dq010基于单片机的模糊PID温度控制系统设计
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dq010基于单片机的模糊PID温度控制系统设计,毕业设计
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摘 要 温度控制在热处理工艺过程中 ,是一个非常重要的环节。控制精度直接影响着产品质量的好坏。实验室人员根据材料的烧成制度来调节电炉的输出电压以实现对电炉的温度控制。一般的有两种方法 :第一种就是手动调压法 ,第二种控制方法在主回路中采取双向可控硅装置 ,并结合一些简单的仪表 ,使得保温阶段 能够自动 ,但这两种方法的升温过程都是依赖于试验者的调节 ,并不能精确的按照给定的升降温速度来调节。本文提出的以参数自整定 PID 控制为基础的温控系统简单、可靠 ,大大提高了控制质量及自动化水平 ,具有良好的经济效益。 电炉是一种具有纯滞后的大惯性系统，开关炉门、加热材料、环境温度以及电网电压等都影响控制过程，传统的加热炉控制系统大多建立在一定的模型基础上，难以保证加热工艺要求。因此本文将模糊控制算法引入传统的加热炉控制系统构成智能模糊控制系统。 本文以模糊自整定 PID 控制算法为基础，设计以 8031单片机为 主体的控制系统控制电炉 ,构成一个能进行较复杂的数据处理和复杂控制功能的智能控制器，使其既可与微机配合构成控制系统，又可作为一个独立的单片机控制系统，具有较高的灵活性和可靠性。单片机根据输入的各种命令，进行智能算法得到控制值，输出脉冲触发信号，通过过零触发电路驱动双向可控硅，从而加热电炉。 本文提出的基于模糊的自整定 PID 控制算法的控制系统具有真正的智能化和灵活性，有自动检测、数据实时采集、处理及控制结果显示等功能，对提高电炉温度的控制精度具有较好的意义。 关键词： 电炉；单片机；智能控制器；自整定； 模糊 PID；可控硅 nts Abstract Temperature is controlled in heat treatment craft , is a very important link . Control the quality that the precision is influencing product quality directly. Laboratory according to to cook system come output voltage to regulate electric stove in order to realize the temperature control of the electric stove material personnel. The general one has two kinds of methods : First manual to transfer law of keeping, second kind of control method adopt the two-way silicon controlled rectifier device in the main return circuit, combine some simple instrument, so as to keep warm stage can automatic , but two intensification of method these course regulation to depend on experimenter, can not accurate warm pace is regulated according to designated rise or fall. Whom this text put forward since whole PID control until temperature-controled system of foundation simple , reliable definitely with parameter, improve quality and automatic level of controlling greatly, have good economic benefits. Electric stove whether one have pure great inertia system that lag behind, turn on or off furnace gate , heat material , ambient temperature , electric wire netting voltage ,etc. influence the course of controlling, the traditional heating furnace control systems are mostly set up on the basis of certain model, it is difficult to guarantee the heating technological requirement. So this text will control algorithms to introduce the traditional heating furnace control system and form the fuzzy control system of intelligence fuzzily . This text with fuzzy whole PID control algorithm for the foundation , design the control system taking 8031 one-chip computers as main body to control the electric stove definitely, forming one can carry on more complicated data processing and complicated intellectual controller which control the function , make it can both cooperate with computer and form the control system and be as an independent one-chip computer control system, have higher flexibility and dependability. One-chip computer according to various order that input , carry on intelligent algorithm the controlling value, output the pulse and touch off the signal, trigger circuit and drive the two-way silicon controlled rectifier through zero, thus heat the electric stove . Whom this text put forward whole PID control control system of the algorithm have real intelligent and flexibility definitely on the basis of a fuzzy one, have automatic detection , data gather , deal with and control result person who reveal function in real time, have better meanings in the control precision which improves the temperature of electric stove. Keyword： Electric stove； One-chip computer； Intellectual controller； Since exactly fix； Fuzzy PID；Silicon controlled rectifier nts 第 1 章 绪论 1.1 引言 电炉是热处理生产中应用最广的加热设备，通过布置在炉内的电热元件将电能转化为热能 ,借助辐射与对流的传热方式加热工件。通常可用以下模型定性描述 02 tKVXdtdXT （ 1-1）式中 X 电炉内温升（指炉内温度与室温温差 ) K 放大系数 t 加热时间 T 时间系数 V 控制电压 0 纯滞后时间 但在实际热力过程中，由于被加热金属的导热率、装入量以及加热温度等因素的不同，直接影响着 K 、 T 、 0等参数的变化，因此电炉本身具有很大的不确定性。 温度控制在热处理工艺过程中 ,是一个非常重要的环节。控制精度直接影响着产品质量的好坏。 根据不同的目的，将材料及其制件加热到适宜的温度。 1.2 控 制器发展现状 1.2.1 PID 控制器的发展现状 在过去的 50 年，调节 PID 控制器参数的方法获得了极大的发展。其中有利用开环阶跃响应信息，如 Coon-Cohen 响应曲线法；还有使用 Nyquist 曲线法的，如Ziegler-Nichols 连续响应法。然而这些调节方法只识别了系统动态信息的一小部分，不能理想的调节参数。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 PID 参数。这样能实现自动调整、短的整定时间、简便的 操作，改善响应特性而推动了自整定 PID控制技术的发展。 自整定技术可追溯到 50 年代自适应控制处于萌芽时期， 60 年代国外有人设计了一种自动调节式的过程控制器，因其价格高、体积大、可靠性差而未能商品化。 80 年代由于适用的控制理论的完善以及高性能微机的使用，才使得自整定控制器得以开发，PID 控制器参数的自动整定技术设想已慢慢实现。 电炉温度控制技术发展日新月异，从模拟 PID、数字 PID 到最优控制、自适应控制，再发展到智能控制，每一步都使控制的性能得到了改善。在现有的电加热炉温度控制方案中， PID 控制和模糊控制应用最多，也最具代表性。 nts 1.2.2 模糊 PID 控制 模糊控制的概念是由美国加利福尼亚大学著名教授 L.A.Zaden 首先提出的，经过20多年的发展，模糊控制取得了瞩目的成就。模糊控制适用于非线性、数学模型不确定的控制对象，对被控对象的时滞非线性和时变性具有一定的适应能力，同时对噪声也有较强的抑制作用，即鲁棒性较好。但模糊控制器本身消除系统稳态误差的性能比较差，难以达到较高的控制精度。而 PID 控制正好可以弥补其不足，近年来已有不少将模糊技术与传统技术结合起来设计模糊逻辑控制的先 例。在文献中介绍了多种能提高 PID控制精度的模糊 PID 混合控制方案，例如：引入积分因子的模糊 PID 控制器；混合型模糊 PID 控制器；另外将其与其它先进控制技术结合又有模糊自适应 PID 控制、神经网络模糊 PID 控制等。 1.2.3 模糊自整定 PID 控制 模糊自整定 PID 控制是在一般 PID 控制系统的基础上，加上一个模糊控制规则环节，利用模糊控制规则在线对 PID 参数进行修改的一种自适应控制系统。它以误差 e和误差变化 ec作为输入，可以满足不同时刻的 e和 ec对参数自整定的要求。它将 模糊控制和 PID 控制器两者结合起来，扬长避短，既具有模糊控制灵活而适应性强，调节速度快的优点，又具有 PID 控制无静差、稳定性好、精度高的特点，对复杂控制系统和高精度伺服系统具有良好的控制效果。 图 1-1 模糊自整定 PID 控制 1.3 电炉采用模糊自整定 PID 控制的可行性 在工业生产过程中，电炉随着负荷变化或干扰因素的影响，其对象特性或结构发生改变。电炉温控具有升温单向性、大时滞和时变的特点，如升温靠电阻丝加热，降温依靠自然冷却，温度超调后调整慢，因此用传统的控制方法难以得到更好 的控制效果。另外对于 PID 控制，若条件稍有变化，则控制参数也需调整。 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，使控制系统指标保持在最佳范围内。但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，而模糊理论正是解决这一问题的有效途径。 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及有关信息 (如评价指标、初始 PID 参数等 )作为知识存入计算机知识库中，nts 然后计算机根据控制系统的实际响应情况运用模糊推理，实现自动对 PID 参数的最佳调整。 从以上的分析可知模糊自整定 PID 控制应用在具有明显的纯滞后、非线性、参数时变类似于电炉这样特点的控制对象可以获得很好的控制性能。大量的理论研究和实践也充分证明了用模糊自整定 PID 控制电炉温度是一非常好的解决方法。它不仅能发挥模糊控制的鲁棒性好、动态响应好、上升时间快和超调小的特点，又具有 PID 控制器的动态跟踪品质和稳态精度。因此在温度控制器设计中，采用 PID 参数模糊自整定复合控制，实现 PID 参数的在线自调整功能，可以进一步完善 PID 控制的自适应性能，在实际应用中也 取得了较好的效果。 nts 第 2 章 模糊自整定 PID 控制器的设计 模糊自整定 PID 控制是在一般 PID 控制系统的基础上，加上一个模糊控制规则环节，利用模糊控制规则在线对 PID 参数进行修改的一种自适应控制系统。它以误差 e和误差变化 ec作为输入，可以满足不同时刻的 e和 ec对参数自整定的要求。它将模糊控制和 PID 控制器两者结合起来，扬长避短，既具有模糊控制灵活而适应性强的优点，又具有 PID 控制精度高的特点，对复杂控制 系统和高精度伺服系统具有良好的控制效果。 2.1 模糊推理机的设计 模糊控制器是应用模糊数学知识，模拟人的思维方法，把人用自然语言描述的控制策略改造成模糊控制规则，由模糊控制规则构造出模糊关系，而把模糊关系作为模拟变换器，把输入、输出的模糊向量按模糊推理方法处理，进而确定控制量。 2.1.1 模糊推理机的结构 在一般的模糊控制系统中，考虑到模糊控制器实现的简易性和快速性，通常采用二维模糊控制器结构形式。这类控制器都是以系统误差 E和误差变化率 EC为输入语句变量，基本模糊控制器构成原理图如图 2-1所 示。 图 2-1 基本模糊控制器结构原理图 图中： EK、 CEK、 UK 是量因子；E、EC、U差 e、误差变化率 ec 及控制量 u 的模糊语言变量； E、 EC、 U 分别是与 e、 ec及 u成比例的变量，其中 E = EK e， EC = CEK ec ， U =u/ UK 。 2.1.2 模糊推理机的设计 依据模糊控制的基本原理，基本模糊控制器设计概括起来包括如下内容： (1) 精确量的 模糊化； (2) 建立模糊控制规则和模糊关系； (3) 输出信息的决策。 2.1.2.1 精确量的模糊化 nts 过程参数的变化范围即模糊控制器输入量的实际范围称为基本论域，它是一个连续域，在模糊控制中需要将语言变量的基本论域转换成指定的有限整数的离散论域。假设某一语言变量的实际变化范围为 a1， b1，经过量化因子 k 变换后的范围为a,b=ka1,kb1。设论域取为离散论域 -n， n之间变化的变量 Y为 22 baXab nY(2-1) 按 Y 值大小，查隶属度赋值表，将其归类于某一模糊子集 (如正大、负小等 )。模糊子集通常可作如下划分：负大、负中、负小、零、正小、正中、正大。 模糊变量的模糊集和论域确定后，需对模糊语言变量确定隶属函数，即所谓对模糊变量赋值，就是确定论域内元素对模糊语言变量的隶属度。对于同一个模糊概念，确定隶属函数的方法多种多样，没有统一的模式。尽管形式上不完全相同，只要反映同一模糊概念，在解决和处理模糊问题中仍然殊途同归。隶属函数形式有多种，可根据实际要求来 确定。在实际应用中为方便起见，常采用三角形、正态形、梯形。隶属度赋值表是先根据实际问题人为确定，再通过“学习”和实践检验逐步加以修正和完善的。在给定论域上确定模糊子集的隶属函数要注意下面 3 个问题： (1) 任意两个相邻模糊子集的交集的最大隶属度在 0.4 0.7 之间。这个值取的较小时控制作用比较灵敏；较大时，对被控对象参数变化的适应性较强。 (2) 若 A 是一个模糊子集，如果 ini AU1 较大，则控制特性比较平缓，系统较为稳定；若 ini AU1 较小，则控制作用的灵敏度较高。 (3) 为了保证控制作用的隶属函数是单峰的，诸模糊子集必须正规突。 2.1.2.2 建立模糊控制规则和模糊关系 模糊控制规则设计原则是：当误差较大时，控制量的变化应尽力使误差迅速减小；当误差较小时，除了要消除误差外，还要考虑系统的稳定性，防止系统产生不必要的超调，甚至振荡。 模糊控制规则的一般形式为 ifEis iE, cEis jCthen Uis ijU(i =1,2, 1m ;j =1,2, 2m ) 其中：iE,jC,ijU是模糊子集；E表示被控量的设定值 Rf 对其实际值 Y 的偏差 YRe f 所对应的模糊子集； cE 和 U 表示偏差变化率 ec和输出控制量的模糊子集；m1 和 m2 分别是E和 cE的模糊子集划分数目。 上述模糊条件语句可归结为一个模糊关系 R，即 ijijjiUDUCER (2-2) 式中 jij CED 符号“”表示“ Cartesian”积 如果偏差、偏差变化率分别取为 E和C，根据模糊推理合成规则，输出的控制量是模糊子集 U，那么 RCEU (2-3) nts 即 yxzyxZ CERYy XxU , (2-4) 式中 X， Y， ZE，cE，U模糊子集的论域 “ ”和“ ” “取大”和“取小”运算 2.1.2.3 输出信息的模糊决策 模糊控制器的输出是模糊子集，它反映控制语言的不同取值的一种组合。但被控对象只能接受一个精确的控制量，因此需要从输出的模糊子集中判决出一个控制量，将模糊量转化为精确量，也就是说推导出一个由模糊子集到普通集合的映射，这个映射称之为判决。现在的解模糊判决方法通常有以下三种：最大隶属度法、取中位数法、隶属度加权平均法等。最大隶属度法是直接选择模糊子集中隶属度最大的元素 (或该模糊子集隶属度最大处的真值 )作为控制量。它能突 出主要信息，计算简单，但丢失了很多次要的信息，比较粗糙，适应于控制性能要求一般的控制系统。 论域 U 上把隶属函数曲线与横坐标围成的面积平分为两部分的元素 Z*称为模糊集的中位数。中位数法就是把模糊集中位数作为系统控制量。与最大隶属度法相比教，中位数法概括了更多的信息，但计算复杂，特别是在连续隶属函数时，需求解积分方程，因此应用场合比加权平均法少。 加权平均法是糊模控制系统中应用极为广泛的一种判决方法。这一方法有三种形式，即普通加权平均法，权系数加权平均法和 0.5加权平均法。 本设计采用普通加权平均法 设 rr uuuuuuU , 2211 模糊集，取各隶属度为加权系数，则控制量 U 由下式决定 njjniiiuuuU11(2-5) 2.2 模糊自整定 PID 控制器 这种智能 PID 模糊控制器分两步整定 PID 参数。第一步，初始 PID 参数的整定：先测定被控对象参数的粗略值，应用初值整定规则确定 PID 的初始值；第二步， PID 参数的在线整定：监测控制系的响应过程， 将其模糊化，综合用户期望、控制目标类型、对象参数等，运用模糊推理自动进行 PID 参数的在线整定。 2.2.1 PID 参数对 PID 控制性能的影响 PID 控制器时域内的控制模型为 011 dttdeTdtteTteKtu Dp(2-6) 计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量， PID 控制作用的离散化形式一般表示为 nts 111 kekeKieKkeKku Dkip(2-7) 增量形式为 2-k1-k2kk1-kekeku1 eeeKeKK Dp (2-8) 式中 KP 比例系数 KI 积分系数， KI = KPT/TI KD 微分系数， KD = KPTD/T ， T 为采样周期 TI 积分时间 TD 微分时间 e(k)第 k 次采样时刻输入的偏差值 由于 KP、 KI、 KD是表征 PID 控制器在控制过程中的比例、积分、微分作用的程度，因此从系统稳定性、响应速度、超调量和控制精度等各方面特性来考虑 PID 控制器三个参数对 PID 控制品质的影响。 比例控制的特点是：误差一旦产生，控制器立即就有控制作用，使被控制量朝着减小误差的方向变化，控制作用的强弱取决于比例系数 KP，比例系数 KP的作用是加快系统的响应速度，提高系统的调节精度。 KP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； KP取值过小，则会降低调节精度，使系统动作缓慢，延长调节时间，使系统静、动态特性变坏。 积分作用系数 KI能消除系统的稳态误差，但它的不足之处在于积分作用具有滞后特性。 KI越大，静态误差消除越快，但 KI过大，在响应初期会产生积分过饱和现象，从而引起响应过程的较大超调，系统将不稳定。若 KI太小，系统静态误差难以消除，影响系统的调节精度。 微分作用系数 KD是改善系统的动态特性，主要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 KD过大，会引起较大的超调，使被调量激烈振荡，系统不稳定，延长调节时间，降低系统的抗干扰性能；若 KD太小，微分作用太弱，调节质量改善不大。 综上所述， PID 三个参数取值大小，对控制系统的静态特性和动态性能影响很大，KP、 KI、 KD三个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延、时变负载，以及难以用 G(s)描述的负载，这三个参数的整定就很困难，因此我们在基于其它方法 (例如 SPAM 法等 )整定出来的 KP、 KI、 KD初值的基础上，采用模糊自调整机构在线调整 PID 参数，从而达到抑制大范围的扰动，改进系统动态响应性能的目的。 2.2.2 模糊自整定 PID 控制器 模糊自整定 PID 控制器原理图如图 2-2 所示。 图 2-2 模糊自整定 PID 控制 nts 模糊自整定 PID 控制是在一般 PID 控制系统的基础上，加上一个模糊控 制规则环节，利用模糊控制规则在线对 PID 参数进行修改的一种自适应控制系统。它以误差 e和误差变化 ec作为输入，可以满足不同时刻的 e和 ec对参数自整定的要求。它将模糊控制和 PID 控制器两者结合起来，扬长避短，既具有模糊控制灵活而适应性强，调节速度快的优点，又具有 PID 控制无静差、稳定性好、精度高的特点，对复杂控制系统和高精度伺服系统具有良好的控制效果。 2.3 模糊自整定 PID 控制算法 针对电炉温度控制，将采样得到的温度信号与系统的温度设定值进行比较，得到温度误差 e、温度误差变化 ec，根 据电炉温度变化实际情况参考前面的模糊自整定 PID 控制器设计方法，将它们变化到模糊论域。 温度误差 e、温度误差变化 ec和 KP 、 KI 、 KD的修正系数的模糊子集为 e ec 负大、负中、负小、零、正小、正中、正大 NB， NM， NS， ZO， PS， PM， PB kp ki kd 负大、负中、负小、零、正小、正中、正大 NB， NM， NS， ZO， PS， PM， PB 并将温度误差 e、温度误差变化 ec的大小量化为 13 个等级，分别表示为 -6， -5， -4，-3， -2， -1， 0， 1， 2， 3， 4， 5， 6，则论域 E 和 EC 为 E EC -6， -5， -4， -3， -2， -1， 0， 1， 2， 3， 4， 5， 6 将 kp 、 ki、 kd 的大小量化为 11 个等级， kp 的论域为 -1.5， -1.25， -1.0，-0.75， -0.5， 0.25， 0， 0.25， 0.5， 0.75， 1.0， 1.25， 1.5。 ki、 kd 的论域为 -0.3， 0.25， 0.2， 0.15， 0.10， 0.05， 0， 0.05， 0.10， 0.15， 0.20， 0.25， 0.3。 上述变量的隶属函数曲线图如 图 2-3 如示，隶属度函数按三角分布，三角函数解析式如公式 (2-9) 图 2-3 隶属函数曲线 cxorbxcxaaxbacxcbabxx0 (2-9) nts 模糊变量 E 、 EC的赋值表如下表所示。 表 2-1 模糊变量 E 、 EC的赋值表 模糊变量 KP 、 KI 、 KD的赋值情况如图 2-4， 2-5所示。 图 2-4 模糊变量 kp 的赋值 图 2-5 模糊变量 ki = kd 的赋值 PID 参数的整定需要考虑在不同时刻 3 个参数的作用以及相互之间的关系。对于电阻炉温控制，由 PID 控制器 3 个参数的控制特点，被控过程对参数的自整定要求可简单地总结如下： 当 E 较大时，为使系统具有较好的快速跟踪性能，应取较大的 KP 与较小的 KD，同时为避免系统响应出现较大的超调，应对积分作用加以限制，这样积分作用有利于消除稳态误差，又可避免产生较大超调。 当 E 处于中等大小时，为了使系统响应具有较小的超调， KP 应取得小些； KI 和 KD的大小要适中，以保证系统的响应速度，其中 KD的取值对系统响应 的影响较大。 当 E 较小时，为使系统具有较好的稳态性能，均应取得大些，同时为避免系统在设定值附近出现振荡，并考虑系统的抗干扰性能， 当 EC较小时， KD值可取得大些，通常取为中等大小； 当 ec 较大时， KD应取小些。 根据输入变量 E 和 EC 及模糊控制规则，按照模糊合成算法，采用最大隶属度方法，再经过人工修整，得到 KP 、 KI 、 KD的模糊规则表分别如表 2-2， 2-3， 2-4所示。 nts 表 2-2 KP的模糊规则表 然后选用加权平均的判决方法将控制量由模糊量变为精确量。利用上章介绍的加权平均法解模糊方法，编好程序，作为“文件”存储在计算机中。当进行实时控制时，便根据输出的信息，从“文件”中计算控制量，计算出修正参数代入下式计算 DiiDDIiiIIPiiPPECEKKECEKKECEKK,000 (2-10) 将 (2-10)算得的 PID 控制的 3 个参数带入 PID 控制模型得到控制量 u 11 kekeKieKkeKku DkiIP(2-11) 表 2-3 KI的模糊规则表 表 2-4 KD的模糊规则表 nts 2.4 模糊自整定 PID 控制器性能的研究 为了便于比较模糊自整定 PID 控制器与常规 PID 控制器的性能差别，选择典型二阶纯滞后对象作为模型，改变模型参数，利用 Matlab 仿真，观察分析二种控制方式的阶跃响应曲线及二者之间差异。 二阶纯滞后惯性环节的模型为 11 21 STST KesGST d (2-12) 其中，增益系数 K=4。分别改变模型的惯性时间常数和纯滞后时间，分析在三种控制方式下，它们对系统特性的影响。取设定值 SP=50 ， KP0 = 0.4， KI0 = 0.07 ， KD0 =0.06，这组调节系数是在常规 PID 控制方式下，被控对象的惯性时间常数 T1 =1、 T2 = 4，纯滞后时间 Td = 0时系统的整定参数。 2.4.1 Matlab 仿真结构图 在 SIMULINK中，建立 PID控制器仿真图如图 2-6所示，并将它封装为 PID子模块。 图 2-6 PID控制器仿真结构图 利用模糊控制工具箱中的 Fuzzy Logic Controller 模块，将它和 PID子模块连接 起来可以封装成为 Fuzzy-PID控制器，结构如图 2-7所示。 图 2-7 Fuzzy-PID仿真结构图 nts 将 Fuzzy-PID控制器加入到控制系统的模型中，并对其运用 Smith 预估器进行补 偿校正，从而得到整个控制系统的模型，如图 2-8所示。然后就可以根据输出结果 来判断控制器的性能。通过对输出结果的分析，可以对系统参数和模糊控制器的控 制规则进行适当的 调整，使控制系统的性能达到最佳。 图 2-8 参数自整定模糊 PID 控制系统和传统 PID 控制系统 在 MATLAB 环境中运行该系统进行仿真，可以利用示波器观察输出的情况，也可以将数据存储到 MATLAB 的工作空间的指定变量中，再利用绘图命令将曲线输出到单独的窗口中。 2.4.2 惯性时间常数的影响 保持对象增益和纯滞后时间不变，分别取三组惯性时间常数作特性比较，观察系统对被控对象惯性时间变化的能力。 纯滞后时间 Td = 2 图 2-11 常规 PID控制特性曲线 nts 图 2-12 模糊自整定 PID控制特性曲线 图中，曲线 1、 2、 3 分别为被控对象惯性时间常数 T1 =1， T2 =4； T1 = 3， T2 = 8；T1 = 5， T2 =12的特性曲线 对比图 2-11 和 2-12 可以看出： 模糊自整定 PID 控制特性曲线的超调很小，控制精度和动态特性优于常规 PID 控制，但上升时间改善不多。 对于对象的性时间常数的变化，模糊自整定 PID 控制器明显比常规 PID 控制器适应能力比强。 惯性时间常数 T1 =1， T2 =4的被控对象的特性曲线不理想。 2.5 仿真结果分析 根据前面的仿真实验和仿真分析，可以总结出以下几点结论： (1) 模糊自整定 PID 控制对惯性时间常数变化的适应能力比常规 PID控制强； (2) 模糊自整定 PID 控制的动态特性、控制精度比常规 PID 控制好； (3) 模糊自整定 PID 控制系统比常规 PID 控制系统的稳定性好； 2.6 本章小结 本章基于模糊和 PID 控制原理给出了模糊自整定 PID 控制器的具体实现方法，利用模糊控制规则在线对 PID 参数进行修改。其基本设计思想是将模糊决策理论和 PID 控制结合起来，发挥两者的优点， 满足不同时刻的 e 和 ec 对参数自整定的要求。并用 MATLAB 编程实现了 PID 控制和模糊自整定 PID 控制器的性能比较，给出了仿真曲线，说明了模糊自整定 PID 控制器响应特性优于 PID 控制。 nts 第 3 章 系统硬件和电路设计 3.1 引言 电炉是热处理生产中应用最广的加热设备，其本身是一个较为复杂的被控对象，虽然可用以下模型定性描述它 1TsKesG s （ 3-1） 式中 K 放大系数 T 时间系数 纯滞后时间 但在实际热力过程中，由于实际工况的复杂性 (加工工件的材质、初温、升温、幅度规格、装炉量以及电气环境等因素 )，使得上述数学模型偏离实际情况相当严重，本文将在具有在线自调整功能模糊自整定 PID 控制器基础上设计一个炉温控制系统，以期较理想地解决被加热物件透烧过程的测量与控制。 3.2 系统的总体结构 控制系统组成框图如 图 3 1 所示。 图 3 1 电炉温度控制系统 nts 3.3 温度检测电路 温度检测是温度控制系统的一个重要的环节，直接关系到系统性能。在微机温度控制系统中，温度的检测不仅要完成温度到模拟电压量的转换，还要将电压转换为数值量送计算机。其一般结构如图 3 2所示。 图 3 2 温度数字检测的一般结构 3.3.1 温度传感器 温度传感器将测温点的温度变换为模拟电压，其值一般为 mV 级，需要放大为满足模 /数转换要求的电压值。微机通过控制把电路电压送到模 /数转换器进行 模 /数转换，得到表示温度的电压数字量，再用软件进行标度变换与误差补偿，得到测温点的实际温度值。 温度传感器种类繁多，但在微机温度控制系统中使用得传感器，必须是能够将非电量变换成电量得传感器，此次设计中选用的是热电偶传感器，热电偶传感器是工业温度测量中应用最广泛得一种传感器，具有精确度高、测量范围广、构造简单、使用方便等优点。热电偶是由两种不同材料得导体 A 和 B 连接在一起构成得感温元件，如图 4 3所示。 A 和 B 得两个接点 1 和 2 之间穿在温度差时，回路中便产生电动势，形成一定大小得电流，这种现象称为热电效应，也叫温差 效应。热电偶就是利用这个原理测量 温度的。 图 3 3 热电偶测温原理图 3.3.2. 测量放大器的组成 测量放大器的基本电路如图 3 4所示。 图 3 4 测量放大器的原理图 nts 测量放大器由三个运算放大器组成，其中 A1、 A2 两个同相放大器组成前级，为对称结构，输入信号加在 A1、 A2的同相输入端从而具有高抑止共模干扰的能力和高输入阻抗。差动放大器 A3为后级 ,它不仅切断共模干扰的传输 ,还将双端输入方式变换成单端输出方式 ,适应对地负载的需要。 测量放大器的放大倍数用下面公式计算 GGI RRRRRRUUG 11230 1 （ 3-2） 式中，GR为用于调节放大倍数的外接电阻，通常GR采用多圈电位器，并靠近组件，若距离较远，应将联线胶合在一起，改变GR可使放大倍数在 1 1000范围内调节。 3.3.3 热电偶冷端温度补偿方法 用热电偶测量温度时，热电偶的工作端（热端）被放置在待测温场中，而自由 端（冷端）通常被放在 0的环境中。若冷端温度不是 0，则会产生测量误差，此时要进行冷端补偿。冷端补偿方法较多，在本次的设计中我们采用的冷端温度补偿为电桥式冷端补偿。 对与冷端温度补偿器，在工业上采用如图 3 5所示补偿电桥的冷端补偿电路。 图 3 5 热电偶冷端温度补偿电桥 图中所示的补偿电桥桥臂电阻 R1、 R2、 R3和 RCu通常与热电偶的冷端置于相同的环境中。取 1321 RRR，用锰铜线绕成； RCu是用铜导线绕制成的补偿电阻。 RS是供桥电源 E的限流电阻， RS由热电偶的类型决 定。若电桥在 20时处于平衡状态。当冷端温度升高时， RCu补偿电阻将随之增大，则电桥 a、 b两点间的电压 Vab也增大，此时热电偶温差电势却随冷端温度升高而降如果 Vab 的增加量等于热电偶温差电势的减小量，则热电偶输出电势 VAB的大小将保持不变，从而达到冷端补偿的目的。 3.4 多路开关的选择 在本次的设计中，我们的温度传感器有 10 个，因此，我们采用了一种 16 的多路开关，以实现对 10个温度传感器的巡回检测。 CC4067 是单片 . CMOS.16 通道 .模拟多路转换器。该电路包括 16 选 1 的译码器和译码器的输出分别控制的 16 个 CMOS 双向开关，通道的输出状态由电路外部输入的地址A.B.C.D所决定。 CC4067 可用模拟信号或数字信号去控制模拟开关的接通或断开，具有低的导通电阻nts 和高的断开电阻，所控制的模拟信号最大峰值为 15V，而数字信号的幅度 3V-5V . CC4067芯片具有禁止端 inh。当禁止时， inh=1，这时所有的双向开关均不接通，在公共端呈现高阻抗。 CC4096是双路。 8通道模拟多路转换器，其他性能均与 CC4067相同。 属于这类模拟多路转换器由 AD公司的 AD7506和 FS公司的 F4067。 1、主要性能 CMOS工艺制造；直接驱动 DTL/TTL/CMOS电平；单路、 16选 1模拟多路转换器；具有双向转换功能；单电源供电；标准 24引脚 DIP 封装；功耗： 1.5mW；开关接通电阻：180欧（ typ） ;开关接通时间： 1.5us(max);开关断开时间： 1us(max). 2、 CC4067引脚图示与图 3 6 。 242322212019181716151413Vdd89101112131415inhCD123456789101112OUT/ININ/OUT76543210ABVssIN/OUT图 3 6 3、 CC4067功能框图如图 3 7所示。 1 6 选1 译码器禁止i n h地址A 、B 、C 、D图 3 7 3.5 A/D转换器的选择及连接 nts 5G14433 是我国制造的 31/2 位模 /数变 换器，是目前市场上广泛流行的最典型的双积分模 /数变换器。该芯片具有抗干扰性能好、转换精度高、自动校零、自动极性输出、自动量程控制信号输出、外接元件少、价格便宜等特点。因此广泛应用在低速微控制器应用系统，智能仪表和数字三用表等领域。 5G14433 与国外型号 MC14433 兼容。 5G14433的外部连接电路 尽管 5G14433 外部连接元件很少，但为使其工作于最佳状态，也必须注意外部电路的连接和外接元件的选择，其实际连接电路如图 3 8所示。为了提高电源抗干扰的能力，正，负电源分别通过去耦电容 0.047uF、 .0.02uF 与 Vss（ VAG）相连。图中 DU端和 EOC端短接，以选择连续转换方式，使每一次转换的结果都输出。 图 3 8外部连接电路 当 C1=0.1uF， VDD=5V， fCLK=66KHz时，若 Vxmax=+2V，则 R1=480K；若 Vxmax=+200mV，则 R1=28K。 外接失调补偿电容固定为 0.1uF。外接时钟电阻 Rc=470 K时， fLCK 66KHz;当 Rc=200K 时， fLCK=140KHz。实际电路中一般取 Rc=300 K 。 3.6 单片机系统的扩展 3.6.1 系统扩展概述 MCS 51 系列单片机的功能较强，从一定意义上说，一块单片机就相当于一台单片机的功能。这就使得在智能仪器、仪表、小型检测及控制系统、家用电器中可直接应用单片机而不必再扩展外围芯片，使用极为方便。但对于一些较大的应用系统来说，单nts 片机片内所具有的功能将显得不足，这时就必须在片外连接一些外围芯片。这些外围芯片，既可能是存储器芯片，也可能是输入 /输出接口芯片。 1. 系统的扩展一般有以下几方面的内容： 外部程序存储器的扩展； 外部数据存储器的扩展； 输入 /输出接口的扩展； 管理功能器件的扩展（ 如定时 /计数器、键盘 /显示器、中断优先编码等）。 2. 系统扩展的基本方法： 使用 TTL 中小规模集成电路进行扩展。这是一种常用的简单扩展方法。根据微机系统与总线相连应符合“输出锁存、输入三态”的原则，可以选用 TTL 锁存器作为输出口，三态门作为输入口。例如，可以采用 74LS273、 74LS373、 8282、 8283 等器件作为具有锁存功能的输出口。选用 8282、 8287、 74LS244、 74LS245 等器件作为三态输入口。也可以采用 D 触发器、 R S 触发器作为外设与 CPU 间通信的应答联络控制电路。这种扩展方法适 用于较简单的扩展系统。 采用 Intel MCS 80/85 微处理器外围芯片来扩展。由于 Intel 公司在研制单片机时使其具有 MCS 80/85 的总线标准，从而可以用 MCS 80/85 系列的外围芯片来扩展MCS 51 单片机系统。 采用为 MCS 48 系列单片机设计的一些外围芯片，其中许多芯片可直接与 MCS 51 系列单片机选用。 采用与 MCS 80/85 外围芯片兼容的其它一些通用标准芯片。 3.6.2 常用扩展器件简介 一、总线驱动器 74LS244 总线驱动器 74LS244 经常用作三态数据缓冲器， 74LS244 为单向三态数据缓冲器，而 74LS244为双向三态数据缓冲器。单向的内部有 8个三态驱动器，分成两组，分别由控制端 1G 和 2G 控制；双向的有 16 个三态驱动器，每个方向 8 个。在控制端 G 有效时（ G为低电平），由 DIR 端控制驱动方向； DIR为“ 1”时方向从左到右（输出允许）， DIR为“ 0”时方向从右到左（输入允许）。 74LS244 的引脚如图 3 9所示。 1G 11A11A3GND2Y11A42Y22Y31A22Y461098753274LS244V CC202A11513111214181617192A31Y42A21Y31Y11Y22A42G图 3 9 74LS244 的引脚 nts 二、地址锁存器 74LS373 74LS373是一种带输出三态门的 8D锁存器，其结构示意图如图 3 10 所示。 IN1-88D锁存器 三态门OUT1-8G OE1D8D 8Q1Q图 3 10 74LS373的结构图 其中：
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