高级过程控制

二一一 二一二学年第 二 学期信息科学与工程学院高级过程控制论文课程名称： 高级过程控制 专 业： 控制理论与控制工程 学 号： XXXXXXXX 姓 名： X X X 指导教师： X X X 二一二年 四 月 十 日 2PID控制在烘烤箱温度测控系统中的应用 温度是一个基本的物理量，是生产过程和科学实验中最普遍而又十分重要的物理参数，对它的测量与控制有十分重要的意义。自18世纪工业革命以来，工业发展对是否能掌握温度有着绝对的联系。准确地测量和有效地控制温度是优质、高产、低耗和安全生产的重要条件，如冶金工业的加热炉、电力工业的锅炉、化学工业的反应炉等设备，可以说几乎80%的工业部门都不得不考虑着温度的因素。即使日常生活中的微波炉、电烤箱、电热水器、空调等家用电器也同样需要温度监控。可见温度测控广泛应用于社会生活的各个领域，所以对温度的测控具有十分重要的意义。温度控制技术发展经历了三个阶段：定值开关控制、PID控制、智能控制。定值开关控制方法的原理是若所测温度比设定温度低，则开启控制开关加热，反之则关断控制开关。其控温方法简单，没有考虑温度变化的滞后性、惯性，导致系统控制精度低、超调量大、震荡明显。PID控制温度的效果主要取决于P、I、D三个参数。PID控制对于确定的温度系统，控制效果良好，但对于控制大滞后、大惯性、时变性温度系统，控制品质难以保证。烘烤箱是由电阻丝加热升温，靠自然冷却降温，当烘烤箱温度超调时无法靠控制手段降温，因而烘烤箱温度控制具有非线性、滞后性、惯性、不确定性等特点。目前国内成熟的烘烤箱温度测控系统以PID控制器为主，PID控制对于小型实验控制效果良好，但对于大型工业就难以保证电阻炉控制系统的精度、稳定性等。智能控制是一类无需人的干预就能独立驱动智能机械而实现其目标的自动控制，随着科学技术和控制理论的发展，国外的温度测控系统发展迅速，实现对温度的智能控制。应用广泛的温度智能控制的方法有模糊控制、神经网络控制、专家系统等，具有自适应、自学习、自协调等能力，保证了控制系统的控制精度、抗干扰能力、稳定性等性能。1 温度测控系统总体设计及原理1.1 系统的主要功能 （1） 对烘烤箱进行温度检测和升温、恒温控制； （2） 显示检测温度值； （3） 当超越上限或下限时自动报警； （4） 设定和修改要保持的温度值。1.2 系统的工作原理 调功原理可以用来控制烘烤箱的电功率从而实现温度的调节。 在温控系统中，温度传感器把测量的温度信号转换成弱电压信号，经过信号调理电路进行放大、滤波及线性化处理，调理后的信号输入到A/D转换器转换成数字信号输入单片机，并送往外接显示电路。单片机对烘烤箱温度和设定温度进行比较，如果越限（上限或下限），则软件触发单片机输出控制脉冲控制晶闸管的通断时间，以达到对烘烤箱温度的调节和功率的改变，实现对烘烤箱的恒温和升温控制5。当当前温度低于设定温度时，单片机控制加热电路连通，温度慢慢升高；当当前温度高于设定温度时，单片机控制加热电路断开，温度慢慢下降。1.3 系统的总体结构 系统工作原理图见图1-1。烘 烤 箱显 示单 片 机信号调理电路温度传感器A/D转换 光耦驱动双向晶闸管D/A转换报 警 过零控制电路键 盘220图1-1 系统工作原理框图2 温度测控系统PID控制设计2.1 PID控制理论2.1.1 PID概述PID的发展过程，很大程度上是它的参数整定方法和参数自适应方法的研究过程。自Ziegler和Nichols提出PID参数整定方法起，有许多技术已经被用于PID控制器的手动和自动整定。PID控制是迄今为止最为通用的控制方法。大多数反馈控制用该方法或其较小的变形来控制。PID调节器及其改进型是在工业过程控制中最常用的控制器。2.1.2 PID控制的基本原理比例 PID控制器是一种比例、积分、微分并联控制器，它是最广泛应用的一种控制器，其控制原理图如图2-1。u(t)y(t)r(t)被控对象微分 + +积分 +图2-1 PID控制原理图PID控制器的数字模型可以用下式表示 （2-1）式中 控制器输出 控制器输入，它是给定值和被控对象输出值的差，称为偏差信号 控制器的比例系数 控制器的积分时间 控制器的微分时间在PID控制器中，它的数字模型由比例、积分、微分三部分组成：（1） 比例部分比例部分数学表达式如下 （2-2）偏差一旦产生，控制器立即有控制作用，使控制量朝着减小偏差的方向变化，控制作用强弱取决于比例系数。越大，则过渡过程越短，控制结果的稳态误差也越小；但越大，超调量也越大，越容易产生振荡，导致动态性能变坏，甚至会使闭环系统不稳定。故而，比例系数必须选择适当，才能取得过渡时间少、稳态误差校而又稳定的效果。（2） 积分部分积分部分数学表达式如下 （2-3）由上可知，只要存在偏差，则它的控制作用就会不断的积累输出控制量以消除偏差，可见，积分部分的作用可以消除系统的偏差。但是积分作用具有滞后特性，积分控制作用太强会使系统超调加大，控制的动态性能变差，甚至会使闭环系统不稳定。积分时间对积分部分作用影响极大。当较小时，则积分作用较弱，这时，有利于系统减小超调，过渡过程不易产生振荡，但消除误差所需时间较长；当较小时，则积分作用较强，这时系统过渡过程中有可能产生振荡，消除误差所需时间较短。（3） 微分部分微分控制数学表达式如下 （2-4）微分控制得出偏差的变化趋势，增大微分控制作用可加快系统响应，减小超调量，克服振荡，提高系统的稳定性，但使系统抑制干扰能力降低。微分部分的作用强弱由微分时间决定。越大，则它抑制变化的作用就越强；越小，它反抗变化的作用越弱。它对系统的稳定性有很大影响。在计算机直接数字控制系统中，控制器是通过计算机PID控制算法程序实现的。PID计算机直接数字控制系统大多数是采样数据控制系统。进入计算机的连续时间信号，必须经过采样和整量化后，变成数字量，方能进入计算机的存储器和寄存器，而在数字计算机中的计算和处理，不论是积分还是微分，只能用数值计算去逼近。在数字计算机中，PID控制规律的实现，也必须用数值逼近的方法。当采样周期相当短时，用求和代替积分，用差商代替微商，使PID算法离散化，将描述连续时间PID算法的微分方程变为描述离散时间PID算法的差分方程，即为数字PID位置型控制算式，如下 （2-5）式中 k采样周期时的输出 k采样周期时的偏差 采样周期令 ，即有 （2-6）2.2 模糊控制理论2.2.1 模糊控制概述1965年，美国加利福尼亚大学Zadeh教授发表了模糊集合论一文，标志着模糊数学的诞生。模糊自动控制是以模糊数学为理论基础，即以模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制，属于智能控制方法。随着科学技术的迅速发展，各个领域对自动控制系统控制精度、响应速度、系统稳定性与适应能力的要求越来越高，所研究的系统也日益复杂多变。模糊控制从1974年到现在，有三十多年的历史。在这段时间中，模糊控制经历了二个阶段，即简单模糊控制阶段和自我完善模糊控制阶段。模糊控制在实践应用中，具有许多传统控制无法与之比拟的优点，其中主要有： （1） 使用语言方法，可不需要掌握过程的精确数学模型； （2） 对于具有一定操作经验，但非控制专业的工作者，模糊控制易于掌握； （3） 操作人员易于通过人的自然语言进行人机界面联系，这些迷糊条件语句很容易加入到过程的控制环节上； （4） 采用模糊控制，过程的动态响应品质优于常规PID控制，并对过程参数的变化具有较强的适应性。2.2.2 模糊控制的基本原理被控量给定值模糊控制系统基本原理框图如图2-1所示。执行机构被控对象D/A模糊控制器A/D-+传感器图2-2 模糊控制系统原理框图其中的核心部分为模糊控制器，由于模糊控制器的控制规则是根据操作人员的控制经验所得，所以它的作用就是模仿人工控制。模糊控制器的控制规律由计算机的程序实现。其功能的实现是要先把计算机观测控制过程得到的精确量转化为模糊输入信息，按照总结人的控制经验及策略取得的语言控制规则进行模糊推理和模糊决策，求得输出控制量的模糊集，再经去模糊化处理得到输出控制的精确量，作用于被控对象。因此，模糊控制器的结构通常是由它的输入和输出变量的模糊化、模糊推理算法、模糊合成和模糊判决等部分组成。这样就确定了模糊控制器（FLC）的基本原理，如图2-3所示。输出量清晰化模糊控制规则模糊化输入量d/dt图2-3 模糊控制器（FLC）原理图由此可见，模糊控制器实质上是反映输入语言变量与输出语言变量及语言控制规则的模糊定量关系算法结构，一般常用的是二维模糊控制器，即以偏差和偏差变化率作为输入，工作过程可概括为下述几个步骤： （1） 将输入变量的精确值变为模糊值； （2） 根据输入变量及模糊控制规则，按模糊推理合成规则计算控制量； （3） 上述得到的控制量（模糊量）清晰化计算得到精确的控制量。2.3 模糊PID控制众所周知，在线性控制理论中，积分控制作用能消除稳态误差，但动态响应慢；比例控制作用动态响应快；而比例积分控制作用既能获得较高的精度，又能具有较快的动态响应。故把PI(PID)控制策略引入模糊控制器，构成Fuzzy-PI(PID)复合控制，达到动态响应快、超调小、稳态误差小。结合的方法有多种： （1） 模糊-PID复合控制在大偏差范围内采用模糊控制，以获得良好的瞬态性能；在小偏差范围内时转换成PID控制，以获得良好的稳态性能。 （2） 比例-模糊-PI控制当偏差e大于某个阈值时，采用比例控制以提高系统响应速度，加快响应过程；当偏差e减小到阈值以下时，切换转入模糊控制以提高系统的阻尼性能，减小响应过程中的超调。但模糊控制没有积分环节，必然存在稳态误差，即可能在平衡点附近出现小振幅的震荡现象。故在接近稳态点时切换成PI控制，一般选在偏差语言变量的语言值为零时切换至PI控制15。 （3） 模糊-积分混合控制将常规积分控制器和模糊控制器并联构成。 （4）参数模糊自整定PID控制 PID控制的关键是确定PID参数，该方法是用模糊控制来确定PID参数，也就是根据系统偏差e和偏差变化率ec，用模糊控制规则在线对PID参数进行修改。其思想是先找出PID各个参数与偏差e和偏差变化率ec之间的模糊关系，在运行中通过不断检测e和ec，再根据模糊控制原理来对各个参数进行在线修改，以满足在不同e和ec时对控制参数的不同要求，使控制对象具有良好的动、静态性能，且计算量小，易于用单片机实现。其原理框图如图2-4所示。模糊化模糊推理常规PID调节器d/dt控制对象图2-4 参数模糊自整定PID控制算法原理图3 温度测控系统软件部分设置堆栈3.1 主程序设计清标志和暂存单元清显示缓冲区8155定时器及其各中断源初始化N接受到一次A/D结果否？Y保存结果到相应的RAM单元N转换是否满3次？Y中值滤波查表线性化YN位过程量吗？清上次越限标志N上次越限吗？置上次越限标志YN置上限越限越限计数器累加PID运算N取0越限N次否？产生T初值键盘扫描上限报警显示扫描图3-1 主程序流程图 主程序是整个系统软件部分的主体，它包括AT89C52本身的初始化以及I/O口、8155的初始化等等。主程序流程图如图4-1所示。3.2 热电偶测温查表子程序热电偶作为传感器具有的高精度和高灵敏度等许多优点，但热电偶电势与温度值间是非线性关系的。对这种非线性关系的处理方法通常有查表法和分段法，在配有微型计算机的智能仪表或控制系统中通常采用查表法。所以本系统运用一种占用内存较小，查表速度快的通用查表法。 本系统采用K型热电偶测温，查询K型热电偶分度表（见附录）。若将其各个温度对应的电压值（级）转换成十六进制形式，可以发现其有一定的规律。温度、电压、十六进制电压值的对应关系见表3-1。表3-1 热电偶温度与电压对照表（参考温度0） 区段热电偶温度/（）十进制电压/（）十六进制电压/（）二字节电压区段首温/（）0000000000H00XXH0100390027H12004700FAH11305170103H01XXH25100001F8H1518976971E11H1EXX39H20081371EC9H 由表3-1可见，被测温度在0200之间对应的两字节十六进制电压值的高8位是以1为增量递增的，从而我们可按高字节每增1而分成几十个区段（如上001EH共16个区段），并将各区段的首温作为基础温度顺序存放于内存；而将各区段内每增1所对应的热电势低字节值顺序存放在内存中，且每区段低字节区首址以VL*H表示，如下：TEMP1:DW0；各区段首温DW0103H；13DW1E11HF；189以上共16个数据占32个字节的程序存储器VL00H:DB00HDB27HDBFAHVL01H:DB03HDB2DHDBFCHVL4AH:DB11HDB39HDBC9H采用这种方法存入内存后，热电偶测温、查采用所得的热电偶热电势对应的温度值时，只需： （1） 根据热电势高字节值直接从各区段首温表中取出对应的基础温度； （2） 根据热电势高字节利用对分法判断，快速将地址指针直接跳至低字节电压表对应的内存区段地址VL*H，并从该处依次取出所存放电压值与实际采样所得的低字节电压值进行比较，且每比较一次温度增加1，直到表中取出的电压值大于等于采样所得低字节电压值，得到温度增量为止； （3）将此温度增量与（1）中所得基础温度相加，即为热电偶热电势所对应的温度值（当参考端为0）。 这样，此通用查表法精度、小数点后数值可在此基础上加入利用采样所得热电偶低字节电压值及所查到的内存中与该值相邻的两数据，通过简单的线性插值计算实现（由采样所得热电偶低字节电压值减去所查到的内存中与该值相邻两数据的前一个数据，再除以此相邻两数据后一个值与前一个值之差而得到，此即相当于加入了小范围内线线性化处理）。 热电偶温度查表子程序流程图如图3-2所示：子程序入口各区段首温表首值TEMP=1 DPTR(R3-R6)10 R2R3DPTR+2R2 DPTR（DPTR） A(DPTR) R5（DPTR+1） R4R4，R5中存放高字节对应区段的首温（基础温度）(A-R6) R6R2R3/R6 R6根据R2内容利用对分法比较判断快速将指针指向相应的单元的首温地址(R4R5+R)10=R4R5（DPTR） AYR4R5+R3 R4R5量纲为1ACC R3?N（DPTR） R6返回温度增量（R7+1） R7 图3-2 热电偶温度查表子程序流程图3.3 滤波子程序数字滤波的几种方法： （1） 程序判断滤波：采样的信号如因常受到随机干扰的传感器不稳定而引起严重失真时，可以采用程序判断滤波。 （2） 中值滤波：中值滤波就是连续输入3个检测信号，从中选择一个中间值作为有效信号。本文第一次采集的数据存，第二次采集的数据存，第三次采集的数据存。3个采样值相比较取中间值存。 （3） 防脉冲干扰平均值滤波：连续进行4次数据采样，去掉其中的最大值和最小值，然后求剩下的两个数据的平均值。又考虑到控制系统的特点，为减轻CPU的负担，本设计中采用中值滤波。滤波子程序流程图如图3-3所示：开始NA BYA BNA CYN取C为最终值B CY取C为最终值取B为最终值返回图3-3 滤波子程序流程图3.4 中断子程序 中断子程序用以完成在特定外部输入或内部定时溢出时所要完成的任务。本系统包括外部中断子程序INT0和定时中断子程序T1。3.4.1 INT0中断子程序由调功电路中的边沿检测电路过零脉冲信号作为同步中断输入单片机的INT0端。在INT0中断服务程序中来确定导通时间，并开相应的T1定时器。当T1定时器溢出时，向通道发出触发脉冲来调节温度。INT0中断子程序流程图如下：子程序入口现场保护关INT0中断选择寄存器组设置T1工作时的初值输入电源的状态查表并移动产生相应的控制字输出控制字到PB口返回图3-4 INT0中断子程序流程图3.4.2 T1中断子程序开始现场保护产生触发脉冲恢复PB口为全零返回图3-5 T1中断子程序流程图 T1中断的功能相对比较简单。当T1计数器计满溢出时触发脉冲，触发器产生信号调动控制关T1中断，以防止在下次INT0中断之前，计数器再次计满而产生误中断。T1中断子程序流程图如上图所示。3.5 按键查询子程序 （1） 键盘扫描原理判别键盘上有无键闭合，其方法为扫描接口P2.0P2.2。读P2口的状态，若P2.0P2.2为全“1”（键盘上行线全为高电平），则键盘上没有闭合键。各个按键都连接带一个与门上，当有任何一个按键按下时，都会是与门输出为低电平，从而引起单片机的中断。它的优点在于不用再主程序中反复查询按键，而等到有键按下，单片机才会执行相应的键处理程序。 （2） 按键功能定义当有键闭合时，单片机查询到闭合键并识别出键号，程序需要跳转相应的子程序执行该键的功能。在本设计中定义了3个按键功能，其中键号02应用于复位键、+1键和-1键。键号0的功能为修改键，按此键后可以开始修改PID控制的温度。键盘输入子程序流程图如图3-6所示。开始N有键闭合否？Y调用显示子程序延迟8msYN有键闭合否？判断闭合键键号 栈N闭合键释放否？Y输入键号 A返回图3-6 按键查询子程序流程图3.6 动态显示子程序 动态显示子程序流程图如下：开始是修改显示模式否？闪耀显示设置显示缓冲区指针初值50H R0取显示数据查表转换为段数据P0 口点亮相应位延迟2ms完成一次扫描显示否？返回图3-7 动态显示子程序流程图4 系统仿真研究4.1 仿真工具 为了进行模糊系统的仿真设计，国内外学者都开发了一些专用工具。其中应有最广泛的是MATLAB的模糊控制工具箱（Fuzzy Logic Toolbox）。模糊控制工具箱是一个不针对具体硬件平台的模糊控制设计工具，它可以用图形界面的工作方式设计整个模糊控制器，如定义它的输入/输出变量的数目、各输入/输出变量的隶属函数的形状和数目、模糊规则的数目模糊推理的方法和反模糊化等等。在设计好这样一个纯粹的模糊控制器之后，可以利用MATLAB本身的Simulink仿真平台来构建整个模糊控制系统并进行仿真。它的优势在于它可以利用MATLAB软件本身丰富的资源来构建不同结构的模糊系统，比如神经网络模糊系统、遗传算法模糊系统、模糊PID系统等，并对系统进行仿真、分析。4.2 MATLAB及仿真环境SimulinkMATLAB（Matrix Laboratory）是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。Simulink是MATLAB的建模和仿真环境。它其中除了包括输入模块、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，还包括了各个工具箱特有的模块，如模糊逻辑工具箱的模糊逻辑控制器模块。用户可以利用这些模块搭建起自己的系统并进行仿真，通过更改这些模块的参数以提高系统的性能，最终得到合乎设计要求的系统。4.3 仿真和优选 仿真过程是在MATLAB的Simulink环境中完成的。通过对系统采用不同的控制策略，得出它们各自的仿真结果，然后进行分析比较，找到一个合乎要求的解决方案。虽然仿真环境不可能与实际情况完全相同，但它的结果还是有相当的指导意义。由于仿真可以方便、快速、多次的进行，从比较中找出较优方案是可行的。4.3.1 控制对象模型本系统的烘烤箱其工作频率为50HZ，总功率为600W，工作范围为室温20200。设计目的是要对其进行温度控制，达到调节时间短、超调量为零且稳态误差在内达到设计要求。在工业生产过程中，有各种各样的控制对象。理论分析和实验结果表明：电加热装置是一个具有自平衡能力的对象，可用二阶系统纯滞后环节来描述。然而，对于二阶震荡系统，通过参数辨识可以降为一阶模型。因而一般可用一阶惯性滞后环节来描述温控对象的数学模型。所以，烘烤箱模型的传递函数为： （4-1）式中 对象的静态增益 对象的时间常数 对象的纯滞后时间 目前工程上常用的方法试对过程对象施加阶跃输入信号，测量过程对象的阶跃响应，然后由阶跃响应曲线确定过程近似传递函数。具体用科恩-库恩（Cohn-Coon）公式确定近似传递函数。给定输入阶跃信号250，用温度计测量烘烤箱的温度，每半分钟采集记录一次，实验数据如下。表4-1 温度计测量记录表时间00.51.01.52.02.53.03.54.04.5温度20315278104126148168182198利用Origin6.0，由表中数据绘图如图5-1。Cohn-Coon公式如下：； ； （4-2）式中 系统的阶跃输入 系统的响应输出 对象飞升曲线为的时间（min） 对象飞升曲线为的时间（min）从而求得,，。所以，烘烤箱模型为 （4-3）图4-1 烘烤箱飞升曲线4.3.2 仿真本文分别采用PID控制、模糊控制和参数模糊自整定PID控制三种控制方法，通过仿真比较他们的特性。（1） PID控制下图为在Simulink中创建的用PID算法控制烘烤箱温度的结构图：图4-2 烘烤箱PID控制系统仿真结构图图中的PID模块中对三个参数进行设定，在Transport Delay模块中设定滞后时间30s。通过不断调整PID三个参数，得到最佳仿真曲线，其中，。当给定值为100和150时，得到仿真结果分别如下：图4-3 给定值为100时的响应曲线图4-4 给定值为150时的响应曲线可见性能指标为：调节时间，超调量，稳态误差。（2） 模糊控制模糊控制有快速、鲁棒性好的特点。可以考虑用它对系统进行控制，比较常用的有Mamdani型。在MATLAB的模糊逻辑工具箱中构建如下的Mamdani型模糊控制器，如图4-5所示。可见模糊控制器的输入变量为和，输出为控制变量。and操作为最小法min，or操作为最大法max，模糊蕴涵（implication）为最小法min，合成（Aggregation）为最大值法max，反模糊法用的是重心法centroid。该Mamdani的各变量隶属函数图如下：图4-5 纯模糊控制时的模糊控制器图4-6 输入变量e的隶属函数图图4-7 输入变量ec的隶属函数图图4-8 输出变量u的隶属函数图可见，e、ec和u均为NB,NS,0,PS,PB，它们模糊子集的论域都为-3,-2,-1,0,1,2,3，各模糊值得隶属度函数曲线都为三角形。下表为该Mamdani型模型控制器的控制规则：在模糊逻辑工具箱中，控制规则是在Rule Editor窗口输入的，以if-then的形式表达，这里为if e_ and ec_ then u_ ,(_表示各变量所分成的模糊值)，共25条规则如表5-2所示。表4-2 模糊控制规则ueceNBNSZPSPBNBNBNBNBNSZNSNBNSNSZPSZNBNSZPSPBPSNSZPSPSPBPBZNSPBPBPB 然后，使用模糊控制器在Simulink中构建整个控制系统，如下图所示：图4-9 烘烤箱纯模糊控制系统仿真结构框图为了进行模糊化处理，必须将输入变量（以e为例）从基本论域（实际范围）-xe,xe变换到相应的模糊子集论域-n,-n+1,0,n-1,n上，这必须将输入变量乘以相应的因子，及量化因子。这里e的量化因子。ec的量化因子同理。另外经过模糊化控制算法后的输出控制量，变换范围为-m,-m+1,0,m-1,m不能直接作用于被控对象，还必须将其转换到为控制量所能接受的基本论域-yu,yu中去。这样就需要比例因子。上图中的三个增益模块Gian分别给出量化因子和，比例因子。即，。图中FLC模块中指定该控制器为d.fis。 仿真结果如图4-10所示：图4-10 纯模糊控制响应曲线可见性能指标为：调节时间，超调量，但稳态误差，很大。 （3） 参数模糊自整定PID控制由前面的仿真结果明显看出，纯PID控制有较大超调量，而纯模糊控制由于自身结构的原因又不能消除稳态误差，稳态误差较大。所以，考虑将其两者结合起来，实现优势互补。本文采用参数模糊自整定PID控制，具体说即采用模糊整定PI控制。首先设计模糊控制器。利用MATLAB模糊逻辑工具箱设计名为k.fis的Mamdani型模糊控制器（如图4-9），由图可见模糊控制器的输入变量为e和ec，输出变量为和，反模糊等方法皆同上述模糊控制器d.fis完全相同。图4-11 采用参数模糊自整定PID控制的模糊控制器 以下是该Mamdani型模糊控制器的各个变量的隶属函数图：图4-12 输入变量e的隶属函数图图4-13 输入变量ec的隶属函数图图4-14 输出变量的隶属函数图图4-15 输出变量的隶属函数图 可见输入变量e和ec的模糊子集均为NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB，论域均为-3,-2,-1,-0,1,2,3，输出变量和的模糊子集均为Z,S,M,B，论域均为0,1,2,3。各模糊值得隶属函数曲线都为三角形。 下面两表为该Mamdani型模糊控制器的控制规则，同样,控制规则是在Rule Editor窗口输入的，这里的形式为if e_ and ec_,then KP_,Ki_(_表示各变量所分成的模糊值)。表4-3 Kp的模糊控制规则KpeceNBNMNSZPSPMPBNBMSMMMSMNMBMBBBMSNSBMBBBMSZBMBZBMSPSBMBBBMSPMBMBBBMSPBMSMMMSM表4-4 Ki的模糊控制规则KieceNBNMNSZPSPMPBNBZSMBMSZNMZSBBBSZNSZZBBBZZZZZBZBZZPSZZBBBZZPMZSBBBSZPBZSMBMSZ 然后，使用该模糊控制器在Simulink中构建整个控制系统，如图所示：图4-16 烘烤箱参数模糊自整定PID控制系统仿真结构框图 不同给定值所对应的仿真曲线如下各图：图4-17 给定值为100时响应曲线 由上面各图看出性能指标：调节时间，超调量，稳态误差。仿真结果表明：对于烘烤箱，当给定值不同时，需要调整积分限值，才能达到响应曲线调节时间短、超调量为零、稳态误差为零的理想技术指标。结 论针对烘烤箱温度控制系统，本文在Simulink中分别对PID控制、模糊控制和参数模糊自整定PID控制进行了仿真研究。结果表明：PID控制响应曲线超调量较大，纯模糊控制的稳态温差大，而本文设计采用的模糊规则调节、两个参数的参数模糊自整定PID控制方法，可实现调节时间短、超调量为零以及稳态误差为零等非常理想的性能指标。且这种方法抗干扰能力也很强，同时对一阶惯性滞后环节的适应能力很强，由于一般温控对象的数学模型可用一阶惯性滞后环节来描述，因而这一控制方案对温控场合的适用性很强。参考文献1 王秋爽，曾昭龙单片机开发基础与经典设计实例北京：机械工业出版 社，2008：323-3432 求是科技编著单片机典型模块设计实例导航北京：人民邮电出版社， 2004.3 胡瑞雯智能检测与控制系统西安：西安交通大学出版社19914 陶永华新型PID控制及其应用北京：机械工业出版社20035 鄢景华自动控制原理哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社1996 6 模糊比例控制器在温度控制系统中的应用西安邮电学院学报2002，(3)： 46-487 胡泽新多变量非线性自整定PID控制器控制理论与应用1996，(4):2688 金以慧过程控制北京：清华大学出版社1993 附录1 程序清单 （1） 主程序MAIN： KCODE DATE 77HMOV SP，#30HCLR AMOV 20H，AMOV 22H，A；清位寻址单元MOV 23H，AMOV 24H，AMOV 2FH，AMOV 50H，A；清显示缓冲区MOV 51H，AMOV 52H，AMOV 53H，A MOV 59H，#80HMOV 5AH，#03HMOV DPTR，#7F04H；8155定时器初始化MOV A ，#10HMOVX DPTR ，AINC DPTRMOV A，#40HMOVX DPTR，AMOV DPTR，#7F00HMOV A，#0DAHMOVX DPTR，A；控制字DAH 8155MOV IP，#04H；设置INT1为高优先级MOV TMOD，#00HMOV IE，#0FDHWDIN：JBC 20H，TRAN ；判断是否已完成一次A/D转换AJMP WSCAN；否，则跳转TRAN： MOV A，59HMOV R0，AMOV A，20H；保存A/D转换结果MOV R0，AINC R0MOV A，2HMOV R0，AINC R0MOV A，22HINC R0MOV 59H，ADJNZ 5AH，WSCAN；完成三次转换否？MOV 59H，#80H ；是，则重置初置MOV 5AH，#03HACALL ZZLB；调用中值滤波予子程序MOV A，89HJNB ACC6 M1SETB 23H；设置过量程标志M1:ANL A，#01HMOV 89H，AMOV R2，AMOV A，8AHMOV R3，AMOV A，8BHMOV R4，AACALL BH2ACALL XIANX；结果在R4R5中JBC 23H，BAOJCLR 21H；清上次越限标志MOV A，R4MOV 89H，AJB 25H TIEJ；修改显示模式则跳转MOV A，R4MOV R6，AMOV A，R5MOV R7，AACALL HB2；结果在R4R5中MOV A，R4MOV 52H，AMOV A，R5MOV 53H，AMOV R0，#52HMOV R1，#50HACALL KBCDTIEJ：CLR CMOV A，89HSUBB A，5CHMOV A，8AHSUBB A，5BHJC WT1；取T1初值为0MOV A， 89H；规格化MOV R3，AMOV A，8AHMOV R4，AMOV R2，#10HACALL MOV0；温度值浮点化存72H、73H、74H单元ACALL RIDACALL GET1；产生计时器T1初值WSCAN：ACALL SCAN；调用键盘扫描子程序ACALL DZSPLY；调用动态显示子程序AJMP WDZN；扩展BCD码子程序KBCD： MOV R2，302HKBCD1: MOV A,R0SWAP AANL A,#0FHMOV R1, AINC R1MOV A, R0ANL A, #0FHMOV R1, AINC R0INC R1DJNZ R2, KBCD1RETBAOJ： JNB 21H, BAOJ1; 报警程序SET 21HINC 58HCJNE 58H，#10HWSCAN： （越限16次） MOV 58H，#00H；计数器置0 CLR 21H MOV DPTR，#7F03H；报警 MOV A，#0F7H MOV DPTR，A NOP NOP MOV A，#0FFH MOV DPTR，A AJMP WSCANBAOJ1：SETB 21H AJMP WSCANWT1：MOV 2FH，#00H；移位0次 MOV 75H，#33H；T1置初值 MOV 76H，#0FHAJMP WSCAN；双字节十六进制整数转换成双字节B C D码整数子程序HB2： CLR A；B C D码初始化MOV R3，AMOV R4，AMOV R5，AMOV R2，#10H；转换双字节十六进制整数HB3： MOV A，R7 ；从高端移出待转换的一位到CY中RLC AMOV R7，AMOV A，R6RLC AMOV R6，AMOV A，R5；B C D码带进位自身相加，相当于乘2ADDC A，R5DA A；十进制调整MOV R5，AMOV A，R4ADDC A，R4DA AMOV R4，AMOV A，R3ADDC A，R3MOV R3，A；双字节十六进制数万位数不超过6不用调整DJNZ R2，HB3；处理完16 bitRET；双字节B C D码整数转换成 双字节十六进制整数子程序BH2：MOV A，R3；将低字节转换成十六进制LCALL BCDHMOV R3，AMOV A， R2；将高字节转换成十六进制LCALL BCDHMOV B， #100；扩一百倍MUL ABADD A，R3；和低字节按十六进制相加MOV R3，ACLR AADDC A，BMOV R2，ARETBCDH：MOV B，#10H；分离十位和个位DIV ABMOV R4，B；暂存个位MOV B，#10；将十位转换成十六进制MUL ABADD A，R4；按十六进制加上个位RET （2） 热电偶测温查表子程序XIANX：MOV R7，#00HMOV DPTR，#TEMP1MOV A，R2CLR CRLC AADD A，DPLMOV DPL，ACLR AADDC A，DPHMOV DPH，ACLR AMOVC A，A+DPTRMOV R5，ACLR AINC DPTRMOVC A，A+DPTRMOV R4，AXIANX1：MOV DPTR，#VL00HMOV A，R5ADD A，DPLMOV DPL，AMOV A，R4ADDC A，DPHMOV DPH，AXIANX2：CLR AMOVC A，A+DPTRCLR CSUBB A，R3JNC XIANX3CLR AMOVC A，A+DPTRMOV R6，AINC DPTRINC R7JMP XIANX2XIANX3：MOV A，R3CLR CSUBB A，R6MOV B，#0AHMUL ABMOV R3，AMOV A，BMOV R2，ACLR AMOVC