基于模糊控制的温度控制系统设计

1、第3章 系统硬件及软件设计3.1 温度传感器的设计 温度传感器DS18B20具有3个管脚DQ，GND以及VDD。DQ为数据输入输出接口，GND为接地线，使用一个上拉电阻与单片机 AT89C51连接。VDD为电源接口，此电源接口可以使用数据线和外部电源两种方式，电压范围3.05.5V。本系统采用外部电源供电方式。传感器 DS18B20 的内部构成为如下四个部分：64位光刻ROM，温度报警触发器以及温度传感器和高速暂存器14。64位光刻ROM 是出厂前就内置在传感器中的，可以像计算机一样把它当作是DS18B20 的地址序列号。所以不同的传感器它的地址序列号是不同的。组成测量系统时，DS18B20传

2、感器与单片机连接方法是传感器的VCC接外部电源，GND接地，I/O接口与单片机的I/O线直接连接15。测温过程中AT89C51与DS18B20的工作流程是：AT89C51首先对传感器进行初始化，然后才开始执行操作命令，操作指令执行完毕后对存储器操作和数据操作。 单片机首先检测LED的状态，如未初始化首先进行初始化，然后检测传感器是否有接好。未接传感器就等待，传感器接好就进行传感器的初始化。初始化完毕后发送命令让传感器采集温度，接收温度信息同时传送到LED上让它显示出来。流程图如图 3.1所示： 图3.1温度测量流程图 3.2液晶显示部分设计 1602LED液晶显示具有显示清楚、亮度可调、工作电

3、压低、使用寿命长的优点，在显示模块中通常都使用LED来显示各种数字以及符号。它的使用现在也十分流行广泛。1602LED液晶显示包括动态和静态两种显示方式。单片机首先检测 1602LED的状态，如未初始化首先进行初始化，然后检测传感器是否有接好。未接传感器就等待，传感器接好就进行传感器的初始化16。初始化完毕后发送命令让传感器采集温度，接收温度信息同时传送到 LED上让它显示出来。液晶显示流程如图3.2所示： 3.2液晶显示流程图第4章 系统仿真分析4.1控制系统性能分析 经过前面的讨论验证，接下来我们就可以对系统进行仿真分析。在本控制系统中我们采用 MATLAB 中的Simulink来进行仿真

4、。 首先我们需要建立被控对象的数学模型，这是对系统仿真的前提。我们并不要求建立完全精确的仿真模型，从上面的简单阶跃响应实验所得到结果，我们即可以得到被控对象的简单模型，通过此模型来进行系统仿真，假如仿真结果说明系统的性能指标不好，我们可以通过改变仿真模型再进行仿真，如此这样反复实验可以取得较满意的性能，这就说明本文设计的模糊控制系统的鲁棒性好，也达到了温度控制目的。 4.2仿真模型的建立 在matlab仿真之前，我们需要建立仿真模型，此时我们可以将被控对象看成一阶惯性环节： （1）过阻尼响应 （式4-1）其中，K是放大系数，在做阶跃响应实验时，我们给广义对象的输入控制信号是4V，输出则稳定在5

5、00 度，所以我们求得放大系数： （式4-2）T则是时间常数，并且T=112S；系统响应没有滞后，所以=0。由以上分析可以简单的写出仿真模型： （式4-3）图4.1过阻尼阶跃响应情况 （2）欠阻尼响应 通常在工业生产过程控制中，比较常见的是二阶系统，因为高阶系统数学模型复杂，但是它的运动特性在一定条件下是可以用二阶系统来表征的。所以，对于欠阻尼阶跃响应，我们可以先将广义被控对象看作是二阶模型。二阶系统的传递函数是： （式4-4） 上式中T为二阶系统的时间常数，为阻尼比，n为无阻尼自然振荡频率。系统的单位阶跃响应： （式4-5） 上式中： （式4-6） 二阶系统的欠阻尼阶跃响应与特征参数和T是正

6、相关的： （式4-7） （式4-8）如图4.2所示的阶跃响应曲线，我们可以测量出曲线上升时间tr=75S以及达到峰值时间tp=115S。通过上式，我们计算出二阶模型的参数：=0.46 T=32.5S。所以，被控对象的二阶参考模型是： （式4-9）当被控对象控制量阶跃输入为4V的时候，对象输出会稳定在500度，可以求得广义对象的放大系数： （式4-10） 系统仿真模型： （式4-11） 图4.2欠阻尼阶跃响应情况4.3系统仿真 得到了对象的简单模型，我们开始对系统进行仿真。 （1）最初使用前面实验选取的一组参数 Ke=0.2，Kc=13.4，Ku=0.01 ，Ki=0.01 进 行 仿 真 ，

7、当 系 统 输 入 为 阶 跃 信 号r(t)=400度时，系统响应曲线如图4.3所示。图4.3系统阶跃响应仿真图 系统无静差，系统最大超调15度。 （2）将系数 Ke变小，其他参数不变，如 Ke=0.1，Kc=13.4，Ku=0.01，Ki=0.01 再次仿真，系统响应曲线如图4.4所示。系统超调量明显减小，最大超调量为2度。图4.4系数 Ke变小时系统阶跃响应仿真图第5章 全文总结 本文以AT89C51单片机为核心控制器对控制系统进行有效的控制，单片机通过对 I/O口输出电平变化来调节是否进行加热以及加热的功率，实现温度的自动控制功能。并采用模糊控制算与传统的PID控制相结合，比传统的控制

8、器精度高、超调量小、系统达到稳定的时间短，最后本文通过matlab对所设计的模糊控制系统进行了仿真。本温度控制系统具有很广泛的应用范围，在不改变参数的情况下可以对不同的控制对象进行控制，并且达到较好的控制效果。同时，本次设计还存在一些不足之处，在以后的学习和工作中会更加深入的对课题进行研究，以期能够真正做到学以致用。 参考文献1章卫国，杨向忠.模糊控制理论与应用M，西北工业大学出版社，2012.2刘增良.模糊技术与应用选编M，北京航空航天出版社，2012.3李士勇.模糊控制.神经控制和智能控制论M，哈尔滨工业大学出版社，2013. 4刘向杰，周孝信，柴天佑.模糊控制研究的现状与新发展J，信息与

9、控制，2013,(4). 5郭霞.一种基于模糊控制的智能控制系统的研究J，自动化博览，2012. 6陈国先.单片机原理与接口技术M，电子工业出版社，2014. 7武锋，陈新建.单片机模糊温度控制器的研究M，北京:北京航空航天大学出版社,2012. 8龙升照，汪培庄.Fuzzy 控制规则的自调整问题M.模糊数学，2012. 9鲍新福，都志杰，王芳君.自调整比例因子模糊控制器J，自动化学报，2013,(2).10余永权.模糊控制技术与模糊控制家电M，北京:北京航空航天大学出版社，2014. 11胡包钢，应浩.模糊控制技术研究发展回顾及其面临的若干重要问题J，西安交通大学出版社，2014 12李少远

10、，席裕庚，陈增强等.智能控制的新进展J.北京:科学出版社，201413张恩勤，高卫华等.模糊控制系统近年来的研究与发展M.控制理论与应用，201214诸静.模糊控制理论与系统原理M，北京:机械工业出版社，2013. 15易继揩，侯媛彬.智能控制技术M，北京:北京工业大学出版社，2012. 16何平，王鸿绪.模糊控制器的设计及应用M，北京:科学出版社，2013. 附录：液晶显示程序： 在LED1602的第一行显示“HELLO” RESET ALARM: MOV DPTR,#RESET_ A2；MOV A, # 1； CALL LED PRINT RET RESET A2: DF3 “HELLO”

11、；显示温度子程序： 将预先写入 LED1602 CGRAM的数读出，并送显示 TEMP _BJ: MOV A, #0CBH； CALL WCOM MOV DPTR, #BJ1； MOV R1, #0 MOV R0, #2； BBJJ1: MOV A, R1 MOVC A, A+DPTR CALL WDATA INC Rl DJNZ R0, BBJJ1； RET BJ1: DB 00H, "C"； MENU_OK: MOV DPTR,#M_OK1 ； MOV A, #1 ；CALL LED_PRINT MOV DPTR,#M_OK2 ； MOV A, #2 ； CALL LE

12、D_PRINT RET M_OK1: MENU_ERROR: MOV DPTR,#M_ERROR1； MOV A, # 1； CALL LED_PRINT MOV DPTR,#M_ERROR2； MOV A, #2； CALL LED_PRINT RET DS18B20 写命令，数据子程序 WRITE: MOV R2, #8；CLR C WR1: CLR DATE_LINE； MOV R3, #08 DJNZ R3,$；RRC A；MOV DATE_LINE, C； MOV R3, #3CH DJNZ R3 NOP DJNZ R2, WRl；SETS DATE_LINE RET DS18B20

13、 读温子程序 READ TEMP: CLR TRO MOV A, #0CCH； CALL WRITE MOV A, #44H； CALL WRITE CALL RESET MOV A, #0CCH； CALL WRITE MOV A, #0BEH； CALL WRITE； MOV R4, #4； MOV Rl，#TEMPL； RE00: MOV R2, #8；RE01: CLR CY SETB DATE_LINE NOP NOP CLR DATE_LINE； NOP NOP NOP SETB DATE_LINE； MOV R3, #07；DJNZ R3MOV C, DATE_LINE； MOV

14、 R3, #3CH DJNZ R3；RRC A；DJNZ R2, RE01；MOV R1, A INC R1 DJNZ R4, RE00；SETB TR0 RET 处理温度 BCD 码子程序 CONVTEMP: MOV A, TEMPH； ANL A, #80H JZ TEMPC1 SETB FLAG3 MOV A, TEMPL；CPL A；ADD A, #01H MOV TEMPL, A MOV A, TEMPH CPL A ADDC A, #00H MOV TEMPH, A JMP TEMPC2 TEMPCl: CLR FLAG3；TEMPC2: MOV A, TEMPL ANL A, #

15、0FH；MOV B, #10； MUL AB MOV B, #16 DIV AB MOV 70H, A；MOV A,TEMPL；ANL A,#0F0H；SWAP A MOV TEMPL, A MOV A, TEMPH；ANL A, #0FH SWAP A ORL A, TEMPL；MOV TEMP_ZH, A； LCALL HEX2BCD1 MOV TEMPL, A；ANL A, #0F0H SWAP A MOV 72H, A；MOV A, TEMPL ANL A, #OFH MOV 71 H, A；MOV A, R4；MOV 73H. A TEMPC3: RET；单字节十六进制转BCD HE

16、X2BCD1: MOV B, #064H DIV AB MOV R4, A；MOV A, #0AH XCH A, B DIV AB SWAP A ORL A, B；RET 显示 TH 和 TL 值的子程序 LOOK ALARM: MOV DPTR,#ALAX2； MOV A, #2；CALL LED_PRINT MOV A, #0C6H；CALL TEMP_BJ1 MOV A, TEMP_TH； MOV LED_X, #3； CALL SHOW_DIG2H ； MOV A, #0CEH；CALL TEMP_BJ1 MOV A, TEMP_TL； MOV LED_X，#12； CALL SHOW

17、_DIG2LRET M ALAX2: 子程序 TEMP_BJ1: CALL WCOM MOV DPTR, #BJ2； MOV R1, #0 MOV R0, #2 BBJJ2: MOV A, R1MOVC A, A+DPTR CALL WDATA INC R1 DJNZ R0, BBJJ2 RET BJ2: DB 00H, "C" LED 1602 温度值显示子程序 CONV: MOV A, 73H；MOV LED_ X, #6 ；JNB FLAG3,CONV0 MOV B, LED_X CALL LEDP2 MOV A, 72H；CJNE A, #00H, CONV3 IN

18、C LED_X；MOV B, LED_X CALL LEDP2 JMP CONV4 CONVO: CJNE A, #00H, CONV2 MOV B, LED_X CALL LEDP2 MOV A, 72H；CJNE A, #00H, CONV3 INC LED_X；MOV B, LED_X CALL LEDP2 JMP CONV4 CONV2: CALL SHOW_DIG2；CONV3: INC LED_X； MOV A, 72H； CALL SHOW_DIG2 CONV4: INC LED_X； MOV A, 71 H； CALL SHOW_DIG2 INC LED_X； MOV B, LED_X CALL LEDP2 MOV A, 70H；INC LED_X ；CALL SHOW_DIG2； RET SHO_DIG2: ADD A, #30H；MOV B, LED_X；CALL LEDP2；RET 在 LED 的第一行显示数据字符 LEDP1:；PUSH ACC MOV A, B；ADD A, #80H；CALL WCOM；POP ACC；CALL WDATA； 在 LED 的第二行显示数据字符 LEDP