基于單片機的雙模糊溫度控制器設計

佘東

（四川機電職業(yè)技術(shù)學院 四川 攀枝花 617000）

現(xiàn)代工業(yè)控制中，溫度控制十分重要且日益復雜化。由于溫度控制具有的非線性、大滯后、時變性、升溫單向性等特點，在實際應用中難以建立精確的數(shù)學模型，無法用經(jīng)典控制理論及現(xiàn)代控制理論來解決實現(xiàn)溫度控制效果。目前，現(xiàn)代智能控制中不依賴對象數(shù)學模型、能有效控制時變和非線性系統(tǒng)的模糊控制已普遍應用于工業(yè)溫度控制中。通過對溫度的基本模糊控制，可達到較好的控制效果，但存在一定的穩(wěn)態(tài)誤差，難以達到較高的控制精度。若根據(jù)系統(tǒng)不同的工作狀態(tài)采用不同的溫度模糊控制，即雙模糊控制，可大幅度改善穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度，同時利用單片機作為主控芯片，可有效完成溫度模糊處理及溫度實時控制且可靠性高。

1 控制器功能及硬件設計

雙模糊溫度控制器主要以單片機為主控芯片，主要負責溫度的模糊化處理、模糊控制算法實現(xiàn)、輸出溫度的大小控制處理。工業(yè)現(xiàn)場溫度通過溫度傳感器采集，傳感器輸出信號經(jīng)變送器轉(zhuǎn)變?yōu)?～5 V的標準信號，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后與溫度設定值進行比較，得到溫度誤差信號e及溫度變化率ec，并在系統(tǒng)初始階段和穩(wěn)態(tài)階段將兩者送入不同的單模糊控制器進行模糊處理，得到輸出控制量u，經(jīng)隔離放大后控制功率可控硅改變加熱元件功率，從而完成溫度的調(diào)節(jié)。其溫度控制系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

溫度控制器主控芯片采用ATMEL公司的AT89S52單片機，該單片機是一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8 kB在系統(tǒng)可編程Flash存儲器和256B RAM，32位I/O線，3個16位定時器，6個中斷源以及看門狗定時器等，可滿足溫度控制器的基本設計及擴展設計需求。

溫度傳感器采用鎳鉻/鎳硅熱電偶，該熱電偶具有線性度好，熱電動勢較大，靈敏度高，穩(wěn)定性和均勻性較好等特點，其使用溫度為0～1 300℃，對應輸出為0～52.37 mV[1]。溫度變送器采用DBW型，把熱電偶輸出的毫伏信號轉(zhuǎn)換為0～5 V標準模擬信號。該信號通過A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809的IN0通道輸入，從而轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再由AT89S52單片機利用控制程序從P0口輸入其內(nèi)部RAM單元，以便與溫度設定值進行比較[2]。模糊控制器輸出控制量通過P1.0輸出，通過光電雙向可控硅驅(qū)動器MOC3051去驅(qū)動功率可控硅，從而改變加熱元件的加熱功率，以實現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)的目的。

考慮到系統(tǒng)的人機互動，利用并行接口芯片8155進行I/O口擴展，以完成鍵盤輸入及顯示器輸出的設計。其中鍵盤采用矩陣式鍵盤，負責參數(shù)的設定和一些開關(guān)量的輸入，如：啟動、停止、復位、溫度設定、設定值修改、溫度數(shù)字鍵等；而顯示器采用LED顯示器，用于同時顯示系統(tǒng)設定溫度及實際溫度。

圖1 溫度控制系統(tǒng)原理框圖Fig.1 Schematic diagram of temperature control system

2 雙模糊控制算法設計

2.1 雙模糊控制器結(jié)構(gòu)設計

本模糊控制器采用雙模糊控制結(jié)構(gòu)以及典型的雙輸入、單輸出方式，如圖2所示。將溫度設定值與溫度反饋值之間的誤差e及變化率ec作為輸入量，將溫度控制量u作為輸出量。由于系統(tǒng)在不同的控制狀態(tài)下存在大小不同的誤差，若考慮單模糊控制器設計，將使系統(tǒng)的快速響應及控制精度之間存在矛盾[3]，兩者無法兼顧。為此，采用雙模糊控制器設計，并人為設置一個誤差臨界值完成雙?？刂魄袚Q[4]。在系統(tǒng)初始階段，系統(tǒng)誤差較大，使用系統(tǒng)因子 Kec、Ku相對較?。ㄈ鏚ec1、Ku1）的模糊控制器，以實現(xiàn)快速響應，消除誤差的目的；在系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)階段，系統(tǒng)誤差較小，使用系統(tǒng)因子Kec、Ku適當增加（如Kec2、Ku2）的模糊控制器，以改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。

圖2 雙模糊控制器結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of the double fuzzy controller

2.2 雙模糊控制策略

考慮溫度控制的特點，將誤差e、變化率ec及輸出量u的論域設為[-6，6]，將其量化為13個等級，并分別為誤差e、變化率 ec、輸出量 u 選取 7 個語言值，即{NL，NM，NS，ZO，PS，PM，PL}。三者的隸屬度函數(shù)均采用梯形分布[5]，如圖3所示。

圖3 誤差e、變化率ec、輸出量u的隸屬度函數(shù)Fig.3 Membership function of error e，error change rate ec and the output u

根據(jù)對工業(yè)過程控制的經(jīng)驗總結(jié)，制定相應的模糊控制規(guī)則表如表1所示。

表1 模糊控制規(guī)則表Tab.1 The rule table of fuzzy control

為提高系統(tǒng)的實時響應速度，事先根據(jù)模糊控制規(guī)則表及語言變量賦值表，離線計算出模糊控制總表如表2所示，該表經(jīng)嚴格的實踐檢驗和反復修改后存放在單片機的程序存儲器中。然后根據(jù)輸入量e及ec在不同工作狀態(tài)的實際變化范圍及其論域，計算出量化因子 Ke1、Kec1和 Ke2、Kec2，并確定出比例因子Ku1和Ku2。實際控制時，模糊控制器把系統(tǒng)在不同工作狀態(tài)下的輸 入量e及ec分別乘以相應的Ke、Kec，并量化到輸入量的語言變量論域中，再根據(jù)量化的結(jié)果與模糊控制總表進行比較，通過查表程序得到所需的輸出量U，最后乘以Ku，得到系統(tǒng)在不同工作狀態(tài)下的實際輸出控制量u。

3 控制器軟件設計

雙模糊溫度控制器的軟件采用模塊化設計思想，主要包括主程序、溫度采集程序、鍵盤/顯示控制程序、模糊控制算法程序等。下面主要給出主程序及模糊控制算法程序流程圖，分別如圖 4、圖5所示[6]。

4 結(jié)束語

文中提出的以單片機為控制核心的雙模糊溫度控制器，是以比例因子自整定模糊控制理論為基礎(chǔ)，根據(jù)系統(tǒng)誤差大小利用兩個系統(tǒng)因子不同的模糊控制器分別進行溫度控制。結(jié)構(gòu)簡單、易于實現(xiàn)、適應力強，可較大提高穩(wěn)態(tài)精度，對于溫度控制可以達到很好的控制效果，可廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)中。

表2 模糊控制總表Tab.2 Whole table of fuzzy control

圖4 主程序流程圖Fig.4 Flow chart of the main program

圖5 模糊控制算法程序流程圖Fig.5 Flow chart of fuzzy control algorithm program

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