按鍵設(shè)定：用于溫度設(shè)定。共三個(gè)鍵。S鍵：用于設(shè)定溫度設(shè)定及確認(rèn)。KEY1鍵：設(shè)定溫度個(gè)位數(shù)：0－9。KEY2鍵：設(shè)定溫度十位數(shù)：0－9。在系統(tǒng)上電時(shí)，顯示的溫度是當(dāng)前的溫度。當(dāng)按下S鍵并釋放一次后，數(shù)碼管的最高位顯示S，低三位都顯示0。當(dāng)按下KEY1鍵，根據(jù)KEY1按下的次數(shù)，數(shù)碼管上的值依次增加，到9后，再按一次重新顯示為0。按KEY2的情況也是如此。當(dāng)溫度設(shè)置好后，再次按下S鍵并釋放，表示溫度設(shè)定完成，單片機(jī)開(kāi)始控制繼電器來(lái)控制烤箱內(nèi)的溫度。2、溫度采集：將LM35DZ輸出的電壓信號(hào)輸入到單片機(jī)中，在單片機(jī)內(nèi)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，得到溫度值。3、數(shù)據(jù)顯示：在單片機(jī)上電和控制溫度運(yùn)行時(shí)顯示的是實(shí)時(shí)的溫度。當(dāng)按下設(shè)定按鍵S后，顯示的是設(shè)定的溫度。4、繼電器/電熱絲：通過(guò)三極管控制繼電器的開(kāi)關(guān)完成對(duì)電熱絲的發(fā)熱控制。2系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)硬件電路包括61板電路，溫度檢測(cè)電路，鍵盤設(shè)置電路，LED顯示電路及繼電器控制電熱絲電路[5]。這些模塊電路主要通過(guò)SPCE061A精簡(jiǎn)開(kāi)發(fā)板的I/O口來(lái)通訊并對(duì)各模塊進(jìn)行操作控制。其中，除了溫度檢測(cè)電路，鍵盤設(shè)置電路，LED顯示電路及繼電器控制電熱絲電路之外，其他都作為SPCE061A的外圍電路集成在61板上，構(gòu)成一個(gè)完整的精簡(jiǎn)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)。2.1溫度檢測(cè)電路2.1.1LM35DZ溫度傳感器LM35系列是精密集成攝氏溫度傳感器，其輸出的電壓線性地與攝氏溫度成正比。LM35系列傳感器生產(chǎn)制作時(shí)已經(jīng)過(guò)校驗(yàn)，輸出電壓與攝氏溫度一一對(duì)應(yīng)，使用極為方便[2]。靈敏度為10.0mV/℃，精度在0.4℃至0.8℃（-55℃至+150℃溫度范圍內(nèi)），重復(fù)性好，低輸出阻抗，線性輸出和內(nèi)部精密校準(zhǔn)使其與讀出或控制電路接口簡(jiǎn)單和方便，可單電源和正負(fù)電源工作。其特性是：在攝氏溫度下直接校準(zhǔn)；＋10.0mV/℃的線性刻度系數(shù)；確保0.5℃的精度（在25℃）；額定溫度范圍為-55℃至+150℃；適用于遠(yuǎn)程應(yīng)用；工作電壓范圍寬，4V至30V；低功耗，小于60μA；在靜止空氣中，自熱效應(yīng)低，小于0.08℃的自熱；非線性僅為±1/4℃；10、低輸出阻抗，通過(guò)1mA電流時(shí)僅為0.1Ω。表2.1極限參數(shù)電源電壓輸出電壓輸出電流+35V～0.2V+6～1.0V10mA本設(shè)計(jì)采用的是型號(hào)為L(zhǎng)M35DZ,封裝為TO-92塑封的溫度傳感器，其工作溫度范圍是：0℃至＋100℃，存放溫度是：-60℃至+150℃。底視的封裝圖如下：圖2.1T0-92封裝(底視)圖2.1T0-92封裝(底視)引腳1：＋Vs；引腳2：Vout；引腳3：GND。2.1.2溫度檢測(cè)電路LM35的第一腳接5V電源，第三腳接地，第二引腳Vout接在IOA3上，如下圖所示：圖2.2LM35溫度檢測(cè)電路圖2.2LM35溫度檢測(cè)電路在61板上需要設(shè)置的是把J1用跳線帽將VREF和VRT短接，表示從VREF輸出2V電壓作為A/D轉(zhuǎn)換的參考電壓，輸入到VRT中。在溫度為40℃－100℃的情況下，LM35輸出的電壓小于1V，此時(shí)凌陽(yáng)16位單片機(jī)SPCE061A的A/D轉(zhuǎn)換參考電壓設(shè)置為2V，大于溫度檢測(cè)即LM35輸出的電壓。同時(shí)，SPCE061A的A/D轉(zhuǎn)換分辨率是10位，在2V的參考電壓下最小有效單位即1LSB是2/1023＝0.001955≈0.002V＝2mV。而溫度變化1℃后，經(jīng)LM35檢測(cè)得到的電壓變化是10mV，故單片機(jī)能檢測(cè)出0.2℃的溫度變化，能夠滿足之前要求的溫度控制在設(shè)定值的＋（－）2℃。2.2單片機(jī)SPCE061A及由其組成的精簡(jiǎn)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)61板介紹2.2.1SPCE061A的性能SPCE061A是凌陽(yáng)科技推出的一款16位結(jié)構(gòu)的微控制器[4]。SPCE061A里內(nèi)嵌32K字的閃存（FLASH），且具有較高的處理速度。其性能如下：1、16位μ’nSPTM微處理器；2、工作電壓(CPU)VDD為2.4～3.6V,(I/O)VDDH為2.4～5.5V；3、CPU時(shí)鐘：0.32MHz～49.152MHz；4、內(nèi)置2K字SRAM；5、內(nèi)置32KFLASH；6、可編程音頻處理；7、晶體振蕩器；8、系統(tǒng)處于備用狀態(tài)下(時(shí)鐘處于停止?fàn)顟B(tài))，耗電僅為2μA/3.6V；9、2個(gè)16位可編程定時(shí)器/計(jì)數(shù)器(可自動(dòng)預(yù)置初始計(jì)數(shù)值)；10、2個(gè)10位DAC(數(shù)-模轉(zhuǎn)換)輸出通道；11、32位通用可編程輸入/輸出端口；12、14個(gè)中斷源可來(lái)自定時(shí)器A/B，時(shí)基，2個(gè)外部時(shí)鐘源輸入，鍵喚醒；13、具備觸鍵喚醒的功能；14、使用凌陽(yáng)音頻編碼SACM_S240方式(2.4K位/秒)，能容納210秒的語(yǔ)音數(shù)據(jù)；15、鎖相環(huán)PLL振蕩器提供系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)；16、32768Hz實(shí)時(shí)時(shí)鐘；17、7通道10位電壓模-數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和單通道聲音模-數(shù)轉(zhuǎn)換器；18、聲音模-數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入通道內(nèi)置麥克風(fēng)放大器和自動(dòng)增益控制(AGC)功能；19、具備串行設(shè)備接口；20、具有低電壓復(fù)位(LVR)功能和低電壓監(jiān)測(cè)(LVD)功能；21、內(nèi)置在線仿真電路ICE（In-CircuitEmulator）接口；22、具有保密能力；23、具有WatchDog功能。SPCE061A有兩種封裝片，其中一種就是本設(shè)計(jì)中用到的84個(gè)引腳，PLCC84封裝形式。其最小系統(tǒng)原理圖如圖2.3所示。2.2.2精簡(jiǎn)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)61板硬件說(shuō)明61板硬件框圖如下所示：表2.2框圖說(shuō)明POWER5V&3V供電電路PLL鎖向環(huán)外部電路Power-電源指示燈Sleep-睡眠指示燈RESET復(fù)位電路K4復(fù)位按鍵PROBE在線調(diào)試器5針接口S5EZ-PROBE和PROBE切換的撥斷開(kāi)關(guān)J12、J3耳機(jī)插孔和兩針喇叭插針DAC一路音頻輸出電路，采用SPY0030集成音頻放大器MIC麥克風(fēng)輸入電路OSC32768晶振電路VREFA/D轉(zhuǎn)換外部參考電壓輸入接口R/C芯片其他外圍電阻、電容電路K1~K3擴(kuò)展的按鍵：接IOA0~IOA2SPCE061A61板核心：16位微處理器PORTA/B32個(gè)I/O口61板接口說(shuō)明圖：圖2.5圖2.561板接口本設(shè)計(jì)中用到的61板接口有：1、輸入/輸出（I/O）接口61板將SPCE061A的32個(gè)I/O口IOA0～I(xiàn)OA15，IOB0～I(xiàn)OB15全部引出，對(duì)應(yīng)的引腳為：A口，41～48、53、54～60；B口，5～1、81～76、68～64。而且該I/O口是可編程的，即可以設(shè)置為輸入或輸出。設(shè)置為輸入時(shí)，分為懸浮輸入或非懸浮輸入。非懸浮輸入又可以設(shè)置為上拉電阻輸入或是下拉電阻輸入。在5V情況下，上拉電阻為150K，下拉電阻為110K；設(shè)置為輸出時(shí)，可以選擇同相輸出或者反相輸出。2、EZ-PROBE接口上圖中的J11是EZ-PROBE的接口，利用一根轉(zhuǎn)接線作為EZ-PROBE的下載，一端連接PC機(jī)的25針并口，另外一端連接61板的5針EZ-PROBE接口，通過(guò)軟件可以把單片機(jī)程序燒寫到SPCE061A中。3、電源接口在圖2.5中J10是電源接口，61板的內(nèi)核SPCE061A電壓要求為3.3V，而I/O端口的電壓可以選擇3.3V也可以選擇5V。所以，在板子上具有兩種工作電壓：5V和3.3V。對(duì)應(yīng)的引腳中15、36和7必須為3.3V,對(duì)于I/O端口的電壓51、52、75可以是3.3V也可以是5V，這兩種電平的選擇通過(guò)跳線J5來(lái)控制。61板的供電電源系統(tǒng)采用用戶多種選擇方式：=1\*GB3①DC5V電池供電可以用3節(jié)電池來(lái)供電。5V直流電壓直接通過(guò)SPY0029（相當(dāng)于一般3.3V穩(wěn)壓器）穩(wěn)壓到3.3V，為整個(gè)61板提供了4.5V和3.3V兩種電平的電壓。=2\*GB3②DC5V穩(wěn)壓源供電可以直接外接5V的直流穩(wěn)壓源供電。5V電壓再通過(guò)SPY0029穩(wěn)壓到3.3V。=3\*GB3③DC3V供電可以提供直流3.3V電壓為實(shí)驗(yàn)板進(jìn)行供電。此時(shí)整個(gè)板子只有3.3V電壓，I/O端口電壓此時(shí)只有一種選擇。需要注意的是由于SPY0029最大輸出電流為50mA，所以如果需要外接一些模組時(shí)要先考慮負(fù)載是否合適。4、外部復(fù)位復(fù)位是對(duì)61板內(nèi)部的硬件初始化。61板本身具有上電復(fù)位功能，即只要一通電就自動(dòng)復(fù)位。另外，還具有外部復(fù)位電路，即在引腳6上外加一個(gè)低電平就可令其復(fù)位。在圖2.5中的REST按鍵即為復(fù)位按鍵。2.3鍵盤設(shè)置電路按鍵電路采用軟件查詢和外部中斷結(jié)合的方法來(lái)設(shè)計(jì)。IOB2接在電容端，利用SPCE061A的外部中斷，在KEY1按下時(shí)給IOB2一個(gè)下降沿信號(hào)，使EXT1中斷觸發(fā)。IOA0接KEY2,IOA1接KEY3，這兩個(gè)鍵采用軟件查詢方式，使單片機(jī)獲得溫度設(shè)定值。圖2.6為按鍵設(shè)置電路，其中的各個(gè)按鍵的功能定義如表2所示。圖2.6按鍵設(shè)置電路圖2.6按鍵設(shè)置電路表2.3按鍵說(shuō)明按鍵鍵名功能KEY1設(shè)定/確定鍵按下釋放一次使單片機(jī)處于設(shè)定狀態(tài)，再次按下釋放使單片機(jī)處于控制溫度狀態(tài)。KEY2個(gè)位設(shè)定鍵在KEY1鍵按下釋放一次后，按鍵設(shè)置設(shè)定溫度個(gè)位值。KEY3十位設(shè)定鍵在KEY2鍵按下釋放一次后，按鍵設(shè)置設(shè)定溫度十位值。2.4LED顯示電路顯示采用4位共陰LED動(dòng)態(tài)顯示，通過(guò)三極管控制LED片選。顯示內(nèi)容有溫度值的個(gè)位和十位。在控制溫度時(shí)，4位LED中最高位和次高位顯示：00，低兩位顯示實(shí)時(shí)溫度值。在設(shè)定溫度值時(shí)，最高位顯示：S，次高位顯示：0，低兩位顯示設(shè)定的溫度值。顯示電路圖如圖2.7所示。圖2.7LED顯示電路圖2.7LED顯示電路2.5電熱絲控制電路單片機(jī)從IOB8輸出PWM，通過(guò)三極管來(lái)控制繼電器的開(kāi)關(guān)，達(dá)到控制電熱絲的發(fā)熱。電路圖如圖2.8所示。圖2.8電熱絲控制電路圖2.8電熱絲控制電路3系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)3.1模糊控制算法介紹在控制工程中，一些被控對(duì)象是比較復(fù)雜的非線性、時(shí)變、大滯后系統(tǒng)，往往難以獲得其精確的數(shù)學(xué)模型，并且采用傳統(tǒng)的經(jīng)典控制方法很難獲得良好的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能。對(duì)于這類不具有任何數(shù)學(xué)模型的被控對(duì)象，不便于使用傳統(tǒng)控制理論，包括現(xiàn)代控制理論。然而，這類被控對(duì)象在模糊控制下卻往往能正常運(yùn)行，并達(dá)到一定的預(yù)期結(jié)果。模糊控制是一種仿人智能控制方法，它不依賴于對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)對(duì)模糊信息的處理可以對(duì)復(fù)雜對(duì)象實(shí)施良好的控制[12]。3.1.1模糊控制的特點(diǎn)1、不需要精確數(shù)學(xué)模型。使用語(yǔ)言方法，可不需要掌握過(guò)程的精確數(shù)學(xué)模型。對(duì)復(fù)雜的生產(chǎn)過(guò)程很難獲取過(guò)程的精確數(shù)學(xué)模型，而語(yǔ)言方法卻是一種很方便的近似。2、容易學(xué)習(xí)。對(duì)于具有一定操作經(jīng)驗(yàn)，非控制專業(yè)的操作者，模糊控制方法易于掌握。3、使用方便。操作人員易于通過(guò)人的自然語(yǔ)言進(jìn)行人機(jī)界面聯(lián)系，這些模糊條件語(yǔ)句很容易加入到過(guò)程的控制環(huán)節(jié)上。4、適應(yīng)性強(qiáng)。采用模糊控制，過(guò)程的動(dòng)態(tài)響應(yīng)品質(zhì)優(yōu)于常規(guī)PID控制，并對(duì)過(guò)程參數(shù)的變化具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。5、程序短，所需存儲(chǔ)器少。模糊控制系統(tǒng)一般只需很短的程序和較少的存儲(chǔ)器，它比采用查表方法的控制系統(tǒng)需要的存儲(chǔ)器少得多，比多數(shù)采用數(shù)學(xué)計(jì)算方法的控制系統(tǒng)需要得存儲(chǔ)器也要少。6、速度快。模糊控制系統(tǒng)可在很短時(shí)間內(nèi)完成復(fù)雜的控制任務(wù)，而使用計(jì)算方法則需大量得數(shù)學(xué)計(jì)算工作。7、開(kāi)發(fā)方便、迅速。使用模糊邏輯控制，不必對(duì)被控對(duì)象了解非常清楚就可開(kāi)始設(shè)計(jì)、調(diào)試控制系統(tǒng)，可先從近似得模糊子集和規(guī)則開(kāi)始調(diào)試，再一步步調(diào)試參數(shù)以優(yōu)化系統(tǒng)。8、可靠性高。模糊邏輯由許多相互獨(dú)立地規(guī)則組成，它的輸出是各條規(guī)則的合并結(jié)果。因而即使一條規(guī)則出問(wèn)題，其他規(guī)則可經(jīng)常對(duì)它進(jìn)行補(bǔ)償；因而，系統(tǒng)可能工作的不太優(yōu)化，但仍然能起作用。并且，即使系統(tǒng)的工作環(huán)境發(fā)生變化，模糊規(guī)則經(jīng)常能保持正確。9、性能優(yōu)良。由于模糊控制系統(tǒng)對(duì)于外界環(huán)境的變化并不很敏感，使它具有較高的魯棒性，而同時(shí)，仍能保持足夠的靈敏度。對(duì)于模糊邏輯，可以使一個(gè)系統(tǒng)既有非常高的魯棒性，又有很高的靈敏度。3.1.2模糊控制原理最基本的模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖所示。圖中yr系統(tǒng)設(shè)定值，y為系統(tǒng)輸出值，他們都是清晰量。從圖可以看出，它和傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)沒(méi)有多大區(qū)別，只是用模糊控制器替代傳統(tǒng)的數(shù)字控制器。模糊化模糊化模糊推理語(yǔ)言規(guī)則清晰化對(duì)象yr清晰量e模糊量E模糊量U清晰量ui模糊控制器y圖3.1模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)從上圖可以看出，模糊控制器的輸入量是系統(tǒng)的偏差量e，在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中它是數(shù)字量，是有確定數(shù)值的清晰值。通過(guò)模糊化處理，用模糊語(yǔ)言變量E來(lái)描述偏差，若以T(E)記E的語(yǔ)言值集合，則有T(E)={負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大}或用符號(hào)表示負(fù)大NB，負(fù)中NM，負(fù)小NS，零ZE，正小PS，正中PM，正大PB，則T(E)={NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}語(yǔ)言規(guī)則模塊是一個(gè)規(guī)則庫(kù)。設(shè)E是輸入，控制U為輸出，規(guī)則形式為規(guī)則1：IFE1THENU1，ELSE規(guī)則2：IFE2THENU2，ELSE……規(guī)則n：IFEnTHENUn每一條規(guī)則可以建立一個(gè)模糊關(guān)系Ri，所以系統(tǒng)總的模糊關(guān)系R為R＝R1∪R2∪…∪Rn若已知系統(tǒng)的輸入e0對(duì)應(yīng)模糊變量E*，應(yīng)用CRI合成推理法，可得到模糊輸出變量U*，U*=E*·R模糊推理輸出U*是一個(gè)模糊變量，在系統(tǒng)中要實(shí)施控制時(shí)，模糊量U*還要轉(zhuǎn)化為清晰值，因此要進(jìn)行清晰化處理，得到可操作的確定值ui，這就是模糊控制器的輸出值，通過(guò)ui的調(diào)整控制作用，使偏差e盡量小。一般說(shuō)來(lái)，模糊控制器有三個(gè)主要的功能模塊。1、模糊化模糊化是將模糊控制器輸入量的確定值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)模糊語(yǔ)言變量值的過(guò)程，此相應(yīng)語(yǔ)言變量值均由對(duì)應(yīng)的隸屬度來(lái)定義。2、模糊推理模糊推理包括三個(gè)組成部分：大前提、小前提和結(jié)論。大前提是多個(gè)多維模糊條件語(yǔ)句，構(gòu)成規(guī)則庫(kù)；小前提是一個(gè)模糊判斷句，又稱事實(shí)。以已知的規(guī)則庫(kù)和輸入變量為依據(jù)，基于模糊變換推出新的模糊命題作為結(jié)論的過(guò)程叫做模糊推理。3、清晰化清晰化是將模糊推理后得到的模糊集轉(zhuǎn)換為用作控制的數(shù)字值的過(guò)程。3.1.3模糊控制算法，或稱模糊控制規(guī)則，實(shí)質(zhì)上是將操作者在控制過(guò)程中的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)（即手動(dòng)控制策略）加以總結(jié)而得到的一條條模糊條件語(yǔ)句的集合，它是模糊控制器的核心。根據(jù)模糊控制算法，常見(jiàn)的模糊控制器有下列幾種。1．單輸入單輸出模糊控制器在模糊控制系統(tǒng)中，具有一個(gè)輸入變量和一個(gè)輸出變量的系統(tǒng)稱為單變量稱為模糊控制系統(tǒng)，一個(gè)單變量模糊控制系統(tǒng)所采用的模糊控制器稱之為單變量模糊控制器。通常把單變量模糊控制器的輸入量個(gè)數(shù)稱為模糊控制器的維數(shù)，如圖3.2所示。模糊控制器模糊控制器EU（a）一維模糊控制器模糊控制器d/dtEU（b）二維模糊控制器模糊模糊控制器d/dtd/dtEU(c)三維模糊控制器圖3.2常見(jiàn)的模糊控制器一維模糊控制器如上圖（a）所示，它的輸入變量是系統(tǒng)的偏差量E，輸出變量是系統(tǒng)的控制量的變化值U。由于僅采用偏差控制，所以系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)控制性能不佳，一般用于一階被控對(duì)象。二維模糊控制器如上圖（b）所示，它的輸入量是偏差量E和偏差變化E′，以控制量的變化值U作為輸出量，它比一維控制器有較好的控制效果，且目前廣為采用的一類模糊控制器。三維模糊控制器如上圖（c）所示，它的三個(gè)輸入變量分別為系統(tǒng)偏差量E，偏差變化E′和偏差變化的變化率E″,以控制量的變化值U作為輸出量。由于這類模糊控制器結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，推理運(yùn)算時(shí)間長(zhǎng)，所以一般較少采用。2．多變量模糊控制器在模糊控制系統(tǒng)中，多于一個(gè)輸入和輸出變量的系統(tǒng)稱為多變量模糊控制系統(tǒng)。多變量模糊控制系統(tǒng)所采用的模糊控制器往往具有多變量結(jié)構(gòu)，稱為多變量模糊控制器，如下圖所示。模糊模糊控制器…………v1v2vnu1u2un圖3.3多變量模糊控制器它有m個(gè)輸入vk（k＝1，2，…，m）和n個(gè)輸出uj（j＝1，2，…，n）。要直接設(shè)計(jì)一個(gè)多變量模糊控制器是相當(dāng)困難的，通常將一個(gè)多輸出多輸入的模糊控制器在結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)解耦，即分解成若干個(gè)多個(gè)多輸入單輸出的模糊控制器，如下圖所示。模糊控制器模糊控制器……v1vmu（a）多輸入單輸出結(jié)構(gòu)∧……v1vmu（b）多輸入單輸出結(jié)構(gòu)R1Rn∧∧……v1vmun（c）多輸入單輸出結(jié)構(gòu)R1nRmn∧u1R11Rm1……圖3.4模糊控制器分解3.2程序結(jié)構(gòu)圖本系統(tǒng)的程序由LED顯示程序，鍵盤掃描、鍵值處理程序，A/D采樣、模糊控制程序，繼電器控制程序組成。程序結(jié)構(gòu)程序結(jié)構(gòu)LED顯示鍵盤掃描鍵值處理A/D采樣模糊控制計(jì)算繼電器控制外部中斷處理圖圖3.5系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)圖3.2.1在單片機(jī)上電后，首先進(jìn)行初始化：包括設(shè)置中斷源，賦值存儲(chǔ)單元，初始化端口。接著判斷是否要進(jìn)行溫度設(shè)置。流程圖如圖3.2所示。系統(tǒng)初始化系統(tǒng)初始化設(shè)置溫度按鍵掃描，取鍵值鍵值處理，同時(shí)顯示設(shè)置值關(guān)閉其他中斷，關(guān)閉PWM輸出YN打開(kāi)關(guān)閉了的中斷繼電器控制開(kāi)始圖圖3.6主程序流程圖3.2.2中斷處理程序圖示圖3.7圖3.7中斷流程圖EXT1中斷按鍵是否是奇數(shù)次YY置flag標(biāo)志為1，使能夠設(shè)置溫度清中斷置flag標(biāo)志為0，使不能設(shè)置溫度中斷返回EXT1中斷NN2Hz時(shí)基中斷是否到2秒取ADC數(shù)據(jù)ADC數(shù)據(jù)處理模糊控制計(jì)算中斷返回清中斷YN1024Hz時(shí)基中斷是否是1024Hz中斷LED顯示YN清中斷中斷返回3.3程序設(shè)計(jì)3.3.1顯示程序顯示程序分1024時(shí)基中斷中的顯示程序和主程序中按鍵掃描中的顯示部分。1、1024時(shí)基中斷中的顯示程序當(dāng)1024時(shí)基中斷到來(lái)時(shí)，單片機(jī)執(zhí)行1024時(shí)基中斷服務(wù)程序即LED動(dòng)態(tài)顯示程序。進(jìn)入中斷程序后，按以下步驟進(jìn)行處理：=1\*GB3①進(jìn)行關(guān)中斷，現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)；=2\*GB3②初始化IOB11～14、IOA8～15端口；=3\*GB3③從存放用于顯示實(shí)時(shí)溫度用的四個(gè)存儲(chǔ)單元中取出個(gè)位、十位、百位、千位的值,并通過(guò)查表得到用于顯示的值；=4\*GB3④動(dòng)態(tài)顯示溫度：首先通過(guò)向[P_IOB_Data]賦值，只選擇四位LED數(shù)碼管的最低位，即IOB11輸出高電平。接著通過(guò)向[P_IOA_Data]賦值通過(guò)查表后的值，控制IOA8～15的輸出電平，延時(shí)0.03ms。然后選擇LED數(shù)碼管的十位，向[P_IOA_Data]賦值相應(yīng)的值，同樣延時(shí)。對(duì)于位選LED數(shù)碼管千位和萬(wàn)位的情況同以上步驟類似，只是向[P_IOA_Data]賦的值不同。=5\*GB3⑤最后清中斷標(biāo)志控制單元，現(xiàn)場(chǎng)恢復(fù)，開(kāi)中斷，中斷返回。2、主程序中按鍵掃描中的顯示部分這部分程序包含在鍵盤掃描和鍵值處理中。動(dòng)態(tài)顯示的方式與1024時(shí)基中斷服務(wù)程序中的方式相同，不同的是向[P_IOA_Data]賦的值是按鍵掃描得到的查表后的值。3.3.2外部中斷處理程序當(dāng)按下接在IOB2的KEY1時(shí)，觸發(fā)外部中斷，單片機(jī)進(jìn)行外部中斷服務(wù)程序。這個(gè)中斷服務(wù)程序主要實(shí)現(xiàn)的是在KEY1被按下一次和奇數(shù)次時(shí)，可以設(shè)置控制主程序是否要進(jìn)行溫度設(shè)定的標(biāo)志單元的值，同時(shí)重新設(shè)置模糊控制中的相關(guān)初始值。在KEY1被按下二次和偶數(shù)次時(shí)，可以使相關(guān)的標(biāo)志位設(shè)置為一個(gè)另一個(gè)值，使主程序不進(jìn)行溫度設(shè)置，表示溫度設(shè)置完成。3.3.3鍵盤掃描和鍵值處理程序在主程序中，通過(guò)由外部中斷控制的一個(gè)標(biāo)志單元來(lái)判斷完是否要設(shè)定溫度。如果要，則進(jìn)行按鍵掃描和鍵值處理。由于鍵盤采用的是非編碼鍵盤，所以要用按鍵掃描。按鍵掃描采用程控掃描法。以接在KEY2的IOA0端口為例說(shuō)明程控掃描法的步驟：1、判斷按鍵是否按下。需要先把IOA0設(shè)置為帶下拉電阻的輸入端。接著讀IOA的值，判斷IOA0位是否為高電平輸入。2、軟件延時(shí)去除鍵抖動(dòng)。若IOA0位是高電平輸入，表明KEY2被按下，則延時(shí)5ms，再次讀IOA判斷。若IOA0位此時(shí)是低電平，表明KEY2被釋放。此時(shí)要做的工作是鍵值處理。在處理好一個(gè)按鍵后，按照同樣的方式處理另一個(gè)按鍵。在判斷完要進(jìn)行設(shè)置溫度后，再次進(jìn)行程控掃描，直到判斷不設(shè)置溫度。在程控掃描中進(jìn)行的還有按鍵處理程序。在系統(tǒng)初始化時(shí)，用于存放設(shè)置溫度值的存儲(chǔ)單元賦值位0。當(dāng)在程控按鍵掃描中判斷一個(gè)按鍵按下，則相應(yīng)的存儲(chǔ)單元的值增加1。如果增加到0x000a，則給這個(gè)存儲(chǔ)單元賦值為0。由于在設(shè)置溫度的情況下，關(guān)閉了其它如用于顯示的1024時(shí)基中斷，故在按鍵掃描中同時(shí)運(yùn)行著顯示程序，以顯示按鍵所設(shè)的溫度。3.3.4利用2Hz時(shí)基中斷，當(dāng)?shù)竭_(dá)2秒時(shí)，進(jìn)行A/D采樣。在單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換后，從[P_ADC_MUX_Data]中取出數(shù)值，經(jīng)過(guò)右移6位后再左移一位，即乘以2，得到的是放大了十倍的溫度值。這樣連續(xù)采樣8次，對(duì)8次的A/D轉(zhuǎn)換值進(jìn)行算術(shù)平均值濾波，得到放大了十倍的溫度值。由此溫度值求得實(shí)際溫度的個(gè)位、十位值，并將此兩個(gè)值存放在存放到當(dāng)前溫度的個(gè)位值和十位值存儲(chǔ)單元中，其中當(dāng)前溫度的千位和萬(wàn)位值都賦值為0。3.3.5模糊控制程序由于單片機(jī)SPCE061A的PWM分辨率位數(shù)不夠，用PID控制算法求得的值不能用PWM輸出合適的值，故采用模糊控制來(lái)控制輸出的PWM值。本控制系統(tǒng)采用一維模糊控制器，它的輸入變量是系統(tǒng)的偏差量E，輸出變量是系統(tǒng)的控制量U。輸入E＝設(shè)定溫度值－當(dāng)前溫度值，輸出U＝PWM脈寬。輸入E和輸出U的關(guān)系規(guī)則是：E＝0，U不輸出；E<=1，U輸出脈寬占空比為1/16的PWM；E<=2，U輸出脈寬占空比為2/16的PWM；E<=3，U輸出脈寬占空比為3/16的PWM；……E<=13，U輸出脈寬占空比為13/16的PWM；E>14，U輸出脈寬占空比為14/16的PWM。建立的查詢表是：表3.1模糊控制查詢表E01234567891011121314U10/1621/1632/1643/1644/1655/1666/1677/1678/1699/16110/16111/16112/16113/16114/16在程序中，所建立的查詢表內(nèi)的值是賦值給[P_TimerA_Ctrl]的以實(shí)際控制PWM脈寬的數(shù)值。模糊控制程序是在2Hz時(shí)基中斷到達(dá)2秒且AD轉(zhuǎn)換完成后進(jìn)行的。通過(guò)計(jì)算出設(shè)定溫度和當(dāng)前溫度的差，考慮E的范圍，通過(guò)查表得出[P_TimerA_Ctrl]的設(shè)定值。在主程序中給[P_TimerA_Ctrl]賦值后，就可進(jìn)行脈寬調(diào)整。3.3.6繼電器控制是在主程序不進(jìn)行溫度設(shè)置時(shí)進(jìn)行。進(jìn)入繼電器控制程序，首先進(jìn)行設(shè)定溫度和當(dāng)前溫度的比較：當(dāng)設(shè)定溫度不大于當(dāng)前溫度時(shí)，程序控制不輸出PWM。當(dāng)設(shè)定溫度大于當(dāng)前溫度時(shí)，輸出在2Hz時(shí)基中斷中經(jīng)模糊控制算法得出的PWM?？紤]到主程序運(yùn)行時(shí)，會(huì)有很多次的比較和設(shè)置PWM輸出，這會(huì)使PWM一直處于設(shè)置狀態(tài)，而且從IOB8中輸出的一直是高電平。為了解決這個(gè)問(wèn)題，需要提供一個(gè)標(biāo)志單元來(lái)標(biāo)識(shí)要不要重新設(shè)置PWM。本系統(tǒng)中，在標(biāo)識(shí)單元為1時(shí)設(shè)置PWM輸出，在其為0時(shí)不進(jìn)行設(shè)置。由于在設(shè)定溫度和一次模糊控制算法計(jì)算后要進(jìn)行PWM的設(shè)置，故這兩種情況下需要設(shè)置標(biāo)識(shí)單元為1。在一次PWM設(shè)置好后，為了不重復(fù)設(shè)置，需要設(shè)置標(biāo)識(shí)單元為0。經(jīng)過(guò)這樣的處理，程序能夠正常運(yùn)行。4總結(jié)此次畢業(yè)設(shè)計(jì)始于3月初，收尾于五月末。在此期間，遇到了很多困難，設(shè)計(jì)工作的進(jìn)度跟不上計(jì)劃的安排，甚至是遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于計(jì)劃。但我還是對(duì)遇到問(wèn)題困難，逐一解決，最終在五月底完成了畢業(yè)設(shè)計(jì)工作。開(kāi)始期間我主要是對(duì)畢業(yè)設(shè)計(jì)的課題進(jìn)行資料的收集，同時(shí)完成畢業(yè)設(shè)計(jì)的開(kāi)題報(bào)告，提出初步的可行性方案。并做了一項(xiàng)重要的準(zhǔn)備工作：多次學(xué)習(xí)凌陽(yáng)16位單片機(jī)教材。接著參照收集到的資料，設(shè)計(jì)出自己的電路圖后，購(gòu)買電子元件，并焊接出實(shí)際電路。本著先做硬件后做軟件，軟、硬件結(jié)合的思想，在每次焊接好電路后，我通過(guò)單片機(jī)運(yùn)行程序，來(lái)檢驗(yàn)硬件電路的正確性。由于我的仔細(xì)，在硬件電路上沒(méi)出現(xiàn)電路設(shè)計(jì)錯(cuò)誤的問(wèn)題。在硬件電路基本沒(méi)問(wèn)題后，碰到的問(wèn)題較多的是程序上的。經(jīng)過(guò)多次修改程序，我逐步實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的各個(gè)功能。在完成各個(gè)獨(dú)立功能的程序后，通過(guò)有機(jī)的結(jié)合這些程序，最終完成了總的軟件編程。在最終做完溫度控制系統(tǒng)的軟、硬件后，經(jīng)測(cè)試運(yùn)行，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)溫度實(shí)時(shí)測(cè)量顯示，可以通過(guò)按鍵輸入設(shè)定溫度，烤箱內(nèi)溫度能夠控制達(dá)到設(shè)定溫度的＋（－）2℃。至此我的畢業(yè)設(shè)計(jì)完成。通過(guò)這次設(shè)計(jì)，我對(duì)單片機(jī)、PID控制原理以及相關(guān)的電子電路知識(shí)有了更深的認(rèn)識(shí)。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中我對(duì)開(kāi)