模糊自适应PID控制器的设计毕业设计任务书

诚信声明本人声明：1、本人所呈交的毕业设计（论文）是在老师指导下进行的研究工作及取得的研究成果；2、据查证，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，毕业设计（论文）中不包含其他人已经公开发表过的研究成果，也不包含为获得其他教育机构的学位而使用过的材料；3、我承诺，本人提交的毕业设计（论文）中的所有内容均真实、可信。作者签名：日期：年月日毕业设计（论文）任务书题目：模糊自适应PID控制器的设计___________________________姓名xxxx系电气信息学院专业自动化班级xxxx学号xxxxx指导老师xxx职称xxxxxx教研室主任_____________________基本任务及要求：模糊自适应PID控制算法对具有较大的滞后性、非线性、时变性的被控对象有较好的控制效果。以电加热炉温度控制系统为对象，设计一个模糊自适应PID控制器，进行仿真研究和性能分析。1．阐述模糊自适应PID控制的原理；2．基于单片机模糊自适应PID控制器硬件结构的设计；3．控制系统软件流程图的编制；4．绘制硬件结构图（进行仿真研究和性能分析）；5．说明书的编制；进度安排及完成时间：①月日～月日：查阅相关资料，搜集课题所需资料，了解课题现状、课题研究的目的和意义，做好选题报告和文献综述②月日～月日：毕业实习③月日～月日：自学相关知识。④ 月日～月日：硬件设计、软件设计。⑤月日～月日：整理资料，撰写毕业设计论文。⑥月日～月日：毕业论文审定、打印，答辩准备。⑦月日～月日：毕业设计答辩（公开答辩、分组答辩）。目录模糊自适应PID控制器的设计 1DesignoffuzzyadaptivePIDcontroller 2第1章绪论 31.1课题的研究背景及意义 31.2本研究课题研究内容和方法 41.2.1研究内容 41.2.2研究方法 4第2章模糊自适应PID控制原理 52.1PID控制系统概述 52.2模糊自适应PID控制系统 62.3PID参数对控制性能的影响 102.3.1比例（P）控制 112.3.2积分（I）控制 112.3.3微分（D）控制 12第3章系统硬件设计 133.1基于单片机模糊自适应PID控制器硬件结构的设计 133.2单片机的选择 143.2.1单片机的存储结构 143.3基于单片机的模糊自适应PID控制系统的控制回路 153.4功能模块 163.4.1单片机控制模块 163.4.2数据转换与采集模块A/D0808 163.4.3按键选择模块 173.4.4显示模块 173.4.5报警模块 183.4.6输出模块 183.5单片机仿真和元器件清单 193.5.1系统的整体设计 193.5.2元器件清单 20第4章系统软件设计 214.1Protues7软件概况 214.2.1主程序流程图 224.2.2采样子程序流程图 234.2.3滤波子程序流程图 244.2.4显示子程序流程图 254.2.5按键选择流程图 264.2.6PID控制子程序流程图 274.2.7T1中断程序流程图 28第5章模糊自适应PID控制系统仿真 29总结 32参考文献 33致谢 34模糊自适应PID控制器的设计摘要：以单片机为主体,设计一个能够处理较复杂数据和控制功能的电加热炉温度控制系统.该系统具有自动检测、数据实时采集、处理及控制结果显示等功能.软件采用模糊控制算法.结合了模糊控制快速性,保持较小超调量的优点和PID控制方法成熟,可消除稳态误差。PID控制（ControlofProportionIntegrationDifferentiation）就是比例、积分、微分控制。它的性能取决于参数的整定情况，对那些对象模型复杂和难以确定精确模型的控制系统，具有很大的局限性，而且它的快速性和超调量之间的矛盾关系，使它不一定能满足调节时间短，超调小的技术要求。而模糊控制的鲁棒性好，无需知道被控对象的数学模型，且在快速性方面有着自己的优势。但模糊控制易受模糊规则有限等级的限制而引起稳态误差。这就是说，单一的PID控制或单一的模糊控制都有其自身的不足，因此，分析它们各自的优缺点，考虑可以把它们相互结合，实现优势互补，形成模糊PID控制。此外，考虑把模糊PID控制和当今新型的、性能较好的单片机结合在一起，更好的发挥他们的作用。关键字：电阻炉单片机自适应PIDDesignoffuzzyadaptivePIDcontrollerAbstract:Microcontrollerasthemainbody,thedesignofacomplexdataandcontrolfunctionsoftheelectricheatingfurnacetemperaturecontrolsystem.Thesystemhasfunctionsofautomaticdetection,real-timedataacquisition,processingandcontrolresultsshowetc..Softwareadoptsfuzzycontrolalgorithm.CombinesthefuzzycontrolspeedofandmaintainasmallerovershootadvantagesandPIDcontrolmethodmature,caneliminatethesteady-stateerror.Theproportionalintegralderivative(PID)controllerisControlofProportionIntegrationDifferentiation.Itperformancedependsonthesituationthatparameterssets,thosecontrolsystemswhoseobjectmodelcomplexanduncertainaccuratehavegreatlimitations,anditsrelationshipbetweenrapidityandovershootmakeitimpossibletomeetregulatingtimeandshortovershoottechnicalrequirements.Therobustofthefuzzycontroliseffective,withoutknowledgeofthecontrolledobject'smathematicalmodel,andtherapidityhasitsownadvantage.Butthefuzzycontrolhasfuzzyruleslimitedlevel,itcancausesteady-stateerror.ThismeanssinglePIDcontrolorsingleFuzzyControlhasitsowndeficiencies,thereforeanalysistheiradvantagesanddisadvantages,considercombinethemandformedfuzzyPIDControl,Realizecomplementarystrengths.Addition,considercombinethefuzzyPIDcontrolandMCUwhichisnewandwhoseperformanceisbetter.Keywords:Resistancefurnace,Singlechipmicrocomputer,AdaptivePID第1章绪论课题的研究背景及意义现代控制系统，规模越来越大，系统越来越复杂，用传统的控制理论方法已不能满足控制的要求。智能控制是在经典控制理论和现代控制理论的基础上发展起来的，是控制理论、人工智能和计算机科学相结合的产物。智能控制主要分为模糊逻辑控制、神经网络控制和实时专家系统。研究的主要目标不仅仅是被控对象，同时也包含控制器本身。模糊理论是在美国柏克莱加州大学电气工程系L.A.Zadeh教授于1965年创立的模糊集合理论的数学基础上发展起来的，主要包括模糊集合理论、模糊逻辑、模糊推理和模糊控制等方面内容。L.A.Zadeh教授在1965年发表的FuzzySet论文中首次提出表达事物模糊性的重要概念——隶属函数。模糊控制理论的核心是利用模糊集合论，把人的控制策略的自然语言转化为计算机能够接受的算法语言所描述的算法。但它的控制输出却是确定的，它不仅能成功的实现控制，而且能模拟人的思维方式，对一些无法构成数学模型的对象进行控制。“模糊概念”更适合于人们的观察、思维、理解、与决策，这也更适合于客观现象和事物的模糊性。“模糊控制”的特色就是一种“语言型”的决策控制。模糊控制技术，已经成为智能控制技术的一个重要分支，它是一种高级算法策略和新颖的技术。自从1974年英国的马丹尼(E.H.Mandani)工程师首先根据模糊集合理论组成的模糊控制器用于蒸汽发动机的控制以后，在其发展历程的30多年中，模糊控制技术得到了广泛而快速的发展。现在，模糊控制已广泛地应用于冶金与化工过程控制、工业自动化、家用电器智能化、仪器仪表自动化、计算机及电子技术应用等领域。尤其在交通路口控制、机器人、机械手控制、航天飞行控制、汽车控制、电梯控制、核反应堆及家用电器控制等方面，表现其很强的应用价值。并且目前已有了专用的模糊芯片和模糊计算机的产品，可供选用。我国对模糊控制器开始研究是在1979年，并且已经在模糊控制器的定义、性能、算法、鲁棒性、电路实现方法、稳定性、规则自调整等方面取得了大量的成果。著名科学家钱学森指出，模糊数学理论及其应用，关系到我国二十一世纪的国力和命运1.2本研究课题研究内容和方法1.2.1研究内容1．以单片机为核心，建立自动控制系统，构建按键、采样、显示以及输出等外围电路，实现整个系统的搭建，建立电加热炉系统的仿真图；2．画出软件流程图，根据流程图编写程序，并对其进行调试，使其符合系统的具体要求；3．将所编写的程序下载到单片机中去，对系统进行整体调试，进而实现系统的整个功能，设计出符合实际要求的系统。研究方法模糊控制本质（机理）分为单一型和复合型。复合型模糊控制器是把模糊控制和其他传统控制方式组合在一起的控制器，这些控制方式一般有强比例控制、PID控制和开关控制等。本设计中要设计的模糊PID控制器就属于复合性模糊控制器。模糊PID控制器是将模糊控制与经典PID控制器结合起来，在线实时调整PID参数，获得更好的控制效果。模糊控制PID系统结构图，如图1-1所示。逆模糊逆模糊化处理RPID调节器被控对象de/dt测量反馈基于单片机的模糊PID控制器Y干扰扰动模糊化模糊控制规划模糊决策图1-1模糊控制PID系统结构图第2章模糊自适应PID控制原理2.1PID控制系统概述PID控制器系统原理框图如图2-1所示。将偏差的比例（KP）、积分(KI)和微分(KD)通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，KP、KI和KD3个参数的选取直接影响了控制效果。图2-1PID控制器系统原理框图在经典PID控制中，给定值与测量值进行比较，得出偏差e(t)，并依据偏差情况，给出控制作用u(t)。对连续时间类型，PID控制方程的标准形式为，(1)式中，u(t)为PID控制器的输出，与执行器的位置相对应；t为采样时间；KP为控制器的比例增益；e(t)为PID控制器的偏差输入，即给定值与测量值之差；TI为控制器的积分时间常数；TD为控制器的微分时间常数。离散PID控制的形式为(2)式中，u(k)为第k次采样时控制器的输出;k为采样序号，k=0,1.2…;e(k)为第k次采样时的偏差值;T为采样周期;e(k-1)为第(k-1)次采样时的偏差值。离散PID控制算法有如下3类:位置算法、增量算法和速度算法。增量算法为相邻量词采样时刻所计算的位置之差，即式中：从系统的稳定性、响应速度、超调量和稳态精度等方面来考虑，KP、KI、KD对系统的作用如下。（1）系数KP的作用是加快系统的响应速度，提高系统的调节精度。KP越大，系统的响应速度越快，系统的调节精度越高，但易产生超调，甚至导致系统不稳定、KP过小，则会降低调节精度，使响应速度缓慢，从而延长调节时间，使系统静态、动态特性变坏。(2)积分系数KI的作用是消除系统的稳态误差。KI越大，系统的稳态误差消除越快，但KI过大，在响应过程的初期会产生积分饱和现象，从而引起响应过程的较大超调;若KI过小，将使系统稳态误差难以消除，影响系统的调节精度。(3)微分作用系数KD的作用是改善系统的动态特性。其作用要是能反应偏差信号的变化趋势，并能在偏差信号值变的太大之前，在系统引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。KP、KI、KD与系统时间域性能指标之间的关系如表2-2所示。参数名称上升时间超调量过渡过程时间静态误差KP减少增大微小变化减少KI减少增大增大消除KD微小变化减少减少微小变化表2-2KP、KI、KD与系统时间域性能指标之间的关系2.2模糊自适应PID控制系统模糊控制通过模糊逻辑和近似推理方法，让计算机把人的经验形式化、模型化，根据所取得的语言控制规则进行模糊推理，给出模糊输出判决，并将其转化为精确量，作为馈送到被控对象(或过程)的控制作用。模糊控制表是模糊控制算法在计算机中的表达方式，它是根据输入输出的个数、隶属函数及控制规则等决定的。日的是把人工操作控制过程表达成计算机能够接受，并便于计算的形式。模糊控制规则一般具有如下形式:If{e=Aiandec=Bi}thenu=Ci,i=1,2…,其中e,ec和u分别为误差变化和控制量的语言变量，而Ai、Bi、Ci为其相应论域上的语言值。应用模糊推理的方法可实现对PID参数进行在线自整定，设计出参数模糊自整定PID控制器。仿真结果表明，该设计方法使控制系统的性能明显改善。自适应模糊PID控制器是在PID算法的基础上，以误差e和误差变ec作为输入，利用模糊规则进行模糊推理，查询模糊矩阵表进行参数调整，来满足不同时刻的e和ec对PID参数自整定的要求。利用模糊规则在线对PID参数进行修改，便构成了自适应模糊PID控制器，其结构框图如图2-3所示图2-3自适应模糊PID控制器结构框图PID糊自整定是找出PID参数(KP、KI、KD）与e和ec之间的模糊关系，在运行中通过不断检测e和ec，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对控制参数的不同要求，从而使对象具有良好的动、静态性能，模糊控制的核心是总结工程设计人员的技术和实际操作经验，建立合适的模糊规则表，得到针对3个参数KP、KI、KD,分别整定的模糊规则表。本设计模糊控制器输入语言变量，分别表示输入量的偏差和偏差变化率，规定：它们的论域为：E，Ec=﹛-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}；它们的模糊集为：E，Ec=﹛NB，NM，NS，O，PS，PM，PB﹜；其含义一次为负大、负中、负小、零、正小、正中、正大。输入各个语言值的定义分别由高斯形隶属函数曲线来描述。得出Kp、Ki、Kd的模糊控制表如表2-4、2-5、2-6所示。①Kp控制规则设计在PID控制器中，Kp值的选取决定于系统的响应速度。增大Kp能提高响应速度，减小稳态误差；但是，Kp值过大会产生较大的超调，甚至使系统不稳定减小Kp可以减小超调，提高稳定性，但Kp过小会减慢响应速度，延长调节时间。因此，调节初期应适当取较大的Kp值以提高响应速度，而在调节中期，Kp则取较小值，以使系统具有较小的超调并保证一定的响应速度；而在调节过程后期再将Kp值调到较大值来减小静差，提高控制精度。Kp的控制规则如表2-4所示。ECKpENBNMNSOPSPMPBNBPBPBPBPBPMPSONMPBPBPBPBPMOONSPMPMPMPMOPSNSOPMPMPSONSNSNMPSPSPSONSNMNMNMPMPSONSNMNMNMNBPBOONMNMNMNBNB表2-4Kp的控制规则②Ki控制规则设计在系统控制中，积分控制主要是用来消除系统的稳态误差。由于某些原因(如饱和非线性等)，积分过程有可能在调节过程的初期产生积分饱和，从而引起调节过程的较大超调。因此，在调节过程的初期，为防止积分饱和，其积分作用应当弱一些，甚至可以取零；而在调节中期，为了避免影响稳定性，其积分作用应该比较适中；最后在过程的后期，则应增强积分作用，以减小调节静差。依据以上分析，制定的Ki控制规则表如表2-5所列。 ECKiENBNMNSOPSPMPBNBNBNBNMNMNSOONMNBNBNMNSNSOONSNBNMNSNSOPSPSONMNMNSOPSPMPMPSNMNSOPSPSPMPBPMOOPSNMPMPBPBPBOOPSPMPMPBPB表2-5Ki模糊控制表③Kd控制规则设计微分环节的调整主要是针对大惯性过程引入的，微分环节系数的作用在于改变系统的动态特性。系统的微分环节系数能反映信号变化的趋势，并能在偏差信号变化太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快响应速度，减少调整时间，消除振荡．最终改变系统的动态性能。因此，Kd值的选取对调节动态特性影响很大。Kd值过大，调节过程制动就会超前，致使调节时间过长；Kd值过小，调节过程制动就会落后，从而导致超调增加。根据实际过程经验，在调节初期，应加大微分作用，这样可得到较小甚至避免超调；而在中期，由于调节特性对Kd值的变化比较敏感，因此，Kd值应适当小一些并应保持固定不变；然后在调节后期，Kd值应减小，以减小被控过程的制动作用，进而补偿在调节过程初期由于Kd值较大所造成的调节过程的时间延长。依据以上分析，制定的Kd控制规则表如表2-6所列。 ECKdENBNMNSOPSPMPBNBPSNSNBNBNBNMPSNMPSNSNBNMNMNSONSONSNMNMNSNSOOONSNSNSNSNSOPSOOOOOOOPMPBPSPSPSPSPSPBPBPBPMPMPMPSPSPB表2-6Kd控制规则根据模糊规则表在线修正PID参数，计算公式如下：Kp=K′p+△Kp；Ki=K′i+△Ki；Kd=K′d+△Kd：其中Kp、Ki、Kd为原先定好的初始PID参数。可根据被控对象的状态自动调整PID的三个控制参数的取值。根据系统在受控过程中对应不同的E和Ec，将PID参数的整定原则归纳如下：①当|E|较大时，说明误差的绝对值较大，Kp应取较大值，以提高响应的快速性；而为防止|Ec|瞬时过大，Kd应该取较小的值；同时为避免出现较大的超调，应对积分作用加以限制，通常取Ki=0。②当|E|处于中等大小时，为使系统响应超调较小，Kp应取小些。在这种情况下，Kd的取值对系统响应影响较大，Ki的取值要适当。③当|E|较小时，为使系统具有较好的稳定性，Kp与Ki均应取大些，同时为避免系统在设定值附近出现振荡，并考虑系统的抗干扰性能，应适当地选取Kd值。Kd值的选择根据|Ec|值来确定。当|Ec|较大时，Kd取较小值；当|Ec|较小时，Kd取较大值。通常情况下Kd为中等大小。2.3PID参数对控制性能的影响简单的比例调节器能够反应很快，但不能完全消除静差，控制不精确，为了消除比例调节器中残存的静差，在比例调节器的基础上加入积分调节器，积分器的输出值大小取决于对误差的累积结果，在误差不变的情况下，积分器还在输出直到误差为零，因此加入积分调节器相当于能自动调节控制常量，消除静差，使系统趋于稳定。积分器虽然能消除静差，但使系统响应速度变慢。进一步改进调节器的方法是通过检测信号的变化率来预报误差，并对误差的变化作出响应，于是在PI调节器的基础上再加上微分调节器，组成比例、积分、微分(PID)调节器，微分调节器的加入将有助于减小超调，克服振荡，使系统趋于稳定，同时加快了系统的稳定速度，缩短调整时间，从而改善了系统的动态性能，PID控制规律为（2-7）因此它的传递函数为（2-8）U(s)和E(s)分别为u(t)和e(t)的拉氏变换，其中Kp为比例系数；为积分时间常数；为微分时间常数。或：（2-9）公式中，，，其中、、分别为控制器的比例、积分、微分系数。2.3.1比例（P）控制比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-stateerror）。u/view/339062.htm"比例来控制当前，误差值和一个负常数P（表示比例）相乘，然后和预定的值相加。P只是在控制器的输出和系统的误差成比例的时候成立。这种控制器输出的变化与输入控制器的偏差成比例关系。比例系数Kp对系统性能的影响：比例系数加大，使系统的动作灵敏，速度加快，稳态误差减小。Kp偏大，振荡次数加多，调节时间加长。Kp太大时，系统会趋于不稳定。Kp太小，又会使系统的动作缓慢。Kp可以选负数，这主要是由执行机构、传感器以控制对象的特性决定的。如果Kp的符号选择不当对象状态(pv值)就会离控制目标的状态(sv值)越来越远，如果出现这样的情况Kp的符号就一定要取反。2.3.2积分（I）控制在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（SystemwithSteady-stateError）。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。积分来控制过去，误差值是过去一段时间的误差和，然后乘以一个负常数I，然后和预定值相加。I从过去的平均误差值来找到系统的输出结果和预定值的平均误差。一个简单的比例系统会振荡，会在预定值的附近来回变化，因为系统无法消除多余的纠正。通过加上一个负的平均误差比例值，平均的系统误差值就会总是减少。所以，最终这个PID回路系统会在预定值定下来。积分控制TI对系统性能的影响：积分作用使系统的稳定性下降，TI小（积分作用强）会使系统不稳定，但能消除稳态误差，提高系统的控制精度。2.3.3微分（D）控制在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后(delay)组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例项”往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。0958.htm"微分来控制将来，计算误差的一阶导，并和一个负常数D相乘，最后和预定值相加。这个导数的控制会对系统的改变做出反应。导数的结果越大，那么控制系统就对输出结果做出更快速的反应。这个D参数也是PID被称为可预测的控制器的原因。D参数对减少控制器短期的改变很有帮助。微分控制TD对系统性能的影响：微分作用可以改善动态特性，TD偏大时，超调量较大，调节时间较短。TD偏小时，超调量也较大，调节时间也较长。只有TD合适，才能使超调量较小，减短调节时间。第3章系统硬件设计3.1基于单片机模糊自适应PID控制器硬件结构的设计在控制中我们采取闭环控制系统，闭环控制系统(closed-loopcontrolsystem)的特点是系统被控对象的输出(被控制量)会反送回来影响控制器的输出，形成一个或多个闭环。闭环控制系统有正反馈和负反馈，若反馈信号与系统给定值信号相反，则称为负反馈(NegativeFeedback)，若极性相同，则称为正反馈，一般闭环控制系统均采用负反馈，又称负反馈控制系统。基于单片机的模糊自适应PID控制系统的控制回路框图，主要由基于单片机的模糊PID控制器、控制部分、被控对象、测量反馈、及干扰组成，如图3-1所示。由于没有指定被控对象，被控变量、控制部分、测量反馈以及被控变量的设定值不能确定，所以在具体控制中具体选择这些变量和仪器。图3-1模糊自适应PID控制系统的控制回路在回路中，设定值与测量反馈得到的偏差信号送给模糊PID控制器，模糊PID控制器输出控制信号来调节控制阀，进而改变被控变量，使偏差信号被控制在很小的范围内，即：使被控变量与设定值保持一致。基于单片机的模糊PID控制器的运行原理：电源输出5伏的电压给各个芯片，使其获得稳定的电压值。控制系统中负反馈回路中的测量变送环节的测量值和被控变量的设定值进行加法运算得到偏差信号，此偏差信号经过采样、滤波，通过模数转化器变为数字信号，数字信号进入单片机和存储器芯片进行处理，数据经由数模转换器送给控制阀进行控制。3.2单片机的选择微型计算机是指由微处理器加上采用大规模集成电路制成的程序存储器和数据存储器，以及输入输出设备相连接的I/O接口电路，微型计算机简称MC。如果将微处理器、存储器和输入/输出接口电路集成在一块集成电路芯版上，称为单片微型计算机，简称单片机。本次设计选用的是AT89C51，是MCS-51单片机系列的一种。其结构体系完整、指令系统功能完善、内部寄存器规范、性能优越、技术成熟、具有高可靠性和高性价比。它提供以下标准功能：4k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C51可降至0HZ的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。3.2.1单片机的存储结构存储器是组成计算机的三大部件之一，其功能是存储信息（数据和程序）。存储器按其存储方式可分为两大类：一类为随机存储器（RAM）；另一类为数据存储器（ROM）。CPU在运行时可对RAM随时进行数据的的写入和读出，但在关闭电源时，RAM中所存的信息也会丢失，所以RAM只能用来存放暂时性的输入/输出数据、运算中的结果等。RAM也因此常被称为数据存储器。而ROM是一种写入数据后不能改写只能读出的存储器。在断电后，ROM中的信息保留不变，所以ROM用来存放固定的程序或数据。ROM因此也常被称为程序存储器。MCS-51单片机的存储器配置比一般的微机配置复杂，其具体配置是多种存储器的交叠。这种交叠不仅反映在存储器的种类上，而且还体现在存储器的地址空间上。MCS-51单片机存储器可分为5类：1．片内程序存储器；2．片外程序存储器；3．片内数据存储器；4．特殊功能存储器；5．片外数据存储器。3.3基于单片机的模糊自适应PID控制系统的控制回路本系统是采用以AT89C51单片机为核心的温度控制系统，通过温度传感器采样实时温度，并通过变送器将温度最终转换为电压信号通过A/D转换器0808将其转换为数字信号，送入单片机与给定值进行比较，通过运用PID算法得出控制结果，送显示并进行控制。总体设计方案见如图3-4所示。看门狗看门狗报警提醒通信接口LED显示键盘微型控制机AT89S51温度检测驱动执行机构8路D/A转换器测量变送8路A/D转换器加热电阻温度图3-4系统硬件结构框图3.4功能模块3.4.1单片机控制模块A/T89C51是整个系统的控制核心，将采集来的数据与设定值进行比较，利用PID算法得出结果并送输出。整个控制系统的程序就下载到单片机中去。A/T89C51仿真图如图3-5所示。图3-5单片机仿真.2数据转换与采集模块A/D0808AD0808是CMOS的8位模/数转换器，采用逐次逼近原理进行A/D转换，芯片内有模拟多路转换开关和A/D转换两大部分，可对8路0～5V的输入模拟电压信号分时进行转换。模拟多路开关由8路模拟开关和3位地址锁存译码器组成，可选通8路模拟输入中的任何一路，地址锁存信号ALE将3位地址信号ADDA、ADDB、ADDC进行锁存，然后由译码电路选通其中的一路，被选中的通道进行A/D转换。A/D转换部分包括比较器、逐次逼近寄存器（SAR）、256R电阻网络、树状电子开关、控制与时序电路等。另外ADC0809输出具有TTL三态锁存缓冲器，可直接连到CPU数据总线上。实时温度经过传感器的检测并通过变送器将其转换成模拟的电压信号，而A/D0808则用来采集电压信号并将其转换为数字信号存储在单片机中，以便后续对数据的处理。其硬件仿真图如图3-6所示。 图3-6A/D0808仿真图.3按键选择模块系统采用了两个按键用来进行温度的设定，一个进行温度加，一个进行温度减。每按下一次，温度就相应的加一或减一。按照设计要求，温度的设定范围为50-150度，其仿真如图3-7所示。图3-7按键示意图.4显示模块显示模块采用两个7段共阴极数码管，一个用来显示实时温度，一个用来显示设定温度。并用74LS04来驱动数码管。其仿真图如图3-8所示。图3-8显示示意图.5报警模块当实时温度高于或低于设定温度5度以上时，系统就会报警，报警指示灯红灯亮。如图3-9所示。图3-9报警示意图.6输出模块经过数据的运算，单片机通过P3.4口的高低电平来控制加热系统的通断，通过导通时间的长短来控制加热的强度，以达到精确控制的效果。当温度在设定温度的正负5度之内时，系统进行PID运算控制；当高于设定温度5度时，停止加热；当低于设定温度5度时，全功率加热。由于仿真软件自身条件的原因，使用绿色的LED灯代替，当绿灯亮时，表示正在加热，不亮时，停止加热。仿真图如3-10所示。图3-10加热示意图3.5单片机仿真和元器件清单.1系统的整体设计系统的整体设计图如图3-11所示。图3-11系统设计方案图其中：1．单片机采用的是MCS-51系列的89C51，其集成了中央处理器CPU、随机存储器RAM、程序存储器ROM或EPROM、定时器/计数器、中断控制器及串型和并行I/O接口等部件。单片机主要应用于工业控制领域，用来实现对信号的检测、数据的采集以及对应用对象的控制。它具有体积小、重量轻、价格低、可靠性高、耗电少和灵活机动等许多优点。单片机是微型计算机的重要分支，特别适合用于智能控制系统。2．实时的温度测量由于条件的限制直接用模拟电压来代替传感器及变送器，用0808来采样和转换温度。.2元器件清单系统所需的元器件清单如表3-12所示。序号部件名称所属类数量1AT89C51MicroprocessorICs12A/D0808DataConverters137SEG-MPX4-CCOptoelectronics24BUTTONSwitches&Relays35LED-GREENOptoelectronics16LED-REDOptoelectronics1774LS373TTL74LSseries18RESPACK-8Resistors1974LS04TTL74LSseries810NOTSimulatorPrimitives111NORSimulatorPrimitives212POT-HGResistors113电容Capacitors214CLOCKSimulatorPrimitives215CRYSTALMiscellaneous116电阻Resistors117INPUT终端418GROUND终端719VSOURCESimulatorPrimitives1表3-12系统配置清单表第4章系统软件设计4.1Protues7软件概况PROTUES是一种基于标准仿真殷勤SOICE3F5的混合电路仿真工具，既可仿真模拟电路，又可以仿真数字电路以及数字、模拟混合电路，其最大特色在于能够仿真基于控制器的系统。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真软件)，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年即将增加Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译。PROTUES软件的功能特点介绍如下：1．原理布图2．PCB自动或人工布线3．SPICE电路仿真革命性的特点：1．互动的电路仿真。用户甚至可以实时采用诸如RAM，ROM，键盘，马达，LED，LCD，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件。2．仿真处理器及其外围电路。可以仿真51系列、AVR、PIC、ARM、等常用主流单片机。还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程，再配合显示及输出，能看到运行后输入输出的效果。配合系统配置的虚拟逻辑分析仪、示波器等，Protues建立了完备的电子设计开发环境。同时它还具有4大功能模块：智能原理图设计（ISIS），完善的电路仿真功能（Prospice），独特的单片机协同仿真功能（VSM），实用的PCB设计平台。4.2程序流程控制系统的程序主要包括：采样、标度变换、控制计算、控制输出、中断、显示、报警、调节参数修改、温度设定及修改。其中控制算法采用数字PID调节，应用增量型控制算法，并对积分项进行改进，以达到更好的控制效果。根据课题要实现的功能及要求。各个程序的流程图如下。4.2.1主程序流程图主程序主要实现了对系统的初始化，并通过调用子程序实现将运算结果与极限值进行比较，从而确定跳转方向，实现系统的报警功能及运算功能。主程序流程图如图4-1所示。Ui(k)<UminUi(k)<UminT1中断加热报警显示Ui(k)=UmaxUi(k)<Umax报警停止加热Ui(k)=Umin加热不报警停止加热不报警设置对栈指针请标志和暂存单元清闲时缓冲区采样滤波温度转换扫描键盘NNNNYYYYUi(k)=UmaxUi(k)<UmaxUi(k)=UminUi(k)<Umin图4-1主程序流程图4.2.2采样子程序流程图采样子程序的是A/D0808将模拟的电压信号转化成的数字信号，由于各种干扰会使系统产生误差，为了减小误差，所以要采样三次，将采样值存在2CH,2DH,2EH中去。采样子程序流程图如图4-2所示。采样值始址送R1采样值始址送R1采样次数送R0选同INT1选同INT1启动ADC延时延时A/D完成？A/D完成？NNYY所有采样结束？所有采样结束？NNYY返回返回图4-2采样子程序流程图4.2.3滤波子程序流程图从上边可以知道为了减小系统误差采样了3次，而滤波子程序则是将三次采样值进行比较，取中间值作为实时温度的值，用它进行显示以及后续的的运算。滤波子程序流程图如图4-3所示。YYNNYYYYNYYN(2CH)送A(2CH)≠(2DH)?(2CH)>(2DH)?(2CH)和(2DH)互换(2DH)≠(2EH)?(2DH)>(2EH)?(2CH)≠(2EH)?(2EH)>(2CH)?(2CH)送2AH返回(2EH)送2AH(2EH)送2AH(2DH)送2AH(2DH)送2AHN图4-3滤波子程序流程图4.2.4显示子程序流程图实时温度和设定温度分别存在51H和50H中，显示子程序将这两个温度转换成BCD码见其存在70H-75H中，通过查表的方法将其转换成对应的段码，最后运用动态显示的方法将其显示出来。显示子程序流程图如图4-4所示NN开始将待显示数送显示缓冲区送扫描控制字送显示缓冲区数据转换为七段码送显示缓冲区断码送P1口送显示缓冲区调用延时程序送显示缓冲区指向下一地址送显示缓冲区送扫描控制字送显示缓冲区6位显示完？扫描控制字左移一位送显示缓冲区子程序返回送显示缓冲区Y图4-4显示子程序流程图4.2.5按键选择流程图通过延时程序判断按键是否按下，从而进行条件转移，改变设定值。设定值的范围是50-150度，当温度超过这个范围是时，按键将不起作用。NNYYNNYYYNNYYA=150调TRAST131H←B32H←A开始调延时温度加1A=150A1←A温度加按下?温度加按下?A=150?温度减按下?温度减按下?调延时A←A1A=50?A<150?清C返回A1←AA<50?清C温度减1A←50NNNN图4-5按键选择流程图4.2.6PID控制子程序流程图根据PID算法公式，PID算法程序运用双字节加法程序，双字节求补程序，双字节无符号乘法程序，双字节有符号乘法程序实现了PID公式的程序化。PID控制子程序流程图如图4-6所示。根据E(K)=Ur-Ui(K)计算E(K)根据E(K)=Ur-Ui(K)计算E(K)计算Kp[E(K)-E(K-1)]计算Ki×E(K)计算Kp[E(K)-E(K-1)]+KiE(K)计算Kp[E(K)-E(K-1)]+KiE(K)+Kd[E(K)-2E(K-1)+E(K-2)]计算P(K)返回开始图4-6PID算法程序流程图4.2.7T1中断程序流程图当中断到来时，关闭计数器，清F0标志位，返回主程序。T1中断程序流程图如图4-7所示。中断到来中断到来关计数器T1清F0标志位中断返回图4-7T1中断子程序流程图第5章模糊自适应PID控制系统仿真在Matalable软件仿真中设输入（e、ec）的论域值均为（-6,6），输出（KP、KI、KD）的模糊论语为（-3,3），取相应论域上的语言值为负大(NB)、负中(NM)、负小(NS)、零(ZO)、正小(PS)、正中（PM）和正大（PB），而令所有输入、输出变量的隶属度函数均为trinf如图5-1，图5-2所示;图5-3为PID控制的3个参数的模糊控制规则图5-1E、EC的模糊论域和隶属函数图5-2KP、KI、KD的模糊论域和隶属函数图5-3模糊控制规则然后构建模糊自适应PID控制系统的仿真模型并且给出了其相应部分的子系统的框图如图5-4和图5-5，最后的仿真结果如图5-6所示。图5-4模糊自适应PID系统结构图图5-5模糊自适应PID系统子系统结构图图5-6模糊自适应PID系统仿真结果总结本文主要借助单片机这一载体，设计了一个基于单片机的模糊PID控制器。本文开始介绍了PID控制、模糊控制产生的背景，并对单片机和模糊PID控制算法结合的可行性进行研究，设计出一种解决上述问题的新型的模糊PID控制器。用matalable进行系统仿真，对比得出了PID与模糊PID在控制方面的优缺点，通过分析，我们知道在本系统中，采用模糊控制，大大提高控制精度，不但使控制简捷，降低了产品的成本，而且能够提高生产效率。目前关于PID控制器参数整定的基本方法有离散模型的控制器参数整定、基于Nyquist曲线的控制器参数整定和基于传递函数模型的控制器参数整定。把常规PID控制和模糊控制理论相结合，可以发挥一者的特点和优势，以期实现更好的控制效果。参考文献[1]陶永华,尹怡欣,葛芦生.新型PID控制及应用[M].北京:机械工业出版社,1998[2]许力.智能控制与智能系统[M].北京:机械工业出版社,2006[3]张化光,何希勤,等.模糊自适应控制理论及其应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2002[4]KatsuhikoOgata.现代控制工程[M].第三版.卢伯英,于海勋,等译.北京:电子工业出版社,2000[5]刘明俊,于明祁,杨泉林.自动控制原理[M].长沙:国防科技大学出版社,2006[6]王一帆,石中锁.自适应模糊PID控制器及其MAT2LAB仿真[J].冶金自动化,2007(增刊)[7]孙增圻.智能控制理论与技术[M].北京:清华大学出版社,2000,11[8]刘曙光，魏俊明，竺志超.模糊控制技术[M].北京:纺织工业出版社，2001,56-80[9]黄崇福.模糊理论与工程系列丛书--模糊集理论与近似推理[M].武汉大学出版社,2004.07,80-93[10]廉小亲.模糊控制技术.中国电力出版社[M],2003.08,74-100[11]王立军.模糊系统与模糊控制教程[12]张晶,汪滨琦,崔大海.基于MATLAB的转台模糊自适应控制器设计[J].应用科技,2007,[13]乔志杰,王维庆.模糊自适应控制器的设计及其仿真[J].自动化与仪表,2008,[14]王岩.模糊自适应控制器在过程控制中的应用[J].机电工程,2004,[15]李书臣,胡玉娥,赵检罗.PID参数模糊自适应控制器的设计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ACALL DELAY10 JBP3.0,MAIN2_2 JNBP3.0,$ MOV A,#1 ADDA,A1 CLR C CJNE A,#150,MAIN2_1_1 MOV A,#150 AJMP MAIN2_1_3MAIN2_1_1: JC MAIN2_1_3MAIN2_1_2: CLR C MOV A,#150MAIN2_1_3: MOV A1,A;;上面这一段是+1度按键,按下+1度;MAIN2_2: JBP3.1,MAIN2_3 ACALL DELAY10 JB P3.1,MAIN2_3 JNB P3.1,$ MOV A,A1 CJNE A,#50,MAIN2_2_1 AJMPMAIN2_2_3MAIN2_2_1:JC MAIN2_2_2CLRC MOV B,#1 SUBBA,BAJMPMAIN2_2_3MAIN2_2_2: MOV A,#50MAIN2_2_3:MOVA1,A;MAIN2_3:ACALLTRAST1MOV32H,AMOV31H,BRET;显示子程序;DISPLAY:MOV A,A1 ;将待显示的数存在70H到75H中MOV B,#100DIV AB ;显示子程序MOV 73H,A ;百位在A MOV A,B ;MOVB,#10DIVABMOV72H,A;十位在BMOV71H,B;个位在CMOV A,51H ;将的十六进制数转换成十进制MOV B,#100DIV AB ;显示子程序MOV76H,A ;百位在A MOV A,B MOVB,#10DIV