【正文】 R14GND12Y16MHZ22pFC122pFC3GND+5(T2)1(T2EX)2345678(INT0)12(INT1)131415EA/VPP31XTAL018XTAL119RESET9(WR)16(RD)1739383736353433322122232425262728VSS20VCC40(RXD)10(TXD)11ALE(PROG)30PSEN29AT89C52GND+5 27 傳感器的選擇 熱電偶是溫度測量儀表中常用的測溫元件，是由兩種不同成分的導(dǎo)體兩端接合成回路時，當(dāng)兩接合點(diǎn) 熱電偶溫度不同時，就會在回路內(nèi)產(chǎn)生熱電流。 從理論上講，任何兩種不同導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）都可以配制成熱電偶 ，但是作為實(shí)用的測溫元件，對它的要求是多方面的。 T 型熱電偶具有線性度好，熱電動勢較大，靈敏度較高，穩(wěn)定性和均勻性較好，價格便宜等優(yōu)點(diǎn) ,特別在 200~350℃溫區(qū)內(nèi)使用，穩(wěn)定性更好，年穩(wěn)定性可小于177。 28 溫度采集 電路的設(shè)計 溫度采集 電路中主要包括熱電偶和變送器組成的信號采集輸送電路，電流環(huán)接收器 RCV420 和外圍電路組成的電流電壓轉(zhuǎn)換電路，以及由 A/D 轉(zhuǎn)換器 進(jìn)行模擬量 數(shù)字量轉(zhuǎn)換 [18]。 T 型熱電偶的正極銅在高溫下抗氧化性能差，故使用溫度上限 有一定的限制 。 銅 銅鎳熱電偶（ T 型熱電偶）又稱銅 康銅熱電偶，也是一種最佳的測量低溫的廉金屬的熱電偶。熱電偶的熱電動熱將隨著測量端溫度升高而增長，它的大小只與熱電偶材料和兩端的溫度有關(guān) [17]，與熱電極的長度、直徑無關(guān)。 系統(tǒng)框圖如圖 31 所示： 圖 31 系統(tǒng)總體框圖 單 片 機(jī) 系 統(tǒng)執(zhí) 行 機(jī) 構(gòu)光 耦被 控 對 象（ 烘 干 爐 ）溫 度 采 集信 號調(diào) 理放 大A / D轉(zhuǎn) 換L E D 顯 示 器鍵 盤外 擴(kuò) R A M電 源熱 電 偶 26 單片機(jī)的選型 AT89C52 是一個低電壓，高性能 CMOS 8 位單片機(jī)，片內(nèi)含 8k bytes 的可反復(fù)擦寫的 Flash 只讀程序存儲器和 256 bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器（ RAM），器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51 指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用 8 位中央處理器和 Flash 存儲單元，AT89C52 單片機(jī)在電子行業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。 將計算出 模糊控制表裝入單片機(jī)控制系統(tǒng)的存儲器中，根據(jù)誤差 E 與誤差變化率 EC 查找表中相應(yīng)的值 {Ei,ECi}， 由此表可以計算出 PID 需要的三種控 制參數(shù)的值， 求值公式如下： KP = Kp +*Ei,ECi+p (212) KD = Kd +*Ei,ECi+d (213) KI = Ki +*Ei,ECi+i (214) U(k) = KPE(k)+KI ∑ E(j)kj=0 + KD,E(k)? E(k ?1) (215) 其中， ?KP， ?KI， ?KD是整定參數(shù)后需要輸出的 PID 控制器控制參數(shù)，而 ?Kp， ?Ki， ?Kd是三個參數(shù)分別給定的初值，是常量。規(guī)則如果 Ai且 Bi , 那么的模糊關(guān)系可以表示為： ,μAi ∧ μBi∧ μCi （ 210） 其 隸屬度函數(shù) 為： μ =∨ *μA‘ ∧ ,μAi ∧ μC′+∩∨ *μB‘ ∧ ,μBi∧ μC′+ （ 211） 將以上三張模糊控制表裝入單片機(jī)控制系統(tǒng)的存儲器中，根據(jù)誤差 E 與誤差變化率 EC 查找表中相應(yīng)的值 {Ei,ECi}。一般 ec 較小時， DK 取值應(yīng)該較大些 :當(dāng) ec 較大時， DK 取值應(yīng)該較小些。 PID 參數(shù)的整定必須考慮到不同時刻三個參數(shù)的作用及相互之間的關(guān)系。 IK 越大，系統(tǒng)的靜態(tài)誤差消除越快，但 IK 過大，在響應(yīng)過程的初期會產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象，從而引起響應(yīng)過程的較大超調(diào)。從傳統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應(yīng)速度、超調(diào)量和穩(wěn)定精度等各方來來考慮 PK ,IK ,DK 的作用如下 : (1) 比例系數(shù) PK 的作用是加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。 PID 參數(shù)的校正部分實(shí)質(zhì)是一個模糊控制器。 模糊自整定 PID 方案 模糊自整定 PID控制的原理 由于在 控制過程中各種信號量以及評價指標(biāo)不易定量表示，模糊理論是解決這一問題的有效途徑，所以人們運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)的基本理論方法，把規(guī)則的條件、操作用模糊集表示，并把這些模糊控制規(guī)則以及有關(guān)信息（如評價指標(biāo)、初始 PID 參數(shù)等）作為知識存入計算機(jī)知識庫中，然后計算機(jī)根據(jù) 18 控制系統(tǒng)的實(shí)際響應(yīng)情況，運(yùn)用模糊推理，即可自動實(shí)現(xiàn)對 PID 參數(shù)的最佳調(diào)整，這就是模糊自 整定 PID 控制 [14]。 ，干擾和參數(shù)變化對控制效果的影響被大大減弱，尤其適合于非線性、時變及純滯后系統(tǒng)的控制。 模糊控制 器 的優(yōu)缺點(diǎn) 模糊控制 器 具有的突出 的優(yōu)點(diǎn) ： ，它直接采用語言型控制規(guī)則，出發(fā)點(diǎn)是現(xiàn)場操作人員的控制經(jīng)驗(yàn)或相關(guān)專家的知識，在設(shè)計中不需要建立被控對象的精確的數(shù)學(xué)模型，因而使得控制機(jī)理和策略易于接受與理解，設(shè)計簡單，便于應(yīng)用。 c 加權(quán)平均法：對論域中的每個點(diǎn)，以它們對待判決的模糊集的隸屬度為加權(quán)系數(shù)，它類似于重心的計算，所以也稱重心法。 解模糊化 包含以下兩部分內(nèi)容：量程轉(zhuǎn)換和解模糊。對于其中一條規(guī)則 Ri：如果 x 是 Ai and y 是 Bi，則 z 是 Ci 其模糊蘊(yùn)含關(guān)系定義為 : μRi = μ(Ai and Bi→Ci)(x,y,z) = [μAi(x)andμBi(y)]→ μCi(Z) （ 27） 其中， “ Ai and Bi”是定義在 X Y 上的模糊集合 Ai Bi ， Aiand Bi → C 是定義在 X Y Z 上的模糊蘊(yùn)含關(guān)系。 ifthen 的模糊控制規(guī)則為表示控制領(lǐng)域的專家知識提供了方便的工具。如“溫度偏高，則加入較多 的冷卻水”，其中“偏高”和“較多”均為模糊量。因此選取模糊控制規(guī)則是設(shè)計模糊控制器的核心，它是由設(shè)計者根據(jù)專家和操 作人員的經(jīng)驗(yàn)和知識，通過大量觀察和試驗(yàn)，總結(jié)形成一系列模糊條件句，把它們作為模糊控制規(guī)則存儲起來，用于模糊推理過程中。因此，在選擇模糊變量的模糊集的隸屬函數(shù)時，一般在誤差較大時采用較低分辨率的模糊集，在誤差較小的區(qū)域采用較高分辨率的模糊集，當(dāng)誤差接近零時，采用高分辨率的模糊集。隸屬函數(shù)可取不同的形狀 [9]，如梯形、三角形、高斯形等。因此，必須根據(jù)系統(tǒng)的控制要求和設(shè)計方便綜合地選擇輸入、輸出變量分割數(shù)。模糊語言名稱個數(shù)的選取，也可看成是對輸入輸出空間的模糊分割，模糊分割的個數(shù)也決定了最大可能的模糊規(guī)則數(shù)目。有兩種轉(zhuǎn)換方法：一種是在論域上己定義的模糊子集中，找到該點(diǎn)對應(yīng)最大隸屬度的模糊子集，作為此點(diǎn)的模糊量，即合適的語言值；第二種是進(jìn)行單點(diǎn)模糊，該點(diǎn)處它的隸屬度為 1，其余為 0，選擇此模糊集。 在模糊控制器中 的輸入量為 e 和 ec，因此它相當(dāng)于是非線性的 PD 控制， k1， k2 分別是比例項(xiàng)和導(dǎo)數(shù)項(xiàng)前面的比例系數(shù) [8]，它們對系統(tǒng)性能有很大影響，要仔細(xì)加以選擇。 (e)=(r)(y)和 ec = de(t)dt ，其中： r ( t)表示參考輸入，y (t)表示系統(tǒng)輸出， e 表示誤差， ec 表示誤差導(dǎo)數(shù)。由于模糊控制器對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理是基于模糊集合的方法，因此對輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行模糊化處理是必不可少的一步。都是由控制規(guī)則決定的非線性函數(shù)關(guān)系。 （ 2）誤差 E 和誤差變化量 EC 作為模糊控制器的輸入，而以控制量 U 或控制量的變化△ U 作為模糊控制器的輸出。 下面是 常見 的 兩種 模糊控制器的結(jié)構(gòu)及其對應(yīng)的控制規(guī)則的類型： （ 1）模糊 E 為模糊控制器的輸入，而以控制量 U 或控制量的變化△ U 作為模糊控制器的輸出。 模糊控制器的設(shè)計分為如下定值 A/D 模糊量 化 計算變量 模糊控制規(guī)律 模糊 推理 去模糊化處理 被控對象 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 傳感器 11 幾個步驟 ： 由于模糊控制器的控制規(guī)則是根據(jù)操作人員的控制經(jīng)驗(yàn)提出的，而一般操作人員只能觀察到被控對象的輸出變量和輸出變量的變化，或者觀察到輸出變量和輸出變量的總和這兩個狀態(tài)，因此，在模糊控制中，總是選取誤差和誤差的變化率或誤差及誤差的和作為它的輸入量，而把控制量的變化作為模糊控制器的輸出變量，這樣就確定了模糊控制器的結(jié)構(gòu)。因此便嘗試著以模糊數(shù)學(xué)來處理這些控制問題。 模糊控制方案 模糊 控制 理論 模糊控制方法就是 利用模糊數(shù)學(xué)的基本思想和理論的控制方法。 若 自整定是基于控制律的，經(jīng)常難以把由負(fù)載干擾引起的影響和過程動態(tài)特性變化引起的影響區(qū)分開來，因此受到干擾的影響控制器會產(chǎn)生超調(diào)，產(chǎn)生不必要的 參數(shù) 轉(zhuǎn)換。在很多情況下其控制質(zhì)量對被控對象的結(jié)構(gòu)或參數(shù)變化不敏感。 （ 2） PID 參數(shù)較易整定。 大林算法是由美國 IBM 公司的 Dahlin 于 1968 年針對工業(yè)過程控制中的純滯后特性而提出的一種控制算法 .該算法的目標(biāo)是設(shè)計一個合適的數(shù)字調(diào)節(jié)器 D(z),使整個系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)相當(dāng)于一個帶有純滯后的一階慣性環(huán)節(jié) ,而且要求閉環(huán)系統(tǒng)的純滯后時間等于被控對象的純滯后時間 .大林 算法方法比較簡單 ,只要能設(shè)計出合適的且可以物理實(shí)現(xiàn)的數(shù)字調(diào)節(jié)器 D(z),就能夠有效地克服純滯后的不利影響 ,因而在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用 .但它的缺點(diǎn)是設(shè)計中存在振鈴現(xiàn)象 ,且與 Smith 算法一樣 ,需要一個準(zhǔn)確的過程數(shù)字模型 ,當(dāng)模型誤差較大時 ,控制質(zhì)量將大大惡化 ,甚至系統(tǒng)會變得不穩(wěn)定 .實(shí)際上已有文獻(xiàn)證明 ,只要在 Smith 預(yù)估器中按給定公式設(shè)計調(diào)節(jié)器 D 伺 ,則 Smith預(yù)估器與 Dahlin 算法是等價的 ,Dahlin 算法可以看作是 Smith 預(yù)估器的一種特殊情況 . PID控制器的優(yōu)缺點(diǎn) 作為一個簡單 有效，用途廣泛，使用靈活的控制器， PID 控制器 已有系列化產(chǎn)品，使用中只需設(shè)定三個參數(shù)（ Kp， Ti 和 Td）即可 [4]?？梢酝ㄟ^數(shù)學(xué)的方法證明，在其他控制方法導(dǎo)致系統(tǒng)有穩(wěn)定誤差或過程反復(fù)的情況下，一個 PID 反饋回路卻可以保持系統(tǒng)的穩(wěn)定。這些方法雖然理論上比較簡單，但在實(shí)際應(yīng)用中卻能收到很好的控制效果，因而在工業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中獲得了廣泛的應(yīng)用。微分作用對噪聲干擾有放大作用，因此過強(qiáng)的加微分調(diào)節(jié)，對系統(tǒng)抗干擾不利。微分部分的作用強(qiáng)弱由微分時間常數(shù) Td 決定。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。若系統(tǒng)存在誤差，積分調(diào)節(jié)就進(jìn)行，直至無誤差，積分調(diào)節(jié)才停止，此時積分調(diào)節(jié)輸出為一常值。當(dāng)僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差。 PID 控制，實(shí)際中也有 PI 和 PD 控制。它實(shí)質(zhì)上是一種無模型控制方案，即在不需要知道對象精確模型的情況下，通過自身的 調(diào)節(jié)作用，使實(shí)際控制效果達(dá)到理想的控制效果。對于許多復(fù)雜的系統(tǒng)，難以建立有效的數(shù)學(xué)模型，采用常規(guī)的控制理論去進(jìn)行定量計算和分析時，控制效果并不好；采用定量方法與定性方法相結(jié)合的控制方式，會得到更好的控制效果。本文所做的工作是： ，即 PID 控制，模糊控制，模糊自適應(yīng) PID 三種方案的理論響應(yīng)速度，超調(diào)量，穩(wěn)態(tài)誤差等技術(shù)要點(diǎn)。從控制系統(tǒng)技術(shù)的觀點(diǎn)來看 , 模糊控制是一種普遍的非線性特征域控制器。美國專門從事模糊控制開發(fā)的機(jī)構(gòu)是 TogaiInfalogc 公司，主要從事模糊加速板和軟件開發(fā)工具的研究。自 整定 模糊控制器的問世，標(biāo)志著模糊控制器“智能化 ”程 度進(jìn)一步向高級階段發(fā)展，毫無疑問地證實(shí)它歸屬于“智能控制器”范疇。例如，熊秋思等人的氣煉機(jī)模糊符合控制系統(tǒng)；劉浪舟等人的玻璃窯模糊控制系統(tǒng)；于旭亮的化工過程大滯后系統(tǒng)的模糊控制研究等等。在 1979 年，李玉綬，劉志俊等人用連續(xù)數(shù)字方法研究了典型模糊控制器的性能。計算機(jī)硬件與控制軟件的緊密結(jié)合必然導(dǎo)致新型的自動控制系統(tǒng)的出現(xiàn)。在某些復(fù)雜的和包含不確定 性的控制過程無法用傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型來描述，即無法解決建模問題。但在烘干爐控制系統(tǒng)中 , 由于電熱絲的功率、 通風(fēng)管氣流之間存在非線性和不確定的關(guān)系 , 再加上外界干擾 ,很容易使系統(tǒng)失去精確控制。 The a