【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 用數(shù)值鍵按鍵較多，該恒溫箱水溫的設(shè)置是通過(guò)三個(gè)功能鍵來(lái)完成的，即：“設(shè)定”鍵、“＋”鍵、“－”鍵。當(dāng)需要調(diào)整溫度時(shí)，先按下設(shè)定鍵再按“＋”鍵設(shè)定溫度增按“－”鍵溫度減1，直到所需溫度為止。單片機(jī)I／O線較多，按鍵可與I／O口直接連接。溫度顯示電路利用4位數(shù)碼管顯示溫度，顯示溫度范圍0℃～100℃，顯示電路按常規(guī)方法通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路直接與I／O口連接。 考慮到使用環(huán)境空氣濕度較大，故主控制器顯示采用LED數(shù)碼管進(jìn)行顯示。采用SPI主方式擴(kuò)展三片74LS164，作為七段顯示器靜態(tài)顯示的段數(shù)據(jù)輸出口。在無(wú)按鍵狀態(tài)下，主控制器顯示當(dāng)前水溫，遙控器顯示當(dāng)前時(shí)間；當(dāng)進(jìn)行設(shè)定或查詢時(shí)，遙控器lcd及主控制器led均閃爍顯示設(shè)定或查詢信息，按鍵放開(kāi)一定時(shí)間后自動(dòng)返回一般狀態(tài)。實(shí)時(shí)水溫及水位檢測(cè)熱敏電阻將溫度信息轉(zhuǎn)換為電壓信息，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換模塊中PTB0輸入CPU,查表后得到實(shí)時(shí)水溫。水位檢測(cè)為三個(gè)并聯(lián)的不同阻值的電阻，電路的電極電流較小(幾個(gè)微安)，電腐蝕小，適用水電阻變化范圍大(幾K一100K歐)。某電阻所在水位未到達(dá)，電阻截止；水位到達(dá)，電阻導(dǎo)通，組成并聯(lián)電路。將不同阻值所分得的電壓經(jīng)PTB1轉(zhuǎn)換后，可判斷出水位信息（高、中、低、干燒）。加熱及繼電器失控保護(hù)： 在如圖所示的電路中，在電腦電熱水器正常工作狀態(tài)下，二繼電器動(dòng)作觸點(diǎn)對(duì)加熱管的電源能執(zhí)行雙極斷開(kāi)，可有效地保證當(dāng)停止加熱時(shí)，加熱系統(tǒng)可完全與外電隔離，兩只單極繼電器同時(shí)出現(xiàn)故障的幾率是極低的，但在熱水器正常壽命期間，單只繼電器出現(xiàn)此故障卻是極有可能的，而且，此時(shí)如不及時(shí)處理解決，另一繼電器很有可能不久后也跟著產(chǎn)生此類故障而導(dǎo)致真正的危險(xiǎn)。因此．解決問(wèn)題的關(guān)鍵是必須在有一繼電器出現(xiàn)此故障后，系統(tǒng)可以及時(shí)檢測(cè)到，并依靠另一暫時(shí)尚可以正常工作的繼電器執(zhí)行系統(tǒng)的安全保護(hù)措施采用如圖所示的電路，可以有效地檢測(cè)到兩個(gè)繼電器中任一個(gè)或同時(shí)兩個(gè)觸點(diǎn)出現(xiàn)粘死、不斷開(kāi)故障時(shí)的情況。PID算法在恒溫箱當(dāng)中的應(yīng)用：　　在彈力紗機(jī)機(jī)床中，其中的工業(yè)電爐是其關(guān)鍵的部件，恒溫箱的制精度及其工作的穩(wěn)定性已成為產(chǎn)品質(zhì)量的決定性因素。對(duì)于工業(yè)控制過(guò)程，PID控制器具有原理簡(jiǎn)單、使用方便、穩(wěn)定可靠、無(wú)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，它在工業(yè)控制領(lǐng)域仍具有強(qiáng)大的生命力。但在工業(yè)爐工作中，電熱管功率、通風(fēng)管氣流溫度和熱風(fēng)之間存在非線性和不確定的關(guān)系，再加之外界干擾，尤其是當(dāng)控制對(duì)象參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，傳統(tǒng)的PID控制必須對(duì)參數(shù)重新整定，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)電爐精確的、穩(wěn)定的控制。本文針對(duì)這一問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種Fuzzy－PID控制器，根據(jù)電爐的實(shí)際響應(yīng)，通過(guò)模糊規(guī)則進(jìn)行推理和決策，在線整定PID控制器的三個(gè)參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電爐的優(yōu)化控制。運(yùn)行結(jié)果表明這種設(shè)計(jì)方法完全有效。① 恒溫箱 y－PID控制器的結(jié)構(gòu)和原理　　Fuzzy－PID控制器結(jié)構(gòu)如圖1所示，首先根據(jù)模糊數(shù)學(xué)的理論和方法，將操作人員的調(diào)整經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)知識(shí)總結(jié)成為IF（條件）THEN（結(jié)果）形式的模糊規(guī)則，并把這些模糊規(guī)則及相關(guān)信息（如：初始的PID參數(shù)）存入計(jì)算機(jī)中。根據(jù)電熱水器相情況，計(jì)算出采樣時(shí)刻的偏差e及偏差的變化ec，輸入控制器，運(yùn)用模糊推理，進(jìn)行模糊運(yùn)算，即可得到該時(shí)刻的Kp、Ki、Kd，實(shí)現(xiàn)對(duì)PID參數(shù)的最佳調(diào)整。Fuzzy－PID控制器主要由模糊化、模糊推理、去模糊化三部分組成。② 恒溫箱 zzy－PID控制器的設(shè)計(jì) 常規(guī)PID控制器作用可用以下的位置算式（1）描述：Fuzzy－PID控制器是在PID參數(shù)預(yù)整定的基礎(chǔ)上，利用模糊規(guī)則實(shí)時(shí)在線整定PID控制器的三個(gè)修正參數(shù)：△Kp、△Ki、△Kd實(shí)現(xiàn)對(duì)爐溫的優(yōu)化控制。文中采用Ziegler－Nichols方法實(shí)現(xiàn)參數(shù)的預(yù)整定。Fuzzy－PID控制器的設(shè)計(jì)可以分為以下三部分完成：③ 輸入量偏差e、偏差變化ec的模糊化模糊控制器的輸入、輸出變量都是精確量，模糊推理是針對(duì)模糊量進(jìn)行的，因此，控制器首先要對(duì)輸入量進(jìn)行模糊化處理。在本課題所設(shè)計(jì)的Fuzzy－PID控制器中，輸入、輸出變量的語(yǔ)言值均分為七個(gè)語(yǔ)言值：｛NB、NM、NS、O、PS、PM、PB｝，隸屬度函數(shù)采用靈敏性強(qiáng)的三角函數(shù)。為增強(qiáng)系統(tǒng)的魯棒性，提高隸屬度函數(shù)的分辨率，在0值附近的函數(shù)形狀取的更陡，形式如圖2所示。 e的基本論域?yàn)椋海郏?00℃，100℃］ ec的基本論域?yàn)椋海郏?，5］ △Kp的基本論域?yàn)椋海郏?，1］ △Ki的基本論域?yàn)椋海郏?．002，0．002］ △Kd的基本論域?yàn)椋海郏?，1］　　以上各變量的模糊量分別為：E、EC、△KP、△KI、△KD　　其論域均為［－6，－5，－4，－3，－2，－1，0，1，2，3，4，5，6］ 輸入量e、ec的量化因子為： ke＝0．06，kec＝1．2④ 參數(shù)整定規(guī)則的確定及模糊推理 參數(shù)的整定規(guī)則是控制器的核心，它是操作人員和專家的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)的總結(jié)，列出表格如下。比例環(huán)節(jié)作用是成比例的反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)e，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差。但如果Kp取值過(guò)大，會(huì)引起系統(tǒng)振蕩，破壞系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能。因此，當(dāng)偏差｜e｜較大時(shí)，為提高響應(yīng)速度，Kp取大值；在偏差較小時(shí)，防止超調(diào)過(guò)大產(chǎn)生振蕩，Kp減小；當(dāng)偏差很小時(shí)，為使系統(tǒng)盡快穩(wěn)定，則Kp應(yīng)繼續(xù)減小。同時(shí)考慮ec的因素，當(dāng)ec和e同號(hào)時(shí)，輸出偏離穩(wěn)定值方向變化，Kp適當(dāng)增大；反之，Kp適當(dāng)減小?！鱇p的控制規(guī)則表如表1所示?！　》e分環(huán)節(jié)主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無(wú)差度。它對(duì)誤差進(jìn)行積分，對(duì)系統(tǒng)控制有一定的滯后作用。積分作用過(guò)強(qiáng)，會(huì)造成系統(tǒng)超調(diào)增大，甚至引起振蕩。在常規(guī)PID控制中，為防止積分飽和，常將積分環(huán)節(jié)分離出來(lái)，當(dāng)偏差減小至一定范圍時(shí)，才加入積分環(huán)節(jié)。因此，當(dāng)偏差｜e｜大或較大時(shí)，為避免系統(tǒng)超調(diào)，Ki取零值；當(dāng)｜e｜較小時(shí)，積分環(huán)節(jié)有效，隨｜e｜的減小而增大，以消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度?！鱇i的控制規(guī)則表如表2所示?！　∥⒎汁h(huán)節(jié)能反映偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)，并能在偏差信號(hào)值變得太大之前加入一個(gè)修正信號(hào)，加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，減少超調(diào)時(shí)間，增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但它對(duì)干擾信號(hào)同樣敏感，會(huì)使系統(tǒng)抑制干擾的能力下降。因此，在控制過(guò)程初期，當(dāng)偏差｜e｜較大時(shí)，為提高避免偏差瞬間變大，造成微分溢出，Kd取小些；在偏差較小時(shí)，綜合考慮系統(tǒng)的抗振動(dòng)能力和系統(tǒng)響應(yīng)速度，應(yīng)使Kd適當(dāng)取值。△Kd控制規(guī)則表如表3所示。　　對(duì)輸入的偏差e和偏差變化ec，在取得相應(yīng)的語(yǔ)言值后，根據(jù)整定規(guī)則表，經(jīng)過(guò)公式法模糊決策，分別得出三個(gè)修正參數(shù)△Kp、△Ki、△Kd的模糊量。⑤ 出量的去模糊化　經(jīng)過(guò)2．2的模糊推理后，F(xiàn)uzzy－PID控制器整定的三個(gè)修正參數(shù)要進(jìn)行去模糊化取得精確量以計(jì)算輸出控制量，既單位時(shí)間電爐通斷電百分比。去模糊化有幾種方法，例如：最大隸屬度法、重心法等，對(duì)本控制器，采用重心法求取輸出量的精確值，得出模糊判決后的清晰量c(k)。c（k）ku（ku為輸出量的比例因子）即為自整定之后的修正參數(shù)，各修正參數(shù)比例因子為： 　　輸入到PID控制器的參數(shù)由下列算式（2）計(jì)算得出：⑥ 真比較　計(jì)算機(jī)仿真是在MATLAB環(huán)境下進(jìn)行的，工業(yè)電爐的仿真模型可以用純滯后環(huán)節(jié)和一階慣性環(huán)節(jié)表示。針對(duì)作者研制的彈力紗機(jī)電爐溫度控制系統(tǒng)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)確定，其模型如下：其中：K為增益系數(shù)，K＝4．92℃／百分點(diǎn)； T為時(shí)間常數(shù)，T＝8575s； τ為滯后時(shí)間，τ＝175s?！　≡趩挝浑A躍輸入下，對(duì)電爐分別使用常規(guī)PID控制和Fuzzy－PID控制，可得圖圖4所示的仿真結(jié)果。對(duì)比兩圖可以看出，參數(shù)自整定PID控制比常規(guī)PID控制的超調(diào)量減小19％，調(diào)節(jié)時(shí)間縮短了43％，取得了比傳統(tǒng)PID更高的快速性和穩(wěn)定性。 ⑦ Fuzzy－PID控制算法在一個(gè)周期內(nèi)的流程圖　　溫控系統(tǒng)的Fuzzy－PID算法采用子程序的形式編寫，在一個(gè)周期內(nèi)的流程圖如圖5所示。⑧ 際運(yùn)行結(jié)果　　采樣周期為20s，彈力紗機(jī)溫控系統(tǒng)的運(yùn)行曲線如圖6所示。電爐的目標(biāo)溫度為80℃，系統(tǒng)的上升時(shí)間為1500s，超調(diào)量為1．5℃。在系統(tǒng)穩(wěn)定后，輸入階躍信號(hào)4分鐘斷電，系統(tǒng)經(jīng)過(guò)500s后重新穩(wěn)定輸出，顯示出較強(qiáng)的魯棒性。 溫度檢測(cè)系統(tǒng)介紹：　測(cè)量電路功能為將測(cè)量到的信號(hào)經(jīng)過(guò)處理變成數(shù)字信號(hào)送入單片機(jī)中進(jìn)行處理。主要由溫度檢測(cè)、放大器A/D轉(zhuǎn)換器組成。而傳統(tǒng)的熱敏電阻溫度計(jì)硬件上大多采用普通單片機(jī)(MCS51系列)+A/D轉(zhuǎn)換器以及LED顯示模塊構(gòu)成。1　溫度檢測(cè)的設(shè)計(jì) 采用熱敏電阻傳感器。熱電阻傳感器具有價(jià)廉、精度高、構(gòu)造簡(jiǎn)單、測(cè)量范圍寬(通常從 50～ + 1600 ℃) 及反應(yīng)快速的優(yōu)點(diǎn)。熱電阻傳感器輸出的電壓信號(hào)較為微弱(只有幾毫伏到幾十毫伏) , 因此在進(jìn)行A/ D 轉(zhuǎn)換之前必須進(jìn)行信號(hào)調(diào)理, 由高放大倍數(shù)的電路將它放大到A/ D 轉(zhuǎn)換器通常所要求的伏特級(jí)電平。一般采用熱敏電阻調(diào)理模板或調(diào)理模塊來(lái)完成這項(xiàng)工作最為便捷, 而自行設(shè)計(jì)、制作儀表放大器則較為繁瑣且較難保證精度。圖2 　冷端溫度檢測(cè)與放大電路使用熱敏電阻傳感器應(yīng)注意采取冷端補(bǔ)償。即當(dāng)熱電偶冷端溫度不為0 ℃時(shí), 熱電阻的輸出電勢(shì)將偏離冷端溫度為0 ℃時(shí)的數(shù)值, 為了提高測(cè)溫精度, 需要采取冷端補(bǔ)償措施。冷端溫度檢測(cè)電路如圖2 所示。冷端補(bǔ)償可以采用軟件補(bǔ)償方法, 用IC 溫度傳感器檢測(cè)熱電阻　2 熱敏電阻溫度的轉(zhuǎn)換原理　　熱敏電阻是溫度傳感器的一種，他由仿陶瓷半導(dǎo)體組成。熱敏電阻(NTC)不同于普通的電阻，他具有負(fù)的電阻溫度特性，即當(dāng)溫度升高時(shí)，其電阻值減小。圖1為熱敏電阻的特性曲線。 熱敏電阻的阻值～溫度特性曲線是一條指數(shù)曲線，非線性較大，因此在使用時(shí)要進(jìn)行線性化處理。線性化處理雖然能夠改善熱敏電阻的特性曲線，但是比較復(fù)雜。為此，在要求不高的一般應(yīng)用中，常做出在一定的溫度范圍內(nèi)溫度與阻值成線性關(guān)系的假定，以簡(jiǎn)化計(jì)算。使用熱敏電阻是為了感知溫度，給熱敏電阻通以恒定的電流，電阻兩端就可測(cè)到一個(gè)電壓，然后通過(guò)公式下面的公式可求得溫度：　　T為被測(cè)溫度；T0為與熱敏電阻特性有關(guān)的溫度參數(shù)；K為與熱敏電阻特性有關(guān)的系數(shù)；VT為熱敏電阻兩端的電壓?！　「鶕?jù)這一公式，如果能測(cè)得熱敏電阻兩端的電壓，再知道參數(shù)T0和K，則可以計(jì)算出熱敏電阻的環(huán)境溫度，也就是被測(cè)的溫度，這樣就把電阻隨溫度的變化關(guān)系轉(zhuǎn)化為電壓隨溫度變化的關(guān)系了。數(shù)字式電阻溫度計(jì)設(shè)計(jì)的主要工作，就是把熱敏電阻兩端電壓值經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送到單片機(jī)中，然后通過(guò)軟件方法計(jì)算出溫度值，再進(jìn)行顯示、打印等處理。 　　熱敏電阻NTC串聯(lián)上一個(gè)普通電阻R，再接+5V電源，取RT兩端電壓，并送入微控制器LPC2142的AINl(P0．28引腳)通道進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換啟動(dòng)方式以及轉(zhuǎn)換通道的選擇可通過(guò)設(shè)置ADC控制寄存器ADC0DR來(lái)實(shí)現(xiàn)。轉(zhuǎn)換的結(jié)果通過(guò)一個(gè)同步、全雙工串行SPI接口輸出到LED顯示驅(qū)動(dòng)器MCl4489進(jìn)行溫度的實(shí)時(shí)顯示。 　　熱敏電阻溫度轉(zhuǎn)換原理的簡(jiǎn)述可知：熱敏電阻特性曲線是一條指數(shù)曲線，非線性度較大，又由于非線性處理比較復(fù)雜，在本文設(shè)計(jì)要求不是很高的情況下可以做以簡(jiǎn)化來(lái)處理。