【正文】 ，抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)；在軟件上可采用遺傳算法對(duì) PID 參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化控制，具有很高的穩(wěn)定度，溫控精度高。它將生物進(jìn)化過程中適者生存規(guī)則與群體內(nèi)部染色體的隨機(jī)信息交換機(jī)制相結(jié)合，通過正確的編碼機(jī)制和適應(yīng)度函數(shù)的選擇來操作稱為染色體的二進(jìn)制串l或0。近些年來模糊邏輯控制取得了巨大成功，但是，模糊控制所基于的專家經(jīng)驗(yàn)不易獲得，一成不變的控制規(guī)則也很難適應(yīng)被控制系統(tǒng)的非線性、時(shí)變性等問題，嚴(yán)重影響控制效果，因此應(yīng)使模糊控制向著自適應(yīng)方向發(fā)展，使模糊控制規(guī)則隸屬函數(shù)模糊量化在控制過程自動(dòng)地調(diào)整和完善。文獻(xiàn)[[] 梁學(xué)敏. ABB變頻器的傳動(dòng)控制及與S7400的通訊微計(jì)算機(jī)信息. 2004, 20(3)P6870 ]給出了不同實(shí)時(shí)狀態(tài)下對(duì) PID 參數(shù)的推理結(jié)果，當(dāng)溫差較大時(shí)采用 Fuzzy 控制，響應(yīng)速度快，動(dòng)態(tài)性能好：當(dāng)溫差較小時(shí)采用 PID 控制，使其靜態(tài)性能好，滿足系統(tǒng)精度要求。 PID 控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、明確，能滿足大量工業(yè)過程的控制要求。同傳統(tǒng)的 PID 控制比較，模糊控制響應(yīng)快、超調(diào)量小、對(duì)參數(shù)變化不敏感。模糊控制不需要對(duì)象的精確模型，僅依賴于操作人員的經(jīng)驗(yàn)和直觀判斷，非常容易應(yīng)用。2．模糊控制模糊控制是基于模糊邏輯描述的一個(gè)過程控制算法，主要嵌入操作人員的經(jīng)驗(yàn)和直覺知識(shí)。該方法抗干擾能力強(qiáng)，且易于用軟件實(shí)現(xiàn)。1．神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)前主要的、也是重要的一種人工智能技術(shù)，它采用數(shù)學(xué)模型的方法模擬生物神經(jīng)細(xì)胞結(jié)構(gòu)及對(duì)信息的記憶和處理而構(gòu)成的信息處理方法。從采用的部件角度講，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)所用的計(jì)算機(jī)往往有較大區(qū)別：在大型管理控制系統(tǒng)中，采用大中型機(jī)；在一般控制系統(tǒng)中，采用微型機(jī)；而功能較專的控制系統(tǒng)采用單片機(jī)。 控制系統(tǒng)背景介紹隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)和自動(dòng)化水平的不斷提高，在各種應(yīng)用領(lǐng)域都大量采用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)?？梢姕囟瓤刂齐娐窂V泛應(yīng)用于社會(huì)生活的各個(gè)領(lǐng)域，所以對(duì)溫度進(jìn)行控制是非常有必要和有意義的。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，為了高效地進(jìn)行生產(chǎn)，必須對(duì)生產(chǎn)工藝過程中的主要參數(shù)，如溫度、壓力、流量、速度等進(jìn)行有效的控制，其中溫度控制在生產(chǎn)過程中占有相當(dāng)大的比例。準(zhǔn)確地測(cè)量和有效地控制溫度是優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低耗和安全生產(chǎn)的重要條件?？墒怯捎跍囟茸陨淼囊恍┨攸c(diǎn),如慣性大、滯后現(xiàn)象嚴(yán)重、難以建立精確的數(shù)學(xué)模型等,使控制系統(tǒng)性能不佳。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用使得科學(xué)研究、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、工藝實(shí)踐的效率大大提高，同時(shí)也大幅度提高了產(chǎn)品和成果的質(zhì)量。由于大量的控制系統(tǒng)的任務(wù)較專業(yè)化，并且執(zhí)行的是直接數(shù)字控制任務(wù)，故基本采用單片機(jī)。它用大量簡(jiǎn)單的處理單元廣泛連接形成各種復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)算法各異，其中誤差反向傳播算法(即 BP 算法)應(yīng)用最為廣泛。訓(xùn)練方法實(shí)際是網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)過程，即根據(jù)事先定義好的學(xué)習(xí)規(guī)則，按照提供的學(xué)習(xí)實(shí)例，調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)之間相互連接的權(quán)值大小，從而達(dá)到記憶、聯(lián)想、歸納等目的。它適用于控制不易取得精確數(shù)學(xué)模型和數(shù)學(xué)模型不確定或經(jīng)常變化的對(duì)象。模糊控制對(duì)溫度控制的實(shí)現(xiàn)一般分如下幾步：(1) 將溫控對(duì)象的偏差和偏差變化率以及輸出量劃分為不同的模糊值，建立規(guī)則，例如，IF溫度太高 OR 溫度正在上升， THEN 減少控制量．將這些模糊規(guī)則寫成模糊條件語句，形成模糊模型。3．模糊控制與 PID 結(jié)合(Fuzzy PID)模糊模型使用模糊語言和規(guī)則描述一個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性及性能指標(biāo)。但 PID 本質(zhì)是線性控制，而模糊控制具有智能性，屬于非線性領(lǐng)域，因此，將模糊控制與 PID 結(jié)合將具備兩者的優(yōu)點(diǎn)。因此 Fuzzy PID 復(fù)合控制，比單一的模糊控制或 PID 調(diào)節(jié)器有更好的控制性能。自適應(yīng)模糊控制提供了一種新的有效途徑，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)能力來修正偏差和偏差變化的比例系數(shù)，達(dá)到優(yōu)化模糊控制器作用，從而進(jìn)一步改進(jìn)實(shí)時(shí)控制效果，以便應(yīng)用于溫度過程控制中，其優(yōu)點(diǎn)動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，能達(dá)到高精度的快速控制，具有極強(qiáng)的魯棒性和適應(yīng)能力。引入了如繁殖交叉和變異等方法在所求解的問題空間上進(jìn)行全局的并行的隨機(jī)的搜索優(yōu)化，朝全局最優(yōu)方向收斂。6．模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法三者結(jié)合文獻(xiàn)[[] 鄭明方. 管式裂解爐溫度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化控制[J]. 江蘇石油化工學(xué)院學(xué)報(bào), 1999, (10)：40]提出基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法，將模式辨識(shí)、預(yù)測(cè)最優(yōu)控制與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合，由神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)估器辨識(shí)系統(tǒng)模型，并實(shí)時(shí)為控制器提供參考輸入，由最優(yōu)控制器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、決策，選定最優(yōu)的控制量，達(dá)到溫度最佳控制的目的。由于其屏蔽了具體工藝及器件差異，不會(huì)因工藝及器件變化而變化?？傊瑢?shí)現(xiàn)溫控系統(tǒng)的參數(shù)自調(diào)整，將線控制與非線性相結(jié)合，使溫度能滿足用戶的需要是溫控系統(tǒng)的最終目的。20世紀(jì)80年代中期以后，Intel公司已把精力集中在 CPU 芯片的開發(fā)、研制上，并逐漸放棄了單片機(jī)芯片的生產(chǎn)，但是以 MCS51 內(nèi)核技術(shù)為主導(dǎo)的單片機(jī)已經(jīng)成為許多廠家及公司競(jìng)相選用的對(duì)象。在本設(shè)計(jì)中，溫度控制器以 AT89C52 單片機(jī)為核心。另外，還要對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中可能遇到的技術(shù)難點(diǎn)做到心中有數(shù)，初步定出系統(tǒng)設(shè)計(jì)的技術(shù)路線。1．硬件設(shè)計(jì)的基本原則(1) 良好的性價(jià)比。選購設(shè)備要考慮環(huán)境的溫度、濕度、壓力、振動(dòng)、粉塵等要求，以保證在規(guī)定的工作環(huán)境下，系統(tǒng)性能穩(wěn)定、工作可靠。有完善的抗干擾措施，是保證系統(tǒng)精度、工作正常和不產(chǎn)生錯(cuò)誤的必要條件。這不僅有利于程序的進(jìn)一步擴(kuò)充或完善，而且也有利于程序的后期修改和維護(hù)。對(duì)于重要的參數(shù)要定時(shí)存儲(chǔ)，以防止因掉電而丟失數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)的軟件采用結(jié)構(gòu)化模塊程序設(shè)計(jì)，應(yīng)用程序主要由主程序、中斷服務(wù)程序和各子程序組成。 電烤箱溫度控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖 溫控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 前向通道設(shè)計(jì)前向通道是系統(tǒng)獲取信息數(shù)據(jù)的組成部分，它的性能好壞直接決定了整個(gè)系統(tǒng)的精度，而且一旦產(chǎn)生較大誤差，將無法消除。2．熱電偶檢測(cè)電路幾種常見的熱電偶有：(1) 鉑銠10 鉑熱電偶 屬貴金屬熱電偶，它長(zhǎng)期使用的最高溫度可達(dá)1300℃，短期可達(dá)1600℃。3．冷端補(bǔ)償電路在實(shí)際應(yīng)用中，熱電偶的冷端通常靠近被測(cè)對(duì)象，且受到周圍環(huán)境溫度的影響，其溫度不是恒定不變的。4．前置放大電路熱電偶出來的毫伏級(jí)電壓，無法直接進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換，必須進(jìn)行放大處理。5． A/D 轉(zhuǎn)換電路前置放大器輸出的信號(hào)是連續(xù)變化的模擬量，必須將此信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后才能輸入單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。因?yàn)闇囟鹊淖兓容^大，滯后性大，設(shè)計(jì)中采用雙積分型 A/D 轉(zhuǎn)換器。用K型熱電偶對(duì)溫度進(jìn)行采集，經(jīng) MAX6675 送單片機(jī) AT89C52 。 SO 為數(shù)據(jù)輸出端,溫度轉(zhuǎn)換后的12位數(shù)據(jù)由該腳以SPI方式輸出。單片機(jī)對(duì)溫度信號(hào)處理后一方面送數(shù)碼管顯示,另一方面與設(shè)定的溫度曲線進(jìn)行比較以實(shí)施控制。執(zhí)行元件為帶光電隔離的過零觸發(fā)型雙向晶閘管 AC—SSR ，正脈沖出發(fā)雙向晶閘管導(dǎo)通觸發(fā)脈沖由過零檢測(cè)電路產(chǎn)生。這種方法在工作過程中會(huì)產(chǎn)生高次諧波，功率因素也較低。2．固體繼電器SSR固體繼電器（Solid State Relay SSR）是利用現(xiàn)代微電子技術(shù)與電力電子技術(shù)相結(jié)合而發(fā)展起來的一種新型無觸點(diǎn)電子開關(guān)器件。 SSR電路圖固體繼電器由輸入電路、驅(qū)動(dòng)電路和輸出電路三部分組成。廣泛應(yīng)用在電動(dòng)機(jī)調(diào)速、家用電器、送變電電網(wǎng)的建設(shè)與改造、電力拖動(dòng)、印染、塑料加工、煤礦、鋼鐵、化工和軍用等方面。這種人機(jī)接口的典型裝置是一個(gè)操作顯示臺(tái)或操作顯示面板。按鍵是以開關(guān)的狀態(tài)來設(shè)置控制功能和輸入數(shù)據(jù)。每個(gè)獨(dú)立式按鍵單獨(dú)占有一根I/O口線，每根I/O口線上的按鍵工作狀態(tài)不會(huì)影響其他I/O口線上的工作狀態(tài)。本設(shè)計(jì)采用中斷方式的獨(dú)立式鍵盤電路。即在單片機(jī)獲得口線為低的信息后，不是立即認(rèn)定S已經(jīng)被按下，而是延時(shí)10~20 ms時(shí)間后再次檢查口線輸入，如果仍為低，說明S鍵的確按下，避開了按鍵按下的抖動(dòng)時(shí)間。LED顯示器有兩種顯示方式，即靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)顯示。特點(diǎn)是：將多個(gè)8段LED顯示器同名端的段選線復(fù)接在一起，只用一個(gè)4位I/O控制各個(gè)LED顯示器的公共陰極輪流接地，逐一掃描點(diǎn)亮，使每位LED顯示該位應(yīng)當(dāng)顯示的字符。8155的PC口作為L(zhǎng)ED的位選控制口，LED共陽極接法，由反向驅(qū)動(dòng)器74LS06驅(qū)動(dòng)LED顯示器，提高驅(qū)動(dòng)能力。電路的工作原理：(1) 沒有觸發(fā)信號(hào)時(shí)電路工作在穩(wěn)態(tài)：無觸發(fā)信號(hào)即為高電平時(shí)，電路工作在穩(wěn)定狀態(tài)——Q=0，為低電平，TD飽和導(dǎo)通。在電容上電壓上升到2Vcc/3以前，顯然電路將保持暫穩(wěn)態(tài)不變。小 結(jié)系統(tǒng)以AT89C52為控制核心。人機(jī)接口的典型裝置是一個(gè)操作顯示臺(tái)或操作顯示面板。15PID溫控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和仿真 第三章 系統(tǒng)控制方案第三章 系統(tǒng)控制方案 PID 控制 PID的概述PID的發(fā)展過程，很大程度上是它的參數(shù)整定方法和參數(shù)自適應(yīng)方法的研究過程。PID調(diào)節(jié)器及其改進(jìn)型是在工業(yè)過程控制中最常見的控制器(至今在全世界過程控制中用的84%仍是純 PID 調(diào)節(jié)器，若改進(jìn)型包含在內(nèi)則超過90%)[19]。這三部分分別是：(1)比例部分比例部分?jǐn)?shù)學(xué)表達(dá)式為： （）偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即有控制作用，使控制量朝著減小偏差的方向變化，控制作用強(qiáng)弱取決于比例系數(shù)，越大，則過渡過程越短，控制結(jié)果的穩(wěn)態(tài)誤差也越??；但越大，超調(diào)量也越大，越容易產(chǎn)生振蕩，導(dǎo)致動(dòng)態(tài)性能變壞，甚至?xí)归]環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。可是積分作用具有滯后特性，積分控制作用太強(qiáng)會(huì)使系統(tǒng)超調(diào)加大，控制的動(dòng)態(tài)性能變差，甚至?xí)归]環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。當(dāng)較小時(shí)，則積分作用較強(qiáng)。越大，則它抑制e(t)變化的作用越強(qiáng)，越小，它反抗變化的作用越弱。進(jìn)入計(jì)算機(jī)的連續(xù)時(shí)間信號(hào)，必須經(jīng)過采樣和整量化后，變成數(shù)字量，方能進(jìn)入計(jì)算機(jī)的存貯器和寄存器，而在數(shù)字計(jì)算機(jī)中的計(jì)算和處理，不論是積分還是微分，只能用數(shù)值計(jì)算去逼近。根據(jù)1989年日本電子設(shè)備制造商聯(lián)盟的一份國家過程控制系統(tǒng)調(diào)查，超過90%的控制環(huán)類型是PID型。隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，各個(gè)領(lǐng)域?qū)ψ詣?dòng)控制系統(tǒng)控制精度、響應(yīng)速度、系統(tǒng)穩(wěn)定性與適應(yīng)能力的要求越來越高，所研究的系統(tǒng)也日益復(fù)雜多變。(2) 對(duì)于具有一定操作經(jīng)驗(yàn)、但非控制專業(yè)的工作者，模糊控制易于掌握。 模糊控制的基本原理及特點(diǎn) 表示。因此，模糊控制器的結(jié)構(gòu)通常是由它的輸入和輸出變量的模糊化、模糊推理算法、模糊合成和模糊判決等部分組成。故把 PI(PID)控制策略引入模糊控制器，構(gòu)成 FuzzyPI(或 PID)復(fù)合控制，使動(dòng)靜態(tài)性能都得到很好的改善，即達(dá)到動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，超調(diào)小、穩(wěn)態(tài)誤差小。(2) 比例模糊PI 控制當(dāng)偏差 e 大于某個(gè)閾值時(shí)，用比例控制，以提高系統(tǒng)響應(yīng)速度，加快響應(yīng)過程；當(dāng)偏差 e 減小到閾值以下時(shí)，切換轉(zhuǎn)入模糊控制，以提高系統(tǒng)的阻尼性能，減小響應(yīng)過程中的超調(diào)。(3) 模糊積分混合控制將常規(guī)積分控制器和模糊控制器并聯(lián)構(gòu)成的。 參數(shù)模糊自整定 PID 控制算法原理圖小 結(jié)PID調(diào)節(jié)器及其改進(jìn)型是在工業(yè)過程控制中最常見的控制器，至今在全世界過程控制中用的84%仍是純 PID 調(diào)節(jié)器，若改進(jìn)型包含在內(nèi)則超過90%。而把 PI(PID)控制策略引入模糊控制器，構(gòu)成 FuzzyPI(或 PID)復(fù)合控制，可以使系統(tǒng)動(dòng)靜態(tài)性能都得到很好的改善，即達(dá)到動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，超調(diào)小、穩(wěn)態(tài)誤差小。模糊控制工具箱是一個(gè)不針對(duì)具體硬件平臺(tái)的模糊控制設(shè)計(jì)工具，它可以用圖形界面的工作方式設(shè)計(jì)整個(gè)模糊控制器，如定義它的輸入、輸出變量的數(shù)目，各輸入、輸出變量的隸屬函數(shù)的形狀和數(shù)目，模糊規(guī)則