（检测技术与自动化装置专业论文）基于arm的模糊pid温度控制系统的研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 温度的测量和控制在工业生产过程中有着广泛的应用，尤其在石油、化工、电力、 冶金等工业领域。温度控制对产品的质量和工业生产过程的顺利进行有着很大的影 响。随着微电子和嵌入式技术的迅猛发展以及自动控制理论的不断完善，温度控制系 统也正朝着更加智能化的方向发展。 本文在研究了目前国内外温度控制现状的基础上，针对大多数工业生产中温度控 制系统对复杂控制算法处理能力差，人机交互不尽完善，控制界面不够友好美观，提 出了一种基于a r m 的模糊p i d 温度控制系统。在硬件上，系统采用a r m 9 微处理器 a t 9 1 r m 9 2 0 0 作为主控制芯片，对温度检测单元和液晶显示模块进行了设计，对存储 单元进行了扩展。另外系统还设计了r s 2 3 2 串口电路、j t a g 电路和以太网接口电路， 方便了数据下载、系统调试和与p c 机或设备进行通讯；在软件上，移植了嵌入式实 时操作系统l i n u x ，对温度检测模块、d a 数据转换模块、液晶显示模块及控制算法 等应用程序进行了开发设计，并通过q t e 编程为本系统设计并实现了友好的图形用 户界面。本文设计的温度控制系统是针对一般工业温度控制特点提出的，具有扩展性 强、可靠性高、响应速度快、体积小等特点，而且还具有很好的人机交互能力，能够 有效管理复杂的系统资源。 本文采用模糊p i d 控制算法对温度进行控制，为了检验系统控制性能，本文以工 业锅炉蒸汽温度为被控对象，建立了工业锅炉蒸汽温度控制系统的仿真模型来检测系 统性能，分别对常规p i d 控制和模糊p i d 控制进行了仿真分析。结果表明模糊p i d 控制有效的提高了系统对非线性、时变性和不确定性的处理能力，控制效果更好。 关键词：温度控制系统、a r m 、模糊p i d 、l i n u x 江苏大学硕士学位论文 a bs t r a c t i t sab r o a da p p l i c a t i o nt om e a s u r ea n dc o n t r o lt e m p e r a t u r ei nt h ei n d u s t r yp r o d u c t i o n e s p e c i a l l yi n s o m ei n d u s t r y , s u c ha so i l ，c h e m i s t r y , e l e c t r i cp o w e r , m e t a l l u r g y t h e t e m p e r a t u r ec o n t r o ld i r e c t l yi m p a c t so nt h eq u a l i t yo ft h ep r o d u c ta n di n d u s t r i a lp r o d u c t i o n p r o c e s s w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h em i c r o e l e c t r o n i c st e c h n o l o g y , t h ee m b e d d e d t e c h n o l o g ya n dt h ea u t o m a t i cc o n t r o lt h e o r y , t h et e m p e r a t u r ec o n t r o lt e c h n o l o g yi si nt h e t r e n do fi n t e l l i g e n c ed e v e l o p m e n t i n t h i sp a p e r , o nt h eb a s i so fr e l a v a n tr e s e a r c hb o t ha th o m ea n da b r o a d ，p r o c e s s c o n t r o lf o ri n d u s t r i a lt e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e m ，a n da i m i n ga tt h ef e a t u r eo fb a d e x p a n d a b i l i t y , t h eb a dd i s p o s a lo fc o m p l e x c o n t r o l l e de n v i r o n m e n ta n dt h e n o n s u p p o r to f f u l f i l l i n gt h er e a l t i m em u l t i t a s k i n g ，a ni n d u s t r i lf u z z yp i dt e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e m b a s e do na r mi sp r o p o s e d i nh a r d w a r e ，t h es y s t e ma d o p ta r m 9e m b e d d e dm i c r o c o n t r o l l e ra st h em a i nc o n t r o lc h i p ，t h et e m p e r a t u r ed e t e c t i o nm o d u l ea n dl c dm o d u l e h a v eb e e nd e s i g n e d ，a n dt h es t o r a g eu n i th a sb e e ne x t e n d e d i na d d i t i o n ，i no r d e rt o d o w n l o a dd a t a ，s y s t e md e b u g g i n ga n d 州t i lt h ep cm a c h i n eo rd e v i c et oc o m m u n i c a t e m o r ee a s i l y , t h es y s t e ma l s od e s i g nt or s 2 3 2s e r i a lp o r tc i r c u i t ，j t a gc i r c u i ta n de t h e r n e t in t e r f a c ecir c uit ：i ns o f t w a r e ，t h ek e r n e lo fe m b e d d e dr e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e m l i n u xw a sc u t ，c o n f i g u r e d ，c o m p i l e da n dt r a n s p l a n ti nt h ef i n a l i na d d i t i o n , t h e p r o g r a m m i n go fa p p l i c a t i o n so ft e m p e r a t u r ed e t e c t i o nm o d u l e ，d ad a t aa c q u i s i t i o n m o d u l e ，l c dm o d u l ea n dt h ec o n t r o la l g o r i t h mm o d u l eh a sb e e nd e s i g n t h et e m p e r a t u r e c o n t r o ls y s t e mw i t ht h i sm e t h o d ，o v e r c o m et h es h o r t a g eo ft r a d i t i o n a lp l ca n ds c m c o n t r o l ，t h es y s t e mh a sm a n ya d v a n t a g e ss u c ha sg o o de x p a n d a b i l i t y , h i g hr e l i a b i l i t y , f a s t r e s p o n s e ，s m a l ls i z ea n dm o r ei n t e l l i g e n t ，e t c i nt h i sp a p e r ，t h ea l g o r i t h mo ft e m p e r a t u r ec o n t r o li ni n d u s t r i a lp r o d u c t i o np r o c e s sh a s b e e ns t u d i e d ，f i n a l l y , f u z z yp i dc o n t r o lw a sc h o s e na st h ec o n t r o la l g o r i t h mi nt h i s t e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e m t ot h eb o i l e rs t e a mt e m p e r a t u r ea sc o n t r o lo b j e c t ，as i m u l a t i o n m o d e lw i t ht h et e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e mo fi n d u s t r i a lb o i l e rs t e a mh a sb e e ne s t a b l i s h e d t h er e s u l ts h o wt h a tt h ef u z z yp i dc o n t r o le f f e c t i v e l yi m p r o v et h es y s t e mc a p a c i t y , s u c ha s n o n l i n e a r , t i m ev a r i a b i l i t ya n du n c e r t a i n t y , g e tb e t t e rc o n t r o le f f e c t k e y w o r d s ：t e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e m ，a r m ，f u z z yp i d ，l i n u x i i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或部分内 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 和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密。 学位论文作者签名：韦灸毛、 签字日期：纠年f 月，z 日 翮繇衣眨 签字日期疹叼拜多月，乙日 ， 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研 究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要 贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明 的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：书灸基、 日期：2 0 1 0 年5 月 江苏大学硕士学位论文 1 1 课题研究背景和意义 第一章绪论弟一早三百了匕 温度是工业生产过程中最常见的控制参数之一，对温度的测量和控制具有很 大的实际应用价值和应用前景【1 】【2 1 。特别是在很多工业场合，温度控制的好坏直 接影响产品的质量、设备运行的安全性和经济性，例如在电厂锅炉蒸汽温度的控 制中，整个过程都要求对温度进行严格的控制和测量。通常过热管j 下常运行温度 接近过热管材料所允许的最高温度3 】【4 】，如果过热蒸汽温度过高，过热器容易损 坏，造成汽轮机内部器件过度热膨胀，通常过热器在超温l o 2 0 下长期运行， 过热器寿命会缩短一半以上，严重影响运行安全。如果过热蒸汽温度过低，会使 设备效率下降，汽轮机最后几级蒸汽湿度增加，造成汽轮机叶片磨损，通常汽温 每降低i o 。c ，会使循环热效率降低约o 5 。因此对温度进行实时准确的测量和 控制对工业生产过程的顺利进行起着至关重要的作用，由于温度对工业生产有着 非常重要的作用，所以温度控制系统的发展也得到了进一步的推进。 随着微电子和嵌入式技术的迅猛发展以及自动控制理论的不断完善，特别是 针对特定工业控制对象的工业控制器的出现，使得测控系统的设计进入了一个崭 新的领域。纵观温度控制系统的发展历史【引，大致可以分为五个阶段： 第一阶段是2 0 世纪4 0 年代以前，工业生产比较落后，大部分工业生产过程 都处于手工操作状态，特别是在一些工况变化幅度较大的环境下，只能采用人工 手动调节。 第二阶段是5 0 年代前后在有些企业中实现了温度测量仪表化和局部控制自 动化，但多数采用的是基地式仪表和气动仪表。 第三个阶段是6 0 年代以来，随着工业生产的不断发展，对温度控制系统也 提出了新的要求。电子技术的迅猛发展，为测控系统的发展创造了条件，其先后 经历了数据采集系统、直接数字控制系统以及监督控制系统几个表现形式旧。气 动和电动单元组合仪表，以及以计算机为核心的测控系统开始应用于生产领域。 这种测控模式系统的信号处理和运算由测控计算机完成，而测量仪器和执行器由 特殊功能原件构成，不对信号进行运算处理。 第四个阶段是2 0 世纪7 0 年代以来，随着大规模集成电路和各种微处理器的 江苏大学硕士学位论文 相继问世，以微处理器为核心的具备程序检测控制功能的温度控制装置得到了广 泛应用。 第五个阶段是2 0 世纪8 0 年代，出现了集散控制系统( d c s ) 【7 1 ，又称分布 式控制系统。该阶段的特点是：以微处理器为核心，实现控制分散、信息集中的 功能，利用高速数据通道连接各个模块或设备，并通过通道接口与局域网络相连， 使设备间可以进行信息交换并且实现了数据库和系统资源的共享，同时也提高了 系统的可靠性，具有丰富友好的人机接口。 总之，温度控制系统对工业生产乃至国民经济都具有非常重要的现实意义和 价值。特别是近几年，随着我国经济的飞速发展，工业生产过程也发生了日新月 异的变化，这就使得对温度控制装置，特别是那些具有通用性、宽量程、高精度、 实时性的先进的温度控制系统的需求不断增加。目前国内市场上的温度控制装置 有很多，并且技术水平也在不断发展，但和国外同类产品相比，在功能、智能化 程度和可靠性方面还有很大差距，这就使得生产自主研发的高技术低价位的产品 具有了更大的现实意义。 1 2 温度控制系统研究现状及发展趋势 目前市场上成型的温度控制产品都普遍采用传统p l c 和单片机来实现【8 j 9 1 ， 能够满足用户大多数场合的需要。随着微电子和嵌入式技术的迅猛发展以及自动 控制理论的不断完善，工业温度控制要求也越来越高。现在国内外很多温度控制 系统都采用a r m 作为处理器，a r m 为嵌入式的应用提供了一个有效的解决方 案，以其成熟的结果标准，有效的3 2 位r i s c 结构，优秀的代码密度，可能的 低成本，执行高度稳定等特点，被市场所认可【1 0 】。采用嵌入式硬件和软件的温度 控制系统具有很高的测量精度和控制精度，而且实时性好，能进行较复杂的算法 运算，体积也大大减小，有着非常人性化的人机界面。由此可见，随着信息产业 的发展，新技术革新以及产业的专业化现代化的发展，利用高性能的嵌入式处理 器和嵌入式实时操作系统对温度进行控制已成为未来发展的趋势。 在温度控制方式上，目前大多数采用的是p i d 控制方式。p i d 控制是迄今为 止最通用的控制方式【l ，p i d 调节器及其改进型是在工业过程控制中最常见的控 制器，至今全世界过程控制中仍然有8 4 左右使用纯p i d 调节器。尽管许多先 进控制方法不断推出，但p i d 控制器以其结构简单i l2 1 ，容易被理解和实现，应 2 江苏大学硕士学位论文 用中不需要精确的系统模型的预先知识，对模型误差具有鲁棒性及易于操作等优 点，仍被广泛应用于工业过程控制中。 此后又出现了诸如最优p i d 控制、预估计p i d 控制等高级p i d 控制策略【1 3 l ， 但人们对p i d 控制器的认识和改进远没有完成，到目前为止，p i d 控制的机理、 使用范围、鲁棒性等问题都还没有彻底完全的分析研究。其实p i d 控制器自身存 在着固有的缺吲1 4 】：在实际的工业生产过程中，被控对象往往具有非线性、时变 性、不确定性，难以建立精确的数学模型，应用常规p i d 控制器不能达到理想的 控制效果；在实际生产现场中参数整定方式十分烦杂，常规p i d 控制器参数往往 整定不良，性能不好，对运行工况的适应能力差，特别是对于温度这种受周围环 境影响较大的控制对象，不能很好的根据需要调节p i d 参数。针对这些问题，人 们一直在寻求p i d 控制参数的自整定技术，以适应复杂的工况和高指标的控制要 求。随着微处理器技术的发展和智能控制器的应用【l5 。，p i d 参数不能根据实际需 要在线调节的问题已经得到解决，并且开始被应用于现实控制中。 1 2 1 嵌入式系统 嵌入式系统本身是一个相对模糊的定义，在中国嵌入式系统领域，比较认同 的嵌入式系统概念是【1 6 】：嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并 且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要 求的专用计算机系统。它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系 统以及用户的应用程序等四个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管 理等功能【17 1 。 这些年来掀起了嵌入式系统应用热潮的原因有几个方面：一是芯片技术的发 展，使得单个芯片具有更强的处理能力，而且使集成多种接口已经成为可能，众 多芯片生产厂商已经将注意力集中在这方面。另一方面的原因就是应用的需要， 由于对产品可靠性、成本、更新换代要求的提高，使得嵌入式系统逐渐从纯硬件 实现和使用通用计算机实现的应用中脱颖而出，成为近年来令人关注的焦点。 从上面的定义，我们可以看出嵌入式系统的几个重要特征： ( 1 ) 系统内核小。 ( 2 ) 专用性强。 ( 3 ) 系统精简。 江苏大学硕士学位论文 ( 4 ) 高实时性的系统软件( o s ) 是嵌入式软件的基本要求。 ( 5 ) 嵌入式软件开发要想走向标准化，就必须使用多任务的操作系统。 ( 6 ) 嵌入式系统开发需要开发工具和环境。 1 2 2 嵌入式系统的分类及组成 嵌入式系统由硬件和软件两大部分组成【1 8 】f 1 9 】。 从硬件方面来讲，各式各样的嵌入式处理器是嵌入式系统硬件中的最核心的 部分，根据其现状，嵌入式处理器可以分成下面几类： ( 1 ) 嵌入式微处理器( m i c r op r o c e s s o ru n i t ，m p u ) ( 2 ) 嵌入式微控制器( m i c r o c o n t r o l l e ru n i t ，m c u ) ( 3 ) 嵌入式d s p 处理器( e m b e d d e dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o le d s p ) ( 4 ) 嵌入式片上系统( s y s t e mo nc h i p ) 从软件方面划分，主要可以依据操作系统的类型。目前嵌入式系统的软件主 要有两大类：实时系统和分时系统。其中实时系统又分为两类：硬实时系统和软 实时系统。 一个嵌入式系统装置一般都由嵌入式计算机系统和执行装置组成，嵌入式计 算机系统是整个嵌入式系统的核心，由硬件层、中间层、系统软件层和应用软件 层组成。执行装置也称为被控对象，它可以接受嵌入式计算机系统发出的控制命 令，执行所规定的操作或任务【2 0 】 2 1 l 。 下面对嵌入式计算机系统的组成进行介绍【2 2 】。 ( 1 ) 硬件层 硬件层中包含嵌入式微处理器、存储器( s d r a m 、r o m 、f l a s h 等) 、通用 设备接口和i o 接口( ，d 、d a 、i 0 等) 。在一片嵌入式处理器基础上添加电 源电路、时钟电路和存储器电路，就构成了一个嵌入式核心控制模块。其中操作 系统和应用程序都可以固化在r o m 中。 ( 2 ) 中间层 硬件层与软件层之间为中间层，也称为硬件抽象层( h a r d w a r e a b s t r a c tl a y e r ， h a l ) 或板级支持包( b o a r ds u p p o r tp a c k a g e ，b s p ) ，它将系统上层软件与底层 硬件分离开来，使系统的底层驱动程序与硬件无关，上层软件开发人员无需关心 底层硬件的具体情况，根据b s p 层提供的接口即可进行开发。该层一般包含相 4 江苏大学硕士学位论文 关底层硬件的初始化、数据的输入输出操作和硬件设备的配置功能。 ( 3 ) 系统软件层 系统软件层由实时多任务操作系统( r e a l t i m eo p e r a t i o ns y s t e m ，r t o s ) 、 文件系统、图形用户接口( g r a p h i cu s e ri n t e r f a c e ，g u i ) 、网络系统及通用组件 模块组成。r t o s 是嵌入式应用软件的基础和开发平台。 嵌入式操作系统( e m b e d d e do p e r a t i o ns y s t e m ，e o s ) 是一种用途广泛的系 统软件，e o s 负责嵌入系统的全部软、硬件资源的分配、任务调度，控制、协 调并发活动。它必须体现其所在系统的特征，能够通过装卸某些模块来达到系统 所要求的功能。嵌入式操作系统在系统实时高效性、硬件的相关依赖性、软件固 化以及应用的专用性等方面具有较为突出的特点。 1 3 本文的主要工作 本文设计了一种基于a r m 的模糊p i d 温度控制系统，主要完成了以下工作： ( 1 ) 对控制系统进行了硬件设计，采用a r m 9 微处理器a t 9 1 r m 9 2 0 0 作为 主控制芯片，并对其外围电路进行了构建。本文在对a t 9 1 r m 9 2 0 0 微处理器进 行了介绍之后，对温度检测单元进行了设计，对存储单元进行了扩展，采用专用 显示控制器控制l c d 显示。另外系统还设计了r s 2 3 2 串口电路、j t a g 电路和以 太网接口电路，方便了数据下载，系统调试和与p c 机或设备进行通讯，实现数 据的交换。 ( 2 ) 软件方面，移植了引导程序( b o o t l o a d e r ) 和l i n u x 操作系统，实现了操 作系统的自动引导及运行，为应用程序的运行提供了一个软件环境。 ( 3 ) 简要介绍了l i n u x 操作系统上硬件设备驱动程序的相关概念及开发过 程，之后分别对温度检测模块、d a 数据转换模块、控制算法模块及r s 一2 3 2 串 口模块等应用程序的设计进行了说明，并利用q t e 为系统设计了友好的图形用 户界面。 ( 4 ) 简单介绍了模糊控制的工作原理，详细讲述了模糊p i d 控制器的具体设 计步骤，最后以工业锅炉蒸汽温度为被控对象，设计仿真模型对模糊p i d 控制和 传统p i d 控制进行仿真对比及分析。 江苏大学硕士学位论文 第二章模糊p i d 控制 2 1 模糊控制基本原理 1 9 6 5 年，美国加利福尼亚大学扎德( l a z a d e h ，1 9 6 2 ) 教授发表了题为模 糊集合论著名论文【2 3 】【2 4 l ，从此开创了模糊数学和模糊系统理论的基础。1 9 7 4 年，英国伦敦大学教授e h m a m d a n i ，首先利用模糊控制语句组成了模糊控制 器，并应用于锅炉和汽轮机的控制，在实验室获得了成功。它不仅把模糊系统理 论首先应用于控制，并且充分展示了模糊控制技术的应用前景。近几年，模糊控 制技术得到了迅猛发展，已经成功的运用于许多领域，在一些具有非线性、强耦 合、时变性和时滞性的复杂过程或机器的控制中，模糊控制发挥了独特的作用。 模糊控制是基于模糊推理【2 5 】，模仿人的思维方式，对难以建立精确数学模型 的对象实施的一种控制，它是模糊理论和控制技术相结合的产物，同时也是构成 智能控制的重要组成部分。模糊控制系统的构成与一般控制系统的区别主要在于 控制器不同，模糊控制器主要是由模糊化、模糊推理和去模糊三个功能模块和知 识库构成。它的基本原理是：把系统的输入进行模糊化处理转化为模糊量，然后 按照给出的规则对模糊量进行推理，最后把推理的结果进行去模糊化处理转化为 精确量。模糊控制的突出特点主要有【2 6 】： ( 1 ) 控制系统的设计不要求知道被控对象的精确数学模型，只需要提供操作 人员的经验及操作数据； ( 2 ) 控制系统的鲁棒性强，适合于解决常规控制难以解决的非线性、强耦合、 时变和时滞系统； ( 3 ) 以语言变量代替了常规的数学变量，容易构成专家的“知识”； ( 4 ) 控制推理模仿人的思维过程，采用“不精确推理 ，融入了人类的经验， 因此可以处理复杂甚至“病态”系统。 虽然模糊控制器和常规控制器相比具有无须建立被控对象的数学模型，对被 控对象的非线性和时变性具有一定的适应能力等特点，但是它也存在一些例如精 度不高，自适应能力有限和易产生振荡现象等缺陷。 6 江苏大学硕士学位论文 2 2 模糊自适应p i d 概述 在工业生产过程中【2 7 1 ，许多被控对象随着负荷变化或干扰因素的影响，其对 象特征参数或结构会发生改变。自适应控制运用现代控制理论在线辨识对象特征 参数，实时改变其控制策略，使控制系统品质指标保持在最佳范围，其控制效果 的好坏取决于辨识模型的精确度，这对于复杂系统是非常困难的。因此在工业生 产过程中，大量采用的仍然是p i d 算法，p i d 参数的整定方法很多，但大多数都 以对象特性为基础。 随着计算机技术的发展，人们利用人工智能的方法将操作人员的调整经验作 为知识存入计算机中，根据现场实际情况，计算机能自动调整p i d 参数，这样就 出现了智能p i d 控制器。这种控制器把古典的p i d 控制与先进的专家系统结合， 实现系统的最佳控制【2 8 】。这种控制必须精确地确定对象模型，首先将操作人员( 专 家) 长期实践积累的经验知识用控制规则模型化，然后运用推理便可对p i d 参数 实现最佳调整。 由于操作者经验不易精确描述，控制过程中各种信号量以及评价指标不易定 量表示，而模糊理论是解决这一问题的有效途径，所以人们运用模糊数学的基本 理论和方法，把规则的条件、操作用模糊集表示，并把这些模糊控制规则以及有 关信息( 如评价指标、初始p i d 参数等) 作为知识存入计算机知识库中，然后计 算机根据控制系统的实际响应情况( 即专家系统的输入条件) ，运用模糊推理， 即可自动实现对p i d 参数的最佳调整，这就是模糊自适应p i d 控制。模糊自适 应p i d 控制器目前有多种结构形式，但其工作原理基本一致。 2 3 模糊自适应p i d 控制器的设计 2 3 1 模糊自适应p i d 控制器 模糊参数自适应p i d 控制器是一种专家自适应p i d 控制器【2 9 】，它是在常规 调节器的基础上采用模糊推理的思想，根据不同偏差p ( 尼) 和偏差变化率e c ( k ) ， 对p i d 的比例、积分和微分参数七p 、屯和岛进行在线自整定的模糊控制器，在 参数后p 、t 和k j 与偏差p ( 七) 和偏差变化率e c ( k ) 问建立起在线自整定的函数关 系，而且这种关系是根据人的经验和智能建立起来的，使系统在不同运行状态下 7 江苏大学硕士学位论文 能对常规p i d 控制器参数不断地修改和调整。这如同人们在控制过程中不断了解 和掌握控制规律一样，因此，它属于人工智能的范畴，即对p i d 参数实现了智能 调节。也正因为如此，它在改善被控过程的动态和稳态性能、提高抗干扰能力以 及对参数时变的鲁棒性等方面均优于常规p i d 控制器。 自适应模糊p i d 控制器以误差e 和误差变化e c 作为输入，可以满足不同时刻 的e 和p c 对p i d 参数自整定的要求。利用模糊控制规则在线对p i d 参数进行修 改，便构成了自适应模糊p i d 控制器，其结构如图2 1 所示。 图2 1 自适席模糊控制器结构 由控制系统结构框图可见，这是在一般p i d 控制器的基础上加上了一个模糊 控制环节，模糊控制规则环节是为了根据系统实时状态调节p i d 参数而设置的。 因此，模糊参数自适应p i d 控制系统的关键在于模糊控制规则对p i d 参数的调 节机理及过程。由模糊参数自适应p i d 控制系统的结构图可以看出，其中的参数 校正部分实质为一个模糊控制器，该模糊控制器采用如下5 个模糊变量： ( 1 ) e ( k ) ，控制系统的输入偏差； ( 2 ) e c ( k ) ，控制器的输入偏差变化率； ( 3 ) k p ，控制器输出的比例系数； ( 4 ) t ，控制器输出的积分系数； ( 5 ) ，控制器输出的微分系数。 其中，p ( 七) 和e c ( k ) 为输入模糊语言变量，而后，、k i 和k d 为输出模糊语言 变量。 2 3 2 参数自整定原则 p i d 参数模糊自整定是找出p i d 三个参数与系统误差e 和误差变化率e c 之间 r 江苏大学硕士学位论又 的模糊关系3 0 1 ，在运行中通过不断检测e 和e c ，根据模糊控制原理来对3 个参数 进行在线修改，以满足不同e 和e c 对控制参数的不同要求，而使被控对象有良好 的动、静态性能。p i d 参数的整定必须考虑到在不同时刻三个参数的作用以及相 互之间的互联关系。 从系统的稳定性、响应速度、超调量和稳态精度等方面来考虑，k 口、砖和九 的作用如下： ( 1 ) 比例系数七p 的作用是加快系统的响应速度，提高系统的调节精度。后p 越 大，系统的响应速度越快，系统的调节精度越高，但易产生超调，甚至会导致系 统不稳定。k 。取值过小，则会降低调节精度，使响应速度缓慢，从而延长调节 时间，使系统静态、动态特性变坏。 ( 2 ) 积分作用系数k ，的作用是消除系统的稳态误差。t 越大，系统的静态 误差消除越快但七过大，在响应过程的初期会产生积分饱和现象，从而引起 响应过程的较大超调。若k j 过小，将使系统静态误差难以消除，影响系统的调 节精度。 ( 3 ) 微分作用系数k d 的作用是改善系统的动态特性，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预报。但幻过大，会使 响应过程提前制动，从而延长调节时间，而且会降低系统的抗干扰性能。 采用计算机实现的p i d 控制算法，其离散p i d 控制规律为： u ( 七) k 二- i k p p ( 七) + k ，p ( f ) + k “p ( 七) 一p ( 七一1 ) 】( 2 - 1 ) 式中甜例为第k 个采样时刻控制器输出量；p 例为第k 个采样时刻控制器输 入量( 偏差信号) ；k 。、t 和吒分别为比例、积分、微分系数。 从系统的稳定性、响应速度、超调量和稳态精度等各方面来考虑，根据不同 的p 和e c 人们总结出了一套尼。、k i 和l 的整定原则【3 1 】： ( 1 ) 当e 较大时，为使系统有较好的跟踪性能，应取较大的后。和较小的k d ， 同时为避免出现较大的超调，应对积分作用加以限制，通常取k ；= 0 。 ( 2 ) 当e 中等时，为使系统响应具有较小超调，应取较小的k 。t 的取值要 江苏大学硕士学位论文 适当， l 的取值对系统响应的影响较大，应取得小一些。 ( 3 ) 当e 较小时，为使系统能有较好的稳态性能，后，和t 均应取的大些，同 时为避免在平衡点附近出现振荡，并考虑系统抗干扰性能，当p c 较大时幻可取 的小些；g c 较小时k 可取的大一些。 2 3 3 隶属度函数的建立 由模糊自适应控制器结构图可以看出，模糊控制器的输入输出都要求精确 量，而模糊控制算法本身需要模糊量，这样就需要在模糊控制算法实现过程中， 能够使精确量和模糊量之间进行相互转换。将精确量( 数字量) 转化为模糊量的 过程称为模糊化。精确量的模糊化就是把物理量的精确值转换为语言变量值，在 本系统的设计中，需要进行模糊化的变量有偏差、偏差变化率、p i d 控制器的比 例系数、积分系数和微分系数。模糊化设计包含两方面的重要内容，一个是模糊 划分谁家，它主要是解决在语言变量论域中取模糊量的个数问题；另一个是模糊 量隶属函数的设计，它主要是解决模糊量的隶属函数形状。 隶属函数( m e m b e r s h i pf u n c t i o n ) ，用于表征模糊集合的数学工具。对于普通 集合a ，它可以理解为某个论域u 上的一个子集。为了描述论域u 中任一元素 u 是否属于集合a ，通常可以用0 或1 标志。用0 表示u 不属于a ，而用l 表示 属于a ，从而得到了u 上的一个二值函数z a ( u ) ，它表征了u 的元素u 对普 通集合的从属关系，通常称为a 的特征函数，为了描述元素u 对u 上的一个模 糊集合的隶属关系，由于这种关系的不分明性，它将用从区间 o ，1 中所取的 数值代替0 ，l 这两个值来描述，记为( u ) ，数值( u ) 表示元素隶属于模糊集的 程度，论域u 上的函数“即为模糊集的隶属函数，而( u ) 即为u 对应的隶属度。 隶属度函数是模糊控制的应用基础，正确构造隶属度函数是能否用好模糊控 制的关键之一。隶属度函数的确定过程，本质上说应该是客观的，但每个人对于同 一个模糊概念的认识理解又有差异，因此，隶属度函数的确定又带有主观性。 隶属度函数的确立目前还没有一套成熟有效的方法，大多数系统的确立方法 还停留在经验和实验的基础上。对于同一个模糊概念，不同的人会建立不完全相 同的隶属度函数，尽管形式不完全相同，只要能反映同一模糊概念，在解决和处理 实际模糊信息的问题中仍然殊途同归。 1 0 江苏大学硕士学位论文 本文选定e 、p c 的论域为 6 ，5 ，- 4 ，3 ，2 ，- l ，0 ，l ，2 ，3 ，4 ，5 ，6 ) ， k 。、毛和力的论域也为 - 6 ，5 ，- 4 ，- 3 ，- 2 ，- 1 ，0 ，1 ，2 ，3 ，4 ，5 ，6 ) ，语 言变量均选取7 个语言值：p b ，p m ，p s ，z e ，n s ，n m ，n b ，分别代表负大，负中， 负小，零，正小，正中，正大。e , e c 的隶属度函数选用高斯形曲线，如图2 2 所 示。参数k 口、t 和k d 的隶属度函数选用三角形曲线，如图2 3 所示。这些隶属 度函数曲线可以等距，也可以非等距。当偏差大于某值时，曲线密度可设置的小 一些，以提高系统的响应速度；当偏差小于某值时，曲线密度可设置的大一些， 以提高系统的响应精度和减小超调。一般合适的隶属度函数应该保证相邻模糊量 的交点在0 3 0 7 之间。 - 6- 4- 2o 2 图2 2e 、p c 的隶属度函数 - 642024 2 3 4 控制规则的设计 图2 3 易，岛和幻的隶属度函数 模糊控制器的控制规则是基于手动控制策略，而手动控制策略又是人们通过 学习、实践以及长期经验累积逐渐形成的，它是存储在操作者头脑中的一种技术 知识集合。手动控制规则一般是通过对被控对象( 过程) 的一些规则，操作者根 据已有的经验和技术知识，进行综合分析并作出控制策略的过程，实际上就是建 立模糊控制器的控制规则的过程。在模糊参数自适应p i d 的控制系统中，模糊控 l l 江苏大学硕士学位论文 制规则主要是用来修正p i d 的参数的，它是控制领域内的技术人员根据过程的阶 跃响应情况的经验总结，在进行一定处理之后得到的。从一般过程对阶跃输入的 响应情况，可以得到p i d 控制器在实际工作中有e ，e c 时，应该能够推出合理的 如，岛，切的模糊控制规则。 总结工程设计人员的技术知识和实际操作经验，再根据岛，岛，幻三个参数 各自的作用和它们之间的相互影响，本文建立了乞，岛，幻模糊控制规则表，如 表2 1 ，表2 2 ，表2 3 所示。模糊控制器控制规则形式为：i f aa n dbt h e nc ， 如1 i t l ei sn b a n d e ci sn b t h e n k pi sp b 【1 】；2 i f ei sn b a n d e ci sn s t h e n k p i sp m 】 1 】；其中最后括号中的“1 ，表示该条规则的权值。模糊决策采用： 与( a n d ) 方法为m i n ，或( o r ) 为m a x ，推t 里( i m p l i c a t i o n ) 为m i n ，合成( a g g r e g a t i o n ) 为m a x ，解模糊( d e f u z z i f i c a t i o n ) 为s o r e 。 表2 。1k 。的模糊规则表 e c 划 n bn mn sz op sp mp b n bp bp bp mp mp sz 0z o n mp bp bp mp sp sz on s n s p mp mp mp sz o n s n s z op mp mp sz on sn mn m p sp sp sz on sn sn mn m p mp sz on sn mn mn mn b p bz 0z on mn mn mn bn b 表2 2 k 的模糊规则表 l e c 刘 n bn mn sz op sp mp b n bn bn bn mn mn sz 0 z o n mn bn bn mn sn sz oz o n sn bn mn sn sz 0p sp s z on mn mn sz 0p sp mp m p sn mn sz op sp sp mp b p mz oz op sp sp mp bp b p bz oz op sp mp mp bp b 江苏大学硕士学位论文 表2 3k d 的模糊规则表 p c 划 n bn mn sz 0p sp mp b n bp sn s n b n b n bn mp s n mp sn sn b n mn mn sz o n sz on sn mn mn sn sz o z 0z on sn sn sn sn sz o p sz oz oz oz oz 0z oz 0 p mp bn sp sp sp sp sp b p bp bp mp mp mp sp sp b 知，岛，幻的模糊控制规则表建立好后，根据各模糊子集的隶属度赋值表和 各参数模糊控制模型，应用模糊合成推理设计p i d 参数的模糊矩阵表，查出修正 参数代入下式计算 ， k p = k p + e l ，e c f p ， k i = k i + e i e c i i ( 2 - 2 ) ( 2 3 ) ， k a = k d + e i e c l d ( 2 - 4 1 在线运行过程中，控制系统通过对模糊逻辑规则的结果处理、查表和运算， 完成对p i d 参数的在线自校j 下，其工作流程图如图2 4 所示。 江苏大学硕士学位论文 取当前采样值 上 e = r - y 士 e c 鳓= i e ( k ) 一e ( k - 1 ) 】艇 0 e ( k - i ) = e 上 p ，e c ( k ) 模糊化 山 l 模糊整定4 如，a i c , ，4 幻 上 计算当前毛，岛，幻 上 p i d 控制器输出 图2 。4p i d 参数在线自校正工作流程图 1 4 江苏大学硕士学位论文 第三章温度控制系统硬件设计 本文采用a t m e l 公司的3 2 位a r m 9 嵌入式微处理器a t 9 1 r m 9 2 0 0 作为主控 制芯片，系统通过温度传感器把采集到的实时温度信号经过温度检测电路传给 a t 9 1 r m 9 2 0 0 ，经控制算法处理得到控制信号，最后再经过d a 转换得到输出信 号输出给控制执行机构达到自动控温的效果。系统硬件设计框图如图3 1 所示。 圈网 f l a s h | | h 删 斟斟 3 1 系统硬件设计框图 3 1a t 9 1 r m 9 2 0 0 处理器概述 3 1 1a r m 简介 通 讯 模 块 a r m 即a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s 的缩写【3 2 】，既可以认为是一个公司的名字， 也可以认为是对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。a r m 公 司是专门从事基于r i s c 技术芯片设计开发的公司，作为知识产权供应商，本 身不直接从事芯片生产，靠转让设计许可由合作公司生产各具特色的芯片，世界 各大半导体生产商从a l m 公司购买其设计的a r m 微处理器核，根据各自不同 的应用领域，加入适当的外围电路，从而形成自己的a r m 微处理器芯片进入 市场。目前，全世界有几十家大的半导体公司都使用a r m 公司的授权，因此 使得a r m 技术获得了更多的第三方工具、制造、软件的支持，又使整个系统 成本降低，使产品更容易进入市场被消费者所接受，更具有竞争力。a r m 处理 器的三大特点是：耗电少功能强、1 6 位3 2 位双指令集和众多合作伙伴。 a r m 是一个不断发展的微处理器家族。目前，在这个家族中，主要有5 个 l5 篓一 江苏大学硕士学位论文 产品系列：a r m 7 、a r m 9 、a r m 9 e 、a r m l 0 和s e c u r c o r e 。其中a r m 9 系列 微处理器主要应用于下一代无线设备、数字消费品、成像设备、工业控制、存储 设备和网络设备等领域，其主要特点如下【3 3 1 ： ( 1 ) 支