【正文】 也影響模糊控制系統(tǒng)的性能。在偏差較小或接近于0的區(qū)域，采用高分辨率的隸屬函數(shù)的模糊子集；而偏差較大時采用低分辨率的隸屬函數(shù)的模糊子集，可獲得較好的魯棒性。輸入各個語言值的定義分別由高斯形隸屬函數(shù)曲線來描述。依據(jù)以上分析，制定的Ki控制規(guī)則表如表33所列。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系。因此，比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。這個D參數(shù)也是PID被稱為可預(yù)測的控制器的原因。在File菜單下選擇Mamdain型。微分控制可以預(yù)測偏差，產(chǎn)生超前校正作用，因此可以較好的改善動態(tài)性能。曲線振蕩很頻繁，比例度盤要放大；曲線漂浮繞大灣，比例度盤往小扳。Kpcrit第四章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 基于單片機(jī)的模糊PID綜合控制系統(tǒng)的控制回路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)的特點是系統(tǒng)被控對象的輸出(被控制量)會反送回來影響控制器的輸出，形成一個或多個閉環(huán)。片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。在訪問外部程序存儲器或用16位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲器（例如執(zhí)行MOVX DPTR）時，P2 口送出高八位地址。 (外中斷1)。如有必要，可通過對特殊功能寄存器（SFR）區(qū)中的8EH單元的D0位置位，可禁止ALE操作。模擬量輸入在A/D轉(zhuǎn)換過程中，其值不應(yīng)當(dāng)變化，對變化速度快的模擬量，在輸入前應(yīng)增加采樣保持電路。 EOC=0，正在進(jìn)行轉(zhuǎn)換；216。如ADC0809的轉(zhuǎn)換時間為128us。DAC0832以其價廉、接口簡單、轉(zhuǎn)換控制容易等優(yōu)點，在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。l Iout1—電流輸出“1”；當(dāng)數(shù)據(jù)為全1時，輸出電流最大；為全0時輸出電流最小。 第一種方法是使輸入寄存器工作在鎖存狀態(tài)，而DAC寄存器工作在直通狀態(tài)。此方式適用于連續(xù)反饋控制線路，不過在使用時，必須通過另加I/O接口與CPU連接，以匹配CPU與D/A轉(zhuǎn)換?！?位輸人寄存器”用于存放CPU送來的數(shù)字量，使輸人的數(shù)字量得到緩沖和鎖存，由/LE1控制。l /WR2—第2寫信號（輸入）低電平有效。能完成數(shù)字量輸入到模擬量(電流)輸出的轉(zhuǎn)換。查詢方式：查詢EOC引腳。l CLK 時鐘信號—ADC0809的內(nèi)部沒有時鐘電路，所需時鐘信號由外界提供。Vref Vref(+) ()OE8位A/D轉(zhuǎn)換器三態(tài)輸出鎖存器8路模擬量開關(guān)地址鎖存與譯碼START CLKABCALEIN0IN7D0D738EOCVccGND8位模擬量輸入8位數(shù)字量輸出8位模擬量輸入圖45 ADC0809的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)圖中多路開關(guān)可選通8個模擬通道，允許8路模擬量分時輸入，共用一個A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。l ALE/PROG：當(dāng)訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。 (串行輸出口)。 /SCK（在系統(tǒng)編程用）。在flash編程時，P0口也用來接收指令字節(jié)；在程序校驗時，輸出指令字節(jié)。系統(tǒng)控制主電路是由AT89S5外圍芯片，及一些輔助的部分構(gòu)成的。圖314 PID控制器的最終參數(shù)調(diào)整 模糊PID的參數(shù)整定 模糊PID控制器中PID控制器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如圖315所示。Tcrit——Kp現(xiàn)在一般采用的是臨界比例法。微分控制D(Diffenrential)可改善系統(tǒng)的動態(tài)特性，如減小超調(diào)量，縮短調(diào)節(jié)時間，允許加大比例控制，使穩(wěn)態(tài)誤差減小，提高控制精度。本設(shè)計采用雙入三輸出模糊控制器，輸入輸出變量分別為偏差E和偏差變化率EC，輸出變量分別為Kp，Ki，Kd。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例+微分(PD)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)特性。對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)（System with Steadystate Error）。積分器雖然能消除靜差，但使系統(tǒng)響應(yīng)速度變慢。Kp的控制規(guī)則如表32所示。本設(shè)計中要設(shè)計的模糊PID控制器就屬于復(fù)合性模糊控制器。一般可選用三角形、梯形隸屬函數(shù)，優(yōu)點是數(shù)學(xué)表達(dá)和運算較簡單，所占內(nèi)存空間小，在輸入值變化時，比正態(tài)分布或鐘形分布具有更大的靈敏性，當(dāng)存在偏差時，能很快反應(yīng)產(chǎn)生一個相應(yīng)的調(diào)整量輸出。Kec選擇越大系統(tǒng)超調(diào)越小，但系統(tǒng)的響應(yīng)速度變慢。（4）清晰化接口把由模糊推理所得到的模糊輸出量，轉(zhuǎn)變?yōu)榫_控制量。規(guī)則庫用來存放全部模糊控制規(guī)則，在推理時為推理機(jī)提供控制規(guī)則。二維模糊控制器輸入語言變量為被控量與給定值的偏差和偏差變化率，能夠較全面嚴(yán)格地反映被控過程的動態(tài)特性，因此控制效果比一維模糊控制器好。這種軟件代替硬件的控制技術(shù)也稱為微控制技術(shù)，是傳統(tǒng)控制技術(shù)的一次革命。如打印機(jī)、復(fù)印機(jī)、傳真機(jī)、繪圖機(jī)、考勤機(jī)、電話以及通用計算機(jī)中的鍵盤譯碼、磁盤驅(qū)動等。 （2）控制功能強(qiáng) 為了滿足對對象的控制要求，單片機(jī)的指令系統(tǒng)均有極豐富的條件:分支轉(zhuǎn)移能力，I/O口的邏輯操作及位處理能力，非常適用于專門的控制功能。使得我們在控制領(lǐng)域中又向前邁進(jìn)了一大步。自動整定通常是指根據(jù)開環(huán)狀態(tài)確定的簡單過程模型自動計算PID參數(shù)。第二章 控制器簡介 PID控制器 PID控制的產(chǎn)生背景PID控制器產(chǎn)生于20世紀(jì)30年代末，從最開始的模擬控制器到現(xiàn)在的數(shù)字控制器，經(jīng)過廣泛的理論研究和豐富的應(yīng)用實踐，取得了巨大的成功，是工業(yè)控制領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛也最成功的一種控制器。PID控制具有結(jié)構(gòu)簡單，參數(shù)調(diào)整方便等優(yōu)點。畢業(yè)設(shè)計（論文）題 目 基于單片機(jī)的模糊PID綜合控制系統(tǒng)學(xué)生姓名 專業(yè)班級　自動化062 所在院系　　　　電氣信息學(xué)院　　　　指導(dǎo)教師　　職稱　　　　所在單位　　　　自動化教研室　　　　教研室主任　　　　　　　　　　　完成日期 2010年6月25日摘　　要PID控制（Control of Proportion Integration Differentiation）就是比例、積分、微分控制。但它的性能取決于參數(shù)的整定情況，對那些對象模型復(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)時間短，超調(diào)小的技術(shù)要求。在工程實際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。PID在控制非線性、時變、耦合及參數(shù)和結(jié)構(gòu)不確定的復(fù)雜過程時，工作地不是太好。 模糊PID控制器的發(fā)展展望模糊控制器并不像常規(guī)控制器有固定的結(jié)構(gòu)，因為它在以下幾方面沒有確定的標(biāo)準(zhǔn)：(1)隸屬函數(shù)的形式；(2)模糊子集個數(shù)；(3)規(guī)則的基本形式；(4)推理機(jī)制和解模糊方式。 （3）低電壓，低功耗，便于生產(chǎn)便攜式產(chǎn)品 為了滿足廣泛使用于便攜式系統(tǒng)，～，而工作電流僅為數(shù)百微安。 （5）單片機(jī)在商業(yè)營銷設(shè)備中的應(yīng)用：在商業(yè)營銷系統(tǒng)中已廣泛使用的電子稱、收款機(jī)、條形碼閱讀器、IC卡刷卡機(jī)、出租車計價器以及倉儲安全監(jiān)測系統(tǒng)、商場保安系統(tǒng)、空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)、冷凍保險系統(tǒng)等都采用了單片機(jī)控制。目前，已經(jīng)實現(xiàn)了單片機(jī)和PID控制算法的結(jié)合，有一些領(lǐng)域已經(jīng)應(yīng)用了基于單片機(jī)的模糊PID控制器，例如：在水壓，鍋爐，溫度等領(lǐng)域，作為控制回路的靈魂。它是目前被廣泛采用的一種模糊控制器。模糊控制器的規(guī)則是基于專家知識或手動操作經(jīng)驗來建立的，它是按人的直覺推理的一種語言表示形式。包括反模糊化（模糊判決）和比例變換兩部分。Kec對超調(diào)的遏制作用十分明顯。三角形隸屬函數(shù)的形狀與直線斜率有關(guān)，適合于隸屬函數(shù)在線調(diào)整的自適應(yīng)模糊控制。模糊PID控制器是將模糊控制與經(jīng)典PID控制器結(jié)合起來，在線實時調(diào)整PID參數(shù)，獲得更好的控制效果。表32　　Kp模糊控制表 ECKpENBNMNSOPSPMPBNBPBPBPBPBPMPSONMPBPBPBPBPMOONSPMPMPMPMOPSNSOPMPMPSONSNSNMPSPSPSONSNMNMNMPMPSONSNMNMNMNBPBOONMNMNMNBNB② Ki控制規(guī)則設(shè)計 在系統(tǒng)控制中，積分控制主要是用來消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。進(jìn)一步改進(jìn)調(diào)節(jié)器的方法是通過檢測信號的變化率來預(yù)報誤差，并對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，同時加快了系統(tǒng)的穩(wěn)定速度，縮短調(diào)整時間，從而改善了系統(tǒng)的動態(tài)性能，PID控制規(guī)律為 （34）因此它的傳遞函數(shù)為 （35）U(s)和E(s)分別為u(t)和e(t)的拉氏變換，其中為比例系數(shù)；為積分時間常數(shù)；為微分時間常數(shù)。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項”。微分來控制將來，計算誤差的一階導(dǎo)，并和一個負(fù)常數(shù)D相乘，最后和預(yù)定值相加。在Edit菜單下確定輸入、輸出，雙擊每個圖標(biāo)就可以進(jìn)行編輯。但應(yīng)當(dāng)注意，微分時間常數(shù)偏大或偏小時，系統(tǒng)的超調(diào)量仍然較大，調(diào)節(jié)時間仍然較長，只有合適的微分時間常數(shù)，才能獲得比較滿意的過渡過程。利用該方法進(jìn)行 PID控制器參數(shù)的整定步驟如下：(1)首先預(yù)選擇一個足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作；(2)僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期；(3)在一定的控制度下通過公式計算得到PID控制器的參數(shù)。TvPI將常規(guī)PID控制器的參數(shù)作為初始值，用constant模塊輸入。圖42 基于單片機(jī)的模糊PID綜合控制系統(tǒng)的硬件組成基于單片機(jī)的模糊PID綜合控制系統(tǒng)是由電源、I/V轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器、單片機(jī)、鎖存器、存儲器、顯示與鍵盤、D/A轉(zhuǎn)換器以及V/I轉(zhuǎn)換器等部分組成。程序校驗時，需要外部上拉電阻。l P2口：P2口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2輸出緩沖器能驅(qū)動4個TTL邏輯電平。216。一般情況下，ALE仍以時鐘振蕩頻率的1/6輸出固定的脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。地址鎖存與譯碼電路完成對A、B、C三個地址位進(jìn)行鎖存和譯碼，其譯碼輸出用于通道選擇。通常使用頻率為500kHz的時鐘信號。中斷方式：EOC經(jīng)反相器接AT89S52的外部中斷引腳INT1。圖410為DAC0832的引腳圖和內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。該信號與/XFER信號合在一起控制DAC寄存器是數(shù)據(jù)直通方式還是數(shù)據(jù)鎖存方式：216。“8位DAC寄存器”用于存放待轉(zhuǎn)換的數(shù)字量，由/LE2控制。本設(shè)計因沒有固定被控對象，因此先采用單緩沖方式連接，如圖413所示。8位輸入寄存器8位DAC寄存器8位D/A轉(zhuǎn)換器DI7DI0ILECSWR1WR2XFERAGNDRfbIout1Iout2VrefLE2LE1VCCDGND圖412　DAC0832內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖 DAC0832和單片機(jī)的接口方式DAC0832進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，可以采用兩種方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行鎖存。 /WR2=1和/XFER=0時，為DAC寄存器鎖存方式。1LSB，供電電源為(+5～+15)V，邏輯電平輸入與TTL兼容，與微處理器完全兼容，具有8位分辨率的D/A轉(zhuǎn)換集成芯片。（1）定時傳送方式對于每種A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時間作為一項技術(shù)指標(biāo)，是已知的和固定的。216。對ADC0809主要信號引腳的功能說明如下：l IN0～I(xiàn)N7—模擬量輸入通道信號單極性，電壓范圍05V，若信號過小還需進(jìn)行放大。對FLASH存儲器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（PROG）。216。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。對P1端口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。使用Atmel公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。表36 不同控制的指標(biāo)比較無控制器PID控制器模糊PID控制器最大超調(diào)量σ%%%%調(diào)節(jié)時間ts實驗結(jié)果表明，采用模糊PID控制算法過渡調(diào)節(jié)時間減小，系統(tǒng)的響應(yīng)速度加快；模糊PID控制器比常規(guī)PID控制器的系統(tǒng)超調(diào)量也明顯減小，控制系統(tǒng)的動態(tài)特性和靜態(tài)特性能均得到改善，能更好的滿足系統(tǒng)的應(yīng)用要求。Tcrit————PID 對于溫度系統(tǒng)：P（%）2060， I（積分）310， D（微分） 對于流量系統(tǒng)：P（%）40100，I（積分） 對于壓力系統(tǒng)：P（%）3070， I（積分） 對于液位系統(tǒng)：P（%）2080， I（積分）15 參數(shù)調(diào)節(jié)口訣：參數(shù)整定找最佳，從小到大順序查；先是比例后積分，最后再把微分加。微分控制作用實質(zhì)上跟偏差變化速率有關(guān)。根據(jù)控制規(guī)則表以if...then的形式在Rule Editor窗口輸入控制規(guī)則模糊決策一般采用Mamdani型推理算法，解模糊一般采用重心法（centroid）如圖35所示。導(dǎo)數(shù)的結(jié)果越大，那么控制系統(tǒng)就對輸出結(jié)果做出更快速的反應(yīng)。這樣，即便誤差很小，積分項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。 比例（P）控制 比例控制是一種最簡單的控制方式。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