模糊PID温度控制系统设计.docx
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模糊PID温度控制系统设计
模糊PID温度控制系统设计
摘要:
模糊PID的温度控制系统具有真正的智能化和灵活性,越来越多的温度控制系统都基于模糊PID算法而设计。
当控制对象很复杂的情况下,常规PID温度控制器已经不再适用了,为了提高对复杂系统的控制性能,要使用模糊PID温度控制器。
本文设计了一种基于模糊PID的温度控制系统,以AT89C51单片机为核心,首先介绍了模糊PID控制理论基础、系统的硬件设计以及硬件选择,其次从硬件和软件两方面介绍了MCS-51单片机温度控制系统的设计思路,简单说明如何实现对温度的控制,并对硬件原理图和程序框图作了简洁的描述。
关键词:
模糊PID;单片机;温度传感器;温度控制
FuzzyPIDTemperatureControlSystemDesigning
Abstract:
FuzzyPIDtemperaturecontrolsystemwithrealintelligenceandflexibility,moreandmoretemperaturecontrolsystemsaredesignedbasedonfuzzyPIDalgorithm.Whenthecontrolobjectisacomplexsituation,conventionalPIDtemperaturecontrollerisnolongerapplied,inordertoimprovethecontrolperformanceofcomplexsystems,tousethefuzzyPIDtemperaturecontroller.
Thisdesignpresentsafuzzy-basedPIDtemperaturecontrolsystemtoAT89C51SCM,madethefollowingmain,firstintroducethetheoryoffuzzyPIDcontrol,forthehardwaredesignandhardwareselection,secondsingle-chip’stemperaturecontrolsystemisintroducedfromhardwareandsoftware,andsimplyexplainshowtoactualizethetemperaturecontrol.
Keywords:
FuzzyPID;Single—ChipMicrocomputer;Temperaturesensor;Temperaturecontrolling
一、引言………………………………………………………1
(一)课题的提出和意义 ………………………………4
(二)概述…………………………………………………4
(三)PID控制器的发展…………………………………6
二、模糊PID控制…………………………………………7
(一)模糊PID控制发展及优点…………………………7
(二)模糊控制理论………………………………………9
(三)模糊PID控制算法………………………………11
三、模糊PID温度控制系统的设计…………………………14
(一)系统硬件电路模型的建立………………………14
(二)系统设计原则及系统总电路图…………………15
(三)单片机和温度传感器的选择……………………16
(四)系统软件设计……………………………………25
四、系统调试………………………………………………28
(一)常见的硬件故障……………………………………28
(二)联机调试和脱机调试……………………………29
(三)软件调试方法……………………………………31
(四)误差分析…………………………………………32
五、结论……………………………………………………33
六、参考文献………………………………………………34
一、引言
(一)课题的提出和意义
随着社会的发展,温度的测量及控制变得越来越重要。
无论你生活在任何地方,从事什么工作,无时无刻不在与温度打着交道。
在工业高速发展中为了高效的进行生产,其中温度的测量及控制扮演者重要的角色。
准确测量和有效控制温度是优质,高产,低耗和安全生产的重要条件。
在钢铁、冶金、水泥、玻璃、医药等行业,可以说几乎80%的工业部门都不得不考虑着温度的因素。
温度的测量和控制不但对于工业非常重要,在农业生产中温度的测量与控制也有着十分重要的意义。
(二)概述
温度是生活及生产中最基本的物理量,它表征的是物体的冷热程度。
自然界中任何物理、化学过程都紧密的与温度相联系。
在很多生产过程中,温度的测量和控制都直接和安全生产、提高生产效率、保证产品质量、节约能源等重大技术经济指标相联系。
因此,温度的测量与控制在国民经济各个领域中均受到了相当程度的重视。
温度控制,在工业自动化控制中占有非常重要的地位。
单片机系统的开发应用给现代工业测控领域带来了一次新的技术革命,自动化、智能化均离不开单片机的应用。
将单片机控制方法运用到温度控制系统中,可以克服温度控制系统中存在的严重滞后现象,同时在提高采样频率的基础上可以很大程度的提高控制效果和控制精度。
现代自动控制越来越朝着智能化发展,在很多自动控制系统中都用到了工控机,小型机、甚至是巨型机处理机等,当然这些处理机有一个很大的特点,那就是很高的运行速度,很大的内存,大量的数据存储器。
但随之而来的是巨额的成本。
在很多的小型系统中,处理机的成本占系统成本的比例高达20%,而对于这些小型的系统来说,配置一个如此高速的处理机没有任何必要,因为这些小系统追求经济效益,而不是最在乎系统的快速性,所以用成本低廉的单片机控制小型的,而又不是很复杂,不需要大量复杂运算的系统中是非常适合的。
温度控制,在工业自动化控制中占有非常重要的地位,如在钢铁冶炼过程中要对出炉的钢铁进行热处理,才能达到性能指标,塑料的定型过程中也要保持一定的温度。
随着科学技术的迅猛发展,各个领域对自动控制系统控制精度、响应速度、系统稳定性与自适应能力的要求越来越高,被控对象或过程的非线性、时变性、多参数点的强烈耦合、较大的随机扰动、各种不确定性以及现场测试手段不完善等,使难以按数学方法建立被控对象的精确模型的情况。
随着电子技术以及应用需求的发展,单片机技术得到了迅速的发展,在高集成度,高速度,低功耗以及高性能方面取得了很大的进展。
伴随着科学技术的发展,电子技术有了更高的飞跃,我们必须要好好地利用温度的测量和控制。
今天,我们的生活环境和工作环境有越来越多称之为单片机的小电脑在为我们服务。
单片机在工业控制、尖端武器、通信设备、信息处理、家用电器等各测控领域的应用中独占鳌头。
时下,家用电器和办公设备的智能化、遥控化、实现模糊控制化己成为世界潮流,而这些高性能无一不是靠单片机来实现的。
(三)PID控制器的发展
目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。
同时,控制理论的发展也经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。
智能控制的典型实例是模糊全自动洗衣机等。
自动控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。
一个控制系统包括控制器、传感器、变送器、执行机构、输入输出接口。
控制器的输出经过输出接口、执行机构,加到被控系统上;控制系统的被控量,经过传感器,变送器,通过输入接口送到控制器。
不同的控制系统,其传感器、变送器、执行机构是不一样的。
比如压力控制系统要采用压力传感器。
电加热控制系统的传感器是温度传感器。
目前,PID控制及其控制器或智能PID控制器已经很多,产品已在工程实际中得到了广泛的应用,有各种各样的PID控制器产品,各大公司均开发了具有PID参数自整定功能的智能调节器,其中PID控制器参数的自动调整是通过智能化调整或自校正、自适应算法来实现。
有利用PID控制实现的压力、温度、流量、液位控制器,能实现PID控制功能的可编程控制器,还有可实现PID控制的PC系统等等。
二、模糊PID控制
(一)模糊PID控制发展及优点
PID控制策略是最早发展起来的控制策略之一,现金使用的PID控制器产生并发展于1915-1940年期间尽管自1940年以来,许多先进的控制方法不断的推出,但由于PID控制具有结构简单、鲁棒性好、可靠性高、参数易于整定,P、I、D控制规律各自成独立环节,可根据工业过程进行组合,而且其应用时期较长,控制工程师们已经积累大量的PID控制器参数的调节经验。
因此,PID控制器在工业控制中仍然得到广泛的应用,许多工业控制器仍然采用PID控制器。
PID控制器的发展经历了液动式、气动式、电动式几个阶段,目前正由模拟控制器向着数字化、智能化控制器的方向发展[2]。
在工程实际中,应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制,简称PID控制,又称PID调节。
PID控制器问世至今已有近70年历史,它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。
当被控对象的结构和参数不能完全掌握,或得不到精确的数学模型时,控制理论的其它技术难以采用时,系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定,这时应用PID控制技术最为方便。
即当我们不完全了解一个系统和被控对象,或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时,最适合用PID控制技术。
PID控制,实际中也有PI和PD控制。
PID控制器就是根据系统的误差,利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。
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。
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。
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。
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。
(二)模糊控制理论
模糊控制是一种基于规则的控制,它直接采用语言型控制规则,出发点是现场操作人员的控制经验或相关专家的知识,在设计中不需要建立被控对象的精确的数学模型,因而使得控制机理和策略易于接受与理解,设计简单,便于应用[4]。
由工业过程的定性认识出发,比较容易建立语言控制规则,因而模糊控制对那些数学模型难以获取,动态特性不易掌握或变化非常显著的对象非常适用。
基于模型的控制算法及系统设计方法,由于出发点和性能指标的不同,容易导致较大差异;但一个系统语言控制规则却具有相对的独立性,利用这些控制规律间的模糊连接,容易找到折中的选择,使控制效果优于常规控制器。
模糊控制是基于启发性的知识及语言决策规则设计的,这有利于模拟人工控制的过程和方法,增强控制系统的适应能力,使之具有一定的智能水平。
模糊控制系统的鲁棒性强,干扰和参数变化对控制效果的影响被大大减弱,尤其适合于非线性、时变及纯滞后系统的控制。
常规的PID控制系统原理框图如下图所示,系统由PID控制器和被控对象组成。
r(t)e(t)Pc(t)
PID控制系统原理框图
PID控制器是一种线性控制器,它根据给定值r(t)与实际输出值c(t)构成控制偏差:
e(t)=r(t)-c(t)(2-1)
将偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)通过线性组合构成控制量,对被控对象进
控制,故称PID控制器。
PID控制器各校正环节的作用如下:
1.比例环节即时成比例地反映控制系统的偏差信号e(t),偏差一旦产生,控制器立即产生控制作用,以减少偏差;
比例调节的方程为:
y=Kp*e(t)(2-2)
其中,y为比例调节器的输出量,Kp为比例系数,e(t)为调节器的输入或偏差值。
而e(t)可表示成:
e(t)=Vo–V(t)(2-3)
这里Vo为设定的目标值,V(t)为t时刻的采样值。
比例调节器的输出变化与输入偏差成比例。
比例调节作用的大小除了与偏差e(t)有关外,主要取决于比例系数Kp的大小。
Kp越大,比例调节作用越强,反之则越弱。
但对于大多数系统来说,Kp太大时,会引起系统自激振荡。
比例调节的优点是调节及时,只要偏差e(t)一出现,就能及时产生与之成比例的调节作用。
缺点是存在振荡,而且如果单纯采用比例调节,那么系统一定会存在静差。
这是因为比例调节的输出正比于偏差值,若偏差为零,则输出也为零,此时系统不可能达到平衡。
比例系数越小,过渡过程越平稳,但静差越大。
比例系数越大,则过渡过程曲线振荡越厉害,当比例系数过大时,甚至可能出现发散振荡的情况。
因此,对于扰动较大,惯性也较大的系统,若采用单纯的比例调节,就难以兼顾动态和静态的特性。
2.积分环节主要用于消除静差,提高系统的无差度。
;
3.微分环节能够反映偏差信号的变化趋势(变化速率),并且能在偏差信号值变得太大之前,在系统中引入一个有效的早期修正信号,从而加快系统的动作速度,减少调节时间[7]。
(三)模糊PID控制算法
由于计算机控制是一种采样控制系统,它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量。
因此,式2-3中的积分和微分项不能直接使用,需要进行离散化处理现令T为采样周期,以一系列的采样时刻点KT代表连续时间t,以累加求和近似代替积分以一阶后向差分近似代替微分做如下的近似变换[1]:
(2-4)
(2-5)
(2-6)
其中,T为采样周期,e(k)为系统第k次采样时刻的偏差值,e(k-l)为系统第(k-l)次采样时刻的偏差值,k为采样序号,k=0,1,2,…。
将上面的式2-4和式2-5代入式2-6则可以得到离散的PID表达式:
(2-7)
如果采样周期了足够小,该算式可以很好的逼近模拟PID算式,因而使被控过程与连续控制过程十分接近。
通常把式2-7称为PID的位置式控制算法。
若在式2-7中,令:
(称为积分系数)①
(称为微分系数)②
则
(2-8)
(2-8)式即为离散化的位置式PID控制算法的编程表达式。
可以看出,每次输出与过去的所有状态都有关,要想计算u(k),不仅涉及e(k)和e(k-l),且须将历次e(j)相加,计算复杂,浪费内存。
下面,推导计算较为简单的递推算式。
为此,对(2-8)式作如下的变动:
考虑到第(k-1)次采样时有:
(2-9)
使(2-8)两边对应减去(2-9)式得
③
整理后得
(2-10)
其中:
;
;
式(2-10)就是PID位置式的递推形式
如果令
,则:
(2-11)
式中
、
、
同式(2-10)中一样。
因为在计算机控制中式中
、
、
都可以事先求出,所以,实际控制时只须获得
、
、
三个有限的偏差值就可以求出控制增量。
由于其控制输出对应执行机构的位置的增量,故(2-11)式通常被称为PID控制的增量式算式[3]。
增量式PID控制算法与位置式控制算法比较,有如下的一些优点:
(1)位置式算法每次输出与整个过去状态有关,算式中要用到过去偏差的累加值
,容易产生较大的累计误差。
而增量式中只须计算增量,控制增量的确定仅与最近几次偏差采样值有关,当存在计算误差或者精度不足时,对控制量的影响较小,且较容易通过加权处理获得比较好的控制效果;
(2)由于计算机只输出控制增量,所以误动作影响小,而且必要时可以用逻辑判断的方法去掉,对系统安全运行有利;
(3)手动与自动切换时冲击比较小。
三、模糊PID温度控制系统的设计
(一)系统硬件电路模型的建立
模糊PID温度控制系统主要包括单片机控制模块,温度采集模块,温度显示模块,温度上下限调整模块,电机驱动模块和外部存储模块等六大部分。
系统总体框图如图3-1所示[3]。
图
3-1系统总体框图
(1)单片机控制模块:
它是系统的核心模块,用来控制其他各个模块的工作情况。
(2)温度采集模块:
该模块用来采集控制对象的温度,并输入到单片机中。
(3)温度设定模块:
用来设定所需求的温度。
(4)温度超限报警模块:
当温度高于上限或者低于下限时,该模块启动,以实现更好的人机交流。
(5)电机驱动模块:
该模块分为两个部分;加热装置与散热装置。
(6)外部存储模块:
用来存储设定温度的上限值和下限值。
(7)温度显示模块:
显示当前设定的温度值。
(二)系统设计目标、原理及系统总电路图
1.系统设计目标
用单片机对温度进行实时检测和控制,以解决工业及日常生活中对温度的及时自动控制问题;用十进制数码显示实际温度值,方便人工监视;用键盘输入温度控制范围值,便于在不同应用场所设置不同温度范围值。
当实际温度值不在该范围时,系统能自动调节温度,以保持设定的温度基本不变,达到自动控制的目的。
系统的温度最小区分度为1℃。
在环境温度变化时,温度控制的静态误差小于等于0.5℃。
[9]
2.系统设计原理
本设计采用AT89C51单片机应用系统来实现设计要求,因AT89C51在片内含4KB的EEPROM,不需外扩展存储器,可使系统整体结构简单。
利用AT89C51串行口输出工作方式,使AT89C51的利用率大大提高,外部电路得以简化。
AT89C51可直接对键盘进行扫描读数,可直接用串/并转换模块驱动LED显示温度值。
因其利用率高,负载重,后相电路只需加一块同相驱动器即可正常工作。
在串行传输数据时,频率可达到1MHz,对温度的显示完全达到测控精度要求。
3.系统总电路图
系统总设计图如图3-2所示
图3-2系统总设计图
(三)单片机和温度传感器的选择
1.单片机的选择
本文选用AT89C51单片机,AT89C51是一种带4K字节闪存可编程可擦除只读存储器(FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory)的低电压、高性能CMOS8位微处理器,俗称单片机[10]。
AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
主要特性:
与MCS-51兼容
4K字节可编程闪烁存储器
寿命:
1000写/擦循环
数据保留时间:
10年
全静态工作:
0Hz-24MHz
三级程序存储器锁定
128×8位内部RAM
32可编程I/O线
两个16位定时器/计数
5个中断源
可编程串行通道
低功耗的闲置和掉电模式
片内振荡器和时钟电路
图3-3AT89C51单片机示意图
管脚说明:
VCC:
供电电压。
GND:
接地。
P0口:
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口,每脚可吸收8TTL门电流。
当P1口的管脚第一次写1时,被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器,它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FIASH编程时,P0口作为原码输入口,当FIASH进行校验时,P0输出原码,此时P0外部必须被拉高。
P1口:
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口,P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后,被内部上拉为高,可用作输入,P1口被外部下拉为低电平时,将输出电流,这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时,P1口作为第八位地址接收。
P2口:
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2口缓冲器可接收,输出4个TTL门电流,当P2口被写“1”时,其管脚被内部上拉电阻拉高,且作为输入。
并因此作为输入时,P2口的管脚被外部拉低,将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时,P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时,它利用内部上拉优势,当对外部八位地址数据存储器进行读写时,P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口:
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口,可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后,它们被内部上拉为高电平,并用作输入。
作为输入,由于外部下拉为低电平,P3口将输出电流(ILL)这是由于上拉的缘故。
RST:
复位输入。
当振荡器复位器件时,要保持RST脚两个机器周期的高电平时当8051通电,时钟电路开始工作,在RESET引脚上出现24个时钟周期以上的高电平,系统即初始复位。
初始化后,程序计数器PC指向0000H,P0-P3输出口全部为高电平,堆栈指钟写入07H,其它专用寄存器被清“0”。
RESET由高电平下降为低电平后,系统即从0000H地址开始执行程序。
然而,初始复位不改变RAM(包括工作寄存器R0-R7)的状态[5]。
ALE/PROG:
当访问外部存储器时,地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间,此引脚用于输入编程脉冲。
在平时,ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号,此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是:
每当用作外部数据存储器时,将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时,ALE只有在执行MOVX,MOVC指令是ALE才起作用。
另外,该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止,置位无效。
PSEN:
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间,每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时,这两次有效的/PSEN信号将不出现。
EA/VPP:
当/EA保持低电平时,则在此期间外部程序存储器(0000H-FFFFH),不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时,/EA将内部锁定为RESET;当/EA端保持高电平时,此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间,此引脚也用于施加12V编程电源(VPP)。
XTAL1:
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2:
来自反向振荡器的输出。
振荡器特性:
XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。
该反向放大器可以配置为片内振荡器。
石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。
如采用外部时钟源驱动器件,XTAL2应不接。
有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器,因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求,但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。
芯片擦除:
整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合,并保持ALE管脚处于低电平10ms来完成。
在芯片擦操作中,代码
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