模糊控制的温度控制系统论文 毕业设计.doc

东华理工大学长江学院毕业设计 论文 摘 要 I 摘 要 随着现代信息技术的飞速发展 温度测量控制系统在工业 农业及人们的日常 生活中扮演着一个越来越重要的角色 它对人们的生活具有很大的影响 所以温度 控制系统的设计与研究有十分重要的意义 本次设计的目的在于学习与了解单片机 系统开发的基本流程 本设计采用单片机作为数据处理与控制单元 为了进行数据 处理 单片机控制热敏电阻 把温度信号通过放大电路从数字温度传感器传递到单 片机上 并通过 RS485 总线和上位机进行数据处理 上位机数据处理之后 下位机 发出控制信息来改变控制执行模块的状态 使温度回到控温范围以内 由于控制方 法多种多样 本设计采用 PID 控制 塑料薄膜是一种对温度非常敏感的材料 要求 烫封温度误差小于 5 为了提高制袋质量 本文设计了模糊 PID 控制器 并在相 应的温度控制系统硬件 软件平台上实现了该控制算法 将烫封温度稳态误差缩小 到 0 1 以内 关键词 热敏电阻 PID 控制 模糊 PID 控制 东华理工大学长江学院毕业设计 论文 Abstract II ABSTRACT With the rapid development of modern information technology temperature measurement and control systems play an increasingly important role in industry agriculture and people s daily life which greatly impact the people s lives so the design and research of temperature control system Is greatly significant This design is aimed at studying and understanding the basic process of SCM system development The design adopt a microcontroller as data processing and control unit in order to carry out data processing SCM controlthermistor and transmit the temperature signal through the bus single from thermistorto the MCU Through RS485 bus and the host computer for data processing After processing Computer data machine issued under transmit controlling information to change the status of controlling module so that make the temperature return to the scope of the temperature control As control methods are diversified we use the method of PID The material of plastic film is very sensitive to temperature The thesis designs a Fuzzy PID controller experiments prove it s very effective And the temperature error reduces to 0 5 Key words thermistor PID Control Fuzzy PID Control 东华理工大学长江学院毕业设计 论文 目 录 III 目 录 绪论 1 1 11 1 课题来源和背景 1 1 21 2 课题研究目的和意义 1 1 31 3 国内外研究概况 现状和发展趋势 2 1 41 4 课题设计要求及本文主要完成的工作 2 1 4 1 设计拟达到的主要目标 2 1 4 2 设计具体任务 2 1 4 3 设计要求 2 1 4 4 技术难点 3 1 51 5 本文主要完成的工作 3 1 61 6 本章小结 3 2 2 方案对比 4 2 12 1 控制方案 4 2 22 2 算法方案 5 2 32 3 本章小结 6 3 3 模糊控制器的设计 7 3 13 1 温度控制 7 3 1 1 温控原理 7 3 1 2 温度信号检测 7 3 1 3 测温电路的工作原理 8 3 1 4 控温电路工作原理 10 3 1 5 整个温控系统的工作原理 10 3 23 2 模糊控制理论概述 11 3 2 1 模糊控制概念 11 3 2 2 模糊控制原理 12 3 2 3 模糊控制特点 12 3 33 3 模糊 PID 控制器设计 13 3 3 1 模糊 PID 控制器结构 13 3 3 1 模糊控制器的设计 13 3 3 2 模糊 PID 控制算法实现 14 3 43 4 本章小结 15 4 4 控制系统硬件实现 16 4 14 1 系统硬件组成 16 4 24 2硬件系统总原理框图 16 4 34 3 系统硬件设备介绍 17 4 3 1 74LS373 资料 17 4 3 2 A D 转换 17 东华理工大学长江学院毕业设计 论文 目 录 IV 4 3 3 RS485 总线资料 18 4 3 4 单片机 AT89C52 20 4 44 4 通讯电路设计 23 4 4 1 通讯标准选择 23 4 4 2 实际通讯电路 23 4 54 5 I2C 串行扩展电路 24 4 64 6 硬件抗干扰措施 25 4 6 1 干扰来源分类 25 4 6 2 抗干扰措施 25 4 7 系统总电路图 见附录 26 4 8 本章小结 26 结论 27 致 谢 28 参考文献 29 附 录 31 东华理工大学长江学院毕业设计 论文 绪 论 1 绪论 1 1 课题来源和背景 随着现代工业的逐步发展 在工业生产中 温度 压力 流量和液位是四种最常 见的过程变量 其中 温度是一个非常重要的过程变量 包装印刷生产线主要由印刷 复合 分切 制袋等四个主要设备组成 制袋过程 是包装生产线的最后一道工序 该工序涉及定长 定位 烫封 牵引和裁切等诸多工 艺环节与参数的相互协调控制 完成最后一道工序的加工设备 制袋机 它的工艺 水平直接影响到最终的产品质量 制袋过程要求对定位 张力 温度进行控制 才能高速高质量地制成成品袋子 其控制目标为定位精确 张力平滑 温度稳定等 烫封温度控制技术作为制袋机系统 研究的一部分 对最终的制袋质量有着重要的影响 软包装生产线上的制袋机是利用 塑料薄膜制作袋子的加工设备 由于塑料薄膜对温度的敏感性 若烫封温度过高 塑 料薄膜被烫煳或生产出的袋子不平整 若烫封温度过低封口烫压强度不够 烫封温度 稳定与否直接关系到制袋质量和制袋的成品率 1 2 课题研究目的和意义 薄膜经过放料处理 烫压成形 然后分切制袋的工艺流程与控制系统的组成框图 当烫刀抬起时 由同步开关发出信号 由前后伺服系统牵引出指定长度 烫刀每次上 下 1 次 薄膜就成形 1 个袋子 1 如图 1 1 所示 东华理工大学长江学院毕业设计 论文 绪 论 2 1 3 国内外研究概况 现状和发展趋势 温度控制器的设计经历了从经典控制理论到现代控制理论又到智能控制理论的发 展历程 2 6 模糊控制的研究主要体现在控制器的研究和开发以及各类实际应用中 目前模糊控制已经应用在各个行业 各类模糊控制器也非常多 模糊控制器的研究一 直是控制界研究的热点问题 而关于模糊控制系统的稳定性分析则是模糊控制需要研 究和解决的基本问题 7 8 目前已经出现了为实现模糊控制功能的各种集成电路芯片 开发模糊控制系统的软件工具也出现了不少 模糊控制虽然已经有不少的研究成果 而且也被广泛地应用于生产实践中 但模 糊控制的发展历史还不长 理论上的系统性和完善性 技术上的成熟性和规范性都还 是远远不够的 尤其是模糊控制与其他智能化控制方法相结合的控制方法 还有待于 人们在实践中得到验证和进一步的提高 9 10 1 4 课题设计要求及本文主要完成的工作 1 4 1 设计拟达到的主要目标 1 能实现制袋机的多路温度控制 2 控温范围 500C 2500C 控温精度达到 0 10C 3 温度控制系统必须采用模糊控制 1 4 2 设计具体任务 1 总体方案设计 2 温控系统的数据采集 测温实验系统硬件组成 3 温度控制系统的建模及模糊控制系统 4 元器件 芯片的选择及参数计算 5 控制程序设计 1 4 3 设计要求 制袋机工艺流程包括定长 定位 烫封 牵引和裁切等工序 其中每一道工序都 会影响制袋效率和制袋质量 在烫封过程中 影响烫封质量的因素包括制袋速度以及 速度的变化 塑料薄膜厚度 烫封的压力强度和烫刀温度等 而其中最主要的因素是 烫刀温度 11 15 因此 本课题以烫刀为受控对象 研究了高精度的烫封温度控制技术 提高制袋质量 对于烫刀温度控制系统 课题的设计要求包括 东华理工大学长江学院毕业设计 论文 绪 论 3 1 利用单片机 89C52 满足温控系统的控制要求 2 建立温度控制实验平台 3 建立模糊控制系统 1 4 4 技术难点 温度数据采集 1 5 本文主要完成的工作 论文结合制袋实际生产需要 设计了一个温度控制系统 用于控制烫刀的烫封温 度 要求所设计的温度控制系统能够用于实际生产当中 达到实用化水平 16 17 该 温度控制系统的研究包括 总体原理设计 硬件电路设计和软件编程三个方面的内容 1 总体原理设计的内容有 确定系统功能 选择传感器及设计控制算法 根据 实际需要 确定温度控制系统主要实现的功能包括 温度信号的采集 控制量的计算 和输出 从键盘设定给定值 修改控制参数 上下位机串行通信 上位机通讯管理软 件 选择热电偶作为温度传感器 其原理简单 安装方便 输出电压与所测温度成正 比 用 AD590 测量环境温度并作为热电偶的冷端补偿 论文中详细分析了烫刀受热温 度变化特性 根据其大惯性 纯滞后 结构参数时变的特点 选用模糊 PID 控制算法 该控制器的控制参数可在线调整 2 硬件电路是控制系统的物理基础 在软件的操作下协调执行预定的测量和控 制任务 所以硬件的设计非常重要 本系统的硬件电路总体设计可以分为以下几步 首先 根据系统功能设计电路 其中主要包括温度信号的输入及放大电路 模数转换 电路 冷端温度补偿电路 通信接口电路 存储器扩展电路等 其次 综合分析多种 元件的性能参数 具体选定所需元件 电路原理图设计完成后 绘制印刷电路板 制 板等具体工作 3 单片机软件应用程序根据硬件电路原理编程 通过串行口中断实现数据通讯 定时器中断实现数据采集 计算输出控制量等 编程语言为 MCS96 汇编 在以 89C52 微处理器芯片为核心的系统上完成温度控制算法和系统功能 1 6 本章小结 本章首先介绍了课题来源和背景 课题研究的目的和意义 并对温度控制方法进 行了综述 最后对论文所完成的具体工作做了一个简要的介绍 东华理工大学长江学院毕业设计 论文 方案对 比 4 2 方案对比 温度控制是制袋机稳定工作的重要环节 实时控制温度到目标值是关键 18 20 在本课题中 通过综合比较控制中各种经典 流行的算法 结合实际工业环境 针对 控制点数多的特点 需解决 PID 参数自整定问题 最终确定了模糊自整定 PID 控制算 法 即 采用该算法使得控温误差保持在 0 1 以内 控温范围 50 250 鉴 于精度和多回路控制的问题 在本课题方面的研究还有待深入 国内外厂家所生产的 温控系统以单回路居多 若按回路计算 组合使用 价格昂贵 21 25 2 1 控制方案 目前工控场合主要使用的控制方式通常有工控计算机控制 单片机控制 singlechip PLC programming logic controller 控制 以及模拟电路 analog circuit 控制 对比这几种控制方式 1 使用可编程控制器 PLC 设计系统时 系统可靠性高 编程简单 调试 维护方 便 但 PLC 价格昂贵 一台 PLC 所能控制的点数有限 在制袋机的多路温度控制系统 中 现一般需 168 个回路的温度控制 为达到要求 需用多个 PLC 的温控模块组合使 用 价格昂贵 2 采用工控计算机控制 系统速度快 资源丰富 开发相对简单 人机界面友好 但在本温控系统中 要同时控制 168 路温度 需要扩展较多的输入 输出端口 性能 价格比低 3 模拟电路主要由放大器 加法器 电容 电阻等元器件组成 它的最大优点是 速度快 能实现对系统的实时控制 根据计算机控制理论可知 数字控制系统的采样 速率并非越快越好 还取决于被控系统的响应特性 烫刀是一个大滞后的环节 温度 的变化是一个缓变的过程 温控系统的实时性要求不高 模拟电路的优势得不到体现 同时 使用模拟电路实现复杂的控制算法比较困难 灵活性不够 系统开发周期长 4 微处理器的飞速发展不仅带来了功能上的不断强大 而且价格上越来越便宜 因此 采用单片机开发温控系统成本低 将算法以软件的形式实现容易 常见的八位 单片机执行一次模糊推理的时间为 2 5 ms 完全能够满足温控系统的控制要求 对 于多点控制 I O 易于扩展 以 48 回路为一个模块 根据系统需要合理配置硬件 硬 件冗余度小 通过总线结构 进行级联配置 能够最大限度地利用资源 达到多点 级联数 N 48 点 控制目的 相比之下 性能价格比最高 东华理工大学长江学院毕业设计 论文 方案对 比 5 2 2 算法方案 工业控制中 PID 即 比例 积分 微分控制 控制器具有原理简单 使用方便 结构简单 控制性能好 鲁棒性强等优点 它在很多领域取得良好的控制效果 因此 在控制理论和技术飞跃发展的今天 它在工业控制领域仍具有强大的生命力 在工业 生产过程中是最普遍采用的控制方法 对本课题 针对 PID 控制的优点 准备在其基 础上进一步深入研究 1 传统 PID 控制算法的不足 在设计控制器时 传统的做法是依靠经验和试验在系统调试时确定 PID 控制器的 参数 Kp Ki Kd 在以后的使用过程中 或者保持参数不变 或者在外部条件发生重 大变化时 重新手动选择参数 在温控系统中 设备运行中负荷变化 噪声及各种因 素等干扰 会引起对象模型参数变化较大甚至模型结构改变 这就要求 PID 参数能够 在线调整 以适应改变了的模型 而常规 PID 控制不能满足这一要求 因此在设计控 制器时 一个关键的问题就是 PID 参数的实时整定 2 模糊控制 传统的自动控制包括经典理论和现代控制理论 有一个共同的特点 即 控制器 的综合设计都要建立在被控对象准确的数学模型 如 微分方程 传递函数或状态方 程 的基础上 对于制袋机的烫刀 它是一个非线性 时变和分布参数系统 用准确 的数学解析式表示其特性显然十分困难 因此 对本温控系统用定量数学方法实施控 制有其局限性 在选择控制器算法时 转向定量和定性相结合的方法 模糊控制 模糊 控制不需要建立精确的数学模型 根据实际系统的输入 输出的结果数据 参考现场 操作人员的运行经验 就可对系统进行实时控制 模糊控制实际上是一种非线型控制 属于智能控制的范畴 它具有以下突出的优点 1 模糊控制是基于规则的控制 模糊逻辑是由许多相互独立的规则组成 它 的输出是各条规则的合并结果 因而即使一条规则出问题 其他规则经常可对它进 行补偿 获得较好的控制效果 有效地防止了系统的误操作对制袋机生产造成的中 断 它直接采用语言型控制规则 根据现场操作人员的经验或相关专家的知识 控 制机理和策略易于接受和理解 2 由工业过程的认识出发 比较容易建立语言控制规则 因此 模糊控制对 那些数学模型难以获取 动态特性不易掌握或变化非常显著的对象非常适用 3 基于模型的控制算法及系统设计方法 由于出发点和性能指标的不同 容 易导致较大差异 但一个系统语言控制规则却具有相对的独立性 控制效果优于常 规控制方法 4 模糊控制系统的鲁棒性强 干扰和参数变化对控制效果的影响会大大减弱 尤其适合非线性 时变及滞后性系统的控制 东华理工大学长江学院毕业设计 论文 方案对 比 6 但模糊控制同样存在缺陷 1 精度不太高 2 易产生振荡现象 制袋机温控系统中 常存在滞后和随机干扰 并且无法获得精确的数学模型 26 结合模糊控制和 PID 控制各自的优点 在 PID 控制的基础上采用模糊控制 将模糊控 制和 PID 控制两者结合起来 充分发挥模糊控制灵活性 适应性强的优点和 PID 控制 精度高的优点 根据经验制定出 PID 参数的调整规则 在线进行模糊推理 分别调整 PID 的三个参数 解决了控制系统中 PID 参数实时整定的问题 2 3 本章小结 本章对选取的几种方案进行对比 并阐述其各自的优缺点 选取较优的模糊 PID 控制做为方法 东华理工大学长江学院毕业设计 论文 模糊控制器的设 计 7 3 模糊控制器的设计 3 1 温度控制 3 1 1 温控原理 单片机温度控制系统是以 89C52 单片机为控制核心 整个系统硬件部分包括温 度检测系统 信号放大系统 A D 转换 单片机 I O 设备 控制执行系统等 单片 机温度控制系统控制框图如图 3 1 所示 图 3 1 单片机温度控制系统控制框图 温度传感器将温度信息变换为模拟电压信号后 将电压信号放大到单片机可以 处理的范围内 经过低通滤波 滤掉干扰信号送入单片机 在单片机中对信号进行 采样 为进一步提高测量精度 采样后对信号再进行数字滤波 单片机将检测到的 温度信息与设定值进行比较 如果不相符 数字调节程序根据给定值与测得值的差 值按 PID 控制算法设计控制量 触发程序根据控制量控制执行单元 如果检测值高 于设定值 则启动制冷系统 降低环境温度 如果检测值低于设定值 则启动加热 系统 提高环境温度 达到控制温度的目的 3 1 2 温度信号检测 本系统中对检测精度要求不是很高 室温下即可 所以选用高精度热敏电阻作 为温度传感器 热敏电阻具有灵敏度较高 稳定性强 互换精度高的特点 可使放 大器电路极为简单 又免去了互换补偿的麻烦 27 30 热敏电阻具有负的电阻温度特性 当温度升高时 电阻值减小 它的阻值 温度 特性曲线是一条指数曲线 非线性度较大 而对于本设计 因为温度要求不高 是在 东华理工大学长江学院毕业设计 论文 模糊控制器的设 计 8 室温环境下 热敏电阻的阻值与环境温度基本呈线性关系 31 这样可以通过电阻 分压简单地将温度值转化为电压值 给热敏电阻通以恒定的电流 可得到电阻两端的电压 根据与热敏电阻特性有 关的温度参数 T0 以及特性系数 k 可得下式 T T0 kV t 1 式中 T 为被测温度 根据上式 可以把电阻值随温度的变化关系转化为电压值随温度变化的关系 由于热 敏电阻的电信号一般都是毫伏级 必须经过放大 将热敏电阻测量到的电信号转化 为 0 3 6 之间 才能在单片机中使用 图 3 2 为放大电路原理图 稳压管的稳压值 为 1 5V 图 3 2 放大电路原理图 3 1 3 测温电路的工作原理 电路工作原理 该电路是一个测温电路 热敏电阻 RT上有一个恒流源提供的电 流流经 RT RT本身有一定的阻值 这样就会形成一个电压 而随着温度的升高 RT 上的电流又维持不变 因此温度的变化就表现在了热敏电阻 RT上电压的变化 热敏 电阻上的电压越高 表明测量的温度就越高 电压越低 测量的温度就越低 把热 敏电阻用四线制接入电路 即热敏电阻一端接 COM 1 另一端接地 另外 2 端分别 接 COM2 和 COM 3 由于流经 COM2 和 COM3 之间的电流几乎为零 所以 COM2 和 COM3 之间的电压就是 RT上的电压 然后再通过 COM2 和 COM3 接入放大电路 在把被放 东华理工大学长江学院毕业设计 论文 模糊控制器的设 计 9 大后的采集信号经过 A D 转换 最后由单片机根据转换结果来判定温度为多少度 测温电路原理图如图 3 3 U1 OP07 R2 R3 R4 15V PD D1 D2 R1 COM1 COM2 U2 OP07 U3 OP07 U4 OP07 R5 R6 R7 R8 COM3 COM2 A D R9 R10 R11 R12 R13 R14 IN 1 OUT 3 GND 2 MC1403 15V C B A RT COM1 COM2 COM3 R15 图 3 3 测温电路原理框图 测温电路及转换倍率的推导 系统温度的测量时 热电阻通过导线连接到运算放大电路 由于导线的环境参 数是变化的 导线变化的电阻必然会影响到测量的精度 为避免或减少导线电阻对 测量的影响 采用四线制接法 即热电阻两端各接两根导线 其中一对导线接 COM1 和地线 由恒流源提供电流 I 流过热电阻 RT 使其产生电压 Vi 再由 COM 2 COM3 接入运算放大电路 尽管导线有电阻 但由于流经 COM 2 COM3 的电流几乎 为 0 所以导线电阻可以不考虑 系统测温电路图如图 3 3 所示 输出电压与温度之间的关系 具体推导如下 设恒流源提供电流为 I 稳压管两端电压为 Vz 则 公式 32 RR V I Z 3 1 热电阻 RT两端电压为 公式IRV PTi 3 2 调整 R3 可以改变电流大小 从而调整 Vi大小 东华理工大学长江学院毕业设计 论文 模糊控制器的设 计 10 公式 i i B VR R V V 9 7 3 3 公式 3 4 B B C VR R VV V 11 12 基 3 1 4 控温电路工作原理 89c52 通过 RS485 总线和上位机进行数据通信 来判定温度是否过高 本设计 的控温范围为 50 250 度之间 因此采集过来的温度要与标准温度是否过高或过低 一旦出现温度不在有效的控温范围之内 那么上位机就把比较结果通过 RS485 总线 反馈给单片机 然后由单片机发出控制命令 调节温度 使烫刀温度回到有效的控 温范围内 其电路原理图如图 3 4 RE A 7 DE B 6 R0 Vss 5 DI 4 U12 MAX1482 1 3 2 4 5 6 7 VCC 8 MAX485 EA VPP 31 XTAL1 19 XTAL2 18 RST 9 P3 7 RD 17 P3 6 WR 16 P3 2 INT0 12P3 3 INT1 13 P3 4 T0 14 P3 5 T1 15 P1 0 T2 1 P1 1 T2EX 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 P1 5 6 P1 6 7 P1 7 8 AD0 P0 0 39 AD1 P0 1 38 AD2 P0 2 37 AD3 P0 3 36 AD4 P0 4 35 AD5 P0 5 34 AD6 P0 6 33 AD7 P0 7 32 A8 P2 0 21 A9 P2 1 22 A10 P2 2 23 A11 P2 3 24 A12 P2 4 25 A13 P2 5 26 A14 P2 6 27 A15 P2 7 28PSEN 29 ALE PROG 30 TXD P3 1 11 RXD P3 0 10 GND 20 VCC 40 AT89C52 1 3 2 4 5 6 7 VCC 8 MAX485 GND GND 刀刀刀 R15 GND 12 34 P1 刀刀 COM3 COM2 U13 U14 图 3 4 温度控制原理图 3 1 5 整个温控系统的工作原理 首先该温控系统分为两大模块 即测温模块和控制模块 综合上述两大主要模 块的工作原理 本系统的主要工作原理就是用热敏电阻从烫刀上采集温度信号 在 把采集的温度信号经过放大电路后进行 A D 转换 单片机把转换结果通过 RS485 总 东华理工大学长江学院毕业设计 论文 模糊控制器的设 计 11 线送到上位机与标准温度进行比较 判断温度是否过高 并把比较结果反馈给单片 机 然后由单片机根据反馈信息发出控制命令 若在控温范围以内 不做调整直接 输出 若不在控温范围以内 单片机发出控制命令 通过可控硅来实现把温度调整 到控温范围以内 3 2 模糊控制理论概述 3 2 1 模糊控制概念 美国自动控制理论专家 L A Zadeh 于 1965 年首先提出模糊集合和模糊控制的概 念 而后又引入模糊逻辑 以表示并利用模糊的和不确定的知识 32 34 模糊控制 中的 模糊 二字并不是模模糊糊 含混不清的意思 而是指某一概念在特定的场 合不具有明确的外延 46 47 例如 青年人 我们并不能在年龄轴上划两道线 在这 两道线内的就是青年人 在其外的就截然不是青年人了 这样的概念相对于明确的 概念我们称之为不分明概念或者模糊概念 日常活动中 还有很多这样的模糊现象 或模糊概念 例如 高个子 胖子 高速度 污染 性能良好 身体 健康 等等 随着信息革命的需要 人们不可避免地要处理大量的模糊概念现象 而传统的 方法和已有的工具面对模糊现象又显得十分不足 以致精确性与模糊性的对立越发 突出 参考文献 35 40 曾作过这样的论述 精确性与模糊性的对立 是当今科学 发展所面临的一个十分突出的矛盾 各门学科迫切要求数字化 定量化 但是 科 学的深化意味着研究对象的复杂化 复杂的东西又难于精确化 电子计算机的出现 在一定程度上解决了这个矛盾 然而 正是由于电子计算机的出现 使得这种矛盾 更加激化 一方面 严密的程序要求高度的精确 另一方面 机器所执行的日益繁 难的任务 使它所面临的系统日益复杂 Zadeh 正是注意到了这种对立 提出了这 样一条互克性的原理 当系统的复杂性日趋增长时 我们给出系统特性的精确然 而有意义的描述能力将相应降低 直至达到这样一个阈值 一旦超过它 精确性和 有意义性将变成两个几乎互相排斥的特性 这意味着 复杂程度越高 有意义的精 确化能力便越低 这正说明精确的相对性 过分的精确反倒模糊 适当的模糊反而精确 对于有 明确概念的事务 在现代数学里常常用经典集合来表示 对于具有模糊概念的事务 Zadeh 提出了模糊集合的表示方法 经过进一步的研究 他又提出了用模糊语言进 行系统描述的方法 给出了模糊推理的理论基础 并为模糊控制的实施提供了有效 东华理工大学长江学院毕业设计 论文 模糊控制器的设 计 12 的手段 所谓模糊控制 只是在控制方法上应用了模糊数学知识 其基本原理仍和 经典控制论 现代控制理论一样没有改变 模糊控制的核心是利用模糊集合论 把 人的控制策略的自然语言转化为计算机能够接收的算法语言所描述的算法 但它的 控制输出却是确定的 它不仅能够成功地实现控制 而且能够模拟人的思维方法对 一些无法构造数学模型的对象进行控制 3 2 2 模糊控制原理 模糊控制属于计算机数字控制的一种形式 模糊控制系统的组成类似于一般的 数字控制系统 其控制原理框图如图 3 5 所示 模糊控制的核心部分为模糊控制器 如图中虚线框中部分所示 模糊控制器的设计一般包括以下内容 1 确定模糊控制器的输入变量和输出变量 即控制量 2 选择模糊控制器的输入变量及输出变量的论域 3 进行模糊化和反模糊化 4 设计模糊控制器的控制规则 5 编制模糊控制算法的应用程序 图 3 5 模糊控制器原理框图 在上述过程中涉及到模糊控制理论中的几个重要概念 1 模糊控制器的输入变量和输出变量 模糊控制系统往往把一个被控制量 通 常是系统输出量 的偏差 偏差变化以及偏差变化的变化率作为模糊控制器的输入 在确定性自动控制系统中 通常将具有一个输入变量和一个输出变量的系统称为单 变量系统 简称 SISO 而将多于 个输入 输出变量的系统称为多变量控制系统 简称 MIMO 3 2 3 模糊控制特点 模糊控制是以模糊集合论 模糊语言变量及模糊逻辑推理为理论基础的一种计 算机数字控制 从线性与非线性控制的角度分类 模糊控制是一种非线性控制 从 控制的智能性看 模糊控制属于智能控制的范畴 只有在被控对象具有强非线性 东华理工大学长江学院毕业设计 论文 模糊控制器的设 计 13 控制过程中干扰因素很多或得不到被控对象模型的前提下 模糊控制会比经典控制 有效 3 3 模糊 PID 控制器设计 3 3 1 模糊 PID 控制器结构 在制袋机温控系统中 烫刀数量多 特性不可能完全一致 即使对于某一个温 控系统 由于设备运行中负荷变化 噪声及各种因素等干扰 也会引起对象模型参 数变化较大甚至模型结构改变 采用模糊自整定 PID 控制器 在线整定 PID 控制器 参数 使控制器具有自适应能力 本章根据烫刀在采样时刻的温度偏差和温度偏差 的变化 通过模糊规则进行推理和决策 在线整定 PID 控制器的三个参数 实现对 制袋机温控系统中各烫刀的精确控制 图 3 6 模糊 PID 控制器原理框图 为使控制效果最佳 常规 PID 控制器以固定的参数来调节系统温度是很难办到 的 为此 本文设计了模糊 PID 控制算法 使得 PID 参数可依据偏差和偏差变化范 围在线调整 选择最佳的控制策略 使系统达到最优的控制指标 上述图 3 6 为模 糊 PID 控制器结构原理 3 3 1 模糊控制器的设计 模糊控制器 FC Fuzzy Controller 是模糊控制系统的核心 它决定了模糊控 制系统的性能优劣 41 主要由四部分组成 1 模糊化 将输入的精确量转化为模糊化量 东华理工大学长江学院毕业设计 论文 模糊控制器的设 计 14 模糊推理 这是模糊控制器的核心 具有模拟人的基于模糊概念的推理 能力 2 反模糊化 将模糊推理得到的模糊控制量变换为可用于执行机构的实际控制 量 3 知识库 包含了具体应用领域中的知识和控制目标 它通常由数据库和 模糊控制规则库两部分组成 数据库主要包括各语言变量的隶属度函数 论域 标度转换以及模糊子集的划分等 规则库包括了用模糊语言变量表示的一系列控制 规则 它们反映了人的手动控制经验 3 3 2 模糊 PID 控制算法实现 基本 PID 控制器 u k Kpek KI j KD e k e k 1 输出控制量由偏差 k j e 0 偏差积分和偏差微分决定 通常情况下控制器的比例 KP 积分 KI 微分 KD系数为调 整好的常量 在控制过程中固定不变 本文的模糊 PID 控制器采用了偏差 偏差微 分 基本积分和智能积分四项合成控制器的输出量 并且控制器比例系数 微分系 数 基本积分系数以及智能积分系数都是可以在线调整的 公式 3 5 公式 3 5 式中 U k 为模糊 PID 控制器的输出控制量 e k 和 e k 分别为 实际偏差和偏差变化 KP KD KI分别是比例 微分 积分系数 i 1 2 3 4 分别指温度变化的四个区域 即 1 e e0 2 e e0 e 0 3 e e 0 e0 e 0 i为加权因子 i 0 1 它表明了在温度变化的各个阶段对 e 和 的加权 Kp1为程序软开关 e Kp1 1 或 1 它反应了由 e 和 e 产生的控制量是同方向还是反方向 决定着 控制量的大小 KI 为基本积分控制项 主要用来消除系统的稳态误差 k j e 0 提高系统的控制精度 为基本积分系数 0 Kp2 i KI 为智能积分控 k j e 0 制项 Kp2为程序软开关 即 Kp2 1 负量积分控制 Kp2 0 取消积分控制 Kp2 1 正量积分控制 i为智能积分系数 i 0 智能积分控 制项可灵活 地对控制量进行调整 反映了对各阶段地温度变化所采取的不同控制策略 模糊 PID 控制算法中 程序软开关 Kp1和 Kp2的选择由偏差 e 和偏差变化率 e 的 东华理工大学长江学院毕业设计 论文 模糊控制器的设 计 15 大小决定 Kp1和 Kp2决定着由 e 和 KI产生的控制量的方向 改变着控制器的 k j e 0 控制策略 控制着系统的响应速度 例如 在温度上升阶段 e 0 且 e 0 取 Kp1 1 则算法中 e 和 Kp1 e 的控制作用为同方向的控制量 加快了温度的上升 速度 而传统 PID 控制器 其比例项 Kp e 和微分控制项 KD e 在该阶段的控制作 用总是反方向的 阻碍了温度的上升 使温度上升时间变长 在温度的超调阶段 e 0 且 e 0 取 Kp2 1 则智能积分控制项 Kp2 i KI 所产生的控制所产 k j e 0 生的控制作用与 e 一致 均为负方向的控制量 有利于温度的回落 使温度尽快恢 复到给定值 而传统的 PID 控制中的积分项 KI在该阶段产生的控制作用总是正 k j e 0 方向的 使温度超调量增加 调整时间过长 3 4 本章小结 本章先从理论上阐述了模糊控制原理和模糊控制的发展 并结合实际控制对象 实现了模糊 PID 控制算法 给出了模糊 PID 控制器结构原理 参数调整规则 软件 实现流程图以及控制算法的实际控制效果图 将常规 PID 算法与模糊 PID 算法的控 制效果相比较 论证了论文所设计算法的优越性能 东华理工大学长江学院毕业设计 论文 控制系统硬件 实现 16 4 控制系统硬件实现 4 1 系统硬件组成 硬件的组成如图 4 1 所示 主要有微处理器 89C52 多路模拟开关 开关控制 电路 信号放大电路 A D 转换电路 控制信号输出单元 485 通信单元 参数存储 单元和处理器监控单元 下位机的参数存储单元 485 通信单元 处理器监控单元 与上位机的对应单元功能一样 微处理器 89C52 通过开关控制电路选通多路模拟开 关某一通道 这一通道的模拟信号则经过信号放大电路放大送到 A D 转换电路 微 处理器 89C52 读取 A D 转换值并进行模糊 PID 运算 最后输出控制信号到对应的通 道 模拟输入通道共有 48 路 输出控制信号也是 48 路 图 4 1 系统硬件组成 4 2硬件系统总原理框图 单 路 模 拟 开 关 A D 转 换电路 信号放大 电路 单 片 机 参数存 储单元 485 通信单元 处理器监控 单元 控 制 信 号 输 出 开关控 制电路 东华理工大学长江学院毕业设计 论文 控制系统硬件 实现 17 RS485 总线 图 4 2 硬件总原理框图 4 3 系统硬件设备介绍 4 3 1 74LS373 资料 54 74373 八 D 锁存器 3S 锁存允许输入有回环特性 373 为三态输出的八 D 透明锁存器 共有 54 74S373 和 54 74LS373 两种线路结 构型式 0373 的输出端 O0 O7 可直接与总线相连 当三态允许控制端 OE 为低电 平时 O0 O7 为正常逻辑状态 可用来驱动负载或总线 当 OE 为高电平时 O0 O7 呈高阻态 即不驱动总线 也不为总线的负载 但锁存器内部的逻辑操作不受影响 当锁存允许端 LE 为高电平时 O 随数据 D 而变 当 LE 为低电平时 O 被锁存在已建 立的数据电平 当 LE 端施密特触发器的输入滞后作用 使交流和直流噪声抗扰度被 改善 400mV 373 引出端符号 D1 D8 数据输入端 OE 三态允许控制端 低电平有效 LE 锁存允许端 Q1 Q8 输出端 4 3 2 A D 转换 ADC0809 资料 1 主要特性 8 路 8 位 A D 转换器 即分辨率 8 位 具有转换起停控制端 计算机 单片机 运算放大器 热敏电阻 烫刀 可控硅 A D 转换 器 东华理工大学长江学院毕业设计 论文 控制系统硬件 实现 18 转换时间为 100 s 单个 5V 电源供电 模拟输入电压范围 0 5V 不需零点和满刻度校准 工作温度范围为 40 85 摄氏度 低功耗 约 15mW 2 内部结构 ADC0809 是 CMOS 单片型逐次逼近式 A D 转换器 它由 8 路模拟开关 地址锁 存与译码器 比较器 8 位开关树型 D A 转换器 逐次逼近 3 外部特性 引脚功能 ADC0809 芯片有 28 条引脚 采用双列直插式封装 下面说明各引脚功能 IN0 IN7 8 路模拟量输入端 2 1 2 8 8 位数字量输出端 ADDA ADDB ADDC 3 位地址输入线 用于选通 8 路模拟输入中的一路 ALE 地址锁存允许信号 输入 高电平有效 START A D 转换启动信号 输入 高电平有效 EOC A D 转换结束信号 输出 当 A D 转换结束时 此端输出一个高电平 转换期间一直为低电平 OE 数据输出允许信号 输入 高电平有效 当 A D 转换结束时 此端输入一 个高电平 才能打开输出三态门 输出数字量 CLK 时钟脉冲输入端 要求时钟频率不高于 640KHZ REF REF 基准电压 Vcc 电源 单一 5V GND 地 ADC0809 的工作过程是 首先输入 3 位地址 并使 ALE 1 将地址存入地址锁存 器中 此地址经译码选通 8 路模拟输入之一到比较器 START 上升沿将逐次逼近寄 存器复位 下降沿启动 A D 转换 之后 EOC 输出信号变低 指示转换正在进行 直到 A D 转换完成 EOC 变为高电平 指示 A D 转换结束 结果数据已存入锁存 器 这个信号可用作中断申请 当 OE 输入高电平 时 输出三态门打开 转换结果 的数字量输出到数据总线上 4 3 3 RS485 总线资料 RS 485 和 RS 232 C 总线的比较 由于 RS 232 C 接口标准出现较早 难免有不足之处 主要有以下四点 1 接口的信号电平值较高 易损坏接口电路的芯片 又因为与 TTL 电平不 兼容故需使用电平转换电路方能与 TTL 电路连接 东华理工大学长江学院毕业设计 论文 控制系统硬件 实现 19 2 传输速率较低 在异步传输时 波特率为 20Kbps 3 接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的传输形式 这种共 地传输容易产生共模干扰 所以抗噪声干扰性弱 4 传输距离有限 最大传输距离标准值为 50 英尺 实际上也只能 用在 50 米左右 针对 RS 232 C 的不足 于是就不断出现了一些新的接口标准 RS 485 就是其 中之一 它具有以下特点 RS 485 的电气特性 逻辑 1 以两线间的电压差为 2 6 V 表示 逻 辑 0 以两线间的电压差为 2 6 V 表示 接口信号电平比 RS 232 C 降低了 就不易损坏接口电路的芯片 且该电平与 TTL 电平兼容 可方便与 TTL 电路连接 RS 485 的数据最高传输速率为 10Mbps RS 485 接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合 抗共模干能力增强 即抗噪声干扰性好 RS 485 接口的最大传输距离标准值为 4000 英尺 实际上可达 3000 米 另 外 RS 232 C 接口在总线上只允许连接 1 个收发器 即单站能力 而 RS 485 接口在 总线上是允许连接多达 128 个收发器 即具有多站能力 这样用户可以利用单一的 RS 485 接口方便地建立起设备网络 因 RS 485 接口具有良好的抗噪声干扰性 长的传输距离和多站能力等上述优点 就使其成为首选的串行接口 因为 RS485 接口组成的半双工网络 一般只需二根连 线 所以 RS485 接口均采用屏蔽双绞线传输 RS485 接口连接器采用 DB 9 的 9 芯 插头座 与智能终端 RS485 接口采用 DB 9 孔 与键盘连接的键盘接口 RS485 采 用 DB 9 针 采用 RS485 接口时 传输电缆的长度如何考虑 在使用 RS485 接口时 对于特定的传输线经 从发生器到负载其数据信号传输 所允许的最大电缆长度是数据信号速率的函数 这个长度数据主要是受信号失真及 噪声等影响所限制 最大电缆长度与信号速率的关系曲线是使用 24AWG 铜芯双绞电 话电缆 线 径为 0 51mm 线间旁路电容为 52 5PF M 终端负载电阻为 100 欧 时 所得出 当数据信 号速率降低到 90Kbit S 以下时 假定最大允许的信号损失为 6dBV 时 则电缆长度被限制在 1200M 实际上 图中的曲线是很保守的 在实 用 时是完全可以取得比它大的电缆长度 当使用不同线径的电缆 则取得的最大电缆 长度是不相同的 例如 当数据信号速率为 600Kbit S 时 采用 24AWG 电缆 由图 可知最 大电缆长度是 200m 若采用 19AWG 电缆 线径为 0 91mm 则电缆长 度将可 以大于 200m 若采用 28AWG 电缆 线径为 0 32mm 则电缆 长度只能小于 200m 东华理工大学长江学院毕业设计 论文 控制系统硬件 实现 20 4 3 4 单片机 AT89C52 图 4 3 单片机 AT89C52 AT89C52 的主要工作特性 8031CPU 4KB 的快速擦写 Flash 存储器 用于程序存储 可擦写次数 1000 次 258B 的 RAM 其中高 128B 字节地址被特殊功能寄存器 SFR 占用 32 条可编程 I O 口线 2 个可编程 16 位定时器 具有 6 个中断源 5 个中断矢量 2 级优先权的中断系统 一个数据指针 DPTR 1 个可编程的全双工串行通信口 具有 空闲 和 掉电 两种低功耗工作方式 可编程的 3 级程序锁定位 工作电源的电压为 5 0 2 V 振荡器最高频率为 24MHz 编程频率为 3 12MHz 编程电流 1mA 编程电压 Vpp 为 5V 或 12V AT89C52 单片机引脚功能 VCC 电源 GND 地 P0 P0口是一个8位漏极开路的双向I O口 作为输出口 每位能驱动8个TTL逻 辑电平 对P0端口写 1 时 引脚用作高阻抗输入 当访问外部程序和数据存储器 东华理工大学长江学院毕业设计 论文 控制系统硬件 实现 21 时 P0口也被作为低8位地址 数据复用 在这种模式下 P0具有内部上拉电阻 在flash编程时 P0口也用来接收指令字节 在程序校验时 输出指令字节 程序校验时 需要外部上拉电阻 P1 P1 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I O 口 p1 输出缓冲器能驱动4 个 TTL 逻辑电平 对P1 端口写 1 时 内部上拉电阻把端口拉高 此时可以作为输 入口使用 作为输入使用时 被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因 将输出电流 IIL 此外 P1 0和P1 2分别作定时器 计数器2的外部计数输入 P1 0 T2 和时器 计数 器2的触发输入 P1 1 T2EX 具体如下表所示 表 4 1 在 flash 编程和校验时 P1 口接收低 8 位地址字节 P2 P2 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P2 输出缓冲器能驱 动 4 个 TTL 逻辑电平 对 P2 端口写 1 时 内部上拉电阻把端口拉高 此时可 以作为输入口使用 作为输入使用时 被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因 将 输出电流 IIL 在访问外部程序存储器或用 16 位地址读取外部数据存储器 例如 执行 MOVX DPTR 时 P2 口送出高八位地址 在这种应用中 P2 口使用很强的内 部上拉发送 1 在使用 8 位地址 如 MOVX RI 访问外部数据存储器时