基于单片机的模糊温度控制器的软硬件设计.doc

摘 要 本设计完成基于单片机的模糊温度控制器的软硬件设计。本设计完成了将模糊控制与 PID 控制相结合方法用于工业温度控制领域，实现了对大滞后、慢时变、非线性的复杂系统的控制。在硬件方面，Fuzzy-PID 温控器采用单片机作为控制核心，采用Pt100 作为温度传感器，设计了温度测量转换电路，模/数转换器 TLC2543 实现温度数据采集。HD7279 构成良好的人机接口模块，完成温度设定值的输入和温度数据实时显示。输出通道由 D/A 转换器和 AD694 芯片组成，将控制量转换为现场总线标准的电流信号 420mA。在软件方面，本设计完成了并行 Fuzzy-PID 复合控制器的主流程图和各子流程图。编写的软件程序经过编译连接无误。 在设计过程中，采用 Multisim 软件对 Pt100 的测温电路进行了仿真，实现了温度采集精度的设计要求。本设计中的模糊 PID 控制器，既具有模糊控制灵活、适应性强的优点，不依赖于控制对象有精确的数学模型，同时又具有控温精度高，动态性能好、受系统参数变化影响小的优点。关键词：Pt100；温度控制；单片机；模糊-PID 控制；Multisim ABSTRACT This design has completed the design of software and hardware of the Fuzzy-PIDtemperature controller based on MCU. It has made the combination method of Fuzzycontrol and the PID control used in the industry temperature control domain which hasrealized the control of complex system of long-time delay slow time-variable and thenon-linear. In the hardware design Fuzzy-PID temperature controller takes SMC as the coreof the control adopts Pt100 as the temperature sensor and has designed the temperaturesignal measurement and convert circuit ADC TLC2543 is used to finishi the temperaturedata gathering. The friendly man-machine interface module is composed of HD7279 whichcan carry on the functions of the input of the temperature setting value and the real timedisplay of temperature data. The output channel is composed of DAC and AD694 whichcan convert the control quantity into fieldbus standard current signal 420mA. In thesoftware design this design has completed the main flow chart of the parallel Fuzzy-PIDcompound controller and each sub-flow chart. The procedure of software is unmistakableafter compilation and link. In the design process it adopts Multisim software to carry on the simulation of thePt100 temperature signal measurement and convert circuit and the design has met therequests of temperature measurement precision. The Fuzzy-PID controller in this design notonly has the characterics of flexibility and adaptability of Fuzzy control which does notdepend on the controlled object that has the precise mathematical model but also hasadvantages of high precision temperature control and the good dynamic performancewhich is affected little by the change of system parameters.Key words: Pt100 Temperature Control SMC Fuzzy-PID Control Multisim 目 录摘要Abstract 第 1 章 引言1 1.1 序言1 1.2 模糊控制的现状研究1 1.3 选题的目的、意义和主要内容2 1.3.1 本课题研究的目的、意义2 1.3.2 本设计的主要内容和结构3第 2 章 模糊控制的理论研究4 2.1 模糊控制的理论基础? 2.1.1 模糊集合4 2.1.2 模糊集合的运算5 2.1.3 模糊关系5 2.1.4 模糊关系的合成6 2.1.5 模糊算子7 2.2 模糊控制系统7 2.2.1 模糊控制的起源7 2.2.2 模糊控制系统的组成8 2.2.3 模糊控制器8 2.2.4 模糊控制器结构10 2.3 模糊控制器的设计10 2.3.1 确定模糊控制器的结构11 2.3.2 建立模糊控制规则11 2.3.3 确定模糊变量的赋值表12 2.3.4 精确量的模糊化13 2.3.5 基本模糊查询表的建立14 2.4 本章小结15第 3 章 硬件结构16 3.1 AT89S52 单片机16 3.1.1 定时器/计数器的结构17 3.1.2 MCS-51 中断系统的结构18 3.2 热电阻 Pt100 测温原理和测温电路的设计18 3.3 A/D 通道电路的设计20 3.4 D/A 通道电路的设计21 3.5 电源设计22 3.6 按键及显示驱动芯片 HD7279A 电路的设计23 3.7 420mA 电流输出接口电路24 3.8 本章小结25第 4 章 系统软件架构26 4.1 模糊 PID 控制的软件实现26 4.2 模糊-PID 复合控制的运算和输出27 4.2.1 模糊控制的程序流程图和算法基础27 4.2.2 经典 PID 控制:27 4.3 按键、显示运算子程序31 4.4 信号采集子程序32 4.5 本章小结33第 5 章 电路仿真34 5.1 Multisim 软件的生产和发展34 5.1.1 Multisim 软件的起源34 5.1.2 Multisim 系列软件的形成:34 5.1.3 Multisim10 仿真特点34 5.2 Multisim10 仿真分析过程35 5.3 硬件调试及仿真35 5.3.1 仿真基本参数设置35 5.3.2 仿真原理图:36 5.3.3 仿真结果及分析37 5.4 本章小结38结束语39参考文献 40致谢41附录 A42附录 B43 第1章 引 言1.1 序言 1965 年美国的伯克利加州大学教授扎德发表了著名的论文FuzzySets，提出了模糊性问题，给出了其定量的描述方法，从而模糊数学诞生了。模糊数学不是使数学变得模模糊糊，而是让数学进入模糊现象这个客观的世界，用数学的方法去描述糊涂现象，揭示模糊现象的本质和规律，模糊数学在经典数学和充满模糊性的现实世界之间架起了一座桥梁。 在自动化运用上，模糊数学是非常活跃又硕果累累的一个领域。著名的自动控制权威 Austrum 曾经指出：模糊控制逻辑、神经网络控制与专家控制是三种典型的智能控制方法。 模糊控制是建立在人工经验基础上的。对于一个熟练的操作人员，他并非需要了解被控对象精确的数学模型，而是凭借其丰富的实践经验，采取适当的对策来巧妙地控制一个复杂的过程。在许多情况下，被控对象由于其过程复杂，机理有不明之处，缺乏必要的检测手段或者测试装置不能进入被测区域等等各种原因，致使无法建立被控过程的数学模型。这类过程的变量多，过程往往具有非线性、强耦合等特点，各种参数也往往存在时变性。因此要建立这类过程的数学模型非常困难，甚至不可能。虽然我们己有了对付非线性、时变参数系统的方法，但是有些场合因为许多因素结合在一起，使问题解法复杂化以至缺乏使用价值。用经典控制理论和现代控制理论解决这类对象的控制往往难以凑效，得不到满意的控制效果。模糊控制利用计算机来实现人的控制经验，很好地解决了这一问题。它无需知道被控对象的数学模型，运用人类的思维实现智能化控制，运用单片机来构造模糊控制系统，其结构与一般的数字控制系统无异，模糊控制算法用软件来实现，具有良好的鲁棒性和适应性14。1.2 模糊控制的研究现状 模糊控制从它的诞生至今，已从单纯的理论到成功地应用于工业控制，且成为自动控制技术领域中非常有前途的一个分支，一方面用传统的控制理论中的方法解决控制模糊问题，另一方面用模糊控制的理念为解决各种控制问题提供新的思路2。模糊控制的另一个发展方向是与神经网络、遗传算法等新优化算法相融合，使模糊控制拥有自适应、自组织、自学习功能。 1 模糊控制具有良好控制效果的关键是要有一个完善的控制规则。但由于模糊规则是人们对过程或对象模糊信息的归纳，对高阶、非线性、大时滞、时变参数以及随机干扰严重的复杂控制过程，人们的认识往往比较贫乏或难以总结完整的经验，这就使得单纯的模糊控制在某些情况下很粗糙，难以适应不同的运行状态，影响了控制效果。 常规的模糊控制的两个主要问题在于：改进稳态控制精度和提高智能水平与适应能力。在实际应用中，往往是将模糊控制或模糊推理的思想，与其它相对成熟的控制理论或方法结合起来，发挥各自的长处，从而获得理想的控制效果。由于模糊控制和语言很容易被人们广泛接受，加上模糊化技术在微处理器和计算机中能很方便的实现，所以这种结合展现出强大的生命力和良好的效果。 模糊控制仍然是一个充满争议的领域。由于它的发展历史还不长，理论上的系统性和完善性，技术上的成熟性和规范性都还是不够的，有待人们的进一步提高。 模糊系统理论还有一些重要的理论课题没有解决，其中两个重要的问题是：如何获得模糊规则及隶属函数，这在目前完全凭经验来进行；以及如何保证模糊系统的稳定性。大体上说来，在模糊控制理论和应用方面应加强研究的主要课题为： （1）解决工程问题的稳定性分析方法，稳定性评价理论体系；控制器的鲁棒性分析，系统的可控性和可观测性判定方法等。 （2）模糊控制规则设计方法的研究，包括模糊集合隶属函数的设定方法，量化水平，采样周期的最优选择，规则系数，最小实现以及规则和隶属函数参数自动生成等问题；进一步则要求给出模糊控制器的系统化设计方法。 （3）模糊控制器参数最优调整理论的确定，以及修正推理规则的学习方式和算法等；模糊动态的辨别方法；模糊预测系统的设计方法和提高计算速度的方法；神经网络与模糊控制相结合，发展一套新的智能控制理论。 （4）模糊控制算法改进的研究：由于模糊逻辑的范畴很广，包含了大量的概念和原则，然而这些概念和原则能真正的在模糊逻辑系统中得到应用的却为数不多，这方面的尝试有待深入。最优模糊控制器设计的研究，依据提出的性能指标，规范控制规则的设计依据，并在某种意义上达到最优。1.3 选课题的目的、意义和主要内容1.3.1 本课题研究的目的、意义 模糊控制的特点是不需要考虑控制对的数学模型和复杂情况，而仅依由操作人员经验所制订的控制规则就可构成。凡是可用手动方式控制的系统一般都可通过模糊控制方法设计出由计算机执行的模糊控制器。模糊控制依据的控制律不是精确定量的。其模糊关系的运算法则、各模糊集的隶属函数，以及从输出量模糊集到实际的控制量 2的转换方法等，都带有相当大任意性。对于模糊控制器的性能和稳定性，常常难以从理论上作出确定的估计，只能根据实际效果评价其优劣。 模糊控制实现了人的某些智能，它利用数值方法来表示结构性知识，用数值方法进行处理，因而它能够用大规模集成电路来实现模糊系统3。模控制主要研究那些在现实生活中广泛存在的、定性的、模糊的、非精确的息系统的控制问题，其控制过程是先将信息模糊化，然后经模糊推理规则到模糊控制输出，再将模糊指令进行精确化计算最终输出控制值。 模糊系统可以看作是一种不依赖于模型的估计器，给一个输入，便可得到一个合适的输出。它主要依赖模糊规则和模糊变量的隶属度函数，而需知道输入与输出之间的数学依存关系。由于模糊控制不需要精确的数学型，因此它是解决不确定性系统控制的一种有效途径。模糊控制既具有广前景，又具有许多待开发和研究的理论问题。模糊控制与传统 PID 控制方法相比，具有时变性、大时滞性，在非线性系统中控制效果有着明显优势。1.3.2 本设计的主要内容和结构 本文共分五章，各章主要内容如下： 第一章：引言。 第二章：模糊控制理论研究。 第三章：硬件设计。 本章是对热电偶热电阻通用输入通道的硬件设计机理作了研究，给出硬件原理图，论述热电阻三线制接法的原理和实现方法。420mA 控制信号输出电路。应用 AltiumDesigner6 软件，设计温度控制系统的原理图。实现了液晶显示模块与 CPU 的接口设计；最后完成了微处理器外围电路的设计。 第四章：系统各部分软件的设计。主要是模糊-PID 复合控制模块的程序、按键、显示、信号采集程序的设计等。 第五章：电路仿真。 3 第 2 章 模糊控制理论研究2.1 模糊控制的理论基础 模糊控制是建立在人工经验基础上的。对于一个熟练的操作人员，他并非需要了解被控对象精确的数学模型，而是凭借其丰富的实践经验，采取适当的对策来巧妙地控制一个复杂过程1。若能把这些熟练操作员的实践经验加以总结和描述，并用语言表达出来，它就是一种定性的、不精确的控制规则。如果用模糊数学将其定量化转化为模糊控制算法，模糊控制理论就形成了。模糊控制器有以下明显的特点： （1）无需知道被控对象的数学模型。模糊控制是以人对被控系统的控制经验为依据而设计的控制器，故无需知道被控系统的数学模型。 （2）它是一种反映人类智慧思维的智能控制。模糊控制采用人类思维中的模糊量， 、 、 、 、如“高”“中”“低”“大”“小”等，控制量由模糊推理导出。这些模糊量和模糊推理是人类智能活动的体现。 （3）易被人们所接受。模糊控制的核心是控制规则，这些规则是以人类语言表示的。 （4）构造容易。用单片机等来构造模糊控制系统，其结构与一般的数字控制系统无异，模糊控制算法用软件实现。 （5）鲁棒性好。模糊控制系统无论被控对象是线性的还是非线性的，都能执行有效的控制，具有良好的鲁棒性和适应性。 模糊控制的定义是这样描述的：模糊控制器的输出是通过观察过程的状态和一些如何控制过程的规则推理得到的。模糊逻辑控制器8的这一定义主要是基于以下三个概念：测量信息的模糊化、推理机制和输出模糊集的精确化。测量信息的模糊化是将实测物理量转化为在该语言变量相应论域内不同语言值的模糊子集。推理机制使用数据库和规则库，它的作用是根据当前的系统状态信息来决定模糊控制的输出子集。模糊集的精确化计算是将推理得到的模糊控制量转化为一个清晰、确定的输出控制量的过程。2.1.1 模糊集合 模糊集合的定义实际上是将经典集下壑械奶卣骱硎纠沟接昧舳群幢硎尽?U 为离散或连续的集合，用u表示，U 被称为论域，u 表示论域 U 的元素， 4模糊集合是用隶属函数来表示的，论域是所讨论的任意一个子集、任意一个元素都属于集合 U，即全集。 所谓的集合就是指具有某种特定属性的对象全体。论域 U 中的模糊集 F 用一个在区间0，l上的取值的隶属函数 f 来表示，即 f ：U 01 2.1 F 是用来说明 u 隶属于 U 的程度。模糊集可看成隶属度只取 0 和 1 的普通集的推广，那么 U 中的模糊集 F 可以用元素 和它的隶属