（检测技术与自动化装置专业论文）基于arm的多路智能温度控制器的设计与研究.pdf

摘要 摘要 温度这一被控对象往往存在着结构和参数的不确定性、大滞后特性以及变量的耦合 性，难以得到精确的数学模型。本文基于以上问题，研究了一种新型的控制方案，以期 在调节时间、超调量和稳态误差方面获得比常规控制策略更好的控制效果；同时，将控 制方案在微处理器上实现，设计了一款基于a r m 的温度控制设备，满足市场对多路、 智能、多通讯接口温控器的需求。 本文首先介绍了国内外温度控制器的研究历史与现状，然后针对温度被控对象的特 点，在融合p i d 控制、模糊控制以及专家控制等各种控制策略的优点，设计出专家模 糊p i d 控制算法，并进行m a t l a b s i m u l i n k 仿真。从仿真结果看，该控制算法由于采用 了“预前控制”，有效的克服了温度滞后带来的影响，相对于常规的温度控制算法具有 更为理想的性能指标。 论文在分析了温度控制器的工作原理和功能需求后，详细介绍了硬件部分电路设计 和软件实现方案。系统硬件是以m i n i a r m 工控板m 2 0 0 5 n u l l 为核心控制器，在外围 设计了温度信号采集模块、人机交互模块、数据存储模块、通信模块等；软件部分以嵌 入式操作系统g c o s i i 为软件平台，按照嵌入式软件设备驱动层操作系统层应 用软件层的体系结构，分层进行了软件部分设计。 本课题所实现的基于a r m 的多路智能温度控制器采用液晶屏幕显示，图形界面易 于人机交互。经实验验证采用专家模糊p i d 控制算法可实现精度为0 5 。c 的多路温度控 制，同时控制器具有丰富的数据通信接口，遵循m o d b u s r t u 、m o d b u s t c p 协议，可广 泛应用于各种工业温度控制过程。 关键词：专家模糊p i d ；m i n i a r m ；多路温度控制；m o d b u s a b s t r a c t a b s t r a c t w ec a nh a r d l y g e ta c c u r a t em a t h e m a t i c a l u n c e r t a i n t yo fs t r u c t u r ea n dp a r a m e t e r , a sw e l la s v a i l a b i e m o d e l so ft e m p e r a t u r eb e c a u s eo fi t s i t sf e a t u r eo fg r e a td e l a ya n dc o u p l i n go f 1 1 ：l i st 1 1 e s i si sd o i n gar e s e a r c ho nan e wc o n t r o lm e t h o do nt h eb a s i so ft h ep r o b l e m s m e n t i o n e da b o v e ，a i m i n gt og e tb e a e rc o n t r o le f f e c tt h a nt h a tc o n t r o l l e db yr e g u l a rc o n t r o l l i n g m e t h o di nt h ea s p e c to f s e t t l i n gt i m e o v e r c o m es h o o ta n ds t e a d y s t a t ee r r o r m a t sm o r e t h i s n e wc o n t r o la l g o r i t h mi st ob ea p p l i e do nt h em i c r o p r o c e s s o ra n dd e s i g n i n gat e m p e r a t u r e c o n t r o le q u i p m e n tb a s e do na r m s oa st o s a t i s f yt h en e e d so ft h em a r k e to ng o o d sw i m m u l t i c h a n n e l ，i n t e l l i g e n t f u l lo fc o m m u n i c a t ei n t e r f a c e s t h et h e s i sf i r s t l yg i v e sa ni n t r o d u c t i o no ft h eh i s t o r ya n dp r e s e n tr e s e a r c ho ft h e t e m p e r a t u r ec o n t r o lb o t ha th o m ea n da b r o a d ，a n dt h e nb r i n g sf o r w a r dad e s i g no f e x p e a f u z z yp i dc o n t r o la l g o r i t h ma n da l s og i v e sm a t l a b s i m u l i n ks i m u l a t i o n t h ec o n t r o l a l g o r i t h mi si nr e s p o n s et ot h ef e a t u r e so ft e m p e r a t u r ea n db a s e do nt h ec o m p r o m i s eo f a d v a n t a g eo fc o n t r o l l i n gs t r a t e g i e s ，i n c l u d i n gp i dc o n t r o l ，f u z z yc o n t r o la n de x p e r tc o n t r 0 1 t h ec o n t r o la l g o r i t h mo v e r c o m e st h ee f f e c to ft e m p e r a t u r ed e l a yd u et oi t s “p r e c o n t r o l ” w h i c hw ec a ns e ef r o mr e s u l t so ft h es i m u l a t i o n f u r t h e rm o r e t h ec o n t r o la l g o r i t h mg i v e sa m o r ei d e a lp e r f o r m a n c ec o m p a r e dt ot h er e g u l a rt e m p e r a t u r ec o n t r o lm e t h o d a n a l y z i n gt h ep r i n c i p l eo fo p e r a t i o na n df u n c t i o n a lr e q u i r e m e n to ft h et e m p e r a t u r e c o n t r o l l e rf i r s t t h et h e s i sg i v e st h ec i r c u i td e s i g no fh a r d w a r ea n di m p l e m e n t a t i o no fs o f t w a r e t h es y s t e mh a r d w a r ei sc o n s i s t e do fc o r ec o n t r o l l e ri n c l u d i n gm i n i a r mc a r df o ri n d u s t r i a l c o m p u t e rm 2 0 0 5 - n u 11 ，s u r r o u n d e db yt e m p e r a t u r es i g n a la c q u i s i t i o na n dc o l l e c t i n gm o d u l e ， h u m a n m a c h i n ei n t e r a c t i o nm o d u l e d a t as t o r a g em o d u l ea n dc o m m u n i c a t i o nm o d u l e t h e p a r t o fs o f t w a r ei s s u p p o r t e db yt h ee m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e mp c o s - i i ，d e s i g n e d a c c o r d i n gt ot h es y s t e ms t r u c t u r eo ft h ee m b e d d e ds o f tw a r ee q u i p m e n td r i v e r , o p e r a t i n g s y s t e ma n da p p l i c a t i o ns o f t w a r e t h em u l t i c h a n n e li n t e l l i g e n tt e m p e r a t u r ec o n t r o l l e rb a s e do na r m d i s p l a y st h r o u g h l e da n dt h eg r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c em a k e sh u m a n m a c h i n ei n t e r a c t i o nv e r ye a s y t h e e x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h em u l t i c h a n n e lt e m p e r a t u r ec o n t r o lw i t haa c c u r a c yo fo 5 c a nb er e a l i z e db yt h ee x p e r t f u z z yp i d t h ec o n t r o l l e rh a ss e v e r a lc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e s f o l l o w i n gm o d b u s i u ua n dm o d b u s t c pp r o t o c o l s s oi tc a nb ew i d e l ya p p l i e di ni n d u s t r i a l c o n t r 0 1p r o c e s s k e y w o r d s ：e x p e r t f u z z y p i d ；m i n i a r m ；m u l t i c h a n n e lt e m p e r a t u r ec o n t r o l ；m o d b u s ； i i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 课题背景及意义1 1 2 课题研究现状1 1 2 1 温度控制器的发展阶段1 1 2 2 微机温度控制仪表2 1 3 本文研究主要内容3 1 4 本章小结3 第二章多路智能温度控制器整体方案设计一5 2 1 嵌入式系统设计流程5 2 2 多路智能温度控制器需求分析6 2 3 多路智能温度控制器整体方案设计6 2 3 1 温度控制算法设计6 2 3 2 控制器的功能模块设计7 2 4 本章小结8 第三章专家模糊p i d 控制算法设计9 3 1p i d 控制的理论基础9 3 1 1p i d 控制器的基本原理9 3 1 2 数字式p i d 控制器1 0 3 2 模糊控制的理论基础1 1 3 2 1 模糊控制基本原理1 1 3 2 2 模糊控制器设计1 2 3 3 专家控制的理论基础13 3 4 专家模糊p i d 控制算法设计1 3 3 4 1 模糊p i d 控制器设计1 4 3 4 2 专家控制器设计1 7 3 5 专家。模糊p i d 控制仿真研究1 9 3 5 1 模糊p i d 控制仿真设计l9 3 5 2 专家控制仿真设计2 2 3 5 3 基于s i m u l i n k 的仿真2 3 3 6 本章小结2 6 第四章多路智能温度控制器硬件设计2 7 4 1 微处理器模块选型2 7 4 2 温度信号采集模块2 9 目录 4 3 人机交互模块3 0 4 3 1 键盘接口电路3 0 4 3 2 液晶显示接口电路3 1 4 4 数据存储模块3 2 4 5 通信模块3 4 4 5 1 串行通信电路3 4 4 5 2 以太网通信电路3 5 4 6 输出控制模块3 6 4 6 1 开关量输出电路3 6 4 6 2 模拟量输出电路3 7 4 7 电源模块3 9 4 8 其他模块4 l 4 8 1 运行指示电路4 l 4 8 2j t a g 调试电路4 1 4 8 3i s p 电路4 2 4 9 硬件平台测试4 2 4 1 0 本章小结4 2 第五章多路智能温度控制器软件设计4 3 5 1 多路智能温度控制器软件结构4 3 5 2 设备驱动层4 4 5 2 1 温度传感器驱动4 5 5 2 2f l a s h 存储器驱动4 7 5 2 3d a c 驱动。4 9 5 2 4 键盘驱动5 0 5 2 5l c d 驱动5 0 5 3 操作系统层5 3 5 3 1 基本部分。5 3 5 3 2 扩展部分5 4 5 4 应用软件层5 4 5 4 1 温度控制任务5 5 5 4 2 以太网通信任务5 6 5 4 3 键盘任务6 0 5 4 4 菜单控制任务6 0 5 4 5 串口通信任务6 3 5 4 6 实时时钟任务6 4 5 4 7 温度采集任务6 4 5 4 8 运行指示任务6 4 i i 7 2 展望7 5 致谢7 7 参考文献。7 9 作者在攻读硕士学位期间发表的论文8 3 附j 素 i l l 5 6 7 7 8 8 o 4 5 5 6 6 6 6 6 6 7 z 7 目录 i v 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题背景及意义 温度无处不在，宇宙的一切无不由于空间位置的不同而存在着温度的差别。也正是 这种温度的差异性，促成了现实的绚烂多彩，然而有时为了生产、生活的需要，要对其 进行过程控制。 过程控制通常是指连续生产过程的自动控制，是自动化技术最重要的组成部分之 一。其应用范围覆盖电力、冶金、石油、环境、化工等重要领域。它的主要任务是对生 产过程中的有关参数( 温度、压力、流量、物位、成分、湿度、p h 值和物性等) 进行 控制，使其保持恒定或按一定规律变化，在保证产品质量和生产安全的前提下，使连续 型生产过程自动地进行下去1 1 j 。 温度作为一个最常见而且最重要的控制参数之一，对我们的生产、生活有着重要的 影响。温度这一被控对象往往存在着结构和参数的不确定性、大滞后特性以及变量的耦 合性，难以得到精确的数学模型【2 】，在精度要求较高的场合使用传统的方法往往不能达 到理想的控制效果。 当前国内外市场上也有一些优秀温度控制仪表，比如日本s h i m a d e n 公司s r 9 0 系列p i d 调节仪表、厦门宇电公司触系列p i d 调节仪表。这些仪表大多采用常规p i d 控制策略，有的使用了模糊p i d 技术。然而，具备以太网通信、串口通信等多种通讯接 口、能够实现多路温度实时控制的智能温度控制器几近于空白。 本课题基于上面的问题，研究一种新型的控制方案，有效克服超调现象，获得较小 的稳态误差，并将该控制方案在微处理器上实现，设计出一款多路智能温度控制器，这 对于传统工业改造具有较大的现实意义。 1 2 课题研究现状 1 2 1 温度控制器的发展阶段 温度作为一个和我们日常生活和生产实践紧密联系的一个物理量，一直以来，人们 对它并不乏研究。随着科学技术的日益进步、国内外工业技术的日益发展，温度控制器 的发展也大致经历了三个阶段【3 j 。 ( 1 ) 基地式仪表阶段 由于化工、冶金等行业的生产需要，上世纪四十年代初出现了一类将测量、显示、 控制等各部分集中组装在一个表壳罩，从而形成一个整体，并且可就地安装的仪表。基 地式仪表的优点是系统结构简单，不需要变送器，使用维护方便、防爆。基地式仪表减 少了气动仪表传送带滞后的缺点，有助于调节性能的改善；缺点在于功能较简单，不便 于组成复杂的调节系统，外壳尺寸大，精度稍低，由于不能实现多种参数的集中显示与 控制。 ( 2 ) 单元组合式仪表阶段 根据i e e e ( 雪际电气和电子工程师协会) 的定义，嵌入式系统是控制、监视或者辅助 设备机器和车间运行的装置，这主要是从产品的应用角度加以定义的。因为有众多不同 专业的人士从各自不同的角度在思考和定位嵌入式系统，如系统设计人员更多的从系统 架构来考虑，电子工程师更多的从硬件设计来考虑，软件工程师更多的从软件设计和优 化来考虑，经营者和用户更多的从实用和市场应用来考虑，所以目前对嵌入式系统的定 义非常多。按照目前业界和学术界对嵌入式系统的普遍看法，嵌入式系统被定义为以应 用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、 体积、功耗严格要求的专用计算机系统1 4 j 。 1 2 2 2 温度控制理论 温度微机控制系统常用的控制理论有以下三类：经典控制理论、现代控制理论和智 能控制理论。 ( 1 ) 经典控制理论 以经典控制理论为基础设计控制器己有一套成熟的方法，其中以p i d 控制器为代 表。p i d 控制器把收集到的数据和一个给定的参考值进行比较，然后把这个差别用于计 算新的输入值，这个新的输入值的目的是可以让系统的数据达到或者保持在参考值是一 个在工业控制应用中常见的反馈回路部件。该控制器和其他简单的控制运算算法不同， 它可以根据历史数据和差别的出现率来调整输入值，这样可以使系统的准确度进一步提 高，性能也更加的稳定。 2 第一章绪论 ( 2 ) 现代控制理论 随着控制理论的进一步发展，现代控制理论逐渐走进人们的视线。在现代控制理论 中，对被控系统的分析、设计主要通过对系统状态变量的描述进行的，基本方法是时间 域方法。现代控制理论比经典控制理论所能处理的控制问题要广泛，包括线性系统和非 线性系统，定常系统和时变系统等等。它所采用的方法、算法更适合于在计算机上进行。 现代控制理论还为最优控制系统提供了可能性。 ( 3 ) 智能控制理谢5 j 智能控制是一类无需( 或仅需尽可能少的) 人的干预就能独立地驱动智能机器实现 其目标的自动控制。智能控制理论是自动控制的最新发展阶段，主要用来解决那些用传 统控制方法( 主要包括经典反馈控制和现代控制理论) 难以解决的复杂系统的控制问题。 按照k s f u ( 傅京孙) 和s a r d i s ( 萨里迪斯) 提出的观点，智能控制可以看成是人工智 能、自动控制和运筹学三个主要学科相结合的产物。 由以上分析，我们可以看到，当前温度控制器正朝着嵌入式与智能化的方向发展。 1 3 本文研究主要内容 本文的任务是研究一种新型的控制方案，能够有效克服温控过程中的超调现象，同 时获得较小的稳态误差，并将该控制方案在微处理器上实现，设计出一款多路智能温度 控制器，实现对温度的精确控制。本课题的主要工作有以下两个方面： ( 1 ) 选择一种新型的温度控制方案 由于常规控制方法不能够得到良好的控制效果，比较并选择某一种或几种控制理 论，针对温度对象大滞后、强耦合特性，运用m a t l a b 对它们的控制过程和抗干扰能力 进行仿真研究，选择一种合乎稳念误差在o 5 。c 内技术要求的温度控制解决方案。 ( 2 ) 基于a r m 的多路智能温度控制器的设计 在设计温度控制器时，首先分析控制器的功能需求，考虑微处理器和各种电子元器 件的选型问题，然后以模块化设计思想设计各功能模块电路，画出程序流程图，进行嵌 入式软件开发，最后软、硬件协同调试，并通过实验检验智能控制器是否达到设计要求。 1 4 本章小结 本章简单阐述了课题的背景及意义，纵览温度控制器的整个发展过程，分析和总结 温度控制器的发展方向以及温度控制理论。将设计出一个性能良好的智能型控制器来解 决目前温度控制系统开发中低成本与高精度之间矛盾作为本论文的目的。章节最后给出 了本论文的主要工作。 江南大学硕十学位论文 第二章多路智能温度控制器整体方案设计 第二章多路智能温度控制器整体方案设计 温度控制系统在工业过程控制系统中占有相当大的比例，温控系统的重要组成部分 温度控制器的性能直接决定了温控系统的品质。本论文旨在设计一个基于嵌入式的 多路智能温度控制器，因此在设计时采用嵌入式系统设计流程。 2 1 嵌入式系统设计流程 由于嵌入式系统自身专用、可靠性要求高等特点，其设计一般是基于硬件、软件等 资源的统筹规划，进行合理的配置，这样才能实现系统功能的最优化组合。 传统的嵌入式系统设计是将硬件和软件这两部分分开独立进行，这样做的好处足可 以专注于其中某一方面的设计，使其性能达到最优，坏处是不能对整个系统做出很好的 性能优化。从理论上来讲，如果按照一定的分配算法，都存在软件和硬件的一个最佳组 合使得一个应用系统的性能最优。因此，嵌入式系统设计应该是一个软、硬件结合的协 同设计( s o f t w a r e h a r d w a r ec o d e s i g n ) ，如图2 1 所示。 图2 1 嵌入式系统协同设计方法 f i g 2 - 1t h es o f t w a r e h a r d w a r ec o d e s i g nm e t h o do fe m b e d d e ds y s t e m 软硬件协同设计过程可以归纳为： ( 1 ) 需求分析 ( 2 ) 软、硬件协同设计 ( 3 ) 软、硬件实现 ( 4 ) 软、硬件协同测试和验证【6 】 这种方法的特点在于协同设计( c o d e s i g n ) 、协同测试( c o t e s t ) 和协同验证 江南人学硕士学位论文 ( c o v e r i f i c a t i o n ) 时，充分考虑了软硬件的关系，并在每个层次上给以测试验证，使得尽 早发现和解决问题，避免灾难性错误的出现。 2 2 多路智能温度控制器需求分析 需求分析是嵌入式系统设计中关键的一步，对多路智能温度控制器的性能以及技术 指标作一定的分析，从而得出控制器的整体设计方案。 本课题设计的智能温度控制器旨在设计一种合乎响应速度快、超调量小、稳态误差 在0 5 内的技术要求的温控解决方案，并且满足用于绝大数的工业温度控制的需求。 根据系统的目标，本智能温度控制器要实现的功能有以下几个部分。 ( 1 ) 温度数据采集与显示仪表准确反映现场温度数据并显示在仪表界面上，测 量精度在0 1 以内； ( 2 ) 实现精准的温度控制将新型温度控制策略在硬件上实现，控制精度0 5 ： ( 3 ) 实现多路温度控制方便多控制节点系统使用，本设计考虑了5 路独立温度 控制； ( 4 ) 抗干扰能力针对多路智能温度控制器的工业应用特点，通过数字滤波等方 式进行抗干扰设计； ( 5 ) 人机交互功能根据多路智能温度控制器的功能，设计友好的图形用户界面 ( g u i ) ，使得用户只通过图形菜单就能轻松操作和使用仪表； ( 6 ) 数据存储功能有较好的数据存储模块，能保存3 2 条以上的温度控制过程数 据供查询使用； ( 7 ) 数据通信功能具有丰富的通讯接口( 串口通信、以太网接口等) ，方便与另一 台仪表或监控计算机进行通信，组建温度控制网络。 2 3 多路智能温度控制器整体方案设计 在进行多路智能温度控制器整体方案设计时，主要从两方面进行考虑，一方面是温 度控制算法设计；另一方面是控制器的功能模块设计。 2 3 1 温度控制算法设计 考虑到温度被控对象往往存在着结构和参数的不确定性、大滞后特性以及变量的耦 合性，难以得到精确的数学模型，用常规p i d 或现代控制理论要实现高精度温度控制难 度较大口1 。设计出一个性能良好的智能型控制器成为满足本设计高精度控制需求的关键。 在进行设计时的思路如下： ( 1 ) 在初步了解p i d 控制、模糊控制以及专家控制系统的理论基础和一些基本信息 后，通过大量阅读国内外有关这些温度控制算法的研究现状和发展趋势，能够较好的掌 握和应用这几种控制算法； ( 2 ) 针对温控对象的特点，对各种算法作仔细的研究，取长补短，寻找最适宜于实 现高精度温度控制的算法； ( 3 ) 对寻找出的控制算法进行m a t l a b s i m u l i n k 仿真，从调节时间、超调量以及稳态 误差等方面对仿真效果进行分析其对温度控制的效果。 6 电源转换模 以及输出模 图2 2 多路温度控制器总体设计方案图 f i g 2 - 2m u l t i - c h a n n e lt e m p e r a t u r ec o n t r o l l e rg e n e r a l d i a g r a m ( 1 ) 电源转换模块 电源转换模块是系统得以正常运行的基本保证。系统中用到多种数值类型的电压， 如有的微处理器的工作电压在1 6 5 1 9 5 v 之间，它的输入输出口电压范围则是 3 0 - 3 6 v ，人机交互模块中的液晶模块需要+ 5 v 供电，输出控制模块则需要+ 2 4 v 的电 源等。系统对电源的需求多样，因此，在设计时需要多方面灵活考虑。 ( 2 ) 通信模块 控制器的通信模块中含有较为丰富的通讯接口，这样才能达到数据共享、提高工作 效率。通讯接口主要包含1 路r s 4 8 5 接口、2 路r s 2 3 2 接口以及1 路以太网接口。这 就使多台仪表与上位机组建监控网络变得很容易。 ( 3 ) 存储模块 为方便系统保存温度过程控制数据以及系统设置参数的断电存储，需要给多路智能 温度控制器配置一定容量的数据存储模块。设计时选用s s t 公司的串行f l a s h s s t 2 5 v f 0 1 6 b 。它采用标准s p i 总线，供电电压为2 7 v 3 6 v ，数据保存时间为1 0 年。 ( 4 ) j t a g 接口模块 该模块主要提供对各个器件的i s p ( 在系统编程) 功能。目前j t a g 接口有两种标准， 在本设计中采用的是2 0 针接口方式。 ( 5 ) 温度采集模块 传统的温度采集电路由于传感器自身的限制，外围配套的模数转换电路较为复杂， 给系统的可靠性带来一定的影响。设计中采用单总线数字温度传感器获取现场数据，不 仅使电路简化而且能得到更为准确的温度测量值。 ( 6 ) 人机交互模块 人机交互模块是人与控制器之间传递、交换信息的媒介和对话接口，设计出良好的 人机交互接口对于充分发挥控制器的功能、提高工作效率具有重要意义。 本设计中的人机交互接口主要有三个：键盘、液晶屏和开关量输入。 江南大学硕+ 学位论文 键盘 键盘是最基本的输入设备。本设计中采用1 2 c 接口的z l g 7 2 9 0 作为键盘控制芯片， 编程简单、操作灵活。外接的轻触式矩阵薄膜键盘2 0 个按键中用到了1 0 个数字键和9 个功能键，其中功能键包括小数点、取消、确认、设置、清除、上一页、下一页、左移 以及右移，剩余1 个键为扩展功能预留。 液晶 设计中采用液晶而不是常规的数码管作为显示器，以期用图形和曲线代替数字、字 母丰富仪表的显示功能，增强人机交互效果。设计中采用o c m 2 4 0 1 2 8 7 液晶显示模块。 它由广东金鹏肇庆电子有限公司出品，采用直接操作的方式与主板相连，是一款基于 t 6 9 6 3 c 液晶控制芯片的高性能液晶显示模块。 开关量输入 开关量输入电路用于获取外部信号的输入，在程序中加入相应功能的代码，可以简 化键盘操作。 ( 7 ) 输出模块 输出模块的任务是将微处理器的运算结果经过一定的变换输出到执行器进行控制。 由于执行器通常有多种类型( 比如调节型、开关型等) ，对输出模块的输出类型也提出 一定要求。为满足控制器的通用性，输出模块中设计了3 种类型的输出控制信号，即开 关型、电压型和电流型。 2 4 本章小结 本章首先简单介绍了嵌入式系统的设计流程，然后进行了多路智能温度控制器的功 能需求分析，并从两方面考虑了控制器整体方案设计，一方面是温度控制算法设计；另 一方面是控制器的软、硬件功能模块设计。 8 糊p i d 控制算法设计 糊pid 控制算法设计 而且难以得到精确的数学模型，用常规p i d 或 现代控制理论要实现高精度的温度控制难度较大，设计出一个性能良好的智能型控制器 成为解决问题的关键。 3 1p i d 控制的理论基础 1 9 2 2 年美国的m i n o r s k y 在对船舶自动导航的研究中，提出了基于反馈的比例积分 微分( p i d ，p r o p o r t i o n a li n t e g r a ld i f f e r e n t i a l ) 控制器的设计方法【引，标志着p i d 控制器的 诞生。因为它算法简单、具有较好的鲁棒性、较高的可靠性，因此一出现即在工业控制 过程中广泛使用。据统计，至今全世界仍有将近9 0 的控制系统使用常规p i d 控制器【9 1 。 同时，针对p i d 控制器工况适应性差的情况，为了使其适应复杂的工况和高指标的控制 要求，人们从未停止过对p i d 控制器参数自整定方法的研究。近年来，现代控制理论得 到较快的发展，出现了许多了智能控制算法，基于该算法的p i d 控制器进一步提升了常 规p i d 控制器的性能。 3 1 1p i d 控制器的基本原理 当今的控制器大多是基于反馈的概念的，p i d 控制器就是这样一种。反馈理论的关 键是做出正确的测量和比较后，如何才能更好的纠正系统。 p i d 控制器数学模型由比例、积分、微分三部分组成n 引。常规p i d 控制系统原理图 如图3 1 所示。 图3 - 1p i d 控制系统原理图 f i g 3 - ip i dc o n t r o ls y s t e r ns c h e m a ti c s p i d 控制器是一种线性控制器，它的偏差d f ) 由系统给定值，( f ) 和实际输出值y ( ，) 给出，如式3 1 ： 文f ) = ，( f ) 一灭f ) ( 3 1 ) 偏差反f ) 的比例、积分和微分通过线性组合构成的控制量对被控对象进行控制。p i d 控制器的控制规律可以描述为： ) = 印) + 寺，m 胁+ 乙警】 ( 3 2 ) 式中扰( f ) 一控制器输出； 反f ) 一控制器输入，是系统给定值和被控对象输出值之差； 9 江南大学硕十学位论文 k p 一比例系数； z 一积分时间； 乃一微分时间。 3 1 2 数字式p i d 控制器 随着计算机技术迅速发展和各类微型控制器的广泛应用，模拟p i d 控制电 控制系统也逐渐被计算机系统所取代，实现了数字式p i d 控制器，其控制更加 置式p i d 控制器挣3 是一种较为常见的数字式p i d 控制器。 对常规p i d 控制式3 2 中的积分和微分进行离散化处理，在采样时间丁足 提下，以一系列采样时刻点k t 代表连续时间t ，以和式代替积分，以增量代替 作如下近似变换： t kt ( k = 0 ，1 ，2 ，) f k t ，e ( t ) d t t e ( j t ) = t p ( ) 0l = 0l = 0 a e ( t )e ( k r ) 一p ( k 一1 ) 列e ( k ) 一e ( k 1 ) d ftt 同时，为了方便书写，将e ( k t ) 表示成e ( k ) 。将式3 3 、 得到式3 6 ( 3 4 ) ( 3 5 ) 3 4 、3 5 代入式3 2 中，可 ”( 七) = k p p ( 七) + p ( ) + k 。 p ( 后) 一p ( 七一1 ) ( 3 6 ) j = o 式中k 一采样序号，k = 0 ，l ，2 ，3 “ “( 尼) 一第k 次采样时刻计算机输出值； p ( 七) 一第k 次采样时刻的偏差； e ( k 1 ) 一第k 一1 次采样时刻的偏差； k 一积分系数，k = k p 丁乃； 髟微分系数，局= 毛丁； 由位置式p i d 控制器构成的闭环控制系统如图3 2 所示： 图3 - 2 位置式p i d 控制系统 f i g 3 - 2p o s i t i o n t y p ep i dc o n t r o ls y s t e m 从图3 2 可以看出，式3 6 中的u ( k ) 经d a 转换后的到模拟量甜( r ) ，计算机根据输 出值u ( t ) 直接控制执行机构，最终达到控制对象参数的目的。 常规p i d 控制器一般用于线性定常系统，但是温控系统系统通常是非线性、时变、 1 0 第三章专家模糊p i d 控制算法设计 大滞后的，无法建立被控对象的精确模型，这时运用常规p i d 控制器往往得不到预期的 控制效果【l l 】f 1 2 】，需要采用一些智能控制算法。 3 2 模糊控制的理论基础 模糊逻辑首先是由美国柏克莱加州大学电气工程系教授查德( l o t f i a z a d e h ) 于1 9 6 5 年提出的，并1 9 7 3 年推出了基于模糊集合的语言变量的概念，为经典模糊控制器的构 成奠定了理论基础。1 9 7 4 年，英国的马达尼( e h m a m d a n i ) 教授在它的博士论文中首 次论述了如何将模糊逻辑应用于工业生产过程控制，并在锅炉和蒸汽机控制中采用模糊 控制技术，取得显著成果，开辟了在工业过程中模糊控制应用的新途径i l 引。至今为止， 模糊控制技术已在各个领域得到蓬勃地发展和应用。 3 2 1 模糊控制基本原理 将操作者或是专家的控制经验用语言变量来描述得到控制规则，然后用这些控制规 则去控制系统，这是模糊控制的最大特点。模糊控制最适合用于数学模型未知或者不方 便得到的系统。 模糊控制系统结构框图如图3 3 所示。图中，( f ) 为系统的设定值，y ( f ) 为系统的输 出值。模糊控制系统与传统的控制系统相比区别不大，只是用模糊控制器代替了数字控 制器。 模糊控制器 一一_ o o 一一- - o o o o 。- 。一一- 一- - 图3 3 模糊控制系统 f i g 3 - 3t h ef u z z yc o n t r o ls y s t e m 从上图可以看出，系统的偏差量e ，它是有确定数值的清晰量，经过模糊化以后得 到e 。用模糊语言变量e 来描述偏差，若以丁( e ) 记e 的语言值集合，则有t ( e ) = 负大， 负中，负小，零，正小，正中，正大) 。若用符号表示，则可以写成：丁( e ) = 船，m ， n s ，z ，p s ，p m ，p b ) ，其中负大n b ( n e g a t i v eb i g ) ，负中n m ( n e g a t i v em e d i u m ) ，负小 n s ( n e g a t i v es m a l l ) ，零z ( z e r o ) ，正小p s ( p o s i t i v es m a l l ) ，正中p m ( p o s i t i v em e d i u m ) ， 正大p b ( p o s i t i v eb i g ) 。 语言规则模块是一个规则库。设e 是输入，控制u 为输出，规则形式为： 规则l ：i fe lt h e nu ，e l s e ： 规则2 ：i f 丘t h e nu ，e l s e ； 规贝, l jn ：i fet h e n 以。 江南大学硕士学位论文 每一条规则可以建立一个模糊关系足，所以系统总的模糊关系欠： r = r ur 2u u 尺。 ( 3 7 ) 若己知系统的输入e 。对应模糊变量f ，应用c r i 合成推理法，可得到模糊输出变 量u u = f or ( 3 8 ) 模糊推理输出u + 是一个模糊变量，在系统中要实施控制时，模糊量u 还要转化为 清晰值，因此要进行清晰化处理，得到可操作的确定值u ，这就是模糊控制器的输出， 通过u 的调整控制作用，使偏差e 尽量小。 从图3 3 中，我们还可以看出模糊控制器的三个主要功能模块：模糊化、模糊推理 和清晰化。这些功能模块的功能参见文献 1 4 】。 3 2 2 模糊控制器设计 对于一般模糊控制器的设计与构造，并没有固定的方法，图3 - 4 表示了一种模糊控 制器的设计流程。在系统分析阶段，通过系统辨识或机理建模方式建立被控对象的数学 模型，从而确定被控对象的控制量和被控量。规则库的建立主要依靠专家或者操作人员 第三章专家一模糊p i d 控制算法设计 3 3 专家控制的理论基础 专家控制是把专家系统理论和技术同控制理论、方法与技术相结合，在未知环境下， 仿效专家的智能，实现对系统的控制。基于专家控制的原理所设计的系统或控制器，分 别称为