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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, 10, T = 0.1 s, 7 I D 1 2 is in of is as 11. be 10. 12 as OG of of at of is 13. 信息与电子工程系毕业设计（中英文资料） 10 is to of is of is of is of of of on 15) to 14) is D I of of 14 it be as an at OG in As a we is a if OG is 毕业设计 (论文 )任务书学生姓名傅俊指导教师 _黄云龙、廖东进、朱秋琴职称副教授、助教、助教系别 _信息与电子工程系 _专业 03 工自年级 _三 _班级 1 课题名称基于单片机的模糊度控制系统设计任务与要求：一、设计（论文）要求：本课题的主要任务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。设计的主要内容和要求： 1、根据所选的课题，参考一些优秀的学习网站，完成该课题的建设。 2、参与该课题的各位同学必须分工合作。在设计中既要有自己一定的工作量，同时具备良好的团队合作精神。 3、毕业设计论文体现了毕业设计的质量，所以各位同学必须在论文中体现自己在毕业设计中所采用的方法、思想以及设计策略。论文的格式包括：（ 1）中英文摘要（ 2）目录（ 3）正文（ 4）致谢（ 5）参考文献（ 6）附录。论文书写要求语言精练、简洁，表达力求准确，字数 12000 以上，最后要求用纸打印，并装订成册，形成书目结构。 4、在整个设计当中要严格按照学校和系部的各种规章制度和要求，按时完成所要求完成的任务。二、设计（论文）条件：提供设计所需的书籍、计算机、单片机设计所需的设备等。三、设计（论文）资料：提供温度系统、单片机设计等相关所需资料。四、设计（论文）教学要求：（可以同一专业相同）要求同学们有较强的学习和自学能力，能根据需要查找资料，独立思考和设计。要求同学熟悉温度系统并具有一定的单片机设计能力。五、设计（论文）进度安排：（可以同一专业相同）第 01 周至第 02 周：查阅中文及英文资料（并翻译一篇外文资料），了解温度系统以及单片机设计内容，收集相关资料；第 03 周至第 03 周：完成毕业设计（论文）开题报告，并开始进行毕业设计；第 04 周至第 08 周：完成控制系统的硬件设计；第 09 周至第 12 周：完成控制系统的软件设计；第 13 周至第 13 周：软件和硬件的调试；第 14 周至第 15 周：整理相关资料，完成毕业设计（论文）手稿及最终电脑打印的毕业论文；第 16 周至第 16 周：毕业设计（论文）小组答辩；第 17 周至第 17 周：答辩。六、学生分组名单傅俊、沈瑶浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文） I 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；模糊浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文） in is of is a is on so is to to a In we ID to a on 031 a is as an CM CM to to in to to to in to ID so do in 浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文）录第 1章绪论 . 1 引言 . 1 控制器发展现状 . 1 制器的发展现状 . 1 模糊制 . 2 模糊自整定制 . 2 电炉采用模糊自整定制的可行性 . 2 第 2章模糊自整定制器的设计 . 4 模糊推理机的设计 . 4 模糊推理机的结构 . 4 模糊推理机的设计 . 4 确量的模糊化 . 5 立模糊控制规则和模糊关系 . 5 出信息的模糊决策 . 6 模糊自整定制器 . 6 数对制性能的影响 . 6 模糊自整定制器 . 7 模糊自整定制器性能的研究 . 8 真结构图 . 8 惯性时间常数的影响 . 9 仿真结果分析 . 10 第 3章系统硬件和电路设计 . 11 . 11 系统的总体结构 . 11 温度检测电路 . 12 温度传感器 . 12 测量放大器的组成 . 12 热电偶冷端温度补偿方法 . 13 多路开关的选择 . 13 A/. 14 单片机系统的扩展 . 15 系统扩展概述 . 15 常用扩展器件简介 . 16 存储器的扩展 . 17 程序存储器的扩展 . 17 读存储器简介 . 17 介 . 17 浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文）数据存储器的扩展 . 18 据存储器概述 . 18 态介 . 19 据存储器扩展举例 . 19 单片机 I/O 口的扩展（ 8155扩展芯片） . 20 8155的结构和引脚 . 20 8155的控制字的及其工作方式 . 21 8155与 8031的连接 . 22 看门狗、报警、复位和时钟电路的设计 . 23 . 23 . 23 . 24 钟电路的设计 . 25 盘与显示电路的设计 . 25 . 25 . 26 模转换接口 . 27 离放大器的设计 . 28 控硅调功控温 . 29 . 29 . 30 片机开关稳压电源设计 . 31 第 4章系统软件设计 . 32 主要程序的框图 . 32 . 32 . 33 . 34 . 35 模糊自整定制算法 . 36 致谢 . 39 参考文献 . 40 附录 . 42 浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文） - 1 - 第 1 章绪论言电炉是热处理生产中应用最广的加热设备，通过布置在炉内的电热元件将电能转化为热能 ,借助辐射与对流的传热方式加热工件。通常可用以下模型定性描述 1 02 （ 1中 X 电炉内温升（指炉内温度与室温温差 ) K 放大系数 t 加热时间 T 时间系数 V 控制电压 0 纯滞后时间但在实际热力过程中，由于被加热金属的导热率、装入量以及加热温度等因素的不同，直接影响着 K 、 T 、 0等参数的变化，因此电炉本身具有很大的不确定性 2 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。根据不同的目的，将材料及其制件加热到适宜的温度。制器发展现状制器的发展现状在过去的 50 年，调节制器参数的方法获得了极大的发展。其中有利用开环阶跃响应信息，如应曲线法；还有使用线法的，如续响应法。然而这些调节方法只识别了系统动态信息的一小部分，不能理想的调节参数。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，计算机能自动调整数。这样能实现自动调整、短的整定时间、简便的操作，改善响应特性而推动了自整定自整定技术可追溯到 50 年代自适应控制处于萌芽时期， 60 年代国外有人设计了一种自动调节式的过程控制器，因其价格高、体积大、可靠性差而未能商品化。 80 年代由于适用的控制理论的完善以及高性能微机的使用，才使得自整定控制器得以开发，制器参数的自动整定技术设想已慢慢实现。电炉温度控制技术发展日新月异，从模拟字最优控制、自适应控制，再发展到智能控制，每一步都使控制的性能得到了改善。在现有的电加热炉温度控制方案中，制和模糊控制应用最多，也最具代表性。浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文） - 2 - 糊制模糊控制的概念是由美国加利福尼亚大学著名教授先提出的，经过20多年的发展，模糊控制取得了瞩目的成就。模糊控制适用于非线性、数学模型不确定的控制对象，对被控对象的时滞非线性和时变性具有一定的适应能力，同时对噪声也有较强的抑制作用，即鲁棒性较好。但模糊控制器本身消除系统稳态误差的性能比较差，难以达到较高的控制精度。而制正好可以弥补其不足，近年来已有不少将模糊技术与传统技术结合起来设计模糊逻辑控制的先例。在文献中介绍了多种能提高合控制方案，例如：引入积分因子的模糊制器；混合型模糊制器；另外将其与其它先进控制技术结合又有模糊自适应制、神经网络模糊制等。 6 糊自整定制模糊自整定制是在一般制系统的基础，加上一个模糊控制规则环节，利用模糊控制规则在线对数进行修改的一种自适应控制系统。它以误差以满足不同时刻的 e和将模糊控制和制器两者结合起来，扬长避短，既具有模糊控制灵活而适应性强，调节速度快的优点，又具有制无静差、稳定性好、精度高的特点，对复杂控制系统和高精度伺服系统具有良好的控制效果。图 1糊自整定制炉采用模糊自整定制的可行性在工业生产过程中，电炉随着负荷变化或干扰因素的影响，其对象特性或结构发生改变。电炉温控具有升温单向性、大时滞和时变的特点，如升温靠电阻丝加热，降温依靠自然冷却，温度超调后调整慢，因此用传统的控制方法难以得到更好的控制效果。另外对于制，若条件稍有变化，则控制参数也需调整。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，使控制系统指标保持在最佳范围内。但由于操作者经验不易精确描述，控制过程中各种信号量以及评价指标不易定量表示，而模糊理论正是解决这一问题的有效途径。人们运用模糊数学的基本理论和方法，把规则的条件操作用模糊集表示并把这些模糊控制规则及有关信息 (如评价指标、初始数等 )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，实现自动对数的最佳浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文） - 3 - 调整。从以上的分析可知模糊自整定制应用在具有明显的纯滞后、非线性、参数时变类似于电炉这样特点的控制对象可以获得很好的控制性能。大量的理论研究和实践也充分证明了用模糊自整定制电炉温度是一非常好的解决方法。它不仅能发挥模糊控制的鲁棒性好、动态响应好、上升时间快和超调小的特点，又具有制器的动态跟踪品质和稳态精度。因此在温度控制器设计中，采用数模糊自整定复合控制，实现数的在线自调整功能，可以进一步完善制的自适应性能，在实际应用中也取得了较好的效果。 8 浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文） - 4 - 第 2 章自整定制器的设计模糊自整定制是在一般制系统的基础上，加上一个模糊控制规则环节，利用模糊控制规则在线对数进行修改的一种自适应控制系统。它以误差以满足不同时刻的 e和它将模糊控制和制器两者结合起来，扬长避短，既具有模糊控制灵活而适应性强的优点，又具有制精度高的特点，对复杂控制系统和高精度伺服系统具有良好的控制效果。 9 糊推理机的设计模糊控制器是应用模糊数学知识，模拟人的思维方法，把人用自然语言描述的控制策略改造成模糊控制规则，由模糊控制规则构造出模糊关系，而把模糊关系作为模拟变换器，把输入、输出的模糊向量按模糊推理方法处理，进而确定控制量。糊推理机的结构在一般的模糊控制系统中，考虑到模糊控制器实现的简易性和快速性，通常采用二维模糊控制器结构形式。这类控制器都是以系统误差本模糊控制器构成原理图如图 2 图 2基本模糊控制器结构原理图图中：量因子；E、U差 e、误差变化率控制量 u 的模糊语言变量；E、 U 分别是与 e、 u 成比例的变量，其中 E = e， U =u/ 糊推理机的设计依据模糊控制的基本原理，基本模糊控制器设计概括起来包括如下内容： (1) 精确量的模糊化； (2) 建立模糊控制规则和模糊关系； (3) 输出信息的决策。浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文） - 5 - 确量的模糊化过程参数的变化范围即模糊控制器输入量的实际范围称为基本论域，它是一个连续域，在模糊控制中需要将语言变量的基本论域转换成指定的有限整数的离散论域。假设某一语言变量的实际变化范围为经过量化因子 k 变换后的范围为a,b=设论域取为离散论域 n之间变化的变量 22 按 Y 值大小，查隶属度赋值表，将其归类于某一模糊子集 (如正大、负小等 )。模糊子集通常可作如下划分：负大、负中、负小、零、正小、正中、正大。模糊变量的模糊集和论域确定后，需对模糊语言变量确定隶属函数，即所谓对模糊变量赋值，就是确定论域内元素对模糊语言变量的隶属度。对于同一个模糊概念，确定隶属函数的方法多种多样，没有统一的模式。尽管形式上不完全相同，只要反映同一模糊概念，在解决和处理模糊问题中仍然殊途同归。隶属函数形式有多种，可根据实际要求来确定。在实际应用中为方便起见，常采用三角形、正态形、梯形。隶属度赋值表是先根据实际问题人为确定，再通过“学习”和实践检验逐步加以修正和完善的。在给定论域上确定模糊子集的隶属函数要注意下面 3 个问题： (1) 任意两个相邻模糊子集的交集的最大隶属度在间。这个值取的较小时控制作用比较灵敏；较大时，对被控对象参数变化的适应性较强。 (2) 若 A 是一个模糊子集，如果 U1 较大，则控制特性比较平缓，系统较为稳定；若 U1 较小，则控制作用的灵敏度较高。 (3) 为了保证控制作用的隶属函数是单峰的，诸模糊子集必须正规突。立模糊控制规则和模糊关系模糊控制规则设计原则是：当误差较大时，控制量的变化应尽力使误差迅速减小；当误差较小时，除了要消除误差外，还要考虑系统的稳定性，防止系统产生不必要的超调，甚至振荡。 20 模糊控制规则的一般形式为 is cEis jCi =1,2, 1m ;j =1,2, 2m ) 其中：模糊子集；其实际值 Y 的偏差 f 所对应的模糊子集；和 U 表示偏差变化率别是模糊子集划分数目。 11 上述模糊条件语句可归结为一个模糊关系 R，即 (2式中符号“”表示“ 如果偏差、偏差变化率分别取为，根据模糊推理合成规则，输出的控制量是模糊子集 U，那么浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文） - 6 - (2即 , (2式中 X， Y， ZE，“ ”和“ ” “取大”和“取小”运算出信息的模糊决策模糊控制器的输出是模糊子集，它反映控制语言的不同取值的一种组合。但被控对象只能接受一个精确的控制量，因此需要从输出的模糊子集中判决出一个控制量，将模糊量转化为精确量，也就是说推导出一个由模糊子集到普通集合的映射，这个映射称之为判决。现在的解模糊判决方法通常有以下三种：最大隶属度法、取中位数法、隶属度加权平均法等。最大隶属度法是直接选择模糊子集中隶属度最大的元素 (或该模糊子集隶属度最大处的真值 )作为控制量。它能突出主要信息，计算简单，但丢失了很多次要的信息，比较粗糙，适应于控制性能要求一般的控制系统。论域 U 上把隶属函数曲线与横坐标围成的面积平分为两部分的元素 Z*称为模糊集的中位数。中位数法就是把模糊集中位数作为系统控制量。与最大隶属度法相比教，中位数法概括了更多的信息，但计算复杂，特别是在连续隶属函数时，需求解积分方程，因此应用场合比加权平均法少。加权平均法是糊模控制系统中应用极为广泛的一种判决方法。这一方法有三种形式，即普通加权平均法，权系数加权平均法和 10 本设计采用普通加权平均法设 rr , 2211 模糊集，取各隶属度为加权系数，则控制量 U 由下式决定 (2糊自整定制器这种智能糊控制器分两步整定数。第一步，初始数的整定：先测定被控对象参数的粗略值，应用初值整定规则确定初始值；第二步，数的在线整定：监测控制系的响应过程，将其模糊化，综合用户期望、控制目标类型、对象参数等，运用模糊推理自动进行数的在线整定。 9 数对制性能的影响制器时域内的控制模型为 011 p (2计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量，制作用浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文） - 7 - 的离散化形式一般表示为 111 增量形式为 2p (2式中比例系数积分系数， I 微分系数，， T 为采样周期积分时间微分时间 e(k)第 k 次采样时刻输入的偏差值由于制器在控制过程中的比例、积分、微分作用的程度，因此从系统稳定性、响应速度、超调量和控制精度等各方面特性来考虑制器三个参数对制品质的影响。比例控制的特点是：误差一旦产生，控制器立即就有控制作用，使被控制量朝着减小误差的方向变化，控制作用的强弱取决于比例系数例系数高系统的调节精度。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；会降低调节精度，使系统动作缓慢，延长调节时间，使系统静、动态特性变坏。积分作用系数它的不足之处在于积分作用具有滞后特性。态误差消除越快，但响应初期会产生积分过饱和现象，从而引起响应过程的较大超调，系统将不稳定。若统静态误差难以消除，影响系统的调节精度。微分作用系数要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。但引起较大的超调，使被调量激烈振荡，系统不稳定，延长调节时间，降低系统的抗干扰性能；若微分作用太弱，调节质量改善不大。综上所述，个参数取值大小，对控制系统的静态特性和动态性能影响很大，(s)的参数来确定。对于非线性负载和时延、时变负载，以及难以用 G(s)描述的负载，这三个参数的整定就很困难，因此我们在基于其它方法 (例如等 )整定出来的用模糊自调整机构在线调整数，从而达到抑制大范围的扰动，改进系统动态响应性能的目的。糊自整定制器模糊自整定制器原理图如图 2示。 10 图 2糊自整定制浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文） - 8 - 模糊自整定制是在一般制系统的基础上，加上一个模糊控制规则环节，利用模糊控制规则在线对数进行修改的一种自适应控制系统。它以误差以满足不同时刻的 e和将模糊控制和制器两者结合起来，扬长避短，既具有模糊控制灵活而适应性强，调节速度快的优点，又具有制无静差、稳定性好、精度高的特点，对复杂控制系统和高精度伺服系统具有良好的控制效果。糊自整定制器性能的研究为了便于比较模糊自整定制器与常规制器的性能差别，选择典型二阶纯滞后对象作为模型，改变模型参数，利用真，观察分析二种控制方式的阶跃响应曲线及二者之间差异。二阶纯滞后惯性环节的模型为 11 21 d (2其中，增益系数 K=4。分别改变模型的惯性时间常数和纯滞后时间，分析在三种控制方式下，它们对系统特性的影响。取设定值 0 ，组调节系数是在常规制方式下，被控对象的惯性时间常数 1、 4，纯滞后时间 0时系统的整定参数。真结构图在立将它封装为图 2利用模糊控制工具箱中的块，将它和起来可以封装成为构如图 2 浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文） - 9 - 图 2真结构图将对其运用估器进行补偿校正，从而得到整个控制系统的模型，如图 2后就可以根据输出结果来判断控制器的性能。通过对输出结果的分析，可以对系统参数和模糊控制器的控制规则进行适当的调整，使控制系统的性能达到最佳。图 2数自整定模糊制系统和传统在境中运行该系统进行仿真，可以利用示波器观察输出的情况，也可以将数据存储到利用绘图命令将曲线输出到单独的窗口中。 19 性时间常数的影响保持对象增益和纯滞后时间不变，分别取三组惯性时间常数作特性比较，观察系统对被控对象惯性时间变化的能力。浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文） - 10 - 纯滞后时间图 2规图 2糊自整定图中，曲线 1、 2、 3 分别为被控对象惯性时间常数，；，；，2的特性曲线对比图 2以看出：模糊自整定制特性曲线的超调很小，控制精度和动态特性优于常规上升时间改善不多。对于对象的性时间常数的变化，模糊自整定惯性时间常数，的被控对象的特性曲线不理想。真结果分析根据前面的仿真实验和仿真分析，可以总结出以下几点结论： (1) 模糊自整定制对惯性时间常数变化的适应能力比常规制强； (2) 模糊自整定制的动态特性、控制精度比常规 (3) 模糊自整定制系统比常规制系统的稳定性好。浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文） - 11 - 第 3 章系统硬件和电路设计言电炉是热处理生产中应用最广的加热设备，其本身是一个较为复杂的被控对象，虽然可用以下模型定性描述它 1s （ 3 式中 K 放大系数 T 时间系数纯滞后时间但在实际热力过程中，由于实际工况的复杂性 (加工工件的材质、初温、升温、幅度规格、装炉量以及电气环境等因素 )，使得上述数学模型偏离实际情况相当严重，本文将在具有在线自调整功能模糊自整定期较理想地解决被加热物件透烧过程的测量与控制。统的总体结构控制系统组成框图如图 3 图 3炉温度控制系统浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文） - 12 - 度检测电路温度检测是温度控制系统的一个重要的环节，直接关系到系统性能。在微机温度控制系统中，温度的检测不仅要完成温度到模拟电压量的转换，还要将电压转换为数值量送计算机。其一般结构如图 3 图 3度数字检测的一般结构度传感器温度传感器将测温点的温度变换为模拟电压，其值一般为，需要放大为满足模 /数转换要求的电压值。微机通过控制把电路电压送到模 /数转换器进行模 /数转换，得到表示温度的电压数字量，再用软件进行标度变换与误差补偿，得到测温点的实际温度值。温度传感器种类繁多，但在微机温度控制系统中使用得传感器，必须是能够将非电量变换成电量得传感器，此次设计中选用的是热电偶传感器，热电偶传感器是工业温度测量中应用最广泛得一种传感器，具有精确度高、测量范围广、构造简单、使用方便等优点。热电偶是由两种不同材料得导体连接在一起构成得感温元件，如图 3A 和 B 得两个接点 1 和 2 之间穿在温度差时，回路中便产生电动势，形成一定大小得电流，这种现象称为热电效应，也叫温差效应。热电偶就是利用这个原理测量温度的 5。图 3电偶测温原理图量放大器的组成测量放大器的基本电路如图 3 图 3量放大器的原理图浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文） - 13 - 测量放大器由三个运算放大器组成，其中个同相放大器组成前级，为对称结构，输入信号加在动放大器它不仅切断共模干扰的传输 ,还将双端输入方式变换成单端输出方式 ,适应对地负载的需要。测量放大器的放大倍数用下面公式计算 11230 1 （ 3 式中，常靠近组件，若距离较远，应将联线胶合在一起，改变 1000范围内调节。电偶冷端温度补偿方法用热电偶测量温度时，热电偶的工作端（热端）被放置在待测温场中，而自由端（冷端）通常被放在 0的环境中。若冷端温度不是 0，则会产生测量误差，此时要进行冷端补偿。冷端补偿方法较多，在本次的设计中我们采用的冷端温度补偿为电桥式冷端补偿。 35 对与冷端温度补偿器，在工业上采用如图 3 图 3电偶冷端温度补偿电桥图中所示的补偿电桥桥臂电阻 1321 锰铜线绕成；的限流电阻，电桥在 20时处于平衡状态。当冷端温度升高时，电桥 a、时热电偶温差电势却随冷端温度升高而降如果增加量等于热电偶温差电势的减小量，则热电偶输出电势而达到冷端补偿的目的。 36 路开关的选择在本次的设计中，我们的温度传感器有 5个

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