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PID温控系统的设计及仿真（MATLAB）【1张CAD图纸+程序+毕业论文】

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关键词：: PID 温控系统设计仿真 matlab cad图纸程序毕业论文 PID温控系统

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PID温控系统的设计及仿真(MATLAB)

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第1章引言1

1.1 课题的提出及意义1

1.2 文献综述1

1.2.1 工业温度控制发展简介1

1.2.2 温度微机控制系统控制方案1

1.2.3 目前快速发展的一些具体温控方案2

1.3 本文所做的工作2

第2章硬件系统3

2.1 单片机中央控制系统3

2.1.1 单片机简介3

2.1.2 时钟电路4

2.1.3 复位电路5

2.1.4 I\O接口扩展6

2.2 前向通道6

2.2.1 常用形式7

2.2.2 集成形式7

2.3 后向通道9

2.3.1 双向晶闸管9

2.3.2 固体继电器SSR9

第3章人机通道10

3.1 按键电路11

3.2 数码管显示电路12

3.3 蜂鸣报警电路12

第4章 PID控制14

4.1 PID 控制理论14

4.1.1 PID 控制概述14

4.1.2 PID 控制的基本理论14

4.2 模糊控制理论16

4.2.1 模糊控制概述16

4.2.2 模糊控制的基本原理16

4.3 模糊 PID 控制17

第5章仿真研究19

5.1 仿真工具19

5.2 MATLAB及仿真环境 simulink19

5.3 仿真和优选。19

5.3.1 控制对象模型20

5.3.2 仿真21

5.3.3 方案选择26

第6章单片机软件设计26

6.1 主程序设计27

6.2 热电偶测温查表子程序27

6.3 滤波子程序27

6.4 中断子程序31

6.5 人-机接口程序33

结束语35

参考文献36

致谢37

摘要

温度是工业控制的主要被控参数之一，可是由于温度自身的一些特点,如惯性大，滞后现象严重，难以建立精确的数学模型等,给控制过程带来了难题。本文研究合适的控制方案对电烤箱温度进行控制，技术要求是调节时间短，超调量为零且稳态误差在±1℃内。对电烤箱这样一个被控对象进行控制，有很多方案可选。

本文分析了PID控制和模糊控制的优缺点，考虑可以把它们相互结合，实现优势互补。文中用 simulink软件对 PID 控制、模糊控制和参数模糊自整定PID 控制的控制性能和抗干扰能力分别进行了仿真研究，仿真结果表明参数模糊自整定 PID 控制能满足调节时间短、超调量为零且稳态误差在±1℃内的控制要求，且对暂态可回复性干扰、不可回复性干扰和随机干扰都有很强的抑制能力。因此本论文最终确定采用参数模糊自整定 PID 控制方案；

设计了以 AT89C52 单片机为核心的温度控制器，选用 k 型热电偶为温度传感器结合MAX6675芯片构成前向通道，同时双向晶闸管和SSR构成后向通道，由按键、LED 数码显示器及报警单元等组成人机联系电路。在进行硬件设计的同时，也设计了相应软件程序流程图。

关键词：AT89C52； PID 控制；模糊控制；仿真

ABSTRACT

Temperature is one of the main parameters controlled in the industrial process. But it is very difficult to control temperature well because of some characteristics of the temperature itself. For example temperature’s inertia is great, it’s time-lag is serious and it is difficult to establish accurate mathematical model of the object. This paper is to study an adapt control method to control the temperature of the electric oven, the technology demand of control method is: the regulating time must be short, the overshoot must be zero and steady-state error must be in ±1℃.For the electric oven, there are many control methods to be selected.

This paper analyses the advantages and disadvantages of the PID control and fuzzy control and comes to the method of combining them together. In the paper stimulations of PID control、fuzzy control and fuzzy self-tuning PID control are done by simulink And then the fuzzy self-tuning PID control method is selected.. because it can meet the control demands and it’s anti-interference ability is very strong.. Moreover, simulation results show that: it’s robustness is good because very good control result that the regulating time is short, the overshoot is zero and the steady-error is very little can be obtained, for first-order inertia and time-lag model.

In the paper AT89S52 is used as controller, toward access is composed of K which is used as temperature sensor, and with MAX6675 .Backward access is composed of photoelectrical coupler and Solid State Relay SSR. Man-machine circuit is composed of buttons, LED and warning unit, etc. While the hardware circuit is designed, the corresponding procedure flow chart is also designed.

Key words: AT89C52; PID Control; Fuzzy Control; Stimulation;

第1章引言

1.1 课题的提出及意义

温度是生产过程和科学实验中非常普遍而又十分重要的物理参数。在工业生产过程中，为了高效地进行生产，必须对生产工艺过程中的主要参数，如温度、压力、流量、速度等进行有效的控制，其中温度控制在生产过程中占有相当大的比例。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。而且在我们的日常生活中也使用微波炉、电烤箱、电热水器、空调等家用电器，温度与我们息息相关。另外在各高等院校的实验室中，无不将温度作为被控参数，构成微机测控系统，供学生作综合实验或课程设计。可见温度控制电路广泛应用于社会生活的各个领域，所以对温度进行控制是非常有必要和有意义的。

可是由于温度自身的一些特点,如惯性大、滞后现象严重、难以建立精确的数学模型等,使控制系统性能不佳。在关于温度控制的绝大部分文献资料中，控制结果都是有超调的，而且很多时候超调量较大，本论文是基于这一特点，研究一种控制方案，将其用于大部分温控场合，都能达到零超调，且调节时间快，稳态误差也非常小的理想效果。另一方面也是基于控制实验室建设的需求，将其用于对实验电烤箱温度进行控制，达到调节时间短、超调量为零且稳态误差在±1℃内的技术要求。

1.2 文献综述

1.2.1工业温度控制发展简介

目前先进国家各种炉窑自动化水平较高，装备有完善的检测仪表和计算机控制系统。其计算机控制系统已采用集散系统和分布式系统的形式，大部分配有先进的控制算法，能够获得较好的工艺性能指标。而我国的温度控制系统的发展大致经历了三个阶段:

第一阶段:基地式仪表。

第二阶段:单元组合式仪表。

第三阶段:微机控制阶段。温度微机控制系统取代模拟控制系统，克服了其调节精度差、可靠性不高的缺点。由于计算机具有高速的数据运算处理功能和大容量存贮信息的能力，使得此类系统稳定可靠、维护方便、抗干扰能力强，而且可以采用先进的控制算法以进一步提高控制性能。

1.2.2温度微机控制系统控制方案

计算机技术的发展极大地推动了工业控制系统的进步，而现代控制理论的发展，人工智能技术的深入研究，为控制系统的理论领域增加了新的内容。计算机硬件与控制软件的紧密结合必然导致新型的微机控制系统的出现。温度微机控制系统常用的控制方案有以下三类:经典控制方案、基于现代控制理论的设计方案和智能控制方案。

智能控制方案是一类无需人的干预就能够针对控制对象的状态自动地调节控制规律以实现控制目标的控制策略。它避开了建立精确的数学模型和用常规控制理论进行定量计算与分析的困难性。它实质上是一种无模型控制方案，即在不需要知道对象精确模型的情况下，通过自身的调节作用，使实际响应曲线逼近理想响应曲线。

智能控制系统有以下一些特点:

(l)智能控制系统一般具有以知识表示的非数学广义模型和以数学模型表示的混合控制过程。它适用于含有复杂性、不完全性、模糊性、不确定性和不存在己知算法的生产过程。

(2)智能控制具有信息处理和决策机构，它实际上是对人神经结构或专家决策机构的一种模仿。

(3)智能控制器具有非线性。

(4)智能控制器具有变结构的特点。

(5)智能控制器具有总体自寻优的特点。

1.2.3目前快速发展的一些具体温控方案

常用的温度控制电路根据应用场合和要求的性能指标的不同，除了传统的PID控制方法，近几年来快速发展的是将模糊控制、神经网络、遗传算法等智能控制方法应用于温控系统，以及包括智能控制与PID控制相结合及这些智能控制之间的结合。具体有如下一些方法：

（1）模糊控制：

（2）遗传算法与PID的结合：

（3）模糊控制与PID的结合：

（4）神经网络与PID的结合：

（5）模糊控制、神经网络和遗传算法三者的结合：

针对电烤箱温度控制系统，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，模糊控制的响应特性稳态误差大；而采用本文设计的用模糊规则调节Kp、KI 两个参数的参数模糊自整定PID控制方法，可得到调节时间短、超调量为零、稳态误差为零的极为理想的性能指标。而且这种方法的抗干扰能力也很强，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，因而这一控制方法对温控场合的适用性很强。

具体设计了以 AT89C52 单片机为核心，K型热电偶为温度传感器，MAX6675芯片 ICL7135 为温度转换元件,由双向晶闸管和SSR构成温度反馈信息给单片机，并由按键、LED 数码显示器及报警电路等组成电烤箱温度控制闭环系统，并进行了相应软件程序流程结构设计。

但是由于一些原因，未得出最后的实验调试结果。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指导意义的。实验调试工作有必要以后继续进行。本文的这一设计思想也为以后继续完善奠定了基础，提供了思路，可进一步研制成实验设备和工业生产过程中的控制仪表。

参考文献

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[6] 李萍.单片机温度控制系统的设计与实现[J].固原师专学报.1999.12

[7] 国强.高精度恒温连续可调型温控器.哈尔滨工业大学工学硕士学位论文.2003.2

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[10] 吴为民.温度控制系统的发展概况[J].《工业炉》.第24卷第2期.2002年5月

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[24]Diaz,GerardoCristian;Simulationandcontrolofheatexchangersusingartificialneuralnetworks.[D]UNIVERSITYOFNOTREDAME2000

内容简介：: 信息与电子工程系毕业设计 (论文) 毕业设计 (论文)开题报告信电系电气专业 03 级 1 班课题名称： PID温控系统的设计与仿真毕业设计(论文)起止时间： 2006年2 月20 日 6月 8日(共16周)学生姓名：学号： 2指导教师：报告日期： 1本课题所涉及的问题在国内(外)的研究现状综述在工业生产中,电流、电压、温度、压力等都是常用的主要被控参数。可是由于温度自身的一些特点,如惯性大、滞后现象严重、难以建立精确的数学模型等,使控制系统性能不佳。采用单片机来对它们进行控制，不仅具有控制方便、简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。目前，应用大规模集成电路和计算机技术对温度量的控制，向着智能化、小型化和多功能的方向发展，其控制系统亦日趋简洁。以往的理论和实践均证明了：在连续控制系统中，当对象为一阶和二阶惯性环节或同时带有滞后时间不大的滞后环节时，PID控制算法是一种比较好的控制方法。传统模拟系统中的控制器设计己有一套成熟的方法，其中以 PID 控制器为代表。PID 控制器具有原理简单、易于实现、适用范围广等优点。而温度对象一般都可以看作是纯滞后时间的一阶惯性环节，用PID控制算法就可以对其进行很好的调节。本设计提出的单片机温度控制系统，是以 MCS51系列单片机为核心控制系统，并选择其他较好的电子电路形成前、后向通道，要求该系统具有较大的测温范围，并且对温度的调节精度要偏高于其他温控系统，控制的效果用MATLAB仿真功能来验证。2设计(论文)要解决的问题和拟采用的研究方法温度是生产过程和科学实验中非常普遍而又十分重要的物理参数。在工业生产过程中，为了高效地进行生产，必须对生产工艺过程中的主要参数，如温度、压力、流量、速度等进行有效的控制，其中温度控制在生产过程中占有相当大的比例。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。而且在我们的日常生活中也使用微波炉、电烤箱、电热水器、空调等家用电器，温度与我们息息相关。可是由于温度自身的一些特点,如惯性大、滞后现象严重、难以建立精确的数学模型等,使控制系统性能不佳。在关于温度控制的绝大部分文献资料中，控制结果都是有超调的，而且很多时候超调量较大，基于这一特点，研究一种控制方案，将其用于大部分温控场合，都能达到零超调，且调节时间快，稳态误差也非常小的理想效果。另一方面也是基于控制实验室建设的需求，将其用于对实验电烤箱温度进行控制，达到调节时间短、超调量为零且稳态误差在1内的技术要求。本设计提出的单片机温度控制系统，是以 MCS51系列单片机为核心控制系统，并选择其他较好的电子电路形成前、后向通道，要求该系统具有较大的测温范围，并且对温度的调节精度要偏高于其他温控系统，控制的效果用MATLAB仿真功能来验证。 1前向通道前向通道是系统获取信息数据的组成部分，它的性能好坏直接决定了整个系统的精度，而且一旦产生较大误差，将无法消除。本设计拟采用性能较好的热电偶测温装置，采用查表法处理热电偶电势与温度值间的非线性。辅加冷端温度补偿器，再配测量放大器、4位半（相当于14bit）的A/D转换通道等组成。其整体性能应可满足工业高温电炉的测控要求0.1%。 2. 单片机中央控制系统这是整个系统的核心控制部分，数据的分析利用等都是通过这个中央处理系统来完成的。它的硬件计划主要包括MCS51单片机、8155扩展芯片两部分，整个系统的软件部分也都在这个单片机中实现，包括采样炉温、读入数据、数据线性化处理、数字滤波、PID运算、报警以及显示、键盘程序、移相触发等。 3. 后向通道后向通道是系统实现控制，实现调温的执行部分，计划采用移相型触发脉冲三相全控桥控温电路构成。A/D转换后的数字量读入单片机后经PID算法处理，再经过查表得到全控桥的控制角由T1控制。即通过控制导通角来控制输出电压从而达到控温的目的，当角为0度时功率达到100%。 4. 人机交互通道包括LED显示器与键盘及报警蜂鸣器， 5. 其它除以上所述，还应考虑复位电路时钟电路、滤波设计、掉电保护和报警电路等附属部分，以保证系统的安全运行。3本课题需要重点研究的、关键的问题及解决的思路（一）、传感器选型（二）、温度检测、前置放大、A/D转换、三相同步及过零检测等元件及电路的选择（三）、MCS51单片机扩展系统的形成 (四）、LED显示器及键盘的接口技术（五）、PID数字控制器。 (六)、MATLAB仿真4完成本课题所必须的工作条件(如工具书、实验设备或实验环境条件、某类市场调研、计算机辅助设计条件等等)及解决的办法1 王春霞模糊自整定 PID 温控系统的仿真研究及设计硕士学位论文2 刘洪恩利用热电偶转换器的单片机温度测控系统仪表技术 2005年第2期3 陈浩等热电偶测温系统原理及应用制造业自动化 20044 朱雪璇电热箱单片机温控系统新余高专学报 2005.105 李林静基于单片机的炉温控制系统应用与技术 2004.第1期6 李萍单片机温度控制系统的设计与实现固原师专学报 1999.127 国强高精度恒温连续可调型温控器工学硕士学位论文8 高梅娟基于DMC- PID的串级温控系统设计工业仪表与自动化装置2005年第6期 9 彭建英水温智能控制系统的设计中国仪器仪表 2005年第7期10 吴为民温度控制系统的发展概况工业炉第24卷第2期 2002年5月11 李振胜智能PID 调节仪在湿热箱温控系统中的应用应用 Application 12 宋洪才浅析PID参数整定现代计量仪器与技术 2003.1113 孙亮 MATLAB语言与控制系统仿真北京工业大学出版社14 Isidro Sanchez,Julio R Banga,Antonio A AlonsoTemperature control in microwavecombination ovensJJournal of Food Engineering,2000,46:21-2915 Roger Jang J S,ANFISAdaptive Network-based Fussy Interence Systems, IEEE TranJSystem,Man and Cybernatics,1993,23(3):665-68516 ZHANG Bin, Wang Jing-cheng, ZHANG Jian-minDynamic model of reheating furnace based onfuzzy system and genetic algorithmJControl Theory & Application,2003,20(2):293-2965设计(论文)完成进度计划1、熟悉设计任务，选择设计参考资料（1周）2、阅读与本设计相关的文献资料（1周） 3、确定设计方案（1周）4、根据设计方案进一步细化，写出开题报告（1周）5、根据方案学习相关内容（2周）6、完成硬件部分的设计任务（3周）7、完成软件部分的设计任务（3周）8、编写设计说明书并绘图（2周） 9、为答辩做准备（1周)6指导教师审阅意见指导教师(签字)：年月日7教研室主任意见教研室主任(签字)：系(签章) 年月日说明：1. 本报告必须由承担毕业设计(论文)课题任务的学生在接到“毕业设计(论文)任务书”、正式开始做毕业设计(论文)的第2周或第3周末之前独立撰写完成，并交指导教师审阅。2.每个毕业设计(论文)课题撰写本报告一份，作为指导教师、教研室主任审查学生能否承担该毕业设计(论文)课题任务的依据，并接受学校的抽查。文献综述温度是生产过程和科学实验中非常普遍而又十分重要的物理参数。在工业生产过程中，为了高效地进行生产，必须对生产工艺过程中的主要参数，如温度、压力、流量、速度等进行有效的控制，其中温度控制在生产过程中占有相当大的比例。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。而且在我们的日常生活中也使用微波炉、电烤箱、电热水器、空调等家用电器，温度与我们息息相关。另外在各高等院校的实验室中，无不将温度作为被控参数，构成微机测控系统，供学生作综合实验或课程设计。可见温度控制电路广泛应用于社会生活的各个领域，所以对温度进行控制是非常有必要和有意义的。可是由于温度自身的一些特点,如惯性大，滞后现象严重，难以建立精确的数学模型等,给控制过程带来了难题。本文研究合适的控制方案对电烤箱温度进行控制，技术要求是调节时间短，超调量为零且稳态误差在1内。对电烤箱这样一个被控对象进行控制，有很多方案可选。首选的方案是 PID 控制，因为它简单，容易实现，在大多数情况下可以满足性能要求，目前，PID 控制仍占 80%以上。它有可消除稳态误差的优点。PID 控制的性能取决于参数的整定情况，对那些对象模型复杂和模型难以确定的控制系统，具有很大的局限性，而且它的快速性和超调量之间的矛盾关系，使它不一定能满足调节时间短、超调小的技术要求。第二个值得尝试的方案就是模糊控制，模糊控制鲁棒性好，无需知道被控对象的数学模型，且在快速性方面有着自己的优势；可是由于它的理论并不完善，对它可能获得的控制性能无法把握。而且模糊控制易受模糊规则有限等级的限制而引起稳态误差。但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。基于以上所述目前国内外的温控方法的各自特点，以及温度这一物理参数变化缓慢，大惯性和大滞后的特点，本设计考虑采用模糊控制与PID控制相结合的参数模糊自整定PID控制方法来对温度进行控制，运用Simulink软件对它们的控制性能和抗干扰能力进行了仿真研究比较，选出合乎响应速度快、超调量为零、稳态误差在1内的技术要求的解决方案。另外以AT89C52单片机为核心的电烤箱温度控制系统的硬件电路，扩展8155芯片，选用 k 型热电偶为温度传感器测量电烤箱温度，结合集成MAX6675芯片构成前向通道，送给单片机。采用双向晶闸管和固态继电器SSR构成后向通道，对电烤箱进行温度补偿。外围电路由按键电路、LED 数码显示器显示电路及555报警电路等组成人机联系电路。在进行硬件设计的同时，也设计了相应软件程序流程图。浙江工业大学浙西分校毕业设计（论文）目录第1章引言11.1 课题的提出及意义11.2 文献综述11.2.1 工业温度控制发展简介11.2.2 温度微机控制系统控制方案11.2.3 目前快速发展的一些具体温控方案21.3 本文所做的工作2第2章硬件系统32.1 单片机中央控制系统32.1.1 单片机简介32.1.2 时钟电路42.1.3 复位电路52.1.4 IO接口扩展62.2 前向通道62.2.1 常用形式72.2.2 集成形式72.3 后向通道92.3.1 双向晶闸管92.3.2 固体继电器SSR9第3章人机通道103.1 按键电路113.2 数码管显示电路123.3 蜂鸣报警电路12第4章 PID控制144.1 PID 控制理论144.1.1 PID 控制概述144.1.2 PID 控制的基本理论144.2 模糊控制理论164.2.1 模糊控制概述164.2.2 模糊控制的基本原理164.3 模糊 PID 控制17第5章仿真研究195.1 仿真工具195.2 MATLAB及仿真环境 simulink195.3 仿真和优选。195.3.1 控制对象模型205.3.2 仿真215.3.3 方案选择26第6章单片机软件设计266.1 主程序设计276.2 热电偶测温查表子程序276.3 滤波子程序276.4 中断子程序316.5 人-机接口程序33结束语35参考文献36致谢37摘要温度是工业控制的主要被控参数之一，可是由于温度自身的一些特点,如惯性大，滞后现象严重，难以建立精确的数学模型等,给控制过程带来了难题。本文研究合适的控制方案对电烤箱温度进行控制，技术要求是调节时间短，超调量为零且稳态误差在1内。对电烤箱这样一个被控对象进行控制，有很多方案可选。本文分析了PID控制和模糊控制的优缺点，考虑可以把它们相互结合，实现优势互补。文中用 simulink软件对 PID 控制、模糊控制和参数模糊自整定PID 控制的控制性能和抗干扰能力分别进行了仿真研究，仿真结果表明参数模糊自整定 PID 控制能满足调节时间短、超调量为零且稳态误差在1内的控制要求，且对暂态可回复性干扰、不可回复性干扰和随机干扰都有很强的抑制能力。因此本论文最终确定采用参数模糊自整定 PID 控制方案；设计了以 AT89C52 单片机为核心的温度控制器，选用 k 型热电偶为温度传感器结合MAX6675芯片构成前向通道，同时双向晶闸管和SSR构成后向通道，由按键、LED 数码显示器及报警单元等组成人机联系电路。在进行硬件设计的同时，也设计了相应软件程序流程图。关键词：AT89C52； PID 控制；模糊控制；仿真 ABSTRACTTemperature is one of the main parameters controlled in the industrial process. But it is very difficult to control temperature well because of some characteristics of the temperature itself. For example temperatures inertia is great, its time-lag is serious and it is difficult to establish accurate mathematical model of the object. This paper is to study an adapt control method to control the temperature of the electric oven, the technology demand of control method is: the regulating time must be short, the overshoot must be zero and steady-state error must be in 1.For the electric oven, there are many control methods to be selected.This paper analyses the advantages and disadvantages of the PID control and fuzzy control and comes to the method of combining them together. In the paper stimulations of PID control、fuzzy control and fuzzy self-tuning PID control are done by simulink And then the fuzzy self-tuning PID control method is selected. because it can meet the control demands and its anti-interference ability is very strong. Moreover, simulation results show that: its robustness is good because very good control result that the regulating time is short, the overshoot is zero and the steady-error is very little can be obtained, for first-order inertia and time-lag model.In the paper AT89S52 is used as controller, toward access is composed of K which is used as temperature sensor, and with MAX6675 .Backward access is composed of photoelectrical coupler and Solid State Relay SSR. Man-machine circuit is composed of buttons, LED and warning unit, etc. While the hardware circuit is designed, the corresponding procedure flow chart is also designed.Key words: AT89C52; PID Control; Fuzzy Control; Stimulation;第1章引言1.1 课题的提出及意义温度是生产过程和科学实验中非常普遍而又十分重要的物理参数。在工业生产过程中，为了高效地进行生产，必须对生产工艺过程中的主要参数，如温度、压力、流量、速度等进行有效的控制，其中温度控制在生产过程中占有相当大的比例。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。而且在我们的日常生活中也使用微波炉、电烤箱、电热水器、空调等家用电器，温度与我们息息相关。另外在各高等院校的实验室中，无不将温度作为被控参数，构成微机测控系统，供学生作综合实验或课程设计。可见温度控制电路广泛应用于社会生活的各个领域，所以对温度进行控制是非常有必要和有意义的。可是由于温度自身的一些特点,如惯性大、滞后现象严重、难以建立精确的数学模型等,使控制系统性能不佳。在关于温度控制的绝大部分文献资料中，控制结果都是有超调的，而且很多时候超调量较大，本论文是基于这一特点，研究一种控制方案，将其用于大部分温控场合，都能达到零超调，且调节时间快，稳态误差也非常小的理想效果。另一方面也是基于控制实验室建设的需求，将其用于对实验电烤箱温度进行控制，达到调节时间短、超调量为零且稳态误差在1内的技术要求。1.2 文献综述1.2.1工业温度控制发展简介目前先进国家各种炉窑自动化水平较高，装备有完善的检测仪表和计算机控制系统。其计算机控制系统已采用集散系统和分布式系统的形式，大部分配有先进的控制算法，能够获得较好的工艺性能指标。而我国的温度控制系统的发展大致经历了三个阶段:第一阶段:基地式仪表。第二阶段:单元组合式仪表。第三阶段:微机控制阶段。温度微机控制系统取代模拟控制系统，克服了其调节精度差、可靠性不高的缺点。由于计算机具有高速的数据运算处理功能和大容量存贮信息的能力，使得此类系统稳定可靠、维护方便、抗干扰能力强，而且可以采用先进的控制算法以进一步提高控制性能。1.2.2温度微机控制系统控制方案计算机技术的发展极大地推动了工业控制系统的进步，而现代控制理论的发展，人工智能技术的深入研究，为控制系统的理论领域增加了新的内容。计算机硬件与控制软件的紧密结合必然导致新型的微机控制系统的出现。温度微机控制系统常用的控制方案有以下三类:经典控制方案、基于现代控制理论的设计方案和智能控制方案。智能控制方案是一类无需人的干预就能够针对控制对象的状态自动地调节控制规律以实现控制目标的控制策略。它避开了建立精确的数学模型和用常规控制理论进行定量计算与分析的困难性。它实质上是一种无模型控制方案，即在不需要知道对象精确模型的情况下，通过自身的调节作用，使实际响应曲线逼近理想响应曲线。智能控制系统有以下一些特点:(l)智能控制系统一般具有以知识表示的非数学广义模型和以数学模型表示的混合控制过程。它适用于含有复杂性、不完全性、模糊性、不确定性和不存在己知算法的生产过程。(2)智能控制具有信息处理和决策机构，它实际上是对人神经结构或专家决策机构的一种模仿。(3)智能控制器具有非线性。(4)智能控制器具有变结构的特点。(5)智能控制器具有总体自寻优的特点。1.2.3目前快速发展的一些具体温控方案常用的温度控制电路根据应用场合和要求的性能指标的不同，除了传统的PID控制方法，近几年来快速发展的是将模糊控制、神经网络、遗传算法等智能控制方法应用于温控系统，以及包括智能控制与PID控制相结合及这些智能控制之间的结合。具体有如下一些方法：（1）模糊控制：（2）遗传算法与PID的结合：（3）模糊控制与PID的结合：（4）神经网络与PID的结合：（5）模糊控制、神经网络和遗传算法三者的结合：1.3 本文所做的工作基于以上所述目前国内外的温控方法的各自特点，以及温度这一物理参数变化缓慢，大惯性和大滞后的特点，本设计考虑采用模糊控制与PID控制相结合的参数模糊自整定PID控制方法来对温度进行控制。本文所做的工作是：对电烤箱这一控制对象，选择了纯PID控制、纯模糊控制和参数模糊自整定PID控制三种控制方案，运用Simulink软件对它们的控制性能和抗干扰能力进行了仿真研究比较，选出合乎响应速度快、超调量为零、稳态误差在1内的技术要求的解决方案。另外以AT89C52单片机为核心的电烤箱温度控制系统的硬件电路设计及相应软件程序结构设计，以及与此相关的前向通道、后向通道、人机通道的设计。第2章硬件系统2.1 单片机中央控制系统这是整个系统的核心控制部分，数据的分析利用等都是通过这个中央处理系统来完成的。它的硬件主要包括AT89C52单片机、8155扩展芯片，MAX6675芯片，程序存储芯片24C02，按键电路，显示电路，报警电路，复位、晶振电路等。2.1.1单片机简介单片微型计算机（简称单片机），自70年代问世以来，以其极高的性价比，受到人们的重视和关注，应用很广，发展也很快。单片机体积小，重量轻，抗干扰能力强，环境要求不高，价格低廉，可靠性高，灵活性好，开发较为容易。目前，世界上较为著名的8位单片机的生产厂家和主要机型有：Intel公司：MCS-51系列及其增强型系列ATMEL公司：AT89系列1.MCS-51系列单片机简介MCS-51片内结构如果按功能划分，它由八个部件组成，即：数据存储器（RAM）：片内为128个字节，片外最多可以扩至64K字节。程序存储器（ROM/EPROM）：8031无此部件，8051为4K ROM，8751为4K EPROM，片外最多可扩至64K。I/O口（P0口、P1口、P2口、P3口）：为4个并行8位I/O口。串行口：一个全双工的串行口，具有四种工作方式。定时器/计数器：2个或3个16位的定时器/计数器，具有四种工作方式。中断系统：具有5个或6个中断源，2级中断优先权。特殊功能寄存器（SFR）：共有21个，用于对片内各功能模块进行管理、控制、监视。实际上是一些控制寄存器和状态寄存器，是一个特殊功能的RAM区。微处理器（CPU）：为8位的CPU且内含一个一位位处理器，不仅可以处理字节数据，还可以进行变量的处理。运算部件：包括算术逻辑部件ALU、位处理器、累加器A、寄存器B、暂存器以及程序状态字PSW寄存器等。该模块是功能是实现数据的算术、逻辑运算、位变量处理和数据传送等操作。2.AT89系列单片机简介AT89系列单片机是美国ATMEL公司继承Intel公司80C31的核心技术并和自身先进的闪电存储器（Flash Memory）技术相结合而产生的Flash单片机系列。它是一种低功耗、高性能、内含4K/8K字节闪存储器、用CHMOS工艺制造的8位单片机。其代表产品是AT89C51。其基本结构依然是CPU加上外围芯片的结构模式。一个8位的中央处理器（包括运算部件和控制部件）；4KB/8KB的Flash存储器；128B/256B的数据存储器（RAM）；32条I/O口线（四个8位口P0、P1、P2、P3）；2个或3个（对8032/8052是3个）定时器/计数器；一个具有5个中断源、2个优先级的中断嵌套结构；用于多处理机通讯、I/O扩展或全双工UART（通用异步接收发器）的串行口；特殊功能寄存器（SFR）；以及一个片内震荡器和时钟电路。这九个部件都是通过片内单一总线连接而成的。既然AT89系列单片机的核心技术是80C31，并在80C31的基础上发展起来的，因此兼容、改进和增强将是我们对AT89系列单片机和MCS-51系列单片机进行比较的主要内容。（1）引脚和80C51完全兼容AT89C52是一种低功耗、高性能，内含闪电存储器的8位单片机。与MCS-51系列指令系统和引脚下完全兼容。（2）内部含有闪电存储器AT89系列单片机提供的程序存储器是4KB/8KB的Flash存储器而MCS-51提供的程序存储器是4KB/8KB的只读存储器（ROM或EPROM）。这是二者最大的区别。AT89系列单片机由于内部含有闪电存储器，因而在系统开发过程中可以十分容易地进行程序修改和反复实验。同时，在系统工作过程中，能有效地保存一些数据信息，即使外界电源损坏也不影响信息的保存。（3）静态时钟方式AT89系列单片机是用静态逻辑来设计的，其工作频率可下降到0Hz，并提供两种可用软件来选择的省电方式空闲方式和掉电方式。而80C51不是用静态逻辑来设计的。综上所述，AT89系列单片机和MCS-51有相同的核心技术及总体结构。指令系统和引脚完全兼容。不同的是AT89系列单片机内部含有4KB/8KB的闪电存储器，而且是有静态逻辑来设计的。而MCS-51不是用静态逻辑来设计的，而且片内不含闪电存储器，只有ROM或EPROM。因此在此次设计中采用AT89C52单片机作为整个系统的核心控制部分。2.1.2时钟电路AT89C52的时钟可以由两种方式产生，一种是内部方式，利用芯片内部的振动电路；另一种方式为外部方式。1.内部时钟方式AT89C52内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别构成此反相放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外晶体或陶瓷谐振一起构成自激振荡器。AT89C52虽然有内部振荡电路，但要形成时钟，必须外接元件，图2-1(a) 是AT89C52内部时钟电路。外接晶体以及电容CX1和CX2构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中。晶体可在1.2MHz12MHz之间任选，电容CX1和CX2的典型值通常选择为30pF左右（这时对应的时钟频率为12MHz）。2.外部时钟方式外部时钟方式是利用振荡器信号源（时钟源）直接接入XTAL1和XTAL2。通常XTAL1接地，XTAL2接外部时钟，电路见图2-1(b)。由于XTAL2的逻辑电平不是TTL的，故若使用此种方式，外接一个7.4K10K的上拉电阻。图2-1（a）内部时钟方式电路图2-1(b) 外部时钟方式电路本设计采用内部时钟方式，外接陶瓷振荡器，电容CX1和CX2选取典型值30pF，对应的时钟频率为12MHz。如图2-1(a)所示。2.1.3复位电路在单片机应用系统工作时，除了进入系统正常的初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱因境，也需按复位键以重新启动。所以，系统的复位电路必须准确、可靠地工作。复位电路的设计原则：在单片机的RST引脚上出现24个时钟振荡脉冲（2个机器周期）以上的高电平。根据这个原则，通常采用以下几种电路：(1)上电自动复位：如图2-2(a)所示。(2)按键电平复位：如图2-2(b)所示，按键电平复位是通过使复位端经电阻与Vcc电源接通而实现的。(3)系统复位：如图2-2(c)所示。图2-2各种复位电路AT89C52的复位电路是由外部的复位电路实现的。本设计采用简单的按键电平复位电路。2.1.4 I/O接口的扩展由于单片机I/O口的数量不能满足系统的要求，就要求对I/O进行扩展。扩展的方法有许多种。如用74LS244和74LS377对单片机进行简单的输入输出口扩展，也可用8155或8255专用集成芯片扩展I/O口。本系统采用8155可编程接口芯片扩展I/O口。图2-3 AT89C52与8155的接口电路8155可以直接与AT89C52单片机连接，不需任何外加逻辑电路。图2-3所示为8051与8155的基本连接方法。由于8155片内有锁存器，所以，P0口输出的低8位地址不需另加锁存器，直接与8155的AD0AD7相连，既作为低8位地址总线，又作为数据总线，利用8051的ALE信号的下降沿锁存P0送出的地址信息。片选信号和选择信号分别接P2.7和P2.6，8155口的地址编码如下：RAM字节地址 3E00H3EFFH命令/状态寄存器 7F00HA口地址 7F01HB口地址 7F02HC口地址 7F03H定时器/计数器低8位 7F04H定时器/计数器高6位 7F05H2.2 前向通道前向通道是系统获取信息数据的组成部分，它的性能好坏直接决定了整个系统的精度，而且一旦产生较大误差，将无法消除。因此前向通道必须高精确度。2.2.1常用形式采用性能较好的热电偶测温装置，采用查表法处理热电偶电势与温度值间的非线性。辅加冷端温度补偿器，滤波的测量放大器、A/D转换通道等组成。2.2.1.1热电偶检测电路几种常见的热电偶(1)铂铑10 铂热电偶属贵金属热电偶，直径通常0.5毫米，它长期使用的最高温度可达1300，短期可达1600。（2）铂铑30-铂铑 6热电偶它也属贵金属热电偶，长期使用的最高温度可达1600，短期使用可达1800。（3）镍铬-镍硅热电偶它是廉价金属，使用温度在-2001300。基于本设计的要求，采用镍铬-镍硅热电偶来测量温度。2.2.1.2冷端补偿电路在实际应用中，热电偶的冷端通常靠近被测对象，且受到周围环境温度的影响，其温度不是恒定不变的。从热电效应的原理可知，热电偶产生的热电动势与两端温度有关。只有将冷端的温度恒定，热电动势才是热端温度的单位函数。为此，必须采取一些相应的措施进行补偿或修正，常用的方法有一下几种：冷端恒温法、导线补偿法、电桥补偿法、计算修正法、显示仪表零位调整法。在本设计中采用导线补偿法和电桥补偿法相结合的方式。2.2.1.3前置放大电路热电偶出来的mV电压，无法直接进行A/D转换，必须进行放大处理。此电路是前向通道的主要部分之一，因为如果在放大级引入的干扰，被放大后进入到后级的A/D，转换出来的数值必定相差很远。为使系统具有极高的可靠性，所以前置放大电路一般都采用具有性能优异体积小、电路结构简单、成本低等优点的AD公司生产的高性能仪表专用运放AD521。而本设计中采用的芯片MAX6675具有热补偿，噪声补偿等，转换出来的数值提高了测量精度。2.2.1.4 A/D转换电路前置放大器输出的信号是连续变化的模拟量，必须将此信号转换成数字量后才能输入单片机进行数据处理。实现模拟量转换成数字量的器件称为模数转换器（ADC）。根据A/D转换器实现A/D转换的原理不同，可以分为双积分型、逐次逼近型、电压-频率型等。双积分型A/D转换器具有转换速度慢但抗干扰能力强的特点；逐次逼近型A/D转换器的特点正好相反，转换速度快，但抗干扰能力弱；电压频率型的缺点是精度不高。因为温度的变化比较大，滞后性大，设计中采用双积分型A/D转换器。综合以上条件，本设计采用集成芯片MAX6675作为前向通道进行测温，并且保证了较好的精度。2.2.2集成形式以往的热电偶测温电路比较复杂、成本高、精度低,而且容易遭受干扰。MAXIM公司新近开发出一种K型热电偶信号转换器(IC)MAX6675,该转换器集信号放大、冷端补偿、A/D转换于一体,直接输出温度的数字信号,使温度测量的前端电路变得十分简单。用K型热电偶对温度进行采集，经MAX6675送单片机AT89C52。2.2.2.1MAX6675的内部电路构成、性能与时序MAX6675的内部由精密运算放大器、基准电源、冷端补偿二极管、模拟开关、数字控制器及ADC电路构成,完成热电偶微弱信号的放大、冷端补偿和A/D转换功能。图2-4是MAX6675引脚排列图,采用8脚SO形式封装,T+接K型热电偶的正极(镍铬合金),T-接K型热电偶的负极(镍硅合金或镍铝合金)，片选信号端CS为高电平时启动温度转换,低电平时允许数据输出;SCK为时钟输入端;SO为数据输出端,温度转换后的12位数据由该脚以SPI方式输出。D15是虚拟位,D14D3为温度转换的12位数据。图2-4 MAX6675引脚图图2-5 MAX6675输出时序图2.2.2.2MAX6675在单片机温度测控系统中的应用1硬件电路图2-6是以MAX6675处理K型热电偶信号的单片机温度测控系统原理图。MAX6675的片选线CS、时钟线SCK和数据线SO分别与单片机AT89C52的P1.0、P1.1和P1.2引脚相连,温度数据采用模拟SPI方式传送到单片机。单片机对温度信号处理后一方面送数码管显示,另一方面与设定的温度曲线进行比较以实施控制。键盘用于对控制参数进行设定。E2PROM24C02用于存储控制参数,以免掉电丢失。图2-6 MAX6675与AT89C52连接图2.3 后向通道调功原理可以用来控制电烤箱的电功率从而调节温度，正弦交流电每秒钟有100个过零，通过调节每秒钟内正弦交流电半波的导通个数N，就可以达到调节电功率的目的。执行元件为带光电隔离的过零触发型双向晶闸管ACSSR，正脉冲出发双向晶闸管导通触发脉冲由过零检测电路产生。如果在1秒钟内P2.4口线总为高电平，双向晶闸管ACSSR被触发导通100次，此时电烤箱以最大电功率输出，如果在1秒钟内P2.4口线总为低电平，则ACSSR始终关断，输出功率为0，由PID算法计算出每秒钟应触发ACSSR的过零脉冲数N，即可对温度进行调温控制。2.3.1双向晶闸管双向晶闸管当阳极电流大于掣住电流IL，管子就导通；当阳极电流小于维持电流IH则管子关断。温控系统中常用的交流调压方式一般有相位控制和通断控制，相位控制技术是使晶闸管在电源电压每一周期中，在选定的时刻内将负载与电源接通，改变选定的时刻就可以达到调压的目的。这种方法在工作过程中会产生高次谐波，功率因素也较低。而通断控制是把晶闸管作为开关将负载与交流电源接通几个周期（工频1周期为20ms），然后再断开一定的周期，改变通断的时间比值达到调压的目的。这种控制方式与相位控制相比，电路简单，功率因素高，适用于有较大的时间常数的负载。在本系统中采用了通断控制方式。2.3.2固体继电器SSR固体继电器（Solid State Relay SSR）是利用现代微电子技术与电力电子技术相结合而发展起来的一种新型无触点电子开关器件。它可以实现用微弱的控制信号(几毫安到几十毫安)控制01A直至几百A电流负载，进行无触点接通或分断。固体继电器是一种四端器件，两个输入端，两个输出端。输入端接控制信号，输出端与负载、电源串联，SSR实际是一个受控的电力电子开关，其等效电路如图2-7：图2-7 SSR电路图固体继电器由输入电路、驱动电路和输出电路三部分组成。如图2-8所示。以应用较多的交流过零型固体继电器为例。该电路采用过零触发技术，具有电压过零时开启，负载电流过零时关断的特性，在负载上可以得到一个完整的正弦波形，因此电路的射频干扰很小。图2-8 输入电路、驱动电路和输出电路固体继电器与通常的电磁继电器不同：无触点、输入电路与输出电路之间光(电)隔离、由分立元件半导体微电子电路芯片和电力电子器件组装而成，以阻燃型环氧树脂为原料，采用罐封技术持其封闭在外壳中、使与外界隔离，具有良好的耐压、防腐、防潮抗震动性能。广泛应用在电动机调速、家用电器、送变电电网的建设与改造、电力拖动、印染、塑料加工、煤矿、钢铁、化工和军用等方面。本设计中采用固体继电器SSR来控制脉冲个数，实现调节温度。第3章人机通道微机控制系统中除了与生产过程进行信息传递的过程输入、输出通道与接口处，还有与操作人员进行信息交换的输入、输出设备或器件，这种人机联系的设备或器件称为人-机接口。由人-机接口输入程序或数据，完成各种控制操作，显示生产过程的工艺状况与运行结果。这种人-机接口的典型装置是一个操作显示台或操作显示面板。本系统的显示接口采用单片机控制对LED数码管进行动态扫描的方法。而键盘输入接口也采用扫描方式来进行按键处理，同时采用555报警器蜂鸣报警。3.1 按键电路键盘是由若干个按键组成的开关矩阵，它是单片机最简单的信息输入装置，操作员通过键盘向单片机系统输入数据或命令，实现简单的人-机通信。按键是以开关的状态来设置控制功能和输入数据。按键的作用只是简单地实现开关的接通或断开，但必须有一套相应的程序与之配合，来解决按键的识别，键值的产生以及防止抖动等工作。非编码键盘有独立式连接的和矩阵式连接的，一般矩阵式连接的非编码键盘只适合键盘数目多的情况，由于本系统的按键比较少，所以采用独立式非编码键盘。1.独立式键盘独立式按键是指直接用I/O口线构成的单个按键电路，如图3-1所示。每个独立式按键单独占有一根I/O口线，每根I/O口线上的按键工作状态不会影响其他I/O口线上的工作状态。（a）查询方式（b）中断方式图3-1 独立式按键电路图3-1中（a）为查询方式的独立式键盘电路，通过I/O口线连接，将每个按键的一端接到单片机的I/O口，另一端接地，这是最简单的方法。图3-1中（b）为中断方式的独立式键盘电路。各个按键都连接到一个与门上，当有任何一个按键按下时，都会使与门输出为低电平，从而引起单片机的中断，它的优点在于不用在主程序中反复查询按键，而等到有键按下，单片机才去执行相应的键处理程序。本设计采用中断方式的独立式键盘电路。2按键去抖动为了让CPU能准确读出与按键相连的口线的状态，并对每一次按键只做一次键输入处理，就必须去抖动。常用去抖动的方法有两种，硬件去抖动，软件去抖动。本设计中采用软件去抖动。即在单片机获得口线为低的信息后，不是立即认定S已经被按下，而是延时1020 ms时间后再次检查口线输入，如果仍为低，说明S键的确按下，避开了按键按下的抖动时间。并且在检测到按键释放后再延时1020ms，消除后沿的抖动，然后再对键值做处理。3.4.2数码管显示电路显示电路的显示器主要有发光二极管LED和液晶显示器LCD。由于本系统对节能要求不高，所以选用LED数码管显示器。LED显示器有两种显示方式，即静态显示和动态显示。静态显示只适合显示器数目较少的情况。所以本系统采用动态扫描显示。1数码管动态显示的工作原理所谓动态显示就是用扫描方式轮流点亮LED显示器的各个位。特点是：将多个8段LED显示器同名端的段选线复接在一起，只用一个4位I/O控制各个LED显示器的公共阴极轮流接地，逐一扫描点亮，使每位LED显示该位应当显示的字符。恰当地选择点亮LED的时间间隔（1ms5ms），会给人一种视觉暂停效应，似乎多位LED都在“同时”显示。2数码管动态显示接口电路数码管动态显示接口电路是把所有的8个笔画段的同名端连在一起，而每个显示器的公共极COM是各自独立地接受IO线控制。本系统采用8155芯片做为单片机应用系统的IO扩展，8155的PA口作为LED的字型输出口，为提高亮度，由74LS244驱动段选码。8155的PC口作为LED的位选控制口，LED共阳极接法，由反向驱动器74LS06驱动LED显示器，提高驱动能力。动态显示的操作由软件完成。图3-2 4位LED动态显示接口电路3.4.3蜂鸣报警电路本设计中，蜂鸣报警电路采用一片时基电路555（如图3-3所示）R、C是定时元件；8155的PC5口是输入触发信号，下降沿有效，加在555的TR端（2脚）；u0是输出信号其中，输出脉冲宽度tw =1.1RC。由图中参数可知，蜂鸣的时间为0.5S。图3-3 蜂鸣报警电路原理图电路的工作原理：1 没有触发信号时电路工作在稳态：无触发信号即u1为高电平时，电路工作在稳定状态Q=0，u0为低电平，TD饱和导通。2 u1下降沿触发：当u1下降沿到来时，电路被触发，立即由稳态翻转到暂稳态Q=1，u0=UOH、TD截止。因为u1=u 由高电平跳变到低电平时，比较器C2的输出跳变为0，基本RS触发器立刻被置成1状态，即暂稳态。3 暂稳态的维持时间：在暂稳态期间，电路中有一个定时电容C充电的渐变过程，充电回路是VccRC地，时间常数1=RC。在电容上电压uc=uTH上升到2Vcc/3以前，显然电路将保持暂稳态不变。4 自动返回（暂稳态结束）时间：随着C充电过程的进行，uc=uTH逐渐升高，当uc=uTH上升到2Vcc/3时，比较器C1输出0，立即将基本RS触发器复位到0状态，即Q=0，、u0=UOL、TD饱和导通，暂稳态结束。5 恢复过程：当暂稳态结束后，定时电容C将通过饱和导通的晶体三极管TD放电，时间常数为2=RCESC，（RCES是TD的饱和导通电阻，很小），经352后，C放电完毕，uc=uTH=0，恢复过程结束。恢复过程结束后，电路返回到稳定状态，单稳态触发器又可接收新的输入触发信号。第4章 PID控制4.1 PID 控制理论4.1.1 PID的概述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见的控制器(至今在全世界过程控制中用的84%仍是纯 PID 调节器，若改进型包含在内则超过90%)。4.1.2 PID 控制的基本理论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。PID控制器的数学模型可以用下式表示: （4-1）其中:u(t)一控制器的输出e(t)一控制器输入，它是给定值和被控对象输出值的差，称偏差信号。Kp一控制器的比例系数。Ti一控制器的积分时间。Td一控制器的微分时间。在PID控制器中，它的数学模型由比例、积分、微分三部分组成。这三部分分别是:(1)比例部分比例部分数学式表示如下: （4-2）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Kp，Kp越大，则过渡过程越短，控制结果的稳态误差也越小；但Kp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Kp，选择必须适当，才能取得过渡时间少、稳态误差小而又稳定的效果。(2)积分部分积分部分数学表达式表示如下: （4-3）从积分部分的数学表达式可以知道，只要存在偏差，则它的控制作用就会不断地积累，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。可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Ti对积分部分的作用影响极大。当Ti较大时，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。但是消除误差所需时间较长。当Ti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，消除误差所需的时间较短。 (3)微分部分微分部分数学表达式表示如下: （4-4）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，但使系统抑制干扰的能力降低。微分部分的作用强弱由微分时间Td决定。Td越大，则它抑制e(t)变化的作用越强，Td越小，它反抗e(t)变化的作用越弱。它对系统的稳定性有很大的影响。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贮器和寄存器，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，如下式（4-5）：（4-5）式中:u(k)一 k 采样周期时的输出e(k)一 k 采样周期时的偏差Ts一采样周期即有（4-6）其中Kp、KI、KD分别为比例、积分、微分系数。4.2模糊控制理论4.2.1模糊控制的概述1965年，美国加里福尼亚大学 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已经历了二个阶段，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，其中主要是：(l)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，这些模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。4.2.2模糊控制的基本原理模糊控制系统的基本原理可由图4-1 表示：A/D模糊控制器传感器D/A执行机构控制对象图 4-1 模糊控制系统的基本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取得的，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 4-2 所示。模糊化模糊控制规则清晰化d/dt图 4-2 模糊控制器(FLC)的原理图由此可见，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量；(2) 根据输入变量（模糊量）及模糊控制规则，按模糊推理合成规则计算控制量（模糊量）；(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。4.3 模糊 PID 控制常规的二维模糊控制器是以偏差和偏差变化作为输入变量，因此，一般认为这种控制器具有 Fuzzy 比例和微分控制作用，而缺少 Fuzzy 积分控制作用，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稳态精度，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(或 PID)复合控制，使动静态性能都得到很好的改善，即达到动态响应快，超调小、稳态误差小。模糊控制和PID控制结合的形式有多种：（1）模糊-PID 复合控制：控制策略是:在大偏差范围内，即偏差 e 在某个阈值之外时采用模糊控制，以获得良好的瞬态性能；在小偏差范围内，即 e 落到阈值之内时转换成 PID（或 PI）控制，以获得良好的稳态性能。二者的转换阈值由微机程序根据事先给定的偏差范围自动实现。常用的是模糊控制和 PI 控制两种控制模式相结合的控制方法称之为 Fuzzy-PI 双模控制。（2）比例-模糊-PI 控制：当偏差 e 大于某个阈值时，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。在该方法中，模糊控制的论域仅是整个论域的一部分，这就相当于模糊控制论域被压缩，等效于语言变量的语言值即分档数增加，提高了灵敏度和控制精度。但是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振荡现象。故在接近稳态点时切换成 PI 控制，一般都选在偏差语言变量的语言值为零时，（这时绝对误差实际上并不一定为零）切换至 PI 控制。(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的。(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参数的，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。其实现思想是先找出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，在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 4-3所示：图 4-3 参数模糊自整定 PID 控制算法原理图在本设计中采用参数模糊自整定 PID 控制方法。第5章仿真研究5.1 仿真工具为了进行模糊系统的仿真设计，国内外的学者都开发了一些工具。其中一个是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，反模糊化的方法等等。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系统等等，并对这样的系统进行仿真、分析。5.2 MATLAB 及仿真环境 simulinkMATLAB(MATrix LABoratory矩阵实验室)是Math works公司的产品，以复数矩阵作为基本编程单元的一种程序设计语言，它提供各种矩阵的运算和操作，并有很强的绘图功能。目前，MATLAB已经成为国际上最流行的控制系统计算机辅助设计的软件工具。由于MATLAB提供强大的矩阵处理和绘图功能，很多控制界的知名学者在自己擅长的领域编写了特殊的MATLAB工具箱。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提高系统的性能，最终得到合乎自己设计要求的系统。本文的所有仿真都是在simulink中完成的。5.3 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的。由于仿真可以方便、快速、多次地进行，从比较中找出较优的方案是可行的。5.3.1控制对象模型本设计的电烤箱其工作频率为 50HZ，总功率为 600W，工作范围为室温20-200。设计目的是要对它的温度进行控制，达到调节时间短、超调量为零且稳态误差在1内的技术要求。在工业生产过程中，控制对象各种各样。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，对于二阶振荡系统，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，电烤箱模型的传递函数为：（5-1）式中 K-对象的静态增益 T-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是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的近似传递函数。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，用温度计测量电烤箱的温度，每半分钟采一次点，实验数据如下表：时间00.51.01.52.02.53.03.54.04.5温度20315278104126148168182198表 5-1 采用飞升曲线法测烤箱模利用 Origin6.0，由表中数据绘图如下：图 5.1 电烤箱飞升曲线Cohn-Coon 公式如下： M-系统阶跃输入；C-系统的输出响应t0.28-对象飞升曲线为 0.28C时的时间（分）t0.632-对象飞升曲线为 0.632C时的时间（分）从而求得 K=0.92, T=144s =30s所以电烤箱模型为（5-2）5.3.2仿真电烤箱的工作范围为20-200，控制要求要达到系统响应曲线调节时间短、无超调、稳态误差在1内。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，通过仿真比较它们的控制性能。5.3.2.1 PID 控制以下就是在 Simulink 中创建的用 PID 算法控制电烤箱温度的结构图：图 5-2电烤箱 PID 控制系统仿真结构图在图中的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30 秒。通过不断调整PID三参数，得到最佳仿真曲线，其中Kp=3，KI=0.02，KD=0当给定值为 100 和 150 时，得到仿真结果分别如下：图 5-3 给定值为 100 时的响应曲线图 5-4 给定值为 150 时的响应曲线可见性能指标为: 调节时间ts =200s，超调量 %约为 10%，稳态误差 ess = 0。5.3.2.2 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，希望能取得好的性能。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 5-5。可见模糊控制器的输入变量为 e 和 ec，输出为控制变量 u。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，反模糊用的是重心法 centroid。图 5-5 采用纯模糊控制时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 5-6 输入变量 e 的隶属函数图图 5-7 输入变量 ec 的隶属函数图图 5-8 输出变量 u 的隶属函数图可见，e,ec 和 u 的模糊子集均为NB,NS,0,PS,PB，它们模糊子集的论域都为-3,-2,-1,0,1,2,3，各模糊值的隶属度函数曲线都为三角形。下表为该 Mamdani 型模糊控制器的控制规则：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 eand ecthen 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5-2 模糊控制规则然后，使用模糊控制器在 Simulink 中构建整个控制系统，如下图所示:图 5-9 电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，这须将输入变量乘以相应的因子，即量化因子。这里e的量化因子Ke= n/xe。ec的量化因子同理。另外经过模糊控制算法后的输出控制量，变化范围为-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Ku=yu/m。上图中的三个增益模块Gain分别给出量化因子Ke、Kec，比例因子Ku。即Ke=0.05，Kec=0.3，Ku=200。图中FLC模块中指定该控制器为d.fis。仿真结果如图5-.10：图 5-10 纯模糊控制响应曲线可见性能指标为：调节时间ts =200s，超调量 %几乎为零，可稳态误差ess很大，约为 10。5.3.2.3 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，考虑把它们两者相结合，实现优势互补。本论文采用参数模糊自整定 PID 控制，具体说用的是模糊整定 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5-11），由图可见模糊控制器的输入变量为e和ec，输出变量为Kp和KI，反模糊等方法都与上述模糊控制器d.fis完全相同。图 5-11 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 5-12 输入变量 e 的隶属函数图图 5-13 输入变量 ec 的隶属函数图图 5-14 输出变量Kp的隶属函数图图 5-15 输出变量KI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Kp和KI的模糊子集均为Z, S, M, B,论域均为0,1,2,3。各模糊值的隶属度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 eand ec，thenKp，KI（表示各变量所分成的模糊值）如下面两表所示：表 5-2 Kp的模糊控制规则表 5-3 KI的模糊控制规则然后，使用该模糊控制器在 Simulink 中构建整个控制系统。如图所示:图 5-16 电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面各图：图 5-17 给定值为 100 时响应曲线图 5-18 给定值为 200 时响应曲线图 5-19 给定值为 150 时响应曲线图 5-20 给定值为 50 时响应曲线图5-21 给定值为 120 时响应曲线图 5-22 给定值为 80 时响应曲线由上面各图看出性能指标：调节时间ts最大约为 200s，超调量 %=0，稳态误差ess=0。仿真结果表明：对于电烤箱，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。5.3.3 方案选择经过以上的对 PID 控制、模糊控制和参数模糊自整定 PID 控制三种控制方案的仿真研究和分析，明显看出， PID 控制响应曲线超调量较大，纯模糊控制的稳态误差大，而参数模糊自整定 PID 控制策略可实现调节时间短、超调量为零、稳态误差为零以及强的抗干扰能力等非常理想的性能指标。因此，我选择它作为我的温控方案。第六章单片机软件设计为了使硬件系统能完成设计所需的功能，就要编写相应的软件程序。现在我们分别从主程序、各中断子程序及人机接口子程序这三个方面对本系统的软件部分进行分析设计。6.1 主程序设计主程序部分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。主程序还包括一个报警子程序。6.2 热电偶测温查表子程序热电偶作为传感器具有高精确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，对这种非线性的处理方法通常有查表法和分段法。在配有微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。6.2.1通用查表法的基本原理本系统采用的是K型电偶测温，查K型偶分度表，若将其各个温度对应的电压值（mV级）转换成十六进进形式，可以发现其有一定的规律，为说明问题，下面将其温度、电压、十六进制电压值的对应关系列于表1。图6-1 主程序框图表6-1 热电偶温度与电压对照表（参考温度0）由表6-1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个当量而分成几十个区段（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VLH表示，如下表6-2所示TEMP1： DW 0；各区段首温DW 0103H；13：DW 1E11HF；189以上共16个数据占32个字节的程序存储器VL00H： DB 00H DB 27H ： DB FAHVL01H： DB 03H DB 2DH ：： DB FCH ：VL4AH： DB 11H DB 39H ： DB C9H表6-2 温度线性化表- 38 -采用这种方法存入内存后，热电偶测温、查采样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首址VLH，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，温度增量加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）所得基础温度相加即为热电偶热电势所对应的温度值（当参考端即冷端温度为0时）。这样，此通用查表法精度、考虑小数点后数值，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（如表6-2所示）与该值相邻的两数据，通过简单的线性插值计算而实现（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性化处理）。图6-2 热电偶温度查表子程序框图6.3 滤波子程序6.3.1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。本例第一次采集的数据存R1，第二次采集的数据存R2，第二次采集的数据存R3。3个采样值相比较取中间值存R0。（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，

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