基于智能PID的温度控制系统设计

摘要PID系统。本文以模糊自整定PIDA/DPIDPID显的优势，可大幅度提高被测温度的技术指标，大大提高其可行性与稳定性。关键词：温度控制；模糊PID控制；单片机AbstractThetemperatureisanimportantprocessvariablesduringtheindustrialsomeasMetallurgy,electricityindustry,thecontrolmethodscannotsatisfythehighperformancerequirementsInthetemperaturecontrolsystemthattheobjectisresistancethedevelopmentofindustry,electricheatingfurnaceismoreandmorewidelyused.So,thedemandoftemperaturecontrolisincreasing.Nevertheless,fortheelectricheatingfurnacecontrolsystemwiththecharacteristicofnon-linear,puretime-delayandtime-variation,itisdifficulttoestablishaprecisemathematicalmodel.AdigitaltemperaturecontrolsystemforindustrialstoveisdesignedaimingatfeaturesofindustrialheattreatmentprocesswhichneedforadvancedtemperaturepaperdesignsthetowordersTDCtocontrolresistancesbaseof Fuzzyself-tuningPIDcontrollingarithmetic.Wegetthetemperaturethroughthethermocouple，thenwecandealwithitthroughthemicrocontrollerafterA/Dconversionprocess.Finally，throughthePIDfuzzyalgorithm，wecanControltheoutputpoweroffurnace,andrealizetheultimatecontrol.TheresultshowsthatthefuzzyPIDcontrolmethodissuperiortotraditionalPIDcontrolmethod,wecangreatlyimprovethetechnicalindexesofthetestedtemperatureanditsfeasibilityandstability.Key words：temperaturecontrol FuzzyPIDcontrol microcontroller目录摘要 IABSTRACT II第1章绪论 1温控系统设计背景 1温度控制系统的概述及现况 1温度控制系统的改进 1第2章温度控制系统的整体设计 3传统的模糊PID控制 3电阻炉温度控制系统 4第3章系统的硬件设计 5系统的总体构成 5单片机的选取 5传感器的选取 7温度传感器 7热电偶的工作原理 8A/D转换电路设计 9D/A转换电路设计 12键盘显示电路设计 14数据采集系统 16第4章控制算法设计 16模糊控制系统特点与应用 17模糊控制系统的组成 17模糊控制器结构的研究 184.3.1PID模糊控制器 20控制器的结构 22模糊PID复合控制算法 23传统的PID算法 23模糊-PID复合控制算法设计 25第5章系统的软件设计 30A/D转换流程 31D/A转换流程 31键盘显示子程序流程 33模糊PID控制流程设计 33第6章仿真结果及分析 35介绍仿真环境 35MATLAB介绍 35Simulink介绍 35传统PID控制器的设计 36模糊PID控制器的设计 376.4模糊PID控制器的系统仿真 39结论 41参考文献 42致谢 44附录1 45附录2 46第1章绪论温控系统设计背景温度控制系统的概述及现况温度控制电路广泛应用于社会生活的各个领域，如家电、汽车、材料、电力电子等。由于炉子的种类及原理不同，因此所采用的加热方法及燃料也不同，如煤气、天然气、油电等。对于不同生产情况和工艺要求下的温度控制，所采用推断控制，预测控制，模糊控制Fuzzy(ExpertControl)，鲁棒控制RobustControlPIDPID控制相结合的方法，更好的来控制电阻炉的温度。温度控制系统的改进以智能仪表为控制工具的温控系统具有一定的实际应用价值。第2章温度控制系统的整体设计与对流的传热方式加热工件。加热功率从不足一千瓦到数千千瓦。工作温度在650℃以下的为低温炉；650～1000℃为中温炉；1000℃以上为高温炉。在一定的模型基础上，难以保证加热工艺要求。假定电阻炉的传递函数为：1.05G(s)

364s

e30s

（2-1）PID对于以上的不足之处，我们引入模糊控制，采用模糊PID算法，以单片机为核心对电阻炉实现智能的温度控制，可以解决问题，从而实现高精度控制。图2-1为传统的PID控制框图。设定值设定值输出值调节器 被控对象测量变送图2-1传统的PID控制PIDKpKpK越iK大，会造成稳定性变i差；微分环节能及时地反映偏差量的变化趋势和变化率，有效改善系统的动态性能。通常，微分系数Kd降。

大，系统超调量减小，但Kd

大，也会造成系统稳定性下电阻炉温度控制系统ECPD2-2给定值

errorde/dt

KpKiKd

输出温度D节器 电阻炉温度检测图2-2模糊PID炉温控制系统原理图ZadehPID第3章系统的硬件设计系统的总体构成大，送至A/DA/D3-1执行机构执行机构电阻炉温度传感器放大器A/DD/A单片机系统显示键盘图3-1系统结构图A/DA/DA/DD/A将数字信号进行显示记录等。单片机的选取AT80C51作为微控制器，这类单片机在存储器的配64KB64KB80C51111条指令，包括乘除指令和5280c51RAM432个RAM1ROM80C51在单芯片应用方式下4I/O口都可以作为输入/输出使用，在扩展应用方式下需要采用P0和P23-2所示：图3-2 引脚图与功能图单片机的40个引脚大致可分为4类：电源、时钟、控制和I/O引脚。电源VCC：芯片电源，接+5V。VSS：接地端。时钟XTAL1、XTAL2：晶体振荡电路反相输入端和输出端。4根ALE/PROG：地址锁存允许/EPROMALEP08位地址。PROG功能：片内有EPROM芯片，在EPROM编程期间，此引脚输入编程脉冲。PSENROM读选通信号。RST/VPD：复位/备用电源。RST（Reset）VPD功能：在Vcc掉电情况下，接备用电源。EA/VppROM选择/EPROMEAROM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。I/O线80C5148I/O端口：P0、P1、P2、P332P3口还具有第二功能，用于特殊信号输入输出和控制信号（属控制总线。传感器的选取而按照测量来分类的话，可以有力、位移、温度等传感器。在电阻炉温度控制系统中，我们需采用的是温度传感器。温度传感器1ms，故便于测量运动物体的温度和如图3-3所示：测温元件测温原理测温范围/℃主要特点热电偶热电效应0～1600测温范围广，测量精度集中检测和自动控制，应用广泛；需进行冷端温度补偿，低温测量精度低铂电阻热－200～600测温范围广，测量精度铜电阻阻－50～150集中检测和自动控制，应用广泛；不能测高温。半导体热敏效－50～150灵敏度高，体积小，结电阻构简单，使用方便；互应一定限制。图应一定限制。度测量范围宽等。常用的热电偶可测量范围为-50~1600C。若配用特殊材料其可测温度范围可扩大为-180~2000C。目前，国际电工委员会（IEC）推荐了8种类型的热电偶作为标准化热电偶，即为T型、E型、J型、K型、N型、B型、R型和S型。热电偶的工作原理热电偶的基本工作原理是基于物体的热电效应。由 A,B两种不同的导体两端相互紧密地连接在一起，组成一个闭环回路，如图 3-4所示，当两点温度不同时（T>T0）时，回路就会产生电势，从而形成电流，这一现象称为热电效应，该电动势称为热动势。在热电偶回路中电极材料相同，总电势为零，冷、热端温度相同，总电势为零，电极材料不同，温度相同，热电势不同。图3-4 热电偶的基本工作原理A/D在本文的控制系统中关于A/D我们采用的是ADC转换器，将输入模拟量转换为与其成比例的数字量，按其工作原理，有比较式ADC积分式。不同的芯片具有不同的连接方式，其中最主要的是输入、输出以及控制信号的连接方式。在这我们可以选择ICL7135。ICL7135是一种常用的4位半BCD码双积分型单片集成 ADC芯片其分辨率相当于14位二进制数。他的转换精度高，转换误差为 1LSB,并且能在继续参考电压下对双极性输入模拟电压进行 A/D转换，模拟输入电压范围0~1.9999v芯片采用了自动较零技术，可保证零点在常温下的长期稳定性，模拟输入可以是差动信号，输入阻抗极高。其芯片引脚排列如图 3-5所示图3-5 ICL7135芯片引脚图其各引脚的功能如下：-V：ICL7135负电源引入端，典型值-5V，极限值-9V。+V：ICL7135正电源引入端，典型值+5V，极限值+6V。DGND：数字地，ICL7135正、负电源的低电平基准。REF：参考电压输入，REF的地为AGND引脚，典型值1V，输出数字量=10000×(VIN/VREF)。AC： 模拟地，典型应用中，与 DGND(数字地)“一点接地” INHI：模拟输入正。INLO：模拟输入负，当模拟信号输入为单端对地时，直接与 AC相连。CLKIN：时钟信号输入。当T80ms时，fcp

125kHz，转换速度为3次/s。极限值fcp

1MHz时，转换速度为25次/s。REFC+：外接参考电容正，典型值 1μFREFC-：外接参考电容负。BUFFOINTOLOW：欠量程信号输出端，输入信号小于量程范围的10出高电平。HIGH(20001)输出高电平。STOP：数据输出选通信号，宽度为时钟脉冲宽度的一半，每次A/D5BCD据(5I/OR/H：自动转换/停顿控制输入。当输入高电平时；每隔 40002个钟脉冲自动启动下一次转换；当输入为低电平时，转换结束后需输入一个大于300ns的正脉冲，才能启动下一次转换。POL： 极性信号输出，高电平表示极性为正。BUSY分结束时自动变低。B8～B1：BCD码输出。B8为高位，对应BCD码D5： 万位选通。D4～D1：千、百、十、个位选通。ICL7135的转换结果输出是动态的，因此必须通过并行口才能与单片机连接。图3-680c51的接口电路。图中74ls157为4位2选一的数据多路开关。74ls157的SEL输入为低电平时，1A、2A、3A输入信息在1Y、2Y、3Y输出；SEL为高电平，1B、2B、3B输入信息在1Y、2Y、3Y输出。因此，当7135的高位选通信号D5输出为高电平时，万位数据 B1和极性、过量程、欠量程标志输入到8155的PA0~PA3。当D5为低电平时，7135的B8，B4，B2，B1输入低位转换结果的 BCD码，此时BCD码数据线B8，B4，B2，B1入到8155的PA3~PA0。图3-6 ICL7135的硬件连接图D/ADACDAC0832所示：图3-7 DAC0832引脚图LE是寄存命令。当 LE=1时，寄存器输出随输入变化；当 LE=0，数据锁存在寄存器中，而不再随数据总线上的数据变化而变化，当 ILE端为高电平，CS与WR同时为低电平时，使得 LE=1.当WR变为高电平时，输入寄存器便将输入数据锁存。当 XFER与WR2同时为低电平时，使得 LE2=1寄存器的输出随寄存器的输入变化，WR2上升沿将输入寄存器的信息锁存在该寄存器中。RFB为外部运算放大器提供的反馈电阻， VREF是由外电路为芯片提供一个+10V~-10V基准电源。3-8DAC083280C51单片机组成的D/ADAC0832ILE+5VCSXFER80C51WR1WR280C51WR图3-8 DAC0832与80C51单片机组成的D/A转换系统可编程接口芯片。Intel8279827964N8FIFO8CPU7LED、或其他器件接口提供显示接口。807916*8RAM，16*4RAMCPU右进入的计算器方式和从左进入的电传打字方式，显示RAM每次读/写之后，其地址自动加1。内部结构如图3-9所示：RESET

DB0~7

RDWR0CLK

数据缓冲器

I/控制 FIF传感RAM状态寄存器显示地址寄存器

16xRAM

控制与定时寄存器

8x8FIF/RAM

键盘消颤与控制显示寄存器

控制与定时 扫描计数器 返回CNTL/STBSHIFTOUTA0~OUTB0~3 BD SL0~3 RL0~3图3-9 8279内部结构其与单片机的接口电路下图3-10所示：图3-10 可编程键盘8279与单片机的接口电路必经之路。SHA，一时刻内采集的信号暂存在各个SHA的保持电容上，然后由单片机逐个取走经ADC3~8V。图3-8Uv/C14V，3V-18V。C3150pFC3150pFR4100KR1+8VVi12x2CK492KD1D23ICL7650C40.01uF106 7R22Vi22x2CK5C60.01uF82K1C50.01uF-8VD3D4R310KC1 C22x0.01uF图3-11 ICL7650放大电路第4章控制算法设计人员的经验知识和操作流程。时延纯滞后等问题。控制推理采用“不精确推理类的经验，因而能够处理复杂甚至“病态”的系统。（包括经典控制理论和现代控制理论是利用受控对象的数学模型（即传递函数模型或状态空间模型，其设计不依靠对象精确数学模型，而是利用其语言知识模型进行设计和修正控制算法。模糊控制系统通常由模糊控制器、输入/输出接口，执行机构、被控对象和测量装置等五部分。其中模糊控制器的结构决定了一个模糊控制系统的性能优劣。如图4-1所示：FCFC知识库St+TtUt模糊推理机解模糊接口被控对象YtΣ模糊化-图4-1 模糊控制器的基本结构由上图可以看出，模糊控制器主要由模糊化接口、知识库631024976、模糊推理机、解模糊接口四部分组成，各部分的作用概述如下。模糊化(Fuzzification)模糊化接口接受的输入只有误差信号e，由e再生成误差变化率 e*或误差t t t的差分e，模糊化接口主要完成以下两项功能：te和e*都是非模糊的普通变量，它们的论域（即变化范围）是t tXYX和Y。如果内部论域是离散的（有限个元素(D－FC)，的（无穷多个元素(C－FC)D－FC，XY＝{0±C—FC，X，Y＝[－l，1]D－FCC－FC，论域变换后e，变成e*，*，相当乘了一个比例因子（还可能有偏移。

t t t t模糊化：论域变换后e*和*仍是非模糊的普通变量，对它们分别定义若干t t个模糊集合，如(NL)(NM(NS)(Z)(PS(PM(PL)，…，并在其内部论域上规定各个模糊集合的隶属函数。在te，经论域变换后得到e*，*，再根据隶属函数的定义可以分别求出e*，*对各模糊集合的隶属度，如 e*、t t NLt NM t

、…，这样就把普通变量的值变成了模糊变量（即语言变量）的值，完e**t tXY中，是普通数值；作为模糊变量时其值在论域[0，1属度。知识库（Knowledgebase)(1)数据库（database）base）包含一组模糊控制规则，即以“IF…，THEN…”形式表示的模糊条件语句，如R1：ife*isA1ande*isB1，thenu*isC1，tR2：ife*isA2ande*isB2，thenu*isC2，t……Rn：ife*isAnande*isBn，thenu*isCn。te*和e*就是语言变量e*和*AlA2，…Ane*B1，t t tBBn*ClC2，…Cn是u*的模糊集合。每条控制规则t是一个在积空间XYZ中的模糊关系，e*Xe*Yu*Z，如果tX,Y,Z皆为离散论域，还可以写出模糊关系矩阵R，i＝1，2，…，n。规则库in关系为R=n

R （4-1）i模糊推理机（inferenceengine）te*和e*e*Xe*YX,YZ都是离t te*X*在YBZ上的矢t量C，

CBR （4-2）解模糊（defuzzification）解模糊可以看作是模糊化的反过程，它要由模糊推理结果产生控制u的数1值，作为模糊控制器的输出。解模糊接口主要完成以下两项工作。⑴解模糊：对Ut

ZZuZ定义若干个模t糊集合，并规定各模糊集合的隶属函数。模糊推理是在内部论域上进行的，因此得到的推理结果C，Zu*对于某组输入e*，e*t结果Ci得此时的内部控制量u*。tu*Zut 它仍然是非模糊的普通变量。PID模糊控制器

Z，E和误差变化率ECPD模糊积分的引入简单的模糊控制系统见图4-2采用了一维模糊控制器设其输入变量在论E上的模糊子集是B（i=1,2…m）uU上的模糊子集是Ai并且满足A<A B<Bj j1 i i

E仍落在期望模糊子集B*，现基于专家知识的模糊控制规则为：IfE=B*,thenU=A*IfE=Bi

,thenU=AjEUeuBB*A.若该模糊控制器的模糊i jRU=e*R。e=B*，Us

=A*，系统处于稳定状态。在外界扰动作用下系cCe=B。由于模糊控制器按推理式给出UA，d i j但在UA的控制下，使得偏差ee=B*，即系统达到原来的平衡状态。j但是一旦当=B*，模糊控制器输出马上变为U=；刚刚达到的平衡又将不存在控制器内引入积分分量。被测量被测量模糊控制被控对象模糊积分引入方式

图4-2 简单的模糊控制系统1988M.BassevillePID4-3ePID荡必要条件是u

<ufmin

ul

fmin

是指模糊控制器输出|u(t|的非零最小值，其中vd

为被控制量u(t)的给定值。为判定系统进入“模糊稳定”的最小允许误差值。K3K3I/TSeK1r模糊化表解模糊UYK被控对象S es图4-3 PID模糊控制器这种对误差的模糊值进行积分的PID模糊控制器可以用来消除大的系统余差，但是要消除零点附近的极限环振荡必须使

min

缩小，这就需要增加控制规则数，然而相应的增加了模糊控制器设计的复杂程度。控制器的结构EEC模糊化模糊推理KP KDr(t)（K）K（K（K）eY(t)EEC模糊化模糊推理KP KDr(t)（K）K（K（K）eY(t)常调节 被控对象de/dt图4-4 模糊自适应PID控制器结构r-设定值;.E-偏差模糊量;K

-比例系数;e,E-偏差;.Ep

-偏差Ki

De

/d偏差变化速度;y(t)-被调整量;K-t d微分系数;Ec-偏差变化速度。4.4模糊PID复合控制算法传统的PID算法PID34-5D(s)表示控制器，G(s)表示广义对象。该系统的的闭环传递函数为：C(s) D(s)G(s) （4-3）R(s) 1D(s)G(s)系统结构图如图4-5所示：R(S)R(S)E(S)C(S)D(S)E(S)G(S)图4-5 典型的闭环控制系统工程上PID参数的整定大致有以下四种方法：衰减曲线法s 衰减曲线法是在总结临界比例带法基础上发展起来的，它是利用比例作用下产生的4:1衰减振荡(ψ=0.75)过程时的调节器比例带δ及过程衰减周期Ts 10:1(ψ=0.9)δs及过程上升时间Tr公式计算出调节器的各个参数。临界比例带法K以及振荡周期TK，然后根据经验公式计算出调节器的各个参数。可以看出临界比例带法无需知道对象的动态特性，直接在闭环系统中进行参数整定。动态参数法动态参数法是在系统处于开环状态下，作对象的阶跃扰动试验，根据记录下的阶跃响应曲线求取一组特征参数、(无自平衡能力对象)或、、(有自平衡能力对象)，再据经验公式计算出调节器的各个参数。经验法响应曲线就很困难，因此临界比例法和衰减曲线法都不能得到满意的结果。复上述试验，直到调节过程满意为止。本设计对于PID控制器的参数采用试凑法整定。试凑法是通过计算机仿真或实际运行，观察系统对典型输入作用的响应曲线，根据各调节参数

,K,K）p i dPIDPID①首先只确定比例系数，将Kp

由小变大，使系统响应曲线略有超调。此时若系统无稳态误差或稳态误差已小到允许范围内，并且认为响应曲线已属满意，那么，只须用比例控制器即可，而最优比例系数Kp

也就相应确定了。时先将第一步所整定的比例系数略为缩小（0.8时间常数，以期得到满意的结果。PIPIDKd以获得满意的调节效果和控制参数。需要指出，PID控制器的参数对控制系统性能的影响通常并不十分敏感，因而参数整定的结果可以不唯一。最后由实验试凑法得基本PID控制器的参数K3，K，K 4。p i d模糊-PID复合控制算法设计本设计提出了模糊-PID复合控制算法用于炉温控制系统之中。这种复合控PID糊-PID4-6计算计算则控制对象数据采集kkp p pkp计算则ki则kk*i i ikk*d d dPIDkd执行机构PID

图4-6模糊PID原理框图u(k)u(k1)kp

(e(k)e(k1))ke(k)ki d

(e(k)2e(k1)e(k2)) （4-4）其中u(ku(k1e(k为当前时刻e(ke(k2偏差。EECKp

和K的Fuzzy子集的隶属度，再根据各FuzzyiFuzzyFuzzPIDFuzzyFuzzy定义Kp

和K调整算式如下：iK Kp p

KpKp

（4-5）KKi i

KKi i

（4-6）

KPIDK'K'

、K的初始参数，它p i P i p i们通过常规方法得到。在线运行过程中，通过微机测控系统不断检测系统的输出EEC，FuzzyK、K两个参数的调整量，完成对控制器参p i数的调整。根据本设计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

、K作为输出的两输入两输出模糊控制器由对K、Ki p i4-1，4-2表4-1K的控制规则调整表ECPECΔKPEPBPMPSZONSNMNBPBNBNBNMNMNMZOZOPMNBNMNMNMNSZOPSPSNMNMNSNSZOPSPSZONMNMNSZOPSPMPMNSNSNSZOPSPMPMPMNMZSZOPSPSPMPBPBNBZOZOPSPMPMPBPBECiECiΔKiEPBPMPSZONSNMNBPBPBPBPMPMPSZOZOPMPBPBPMPSPSZOZOPSPBPMPSPSZONSNMZOPMPMPSZONSNMNMNSPSPSZONSNSNMNBNMZOZONSNSNMNBNBNBZOZONSNMNMNBNBK的控制器PID控制器中，比例增量Kp

增大，可以加快响应速度，减少系统稳态误差，提高控制精度，但是Kp

过大会使得系统产生超调，甚至导致不稳定，反之减少Kp

，能使得系统稳定于都增大，减少超调量，但却降低了系统精度，使得过渡过程时间延长。因此，实现K自调整将可以随时改变系统的静态p和动态性能。我们可以在控制起始阶段，适当的把Kp

放在较小的档次，以减少各物理量初始化的冲击，在过程中期，适当加上K，以提高快速性和动态精度，而当过p渡后期，又将K调小，使系统超调减少，提高静态稳定性。p在偏差论域E、偏差变化论域EC、比例系数修正参数论域k、积分系数修p正参数论域k和微分系数修正参数论域ki

上分别定义模糊子集为{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}，并简记为{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB语言变量采用三角隶属度函数。其中NB实际炉温比给定炉温高，NS，ZE给定炉温相等，PS，PM低，PB:E={-6，-5，-4，-3，-2，-1,0,1,2,3,4,5,6}设输入的炉温偏差变化用模糊语言变量的模糊EC:EC=(NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB)对应的模糊论域为UU即:U={NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB}。相关数据可参照下表：eEeEU-6-5-4-3-2-10123456PB000000000001PM00000000010PS00000001000ZO00000100000NS00010000000NM01000000000NB100000000000表4-4模糊变量EC的赋值表PB000000000001PM00000000010PS00000001000ZO00000100000NS00010000000NM01000000000NB100000000000ecµ-6 -5 -4 -3 -2 -1ecµ-6 -5 -4 -3 -2 -10123456EC应输出控制量。若对应的模糊判决的模糊子集为U1~

,则取该模糊子集中隶属度最大的那个元素U 作为控制量。即满足max U U max

uU

uU （4-7）~ ~数曲线与横坐标之间的面积平分为两部分的数，以此数作为判决的结果。制量由下式决定：nu i1

uui i

（4-8）max

ni1

ui对于权系数加权平均法，其控制量由下式求得：nkui iu i1

（4-9）max

nkii1kki

u时，式(4-8)与u i式(4-9)相同。对于模糊控制来说，选择加权系数将直接影响系统的响应特性。和的模糊控制表见表4-7、4-8。将这p i两张表存放到计算机的存储器中，查询这两张控制表就可以了。PECΔKP-6-5 -4 -3 -2 -1 0PECΔKP-6-5 -4 -3 -2 -1 0123456E-6-5-4-3-2-101234563233222110000222322211000033323331100002222222110111333221100122232331110122223333110222333111110122332311110012233231110001113222000112212233300011122232220001112223333iECΔKi-6-5 -4 -3 -2 -1 0iECΔKi-6-5 -4 -3 -2 -1 0123456EE-6-3-2-3-2-3-3-3-1-1-1000-5-2-2-3-2-3-2-3-1-1-1000-4-3-2-3-2-3-3-3-1-1-1000-3-3-3-2-2-2-3-3-1-10-1-1-1-2-2-2-3-2-2-1-1-100-1-1-1-1-2-2-3-2-1-1-1000-2-1-10-2-2-3-2-1-10-1-1-1-2-2-21-1-1-1-100-2-2-2-1-1-2-22-1-1-1-10-1-2-2-2-1-2-2-230000-1-2-2-3-3-3-2-3-34000-1-2-2-3-3-3-2-3-2-35000-1-2-2-3-2-2-2-3-2-36000-1-2-2-3-3-3-2-3-2-3第5章系统的软件设计软件来替代。因此，系统的设计很大程度上是软件设计。A/D开始8155工作单元和中断系统初始化数据缓冲器地址指针初值N接受到一次转换结果？YA/D转换数据送入8155RAMN 长度计数器减为0？Y程序ICL7135A/DA/D80C51开始8155工作单元和中断系统初始化数据缓冲器地址指针初值N接受到一次转换结果？YA/D转换数据送入8155RAMN 长度计数器减为0？Y程序D/A

图5-1 A/D转换流程D/AD/A5-2所示：开始开始断点保护指针初值设置接受数据转换转换结果保存N换完？Y返回图5—2 D/A转换子程序流程图流程开始清除命令---8279开始清除命令---8279读8279状态YDU=1？N方式命令---8279时钟编程命令---8279允许8279中断返回开始写显示RAM命令8279---R0--R7显示数据断码---8279显示RAM（R0）+1---R0（R7）-1=0?NY返回开始保护现场NFIFO中有数据吗？Y读FIFO命令---8279读FIFO计算键号---缓冲器恢复现场返回图5-2 键盘显示子程序PID3PIDPIDee100℃，e的基本论域，数字量化确定e(k)的论域区间为[-128，128ee100℃．e温度变化范围[0℃，1112℃]5-3PID制流程。开始开始设置基本论域及初值：误差变化率xec,Xec]误差e：[-xe,xec]控制量u:[-xe,xe]采样?Ye(k)ec(k)模糊化处理查表—>Δkp,Δki,Δkd计算Δkp,Δki,ΔkdPID运算得到控制量u(k)返回图5-3 模糊控制流程第6章仿真结果及分析介绍仿真环境MATLAB介绍MATLAB(MATrixLABoratory,CleveMoler博士在NewMexicoMATLAB的典型应用包和工程图学；应用发展包括图形用户界面设计。MATLAB系统主要由以下几个部（1）MATLAB编程语言。主要矩阵描述、函数等，主要特点是面向目标的编程OOP(2)MATLAB（3）MATLAMATLABMATLAB允许用户自己建（GUIS（4MATLABMATLAB8（5）应用程序接口（API。MATLABC、FortranMATLABMATLABMATLAB用。Simulink介绍Simulink是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包。它除了包括输入模块、输出模块、连续模块、离散模块、函数、和表模块、数学模块、非线性模块、信号模块以及子系统模块外，还包括各个工具箱特有的模块。SimulinkSimulinkMATLAB®MATLAB来完成参数的设定)，然后用鼠标器将它们连接起来，就可以构成一个系统的框SIMULINK仿真菜单设置仿真控制参数，启动仿真过程，然后通过输出Scope(MATLABPID在Simulink中创建用PID算法控制电阻炉温度的结构图如图6-1所示：图6-1 传统PID的系统结构图传统PID控制器的响应曲线如图6-2：图6-2 传统PID控制器的响应曲线电阻炉温度控制系统是一个大惯性、纯滞后系统，PID控制虽可以使系统达到稳定，但是调节时间过长及超调量大，使得系统达不到理想的控制效果。所以本设计引入了模糊控制，它具有快速性、鲁棒性好的特点，可以更好的控制系统。MALTABFUZZYwendu1.FIS6-3图6-3电阻炉模糊PID控制器Ef6-46-5的曲线。小 夏吐bershipFileEditV'1"IIFISVariables

nitr：nu1 巨］巨区］Membershiptun吐onplot客姬tpoints 曰NMNSZEPSPMPBNMNSZEPSPMPB0.5-4-2。mecCurrentVariableCurrentMembershipFunction(clickonMFtoselect)NameeNameTypeinputTypeRangeINBICurrentVariableCurrentMembershipFunction(clickonMFtoselect)NameeNameTypeinputTypeRangeINBI[-603-603-564-42231 t顷pmfDispla'.fRangeI[-66]I[-66]II[|ParamsHelp l［Clcase|习|lRdy42图6-4输入量E、EC的隶属函数曲线`J.夏mbeIshipl 1lFISVariable5M叩匡区hipfunctionplotilFISVariable5M叩匡区hipfunctionplotiNMNSzoPS6贮ec0.5-4-2。6426o.0顷p讲6426o.CurrentVariable CurrentMembershipFunction(clic:konMFtoselect)NameNarneTypeRangeoutput NameNarneTypeRangeoutput I-813]Typetrim1Param芯 DisplayRangeI1.6fj]IpClos色'，.r图6-5输出变量f的隶属函数曲线6.4模糊PID控制器的系统仿真在Simulink中创建用模糊PID算法控制电阻炉温度的结构图如图6-6所示：图6-6模糊PID的系统结构图Subsystem的结构图如图6-7所示：图6-7Subsystem的结构图模糊PID控制器的输出曲线如图6-8所示：图6-8模糊PID控制器的输出曲线PID±3结论PID计使得我深刻的认识到必须通过各种途径去学习的重要性以及实践能力是重中之中。参考文献李昌禧.智能仪表原理与设计[M].北京：化学工业出版社，2005.报，2008.MATLAB，2006.李朝青.单片机原理及接口技术.北京航空航天大学出版社，2006PID第二名族学院,2007.李跃忠，李昌禧.多功能智能调节仪开关电源设计[J]2005.PID技大学学报，2006.李洪亮.基于模糊自适应PID2007.方彦军，孙健.智能仪器技术及其应用[M].北京：化学工业出版社，2004.[J].[11]曾光奇，胡均安.模糊控制理论与工程应用.华中科大出版社，2006.华北电力大学学报，2001，28(4):29-32.邵裕森.过程控制及仪表.上海交通大学出版社，2008.PID，2007.的仿真[J].系统仿真学报，2005，17(3):685-692。[J].机电工程，2006，23(l):12-15.朱组涛毛静涛.自动化仪表的重大变革—论现场总线智能仪表[J].上海力学院学 报，2000，16(4):35-40.J(5):58-60.李东风.微型计算机控制技术的发展及应用「J2007，7:103-105.张建民等.自适应模糊炉温控制系统「J2001，8(2):2122.ASTROMKJ，HAGGLUNDT.PIDContro11ers:TheoryDesign，and[J〕.InstrumentSocietyofAlneriea，1995，04(4):1115.[22]SLJANG，JKLIN.Temperature-dependenceofSteady-stateCharacteristicsofSCR-typeESDProtetionCireuit[J].Solid-StateEleetron，2000，44:2139-2146.[23]SLHLIN.AnSCR-typeESDProteetionCireuitwithVariableHolding〕.SolidStateEleetron，2001，45(5):689696.[24]ZhangBinWangJing-cheng,ZhangJian-min,Dynamicmodelofreheatingfurnacebasedonfuzzysystemandgeneticalgorithm.ControlTheory&Application,2003,20(2):293-296.[25]TS.K.andFung,Y.H.MethodologicalDevelopmentofFuzzy-logicControllersfrom Multivariable Linear Control. IEEE Trans Systems, Man Cybernetics,1997,27(3):125-127.Honda,Hiroyuki,Kobayashi,Takenshi.FuzzyControlofBioprocess.JournalBioscienceandBioengineering,2000:401-408.Stuart Bennett. The past of PID controllers. Annual Reviews Control.2001,25:43-53.ShuPIDneuralnetworksfortime-delaysystems.ComputersandChemicalEngineering.2000(24):859-862.J