【正文】 模糊自 整定 P ID 控制系統(tǒng)的仿真 ............................... 42 主程序的設(shè)計(jì) ....................................................................... 46 模糊自適應(yīng) PID 算法 ............................................................ 48 鍵盤和 LED 顯 示程序 ............................................................ 49 串口通信程序 ....................................................................... 52 結(jié) 論 .................................................................................................. 53 致 謝 .................................................................................................... 54 參考文獻(xiàn) .............................................................................................. 54 附錄 1 ................................................................................................... 56 附錄 2 ................................................................................................... 57 V contents Abstract .............................................. 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 Development status abroad ........................................ 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 Fuzzy selftuning PID control principle ................ 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 The selection of the single chip microputer ................ 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 Siliconcontrolled rectifier control circuit design.............. 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 而在實(shí)際控制過程中， PID 控制器具有原理簡(jiǎn)單、 使用方便、 穩(wěn)定可靠、 無靜差等優(yōu)點(diǎn) , 因此在控制理論和技術(shù)飛躍發(fā)展的今天 , 他在工業(yè)控制領(lǐng)域仍具有強(qiáng)大的生命力。傳統(tǒng)控制方法是基于被控對(duì)象精確模型的控制方式，缺乏靈活性和應(yīng)變能力，適于解決線性、時(shí)不變等相對(duì)簡(jiǎn)單的控制問題，而實(shí)際系統(tǒng)由于存在復(fù)雜性、非線性、時(shí)變性、不確定性等，無法獲得精確的數(shù)學(xué)模型。 2 控制的發(fā)展 狀況 國內(nèi) 發(fā)展 現(xiàn) 狀 在計(jì)算機(jī)技術(shù)日新月異的發(fā)展情況下，控制系統(tǒng)得到了長足的進(jìn)步，而現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，也為控制系統(tǒng)的升級(jí)增加了新的內(nèi)容。雖然起步較晚，但是發(fā)展比較迅速，在模糊控制，模糊集合論，模糊圖像處理，模糊模式識(shí)別等領(lǐng)域取得了不少有實(shí)際意義的成果。隨后，在我國不少高校和研究所都成功研制出用于工業(yè)控制的模糊控制器。 1979 年英國的 業(yè)和 研究了自組織的模糊控制器，它在控制過程中不斷修改和調(diào)整控制規(guī)則，使控制系統(tǒng)的性能不斷完善。美國的模糊工程是從美國宇航管理局（ NASA）開始的。從信息技術(shù)的觀點(diǎn)來看 , 模糊控制是一種基于規(guī)則的專家系統(tǒng)。 模糊控制雖然已經(jīng)有不少的研究成果 , 而且也被廣泛地應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐中 , 但模糊控制的發(fā)展歷史還不長 , 理論上的系統(tǒng)性和完善性、技術(shù)上的成熟性和規(guī)范性都還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的 , 尤其是模糊控制與其他智能化控制方法相結(jié)合的控制方法 , 還有待于人們?cè)趯?shí)踐中得到驗(yàn)證和進(jìn)一步的提高 本文 的研究內(nèi)容 基于以上當(dāng)前各種的溫度控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，以及烘干爐溫度這一物理參數(shù)變化緩慢，大慣性和大滯后的特點(diǎn)，要求實(shí)時(shí)性較好，需要在集中備選方案中選擇。 5 第 2 章 控制理論 PID 控制方案 智能控制是指在無人干預(yù)的情況下能自主地驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)的自動(dòng)控制技術(shù)。智能控制方案會(huì)解決更具有挑戰(zhàn)性的復(fù)雜控制問題。 PID 控制器是一種比例、積分、微分并聯(lián)控制器 。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。它的數(shù)學(xué)表達(dá)式為： Kpe(t) （ 21） （ 2）積分（ I）控制 能使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高無差度。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。在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。在微分時(shí)間選擇合適情況下，可以減少超調(diào)，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。主要包括自整定 PID 控制、 Smith 預(yù)估控制、大林算法這幾種方法。和其他簡(jiǎn)單的控制 運(yùn)算不同， 8 PID 控制器可以根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和差別的出現(xiàn)率來調(diào)整輸入值，這樣可以使系統(tǒng)更加準(zhǔn)確，更加穩(wěn)定。若預(yù)估模型準(zhǔn)確，則能獲得較好的控制效果，從而消除純滯后對(duì)系統(tǒng)的不良影響，使系統(tǒng)調(diào)節(jié)與被控過程無純滯后時(shí)相同，如果預(yù)估模型不準(zhǔn)確，則效果不會(huì)理想。雖然很多工業(yè)過程是非線性或時(shí)變的，但通過對(duì)其簡(jiǎn)化可以變成基本線性和動(dòng)態(tài)特性不隨時(shí)間變化的系統(tǒng)，這樣 PID 就可控制了。控制器適用于多種截然不同的對(duì)象，算法在結(jié)構(gòu)上具有較強(qiáng)的魯棒性。這個(gè)方法會(huì)引起擾動(dòng)，所以基于模型的 PID 參數(shù)自整定在工業(yè)應(yīng)用不是太好。 在處理大時(shí)滯、開環(huán)不穩(wěn)定過程等難控對(duì)象時(shí)，需要通過多個(gè) PID 控制器或與其它控制器的組合，才能得到較好的控制效果。換言之，傳統(tǒng) 10 的控制理論對(duì)于明確系統(tǒng)有強(qiáng)而有力的控制能力，但對(duì)于過于復(fù)雜或難以精確描述的系統(tǒng)，則顯得無能為力了。 模糊控制器是模糊控制系統(tǒng)的核心，一個(gè)模糊控制系統(tǒng)的性能優(yōu)劣主要取決于模糊控制器的結(jié)構(gòu)、所采用的模糊規(guī)則、合成推理算法，以及模糊決策的方法等因素 [5]。 這時(shí)的模糊控制器就類似于一個(gè) PD 控制器，從而有利于保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減少響應(yīng)過程的超 調(diào)量并減弱系統(tǒng)振蕩。都是由控制規(guī)則決定的非線性函數(shù)關(guān)輸入 E 模糊控制器 輸出 U 圖 23 模糊控制器結(jié)構(gòu) 1 輸入 輸出 Δ U 模糊控制器 E 12 系。(e,ec) 其中 R、 R39。在模糊控制中，觀測(cè)到的數(shù)據(jù)常常是清晰量。例如，常見的情況是計(jì)算。 設(shè) e， ec 和 u 的實(shí)際變化范圍分別為 [e， e ] [ec ， ec]和 [u， u]，并設(shè) e， ec 和 u 的論域分別為 : {ni， ni+l，?， 0， 1，?， ni} ( i = 1 , 2 , 3 ) 則比例因子 k k2 和量化因子 k3 由以下幾個(gè)公式確定： k1 = n1em k2 = n2em k3 = n3em （ 26） 此處的功能是將比例變換后的連續(xù)值再經(jīng)四舍五入變?yōu)檎麛?shù)值。 （ 3）將己經(jīng)變換到論域范圍的輸入量進(jìn)行模糊處理，使原先精確的輸入量變成模糊量，并用相應(yīng)的模糊集合來表示。 每一個(gè)語言值本身就是一個(gè)模糊集合。選擇過少，則使得描述變量變得粗糙，導(dǎo)致控制性能變差。將確定的隸屬函數(shù)曲線離散化 ，就得到了有限個(gè)點(diǎn)的隸屬度，便構(gòu)成了一個(gè)相應(yīng)的模糊變量的模糊子集。當(dāng)隸屬度函數(shù)較窄瘦時(shí)，其分辨率較高，控制靈敏度較高；反之，控制較粗糙，系統(tǒng)較平緩，穩(wěn)定性好，但動(dòng)態(tài)性能較差。 在模糊推理系統(tǒng)中，模糊規(guī)則以模糊語言的形式描述人類的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)，規(guī)則是否正確地反映專家的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)，是否反映對(duì)象的特性，直接決定模糊推理系統(tǒng)的性能。在模糊控制中，通過用一組語言描述的規(guī)則來表示專家的知識(shí)，專家知識(shí)通常具有如下的形式：if(滿足一組條件 )then(可以推出一組結(jié)論 ) 在 ifthen 規(guī)則中的前提和結(jié)論均是模糊的概念。其中前提為具體應(yīng)用領(lǐng)域中的條件，結(jié)論為要采取的控制行動(dòng)。 Ai，Bi和 Ci ( i =1， 2，? n)分別是語言變量 x， y， z 在其論域 X， Y， Z 上的語言變量值，所有規(guī)則組合在一起就構(gòu)成了規(guī)則庫。 5. 解模糊化 通過模糊推理得到的結(jié)果是一個(gè)模糊集合，但在實(shí)際系統(tǒng)中，必須要有一個(gè)確定的值才能去控制或者驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過解模糊化 將推論所得到的 16 模糊值轉(zhuǎn)換為明確 的控制訊號(hào)， 用于系統(tǒng)的輸入 。 b 取中位數(shù)法：將求出的模糊子集的隸屬度函數(shù)曲線與橫坐標(biāo)所圍成的面積的均分點(diǎn)對(duì)應(yīng)的論域元素作為判決結(jié)果。若 z0 的變化范圍為 [zmin, zmax]，實(shí)際控制量的變化范圍為 [umin, umax]，若采用線性變換則有： μ = umax+umin2 +k(z0 ? zmax+zmin2 ) （ 29） 其中 k 稱為量化因子。 ，這有利于模擬人工控制的過程和方法，增強(qiáng)控制系統(tǒng)的適應(yīng)能力，使之具有一定的智能水平。若要提高精度則必然增加量化級(jí)數(shù)，從而導(dǎo)致規(guī)則搜索范圍擴(kuò)大，降低決策速度，甚至不能實(shí)時(shí)控制； 模糊控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性即如何解決模糊控制中關(guān)于穩(wěn)定性和魯棒性問題比較困難。 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程主要有 以下幾個(gè)步驟： 。 參數(shù)模糊自調(diào)整 PID 制器就是找出在不同時(shí)刻 PID 三個(gè)參數(shù)與 e 和 ec 之間的模糊關(guān)系，在運(yùn)行中不斷檢測(cè) e 和 ec，根據(jù)模糊控制原理來對(duì)三個(gè)參數(shù)進(jìn)行在線修改，以滿足不同的 e 和 ec 對(duì)控制參數(shù)的不同的要求，而使被控對(duì)象有良好的動(dòng)、靜態(tài)性能。 (2) 積分作用系數(shù) IK 的作用是消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。但 DK 過 21 大，會(huì)使響應(yīng)過程提前制動(dòng)，從而延長調(diào)節(jié)時(shí)間 ，而且會(huì)降低系統(tǒng)的抗干擾性能。 (3) 當(dāng) e 較小即接近于設(shè)定值時(shí)，為使系統(tǒng)有良好的穩(wěn)態(tài)性能，應(yīng)增加PK 和 IK 的取值，同時(shí)為避免系統(tǒng)在設(shè)定值附近出現(xiàn)振蕩，并考慮系統(tǒng)的抗干擾性能， DK 的取值相當(dāng)重要。 模糊推理是不確定性推理方法的一種，其基礎(chǔ)是模糊邏輯，推理方法 Mamdani 方法和 Sugeno 方法等，采用 Mamdani 方法推理方法進(jìn)行推理（極大極小值法 )。 PID 參數(shù)的調(diào)整量的輸入值 ,也就是模糊控制表對(duì)應(yīng)的數(shù)值， 根據(jù)以上推 24 導(dǎo)方法， 可以計(jì)算出 ?Kp， ?Ki， ?Kd 的模糊控制器的查詢表。由于溫度變化比較緩慢，利用多路開關(guān)元件分別選通 4 路電壓信號(hào)放大后通過 ADC0809 轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)化 成為 8 位數(shù)字信號(hào) ，轉(zhuǎn)化后的信號(hào)送單片機(jī)處理， 將 其中控制信號(hào)與設(shè)定值進(jìn)行比較， 進(jìn)行模糊推理并整定 PID 控制器參數(shù)，最后輸出值經(jīng)單片機(jī)I/O 口驅(qū)動(dòng)光耦， 來 調(diào)節(jié)三相電源，控制加熱部件 ， 同時(shí)，鍵盤部分可以進(jìn)行輸入設(shè)定值， LED 顯示器可以顯示當(dāng)前平均溫度。如果熱電偶的工作端與參比端存有溫差時(shí)，顯示儀表將會(huì)指示出熱電偶產(chǎn)生的熱電勢(shì)所對(duì)應(yīng)的溫度值。為了保證工程技術(shù)中的可靠性，以及足夠的測(cè)量精度，并不是所有材料都能組成熱電偶，一般對(duì)熱電偶的電極材料，基本要求是：（ 1）、在測(cè)溫范圍內(nèi)，熱電性質(zhì)穩(wěn)定，不隨時(shí)間而變化，有足夠的物理化學(xué)穩(wěn)定性，不易氧化或腐蝕；（ 2）、 電阻溫度系數(shù)小，導(dǎo)電率高，比熱??；（ 3）、測(cè)溫中產(chǎn)生熱電勢(shì)要大，并且熱電勢(shì)與溫度之間呈線性或接近線性的單值函數(shù)關(guān)系；（ 4）、材料復(fù)制性好，機(jī)械強(qiáng)度高，制造工藝簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜。 3μ V，經(jīng)低溫檢定可作為二等標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行低溫量值傳遞。溫度采集輸入電路如圖 34 所示 ： 34 溫度采集 電路 在信號(hào)采集輸入電路中，要用到的必要部件除了熱電偶之外，還有以下XTR105Vlin12IR11IR214VReg11V+10Vin+13RG4RG3Vin2IRet6I07B9E8XTR105402RG137RZ1KRcm5KRlin1熱電偶GND12V1uFGNDQ11N4006+12V1uFI0(420mA)IN+3CT2+V16REF FB10REF O11REF IN1215RCV O14V4REFGND513RCV FBRCVGNDRCV420+5Vo(05V)圖