基于单片机的模糊PID温度控制系统设计-开题报告

毕 业 设 计 (论 文 )开 题 报 告一、本课题所涉及的问题在国内(外)的研究现状综述（模糊控制）1、模糊控制国内外发展动态国外最早取得应用成果的是 1974 年英国伦敦大学教授 E.H.Mamdani，首先利用模糊控制语句组的模糊控制器，应用于锅炉和气轮机的运行控制，在实验室获得成功，标志着模糊控制的诞生。随后，1975 年，英国的 P.J.King 和 E. H. Mamdani 将模糊控制系统应用于工业发酵过程的温度控制中；1979 年，英国的 I.J.Procyk 和 E.H.Mamdani 研究了一种自组织的模糊控制器，它在控制过程中不断修改和调整控制规则，使得控制系统的性能不断完善;1983 年，日本学者 M. Sugeno 和 Kurakani 将基于语言真值推理的模糊逻辑控制器，应用于汽车速度的控制，并且取得成功。模糊控制技术与传统 PID 技术相结合的研究国外也取得了许多成果。Tang 通过对常规模糊控制器机理的分析，最早提出了一般模糊控制器和 PI 控制器的相似性;Abdelnon:从 PID 控制角度，提出了 Fuzzy-PI,Fuzzy-PD 和 Fuzzy-PID 三种形式的模糊控制器，随后各种模糊 PID 控制器都证明是非线性 PID 控制器，Ying 最先提出模糊 PID 控制器的解析结构，证明了各类 Mamdani 模糊控制器是可变增益的非线性 PI 控制器，Ying 和刘向杰等还采用各种方式得出了模糊控制器的量化因子和比例因子同 PID 控制器的 Kp , Ki 和 Kd的之间的关系李洪兵分析了模糊控制器与 PID 控制器之间的关系，提出了 SISO 模糊控制器是分段 P 调节器，DISO 模糊控制器是具有 P 与 D(或 P 与 I)交互影响的分片 PD(或PI)调节器，三输入单输出模糊控制器是具有 P、I、D 之间交互影响的分片 PID 调节器。总之，各种研究表明，模糊控制器是非线性 PI、PD 或 PID 控制器，普通 PI, PD 或 PID 控制器在三维或四维空间中是一个通过原点的超平面，具有线性调节特性，而模糊控制器在相应的空间则是一个过原点的分片二次或三次曲面，具有逼近非线性调节规律，因此，其整体控制效果好于 PI, PD 或 PID 控制器。我国模糊控制理论及其应用方面的研究工作是从 1979 年开始的，大多数是在著名的高等院校和研究所中进行理论研究，如对模糊控制系统的结构、模糊推理算法、自学习或自组织模糊控制器，以及模糊控制稳定性等的研究，而其成果应用集中于工业炉窑方面，如火炉等。80 年代末期开始研究模糊控制器与 PID 控制器的关系 ;1985 年徐承伟就指出了模糊控制器输出与被控对象之间存在着积分作用;1987 年胡家耀在此基础上提出了 Fuzzy-PI调节器，并用于退火炉燃烧过程中;1988 年，河北廊纺市工具厂李利民、王金奎研制的高温盐浴炉微机控制系统以磁性调压器作为执行元件，采用 MPID 调节方式，当炉温在11001300范围内任意调节，误差小于土 20; 1989 年，武汉铝厂郑恭恒、沈协和用单片机实现炉温控制，采用 Bang-Bang 和 PID 相结合的控制算法，达到了升温速度快，超调量小的控温效果;1997 年，吉林工业大学吕俊伟、王文成、黄海东研制的模糊一 PI 一开关混合控制器用于渗炭炉温度控制系统，缩短了升温时间，大大提高了控制精度，最大超调量小于 1 。2、模糊控制的发展趋势当代模糊控制技术己经进入新的发展阶段。 1984 年美国推出“模糊决策支持系统”;日本则进入模糊控制实用化时期：(1)过去将大型机械设备和生产过程作为对象，而目前已经面向大众，如电视摄像机自动调焦等家用电气设备。(2)向复杂系统、智能系统、人类与社会系统以及自然系统等方向扩展。(3)在硬件方面进一步研制模糊控制器、模糊推理等专用芯片，并且开发“模糊控制用的通用系统” 。模糊控制技术发展至今，仍然存在以下主要问题:(1)模糊控制在非线性复杂系统应用中的模糊建模、模糊规则的建立和模糊推理算法的深入研究。(2)由于复杂模糊规则的相互作用，使得到的合成推理算法具有相当程度的非线性性能，致使模糊控制效果不够理想。(3)模糊控制系统的稳定性理论探讨。(4)自学习模糊控制策略和智能化系统结构及其实现。(5)简单、适用且具有模糊推理功能的模糊集成芯片和模糊控制装置、通用模糊控制系统的开发和推广应用。今后控制理论面临的突出问题是既要继续发展自身的理论，又要在应用方面留下实实在在的成果。模糊控制模糊专家系统模糊控制工程将是构成未来系统的重要途径。二、设计(论文)要解决的问题和拟采用的研究方法本设计的主要解决的问题是通过单片机控制系统,实现对温度的智能控制。具体设计方案如下：采用温度传感器完成对温度的数据采集，并把温度值转换为电压值，经过放大、A/D 转换为数字量进入单片机控制系统，与单片机中预置的参量进行比较后，得到误差量，并与上一次采集的误差量进行比较，得到误差的变化量，把误差量和误差的变化量作为模糊 PID 控制器的输入，经过软件进行处理，输出控制量，经过 D/A 转换后控制驱动电路，得到加在电炉上的平均电压。从而控制电炉的温度，实现温度的自动调节，使得温度稳定在设定值附近。解决问题过程中我们引路了模糊控制的概念。回顾了模糊控制理论的发展历史，指明了模糊控制在自动化控制领域的重要地位和作用;介绍模糊控制在国外的应用情况及国内模糊控制技术与 PID 控制技术在炉温控制系统中的成功应用;阐述模糊控制在应用中存在的问题及今后的发展趋势;提出了电炉模糊 PID 温度控制系统的研究目标。着重阐述温度控制系统的工作原理。在分析传统数字 PID 控制和模糊控制策略的基础上，结合两者的优点，提出模糊控制与 PID 控制相结合的控制策略。下面简单介绍模糊控制和 PID 控制的原理及特点：1、模糊控制理论概述传统的自动控制，包括经典理论和现代控制理论都有一个共同的特点，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。但是在实际工业生产中，建立精确的数学模型特别困难，甚至是不可能的。特别是对于具有非线性、时变、纯滞后等特点的温度控制系统，常规PID 控制器不能适应系统参数变化，达不到较好的动态控制性能。这种情况下，模糊控制的诞生就显得意义重大。2、模糊控制理论模糊数学和模糊控制的概念是由美国加利福尼亚大学著名教授查德(L.A.Zadeh)在他的Fuzzy Sets, Fuzzy Algorithm和A Retionnale for Fuzzy Control等著名论著中首先提出。1972 年 2 月，日本以东京工业大学为中心，发起成立“模糊系统研究会” ，1973 年公开使用“模糊控制工程”这一概念；1974 年在加利福尼亚大学的美日研究班上，开始了有关“模糊集合及其应用”的国际学术交流。1978 年国际上开始发行Fuzzy Sets and Systems专业杂志。1984 年，在夏威夷首次召开国际会议，商讨成立国际学会事宜，同年年底“国际模糊系统学会” (IFSA-International Fuzzy System Association)成立，学会下设“智能系统”(Intelligent Systems)和“经营与生产中的模糊系统”(Fuzzy Systems in Business and Manufacturing)。首届 IFSA 国际学术会议于 1985 年在西班牙召开;1987 年在日本东京召开了第二届 IFSA 国际会议。1992 年，IEEE Fuzzy Systems 国际会议开始举办，每年一次; 1993 年， IEEE Trans. on Fuzzy Systems开始出版。尽管模糊控制理论的提出至今只有 30 多年，但其发展迅速。在模糊控制理论与算法、模糊推理、工业控制应用、模户硬件与系统集成，以及稳定性理论研究等方面都取得了重大进展。应用范围日益广泛，并且不断与计算机技术、半导体技术相互融合。3、模糊控制的地位和作用80 年代以来，自动控制系统被控对象日益复杂，它不仅表现在控制系统具有多输入一多输出的强藕合性、参数时变性和严重的非线性特征，更突出的是从系统对象所能获得的知识信息量相对地减少，以及与此相反地对控制性能的要求却日益高度化。然而，正如Zadeh 教授于 1973 年所指出的:“当一个系统复杂性增大时，人们能使它精确化的能力将降低，当达到一定的闭值时，复杂性和精确性将相互排斥”(即“不相容原理”)。也就是说，在多变量、非线性、时变的大系统中，要想精确地描述复杂对象与系统的任何物理现象和运动状态，实际上是不可能的。关键的是如何使准确和简明之间取得平衡，而使问题的描述具有意义。模糊控制理论的研究和应用在现代自动控制领域中的地位和意义，可以用图来表示。图 1.1 模糊控制在控制领域中的重要地位和作用图中表示了经典控制理论首先使用于线性小规模系统的自动化领域;而随着计算机技术的发展，现代控制理论在大规模线性多变量系统中得到广泛应用;但是，对于非线性复杂系统，这些控制策略却难以适用，它不仅算法及其复杂，而且无望获得满意的结果。近年来，采用专家知识的人工智能(Artificial Intelligence)和智能信息处理技术，虽然引起了人们的重视，但它却不能作为模拟控制，而且其知识库十分庞大，设计也十分困难。模糊控制不仅适用于小规模线性单变量系统，而且渐渐向大规模、非线性复杂系统扩展，从己经实现的控制系统来看，它具有易于熟悉、输出量连续、可靠性高、能发挥熟练专家操作的良好自动化效果等优点。至今，研究“模糊”的学者越来越多，发表的论文上万篇，研究范围从单纯的模糊数学到模糊控制理论应用、模糊控制系统及其硬件集成，而与知识工程和控制方面有关的研究有模糊建模理论、模糊序列、模糊识别、模糊知识库、模糊语言规则、模糊近似推理等。近年来，针对复杂的系统的自学习与参数自调整模糊控制系统方面的研究，深受各国学者的重视。目前，已经将神经网络和模糊控制技术互相结合，取长补短，形成一种模糊神经网络(Fuzzy-Neural Network)技术，由此组成更接近人脑的智能控制系统。4、PID 控制的原理及特点在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称 PID控制，又称 PID 调节。PID 控制器问世至今已有近 70 年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用 PID 控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用 PID 控制技术。PID 控制，实际中也有 PI 和 PD 控制。PID 控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。1）比例（P）控制比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-state error） 。 2）积分（I）控制在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（System with Steady-state Error） 。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项” 。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。3）微分（D）控制在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后(delay)组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前” ，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项” ，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。三本课题需要重点研究的、关键的问题及解决的思路本课题需要重点研究的、关键的问题是模糊控制器的基本原理及特点和单片机温度控制系统组成：1、模糊控制器的基本原理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基础的计算机智能控制，其基本概念是由美国加利福尼亚大学著名教授查德(L.A.Zadeh)首先提出的，经过近年的发展，模糊控制在模糊控制理论和应用研究方面均取得重大成功。模糊控制的基本原理框图如下:图 2.3 中的核心部分为模糊控制器，模糊控制器的控制规律由计算机的程序实现。实现一维模糊控制算法的过程描述如下:微机采样获取被控制量的精确值，然后将此量与给定值比较得到误差 e，一般选误差信号 e 作为模糊控制器的一个输入量。把误差信号 e 的精确量进行模糊化变成模糊量。误差 e 的模糊量可用相应的模糊语言表示，得到误差 e 的模糊语言的一个子集 e(e 是一个模糊量)，再由 e 和模糊控制规则且(模糊算子)根据推理的合成规则进行模糊决策，得到模糊控制量 u。u=e.R 为了对被控对象进行 R 精确的控制，还需要将模糊控制量 u 转化为精确量。这一步在图 2.3 中称为去模糊化处理(亦称非模糊化处理)。得到了精确的数字控制量后，经数模转换变为精确的模拟量送给执行机构，对被控对象进行控制。然后，等待第二次采样，进行第二步控制。如此循环下去，就实现了被控制对象的模糊控制。2、模糊控制的特点模糊控制具有的突出特点包括:(1)模糊控制是一种基于规则的控制，它直接采用语言型控制规则，出发点是现场操作人员的控制经验或相关专家的知识，在设计中不需要建立被控对象的精确的数学模型，因而使得控制机理和策略易于接受与理解，设计简单，便于应用。(2)由工业过程的定性出发，比较容易建立语言控制规则，因而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)模糊控制是基于启发性的知识语言，这有利于模拟人工控制的过程和方法，增强控制系统的适用能力，使之具有一定的智力水平。(4)模糊控制的鲁棒性强，尤其适合于非线性、时变及纯滞后系统的控制。3、单片机温度控制系统组成在温度控制中，用单片机取代常规控制主要是用单片机代替控制仪表，用数字给定工艺参数，其一般组成如图下图所示。单片机温度控制系统的组成火炉的温度经温度传感器转换成 mv 级电信号，经放大电路变换成 05 V 的电压信号，通过多路开关送到 A/D 转换器变换成数字量送单片机。单片机首先对它进行标度变换，得支它所示、表示的温度值。然后根据给定工艺参数和温度反馈值，按预定控制算法进行调节运算，确定输出控制量。控制量由 D/A 转换成模拟电压，经功率放大后驱动执行机构控制火炉的进气量，使炉子的温度按规定的工艺曲线变化。四、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、本课题运用到的了以下书籍：电子实用手册 藤井信生主编 科学出版社传感器原理与应用 张正伟编 中央广播电视大学出版社半导体器件手册 （A/DD/A 转换器手册，线性 IC 手册放大部分）庞振泰 王采斐 屈宗明译 清华大学出版社单片机原理与应用 朱月秀编 科学出版社新型开关电源设计与维修 何希才编 国防工业出版社现代热处理实用技术数据手册 夏国华 杨树蓉编 国防工业出版社自动检测技术 马西秦编 机械工业出版社单片机处围器件实用手册 关德新 冯文全编 北京肮空肮天大学出版社开关电