1、基于單片機的模糊溫度控制器的設計1引言本文研究的被控對象為某生產過程中用到的恒溫箱，按工藝要求需保持箱溫 100 c恒定不變。我們知道溫度控制對象大多具有非線性、時變性、大滯后等特性，采用常規的PID控制很難做到參數間的優化組合，以至使控制響應不能得到良好的動態效果。而模糊控制通過把專家的經驗或手動操作人員長期積累的經驗總結成的若干條規則，采用簡便、快捷、靈活的手段來完成那些用經典和現代控制理論難以完成的自動化和智能化的目標，但它也有一些需要進一步改進和提高的地方。模糊控制器本身消除系統穩態誤差的性能比較差，難以達到較高的控制精度，尤其是在離散有限論域設計時更為明顯，并且對于那些時變的、非線性

2、的復雜系統采用模糊控制時，為了獲得良好的控制效果，必須要求模糊控制器具有較完善 的控制規則。這些控制規則是人們對受控過程認識的模糊信息的歸納和操作經驗的總結。然而，由于被控過程的非線性、高階次、時變性以及隨機干擾等因素的影響，造成模糊控制規則或者粗糙或者不夠完善，都會不同程度的影響控制效果。為了彌補其不足，本文提出用自適應模糊控制技術，達到模糊控制規則在控制過程中自動調整和完善，從而使系統的性能不斷完善，以達到預期的效果。2自調整模糊控制器的結構及仿真(1)控制對象一般溫度可近似用一階慣性純滯后環節來表示，其傳遞函數為：G (s)=除一T虎+1式中：K對象的靜態增益；Tc對象的時間常數；-對象

3、的純滯后時間常數。本文針對某干燥箱的溫度控制,用Cohn-Coon公式計算各參數得： K=0.181; Tc=60; to =20(2)自調整模糊控制器的結構自調整模糊控制器的結構如圖1所示。圖1帶自調整因子的模糊控制器圖中a為調整因子，又稱加權因子。通過調整a值,可以改變偏差E和偏差變化EC對控 制輸出量U的加權程度，從而調整了控制規則。但是，若a值一旦選定，在整個控制過程中就不再改變，即在控制規則中對偏差、偏差變化的加權固定不變。然而 ，在實際控制中，模 糊控制系統在不同的狀態下，對控制規則中偏差 E與偏差變化EC的加權程度會有不同的要 求。為了適應被控對象的結構和參數的變化，并模擬人工控

4、制中的學習過程可以構造一個如圖1所示的帶自調整因子的模糊控制器，其實質是一個二級模糊控制系統。具體方法是：將調整因子a看作是一個模糊集,其論域為(0, 0.1,0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9,1)； 根據希望的控制性能構造 a的修改規則；根據檢測及計算得到的信息查修 正表，以選擇適當的a值；由下式計算控制量的變化值：U=-int a E+ (1)EC此時，上式所描述的控制規則體現了按誤差的大小自動調整誤差對控制作用的權重，因為這種自動調整是在整個誤差論域內進行的，所以這種自調整過程更符合人在控制決策過程中的思維，已經具有高 智能”的優化特點，且非常

5、易于通過微機實時地實現其控制思想。(3)自調整模糊控制器的仿真在模糊控制系統中，模糊控制的性能在很大程度上取決于模糊控制規則的確定是否合理 以及模糊控制器的有關參數大小選擇是否合適。簡單的模糊控制器具有設計比較簡單、控制性能比較好的特點。對于復雜的控制系統，采用相似的模糊控制規則以及一組固定不變的參 數，往往控制性能不夠理想。根據上文介紹的內容，進行以下幾種控制方法的仿真，包括：比例參數Ku的自調整模糊控制、量化因子Ke和Kec自調整模糊控制、控制規則自調整的模糊控制。仿真結果如圖 2所示。圖2自調整模糊控制仿真曲線圖圖中，第1、2、3條曲線分別代表比例參數Ku、控制規則、量化因子 Ke和Ke

6、c自調整模糊控制仿真輸出溫度曲線。它們的控制性能指標如表1所示。表1三種控制方法的控制性能比較超調量穩態誤差調節時間比例參數Ku自調整模糊控制器2%<0.01 C390s量化因子Ke和Kec自調整模糊控制器0.1%<0.01 C420s控制規則自調整模糊控制器0.1%<0.01 C270s3控制系統硬件設計本系統由PC機運行用Delphi6.0編寫的RS-232串行通信控制軟件與單片機進行串行 通信實現對溫度箱內溫度的實時控制。PC機作為上位機負責接收外部命令，由串口輸出后經接口電路發送到單片機，使其執行相應的動作。單片機作為下位機構成溫度箱的模糊控制系統。由PT100型鉗熱

7、電阻作為溫度傳感器把被控對象的溫度信號轉化為mV級電壓信號，經運算放大器放大為 05V的電壓信號，然后經串行A/D轉換得到數字量,被AT89C51單片機I/O 口讀取，和事先已存于片內的 EEPROM中的溫度電壓對照查詢表對照，即可得到實際的溫度值，一路進行在線顯示并經串 行口傳送到PC機儲存和作圖，一路作為控制器的輸入變量。控制器的輸出通過單片機的 I/O 口經D/A轉換變為模擬信號，經放大器放大后去觸發可控硅的導通角，以達到調節溫度箱加熱功率的目的。整個控制系統構成一個閉環系統，其原理圖如圖3所示。1L閨肛雙向螺沖晞LED整個控制系統也可以在沒有PC機的參與下，由AT89C51單片機獨立完

8、成控制任務，只是由于單片機功能的限制使人機交互不太理想。4控制系統軟件設計(1) PC機軟件設計PC機完成的功能主要包括：控制系統的啟動、停止，控制參數設置，儲存單片機傳送過來的實時采集的溫度數據并將其實時顯示和繪圖。軟件流程框圖如圖4所示。PC機軟件由Delphi6.0編寫，溫度曲線圖的繪制通過 TCHART控件編程實現。溫度數據的存儲通過建立 Access數據庫，將數據實時存入數據庫來實現。也叫主程序果擇時河口生福加4摘辛再工底照巧薨尊U,除密a但發港等旗 喑串片機存入軟非農(2)控制規則自調整模糊控制器的軟件設計由計算機程序實現控制規則自調整模糊控制器的控制算法，流程框圖如圖5所示。忸直

9、心.%、片制和啜料雷劭r圖券尸一8&b aft） -e（K - 1）右摸料，匕白劭AG轉執途)加式仗)篡制化憚宵輸入.輪包if小中地V 一何出! 4(|-&阿出卜典用幼兒0到事4申|我姻程序包括如下兩個部分：1）計算機離線計算查詢表程序。 查詢表的建立方法是：將調整因子a看作是一個模糊集，其 論域為（0, 0.1,0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9, 1）; 根據希望的控制性能構造 /的修改 規則；將之制成查詢表，將此表存于計算機內存中，供計算機在線控制時使用。2）計算機在線實時控制程序。該程序在模糊控制過程中完成在線計算輸入變量（誤差

10、和誤差變化率），并將它們模糊化處理，查找查詢表后再作輸出處理。具體步驟如下：設置輸入、輸出變量及控制量的基本論域，預置量化因子、比例因子和采樣周期。判斷采樣時間到否，若時間已到，則轉向第三步，否則等待。啟動A/D轉換，進行數據采集。計算誤差和誤差變化并判斷它們是否已超過上（下）限值，若已超過，則將其設定為上（下）限值。按給定的量化因子將誤差和誤差變化模糊化，并由此查詢存放在計算機內存中的a修改規則查詢表，以選擇適當的a值。由下式計算控制量的值：U=- int a e+ （-1a ） ec,將此值乘以給定的比例因子，若已超過上（下）限值，則設置為上（下）限值。啟動D/A轉換得到控制器實際輸出模擬

11、量用來控制溫度箱的溫度。（3） PC機與單片機串口通信軟件設計PC機與單片機串口通信通過 MAX3225E串口通信芯片來實現。軟件的設計包括單片機 串口通信和PC機（上位機）串口通信兩部分內容，兩者必須遵從相同的通信協議才能正常 通信。系統采用串口通信格式如下：波特率為4800bps, SMOD=1,單片機串口工作于方式 1;用T1作為定時器，工作于方式2, fOSC=11.0592M 。將以上已知條件帶入下面的串口波特率計算公式：用I I波特率=3212X 256- (TH1)計算得到：TH1=244 （ 十進制）=0F4H （ 十六進制）。數據位：8位；奇偶位：無；啟始位:1位；停止位：1

12、位。單片機串口通信程序包括串口初始化程序和中斷服務程序，用C51編寫。串口初始化程序是對串口工作方式進行設置 ，控制寄存器PCON和SCON的設置以及定時器 T1的設置。 中斷服務程序主要是采用中斷方式來接收和發送數據，同時要用軟件方式清除接收中斷標志RI（響應接收中斷后）和發送中斷標志 TI（響應發送中斷后）。單片機串口通信程序流程框 圖見圖6所示。PC機串口通信程序用于讀取單片機發來的溫度數據和向單片機發送參數及命令，用Delphi6.0編制，利用串口控件 SPCOMM可實現PC機串口通信,其流程框圖見圖7所示。打開可門運網到主程序(4)抗干擾設計系統的抗干擾能力是系統可靠性的重要指標。本

13、系統主要采用有硬件抗干擾設計和軟件 抗干擾設計。1)硬件抗干擾設計在后向通道設計中采用光電耦合器MOC3041。光電耦合器具有和高的絕緣電阻可達歐姆以上，并能承受2000V以上高壓，因而能有效隔離高電壓對微機系統的各種噪聲干擾，抑制尖峰脈沖電壓，具有很強的抗干擾能力。數字信號的傳輸采用雙絞線。雙絞線的阻抗高，抗共模噪聲能力強，能使各個小環路的電磁感應干擾相互抵消，對電磁場具有一定的抑制效果。電源線應盡量加粗。可使信號電平穩定和增加抗干擾能力，使電源線能通過3倍于印刷電路板上的允許電流。接地線盡量構成閉環路，可增加抗干擾能力。配置去耦電容。電源輸入端接10lOOF的電解電容，給每個IC集成芯片配

14、置一個0.01W的陶瓷電容器。2)軟件抗干擾設計采用限幅濾波法消除干擾，其方法是將兩次相鄰的采樣值求出其增量，然后與兩次采樣允許的最大差值 Ay進行比較；若小于或等于 Ay,則取本次采樣值，若大于Ay則取上次采 樣值作為本次采樣值，即|y n-y n-l| < A 則 yn 有效;|y n-y n-1| > A y,則 yn-1 有效。式中：y n第n次采樣值；yn-1第n-1 次采樣值；A y 卻鄰兩次采樣值允許的最大偏差。(5)誤差分析誤差主要來源是：PT100鉗熱電阻在 0c100 c范圍存在 0.1 C的誤差。A/D 轉換誤差：1/2 12 = 0.025%。被控對象即恒溫箱內溫度的不均勻導致誤差。對于第3項減少誤差的方法是在箱內安裝風扇增加流動性；另外，采取多點測量，然后取平均值作為溫度測量值。綜合以上可知，系統總的誤差小于 0.3 C。5