基于ARM的模糊PID控制系统论文.doc

学学 号 号 毕毕业业设设计计说说明明书书 GRADUATE DESIGN THESIS 设计题目 基于设计题目 基于 ARM 的模糊的模糊 PID 温度控制系统的研究温度控制系统的研究 学生姓名 学生姓名 专业班级 专业班级 学学 院 院 指导教师 指导教师 教授教授 2011 年年 06 月月 08 日日 摘 要 I 摘 要 本文在研究了目前国内外温度控制现状的基础上 针对大多数工业生产中 温度控制系统对复杂控制算法处理能力差 提出了一种基于ARM的模糊PID温度 控制系统 硬件上 系统采用ARM9微处理器AT91RM9200作为主控制芯片 对温 度检测单元和液晶显示模块进行了设计 对存储单元进行了扩展 在软件上 移植了嵌入式实时操作系统Linux 对温度检测模块 D A数据转换模块 液晶 显示模块及控制算法等应用程序进行了开发设计 本文设计的温度控制系统是 针对一般工业温度控制特点提出的 具有扩展性强 可靠性高 响应速度快 体积小等特点 能够有效管理复杂的系统资源 目前市场上成型的温度控制产品都普遍采用传统 PLC 和单片机来实现 能够满足用户大多数场合的需要 随着微电子和嵌入式技术的迅猛发展以及自 动控制理论的不断完善 工业温度控制要求也越来越高 现在国内外很多温度 控制系统都采用 ARM 作为处理器 ARM 为嵌入式的应用提供了一个有效的解 决方案 以其成熟的结果标准 有效的 32 位 RISC 结构 优秀的代码密度 可 能的低成本 执行高度稳定等特点 被市场所认可 在工农业中的温度控制对象往往具有非线性 大时滞 时变 强耦合等 特点 采用常规 PID 控制不理想 不能满足系统在不同条件下对参数的自整定 要求 从而影响其控制效果的进一步提高 模糊控制是一种语言控制 不依赖 精确的数学模型 对参数变化不敏感 具有很好的鲁棒性 由于模糊控制易受 模糊规则有限等级的限制而引起误差 关键词 温度控制系统 关键词 温度控制系统 ARMARM 模糊 模糊 PIDPID 目 录 II Abstract In this paper the research at home and abroad and temperature control based on the current situation of the most industrial production in temperature control system in the complicated control algorithm processing ability is poor put forward based on the ARM of the fuzzy PID temperature control system Hardware the system using ARM9 microprocessor AT91RM9200 as the main control chip the temperature detection unit and LCD module are designed and expand in storage units Another system also designed the RS 232 serial interface circuit JTAG circuit and the Ethernet interface circuit convenient data download system commissioning and with a Pc or equipment communication In software transplanting embedded real time operating system Linux temperature detection module to D A data conversion module liquid crystal display module and control algorithm of the application development design this article design temperature control system is for general industrial temperature control characteristics of the proposed with expandability high reliability and response speed small volume and other characteristics to manage the complex system resources On the market at present the molding temperature control products is widely adopted in the traditional PLC and single chip processor to implement can meet the users most situation the need With microelectronics and embedded technology of rapid development as well as the automatic control theory the perfection of the industrial temperature control requirements more and more is also high Now many domestic and foreign temperature control system adopts ARM processor as for the application of the embedded ARM provides an effective solution with its mature results effective 32 bit standard RISC structure good code density low cost execution may be highly stable and other characteristics be accepted by the market The temperature in agricultural and industrial control object with nonlinear often with time varying strong coupling character and the conventional PID control not ideal can t meet the system under different conditions of the parameters of the setting requirements and affects their control effect of further improved The fuzzy control is a language control do not depend on the accurate mathematical model is not sensitive to the parameter changes and has a good robustness Because fuzzy control is susceptible to fuzzy rules limited level restrictions and cause errors Keywords temperature control system ARM Fuzzy PID 目 录 III 目 录 摘 要 I Abstract II 第第 1 1 章章 绪论绪论 5 1 1 课题研究背景和意义 5 1 2 温度控制系统研究现状及发展趋势 5 1 3 嵌入式系统 6 1 4 嵌入式系统的分类及组成 7 1 5 本文的主要工作 8 第第 2 2 章章 模糊模糊 PIDPID 控制控制 8 2 1 模糊控制基本原理 8 2 2 模糊自适应 PID 概述 9 2 3 模糊自适应 PID 控制器的设计 10 2 3 1 模糊自适应 PID 控制器 10 2 3 2 参数自整定原则 11 2 3 3 隶属度函数的建立 12 2 3 4 控制规则的设计 14 第第 3 3 章章 温度控制系统硬件设计温度控制系统硬件设计 17 3 1 AT91RM9200 处理器概述 17 3 1 1 ARM 简介 17 3 1 2 AT91RM9200 结构及特点 18 3 2 温度检测电路设计 19 3 2 1 K 型热电偶简介 19 3 3 D A 数据转换电路设计 19 3 4 存储模块设计 20 3 4 1 Flash 接口电路 20 3 4 2 SDRAM 接口电路 22 3 5 显示模块设计 23 3 6 电源模块设计 25 第第 4 4 章章 嵌入式嵌入式 LINUXLINUX 操作系统的建立操作系统的建立 26 4 1 ARM 指令系统简介 26 4 2 BOOTLOADER的移植 27 4 2 1 Bootloader 简介 27 4 2 2 U boot 的移植 27 4 3 操作系统的选择与移植 30 4 3 1 操作系统的选择 30 4 3 2 交叉编译环境的建立 32 4 3 3 Linux 的移植 33 第第 5 5 章章 温度控制系统程序设计温度控制系统程序设计 36 5 1 嵌入式 LINUX的设备驱动程序 37 5 1 1 驱动程序简介 37 5 1 2 驱动程序的开发 38 目 录 IV 5 1 3 模块化驱动程序 39 5 1 4 驱动程序的加载和卸载 40 5 2 系统应用程序设计 41 5 2 1 温度检测程序设计 41 5 2 2 D A 数据转换程序设计 42 5 2 3 模糊 PlD 控制运算程序设计 43 5 2 4 日志记录程序设计 43 第第 6 6 章章 系统仿真及分析系统仿真及分析 45 6 1 温度控制系统模糊 PID 仿真 45 6 2 结果分析 46 结结 论论 47 参考文献参考文献 48 谢谢 辞辞 50 河北联合大学信息工程学院毕业论文 或设计说明书 5 第 1 章 绪论 1 1 课题研究背景和意义 温度是工业生产过程中最常见的控制参数之一 对温度的测量和控制具有 很大的实际应用价值和应用前景 1 2 特别是在很多工业场合 温度控制的好坏 直接影响产品的质量 设备运行的安全性和经济性 对温度进行实时准确的测 量和控制对工业生产过程的顺利进行起着至关重要的作用 由于温度对工业生 产有着非常重要的作用 所以温度控制系统的发展也得到了进一步的推进 随 着微电子和嵌入式技术的迅猛发展以及自动控制理论的不断完善 特别是针对 特定工业控制对象的工业控制器的出现 使得测控系统的设计进入了一个崭新 的领域 总之 温度控制系统对工业生产乃至国民经济都具有非常重要的现实意义 和价值 特别是近几年 随着我国经济的飞速发展 工业生产过程也发生了日 新月异的变化 这就使得对温度控制装置 特别是那些具有通用性 宽量程 高精度 实时性的先进的温度控制系统的需求不断增加 目前国内市场上的温 度控制装置有很多 并且技术水平也在不断发展 但和国外同类产品相比 在 功能 智能化程度和可靠性方面还有很大差距 这就使得生产自主研发的高技 术低价位的产品具有了更大的现实意义 1 2 温度控制系统研究现状及发展趋势 目前市场上成型的温度控制产品都普遍采用传统 PLC 和单片机来实现 3 4 能够满足用户大多数场合的需要 随着微电子和嵌入式技术的迅猛发展以及自 动控制理论的不断完善 工业温度控制要求也越来越高 现在国内外很多温度 控制系统都采用 ARM 作为处理器 ARM 为嵌入式的应用提供了一个有效的解 决方案 以其成熟的结果标准 有效的 32 位 RISC 结构 优秀的代码密度 可 能的低成本 执行高度稳定等特点 被市场所认可 5 采用嵌入式硬件和软件 的温度控制系统具有很高的测量精度和控制精度 而且实时性好 能进行较复 杂的算法运算 体积也大大减小 有着非常人性化的人机界面 由此可见 利 用高性能的嵌入式处理器和嵌入式实时操作系统对温度进行控制已成为未来发 展的趋势 在温度控制方式上 目前大多数采用的是 PID 控制方式 6 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 至今全世界过程控制中仍然有 河北联合大学信息工程学院毕业论文 或设计说明书 6 84 左右使用纯 PID 调节器 尽管许多先进控制方法不断推出 但 PID 控制器 以其结构简单 7 容易被理解和实现 应用中不需要精确的系统模型的预先知 识 对模型误差具有鲁棒性及易于操作等优点 仍被广泛应用于工业过程控制 中 此后又出现了诸如最优 PID 控制 预估计 PID 控制等高级 PID 控制策略 8 但人们对 PID 控制器的认识和改进远没有完成 到目前为止 PID 控制的机理 使用范围 鲁棒性等问题都还没有彻底完全的分析研究 其实 PID 控制器自身 存在着固有的缺陷 9 在实际的工业生产过程中 被控对象往往具有非线性 时变性 不确定性 难以建立精确的数学模型 应用常规 PID 控制器不能达到 理想的控制效果 在实际生产现场中参数整定方式十分烦杂 常规 PID 控制器 参数往往整定不良 性能不好 对运行工况的适应能力差 特别是对于温度这 种受周围环境影响较大的控制对象 不能很好的根据需要调节 PID 参数 针对 这些问题 人们一直在寻求 PID 控制参数的自整定技术 以适应复杂的工况和 高指标的控制要求 1 3 嵌入式系统 嵌入式系统本身是一个相对模糊的定义 在中国嵌入式系统领域 比较认 同的嵌入式系统概念是 10 嵌入式系统是以应用为中心 以计算机技术为基础 并且软硬件可裁剪 适用于应用系统对功能 可靠性 成本 体积 功耗有严 格要求的专用计算机系统 它一般由嵌入式微处理器 外围硬件设备 嵌入式 操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成 用于实现对其他设备的控制 监视或管理等功能 11 这些年来掀起了嵌入式系统应用热潮的原因有几个方面 一是芯片技术的 发展 使得单个芯片具有更强的处理能力 而且使集成多种接口已经成为可能 众多芯片生产厂商已经将注意力集中在这方面 另一方面的原因就是应用的需 要 由于对产品可靠性 成本 更新换代要求的提高 使得嵌入式系统逐渐从 纯硬件实现和使用通用计算机实现的应用中脱颖而出 成为近年来令人关注的 焦点 从上面的定义 我们可以看出嵌入式系统的几个重要特征 1 系统内核小 2 专用性强 3 系统精简 4 高实时性的系统软件 OS 是嵌入式软件的基本要求 河北联合大学信息工程学院毕业论文 或设计说明书 7 5 嵌入式软件开发要想走向标准化 就必须使用多任务的操作系统 6 嵌入式系统开发需要开发工具和环境 1 4 嵌入式系统的分类及组成 嵌入式系统由硬件和软件两大部分组成 12 从硬件方面来讲 各式各样的 嵌入式处理器是嵌入式系统硬件中的最核心的部分 根据其现状 嵌入式处理 器可以分成下面几类 1 嵌入式微处理器 Micro Processor Unit MPU 2 嵌入式微控制器 Microcontroller Unit MCU 3 嵌入式 DSP 处理器 Embedded Digital Signal ProcessoL EDSP 4 嵌入式片上系统 System On Chip 从软件方面划分 主要可以依据操作系统的类型 目前嵌入式系统的软件 主要有两大类 实时系统和分时系统 其中实时系统又分为两类 硬实时系统 和软实时系统 一个嵌入式系统装置一般都由嵌入式计算机系统和执行装置组 成 嵌入式计算机系统是整个嵌入式系统的核心 由硬件层 中间层 系统软 件层和应用软件层组成 执行装置也称为被控对象 它可以接受嵌入式计算机 系统发出的控制命令 执行所规定的操作或任务 13 14 下面对嵌入式计算机系统的组成进行介绍 15 1 硬件层 硬件层中包含嵌入式微处理器 存储器 SDRAM ROM Flash 等 通用 设备接口和 I O 接口 A D D A I 0 等 在一片嵌入式处理器基础上添加电源 电路 时钟电路和存储器电路 就构成了一个嵌入式核心控制模块 其中操作 系统和应用程序都可以固化在 ROM 中 2 中间层 硬件层与软件层之间为中间层 也称为硬件抽象层 HardwareAbstract Layer HAL 或板级支持包 Board Support Package BSP 它将系统上层软件与 底层硬件分离开来 使系统的底层驱动程序与硬件无关 上层软件开发人员无 需关心底层硬件的具体情况 根据 BSP 层提供的接口即可进行开发 该层一般 包含相关底层硬件的初始化 数据的输入 输出操作和硬件设备的配置功能 3 系统软件层 系统软件层由实时多任务操作系统 Real time Operation System RTOS 文件系统 图形用户接口 Graphic User Interface GUI 网络系统及通用组件模 块组成 RTOS 是嵌入式应用软件的基础和开发平台 嵌入式操作系统 河北联合大学信息工程学院毕业论文 或设计说明书 8 Embedded Operation System EOS 是一种用途广泛的系统软件 EOS 负责嵌 入系统的全部软 硬件资源的分配 任务调度 控制 协调并发活动 它必须 体现其所在系统的特征 能够通过装卸某些模块来达到系统所要求的功能 嵌 入式操作系统在系统实时高效性 硬件的相关依赖性 软件固化以及应用的专 用性等方面具有较为突出的特点 1 5 本文的主要工作 本文设计了一种基于 ARM 的模糊 PID 温度控制系统 主要完成了以下工 作 1 对控制系统进行了硬件设计 采用 ARM9 微处理器 AT91RM9200 作为 主控制芯片 并对其外围电路进行了构建 本文在对 AT91RM9200 微处理器进 行了介绍之后 对温度检测单元进行了设计 对存储单元进行了扩展 采用专 用显示控制器控制 LCD 显示 2 软件方面 移植了引导程序 Bootloader 和 Linux 操作系统 实现了操作系统的自动引导及运行 为应用程序的运行提供 了一个软件环境 3 简要介绍了 Linux 操作系统上硬件设备驱动程序的相关概念及开发过程 之后分别对温度检测模块 D A 数据转换模块 控制算法模块等应用程序的设 计进行了说明 4 简单介绍了模糊控制的工作原理 详细讲述了模糊 PID 控制器的具体设 计步骤 第 2 章 模糊 PID 控制 2 1 模糊控制基本原理 1965 年 美国加利福尼亚大学扎德 L A Zadeh 1962 教授发表了题为 模糊集合论 著名论文 16 17 从此开创了模糊数学和模糊系统理论的基础 1974 年 英国伦敦大学教授 E H MamD Ani 首先利用模糊控制语句组成了 模糊控制器 并应用于锅炉和汽轮机的控制 在实验室获得了成功 它不仅把 模糊系统理论首先应用于控制 并且充分展示了模糊控制技术的应用前景 近 几年 模糊控制技术得到了迅猛发展 已经成功的运用于许多领域 在一些具 有非线性 强耦合 时变性和时滞性的复杂过程或机器的控制中 模糊控制发 挥了独特的作用 河北联合大学信息工程学院毕业论文 或设计说明书 9 模糊控制是基于模糊推理 18 模仿人的思维方式 对难以建立精确数学模 型的对象实施的一种控制 它是模糊理论和控制技术相结合的产物 同时也是 构成智能控制的重要组成部分 模糊控制系统的构成与一般控制系统的区别主 要在于控制器不同 模糊控制器主要是由模糊化 模糊推理和去模糊三个功能 模块和知识库构成 它的基本原理是 把系统的输入进行模糊化处理转化为模 糊量 然后按照给出的规则对模糊量进行推理 最后把推理的结果进行去模糊 化处理转化为精确量 模糊控制的突出特点主要有 19 1 控制系统的设计不要求知道被控对象的精确数学模型 只需要提供操作 人员的经验及操作数据 2 控制系统的鲁棒性强 适合于解决常规控制难以解决的非线性 强耦合 时变和时滞系统 3 以语言变量代替了常规的数学变量 容易构成专家的 知识 4 控制推理模仿人的思维过程 采用 不精确推理 融入了人类的经验 因此可以处理复杂甚至 病态 系统 虽然模糊控制器和常规控制器相比具有无须建立被控对象的数学模型 对 被控对象的非线性和时变性具有一定的适应能力等特点 但是它也存在一些例 如精度不高 自适应能力有限和易产生振荡现象等缺陷 2 2 模糊自适应 PID 概述 在工业生产过程中 20 许多被控对象随着负荷变化或干扰因素的影响 其 对象特征参数或结构会发生改变 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 使控制系统品质指标保持在最佳范围 其控 制效果的好坏取决于辨识模型的精确度 这对于复杂系统是非常困难的 因此 在工业生产过程中 大量采用的仍然是 PID 算法 PID 参数的整定方法很多 但大多数都以对象特性为基础 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 样就出现了智能 PID 控制器 这种控制器把古典的 PID 控制与先进的专家系统 结合 实现系统的最佳控制 21 这种控制必须精确地确定对象模型 首先将操 作人员长期实践积累的经验知识用控制规则模型化 然后运用推理便可对 PID 参数实现最佳调整 由于经验不易精确描述 控制过程中各种信号量以及评价指标不易定量表 示 而模糊理论是解决这一问题的有效途径 所以人们运用模糊数学的基本理 河北联合大学信息工程学院毕业论文 或设计说明书 10 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以及有 关信息作为知识存入计算机知识库中 然后计算机根据控制系统的实际响应情 况运用模糊推理 即可自动实现对 PID 参数的最佳调整 这就是模糊自适应 PID 控制 模糊自适应 PID 控制器目前有多种结构形式 但其工作原理基本一 致 2 3 模糊自适应 PID 控制器的设计 2 3 1 模糊自适应 PID 控制器 模糊参数自适应 PID 控制器是一种专家自适应 PID 控制器 22 它是在常规 调节器的基础上采用模糊推理的思想 根据不同偏差 e k 和偏差变化率 ec k 对 PID 的比例 积分和微分参数 kp ki和 kd进行在线自整定的模糊控制器 在 参数后 kp ki和 kd与偏差 e k 和偏差变化率 ec k 间建立起在线自整定的函数关 系 而且这种关系是根据人的经验和智能建立起来的 使系统在不同运行状态 下能对常规 PID 控制器参数不断地修改和调整 这如同人们在控制过程中不断 了解和掌握控制规律一样 因此 它属于人工智能的范畴 即对 PID 参数实现 了智能调节 也正因为如此 它在改善被控过程的动态和稳态性能 提高抗干 扰能力以及对参数时变的鲁棒性等方面均优于常规 PID 控制器 自适应模糊 PID 控制器以误差 e 和误差变化 ec 作为输入 可以满足不同时 刻的 e 和 ec 对 PID 参数自整定的要求 利用模糊控制规则在线对 PID 参数进行 修改 便构成了自适应模糊 PID 控制器 其结构如图 2 1 所示 PID 控制器D A对象 A D de dt 执行机构传感器 模糊推理 Kp kikd 图 2 1 自适应模糊控制器结构 Y t R t 河北联合大学信息工程学院毕业论文 或设计说明书 11 由控制系统结构框图可见 这是在一般 PID 控制器的基础上加上了一个模 糊控制环节 模糊控制规则环节是为了根据系统实时状态调节 PID 参数而设置 的 因此 模糊参数自适应 PID 控制系统的关键在于模糊控制规则对 PID 参数 的调节机理及过程 由模糊参数自适应 PID 控制系统的结构图可以看出 其中 r t 为输入值 y t 为实际输出值 参数校正部分实质为一个模糊控制器 该模 糊控制器采用如下 5 个模糊变量 1 e k 控制系统的输入偏差 2 ec k 控制器的输入偏差变化率 3 kp 控制器输出的比例系数 4 ki 控制器输出的积分系数 5 kd 控制器输出的微分系数 其中 e k 和 ec k 为输入模糊语言变量 而后 kp ki和 kd为输出模糊语言 变量 2 3 2 参数自整定原则 PID 参数模糊自整定是找出 PID 三个参数与系统误差 e 和误差变化率 ec 之 间的模糊关系 23 在运行中通过不断检测 e 和 ec 根据模糊控制原理来对 3 个 参数进行在线修改 以满足不同 e 和 ec 对控制参数的不同要求 而使被控对象 有良好的动 静态性能 PID 参数的整定必须考虑到在不同时刻三个参数的作 用以及相互之间的互联关系 从系统的稳定性 响应速度 超调量和稳态精度等方面来考虑 kp ki和 kd的作用如下 1 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 使响应速度缓慢 从而延长调 节时间 使系统静态 动态特性变坏 2 积分作用系数 ki的作用是消除系统的稳态误差 ki越大 系统的静态误 差消除越快 但 ki过大 在响应过程的初期会产生积分饱和现象 从而引起响 应过程的较大超调 若 ki过小 将使系统静态误差难以消除 影响系统的调节 精度 3 微分作用系数 kd的作用是改善系统的动态特性 其作用主要是在响应过 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 kd过大 会使响 应过程提前制动 从而延长调节时间 而且会降低系统的抗干扰性能 河北联合大学信息工程学院毕业论文 或设计说明书 12 采用计算机实现的 PID 控制算法 其离散 PID 控制规律为 式中 u k 为第 k 个采样时刻控制器输出量 e k 第 k 个采样时刻控制器输入 量 偏差信号 kp ki和 kd分别为比例 积分 微分系数 从系统的稳定性 响应速度 超调量和稳态精度等各方面来考虑 根据不 同的 e 和 ec 人们总结出了一套 kp ki和 kd的整定原则 1 当 e 较大时 为使系统有较好的跟踪性能 应取较大的 kp和较小的 kd 同时为避免出现较大的超调 应对积分作用加以限制 通常取 ki 0 2 当 e 中等时 为使系统响应具有较小超调 应取较小的 kp ki的取值要 适当 kd的取值对系统响应的影响较大 应取得小一些 3 当 e 较小时 为使系统能有较好的稳态性能 kp和 ki应取的大些 同时 为避免在平衡点附近出现振荡 并考虑系统抗干扰性能 当 ec 较大时 kd可取的 小些 ec 较小时 kd可取的大一些 2 3 3 隶属度函数的建立 由模糊自适应控制器结构图可以看出 模糊控制器的输入输出都要求精确 量 而模糊控制算法本身需要模糊量 这样就需要在模糊控制算法实现过程中 能够使精确量和模糊量之间进行相互转换 将精确量 数字量 转化为模糊量的 过程称为模糊化 精确量的模糊化就是把物理量的精确值转换为语言变量值 在本系统的设计中 需要进行模糊化的变量有偏差 偏差变化率 PID 控制器 的比例系数 积分系数和微分系数 模糊化设计包含两方面的重要内容 一个 是模糊划分谁家 它主要是解决在语言变量论域中取模糊量的个数问题 另一 个是模糊量隶属函数的设计 它主要是解决模糊量的隶属函数形状 隶属函数 membership function 用于表征模糊集合的数学工具 对于普通 集合 A 它可以理解为某个论域 U 上的一个子集 为了描述论域 U 中任一元素 U 是否属于集合 A 通常可以用 0 或 1 标志 用 0 表示 U 不属于 A 而用 l 表 示属于 A 从而得到了 U 上的一个二值函数 它表征了 U 的元素 u 对普 uA 通集合的从属关系 通常称为 A 的特征函数 为了描述元素 U 对 U 上的一个 模糊集合的隶属关系 由于这种关系的不分明性 它将用从区间 0 1 中所取 U k kpe k ki kd e k e k 1 ie i 0 k 1 河北联合大学信息工程学院毕业论文 或设计说明书 13 的数值代替 0 l 这两个值来描述 记为 u 数值 u 表示元素隶属于模糊集的程 度 论域 U 上的函数 即为模糊集的隶属函数 而 u 即为 u 对应的隶属度 隶 属度函数是模糊控制的应用基础 正确构造隶属度函数是能否用好模糊控制的 关键之一 隶属度函数的确定过程 本质上说应该是客观的 但每个人对于同一个模 糊概念的认识理解又有差异 因此 隶属度函数的确定又带有主观性 隶属度 函数的确立目前还没有一套成熟有效的方法 大多数系统的确立方法还停留在 经验和实验的基础上 对于同一个模糊概念 不同的人会建立不完全相同的隶 属度函数 尽管形式不完全相同 只要能反映同一模糊概念 在解决和处理实 际模糊信息的问题中仍然殊途同归 本文选定 e ec 的论域为 6 5 4 3 2 l 0 l 2 3 4 5 6 kp ki 和 kd 的论域也为 6 5 4 3 2 1 0 1 2 3 4 5 6 语 言变量均选取 7 个语言值 PB PM PS ZE NS NM NB 分别代表负大 负中 负小 零 正小 正中 正大 e ec 的隶属度函数选用高斯形曲线 如 图 2 2 所示 参数 kp ki和 kd的隶属度函数选用三角形曲线 如图 2 3 所示 这些隶属度函数曲线可以等距 也可以非等距 当偏差大于某值时 曲线密度 可设置的小一些 以提高系统的响应速度 当偏差小于某值时 曲线密度可设 置的大一些 以提高系统的响应精度和减小超调 一般合适的隶属度函数应该 保证相邻模糊量的交点在 0 3 0 7 之间 0 0 5 1 0 4 2 0 2 4 6 6 NBNMNS ZEPS PB 图 2 2 e ec 的隶属度函数 PM 河北联合大学信息工程学院毕业论文 或设计说明书 14 0 0 5 1 0 4 2 0 2 4 6 6 NBNMNS ZEPS PM PB 图 2 3 kp ki kd的隶属度函数 2 3 4 控制规则的设计 模糊控制器的控制规则是基于手动控制策略 而手动控制策略又是人们通 过学习 实践以及长期经验累积逐渐形成的 它是存储在操作者头脑中的一种 技术知识集合 在模糊参数自适应 PID 的控制系统中 模糊控制规则主要是用 来修正 PID 的参数的 它是控制领域内的技术人员根据过程的阶跃响应情况的 经验总结 在进行一定处理之后得到的 从一般过程对阶跃输入的响应情况 可以得到 PID 控制器在实际工作中有 e ec 时 应该能够推出合理的 kp ki和 kd的模糊控制规则 总结工程设计人员的技术知识和实际操作经验 再根据 kp ki和 kd三个参 数各自的作用和它们之间的相互影响 本文建立了 kp ki和 kd模糊控制规则表 如表 2 1 表 2 2 表 2 1 模糊控制器控制规则形式为 if A and B then C 如 1 If E is NB and EC is NB then KP is PB 1 2 If E is NB and EC is NS then KPis PM 1 其中最后括号中的 1 表示该条规则的权值 模糊 决策采用 与 And 方法为 min 或 or 为 max 推理 Implication 为 min 合成 Aggregation 为 max 解模糊 Defuzzification 为 som 河北联合大学信息工程学院毕业论文 或设计说明书 15 表 2 1 kp的模糊规则表 kp ec e NBNMNSZOPSPMPB NB NM NS ZO PS PM PB PB PB PM PM PS PS ZO PB PB PM PM PS ZO ZO PM PM PM PS ZO NS NM PM PS PS ZO NS NM NM PS PS ZO NS NS NM NM ZO ZO NS NM NM NM NB ZO NS NS NM NM NB NB 表 2 2 ki的模糊规则表 ki ec e NBNMNSZOPSPMPB NB NM NS ZO PS PM PB NB NB NB NM NM ZO ZO NB NB NM NM NS ZO ZO NM NM NS NS ZO PS PS NM NS NS ZO PS PS PM NS NS ZO PS PS PM PM ZO ZO PS PM PM PB PB ZO ZO PS PM PB PB PB 表 2 3 kd的模糊规则表 kd ec e NBNMNSZOPSPMPB NB NM NS ZO PS PM PB PS PS ZO ZO ZO PB PB NS NS NS NS ZO NS PM NB NB NM NS ZO PS PM NB NM NM NS ZO PS PM NB NM NS NS ZO PS PS NM NS NS NS ZO PS PS PS ZO ZO ZO ZO PB PB 表 2 4 Kp 的模糊控制决策表 河北联合大学信息工程学院毕业论文 或设计说明书 16 EC Kp E 6 5 4 3 2 10123456 66665444322000 5666543 532 5210 0 5 1 466654322210 1 2 35554 54321 510 1 1 5 2 2444443210 1 2 2 2 14443 53210 1 2 3 3 3 04443210 1 2 3 4 4 4 1333210 1 1 5 1 3 2 4 4 222210 1 2 2 2 3 4 4 4 321 510 1 2 3 3 3 3 5 4 4 5 5 4210 1 2 3 4 4 4 4 4 5 6 510 50 1 5 3 3 5 4 4 4 4 5 5 5 5 6 6000 2 4 4 4 4 45 6 6 6 kp ki和 kd的模糊控制规则表建立好后 根据各模糊子集的隶属度赋值表 和各参数模糊控制模型 应用模糊合成推理设计 PID 参数的模糊矩阵表 查出 修正参数代入下式计算 kp k p el eci p 2 2 ki k i ei eci i 2 3 kd k d ei ecl d 2 4 在线运行过程中 控制系统通过对模糊逻辑规则的结果处理 查表和运算 完成对 PID 参数的在线自校正 其工作流程图如图 2 4 所示 入口 取当前采样值 PID 控制器输出 e ck e k e k l T e k l e k e k r k y k e k e ck 模糊化 模糊整定 kp ki kd 计算当前kp ki kd 河北联合大学信息工程学院毕业论文 或设计说明书 17 第 3 章 温度控制系统硬件设计 本文采用 Atmel 公司的 32 位 ARM9 嵌入式微处理器 AT91RM9200 作为主 控制芯片 系统通过温度传感器把采集到的实时温度信号经过温度检测电路传 给 AT91RM9200 经控制算法处理得到控制信号 最后再经过 D A 转换得到输 出信号输出给控制执行机构达到自动控温的效果 系统硬件设计框图如图 3 1 所示 3 1 AT91RM9200 处理器概述处理器概述 3 1 1 ARM 简介 ARM 即 Advanced RISC Machines 的缩写 既可以认为是一个公司的名字 也可以认为是对一类微处理器的通称 还可以认为是一种技术的名字 ARM 公 司是专门从事基于 RISC 技术芯片设计开发的公司 作为知识产权供应商 本 身不直接从事芯片生产 靠转让设计许可由合作公司生产各具特色的芯片 世 界各大半导体生产商从 A LM 公司购买其设计的 ARM 微处理器核 根据各自 不同的应用领域 加入适当的外围电路 从而形成自己的 ARM 微处理器芯片 进入市场 目前 全世界有几十家大的半导体公司都使用 ARM 公司的授权 返回 图 2 4 参数在线自校正工作流程图 显示 模块 温度 检测 电源 模块 DA 数据 转换 FLASH SDRAM AT91RM9200 存 储 模 块 图 3 1 系统硬件设计框图 河北联合大学信息工程学院毕业论文 或设计说明书 18 因此使得 ARM 技术获得了更多的第三方工具 制造 软件的支持 又使整个 系统成本降低 使产品更容易进入市场被消费者所接受 更具有竞争力 ARM 处理器的三大特点是 耗电少功能强 16 位 32 位双指令集和众多合作伙伴 ARM 是一个不断发展的微处理器家族 目前 在这个家族中 主要有 5 个 产品系列 ARM7 ARM9 ARM9E ARMl0 和 SecurCore 其中 ARM9 系列 微处理器主要应用于下一代无线设备 数字消费品 成像设备 工业控制 存 储设备和网络设备等领域 其主要特点如下 1 支持 DSP 指令集 适合于需要高速数字信号处理的场合 2 5 级整数流水线 指令执行效率更高 3 支持 32 位 ARM 指令集和 16 位 Thumb 指令集 4 支持 32 位的高速 AMBA 总线接口 5 支持 VFP9 浮点处理协处理器 6 全性能的 MMU 支持 Windows CE Linux Palm OS 等多种主流嵌入 式 操作系统 7 MPU 支持实时操作系统 8 支持数据 Cache 和指令 Cache 具有更高的指令和数据处理能力 9 主频最高可达 300MIPS 3 1 2 AT91RM9200 结构及特点 AT91RM9200 是完全围绕 ARM920T ARM Thumb 处理器构建的系统 AT91RM9200 功能非常强大 24 它包括一个高速片上 SRAM 工作区及一个低等 待时间的外部总线接口 EBI 以完成应用所要求的片外存储器和内部存储器映 射外设配置的无缝连接 还集成了许多标准接口 提供一系列符合工业标准的 外设 在 180MHz 工作频率下运行速度为 200MIPS 这使得开发 调试所有的 应用 特别是受实时性限制的应用成为可能 并且便于实时操作系统的移植 真正成为实时多任务系统 另外 AT91RM9200 是一款工业级的芯片 适合在高 温恶劣的工业环境下运行 非常适合本系统的使用 AT91RM9200 集成了许多标准接口 包括 USB 2 0 全速主机和设备端口 及与多数外设和在网络层广泛使用的 10 100 Base T 以太网媒体访问控制器 MAC 此外 它还提供一系列符合工业标准的外设 可在音频 电信 Flash 卡 红外线及智能卡中使用 为完善性能 AT91RM9200 集成了包括 JTAG ICE 专门 UART 调试通 河北联合大学信息工程学院毕业论文 或设计说明书 19 道 DBGU 及嵌入式的实时追踪的一系列的调试功能 这些功能使得开发 调试 所有的应用特别是受实时性限制的应用成为可能 3 2 温度检测电路设计温度检测电路设计 温度检测电路是温度控制系统的重要组成部分 它承担着被控对象温度检测 并将温度数据传输到AT91RM9200处理器的任务 3 2 13 2 1 K K 型热电偶简介型热电偶简介 热电偶是工程应用中最广泛的温度传感器 具有结构简单 使用方便 准 确度高 稳定性好 温度测量范围宽等特点 在温度测量中有很重要的地位 热电偶的类型很多 一般在工业生产中测量高温时通常使用镍铬一镍硅 K型 铂铑一铂 S型 镍铬一铜镍 E型 三种热电偶 本文设计选用镍铬 镍硅K型 热电偶 K型热电偶是一种耐高温电偶传感器 它具有测温精度高 运行稳定 结构简单 制造容易 测温范围宽等特点 该热电偶的正极为含铬10 的镍铬 合金 负极为含硅3 的镍硅合金 可测量0 1200 长期使用温度为800 其热电 势与温度的关系近似线性 并且价格便宜 是目前普遍使用的一种热电偶 但 是 将热电偶应用到ARM嵌入式系统时 却存在着以下几方面的问题 1 信号微弱 热电偶测温时产生的信号很微弱 需要对其进行放大处理 2 非线性 热电偶的输出热电势与温度之间的关系为非线性关系 因此 在 应用时必须进行线性化处理 3 冷端补偿 热电偶输出的热电势为冷端保持为0 C时与测量端的电势差 值 而在实际应用中冷端的温度是随着环境的温度而变化的 所以需要进行冷 端 补偿 4 数字化输入 与嵌入式系统接口必然要采用数字化输接口 而作为模 拟 信号测温元件的热电偶是一种模拟小信号的测温元件 显然无法直接满足这个 要 求 因此若将热电偶应用到嵌入式系统时必须进行复杂的信号放大 A D转 换 查表线性化 温度补偿及数字化输出接口等软硬件设计 如果能将上述功 能集成到一个集成电路芯片中 即采用单芯片来完成信号放大 冷端补偿 线 性化及数字化输出功能 则将大大简化热电偶在嵌入式领域的应用设计 本文 采用了美国Maxim公司生产的K行热电偶温度数字转换芯片MAX6675 使温度检测 部分的结构更加简单 可靠性更高 转换精度更好 河北联合大学信息工程学院毕业论文 或设计说明书 20 3 3 D A 数据转换电路设计数据转换电路设计 本系统 D A 转换电路包括一个 16 位的 D A 转换器和用于增益调节的运算 放大器构成 主要任务是为执行机构输出控制信号 控制阀门 变频器或可控 硅等执行机构 D A 转换器采用 DAC712 DAC712 是一个高效的 16 位并行双 缓冲 D A 转换器 10V 的电压输出 并带有 10V 的参考电压精确温度补偿 和两极缓冲的 16 位数据锁存器 数字接口是一个快速的 60ns 的最小写脉冲 宽度 当模拟信号输出复位时有清除功能 其电路连接图如图 3 2 所示 图 3 2 D A 转换电路原理图 有图可知 nD AC CS1 对应 0 x8000 0000 nD AC CS2 对应 0 x8000 0040 只需将一个 16 位的二进制数写入地址 0 x8000 0000 或 0 x8000 0040 就 可以完成进制数的 D A 转换 图中接至引脚 GainAdj 和 OffAdj 的两个可变电阻 用来满量程输出值 调整步骤如下 将输入置为 8000H 调整 VR2 直至输出 端 10V 将输入置为 7FFFH 调整 VRl 直至输出端为 10V 另外本设计选 用 74LVCHl62245 芯片完成 D AV712 与 AT91RM9200 之间的电平转换 河北联合大学信息工程学院毕业论文 或设计说明书 21 3 4 存储模块设计存储模块设计 存储块主要由 NorFlash SDRAM NandFlash 三部分组成 其中 NorFlash 用储系统启动程序和系统内核 SDRAM 是操作系统和应用程序的运 行空间 NdFlash 主要存储采集的数据以及应用程序 3 4 1 Fl