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基于单片机的模糊PID温度控制系统设计【优秀单片机课程毕业设计含1张CAD图纸+带任务书+开题报告+外文翻译+45页加正文21900字】

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关键词：: 基于单片机模糊温度控制模胡 pid 温度控制系统

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基于单片机的模糊PID温度控制系统设计【优秀单片机课程毕业设计含1张CAD图纸+带任务书+开题报告+外文翻译+45页加正文21900字】

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基于单片机的模糊PID温度控制系统设计

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。本文研究的电炉是一种具有纯滞后的大惯性系统，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；模糊 PID。

Abstract

Temperature in heat treatment craft is very important. Control precision effect directly the quality of the product. The electric stove is a kind pure great inertia system, and the traditional heat control system is based on some certain model, so is hard to satisfy the technological requirement.This paper will adopt fuzzy control algorithm to build a intelligent fuzzy control system.

In this paper, we use fuzzy self-regulated PID algorithmt to design a electric stove control system depending on mainly 8031 chip and build a intelligent controller which can process complicated data and realize complicated control functiong, meanwhile is alao regarded as an independent SCM control system which has higher flexibility and dependability. The SCM accords to all kinds input orders to carry out intelligent algorithm in order to get control value, then to feed out the pulse signal to trigger circuit and drive the two-way silicon in order to heat the stove.

The control system based fuzzy self-regulated PID algorithm has real intelligence and flexibility. The functions include automatic detection, real-time data gather and precess and displaying the control output and so on, which do well in improving the control precision.

Keyword：Electric stove；SCM；Fuzzy PID.

第1章绪论 1

1.1 引言 1

1.2 控制器发展现状 1

1.2.1 PID 控制器的发展现状 1

1.2.2 模糊 PID 控制 2

1.2.3 模糊自整定 PID 控制 2

1.3 电炉采用模糊自整定 PID 控制的可行性 2

第2章模糊自整定 PID 控制器的设计 4

2.1 模糊推理机的设计 4

2.1.1 模糊推理机的结构 4

2.1.2 模糊推理机的设计 4

精确量的模糊化 5

建立模糊控制规则和模糊关系 5

输出信息的模糊决策 6

2.2 模糊自整定 PID 控制器 6

2.2.1 PID 参数对 PID 控制性能的影响 6

2.2.2 模糊自整定 PID 控制器 7

2.3 模糊自整定 PID 控制器性能的研究 8

2.3.1 Matlab 仿真结构图 8

2.3.2 惯性时间常数的影响 9

2.4 仿真结果分析 10

第3章系统硬件和电路设计 11

3.1引言 11

3.2 系统的总体结构 11

3.3 温度检测电路 12

3.3.1 温度传感器 12

3.3.2 测量放大器的组成 12

3.3.3 热电偶冷端温度补偿方法 13

3.4 多路开关的选择 13

3.5 A/D转换器的选择及连接 14

3.6 单片机系统的扩展 15

3.6.1 系统扩展概述 15

3.6.2 常用扩展器件简介 16

3.7 存储器的扩展 17

3.7.1 程序存储器的扩展 17

只读存储器简介 17

EPROM2764简介 17

3.7.2 数据存储器的扩展 18

数据存储器概述 18

静态RAM6264简介 19

数据存储器扩展举例 19

3.8 单片机I/O口的扩展（8155扩展芯片） 20

3.8.1 8155的结构和引脚 20

3.8.2 8155的控制字的及其工作方式 21

3.8.3 8155与8031的连接 22

3.9 看门狗、报警、复位和时钟电路的设计 23

3.9.1看门狗电路的设计 23

3.9.2报警电路的设计 23

3.9.3复位电路的设计 24

3.9.4 时钟电路的设计 25

3.10 键盘与显示电路的设计 25

3.10.1 LED数码显示器的接口电路 25

3.10.2键盘接口电路 26

3.11 DAC7521数模转换接口 27

3.12 隔离放大器的设计 28

3.13 可控硅调功控温 29

3.13.1过零触发调功器的组成 29

3.13.2主要电路介绍 30

3.14 单片机开关稳压电源设计 31

第4章系统软件设计 32

4.1 主要程序的框图 32

4.1.1主程序框图 32

4.1.2键盘中断服务子程序 33

4.1.3恒温及升温测控子程序 34

4.1.4降温测控子程序 35

4.2 模糊自整定 PID 控制算法 36

致谢 39

参考文献 40

附录 42

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内容简介：: 毕业设计 (论文 ) 中英文资料信电系工业电气自动化专业 03 级 1 班课题名称：基于单片机的模糊度控制系统设计毕业设计 (论文 )起止时间： 2006 年 2 月 15 日 6 月 8 日 (共 17 周 ) 学生姓名：傅俊学号： 20 指导教师：黄云龙廖东进朱秋琴报告日期： 2006 年 6 月 8 日信息与电子工程系毕业设计（中英文资料） 1 常规模糊法的分析比较摘要：模糊制器实际上跟传统的制器有很大联系。区别在于传统的控制器的控制前提必须是熟悉控制对象的模型结构，而模糊控制器因为它的非线性特性，所以控制性能优于传统制器。对于时变系统，如果能够很好地采用模糊控制器进行调节，其控制结果的稳定性和活力性都会有改善。但是，如果调节效果不好，执行器会因为周期振荡影响使用寿命，特别是调节器是阀门的场合，就必须考虑这个问题。为了解决这个问题，出现了很多模糊控制的分析方法。本文提出的方法采用一个固定的初始域，这样相当程度上简化了模糊控制的设定问题以及实现。文中分析了振荡的原因并分析如何抑制这种振荡的各种方法，最后，还给出一种方案，通过减少隶属函数的数量以及改善解模糊化的方法缩短控制信号计算时间，有效的改善了控制的实时性。 1 引言模糊控制器的一个主要缺陷就是调整的参数太多。特别是参数设定的时候，因为没有相关的书参考，所以它的给定非常困难。众所周知，优化方法的收敛性跟它的初始化设定有很大关联，如果模糊控制器的初始域是固定的，那么它的控制就明显的简化了。而且我们要控制的参数大多有其实际的物理意义，所以模糊控制器完全可以利用法的控制规律进行近似的调整。也就是说最简单的模糊 P+I+I+D），控制过程中它会根据控制要求，做出适当的选择，保证在处理跟踪以抗阶跃干扰问题上，其控制性能接近于任何一种制。假设模糊集的初始域是对称的，两个调节器的参数采用法。为了改善上述设计的模糊控制器，我们有必要考模糊控制器的参数问题，有两种方法可以采纳，一种采用手动的方法改变，另一种就是采用一些相关的优化算法。其中遗传算法就是一种。控制器采用的参数不同，其收敛的优化值也会不一样。这些参数包括模糊集的分布，模糊集的个数，映射规则，基本模糊控制器的参数和不同的算法组合等。要注意的是在优化前必须选定模糊推理及解模糊的方法。很明显，优化过程很耗时，更有甚者，有些优化方法要已知系统的精确模型，但是实际过程中难以得到系统的精确模型，所以在大多数情况下，这些优化算法不能直接应用在实际过程。也就是说模型不精确直接影响优化成败。模糊控制的主要思想就是针对那些传递函数未知的或者结构难以辨识的系统进行控制，这也是模糊控制的性能为什么优于传统方法的原因。同时，把模糊控制和传统的制算法结合起来，更能体现这种算法的优点，因为它大大简化实际过程的调整。图 1 隶属函数图图 2 映射规则图信息与电子工程系毕业设计（中英文资料） 2 参数集的启发式优化法也适用于模糊制器，它采用固定的定义域，其参数的选取和传统的制器都一样。我们采用的控制方法是结合模糊法和法并利用启发式优化法处理参数集，特别要注意这里的调节器出现了两个比例环节，所以它的控制可能不同于传统的法。但是我们调整的参数它们本身具有实际的物理意义，值得一提的是前面所提到的控制可以通过改变采样时间而不改变定义域的范围实现调整。 2 模糊制器设计控制信号由模糊控制器得到（参考文献 2）：模糊制器的一种实现过程如图 3 所示：图 3 模糊制器结构（区域单位化）现在我们假设控制对象的传递函数如下描述，然后通过仿真图比较模糊制器和传统制器的控制性能：采用 6中所用的调节方法，我们可得参数，其响应如图 4 和图 5 所示。干扰作用于系统的输入，模糊控制器如图 3 所示，映射规则如图 2 所示，隶属函数如图 1 所示。图 4 传统制图图 5 模糊制图信息与电子工程系毕业设计（中英文资料） 3 同理取相同的参数集合，但是采用不用的模糊推理和解模糊化方法进行优化，我们把最大值设为 10，即，采用周期，则，输出响应如图 5所示，下面的集合已经在 3中测试过了，模糊推理方法采用模糊部分采用法，隶属函数采用三角形分布或单值分布，把定义域单位化，然后从七个模糊集中任取三个，进行仿真，如果隶属函数是单值分布，也一样。把传统的制算法和模糊制算法的结果进行比较并讨论。我们发现采用模糊控制的系统输出超调量虽然很小，但是抗干扰能力并不比传统的制器好。图 6 有 7 个隶属函数的模糊控制图 7 有 3 个隶属函数的模糊制器采用最小参考文献 6，看图 5，发现给系统的输入端加上幅度为阶跃干扰，系统输出响应趋向振荡地很厉害。假设这里所有响应采用的集合都是一样的，我们看图 6，它的响应曲线没有明显的振荡。但是，我们还不能分析 6所提供导致振荡的可能原因，因为这里没有文 6提供的模糊控制的所需的实验数据集。我们发现，即使采用遗传优化算法，其控制结果也没有远远胜过模糊制的近似调整结果。但是我们可以通过减少隶属函数的个数达到缩短计算控制量所需时间。可是，减少隶属函数个数的同时，也会伴随着动态性能的降低，但是这种品质的降低完全可以通过适当调节参数来弥补。从仿真结果来看，文献 6中的结论没有理论证明。信息与电子工程系毕业设计（中英文资料） 4 3模糊 I 控制器的设计让我们先给出一个模糊控制器，它是由模糊模糊制器并联在一起组合而成。其中，图 9 是传统的制器的输出，它采用法（）。而模糊制的设定参考文献 2 （ 4 K ，，，10 M ，，模糊推理采用最小模糊采用法，有 7 个隶属函数）。其中隶属函数的分布以及采用的模糊规则分别如图 1、图 2 所示。唯一的区别在于控制增量的变化，如图 11 所示，图 10 是仿真结果，而图 12 给出了采用不同的三个集合的系统输出，实线表示采用前面文章所用的调整方法，但模糊推理方法采用线表示采用 3 个隶属函数，最小最大模糊推理、解模糊采用属函数为三角形分布）的仿真的结果，点划线表示采用 3 个隶属函数，最小最大模糊推理、解模糊采用属函数为单值分布）的仿真的结果。信息与电子工程系毕业设计（中英文资料） 5 图 13 表示系统输入加入阶跃干扰后对系统的输出影响。采用模糊控制的系统输出或多或少都会有振荡，其原因不仅仅受参数的调节的影响，还有所用的最小最大模糊推理的影响。但是如果采用模糊推理，解模糊时采用单值法，这种振荡可以大大的抑制。但是造成振荡的另一个可能原因就是推理机构的错误动作。从图 14 我们发现，如果两个相邻的隶属函数的最值的距离只有用的区域已经单位化 ,如图 15 所示），在没有其他干预的情况下，就会出现等幅振荡。众所周知，制会有初始误差，制会有振荡。但是如果采用单值隶属函数而不是三角形分布的隶属函数，上述的振荡现象就可以抑制。从图 14 中可以看出，采用单值隶属函数，在刚开始，系统输出振荡最厉害的时候采用单值隶属函数，等到等幅数振荡输出之后就不采用单值隶属函数（虚线表示），之后采用三角形隶属函数和模糊方法。（两种情况都没有稳定误差）。所以我们可以下结论：即使采用相同的解模糊方法（如果隶属函数不一样，控制结果也会不同的。信息与电子工程系毕业设计（中英文资料） 6 F A ID to ID of on ID of be On is it of is is of be of to of it to to of by of by 1. ne of of is of to be It is to is no to do it is of is on of is a is to be be to ID is to it as a of P+I+D 4 I+D 5). of is to of ID to of To of it is to of or to do be be to of of be to It is of a of is on of of in of it is to of on to of of to it at is no of of be to it to be to it of of is I as of I of I D be of it be of of in of ID is of is in 息与电子工程系毕业设计（中英文资料） 7 it is to to of 2. I he by I 2) of I is 3. us by to to of I I 6 we = 5.8 s. of 4. on of 3 2. as of = 5 to of = 10 = 0.1 s. 5. 3. OG or as an of in in of 1). I I of it is 息与电子工程系毕业设计（中英文资料） 8 is of I In 6 5 in of to as in to As it be 6, no it to of in 6 to of of I It is to by of to of of 7). be by of As a of we in 6 信息与电子工程系毕业设计（中英文资料） 9 3. D+et us as a of I D 9. K = 2.8 s, 0.7 s). of is up 2 ( 4, 2, 1

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