基于模糊控制的无线温度控制系统设计

1、基于模糊控制的无线温控系统设计宗晓萍1，李燕2，刘巍1(1. 河北大学电子信息工程学院 河北保定 071002； 2. 河北机电职业技术学院 河北邢台 054000)摘要：介绍了一种利用模糊控制器实现无线温度控制系统的设计方案。此方案以工业用电阻炉为控制对象，下位机将PT100测量温度反馈量无线传送给上位机，上位机采用模糊控制算法，将控制输出量以无线通信的方式传送给下位机，构成闭环控制系统。其中执行机构以PWM输出方式对电阻炉温度进行控制。关键词：模糊控制；PT100测温；无线通讯；PWM中图分类号：TP311 文献标识码：AThe Design for Wireless temperatur

2、e control system Based on Fuzzy ControlXiao-Ping Zong Yan Li Wei Liu （1. College of Electronic and Informational Engineering , Hebei University, BaoDing 071002 ;2. Hebei Institute of Electrical and Mechanical Technology, Hebei XingTai 054000)Abstract: Wireless temperature control system is designed

3、based on Fuzzy control in this paper. The closed-loop system is composed of slave machines and master machines. PT100 thermal resistances sensors is used for detecting the temperature in the slave machines and fuzzy control logic is used for controlling temperature in the master machines. The commun

4、ication between slave machines and master machines is implemented by wireless modules. Key words: Fuzzy control; PT100; Wireless communication; PWM 1 引言 温度控制广泛用于生产生活当中，在粮食储存，数字农业，医疗监控等行业尤其重要。随着现代工业技术的发展,被控对象和生产过程日益复杂,系统的非线性、时滞性和环境的不稳定性导致难以建立精确的数学模型,这使传统控制技术受到了严峻的挑战。模糊控制技术的控制算法由控制规则和推理机构组成,能方便地描述控制操作

5、人员的控制经验,不需要被控对象的数学模型,便可达到较好的控制效果,非常适用于温度控制系统。本系统以模糊控制器作为基础，由单片机配合Pt100铂电阻两线制测量电路和无线通信模块nRF24L01，构建了一个简单可行的无线温度控制系统，该系统有控制精度高，成本低，功耗低，无需布线和搭建网络等优点，在以电阻炉为控制对象的控制系统中，达到了满意的控制效果。2 系统整体设计方案系统由一个上位机和一个下位机构成。系统结构如图1所示，下位机采集温度数据并通过nRF24L01无线模块将数据发送给主机，上位机通过USB接口将数据传送给PC机，由LabWindows/CVI设计模糊控制器计算输出控制量。 Pt100

6、测量电路NRF2401无线模块PWM输出C805f330单片机CY7C68013单片机NRF2401无线模块PC机模糊控制器(a)下位机(b)上位机图1 系统结构组成广义对象3 下位机系统的硬件和软件设计下位机硬件系统由C8051f330单片机，传感器测量电路，PWM输出模块和无线模块构成。如图2所示，传感器测量电路由pt100两线制测量电路构成，根据铂电阻阻值会随着温度的变化而改变的规律，在前置放大电路中采用电桥法将阻值变化转换为电压变化，产生随温度变化的模拟电压信号，经过C8051f330的内部AD转换器将模拟量转换为数字量，再根据前置电压放大倍数和铂电阻非线性计算公式推出当前温度值。PW

7、M输出模块由光电耦合器和继电器构成，由C8051f330单片机控制PWM输出，正脉冲宽度由上位机模糊控制器计算后提供。PWM脉冲经过光电耦合器后控制220V继电器开关，可直接作用于执行机构。图2 下位机测量电路下位机软件设计主要完成Pt100温度计算和PWM脉宽调制。其中PWM脉宽调制采用C51语言，在keil4编译器上调试编译通过。void PCA_ISR (void) interrupt 11 unsigned char a ; bitPWM_PAC; CF = 0; if(PWM_PAC=0)/占空比由00xfePCA0CPH0=a; a+; if(a=0xfe)PWM_PAC=1;el

8、se/占空比由0xfe0PCA0CPH0=a; a-; if(a=0)PWM_PAC=0;无线通信模块由全双工的nRF24L01构成，完成无线发射和接收数据的功能。nRF24L01是一款工作在2.4G-2.5GHz世界通用ISM频段的单片无线收发器芯片，包括频率收发器，增强型模式控制器，功率放大器，晶体振荡器，调制器，解调器。输出功率，频道选择和协议的设置可以通过SPI接口进行设置3。4上位机USB固件设计上位机采用Cypress公司EZUSB FX2 (68013)系列芯片，是世界上第一个集成了USB2. 0微处理器的USB接口芯片，它集成USB2. 0收发器, SIE (串行接口引擎) ,

9、增强型8051 微控制器和可编程的外围接口。这种独创性结构可使数据传输率达到56 Mb / s。在CY7C68013中, 智能SIE可以硬件处理大多数USB2. 0协议,从而大大减少了开发时间和确保了USB的兼容性2。接收PC机数据子程序采用C51语言，在keil4编译器上编译调试通过。/PC机下传数据EP1OUTBC=0x00; EP1OUTBC=0x00;while(EP01STAT & 0x02); /查询端点2的EMPTY标志b=EP1OUTBUF0; 5 上位机模糊控制器设计系统以工业用电阻炉为控制对象，应用二维模糊控制器，经过模糊化,模糊推理,模糊判决,去模糊化四个步骤后，把模糊判

10、决后的结果由模糊量转化成为可以用于实际控制的精确量1。电阻炉温度模糊控制系统框图如图3所示。给定值模糊化接口模糊推理去模糊化规则库执行机构控制对象温度检测eecECE-Uu图3模糊控制系统原理方框图根据模糊控制器的设计原则,选择输入变量为误差和误差变化，输出变量为控制量，它们所对应的语言变量分别为、和。 语言变量、和的论域取4，4，语言值均取 5 个，分别为“负大NB”，“负小 NS”，“零 ZR”，“正小 PS”和“正大 PB”。隶属度函数，ZR 取三角形隶属度函数如图4所示。根据经验，可以得到用“if then ”形式表达的模糊控制规则，控制规则表如表1所示：表1 模糊控制规则表ECENB

11、 NS ZR PS PBNBNSZRPSPBNB NS NS ZR ZRNS NS ZR ZR PSNS ZR ZR PS PSZR ZR PS PS PBZR PS PS PB PBNBPBPSNS1ZR 42-2-40图4 隶属函数图计算机将采集到的温度与设定值相比较，得到温度误差e ，并通过微分环节得到温度误差的变化量ec。对e 和ec 这两组数据进行模糊化处理，确定其隶属度，从而得到模糊推理的输入量E 和EC。根据开发人员的经验,离线制定控制量查询表。该表以IF - THEN 的规则形式存储于规则库中，用于在系统运行期间模糊推理过程中进行查询。推理所得到的输出量用加权平均判决法进行模糊

12、判决，最终得到用于实际控制的精确值，并用来对控制固态继电器开合的脉冲宽度进行调节，从而作用于被控对象(即电阻炉)。此设计中，误差的量化因子 Ke 取 32，误差变化的量化因子 Kc 取 3，控制输出的比例因子 Ku 取 4。根据上述隶属度函数和控制规则，利用上位机软件采用LabWindows/CVI做为模糊控制器设计软件，根据误差论域和模糊控制规则表得到输出控制量。/*Function: fuzzy_engineDescription: 实施规则表中的规则*/void fuzzy_engine(unsigned char input) unsigned char if_val, / 保存当前规

13、则中条件分支中的值 clause, / 规则基中当前的分支 mu, / 保存当前分支中的值 label=0; / 被条件使用的成员函数 then=0; / 设第一个分支是条件分支 if_val=MU_MAX; / max out mu for the first rule for (clause=0; clauseRULE_TOT; clause+) / 遍历每条规则 clause_val=rulesclause; / 读入当前的分支 if (!clause_type) / 当前的分支是不是条件分支 if (then) / 是否正在分析结果. then=0; if_val=MU_MAX; /

14、复位mu mu=compute_memval(input, label); / 得到条件分支的值 if_val=mu; label+; else / 当前分支是结果 then=1; / 置位标志位,如果当前规则的mu比参考的值要大,保存这个值作为新的模糊输出 if (outputsclause_val&0x07 if_val) outputsclause_val&0x07=if_val; 6 结语构建的基于模糊控制器的温度控制系统，在电阻炉温度控制实验测试中效果良好，控制精度高，上位机因带有USB接口方便灵活，应用软件二次开发方便，可针对不同控制对象移植模糊控制表。实践表明，模糊控制方法提高了控制的实时性、稳定性，并且操作过程简单、快捷。参考文献：1黎惠成,曾碧,吴清泉.一种基于模糊控制的温度控制系统设计.计算机技术与发展.2009（19）:2372392王军,何鹏举,杨杰.基于USB接口的无线温湿度监测系统.仪表技术与传感器.2009（12）:49523曾勇,杨涛冯.