PID温控系统的设计及仿真

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。 VC74H1A0K2uF+1D(c)系 统 复 位RESTRESTVC/P2uF01VC2uFR/PDS(b)按 键 电 平 复 位S1(a)上 电 自 动 复 位 KK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。 4902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_CE选择信号分别接 P2.7 和 P2.6，8155 口的地址编码如下：_/IOMRAM 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。E 2PROM24C02 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。FF5U10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。2u1 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_TR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 ）dteTtteKptui )(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）)(tekp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）dtetkpi)(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）dteTkp)(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）)1()()()(0TskeieTkeKudispk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ipITsKTsKdpD（4-6）)1()0)()()( keDIKiekeuki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