模糊PID的单片机温度控制系统设计

2011 届本科生毕业 论文（设计）题目： 模糊 PID 的单片机温度控制统的设计 作 者 姓 名： 学 号： 系 (院) ： 机 电 学 院 专 业： 电气工程及其自动化 指导教师姓名： 指导教师职称： 讲 师 2010 年 10 月 01 日Suzhou UniversityYear 2011 Bachelor Graduation DesignTitle: The Single-chip Fuzzy PID Temperature Control System Design Author: Haitao PuStudent ID: 2007080517Department: Machinery and Electronics Engineering InstituteMajor: Electrical Engineering and Automation Instructor: Shuiying ZhaoProfessional Title: LecturerOctober 1st, 2010摘 要模糊控制是一种模仿人的智能的控制方法，它不依赖于对象的数学模型，而是依据人的经验通过对模糊信息的处理做出对复杂对象的控制。模糊控制是建立在模糊推理基础上的一种非线性控制策略，它通过模糊语言表达了人们的操作经验以及常识推理规则。采用这种控制策略的控制器就叫模糊控制器，它是一种语言型控制器，在近年来得到很快的发展。模糊控制器是以模糊集理论为基础发展起来的，它能够方便地将专家的经验与推理输入到计算机中,使计算机在控制时可以像人一样思考并解决问题,从而达到控制被控对象的目的。实践证明模糊控制器有更快的响应和更小的超调,对过程参数的变化也不敏感,具有很强的鲁棒性,可以克服非线性因素的影响。模糊控制器的明显的特点总结为以下五点：（1）无需知道被控对象的数学模型； （2）是一种反映人类智慧思维的智能控制 ；（3）易被人们接受； （4）构造容易 ；（5）鲁棒性好。基于模糊控制具有以上如此明显的优点，所以模糊控制非常适用于非线性、数学模型不确定的控制对象，对被控对象的时滞非线性和时变性具有一定的适应能力，同时对噪声也有较强的抑制作用。但模糊控制器本身消除系统稳态误差的性能比较差，难以达到较高的控制精度，而 PID 控制正好可以弥补其不足。因此如果采用模糊控制与经典 PID 控制相结合的控制策略,则可以扬长避短,使系统既有 PID 控制的精度高的特点,又具有模糊控制的灵活、适应性强的特点。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，主要做了如下几方面的工作：首先介绍了模糊 PID 控制理论基础，其次进行系统的硬件设计以及硬件选择，最后进行系统的软件设计以及仿真。关键词：模糊 PID； AT89C51 单片机 温度控制； 仿真AbstractFuzzy control is a kind of imitation of human intelligence control method; it does not depend on the mathematical model of the object, but according to his experience on fuzzy information processing to make the control of complex objects. Fuzzy control is based on fuzzy reasoning based on a nonlinear control strategy, which the people expressed through the vague language of the operating experience and common sense rules of inference. The controller using this control strategy called fuzzy controller, it is a language-based controller, in recent years has been very rapidly. Fuzzy controller based on fuzzy set theory developed, it can easily experience and reasoning of expert input into the computer, when the computer thinks like a person in the control and solves problems in order to control the controlled object purposes. Practice has proved that fuzzy controller has a faster response and smaller overshoot, the process is not sensitive to parameter changes, with strong robustness, non-linear factors can be overcome. The characteristics of the fuzzy controller was summarized in the following five points: (1) without knowledge of the mathematical model of controlled object (2) is a reflection of the thinking of the intelligent control of human intelligence (3) easily people accept (4) structure is easy (5) robustness Fuzzy control has obvious advantages over that, it is very suitable for fuzzy control of nonlinear uncertain mathematical model of control object, the object of the alleged degeneration of nonlinear and time has a certain ability to adapt, while the noise also have a strong inhibitory effect. But the fuzzy controller to eliminate steady-state error of their relatively poor performance, it is difficult to achieve high control accuracy, and PID control just to make up for its shortcomings. So if the fuzzy control and PID control of a combination of classical control strategy, you can avoid weaknesses, so that both the PID control system, high precision, but also has fuzzy control of flexible and adaptable features. This design presents a fuzzy-based PID temperature control system to AT89C51 SCM made the following main areas of work: first introduce the theory of fuzzy PID control second for the hardware design and hardware design and finally to the system software design and simulation.Keywords: Fuzzy PID; AT89C51 SCM; temperature control; simulation目 录第一章 绪论 .11.1 选题背景及其意义 .1.2 概述 .1.3 温度测控技术的发展与现状 .1.3.1 定值开关控温法 .1.3.2PID 线性控温法 .21.3.3 智能温度控制法 .2第二章 模糊 PID 控制理论 .42.1PID 控制器 .42.1.1PID 控制的发展 .42.1.2PID 控制理论 .42.1.3PID 控制算法 .52.2 模糊控制原理 .72.2.1 模糊控制系统的基本概念 .72.2.2 模糊控制系统的组成 .72.2.3 模糊控制的基本原理 .82.3 模糊 PID 复合控制算法 .92.3.1 模糊 PID 复合算法 .92.3.2 模糊 PID 算法运用 .10第三章 模糊 PID 温度控制系统硬件设计 .133.1 系统硬件电路构成 .133.2 系统设计原则及系统总电路图 .133.2.1 系统设计原则 .133.2.2 系统总电路图 .143.3 单片机的选择 .143.4 温度传感器的选择 .183.4.1DS18B20 简介 .183.4.2DS18B20 的性能特点 .193.4.3DS18B20 的管脚排列 .193.4.4DS18B20 的内部结构 .203.4.5DS18B20 的测温原理 .203.5 数码管输出 .213.6 键盘接口电路 .223.7 蜂鸣电路 .233.8 外部存储模块 .233.9 电机驱动模块 .23第四章 系统软件设计 .254.1 主程序模块 .254.2 温度传感器 DS18B20 模块 .254.3LED 显示模块 .274.4 键盘控制模块 .27第五章 系统的仿真 .295.1 仿真工具 .295.2 MATLAB 及其模糊逻辑工具箱和仿真环境 .295.2.1MATLAB 概况 .295.2.2 模糊逻辑工具箱 .295.3 模糊 PID 的仿真 .305.3.1 控制对象模型 .305.3.2MATLAB 仿真 .315.4 仿真结果与分析 .33结论 .35参考文献 .36附 录 .37附件一:部分源程序 .371.DS18B20 相关子程序 .372.LED 相关子程序 .373.按键相关子程序 .38附件二：英文文献 .41附件三：系统总电路图 .49谢 辞 .49第一章绪论1.1 选题背景及其意义温度是表示物体冷热程度的物理量，微观上来讲是物体分子热运动的剧烈程度。温度与人的生活密不可分，我们无时无刻不在和温度打着交道。地球人类对大气的无节制排放所引起的地球整体升温，厄尔尼诺现象，地球温室效应，对整个地球的生态平衡同时也影响这人类和谐发展。自工业革命开始以来，温度又与工业产生了紧密的联系。大部分工业部门都被温度因素所制约。在农业的发展中温度的监控直接影响农作物的生长。对温度的严密检测与监控直接和生产安全，生产效率，产品质量等重大经济指标相关联。因此，温度的测量与监控在生产生活的各个方面都受到了极大的重视。1.2 概述单片机是一种集成电路芯片。目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能 IC 卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械以及各种智能机械了。因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域。1.3 温度控制技术温度的测量与控制在国防、军事、科学实验等方方面面有着十分重要的作用。温度控制成为了各项实验活动的重要环节。温度控制的是否成功成为了整个活动中的决定性因素。而不同的行业已经有了不同的温度控制方法。按调节原理来分主要分为：位式、PID、模糊控制、PID 加模糊控制等等手段。在温度控制系统中，先将被测温度由传感器转化成电信号，在和所期望的设定值进行比较。通过比较得到的差推出相应的控制值。再把这个值传递给控制系统，进行相应的监控与调节，反复重复该项工作。就可以达到监控调节的目的。而该过程全程非手动控制称为自动控制。自动控制的实质就是用机器代替人的观察和思维来操作。1.3.1 位式控制位式控制是较早出现的一种简单的控制器，它的特点是结构简单、成本低廉、使用维修方便。当测量温度低于设定温度时，接通电源，温度上升，当测量温度高于设定温度时，断开电源，温度降低。重复这个过程，使温度适中控制在规定的范围内波动。目前这种控制方法依然被我国许多工厂所采用。但是此种方法断开连接的过程中会使温度波动较大，不适用于比较精细的测量控制实验中。1.3.2 PID 线性控制1.3.2 PID 线性控温法传统的温度控制器的电热元件一般以电热棒、发热圈为主，两者里面都用发热丝制成。传统的定点开关控制温度会有正负误差几度的现象，但这不是温度控制器本身的问题，而是整个热系统的结构性问题，使温度控制器控温产生一种惯性温度误差。要解决温度控制器这个问题，采用 PID 控制技术，是明智的选择。 PID 控制，是针对以上的情况而制定的、新的温度控制方案。PID 线性控温方法是基于经典控制理论中的 PID 调节器控制原理，PID 控制是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单、鲁棒性好、可靠性高等优点被广泛应用工业过程控制中，尤其适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统。由于 PID 调节器模型中考虑了系统的误差、误差变化及误差积累三个因素，因此，其控制性能大大地优越于定值开关控温。其具体控制电路可以采用模拟电路或计算机软件方法来实现 PID 调节功能。前者称为模拟 PID 控制器，后者称为数字 PID 控制器。其中数字 PID 控制器的参数可以在现场实现在线整定，因此具有较大的灵活性，可以得到较好的控制效果。采用这种方法实现的温度控制器，其控制品质的好坏主要取决于三个 PID 参数（比例值、积分值、微分值）。只要 PID 参数选取的正确，对于一个确定的受控系统来说，其控制精度是比较令人满意的。但是，它的不足也恰恰在于此，当对象特性一旦发生改变，三个控制参数也必须相应地跟着改变，否则其控制品质就难以得到保证。1.3.3 智能温度控制法为了克服 PID 线性控温法的弱点，人们相继提出了一系列自动调整 PID 参数的方法，如 PID 参数的自学习，自整定等。并通过将智能控制与 PID 控制相结合，从而实现温度的智能控制。智能控温法以神经网络和模糊数学为理论基础，并适当加以专家系统来实现智能化。其中应用较多的有模糊控