（机械工程专业论文）恒温育种箱的设计与制作.pdf

摘要 摘要 恒温育种箱在我国广大农业生产和科研中得到广泛的应用，由于受温度控 制精度和功率大小等因素的影响，高精度和低功率是重点研究方向之一。本文 在对国内外恒温育种箱进行深入分析的基础上，针对对我国广大农民的国情， 将智能传感器监测和单片机控制相结合，设计制造符合广大农民的恒温育种箱。 温度是影响育种的一个重要因素，过高或者过低的温度都会影响种子的发芽， 导致农业生产的失败，因此高精度的温度控制在农业生产中具有熏要意义。 本设计主要以p i d 算法为主要研究对象，文中利用m a t l a b 对不同的控制 算法进行了仿真实验。主要做了如下几方面的工作：一是确定系统的总体设计方 案。包括系统要完成的设计功能，达到的技术指标，系统的设计原则，由此简 要介绍系统的整个组成和系统工作原理；二是结合项目要求进行了恒温箱的机 械结构部分设计，经过机械结构设计使恒温箱内的空气流动变为活塞式气流， 保证了恒温工作区域内温度场的均匀性。三是进行硬件电路和软件系统的设计。 包括传感器的特征介绍，温度传感器a d 5 9 0 、测温原理、测温电路以及测温系 统软件设计：四是单片机及通信接口的硬件电路及软件系统设计。内容包括采 用的a t 8 9 c i 单片机的介绍，液晶显示器的显示输出，超限数据的语音报警，光 电耦合温控电路；五是对计算机软件系统的设计思路、工作原理和实现方法进行 了阐述。首先通过r s 一2 3 2 c 协议实现单片机和计算机的连接，借助w i n d o w s 下串行通信编程的a c t i v e x 控件通过串行接口收发数据，然后计算机作为监控机 实现数据的显示、存储、查询、打印和系统设置功能。 经实验测试，本文设计的恒温育种箱在工作温度内，把温度波动控制贺9 0 1 范围内，对相关课题的研究与应用具有一定的参考价值。 关键字：单片机温度控制育种育种箱p i d a b s t r a c t a b s t r a c t b r e e d i n gt h e r m o s t a tb o xi nc h i n a sv a s ta g r i c u l t u r a lp r o d u c t i o na n ds c i e n t i f i c r e s e a r c hi sw i d e l yu s e d ，d u et ot h et e m p e r a t u r ec o n t r o la c c u r a c ya n dp o w e rs i z ea n d o t h e rf a c t o r s ，h i g h - p r e c i s i o na n dl o wp o w e ri so n eo ft h ek e yr e s e a r c hd i r e c t i o n s o n t h eb a s i so fi n d e p t ha n a l y s i sb r e e d i n go ft h et h e r m o s t a tb o xa th o m ea n da b r o a d ， f o ro u rc o u n t r yo ff a r m e r s n a t i o n a lc o n d i t i o n s ，c o m b i n i n g i n t e l l i g e n ts e n s o r m o n i t o r i n ga n ds i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e rc o n t r o l ，d e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e d b r e e d i n go ft h et h e r m o s t a tb o xc o n s i s t e n tw i t ht h e b r o a dm a s s e so fp e a s a n t s t e m p e r a t u r ei sa ni m p o r t a n tf a c t o ri nb r e e d i n g ，i ft h et e n p e r t u r ei st o oh i g ho r t o ol o w , t h ef i n a lr e s u l tw i l la f f e c tt h es e e dg e r m i n a t i o n , i ti sn e e e s s a r yt or e a c hs o m e d e s i r e dt e m p e r a t u r ep o i n t sq u i c k l ya n de x a c t l yi na g r i c u l t u r a lp r o d u c t i o n p i da l g o r i t h mi st h em a i nr e s e a r c ho b j e c ti nt h i sa r t i c l e ，m a t l a bs i m u l a t e e x p e r i m e n tf o rd i f f e r e n tc o n t r o la l g o r i t h m s m a k et h ef o l l o w i n gm a i na s p e c t s ：1 t o i d e n t i f yt h eo v e r a l ld e s i g np r o g r a m i n c l u d i n gs y s t e md e s i g nf e a t u r e st oa c h i e v et o r e a c ht h et a r g e tt e c h n o l o g y , t h es y s t e md e s i g np r i n c i p l e s ，w h i c hb r i e f l yi n t r o d u c et h e s y s t e mt h a tt h ec o m p o s i t i o na n dw o r k i n gp r i n c i p l e ；2 c o m b i n a t i o no fp r o j c o t s r e q u e s t e db yt h ei n c u b a t o r so ft h em e c h a n i c a ls t r u c t u r ed e s i g n ，a f t e rt h em e c h a n i c a l s t r u c t u r ed e s i g n ，t h ea i rt e m p e r a t u r ei n s i d eap i s t o n - t y p ea i rf l o wt oe n s u r et h a tt h e t h e r m o s t a ti n s i d et h ew o r ka r e at e m p e r a t u r ef i e l du n i f o r m i t y 3 h a r d w a r ea n d s o f t w a r es y s t e m sd e s i g n i n c l u d i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h es e n s o r , t h et e m p e r a t u r e s e n s o ra d 5 9 0 ，m e a s u r e m e n t t e m p e r a t u r ec i r c u i t sa n dt e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t s y s t e ms o f t w a r ed e s i g n ；4 s i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e ra n dc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e h a r d w a r ec i r c u i t r ya n ds o f t w a r es y s t e md e s i g n i n c l u d i n gt h eu s eo ft h ei n t r o d u c t i o n a t 8 9 c is i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e r , l c dd i s p l a yo u t p u tt r a n s f i n i t ed a t av o i c ea l a r m ， o p t o c o u p l e rf o rt e m p e r a t u r ec o n t r o lc i r c u i t 。5 c o m p u t e rs o f t w a r es y s t e md e s i g n ， w o r k i n gp r i n c i p l ea n di m p l e m e n t a t i o nm e t h o dd e s c r i b e d f i r s to fa l l ，t h r o u g ht h e r s 一2 3 2 c p r o t o c o li m p l e m e n t a t i o ns i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e ra n dc o m p u t e r c o n n e c t i o n s ，w i t hs e r i a lc o m m u n i c a t i o nu n d e rw i n d o w sp r o g r a m m i n ga c t i v e x c o n t r o l st os e n da n dr e c e i v ed a t av i at h es e r i a li n t e r f a c e ，s e c o n dt h ec o m p u t e ra sa l i 幽盟 m o n i t o rm a c h i n ed a t ad i s p l a y , s t o r a g e ，q u e r y , p r i n t ，a n d s y s t e ms e 呻觚c t i o n s a f t e re x p e r i m e n t a lt e s t i n g ，b r e e d i n go f t h et h e r m o s t a tb o xw o r k i n gt h e 姗g eo f t e m p e r a t u r e ，t h et e m p e r a t u r ef l u c t u a t i o n sp u tt h ec o n t r o li nt h e r a n g eo fo 1 埘t 1 1 d i s a b i l i t i e so nt h er e l a t e ds u b j e c t so f r e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no fac e r t a i nr e f e r e n c e k e 川o r d s ：s i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e r t e m p e r a t u r ec o n t r o l b r e e d i n go ft h e t h e r m o s t a tb o xp i d l l i 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得直昌太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名( 手写) ：- 7 , j 、旭臼签字日期：撕，月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解直昌太堂有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权南昌大学可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究 所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向 社会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用 学位论文作者签名：刳、似l a 导师签名： 签字日期：哆年7 月如日 签字目其l j ： 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题来源及意义 目前我国农业正处于从传统农业向以优质、高产、高效益为目标的现代农 业转化的新阶段。温度控制工程作为农、i k 生物速生、优质、高产的手段，是农 业现代化的重要标志。时下，我国农业育种控制目前仍靠人工经验来管理，严 重影响了农业生产的效益，阻碍了农业生产的发展，因此，采用先进的人工智 能技术，科学、合理地控制影响作物的种子发芽率，通过计算机控制设备进行 环境控制，以便给作物生长前期创造一个最佳的环境条件，做到既提高产品的 质量、产量、经济价值和社会效益，同时尽量降低生产成本，这对恒温育种箱 施行自动检测和控制是非常必要的。恒温育种箱设施的关键技术是温度的控制， 其目的是提高控制及作业精度。温室环境控制技术是随自动化检测技术、过程 控制技术、通讯技术、计算机技术的发展而发展起来的。 众所周知，我国是农业大国，其中农村人口占全国人口的大部分。民以食 为天，在我们1 3 亿人口的大国，只有抓好粮食生产的环节，才可能谈发展。要提 高粮食产量，很关键环节的一项就是育种。然而农民的生产模式还是小户经营， 很少形成规模。造成了很多农作物产量低。其中有一个主要的原因是农作物前 期育种条件很差，特别是在温差较大的春季，很不宜种子的发芽。从而导致了 种子的发芽率很低，浪费了大批的种子和种子数量不够使农作物减产；另外还 有可能有些农民从晚春开始育种，延误了农作物的种植季节，从而使农作物减 产。而市场上的恒温育种箱大多是用于科研所或大型农场，价格都很贵，很少 有适合中国广大农民。所以目前为止，中国的广大农民用恒温箱育种的不到1 。 要是全国农民都用上了恒温育种箱，中国的农产品最少能够提升1 0 。 本产品与九江市柴油机厂电热车间合作，为广大小户型农民而开发制作的 恒温育种箱。 1 2 恒温育种箱研究现状和不足 1 2 1 国外恒温育种箱控制技术 国外对恒温箱的温度控制技术研究较早，始于2 0 世纪7 0 年代。先是采用 第1 章绪论 模拟式的组合仪表，采集现场信息并进行指示、记录和控制。8 0 年代末出现了 分布式控制系统。目前正开发和研制计算机数据采集控制系统的多因子综合控 制系统。现在世界各国的恒温箱温度控制技术发展很快，一些国家在实现自动 化的基础上正向着完全自动化、无人化的方向发展。像园艺强国荷兰，以先进 的鲜花生产技术著称于世，其恒温育种箱全部由计算机操作。英国伦敦大学农 学院研制的恒温育种箱计算机遥控技术，可以观测恒温育种箱内的种子发芽的 一切环境状况，并进行遥控。 1 2 2 我国恒温育种箱控制技术 我国对于温室控制技术的研究较晚，2 0 世纪8 0 年代以前，我国使用的大多 数恒温箱都是从西方国家引进的，价格比较昂贵。2 0 世纪8 0 年代后，我国工程 技术人员在吸收发达国家恒温育种箱控制技术的基础上，才掌握了恒温育种箱 内微机控制技术，该技术仅限于温度、湿度和氧气浓度等单项环境因子的控制。 我国恒温育种箱设施计算机应用，在总体上正从消化吸收、简单应用阶段向实 用化、综合性应用阶段过渡和发展。 1 2 3 我国恒温育种箱控制技术的不足 在技术上，以单片机控制的单参数单回路系统居多，尚无真正意义上的多 参数综合控制系统，与发达国家相比，存在较大差距。我国恒温育种箱现状还 远远没有达到工厂化农、f 2 的境地，生产实际中仍然有许多问题困扰着我们，存 在着温室装备配套能力差，产业化程度低，环境控制水平落后，软硬件资源不 能共享和可靠性差等缺点。 整体存在以下弊端，1 、功率比较大，大多数都是在了2 k w 左右，小户农 民的春季育种时间比较长。所以支付电费是一笔很大开支比例。2 、停电对种子 发芽影响较大。由于边远的农村停电的概率较大，从而恒温育种箱的温度下降 较大，导致种子的培育失败。3 、温度稳定性不好，温度变化在两度左右。4 、 发热器件对种子的辐射比较大，从而影响种子的发芽。本设计可以改善这些弊 端。 1 3 主要研究内容 本设计主要做了如下几方面的工作：一是确定系统的总体功能设计方案； 2 第l 章绪论 二是进行控制系统的算法；三是单片机及通信接口的硬件电路及软件系统设计； 网是对连接单片机的上位管理计算机软件系统的设计思路、工作原理和实现方 法进行了阐述。 3 第2 章恒韫育种箱的总体设计 第2 章恒温育种箱的总体设计 本系统在控制算法中采j jrp i d 控制算法，利川p w m 摔制升温，控制精 度更高，温度稳定性盘；f _ ，温度大约在02 摄氏度左右。热量的传递采用了对流的 方式，解决了辐射对种子的影响。外壳采用双层不锈钢中间央保温棉，门采用 双层真空玻璃便丁观察内部的情况，返蝗措施可以减少热量的损。 f 图2 l 恒温育种箱实验产晶图 在本设讣中我们针对培养箱斯设计的一个恒温系统，在系统坦通过对 恒温箱温度的检测与变送传到单片机，与给定值进行比较，单片机对数据进行 处理根据偏差信号的大小输出驱动p w m 输出通过改变p w m 输出的周期和 幅值，控制发热丝的功率，从而达到恒温箱内溢度控制的目的。本设计的译片 机为5 l 系列，对数捌进行采集、比鞍、处理与输出，p w m 通过单片机的脉冲 输出，通过光电隔离输入放大电路对发热丝进 r 加温，直接对箱子温度进彳：| = 提 升，最终达到控制温度的目的。在控制过程中还有一些因素导致控制的滞后 通过数字p i d 控制嚣进行纠正。主耍参数见表2 嵌2 t 丰要参数出 序号规格参数序号规格参数 电源电压 8 外型尺，j ( h i m )6 0 0 5 0 0 5 0 0 控温范圈宦温1 0 0 稳定时问2 0 r a i n 3 温瞳分辨率02 定时范围1 0 0 天 融度被动度 0 4 容轵 第2 章恒温育种箱的总体设计 序号规格参数序号规格参数 5 温度均匀度 0 5 1 2 安全装置超温保护 6 平均功率 3 0 w1 3 载物托架( 标配)2 层 外壳材料：冷轧薄钢 内胆尺寸5 0 0 4 0 0 内胆材料：不锈钢板 31 4 材质 ( m m )4 0 0 保温材料：玻璃棉 控制器：数字显示控制仪 2 1 恒温育种箱箱体的机械结构 恒温箱温度控制系统不仅要求能够将恒温箱内部的温度保持恒定，还要求 整个空间中保持一定的温度均匀性，同时在恒温箱内不可以出现大的空气流动 和温度死角，所以必须对恒温箱的机械结构进行特殊设计。 这里我们采用立方体结构多工作腔的机械结构，即在立方体的箱体结构中 划分出恒温腔、恒压腔和制冷腔三个工作腔。整个箱体内部是通过空气的流动 来达到温度恒定的。空气通过回风口从恒温腔中流入半导体制冷片的制冷端， 经过冷却后，在制冷腔中经过一次混合使空气的温度比较均匀。这些空气再从 制冷腔中由交流风扇吹入恒压腔。通过气流的流动，使制冷片上产生的冷量传 递到恒温腔内，保证恒温腔内空气温度的稳定并使空间内的温度场均匀。 温度的稳定性主要由控制半导体制冷片的工作电流达到。而温度场的均匀 性是由机械结构设计来保证的。其中包括恒压腔、导风口和孔板这三个部件。 恒压腔的主要功能就是将从制冷腔中流入的空气再次混合，使其温度进一 步均匀，同时使吹向恒温腔中的空气的气流组织更均匀，以使恒温腔中温度场 达到系统要求的均匀度。恒压腔中由导风口和孔板使气流组织更均匀。 导风口是一个漏斗型的器件，气流经过导风口后可以均匀分布在一定的区 域内。( 如图2 2 ) 孔板是一块5 0 x 5 0 c m 的树脂板，在上面均匀的打上小洞。这样 由于恒压腔内的压力要高于恒温腔内的压力，在孔板两侧有一定的压差，从而 使从恒压腔流向恒温腔的气流成为活塞式气流。这样的气流在恒温腔内可以均 匀的分布，而且不会有造成很大的风，最终使整个恒温腔内温度场可以均匀。 整个箱体外面有8 0 r a m 的超细保温棉填充层，以降低箱体内部与环境的热 交换。制冷腔与其余两腔用一钢板隔离，钢板内也塞入保温棉，以保证恒压腔 和恒温腔是一个独立工作区域，不与后面的制冷腔发生热交换。 5 第2 章恒温育种箱的总体设计 8 图2 2 恒温育种箱机构 键盘、显 示器、指 示灯 2 2 恒温育种箱的功能 主要用途为医院、科研院所和其他生物、化学、环境保护、农业科研等部 门作细菌培养、育种、发酵及其他恒温试验用。恒温箱的主要功能如下： 1 、可对产品或实验品加热到设定温度并在设定时问内保持恒温。 2 、任意更改设定恒温所需要的时间。 3 、恒温箱有按键和液晶显示器，可用于设定参数显示数据。 4 、数据通讯功能，恒温箱有串口，可与p c 机通讯。 5 、数据打印( 用于个体农民可以不用该项功能) 。 2 3 恒温育种箱的温度控制系统 在本设计中，我们针对培养箱而设计的一个恒温系统，在系统里，通过对 恒温箱温度的检测与变送传到单片机，与给定值进行比较，单片机对数据进行 处理，根据偏差信号的大小输出驱动p w m 输出，通过改变p w m 输出的周期和 幅值，控制发热丝的功率，从而达到恒温箱内温度控制的目的。本设计的单片 机为5 1 系列，对数据进行采集、比较、处理与输出，p w m 通过单片机的脉冲 输出，通过光电隔离输入放大电路对发热丝进行加温，直接对箱子温度进行提 升，最终达到控制温度的目的。在控制过程中，还有一些因素导致控制的滞后， 通过数字p i d 控制器进行纠正。系统的控制原理框图如下： 6 第2 章恒温育种箱的总体设计 竺旷度毋吼一圈“匿实彳蝣 畏i 曩温度一 图2 3 控制原理框图 7 第3 章模糊p i d 控制 第3 章模糊p i d 控制 3 1 引言 p i d 控制具有通用性强与鲁棒性好的优点，所以在已有的各种控制手段中， 它仍占有重要地位，具有很强的生命力。常规p i d 控制器可以在一定程度上获 得满意的响应特性，但由于系统参数固定，对于不同对象或同一对象的不同控 制阶段，很难取得最佳响应，对环境的变化及系统中的不确定性也很难适应。 模糊控制理论在处理复杂的、非线性、大时滞、难以用精确数学模型描述的对 象控制中表现出优越的性能，并且具有快速性、鲁棒性好的特点，但是常规的 模糊控制器组成的控制系统稳态精度难以达到要求，本文采用模糊p i d 控制即 将p i d 控制和模糊控制相结合的控制方法，使控制器既具有模糊控制灵活而适 用性强的优点又具有p i d 控制精度高的特点 1 9 】。 3 2p i d 控制技术 p i d 控制是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单、鲁棒性好和可 靠性高，被广泛应用于工业过程控制，至今仍有9 0 左右的控制回路具有p i d 结构。在p i d 控制中，一个关键问题便是p i d 参数的整定。传统的方法是在获 取对象数学模型的基础上，通过解析的方法根据某一整定原则来确定p i d 参数， 然而实际工业生产过程中，许多被控过程机理较复杂，往往具有高度非线性、 时变不确定性和纯滞后等特点，难以建立精确的数学模型。有一个些控制过程 中，在噪声、负载扰动等因素的影响下，过程参数，甚至模型结构，均发生变 化。这就要求p i d 控制中，不仅p i d 参数的整定不依赖对象数学模型，并且p i d 参数能在线调整，以满足实时控制的要求 2 0 】。 3 2 1p i d 控制的原理 在模拟控制系统中，控制器最常用的是p i d 控制器。p i d 是“比例积分微 分”的缩写，它从比例、积分和微分三个环节来实现对系统的控制。常规p i d 控 制系统原理框图如图所示，系统由模拟p i d 控制器和被控对象组成【2 l 】【2 2 】。 p i d 控制器是一种线性控制器，它根据给定输入值“t ) 与实际输出值y ( t ) 的 8 第3 章模糊p i d 控制 反馈量构成控制偏差e ( t ) ，e ( t ) 表示为 e ( t ) 2 r ( t ) y ( t ) ( 3 1 ) 将偏差的比例( p ) 、积分( i ) 、微分( d ) 通过线性组合提到控制量，对被控 对象进行控制，故称p i d 控制器。其控制规律为： 砸m p 卜+ 扣触峨丁d e ( t ) 2 ， 或写成传递函数形式 图3 1p i d 控制器原理图 哪) = 鬻= k p ( 1 + 石1 哪 ( 3 - 3 ) 式中：k d 一比例系数：k i _ 积分时间常数；k d 磁分时间常数。 简单来说，p i d 控制器各控制环节的作用如下【2 3 】： ( 1 ) 比例环节：能快速和成比例地响应系统的偏差信号e ( 0 的控制作用， 偏差量一产生，控制器即产生控制作用，以减少偏差。 ( 2 ) 积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱 取决于积分时间常数k i ，k i 越大，积分作用越弱，反之则越强。 ( 3 ) 微分环节：能反映偏差信号的变化趋势，并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 小调节时间。 3 2 2p i d 调节参数选择 选择调节器的参数，必须根据工程的具体问题来考虑。在工控领域中，要 求被控过程是稳定的，对给定量的变换能迅速的、光滑的跟踪，超调量小，在 9 第3 章模糊p i d 控制 不同的干扰下系统输出应能保持在给定值，控制的变量不宜过大，在系统与环 境参数发生变化时控制应保持稳定。显然，要同时满足上述的要求很难，必须 根据实际兼顾其它方面。 下面从系统稳定性、响应速度、超调量和控制精度等各方面特性来分析p i d 三参数对p i d 控制品质的影响。 1 、k p 参数分析 比例系数k p 的作用在于加快系统的响应速度，提高系统调节精度。k p 越 大，系统的响应速度越快，但将产生超调和振荡甚至导致系统不稳定，因此k p 值不能取得过大。如果k p 值取较小，则会降低调节精度，使响应速度缓慢， 从而延长调节时间，使系统动、静态特性变坏。 2 、k i 参数分析 积分环节作用系数k i 的作用在于消除系统的稳态误差。k i 越大，积分速 度越快，系统静差消除越快，但k i 过大，在响应过程的初期以及系统在过渡过 程中会产生积分饱和现象，从而引起响应过程出现较大的超调，使动态性能变 差；若k i 过小，使积分作用变弱，使系统的静差难以消除，使过渡过程时间加长， 不能较快的达到稳定状态，影响系统的调节精度和动态特性。 3 、k d 参数分析 微分环节作用系数k d 的作用在于改善系统的动态特性。因为p i d 控制器的 微分环节只影响系统偏差的变化率e c ，其作用主要是在响应过程中抑制偏差向 任何方向的变化，对偏差变化进行提前制动，降低超调，增加系统的稳定性。 但k d 过大，则会使响应过程过分提前制动，从而拖长调节时间，而且系统的抗 干扰性较差。 综上所述，p i d 三参数取值大小，对控制系统的静态特性和动态特性影响很 大，k p 、k i 和k d 三参数的整定要根据控制对象的数学模型g ( s ) 的参数来确定。 对于非线性负载和时变、时延负载，以及难于用g ( s ) 描述的负载，这三个参数 的整定就很困难，也就不能达到良好的控制效果和获得良好的控制性能。 3 3 模糊控制及模糊控制器 3 3 1 模糊控制的基本思想 模糊控制基本上是建立在人的直觉和经验的基础上，这就是说，操作人员 l o 第3 章模糊p i d 控制 对被控系统的了解不是通过精确的数学表达方式，而是通过操作人员丰富的实 践经验和直观感觉。这种方法可以看成是一组探索式决策规则。由于人的决策 本质上就是具有模糊性，因此控制动作并非稳定一致，且有一定主观性。但是 在模糊控制设计中，可以通过对操作人员控制的动作的观察和与操作人员的交 流，用语言把操作人员的控制策略描述出来，以构成一组用语言表达的定性决 策规则。如果把领域专家的知识和熟练技术人员的实践经验进行总结和形式化 描述，用语言形成一组定性条件语句和不精确的决策规则，然后利用模糊集合 作为工具使其定量化，设计一个控制器，用形式化的人的经验法则模仿人的控 制策略，再驱动设备对复杂的工业过程进行控制，这就是模糊控制器。【3 7 在工 程实现上，则使用模糊语言分析方法，且这种语言可以转换为计算机能够接受 的算法语言。这种语言具有三个特点：第一，它不用数学变量而是用语言变量 来描述系统；第二，它是利用附带条件的命题来描述变量之间的关系；第三， 它是使用模糊运算法则进行推理【2 4 】。 3 3 2 模糊控制器的构成 模糊控制器口c f u z z yc o n t r o l l e r ) 也称为模糊逻辑控制器( f l c f u z z y l o g i c c o n t r o l l e r ) ，由于其采用的模糊控制规则是由模糊理论中模糊条件句来描述 的，因此，模糊控制器是一种语言型控制器，故也称为模糊语言控制器 ( f l c f u z z y l a n g u a g ec o n t r o l l e r ) 。由模糊控制器对某一特定对象进行控制，组成 的控制系统称为模糊控制系统 2 5 2 6 】。系统系统基本结构如图4 2 所示： 图3 2 模糊控制系统基本结构 模糊逻辑控制器的实现要解决三个基本问题。第一是通过传感器把监测的 物理量变成电量，再通过习a d 模数转换器把它转换为精确的数字量，精确输 入量输入到模糊逻辑控制器后，首先要把传感器的输入转化为模糊集合的隶属 函数，这一过程就称为精确量的模糊化：其目的是把传感器的输入转换成知识库 可以理解和操作的变量格式。第二个问题是根据有经验的操作者或者专家的经 1 1 第3 章模糊p i d 控制 验制定出模糊控制规则，并进行模糊推理( 称为模糊推理和决策) ；其目的是用模糊 输入值去适配控制规则，为每个控制规则确定其适配程度，并通过加权计算合 并那些规则的输出。第三个问题是根据模糊推理得到的输出模糊隶属函数，用 不同的方法找一个具有代表性的精确值作为控制量，这一步称为模糊输出量的 解模糊判决( 或称为反模糊化) ；其目的是把分布范围概括合并成单点的输出值， 加到执行器实现控制。 1 、精确输入量的量化 通常控制总是用设定的期望值与系统的实际输出值相比较，得到一个偏差 值e ，控制器根据这个偏差值来决定如何对系统实现控制。很多情况下还需要根 据该偏差的变化率来进行综合判断。偏差值e ( e ) 及其偏差变化率( e c ) 都是精 确的输入值，要使用模糊控制技术必须将其转化为模糊集合的隶属函数。定义 输入量的隶属函数可采用吊钟形、梯形和三角形，理论上说吊钟形最为理想， 但是计算复杂；实践证明，用三角形和梯形函数其性能与吊钟型相比并没有十 分明显的差别；所以为了简化计算，现在常用的是三角形，其次是梯形。 为了实现模糊控制器的标准化设计，目前在实际中常用的处理方法是玛达 尼( m a d a n i ) 提出的方法，就是把偏差值e ( 或偏差变化率e c ) ) 的变化范围设定为 【6 ，+ 6 1 区间连续变化量，使之离散化，构成含十三个整数元素的离散集合： - 6 ，- 5 ，- 4 ，- 3 ，一2 ，1 ，o ，l ，2 ，3 ，4 ，5 ，6 ) 实际上非对称的也可用1 1 3 取代6 - + 6 。实际工作中，精确输入量一般不会 是在 6 ，+ 6 】之间，如果其范围在【a ，b 】之间的话，可以通过变换 y = 兰 x 一半 p 4 ， 户而l 卜丁i 【3 4 将在【a ，b 】之间变化的变量x 转换为在【6 ，+ 6 1 之间变化的变量y 。再把【- 6 ， + 6 】之间变化的连续量根据需要分成若干等级，每个等级作为一个模糊变量，并 对应一个模糊子集合或者隶属函数。习惯上可分为8 个等级：“正大( p b ) ”在+ 6 附 近；“i e q b ( p m ) ”在+ 4 附近；“正小( p s ) ”在+ 2 附近；“正零( p z ) ”取在比零稍大一 点的地方；“负零州z ) ”取在比零稍小一点的地方；“负小( z s ) ”在2 附近；“负中 ( n m ) ”在4 附近；“负大( n a y 在6 附近。另外也可以根据实际需要将等级数目( 项 集合) 扩大和缩小，项集合的多少反映了控制分辨率的高低，项集合越多分辨率 越高，项集合越少分辨率越低。 1 2 第3 章模糊p i d 控制 通过以上的分析就可以先将精确的输入量通过公式( 3 4 ) 转换为【6 ，+ 6 1 区问 的值，该值对不同的模糊项集合有不同的隶属度。这就完成了对精确输入量的 模糊化过程。 2 、模糊规则形成和推理 目前，模糊控制规则库的建立大致有专家经验法、观察法和自组织法几种 方法，这些并不是相互排斥的，有的时候要综合地利用各种方法。 3 、反模糊化的精确量输出 通过模糊推理得到的结果是一个模糊集合。但在实际使用中，特别是在模 糊控制中，必须要有一个确定的值才能去控制或驱动执行机构。在推理得到的 模糊集合中取一个能最佳代表这个模糊推理结果可能性的精确值的过程就称为 反模糊化。 3 3 3 模糊p i d 控制器设计 我们知道，常规p i d 控制器是过程控制中应用最广泛最基本的一种控制器， 具有简单、稳定性好、可靠性高等特点：对于线性定常系统具有良好的控制效 果：其调节过程的品质取决于p i d 控制器各个参数的整定。然而常规的p i d 控 制器不能在线自整定参数，并且对于非线性、时变的复杂系统和模型不清楚的 系统不能进行很好的控制。而简单的模糊控制器由于不具有积分环节，因而在 模糊控制的系统又很难完全消除静态误差，而且在变量分级不够多的情况下， 常常在平衡点附近会有小的振荡现象。但是模糊控制器对复杂的和模型不清楚 的系统却能进行简单而有效的控制，所以想到如果把这两种控制方法结合起来， 就可以构成兼有两者优点的模糊p i d 控制器，利用模糊推理判断的思想，根据 不同的e ( 偏差量) ，e c ( 偏差变化量) 对p i d 的参数k p ，k i ，k d 的三个参数进行 在线自整定，这就组成了参数自调整模糊p i d 控制器。其结构如图4 3 所示，它 可以在实时控制中自动在线自动调整p i d 控制器的三个参数，使模糊p i d 控制 器运行在较优的工作状态。 由模糊控制的理论基础和模糊控制器的基本组成可以知道，要设计一个模 糊控制器，通常需将模糊控制器的输入和输出变量模糊化。对于模糊p i d 控制 器来说，输入变量为系统的误差e ( e ) 和误差变化率d e d t ( e c ) ，输出量为p i d 的 三个参数k p 、k i 、k d 。 1 3 第3 章模糊p i d 控制 图3 3 参数自调整模糊p i d 控制器 在实际的应用中，为了减少计算量，增强控制的实时性能，模糊控制通常 采用查表法。查表法的基本思想是通过离线计算取得一张模糊控制表，并将其 控制表放在计算机内存中。当模糊控制器进行工作时，计算机只需直接根据采 样得到的误差和误差变化率的量化值来找出当前时刻输出的三个参数的量化 值。然后，计算机将这几个量化值分别乘以比例因子就可以得到最终的p i d 的 三个参数值。下面简要说明一下模糊控制器的设计步骤。 ( 1 ) 确定模糊控制器的输入、输出变量。这里输入变量指的是系统的偏差 e 和偏差变化率e c ，输出变量为k p ，k i ，k d 三个参数值。 ( 2 ) 确定各个输入、输出变量的变化范围、量化等级和量化因子。可根据 实际需要来确定。 ( 3 ) 在各输入和输出语言变量的量化域内定义模糊子集。首先要确定各语 言变量论域内的模糊子集个数，各个语言变量模糊子集通过隶属函数来定义。 ( 4 ) 模糊控制规则的确定。模糊控制规则实质上是将操作员的控制经验加 以总结而得出一条条模糊条件语句的集合。确定模糊控制规则的原则是必须保 证控制器的输出能够使系统输出响应的动静态性能达到最佳。 ( 5 ) 求模糊控制表。模糊控制表是简单的模糊控制器之一。它通过查询将当 前时刻模糊控制器的输入变量量化值( 如误差、误差变化率的量化值) 所对应的控 制输出值( p i d 的三个参数) 作为模糊控制器的最终输出，从而达到快速实时控制 的目的。模糊控制规则表必须对所有输入语言变量( 如误差，误差变化率) 量化后 的各种组合通过模糊逻辑推理的方法离线计算出每一个状态的模糊控制器输 出，最终生成一张模糊控制表。作为模糊p i d 控制器中模糊控制模块，因为要 输出三个参数，所以要设计成三个表格，由于模糊控制表的建立是离线进行的， 1 4 第3 章模糊p i d 控制 因此它丝毫不会影响模糊p i d 控制器的实时控制要求。 3 4p i d 参数模糊整定模型 3 4 1 模糊p i d 控制器输入与输出的模糊化 设系统的参考输入为肚) ，实际测得的为y ( k ) ，则差值为 e = “k ) 一y ( k ) ，e c = d e d t 以e 、e c 作为模糊参数整定器的输入。模糊参数整定器的输出变量为p i d 的三个参数k p 、k i 、k d 。模糊输入变量e 、e c 和输出变量k p 、k i 、k d 的 模糊子集为： 负大，负小，零，正小，正大) 为了方便起见，通常采用如下简记形式： n b = 负大，n s = 负小，0 _ - 零，p s = 正小，p b - - 正大 设误差e 、e c 的论域分别为a 、b ，并将a 、b 量化为7 个等级，分别表示 为3 ，2 ，1 ，0 ，1 ，2 ，3 ，则有： a = b = 3 ，- 2 ，- l ，0 ，l ，2 ，3 设将输出变量k p 、k i 、k d 的论域分别c 、d 、e ，将输出变量的大小量化 为9 个等级，分别表示为4 ，3 ，2 ，1 ，0 ，l ，2 ，3 ，4 ，则有： c = d = e = - 4 ，- 3 ，- 2 ，一l ，0 ，l ，2 ，3 ，4 弼骡而二 图3 4 变量e 、e c 隶属度函数曲线 嗽欢9 一 _ 4 - 2 024 图3 5 变量k p 、k i 、k d 隶属度函数曲线 1 5 第3 章模糊p i d 控制 将连续变化的精确量进行离散模糊化，得到模糊语言变量的隶属度函数曲 线如图3 4 及3 。5 所示。 由此曲线便可以得到模糊变量e 、e c 、k p 、k i 、k d 的赋值表，如表3 1 和 表3 2 所示。 表3 1 变量e 、e c 隶属度表 321ol23 p b00o0o0 50 1 p s o0o0l0 50 o00o 5l0 50o n s00 5 10ooo n blo 5 00000 表3 2 变量k pk ik d 隶属度表 4 32 10 l 234 p b0o0 0o o 00 5l p s000oo0 5 l0 5o ooo0o 5l0 50o0 n s0o 5l0 5o00o0 n b10 5oooooo0 3 4 2 模糊控制规则的语言描述 模糊参数控制器的设计实质是用计算机语言表达p i d 参数的调整规则，这 些规则是人工控制经验的总结。在设计调整规则时，应考虑以下几点：( 1 ) 在偏 差较大时，要尽快消除偏差，提高响应速度，k p 取大些，戤可取零，k d 取小 些。( 2 ) 在偏差较小时，为继续消除偏差，并防止超调过大，产生振荡，k p 值要 减小，k i 值可取大些值，k d 取小些。( 3 ) 在偏差很小时，为消除静差，克服大超 调，使系统尽快稳定，k p 值继续减小，k i 值稍大一些，k d 取大些。 考虑到当e 与e c 同号时，被控量是朝着偏离给定值的方向变化；而e 和 e c 异号时，被控量是朝着接近给定值方向变化。因此被控量接近给定值时，反 号的比例作用阻碍积分作用，因而避免了积分超调及随之带来的振荡，有利于 控制，但被控量远未接近给定值并向给定值变化时，则由于这两项反向，将会 1 6 第3 章模糊p i d 控制 减慢控制过程。以上参数整定规则见表3 3 ，表3 4 ，表3 5 所示： 表3 3 参数k p 整定规则农 e c e - - - c _ n bn sop sp b p bn bn bn s p sp s p sp sp sp s p bp b op sp sp sp bp s n sp sp sp bp sp s n bn sn sp sp bp b 表3 4 参数k i 整定规则农 e c e n bn sop sp b p bp bp bn sn sn s p s op sn sn bn s 0 p s0p bn sn b n s p s0p bn sn b n b p sp b p s p bp s 表3 5 参数k d 整定规则农 e c e n bn sop sp b p bn bn bn sp sp s p sp s o p s n bn s 0p sp s0p sn s n sp sp sop sn s n bp sop sn bn b 第4 章恒温育种箱硬件电路 第4 章恒温育种箱硬件电路 控制电路巾单片机为c p u 外围有矩阵键盘、l c