模糊控制在智能温度控制中的应用.doc

论论文文题题目 模糊控制在智能温度控制系目 模糊控制在智能温度控制系统统中的中的应应用用 摘摘 要要 温度系统惯性大 滞后现象严重 难以建立精确的数学模型 给控制过程带 来很大难题 本文以电锅炉为研究对象 研究一种最佳的控制方案 以达到系统 稳定 调节时间短且超调量小的性能指标 将模糊控制的智能性与 PID 控制的通 用性 可靠性相互结合 设计了一种参数自整定模糊 PID 控制器 采用模糊推理 的方法实现 PID 参数的在线整定 经仿真研究 参数自整定模糊 PID 控制效果达到了电锅炉温度控制系统的 性能指标 是一种较为理想的智能性控制方案 在分析电锅炉供暖系统对控制器要求的基础上 研制了单片机为核心部件 的温度智能控制器 实现了温度的采集与控制 超限报警等各种功能 在进行硬 件电路设计的同时 也进行了相应软件设计 并将本文所提出的模糊 PID 算法引 入到软件设计中 给出了主程序流程图 模糊 PID 算法工作流程图和温度采集流 程图等 关关键词键词 电锅炉 温度控制 模糊 PID 控制 控制算法 仿真 Fuzzy Control in Intelligent Temperature Control System ABSTRACT For the inertia and serious lag it is difficult to establish accurate mathematical model and control the process of temperature system This paper selects electric boiler as the research object in order to find an optimal control scheme to achieve system stability short settling time and small overshoot performance Integrate the intelligence of fuzzy control with the versatility and reliability of PID control on the basis of which I design a parameter self tuning fuzzy PID controller using fuzzy reasoning method to accomplish online tuning PID parameters Experimental results illustrate that the fuzzy PID parameters controller achieved the system performance index The method of fuzzy PID control is a ideal method In this thesis basing on the request of the electric boiler heating system to the controller a temperature controller of the electric boiler is designed in which the8051 is used Its performance include temperature gathering algorithm realization warning etc The hardware circuit is designed and the corresponding procedure flow chart is also designed such as main program flow chart fuzzy PID working flow chart and temperature collection flow chart Keywords Electric Boiler Temperature Control Fuzzy PID Control Simulation 目目 录录 1 绪论 1 1 1 选题的目的及意义 1 1 2 国内外温度控制研究现状 1 2 系统模型及硬件电路设计 2 2 1 被控对象分析 2 2 2 电锅炉温度控制系统的模型 3 2 3 硬件设计 3 2 3 1 硬件设计概述 3 2 3 2 单片机的选择 4 2 3 3 温度传感器 DS18B20 6 2 3 4 功率放大模块 7 2 3 5 数据采集模块 8 2 3 6 控制输出模块 11 2 3 7 键盘输入模块 11 2 3 8 报警显示模块 12 2 3 9 可控硅控制模块 13 3 算法的实现 13 3 1 PID 控制研究 14 3 1 1 PID 算法的数字化 14 3 1 2 PID 参数的整定 15 3 2 模糊 PID 控制器的设计 15 3 2 1 控制系统的结构 16 3 2 2 PID 参数的自整定原则 16 3 2 3 模糊 PID 参数的模糊化 17 3 2 4 模糊 PID 模糊控制规则的建立 18 3 2 5 模糊决策及解模糊 19 4 仿真 20 4 1 常规 PID 与模糊 PID 的仿真模块 20 4 1 仿真结果分析 21 5 软件设计 22 5 1 主程序流程图 22 5 2 控制算法流程图 23 6 抗干扰措施 23 7 结束语 24 致谢 24 参考文献 25 附录 1 模糊控制规则查看器 26 附录 2 总电路图 27 附录 3 总程序清单 28 1 1 绪论绪论 1 1 选题选题的目的及意的目的及意义义 在工业生产过程中 控制对象各种各样 温度是生产过程和科学实验中普遍 而且重要的物理参数之一 在生产过程中 为了高效地进行生产 必须对它的主 要参数 如温度 压力 流量等进行有效的控制 温度控制在生产过程中占有相 当大的比例 准确的测量和有效的控制温度是优质 高产 低耗和安全生产的重 要条件其关键在于测温和控温两方面 温度测量是温度控制的基础 技术己经比 较成熟 温度控制一般指对某一特定空间的温度进行控制调节 使其达到工艺过 程的要求 由于控制对象越来越复杂 在温度控制方面 还存在着许多问题 如 何更好地提高控制性能 满足不同系统的控制要求 是目前科学研究领域的一个 重要课题 电锅炉温度控制系统广泛应用于冶金 化工等工业生产过程中 电锅炉的温 度是生产工艺的一项重要指标 温度控制是否精确直接影响产品的质量 本文主 要研究电锅炉温度控制的方法 电锅炉是将电能转换为热能的能量转换装置 具 有结构简单 无污染 自动化程度高等特点 与传统的以煤和石化产品为燃料的 锅炉相比还具有基本投资少 占地面积小 操作方便 热效率高 能量转化率高 等优点 近年来 电锅炉已成为供热采暖的主要设备 因此 对于具有非线性 大 滞后 大惯性的电锅炉温度控制系统研究一种最佳的电锅炉温度控制方法 对提 高系统的经济性 稳定性具有重要的意义 1 2 国内外温度控制研究国内外温度控制研究现现状状 自 70 年代以来 由于工业过程控制的需要 特别是在微电子技术和计算机 技术的迅猛发展以及自动控制理论和设计方法发展的推动下 国外温度控制系 统发展迅速 并在智能化 自适应 参数自整定等方面取得成果 在这方面 以日 本 美国 德国 瑞典等国技术领先 都生产出了一批商品化的 性能优异的温度 控制器及仪器仪表 并在各行业广泛应用 它们主要具有如下的特点 1 适应于大惯性 大滞后等复杂温度控制系统的控制 2 能够适应于受控系统数学模型难以建立的温度控制系统的控制 3 能够适应于受控系统过程复杂 参数时变的温度控制系统的控制 4 这些温度控制系统普遍采用自适应控制 自校正控制 模糊控制 人工智 能等理论及计算机技术 运用先进的算法 适应的范围广泛 5 温度控制系统具有控制精度高 抗干扰力强 鲁棒性好的特点 目前 国 外温度控制系统及仪表正朝着高精度 智能化 小型化等方面快速发展 2 温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛 但从国内生产的 温度控制器来讲 总体发展水平仍然不高 同国外的日本 美国 德国等先进国 家相比仍然有着较大的差距 目前 我国在这方面总体技术水平处于 20 世纪 80 年代中后期水平 成熟产品主要以 点位 控制及常规的 PID 控制器为主 它 只能适应一般温度系统控制 难于控制滞后 复杂 时变温度系统控制 而适应 于较高控制场合的智能化 自适应控制仪表 国内技术还不十分成熟 形成商品 化并在仪表控制参数的自整定方面 国外已有较多的成熟产品 但由于国外技术 保密及我国开发工作的滞后 还没有开发出性能可靠的自整定软件 控制参数大 多靠人工经验及现场调试来确定 这些差距 是我们必须努力克服的 随着我国经济的发展及加入 WTO 我国政府及企业对此都非常重视 对相 关企业资源进行了重组 相继建立了一些国家 企业的研发中心 并通过合资 技术合作等方式 组建了一批合资 合作及独资企业 使我国温度等仪表工业得 到迅速的发展 2 系系统统模型及硬件模型及硬件电电路路设计设计 2 1 被控被控对对象分析象分析 图 1 被控对象模型 电锅炉是将电能直接转化为热能的一种能量转换装置 其工作原理与传统 意义上的锅炉有相似之处 从结构上看也有 锅 和 炉 两大部分 本文研究对象 为直热式水锅炉 采用电阻式加热采用电阻式加热 工作压力为 0 4 Mpa 锅炉内 最高水温 95 当电锅炉工作在 0 4Mpa 时 水的饱和温度为 144 最高水温 95 使锅炉远离了工作压力下的饱和温度及加热元件表面的过度沸腾难以控制 安全阀 泄水阀 膨胀水管 必须与大气相通 散热片 排气阀 电锅炉 排污口供暖回水口 供暖出水口 3 的现象 同时 95 的水温基本上不产生蒸汽 产品安装示意图如图 1 所示 从电锅炉的安装示意图可以看出 电锅炉的热水经供暖出水口送至散热片 通过散热片向供热区释放热量 可见供热区的温度是控制参数 操作量是电锅炉 内的热水 通过调节阀的开度 保证供热区的等温特性 通过水位的判别 调节补 水阀的起 停 因此本文的研究目的是结合电锅炉水温上升的特点 对它的温度 进行控制 达到调节时间短 超调量小且稳定误差小的技术要求 2 2 电锅电锅炉温度控制系炉温度控制系统统的模型的模型 本文研究对象为直热式热水锅炉 由于电加热装置是一个具有自平衡能力 的对象 可用二阶系统纯滞后环节来描述 而二阶系统通过参数辨识可以降为一 阶模型 因而一般可用一阶惯性滞后环节来描述温控对象的数学模型 其传递函 数可用式 1 表示 1 1TS Ke SG s 式 1 中K 对象的静态增益 T 对象的时间常数 对象的纯滞后时间 对象中的特性参数对其输出的影响 1 放大系数K 放大系数K也就是传递系数 它与被控量的变化过程无关 其 值表示输入对输出稳态值的影响程度 K 值越大 表示被控对象的自平衡力小 K 值小 对象自平衡能力大 2 时间常数T T时间常数T的大小反映了对象受到阶跃干扰后 被控量达到 新的稳定值的快慢程度 即时间常数T是表示对象惯性大小的物理量 电锅炉的温度控制系统是常见的确定性系统 采用飞升曲线测量方法 测出 锅炉温控制系统的飞升曲线 即可得到控制对象的数学模型 其传递函数如式 2 所示 2 1120S 1 25e SG s 122 2 3 硬件硬件设计设计 2 3 1 硬件硬件设计设计概述概述 控制器的具体控制过程是 标准的电流信号按一定的时序进行采样后 送 进行 A D 转换 将模拟量转换成数字量 并送入单片机 单片机按照其内存的程 序 把输入的数字量进行分析处理 并按模糊自整定的 PID 控制规律进行运算 4 该控制器采用 MCS 51 系列兼容的单片机 AT89C51 主要分 6 个功能模块 89C51 单片机 温度检测模块 触发模块 过零检测模块和显示模块及报警模块 本文是通过单片机来控制锅炉温度 实现对锅炉温度的精确控制 使其温 度误差不超过 3 主要控制线路如下 计算机通过温度传感器定时的对炉温进 行检测 将得到的模拟信号采集后转换成数字信号送入单片机 在按照预定的控 制规则判别和计算得到相应的控制量 该控制信号经模数转换 调节电锅炉的控 制电压 使其控制在要求的温度范围内 当炉温超过设定温度上下限时 报警器 会发出报警信号 具体的硬件设计框图如图 2 所示 传感器 图 2 硬件电路设计总体框图 2 3 2 单单片机的片机的选择选择 AT89C51 是美国 ATMEL 公司生产的一种带 4K 字节闪烁可编程可擦除只 读存储器的低电压 高性能 CMOS8 位微处理器 俗称单片机 AT89C51 是一种带 2K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机 单片机的可擦除只读存储器可 以反复擦除 100 次 该器件采用 ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造 与 工业标准的 MCS 51 指令集和输出管脚相兼容 片内的 Flash ROM 允许在系统 内改编程序或用非易失性存储器编程器来编程 由于将多功能 8 位 CPU 和闪烁 存储器组合在单个芯片中 ATMEL 的 AT89C51 是一种高效微控制器 AT89C51 单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案 因此本文选 用 AT89C51 作为核心芯片 这样不仅提高了系统的总体性能 而且降低了成本 现对 AT89C51 做简要介绍 1 89C51 的管脚图如图 3 所示 89C51 管脚介绍 单片机的 40 个引脚大致可分为 4 类 电源 时钟 控制和 I O 引脚 1 电源 1 VCC 芯片电源 接 5V 键盘给定 数码显示 报警电路 单 片 机 D A 转换 A D 转换 光电耦合 数据采集功率放大 电锅炉 可控硅驱动 5 图 3 89C51 管脚图 2 VSS 接地端 2 时钟 XTAL1 XTAL2 晶体振荡电路反相输入端和输出端 3 控制线 控制线共有 4 根 1 ALE PROG 地址锁存允许 片内 EPROM 编程脉冲 ALE 功能 用来锁存 P0 口送出的低 8 位地址 PROG 功能 片内有 EPROM 的芯片 在 EPROM 编程期间 此引脚 输入编程脉冲 2 PSEN 外 ROM 读选通信号 3 ST VPD 复位 备用电源 RST Reset 功能 复位信号输入端 VPD 功能 在 Vcc 掉电情况下 接备用电源 4 EA Vpp 内外 ROM 选择 片内 EPROM 编程电源 EA 功能 内外 ROM 选择端 Vpp 功能 片内有 EPROM 的芯片 在 EPROM 编程期间 施加编程 电源 Vpp 4 I O 线 89C51 共有 4 个 8 位并行 I O 端口 P0 P1 P2 P3 口 共 32 个引脚 P3 口 还具有第二功能如表 1 所示 用于特殊信号输入输出和控制信号 属控制总线 表 1 89C51P3 口第二功能 引脚第 2 功能 P3 0RXD 串行口输入端 引脚第 2 功能 6 P3 1TXD 串行口输出端 P3 2INT0 中断 0 请求输入端 低电平有效 P3 3INT1 中断 1 请求输入端 低电平有效 P3 4T0 定时器 计数器 0 计数脉冲端 P3 5T1 定时器 计数器 1 计数脉冲端 P3 6WR 数据存储器写选通信号输出端 低电平有效 P3 7RD 数据存储器读选通信号输出端 低电平有效 2 3 3 温度温度传传感器感器 DS18B20 目前测量温度大都采用的是热电式传感器 热电式传感器是将温度变化转 换为热量的装置 它利用敏感元件的电磁参数随温度的变化而变化的特性来达 到测量目的 通常把被测温度变化转换为敏感元件的电阻变化 在经过相应的测 量电路输出电压或电流 然后由这些参数的变化来检测对象的温度变化 2 利用热电偶作为敏感元件应用十分广泛 热电式传感器中将温度量转换为 电动势大小的热电式传感器叫热电偶 它是由两种不同的导体 或半导体 A B 组 成的闭合回路 图 4 热电偶传感器结构图 本设计选用的传感器型号为 DS18B20 DS18B20 的内部结构主要由 4 部分 组成 64 位 ROM 温度传感器 非易失性温度报警触发器 TH 和 TL 配置寄存器 DS18B20 的封装形式及引脚排列如图 5 所示 其中 DQ 为数字信号输入 输 出端 GND 为电源地 VDD 为外接供电电源输入端 采用寄生电源供电方式时接 地 DS18B20 中的温度传感器可完成对温度的测量 并用 16 位符号扩展的二进 制补码形式输出温度值 以 0 0625 LSB 形式表达 其中 S 为符号位 例如 125 的数字输出为 07D0H 25 0625 的数字输出为 0191H 25 0625 的数字 输出为 FF6FH 55 的数字输出为 FC90H 7 图 5 DS18B20 的管脚图 DS18B20 的性能特点 1 单线结构 只需一根信号线和 CPU 相连 2 不需要外部元件 直接输出串行数据 3 可不需要外部电源 直接通过信号线供电 电源电压范围为 3 3V 5V 4 测温精度高 测温范围为 一 55 125 在 10 85 范围内 精 度为 0 5 5 测温分辨率高 当选用 12 位转换位数时 温度分辨率可达 0 0625 6 字量的转换精度及转换时间可通过简单的编程来控制 9 位精度的转换 时间为 93 75 ms 10 位精度的转换时间 187 5ms 12 位精度的转换时间 750ms 7 有非易失性上 下限报警设定的功能 用户可方便地通过编程修改上 下 限的数值 8 可通过报警搜索命令识别哪片 DS18820 采集的温度超越上 下限 只有当热电偶冷端温度保持不变时 热电偶才是被测温度的单值函数 因此 要测得真实温度就必须进行校正或采取补偿措施 通常采用的补偿方法为 热电 势补正法 温度补正法 调整仪器起始点法 热电偶补偿法 电桥补偿法 该设计 采用的是冷端温度补偿器 本设计选取的补偿器型号为 AD590JH 温度转换器 它具有灵敏度高 体积 小 重量轻 热惯性小 寿命长的优点 应用十分广泛 它是一种三引脚器件 正 负电源端和电流输出端 电压输入范围 4 30V 温度范围 55 155 电 流输出 1 A K AD590JH 在炉温测量仪中测内部工作温度 可以把输出电流转 换为电压值 使其正好补偿冷端温度变化引起热电势值的变化 2 3 4 功率放大模功率放大模块块 大部分传感器产生的信号都比较微弱 需经过放大才能满足 A D 转换其输 入信号的幅度要求 要完成这类信号的放大器 必须用低噪声 低漂移 高增益 高输入阻抗和高共模抑制比的直流放大器 这类放大器常用的有测量放大器 可 8 编程放大器和隔离放大器 目前有许多继承测量放大芯片可供选择 如 AD521 AD522 INA101 等 本文选用测量放大器芯片 INA101 由于 INA101 采用单芯片结构 而且关键部位均采用激光微调技术 所以该 芯片具有较高的性价比 其主要性能指标为 漂移电压 0 25 V 偏移电压 25 V 线性度 0 002 共模抑制比 106dB 其输入阻抗 电源 20V 输入电压 范围 20V 2 2 4 8 6 1 4 7 INA 101M J 1uA RG U 1 U 2 Rw1 POT 2 VCC 1uF U 0 VCC 图 6 功率放大模块 图 6 所示为 INA101M 的一种简单接法 其增益用外接电阻调节 增益 G R 的基准值和电阻的温度系数直接影响增益精度和飘移 因 G RKG 401 G R 此应选用精密电阻 G R 2 3 5 数据采集模数据采集模块块 该模块完成控制所需要的数据及其模数转换 采用的主要芯片是 LF398 和 ADC0809 图 7 ADC0809 内部结构图 9 ADC0809 内部结构如图 7 所示 各管脚功能如下 D7 D0 8 位数字量输出引脚 IN0 IN7 8 位模拟量输入引脚 REF 参考电压正端 REF 参考电压负端 START A D 转换启动信号输入端 ALE 地址锁存允许信号输入端 以上两种信号用于启动 A D 转换 EOC 转换结束信号输出引脚 开始转换时为低电平 当转换结束时为高电 平 OE 输出允许控制端 用以打开三态数据输出锁存器 CLK 时钟信号输入端 一般为 500KHz A B C 地址输入线 ADC0809 是逐次逼近 A D 转换器 是一种非常典型的单片 CMOS 器件 由 图 7 可看出它包括 8 位的模数转换器 8 通道多路转换器与微处理器兼容的控制 逻辑 工作时钟典型值为 640KHZ 转换速度约为 100us 具有三态数据输出 其 8 位数据线直接与 CPU 数据总线相连 START 和 ALE 由 AT89C51 的写数据信 号 WR 和 138 输出选通共同驱动 在锁存通道地址的同时启动 A D 转换 口地 址为 0XA00 ADC0809 的转换时钟通过单片机的 ALE 端输出的振荡频率经二 分频后得到 转换结束信号 EOC 以外部中断方式通知 CPU 转换结束 单片机响 应中断后 执行中断服务程序 ALE 为地址锁存允许输入线 高电平有效 当 ALE 线为高电平时 地址锁 存与译码器将 A B C 三条地址线的地址信号进行锁存 经译码后被选中的通道 的模拟量进转换器进行转换 A B 和 C 为地址输入线 用于选通 IN0 IN7 上的 一路模拟量输入 通道选择如下表所示 表 2 ADC0809 通道选择表 CBA选择的通道 000IN0 001IN1 010IN2 011IN3 100IN4 101IN5 110IN6 111IN7 10 图 8 LF398 管脚及内部结构图 LF398 是一种反馈型采样 保持器 是由场效应管构成 具有采样速率高 保持电压下降慢和精度高等优点 如图 8 所示 LF398 由输入缓冲极 输出驱动极 和控制电路三部分组成 控制电路中 A3 主要起到比较器的作用 其中引脚 7 为 参考电压 当输入控制逻辑电平高于参考端电压时 输出一个低电平信号驱动开 关 K 闭合 此时输入信号经 A1 后跟随输出到 A2 再由 A2 的输出端跟随输出 同时向保持电容 接引脚 6 充电 而当控制逻辑电平低于参考电压时 输出一个 高电平信号使开关断开 以达到非采样时间内保持器仍保持原来输入的目的 因 此 A1 A2 是跟随器 其主要作用是对保持电容输入和输出端进行阻抗变换 以 提高采样 保持器的性能 图 9 为数据采集及 A D 转换模块 RESE T V pd 9 P10 T 1 P11 T 2 P12 3 P13 4 P14 5 P15 6 P16 7 P17 8 P00 39 P01 38 P02 37 P03 36 P04 35 P05 34 P06 33 P07 32 P27 28 P26 27 P25 26 P24 25 P23 24 P22 23 P21 22 P20 21 PSE N 29 A LE P 30 T XD P31 11 RXD P30 10 E A V pp 31 X 1 18 X 2 19 RD P37 17 WR P36 16 INT 0 P32 12 INT 1 P33 13 T 0 P34 14 T 1 P35 15 V ss 20 V cc 40 8051 A DD A A DD B A DD C D 0 D 1 D 2 D 3 D 4 D 5 D 6 D 7 STA RT A LE O E CLO CK E OC IN 7 IN 6 IN 5 V RE F V RE F IN 0 IN 1 IN 2 IN 3 IN 4 A DC0809 74L S02 74L S02 3 75L S04 R S ID CI V CC V IN V V 0 Ref Ch CON L F389 24k 1K 12V 12V 12V 1u 1k 1 2 15V 5V 图 9 数据采集及 A D 转换模块 11 2 3 6 控制控制输输出模出模块块 控制输出模块主要包括 D A 转换和光电耦合模块 主要由芯片 DAC0832 运算放大器和光耦实现 具体设计如图 10 所示 DAC0832 具有 8 位的分辨率 与微处理器完全兼容 而且价格低廉 接口简 单 转换控制容易 它采用 R 2R 反 T 型网络转换原理 能完成数字量输入到模 拟量输出的转换 其偏移量误差可以通过 DAC 的外接 VREF 和电位计加以调整 输出是与数字量成正比的模拟电流 外接运放可得到模拟输出电压 DAC0832 使用 ILE 和控制寄存器的数据写入 使用 和CS1WR2WRXEFR 控制锁存器的数据到 DAC 寄存器传送 一旦数据送入 DAC 寄存器 将立刻开 始 D A 转换 响应的模拟输出将在转换结束后出现在输出端 它有两项锁存功能 便于实现多通道 D A 的同步转换输出 这时应将所有的 DAC 数据传送端连接到 一起 它的内部无参考电压源 必须外接参考电压源 D I0 D I1 D I2 D I3 D I4 D I5 D I6 D I7 WR1X EFR Iout1 Iout2 Rfb V RE F IL E WR2 CS D AC0832 1K 100 47K 10K 10K 10K U A741 U A741 100u 100u 5V 12V 12V 12V 12V 12V 12V 12V 12V WR P0 3 P1 0 图 10 控制输出模块 光电耦合器是以光为媒介传输电信号的一种电 光 电转换器件 它由发光源 和受光器两部分组成把发光源和受光器组装在同一密闭的壳体内 彼此间用透 明绝缘体隔离 发光源的引脚为输入端 受光器的引脚为输出端 光耦的作用主 要是起到与输出隔离 抗干扰 本控制器中采用的是 4N33 2 3 7 键盘输键盘输入模入模块块 键盘是一组按键的集合 它是最常用的单片机输入设备 操作人员可以键盘 输入数据或命令 实现简单的人机通信 输入用按键来实现 完成系统复位 启 停 定值输入等 如图 11 为行列式键盘 共有 16 个按键 分别为数字键 0 9 和 A 设置 B 炉温显示或设定 C 停止 D 运行 E 空键 F 空键 按键一 端接地一端经上拉电阻接 5V 电源 通过 74LS273 将按键值锁存 P0 口读入 当 有键按下的时候输入为低电平 无键按下为高电平 其原理图见图 11 所示 12 1 0 234 F 678 C 9AB 5 DE 10K10K10K10K CLR CLK D 7 D 6 D 5 D 4 D 3 D 2 D 1 D 0Q 0 Q 7 Q 6 Q 5 Q 4 Q 3 Q 2 Q 1 74LS273 P2 3 P2 4 P2 5 P2 6 P2 3 P2 2 P2 1 P2 0 V CC WR P3 0 图 11 键盘输入原理图 P2 4 P2 7 口为输入端 接键盘列线 P2 0 P2 3 经 74LS273 接键盘行线 输出 控制信号由 P3 0 和合成 当两者同时为低电平时 或非门输出为高电平 将WR P2 口输出的扫描码锁存到 74LS273 P2 4 P2 7 读到的键盘列线状态 当读到的 值不是 1113 时表示有键按下 然后逐行扫描确定按键位置 2 3 8 报报警警显显示模示模块块 三个发光二极管红 黄 绿 分别用于指示系统的通电 报警和正常工作状 态 单片机的 P0 口通过非门驱动发光二极管 阳极经过上拉电阻接 5V 电源 蜂 鸣器则通过三极管和 12V 的电压驱动 原理图如图 12 所示 A 1 B 2 Q 0 3 Q 1 4 Q 2 5 Q 3 6 Q 4 10 Q 5 11 Q 6 12 Q 7 13 CLK 8 M R 9 V CC 14 G ND 7 74LS164 A 1 B 2 Q 0 3 Q 1 4 Q 2 5 Q 3 6 Q 4 10 Q 5 11 Q 6 12 Q 7 13 CLK 8 M R 9 V CC 14 G ND 7 74LS164 A 1 B 2 Q 0 3 Q 1 4 Q 2 5 Q 3 6 Q 4 10 Q 5 11 Q 6 12 Q 7 13 CLK 8 M R 9 V CC 14 G ND 7 74LS164 A 1 B 2 Q 0 3 Q 1 4 Q 2 5 Q 3 6 Q 4 10 Q 5 11 Q 6 12 Q 7 13 CLK 8 M R 9 V CC 14 G ND 7 74LS164 a bf c g d e D PY1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp 9 9 L 1 a bf c g d e D PY1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp 9 9 L 2 a bf c g d e D PY1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp 9 9 L 3 a bf c g d e D PY1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp 9 9 L 4 V CC P3 0 P3 1 13 图 12 显示及报警原理图 N PN SPE A KE R 3 3 3 3 1K 1K 1K 10K 5V 12V P0 1 P0 2 P0 3 P0 1 图 12 显示及报警原理图 2 3 9 可控硅控制可控硅控制模模块块 控制电阻炉的温度 只需控制电阻炉电流的大小而不必考虑电流方向 控温 采用可控硅电路 它的任务是通过调压来实现交流调功 通常 用可控硅实现交 流调压的方式有两种 一是改变负载电压波形的导通角 称为调相 另一个是负 载电压波形不变而改变其电压波形在时间段内的出现次数 称为脉冲调功 就触 发方式而言 调相调功采用移相触发 脉冲调功采用过零触发 过零触发就是指 当可控硅的门级接收到有效控制信号后 可控硅总是在交流电源为零电压附近 导通 这种触发方式不对电网造成严重污染和干扰其它用电设备 是应用较为广 泛的一种方法 经光耦合器输出的脉冲信号可作为作为可控硅的控制信号 在控制脉冲的 高电平期间 可控硅接通电阻炉电源 电阻炉加热 在控制脉冲的低电平期问 可 控硅断开电阻炉电源 通过调节 PWM 的占空比 可以调节控制脉冲的高电平持 续时间 即调节脉冲周期内电阻炉上的交流电压周波的个数 从而调节电阻炉在 一个脉冲周期内的电压的平均值 达到调温的目的 3 3 算法的算法的实现实现 通过对电锅炉的结构和系统研究确定出可采用的研究方案 首先可采用的 控制方案是 PID 控制 它是经典控制理论中最典型的控制方法 对工业生产过程 的线性定常系统 大多采用经典控制方法 它结构简单 可靠性强 容易实现 并 且可以消除稳定误差 在大多数情况下能够满足性能要求 第二个可采用方案是模糊控制 由于它是以先验知识和专家经验为控制规 则的智能控制技术 可以模拟人的推理和决策过程 因此无须知道被控对象的数 14 图 13 PID 控制方案 r t e t u t PID 被控对象 c t 学模型就可以实现较好的控制 且响应时间短 可以保持较小的超调量 在过去的几十年里 PID 控制器在工业控制中得到了广泛的应用 在控制理 论和技术飞速发展的今天 工业控制中 95 以上的控制回路的采用具有 PID 结 构的控制器 3 1 1 PID 算法的数字化算法的数字化 在模拟系统中 典型的 PID 控制方案如图 13 所示 调节器的输出模型表达式如式 1 所示 1 t Dt I p dt tde Tdte T tK 0 1 etP P t 为调节器的的输出信号 e t 为调节器的偏差信号 它等于测量值与给定 值之差 为调解器的比例系数 为调节器的积分时间 为调解器的微分时 p K I T D T 间 3 PID 控制规律在计算机中的实现 也是用数值逼近的方法 当采样周期 T 足 够短时 用求和代替积分 用差商代替微商 使 PID 算法离散化 即可作如下近 似变换 T keke t keke dt tde jeTdtjedtte t n j n j 1 1 0 00 将上述两式代入式 2 则可得离散的 PID 表达式 如式 3 所示 2 或者 3 1 keke 0 kP d K k j je i KkeK p k j D I p kekeTje T T teKkP 0 1 15 其中为积分系数 i K I pi T T KK 为微分系数 4 d K Dpd KKK 3 1 2 PID 参数的整定参数的整定 PID 参数的整定方法有很多种 例如 Ziegler Nichols 齐格勒一尼柯尔斯 参 数整定法 Chien Hrones CHR 参数整定法及人工整定法等等 本文采用齐格勒 一尼柯尔斯整定法 它是在实验阶跃响应的基础上 或者是在仅采用比例控制作用的条件下 根 据临界稳定性中的 Kp 值建立起来的 当被控对象的传递函数可以近似为带延迟 的一阶系统 5 1TS Ke SG s 表 3 给出了齐格勒一尼柯尔斯确定各参数值的方法 表 3 参数值的确定 控制器类型 p K i T d T PT 0 PI0 9T 0 30 PID1 2T 2 0 5 由电锅炉的温度控制传递函数得 K 1 25 T 120s 122s 由齐格勒一尼柯尔斯参数整定表可得出 2 244s 0 5 61s i T d T 根据齐格勒一尼柯尔斯参数整定法则得出 PID 三个参数为 998 7161803 1 00484 0 244 1803 1 1803 1 122 1202 1 T2 1 dpd i p i p TKK T K K K 3 2 模糊模糊 PID 控制器的控制器的设计设计 由 PID 控制的仿真结果分析可以看出 纯 PID 控制对有较大的超量和过渡 时间 而纯模糊控制当以偏差和偏差的变化率作为输入时 相当于 PD 控制方式 这类控制器具有良好动态特性 但静态特性不理想 存在静差 电锅炉控制系统 16 的主要目的是控制电锅炉的温度恒定 加热炉的温度与煤气 空气的供给量 工件 温度 环境温度等因素有关 温度控制系统具有强时滞 非线性的特点 因此采用 常规 PID 控制无法达到满意的控制效果 为了解决这一难点 本系统将模糊控制 算法和 PID 的实用性相结合 研究出一种参数模糊自整定 PID 控制系统 以此减 少超调量 调节时间和系统的振荡性 提高温度调节系统的整体控制性能 10 3 2 1 控制系控制系统统的的结结构构 参数模糊自整定 PID 控制系统能在控制过程中对不确定的条件 参数 延迟 和干扰等因素进行检测分析 采用模糊推理的方法实现 PID 的三个参数的在线 整定 这种控制方法不仅保持了常规 PID 控制系统的原理简单 使用方便 鲁棒 性强等特点 而且具有更大的灵活性 适用性 精确性等特性 典型的模糊自整定 PID 控制系统的结构如图 14 所示 系统包括一个常规 PID 控制器和一个模糊控制器 偏差和偏差的变化率作为模糊系统的输入 三个 PID 参数的变化值作为输出 根据事先确定好打模糊控制规则做出模糊推理在线 改变 PID 参数的值 从而实现 PID 参数的自整定 使得被控对象有良好的动 静 态性能 而且计算量小 易于用单片机实现 PID 控制 器 PID2 被控对象 t d e d r e y Kp 模糊推理 KdKi 图 14 参数自整定模糊 PID 控制器设计图 3 2 2 PID 参数的自整定原参数的自整定原则则 PID 参数自整定的实现思想是先找出三个参数与偏差 e 和偏差变化率 ec 之 间的模糊关系 在运行中通过不断检测 e 和 ec 再根据模糊控制原理对 3 个参数 进行在线修改 以满足不同 e 和 ec 时对 PID 控制器参数的不同要求 图 15 为电 锅炉系统输出响应曲线 17 图 15 电锅炉系统输出相应曲线 一般情况下 在不同的偏差 e 和偏差变化率 ec 下 被控对象对 PID 控制器 3 个参数 kp ki kd 的自整定要求归纳如下 1 当 e 较大时 即系统响应处于图 4 曲线的 1 区 系统响应速度慢 跟踪性能 差 为使系统具有较快的响应速度和快速跟踪性能 同时为避免因系统响应出现 较大的超调可能引起微分过饱和 使控制作用超出允许的设定范围 模糊 PID 控制 器 3 个参数 kp ki kd 取值应满足 kp 取较大的值 kd 较小的值 为抑制可能出现 的过饱和 应对积分 ki 加以限制 ki 0 2 当 e 和 ec 为中等大小时 即系统响应处于图 4 曲线的 2 区 系统响应速度 较快 但会导致系统较大超调量 为抑制系统超调的超调量 使其在允许的范围内 波动 并快速的进入稳态 模糊 PID 控制器 3 个参数 kp ki kd 取值应满足 kp 取 较小的值 适当的 ki 和 kd 同时保证系统有较快的响应速度 kd 的取值应尤为关 注 3 当 e 较小时 既系统响应处于图 4 曲线的 3 区 系统响应稳态性能差 为了 使系统响应具有良好的静态性能 模糊 PID 控制器 3 个参数 kp ki kd 取值应满 足 kp 和 ki 应取较大的值 同时为抑制控制系统在设定值附近出现震荡 并考虑系 统的抗干扰性能 当 ec 的值较小时 kd 通常取值为中等大小 当 ec 的值较大时 kd 的值可以取小一些 另外根据专家的控制经验知道 不确定系统在常规控制作用下 误差 e 和误 差变化率 ec 越大 系统中不确定量就越大 相反 误差 e 和误差变化率 ec 越小 系统中不确定量就越小 利用这种 e 和 ec 对系统不确定量的估计 就可实现对 PID 三参数 kp ki kd 的调整估计 3 2 3 模糊模糊 PID 参数的模糊化参数的模糊化 根据要求 模糊控制器采用二输入 三输出的形式 以温度偏差 e 和偏差变 化率 ec 为输入 以 PID 参数的调节量 kp ki kd 作为输出 按设计要求取输 入输出变量的模糊子集为 负大 负中 负小 零 正小 正中 正大 并简记为 NB NM NS ZO PS PM PB 温度偏差 e 温度偏差的变化率 ec 和控制器输 出 kp ki kd 的模糊论域均为 3 2 1 0 1 2 3 模糊子集都为 NB NM NS 18 ZO PS PM PB 七个模糊值 该模糊控制器输入输出的隶属函数均选灵敏度高及在论域范围内均匀分布 的等距离三角函数 隶属函数曲线如图 16 图 17 所示 表 4 表 5 为其隶属度值 图 16 偏差 E 及偏差变化率 EC 的隶属函数图 图 17 kp ki kd 隶属函数图 表4 偏差和偏差变化率的隶属度值EEC E EC 3 2 10123 PB00000 30 71 0 PM0000 30 71 00 3 PS000 30 71 00 70 3 ZO00 30 71 00 70 30 NS0 30 71 00 70 300 NM0 71 00 70000 NB1 00 70 30000 表 5 kp ki kd 的隶属度值 Kp Ki Kd 0 3 0 2 0 100 10 20 3 PB00000 30 71 0 PM0000 30 71 00 3 PS000 30 71 00 70 3 ZO00 30 71 00 70 30 NS0 30 71 00 70 300 NM0 71 00 70000 NB1 00 70 30000 19 3 2 4 模糊模糊 PID 模糊控制模糊控制规则规则的建立的建立 模糊 PID 控制器主要工作在过渡过程 因此希望能加快系统的响应速度 模 糊 PID 控制器器的控制规则是在技术人员经验的基础上 建立合适的模糊控制规 则表 得到对 kp ki kd 等 3 个参数分别对应的自整定的模糊规则表 后附其 控制规则查看器图 选择模糊控制规则是模糊控制器的关键问题 根据图 14 及温控系统参数整 定原则可知 此模糊控制器是以 e ec 为输入 以 PID 参数调节量 kp ki kd 作为输出的二输入三输出模糊控制器 形成控制规则 归纳如下相应的参数调节 规则 其模糊控制表分别如表 所示 表 6 kp 的控制规则表 PBPMPSZONSNMNB PBNBNBNMNMNMZOZO PBPMPSZONSNMNB PSNMNMNSNSZOPSPS ZONMNMNSZOPSPMPM NSNSNSZOPSPMPMPM NMNSZOPSPSPMPBPB NBZOZOPSPMPMPBPB 表 ki 的控制规则表 PBPMPSZONSNMNB PBPBPBPMPMPSZOZO PMPBPBPMPSPSZOZO PSPBPMPSPSZONSNM ZOPMPMPSZONSNMNM NSPSPSZONSNSNMNB NMZOZONSNSNMNBNB NBZOZONSNMNMNBNB 表 kd 的控制规则表 PBPMPSZONSNMNB PBPBPSPSPMPMPMPB PMPBPSPSPSPSZOPB PSZOZOZOZOZOZOZO E EC kp E EC ki E EC kd E C E e k e k 1 kd EC 20 ZOZONSNSNSNSNSZO NSZONSNSNMNMNSZO NMZONSNMNMNBNSPS NBPSNMNBNBNBNSNS 3 2 5 模糊决策及解模糊模糊决策及解模糊 模糊决策一般采用 Mamdani s min max 决策法 反模糊化 也就是模糊量的精确化 可以采用很多方法 其中较常用的三种 是最大隶属度法 中位数法和重心法 重心法也称力矩法 加权平均法 它对模 糊推理结果的所有元素求取重心元素 这个重心元素就作为反模糊化之后得到 的精确值 系统用重心法计算公式如 6 式所示 6 TkeKkeTKkeKku d k j ip 1 式中 u k 为 k 采样周期时的输出 e k 为 k 采样周期时的偏差 T 为采样周 期模糊 PID 控制器调整 PID 参数计算为 ppp KKK iii KKK ddd KKK 其中 为初始设定的 PID 参数 为模糊控制器 p K i K d K p K i K d K 的 3 个输出 可以根据被控对象的状态自动调整 PID 的 3 个控制参数的值 重心法比较全面的反应了各个控制信息 它的缺点是运算量较大 不过在实 际的控制过程中 输出论域的元素一般不会太多 再次 清晰化方法选择重心法 此设计的模糊控制输入输出曲面如图所示 a b 21 c 图 18 模糊 PID 控制器输入输出曲面图 4 仿真仿真 4 1 常常规规 PID 与模糊与模糊 PID 的仿真模的仿真模块块 在 MATLAB 命令窗口中键入 Simulink 在 Simulink 环境下 建立如图 19 所 示相应的模糊 P ID 控制器和如图 20 所示的模糊 PID 控制器的仿真模型 首先 对 PID 参数进行整定 整定方法用齐格勒一尼柯尔斯参数整定法 整定后 取常规 PID 参数 Kp 1 1803 Ki 0 00484 Kd 71 998 取误差 E 的量化因子 Ke 6 误 差变化率 EC 的量化因子 K