【正文】 的微分時(shí)間在PID控制器中，它的數(shù)學(xué)模型由比例、積分、微分三部分組成。具體設(shè)計(jì)了以 AT89C52 單片機(jī)為核心，K型熱電偶為溫度傳感器，MAX6675芯片為溫度轉(zhuǎn)換元件,由雙向晶閘管 AC—SSR 構(gòu)成溫度反饋信息給單片機(jī)，并由按鍵、LED 數(shù)碼顯示器及報(bào)警電路等組成電烤箱溫度控制閉環(huán)系統(tǒng)?；謴?fù)過程結(jié)束后，電路返回到穩(wěn)定狀態(tài)，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器又可接收新的輸入觸發(fā)信號(hào)。由圖中參數(shù)可知。(1) 數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示的工作原理所謂動(dòng)態(tài)顯示就是用掃描方式輪流點(diǎn)亮LED顯示器的各個(gè)位。本設(shè)計(jì)中采用軟件去抖動(dòng)。(1) 獨(dú)立式鍵盤獨(dú)立式按鍵是指直接用I/O口線構(gòu)成的單個(gè)按鍵電路。由人機(jī)接口輸入程序或數(shù)據(jù)，完成各種控制操作，顯示生產(chǎn)過程的工藝狀況與運(yùn)行結(jié)果。輸入端接控制信號(hào)，輸出端與負(fù)載、電源串聯(lián)，SSR實(shí)際是一個(gè)受控的電力電子開關(guān)。溫控系統(tǒng)中常用的交流調(diào)壓方式一般有相位控制和通斷控制，相位控制技術(shù)是使晶閘管在電源電壓每一周期中，在選定的時(shí)刻內(nèi)將負(fù)載與電源接通，改變選定的時(shí)刻就可以達(dá)到調(diào)壓的目的。MAX6675的片選線 CS 、時(shí)鐘線 SCK 和數(shù)據(jù)線 SO 分別與單片機(jī) AT89C52 、,溫度數(shù)據(jù)采用模擬 SPI 方式傳送到單片機(jī)。 MAXIM公司新近開發(fā)出一種K型熱電偶信號(hào)轉(zhuǎn)換器 (IC)MAX6675 ,該轉(zhuǎn)換器集信號(hào)放大、冷端補(bǔ)償、 A/D 轉(zhuǎn)換于一體,直接輸出溫度的數(shù)字信號(hào),使溫度測(cè)量的前端電路變得十分簡(jiǎn)單。而本設(shè)計(jì)中采用的芯片 MAX6675 具有熱補(bǔ)償，噪聲補(bǔ)償?shù)?，轉(zhuǎn)換出來的數(shù)值提高了測(cè)量精度?；诒驹O(shè)計(jì)的要求，采用鎳鉻鎳硅 熱電偶來測(cè)量溫度。數(shù)字濾波可采用均值法、中間值法和一階慣性法等方法，目的是濾除干擾信號(hào)的影響。系統(tǒng)應(yīng)設(shè)計(jì)一定的檢測(cè)程序，例如狀態(tài)檢測(cè)和診斷程序，以便系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，便于查找故障部位。(3) 較強(qiáng)抗干擾能力。要根據(jù)系統(tǒng)的技術(shù)要求，在確定系統(tǒng)總體方案時(shí)進(jìn)行合理的功能分配。估計(jì)在今后若干年內(nèi)，它們?nèi)允俏覈?位單片機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的主流機(jī)型。模糊控制適應(yīng)大慣性和純延滯后系統(tǒng)，不需要知道系統(tǒng)的精確信息，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合，能向自適應(yīng)的方向發(fā)展。在硬件上可采用單片機(jī)控制，具有調(diào)試方便，溫控精度高，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。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。 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。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。該方法抗干擾能力強(qiáng)，且易于用軟件實(shí)現(xiàn)。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)?？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。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。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。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。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。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)。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。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。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。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。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。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。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)。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。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℃。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。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。 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。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。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。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。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)。本設(shè)計(jì)采用中斷方式的獨(dú)立式鍵盤電路。LED顯示器有兩種顯示方式，即靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)顯示。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。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。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。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]?？墒欠e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。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。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。(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。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。(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)。 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%。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)則的數(shù)目，模糊推理的方法，反模糊化的方法等等。由于MATLAB提供強(qiáng)大的矩陣處理和繪圖功能，很多控制界的知名學(xué)者在自己擅長(zhǎng)的領(lǐng)域編寫了特殊的MATLAB工具箱。(2) 發(fā)展時(shí)問長(zhǎng)，被設(shè)計(jì)者廣為接受。雖然仿真環(huán)境不可能與實(shí)際情況完全相同，但它的結(jié)果還是有相當(dāng)?shù)闹笇?dǎo)意義的。所以，電烤箱模型的傳遞函數(shù)為： （）式中 K 為對(duì)象的靜態(tài)增益，T 為對(duì)象的時(shí)間常數(shù)，τ 為對(duì)象的純滯后時(shí)間目前工程上常用的方法是對(duì)過程對(duì)象施加階躍輸入信號(hào)，測(cè)量過程對(duì)象的階躍響應(yīng)，然后由階躍響應(yīng)曲線確定過程的近似傳遞函數(shù)。通過不斷調(diào)整PID三參數(shù)，得到最佳仿真曲線，其中=3，=，=0當(dāng)給定值為 100 和 150 時(shí)?？梢姡琫, ec 和 u 的模糊子集均為｛NB,NS,0,PS,PB｝，它們模糊子集的論域都為｛3,2,1,0,1,2,3｝，各模糊值的隸屬度函數(shù)曲線都為三角形。另外經(jīng)過模糊控制算法后的輸出控制量，變化范圍為﹛m, m+1, …,0, …,m1,m﹜不能直接作用于被控對(duì)象，還必須將其轉(zhuǎn)換到為控制量所能接受的基本論域[yu, yu]中去。首先設(shè)計(jì)模糊控制器。然后，使用該模糊控制器在 Simulink 中構(gòu)建整個(gè)控制系統(tǒng)。由于模糊控制是在固定論域上進(jìn)行均勻分檔，當(dāng)系統(tǒng)愈接近穩(wěn)態(tài)，控制策略愈不細(xì)膩。(2) 由于目前模糊控制器的設(shè)計(jì)基本上是根據(jù)專家和具有豐富經(jīng)驗(yàn)的操作人員的經(jīng)驗(yàn)和大量的計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)，具有一定的“暗箱效應(yīng)”，控制規(guī)則不能自動(dòng)生成與優(yōu)化，需進(jìn)一步研究自學(xué)習(xí)模糊控制策略。具體設(shè)計(jì)了以 AT89C52 單片機(jī)為核心，K型熱電偶為溫度傳感器， MAX6675芯片 ICL7135 為溫度轉(zhuǎn)換元件,由雙向晶閘管和SSR構(gòu)成溫度反饋信息給單片機(jī)，并由按鍵、 LED 數(shù)碼顯示器及報(bào)警電路等組成電烤箱溫度控制閉環(huán)系統(tǒng)，并進(jìn)行了相應(yīng)軟件程序流程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。最后還要感謝在百忙之中抽出寶貴時(shí)間對(duì)本論文進(jìn)行評(píng)審的各位專家們，衷心感謝您們對(duì)這篇論文提出的寶貴意見。雖然仿真環(huán)境不可能與實(shí)際情況完全相同，但它的結(jié)果還是有相當(dāng)指導(dǎo)意義的。智能控制理論與應(yīng)用仍然有許多需要完善的部分，將多種控制策略相互結(jié)合是今后計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)理論與應(yīng)用研究的重要方向。3．模糊PID控制算法針對(duì)單一控制的不足，結(jié)合PID控制的穩(wěn)態(tài)精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢與模糊控制動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、穩(wěn)態(tài)精度低的特點(diǎn)，采用模糊PID控制算法，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)劣互補(bǔ)，以滿足電烤箱的設(shè)計(jì)要求。由上面各圖看出性能指標(biāo)：調(diào)節(jié)時(shí)間最大約為 200s，超調(diào)量σ%=0，穩(wěn)態(tài)誤差=0。 采用參數(shù)模糊自整定PID控制的模糊控制器 圖 輸入變量 e 的隸屬函數(shù)圖 圖 輸入變量 ec 的隸屬函數(shù)圖 圖 輸出變量的隸屬函數(shù)圖 圖 輸出變量的隸屬函數(shù)圖 Mamdani 型模糊控制器的各個(gè)變量的隸屬函數(shù)圖。上圖中的三個(gè)增益模塊Gain分別給出量化因子、比例因子。在模糊邏輯工具箱中,控制規(guī)則是在 Rule Editor 窗口輸入的，以 ifthen 的形式表達(dá),這里為 if e～and ec～then u～，（～表示各變量所分成的模糊值）共 25 條規(guī)則。2. 模糊控制模糊控制有快速、魯棒性好的特點(diǎn)。給定輸入階躍信號(hào)250℃，用溫度計(jì)測(cè)量電烤箱的溫度，每半分鐘采一次點(diǎn)。 控制對(duì)象模型本設(shè)計(jì)的電烤箱其工作頻率為 50HZ，總功率為 600W，工作范圍為室溫20℃200℃。Simulink是MATLAB的建模和仿真環(huán)境。在新的版本中也加入了對(duì)C，F(xiàn)ORTRAN，C++ ，JAVA的支持。它的優(yōu)勢(shì)在于它可以利用MATLAB軟件本身豐富的資源，來構(gòu)建不同結(jié)構(gòu)的模糊系統(tǒng)，比如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊系統(tǒng)，遺傳算法模糊系統(tǒng)，模糊PID系統(tǒng)等等，并對(duì)這樣的系統(tǒng)進(jìn)行仿真、分析[[] 昊曉莉, 林哲輝. MATLAB輔助模糊系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M]. 西安：西安電子科技大學(xué)出版社, 2002．][[] Miha Mraz. The design of intelligent control of a kitchen refrigerator[J]. Mathematics and Computer in Simul