基于单片机的模糊温度控制器研究

1、第21卷第5期2008年10月常州工学院学报JournalofChangzhouInstituteofTechnologyVo.l21 No.5Oc.t2008基于单片机的模糊温度控制器研究刘生建 邱晓芬2(1.龙岩学院物理与机电工程学院,福建龙岩364012;2.福建龙净环保有限公司,福建龙岩364000)摘要:介绍一种基于单片机的模糊温度控制器。此控制器以单片机PIC18F252和AT89C52为控制核心,采用模糊控制算法,实现恒温控制功能。该系统具有调节时间短,过渡过程平稳,抗干扰性能好等优点。关键词:PIC18F252;AT89C52;模糊控制;温度控制中图分类号:TM763 文献标识

2、码:A文章编号:1671-0436(2008)05-0026-040 引言温度是生活和生产中一个很重要的物理量,在很多领域都要涉及到温度,如冶金工业、化工生产、造纸行业、机械制造、电加热炉及家用电器等,均需要用加热器来加热实验对象,并对温度进行测量和控制,使温度这一被控对象达到并保持在某一设定的温度范围内,即恒温控制。然而,温度控制系统具有非线性、时滞以及不确定性。传统控制方法(包括经典控制和现代控制)在处理具有非线性或不精确特性的被控对象时十分困难。大量的应用实践表明,采用传统的PID控制稳态响应特性较好,但是难以得到满意的动态响应特性。模糊控制器是一种近年来发展起来的新型控制器,其优点是不

3、要求掌握被控对象的精确数学模型,通过从专家们积累的经验中总结的控制规则,对温度进行控制,能够得到较好的动态响应特性,并且无需知道被控对象的数学模型,适应性强,上升时间快。基于此,本文提出一种基于单片机的模1糊温度控制器,能实现较为理想的控温效果。1 模糊控制原理模糊控制系统是以模糊数学、模糊语言形式的知识表示和模糊逻辑推理为理论基础,采用计算机控制技术构成的一种具有闭环结构的数字控制系统,如图1所示。它的组成核心是具有智能性的模糊控制器,在控制原理上它应用模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理的知识,模拟人2的模糊思维方法,对复杂过程进行控制。图1 模糊控制系统基本结构图模糊控制系统基本工作过

4、程为:微机经采样糊控制器的一个输入量,把误差信号E的精确量获取被控制器的精确值,然后将此量与给定值比进行模糊量化变成模糊量,误差E的模糊量可用较得到误差信号E,一般选择误差信号E作为模相应的模糊语言表示。至此,得到了误差E的模第5期刘生建,邱晓芬:基于单片机的模糊温度控制器研究27糊语言集合的一个子集e,再由e和模糊控制规则R(模糊关系)根据推理的合成规则进行模糊决策,得到模糊控制量u=E*R,再经解模糊化处理,将u转换为精确的数字控制量,经数模转换变为精确的模拟量送给执行机构,对被控制对象进行控制。因此,为实现模糊控制,需要设计模糊控制器,以实现语言控制。由图1可以概括出模糊2控制的4个基本

5、步骤:1)根据本次采样的系统输出值,计算所选择的系统输入变量。2)精确量的模糊化,把语言变量的语言值化为某适当论域上的模糊子集。3)模糊控制算法的设计,通过一组模糊条件语句构成模糊控制规则,并计算模糊控制规则决定的模糊关系。4)输出信息的模糊判决,并完成模糊量到精确量的转换。2 模糊温度控制器的硬件设计本温度控制器硬件总体结构框图如图2所示。主要包括以单片机PIC18F252与AT89C52为控制器的控制电路,测温电路,LED显示电路,键盘电路等等。其控制对象是一个功率电阻,电阻的温度由Pt100铂电阻温度传感器检测,并通过测温电路变换放大至05V电压,送入PIC18F252单片机的A/D转换

6、端口ANo。PIC18F252一方面将所得的值通过串行通信接口(SCI)传给AT89C52,另一方面将该温度值与被控制值进行比较,根据其偏差值的大小,采用模糊控制算法进行运算,控制固态继电器在控制周期内的通断占空比(即控制电阻平均功率的大小),进而达到对电阻温度进行控制的目的。单片机AT89C52把接收到的信号用LED数码管显示出3来,键盘中断用来设定需要控制的温度值。图2 硬件总体结构框图由上可知,硬件核心部分为单片机硬件电路和测温电路部分。2 1 单片机硬件电路采用PIC18F252与AT89C52微控制器作为该模糊温度控制系统的核心,所有的控制算法和控制命令都由这两个单片机完成。单片机P

7、IC18F252硬件电路如图3所示。ANo为单片机A/D转换端口,输入的是从测温电路中OP-07的OUT口输出的经过分压电阻获得的电压信号,单片机约每400ms采样一次。继电器驱动采用高耐压、大电流达林顿陈列ULN2003,图3中J102接继电器,控制电路使用的继电器为SSR-H380D75固态继电器。单片机利用采到的数据决定控制量,通过调节RC2口输出的电平的占空比来控制继电器的通断,从而控制控制对象的温度。当单片机输出的电平为高,28常州工学院学报2008年继电器两端为5V的电压信号,此时继电器导通,控制回路导通,控制对象被加热。反之,被控对象冷却。单片机AT89C52的作用是接收单片机P

8、I CI8F252传递过来的信号,通过控制74HC595数码管芯片用LED数码管显示出来,与其连接的键3盘电路用来设定需要控制的温度值。2 2 测温电路设计测温电路的原理如图4所示。测温电路采用了铂电阻电桥电路,通过引入正反馈后,反馈信号流经铂电阻,构成随铂电阻阻值的增加有不断加深的正反馈,达到线校正的目的。该测温电路对参数进行了优化设计,可以使实际温度值与A/D寄存器的测得值成线性关系。图4 测温电路图3 系统的软件实现PICl8F252系统与AT89C52系统的主程序流程图如图5所示。关寄存器进行初始化。PIC18F252的大多数I/O引脚与其他功能引脚复用,I/O端口初始化目的是对这些端

9、口的引脚和数据传输方向进行定义。此外系统需要定时输出控制信号,所以需要对定时器进行初始化。AT89C52系统初始化主要完成I/O口初始化与定时器初始化。程序中需要的中间变量、静态变量也需要进行初始化。中断程序流程图如图6所示。在该子程序部分要完成采集信号A/D转换、模糊控制算法的实现及调节RC2输出等工作。图5 系统软件流程图由图5可知,系统初始化完成后,执行通讯部分,然后等待中断,完成中断子程序的处理。PIC18F252系统初始化主要是完成A/D模块初始化、I/O口初始化以及定时器初始化等工作。本系统需要采集控制对象的温度信号,经过电阻分压得到电压信号,并将信号输入PIC18F252芯片内的

10、A/D模块,因此需要对A/D转换模块相图6 中断程序流程图第5期刘生建,邱晓芬:基于单片机的模糊温度控制器研究域化为-3,-2,-1,0,+1,+2,+3。294 模糊控制算法的实现模糊控制器的输入量为电压偏差E和偏差变化量EC(文中用小写表示精确变量,大写表示模糊变量),这种方法不仅能保证系统控制的稳定性,而且可以减少超调量和振荡,模糊控制器的输出量U(k)控制单片机I/O口的RC2输出高低电平的占空比,从而控制控制回路继电器的关断时间比,进而控制回路通断时间,达到控制控制对象的温度。这种控制方法对于存在滞后或随机干扰的系统具有良好的控制效果,能够提高系统的控制精度和可靠性4当e(k)变化为

11、2时,温度变化接近1 ,e(k)变换过程如下:当e(k)<-20时,E=-3;当e(k)>-20且e(k) -10时,E!(-3,-2);当e(k)>-10且e(k) -2时,E!(-2,-1);当e(k)>-2且e(k) 2时,E!(-1,0)当e(k)>2且e(k) 10时,E!(0,1);当e(k)>10且e(k) 20时,E!(1,2);当e(k)>20时,E=3。ec(k)!(-3,3),所以量化因子为1。隶属度函数选用三角函数,既可算出E与EC的隶数度函数值。2)模糊控制规则经分析,得出模糊控制矩阵为1212121212 612 6 6 4

12、 4 4 012 6 4 2 0 0 0R77=6 4 2 0-3-4-4 0 0 0-2-4-6-6 0 0-4-4-6-6-6-3-3-6-12-12-12-。该控制系统的输入为A/D转换后的温度信号Ti,设定的温度为T0,令偏差e=Ti-T0,编程时离散化为:e(k)=Ti(k)-T0(k),ec(k)=e(k)-e(k-1)。模糊控制器设计的步骤如下:1)精确量的模糊化在模糊控制系统运行中,模糊推理过程是通过模糊语言变量进行的,无论是偏差、偏差变化率的输入,还是控制器的输出都是精确值,所以需要首先要将它们转换成模糊集合的隶属度函数。本设计选用三角形函数。设输入量E的模糊集为E=NB、N

13、M、NS、NZ、PZ、PS、PM、PB,输入量EC的模糊子集为EC=NB、NM、NS、ZE、PS、PM、PB;将E的论域化为-3,-2,-1,-0,+0,+1,+2,+3,EC的论U(k)=3)解模糊通过隶属度函数算出的是模糊量,而对于实际系统的控制必须为清晰量,因此需要将模糊量转换为清晰量。本控制器使用的是加权平均法,系数矩阵为R77,控制量为ri-1j-1uei-1uecj-1+ri-1juei-1uecj+rij-1ueiuecj-1+rijueiuecjuei-1uecj-1+uei-1uecj+ueiuecj-1+ueiuecj其中ue为误差的隶属度函数值,uec为误差变化量的隶属度

14、函数值。制功能好等优点。参考文献1诸静.模糊控制理论与系统原理M.北京:机械工业出版社,2005:34-38.2李士勇.模糊控制和智能控制理论与应用M.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,1990:124-130.3余永权,曾碧,单片机模糊逻辑控制M.北京:北京航空航天大学出版社,1995:234-238.4汤兵勇,路林吉,王文杰.模糊控制理论与应用技术M.北京:清华大学出版社,2002:98-103.5 结束语本研究提出了一种模糊温度控制器的硬件与软件的设计,利用高性能单片机为核心控制器进行硬件设计,大大简化了系统硬件电路,控制输出采用大功率的固态继电器,通过对I/O口输出电平变化的调节可实现温度

15、的自动控制,在温度控制系统中采用模糊控制算法进行了恒温控制,比(页60常州工学院学报2008年分纳米TiO2催化剂则将对降解印染废水及环境污染物会起到更好的效果。因此印染纺织企业对其废水可通过物理、常规的化学等方法先行预处理后,再经过复合型纳米TiO2催化剂等再处理,就可以有效地治理染料废水和有关环境污染物。参考文献1赵文宽,牛晓宇.TiO2/SiO2的制备及其对染料X-3B溶液降解的光催化活性J.催化学报,2001,22(2):171-174.2马万红,蔡汝秀,刘志宏,等.偶氮类化合物在纳米TiO2表面光降解的UV-Vis光谱示踪研究(I)#中间体的发现及动力学行为J.高等学校化学学报,19

16、99,20(10):1542-1547.3蒋引珊,金为群.TiO2/沸石复合物结构与光催化性能J.无机材料学报,2002,17(6):1301-1305.4陈寿春.重要无机化学反应M.上海科学技术出版社,1982.5薛向东,金奇庭.TiO2/活性炭组合光催化降解苯酚废水J.中国给水排水,2002,18(6):42-48.PreparationandCharacterizationofOpticalActivityofTiO2Nanometer-catalystYAOGuo Sheng(SchoolofScience,ChangzhouInstituteofTechnology,Changzho

17、u213002)Abstract:Beingpreparedinthemethodofsol-ge,lthephoto-catalyticactivityofTiO2Nanometer-PhotocatalystisinvestigatedinthewayofdegradingthedyestuffmodelswithUV-lightandvisiblelightra diationinthebestexperimentcondition.Theexperimentshowsthatthedyestuffmodelshasobviouslyhigherdecolorationrateunder

18、UV-lightthanundervisiblelightintheeffectofTiO2Nanometer-Photocatalys.tKeywords:photocatalys;tnanometer;carriers;decolorationrate;dyestuff责任编辑:唐海燕(上接第29页)ResearchofFuzzyTemperatureControllerBasedonMCULIUSheng jian QIUXiao fen12(1.InstituteofPhysicsandMechanical&ElectricalEngineering,LongyanUniversity,Longyan364012;2.FujianLongjingEnvironmentalProtectionCo.Ltd,Longyan364000)Abstract:ThefuzzytemperaturecontrollerbasedonMCUisintroducedinthispaper.Themaincon trollingpartofthecontrollerisbasedonPIC18