【正文】 器，清F0標(biāo)志位，返回主程序。設(shè)定值的范圍是50150度，當(dāng)溫度超過這個(gè)范圍是時(shí)，按鍵將不起作用。采樣值始址送R1采樣次數(shù)送R0選同INT1啟動(dòng)ADC延時(shí)A/D完成？NY所有采樣結(jié)束？NY返回圖42 采樣子程序流程圖 濾波子程序流程圖從上邊可以知道為了減小系統(tǒng)誤差采樣了3次，而濾波子程序則是將三次采樣值進(jìn)行比較，取中間值作為實(shí)時(shí)溫度的值，用它進(jìn)行顯示以及后續(xù)的的運(yùn)算。 主程序流程圖主程序主要實(shí)現(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)的初始化，并通過調(diào)用子程序?qū)崿F(xiàn)將運(yùn)算結(jié)果與極限值進(jìn)行比較，從而確定跳轉(zhuǎn)方向，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的報(bào)警功能及運(yùn)算功能。 程序流程控制系統(tǒng)的程序主要包括：采樣、標(biāo)度變換、控制計(jì)算、控制輸出、中斷、顯示、報(bào)警、調(diào)節(jié)參數(shù)修改、溫度設(shè)定及修改?？梢苑抡?1系列、AVR、PIC、ARM、等常用主流單片機(jī)。在編譯方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多種編譯。它是目前最好的仿真單片機(jī)及外圍器件的工具。2．實(shí)時(shí)的溫度測(cè)量由于條件的限制直接用模擬電壓來代替?zhèn)鞲衅骷白兯推?，?808來采樣和轉(zhuǎn)換溫度。圖311 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案圖其中：1．單片機(jī)采用的是MCS51系列的89C51，其集成了中央處理器CPU、隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM、程序存儲(chǔ)器ROM或EPROM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、中斷控制器及串型和并行I/O接口等部件。當(dāng)溫度在設(shè)定溫度的正負(fù)5度之內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)行PID運(yùn)算控制；當(dāng)高于設(shè)定溫度5度時(shí)，停止加熱；當(dāng)?shù)陀谠O(shè)定溫度5度時(shí)，全功率加熱。其仿真圖如圖38所示。每按下一次，溫度就相應(yīng)的加一或減一。另外ADC0809輸出具有TTL三態(tài)鎖存緩沖器，可直接連到CPU數(shù)據(jù)總線上。A/T89C51仿真圖如圖35所示。 基于單片機(jī)的模糊自適應(yīng)PID控制系統(tǒng)的控制回路本系統(tǒng)是采用以AT89C51單片機(jī)為核心的溫度控制系統(tǒng)，通過溫度傳感器采樣實(shí)時(shí)溫度，并通過變送器將溫度最終轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)通過A/D轉(zhuǎn)換器0808將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，送入單片機(jī)與給定值進(jìn)行比較，通過運(yùn)用PID算法得出控制結(jié)果，送顯示并進(jìn)行控制。ROM因此也常被稱為程序存儲(chǔ)器。CPU在運(yùn)行時(shí)可對(duì)RAM隨時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的的寫入和讀出，但在關(guān)閉電源時(shí)，RAM中所存的信息也會(huì)丟失，所以RAM只能用來存放暫時(shí)性的輸入/輸出數(shù)據(jù)、運(yùn)算中的結(jié)果等?？臻e方式停止CPU的工作，但允許RAM，定時(shí)/計(jì)數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。本次設(shè)計(jì)選用的是AT89C51，是MCS51單片機(jī)系列的一種?；趩纹瑱C(jī)的模糊PID控制器的運(yùn)行原理：電源輸出5伏的電壓給各個(gè)芯片，使其獲得穩(wěn)定的電壓值。閉環(huán)控制系統(tǒng)有正反饋和負(fù)反饋，若反饋信號(hào)與系統(tǒng)給定值信號(hào)相反，則稱為負(fù)反饋( Negative Feedback)，若極性相同，則稱為正反饋，一般閉環(huán)控制系統(tǒng)均采用負(fù)反饋，又稱負(fù)反饋控制系統(tǒng)。微分控制TD對(duì)系統(tǒng)性能的影響：微分作用可以改善動(dòng)態(tài)特性，TD偏大時(shí)，超調(diào)量較大，調(diào)節(jié)時(shí)間較短。這個(gè)導(dǎo)數(shù)的控制會(huì)對(duì)系統(tǒng)的改變做出反應(yīng)。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。積分控制TI對(duì)系統(tǒng)性能的影響：積分作用使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，TI?。ǚe分作用強(qiáng)）會(huì)使系統(tǒng)不穩(wěn)定，但能消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的控制精度。I從過去的平均誤差值來找到系統(tǒng)的輸出結(jié)果和預(yù)定值的平均誤差。積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。如果Kp的符號(hào)選擇不當(dāng)對(duì)象狀態(tài)(pv值)就會(huì)離控制目標(biāo)的狀態(tài)(sv值)越來越遠(yuǎn)，如果出現(xiàn)這樣的情況Kp的符號(hào)就一定要取反。Kp偏大，振蕩次數(shù)加多，調(diào)節(jié)時(shí)間加長。比例來控制當(dāng)前，誤差值和一個(gè)負(fù)常數(shù)P（表示比例）相乘，然后和預(yù)定的值相加?；颍? （29） 公式中，其中、分別為控制器的比例、積分、微分系數(shù)。通常情況下Kd為中等大小。在這種情況下，Kd的取值對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)影響較大，Ki的取值要適當(dāng)。 ECKdENBNMNSOPSPMPBNBPSNSNBNBNBNMPSNMPSNSNBNMNMNSONSONSNMNMNSNSOOONSNSNSNSNSOPSOOOOOOOPMPBPSPSPSPSPSPBPBPBPMPMPMPSPSPB表26 Kd控制規(guī)則根據(jù)模糊規(guī)則表在線修正PID參數(shù)，計(jì)算公式如下：Kp=K′p+△Kp；Ki=K′i+△Ki；Kd=K′d+△Kd：其中Kp、Ki、Kd為原先定好的初始PID參數(shù)。因此，Kd值的選取對(duì)調(diào)節(jié)動(dòng)態(tài)特性影響很大。因此，在調(diào)節(jié)過程的初期，為防止積分飽和，其積分作用應(yīng)當(dāng)弱一些，甚至可以取零；而在調(diào)節(jié)中期，為了避免影響穩(wěn)定性，其積分作用應(yīng)該比較適中；最后在過程的后期，則應(yīng)增強(qiáng)積分作用，以減小調(diào)節(jié)靜差。因此，調(diào)節(jié)初期應(yīng)適當(dāng)取較大的Kp值以提高響應(yīng)速度，而在調(diào)節(jié)中期，Kp則取較小值，以使系統(tǒng)具有較小的超調(diào)并保證一定的響應(yīng)速度；而在調(diào)節(jié)過程后期再將Kp值調(diào)到較大值來減小靜差，提高控制精度。輸入各個(gè)語言值的定義分別由高斯形隸屬函數(shù)曲線來描述。仿真結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)方法使控制系統(tǒng)的性能明顯改善。模糊控制表是模糊控制算法在計(jì)算機(jī)中的表達(dá)方式，它是根據(jù)輸入輸出的個(gè)數(shù)、隸屬函數(shù)及控制規(guī)則等決定的。(3)微分作用系數(shù)KD的作用是改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。KP越大，系統(tǒng)的響應(yīng)速度越快，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度越高，但易產(chǎn)生超調(diào)，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定、KP過小，則會(huì)降低調(diào)節(jié)精度，使響應(yīng)速度緩慢，從而延長調(diào)節(jié)時(shí)間，使系統(tǒng)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性變壞。e(k1)為第(k1)次采樣時(shí)的偏差值。 離散PID控制的形式為 (2) 式中，u(k)為第k次采樣時(shí)控制器的輸出。逆模糊化處理RPID調(diào)節(jié)器被控對(duì)象de/dt測(cè)量反饋基于單片機(jī)的模糊PID控制器Y干擾擾動(dòng)模糊化模糊控制規(guī)劃模糊決策圖11 模糊控制PID系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖第2章 模糊自適應(yīng)PID控制原理 PID控制系統(tǒng)概述PID控制器系統(tǒng)原理框圖如圖21所示。復(fù)合型模糊控制器是把模糊控制和其他傳統(tǒng)控制方式組合在一起的控制器，這些控制方式一般有強(qiáng)比例控制、PID控制和開關(guān)控制等。并且目前已有了專用的模糊芯片和模糊計(jì)算機(jī)的產(chǎn)品，可供選用。 模糊控制技術(shù)，已經(jīng)成為智能控制技術(shù)的一個(gè)重要分支，它是一種高級(jí)算法策略和新穎的技術(shù)。模糊控制理論的核心是利用模糊集合論，把人的控制策略的自然語言轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)能夠接受的算法語言所描述的算法。智能控制主要分為模糊邏輯控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和實(shí)時(shí)專家系統(tǒng)。此外，考慮把模糊PID控制和當(dāng)今新型的、性能較好的單片機(jī)結(jié)合在一起，更好的發(fā)揮他們的作用。它的性能取決于參數(shù)的整定情況，對(duì)那些對(duì)象模型復(fù)雜和難以確定精確模型的控制系統(tǒng)，具有很大的局限性，而且它的快速性和超調(diào)量之間的矛盾關(guān)系，使它不一定能滿足調(diào)節(jié)時(shí)間短，超調(diào)小的技術(shù)要求。PID控制（Control of Proportion Integration Differentiation）就是比例、積分、微分控制。這就是說，單一的PID控制或單一的模糊控制都有其自身的不足，因此，分析它們各自的優(yōu)缺點(diǎn)，考慮可以把它們相互結(jié)合，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，形成模糊PID控制。智能控制是在經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，是控制理論、人工智能和計(jì)算機(jī)科學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物。 Set論文中首次提出表達(dá)事物模糊性的重要概念——隸屬函數(shù)?！澳：刂啤钡奶厣褪且环N“語言型”的決策控制。尤其在交通路口控制、機(jī)器人、機(jī)械手控制、航天飛行控制、汽車控制、電梯控制、核反應(yīng)堆及家用電器控制等方面，表現(xiàn)其很強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。 研究方法模糊控制本質(zhì)（機(jī)理）分為單一型和復(fù)合型。模糊控制PID系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，如圖11所示。對(duì)連續(xù)時(shí)間類型，PID控制方程的標(biāo)準(zhǔn)形式為， (1) 式中，u(t)為PID控制器的輸出，與執(zhí)行器的位置相對(duì)應(yīng)；t為采樣時(shí)間；KP為控制器的比例增益；e(t)為PID控制器的偏差輸入，即給定值與測(cè)量值之差；TI為控制器的積分時(shí)間常數(shù)；TD為控制器的微分時(shí)間常數(shù)。T為采樣周期。 （1）系數(shù)KP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。若KI過小，將使系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差難以消除，影響系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。參數(shù)名稱上升時(shí)間超調(diào)量過渡過程時(shí)間靜態(tài)誤差KP減少增大微小變化減少KI減少增大增大消除KD微小變化減少減少微小變化表22 KP 、KI、 KD與系統(tǒng)時(shí)間域性能指標(biāo)之間的關(guān)系 模糊自適應(yīng)PID控制系統(tǒng) 模糊控制通過模糊邏輯和近似推理方法，讓計(jì)算機(jī)把人的經(jīng)驗(yàn)形式化、模型化，根據(jù)所取得的語言控制規(guī)則進(jìn)行模糊推理，給出模糊輸出判決，并將其轉(zhuǎn)化為精確量，作為饋送到被控對(duì)象(或過程)的控制作用。應(yīng)用模糊推理的方法可實(shí)現(xiàn)對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行在線自整定，設(shè)計(jì)出參數(shù)模糊自整定PID控制器。本設(shè)計(jì)模糊控制器輸入語言變量，分別表示輸入量的偏差和偏差變化率，規(guī)定：它們的論域?yàn)椋篍，Ec=﹛6，5，4，3，2，1，0，1，2，3，4，5，6}；它們的模糊集為：E，Ec=﹛NB，NM，NS，O，PS，PM，PB﹜；其含義一次為負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大。增大Kp能提高響應(yīng)速度，減小穩(wěn)態(tài)誤差；但是，Kp值過大會(huì)產(chǎn)生較大的超調(diào)，甚至使系統(tǒng)不穩(wěn)定減小Kp可以減小超調(diào)，提高穩(wěn)定性，但Kp過小會(huì)減慢響應(yīng)速度，延長調(diào)節(jié)時(shí)間。由于某些原因(如飽和非線性等)，積分過程有可能在調(diào)節(jié)過程的初期產(chǎn)生積分飽和，從而引起調(diào)節(jié)過程的較大超調(diào)。系統(tǒng)的微分環(huán)節(jié)系數(shù)能反映信號(hào)變化的趨勢(shì)，并能在偏差信號(hào)變化太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而加快響應(yīng)速度，減少調(diào)整時(shí)間，消除振蕩．最終改變系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。依據(jù)以上分析，制定的Kd控制規(guī)則表如表26所列。②當(dāng)|E|處于中等大小時(shí)，為使系統(tǒng)響應(yīng)超調(diào)較小，Kp應(yīng)取小些。當(dāng)|Ec|較大時(shí)，Kd取較小值；當(dāng)|Ec|較小時(shí)，Kd取較大值。進(jìn)一步改進(jìn)調(diào)節(jié)器的方法是通過檢測(cè)信號(hào)的變化率來預(yù)報(bào)誤差，并對(duì)誤差的變化作出響應(yīng)，于是在PI調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上再加上微分調(diào)節(jié)器，組成比例、積分、微分(PID)調(diào)節(jié)器，微分調(diào)節(jié)器的加入將有助于減小超調(diào)，克服振蕩，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，同時(shí)加快了系統(tǒng)的穩(wěn)定速度，縮短調(diào)整時(shí)間，從而改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，PID控制規(guī)律為 （27）因此它的傳遞函數(shù)為 （28）U(s)和E(s)分別為u(t)和e(t)的拉氏變換，其中Kp為比例系數(shù)；為積分時(shí)間常數(shù)；為微分時(shí)間常數(shù)。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（Steadystate error）。比例系數(shù)Kp對(duì)系統(tǒng)性能的影響：比例系數(shù)加大，使系統(tǒng)的動(dòng)作靈敏，速度加快，穩(wěn)態(tài)誤差減小。Kp可以選負(fù)數(shù)，這主要是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感器以控制對(duì)象的特性決定的。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。積分來控制過去，誤差值是過去一段時(shí)間的誤差和，然后乘以一個(gè)負(fù)常數(shù)I，然后和預(yù)定值相加。所以，最終這個(gè)PID回路系統(tǒng)會(huì)在預(yù)定值定下來。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后(delay)組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。微分來控制將來，計(jì)算誤差的一階導(dǎo)，并和一個(gè)負(fù)常數(shù)D相乘，最后和預(yù)定值相加。D參數(shù)對(duì)減少控制器短期的改變很有幫助。第3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 基于單片機(jī)模糊自適應(yīng)PID控制器硬件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)在控制中我們采取閉環(huán)控制系統(tǒng)，閉環(huán)控制系統(tǒng)(closedloop control system)的特點(diǎn)是系統(tǒng)被控對(duì)象的輸出(被控制量)會(huì)反送回來影響控制器的輸出，形成一個(gè)或多個(gè)閉環(huán)。圖31 模糊自適應(yīng)PID控制系統(tǒng)的控制回路在回路中，設(shè)定值與測(cè)量反饋得到的偏差信號(hào)送給模糊PID控制器，模糊PID控制器輸出控制信號(hào)來調(diào)節(jié)控制閥，進(jìn)而改變被控變量，使偏差信號(hào)被控制在很小的范圍內(nèi)，即：使被控變量與設(shè)定值保持一致。如果將微處理器、存儲(chǔ)器和輸入/輸出接口電路集成在一塊集成電路芯版上，稱為單片微型計(jì)算機(jī)，簡(jiǎn)稱單片機(jī)。同時(shí)，AT89C51可降至0HZ的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式。存儲(chǔ)器按其存儲(chǔ)方式可分為兩大類：一類為隨機(jī)存儲(chǔ)器（RAM）；另一類為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ROM）。在斷電后，ROM中的信息保留不變，所以ROM用來存放固定的程序或數(shù)據(jù)。MCS51單片機(jī)存儲(chǔ)器可分為5類：1．片內(nèi)程序存儲(chǔ)器；2．片外程序存儲(chǔ)器；3．片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；4．特殊功能存儲(chǔ)器；5．片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。整個(gè)控制系統(tǒng)的程序就下載到單片機(jī)中去。A/D轉(zhuǎn)換部分包括比較器、逐次逼近寄存器（SAR）、256R電阻網(wǎng)絡(luò)、樹狀電子開關(guān)、控制與時(shí)序電路等。 圖36 A/D0808仿真圖 按鍵選擇模塊系統(tǒng)采用了兩個(gè)按鍵用來進(jìn)行溫度的設(shè)定，一個(gè)進(jìn)行溫度加，一個(gè)進(jìn)行溫度減。并用74LS04來驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管。圖39 報(bào)警示意圖 輸出模塊經(jīng)過數(shù)據(jù)的運(yùn)算，通過導(dǎo)通時(shí)間的長短來控制加熱的強(qiáng)度，以達(dá)到精確控制的效果。圖310 加熱示意圖 單片機(jī)仿真和元器件清單 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)圖如圖311所