【文章內(nèi)容簡介】 過程的精確數(shù)學模型。因為對復雜的生產(chǎn)過程很難獲得過程的精確數(shù)學模型，而語言方法卻是一種很方便的近似。(2) 對于具有一定操作經(jīng)驗、但非控制專業(yè)的工作者，模糊控制方法易于掌握。(3) 操作人員易于通過人的自然語言進行人機界面聯(lián)系，這些模糊條件語句很容易加入到過程的控制環(huán)節(jié)上。(4) 采用模糊控制，過程的動態(tài)響應品質(zhì)優(yōu)于常規(guī)PDI控制，并對過程參數(shù)變化具有較強的適應性。雖然模糊控 制己獲得了很多成功的應用，但是仍有很多問題等待解決[1嘆(1) 建立一套系統(tǒng)的模糊控制理論，以解決模糊控制的機理、穩(wěn)定性分析、系統(tǒng)化設計方法、專家模糊控制系統(tǒng)、神經(jīng)模糊控制系統(tǒng)和多變量模糊控制系統(tǒng)的分析與設計等一系列問題。(2) 模糊控制在非線性復雜系統(tǒng)應用中的模糊建模、模糊規(guī)則的建立和推理算法的深入研究。(3) 模糊集成控制系統(tǒng)的設計方法研究。(4) 自學習模糊控制策略的實現(xiàn)。(5) 模糊控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析。常規(guī)的二維模糊控制器是以偏差和偏差變化作為輸入變量，因此，一般認為這種控制器具有FuZzy比例和微分控制作用，而缺少Fuzy積分控制作用，眾所周知，在線性控制理論中，積分控制作用能消除穩(wěn)態(tài)誤差，但動態(tài)響應慢。比例控制作用動態(tài)響應快。而比例積分控制作用既能獲得較高的穩(wěn)態(tài)精度，又能具有較快的動態(tài)響應。故把PI(PID)控制策略引入模糊控制器，將模糊控制和PID控制器兩者結(jié)合起來，揚長避短，使之既具有模糊控制靈活而適應性強的優(yōu)點，又具有PID控制精度高的特點，可達到動態(tài)響應快，超調(diào)小、穩(wěn)態(tài)誤差小，使動靜態(tài)性能都得到很好的改善。針對PID控制和模糊控制的各自特點，國內(nèi)外學者分別采用不同的方法將模糊控制和PID控制相結(jié)合，研究出了多種模糊PID控制器，如FuzzyPID復合控制、模糊自適應PID控制方法、基于Fuzzy推理的自整定PID控制器。本系統(tǒng)中的控制器設計結(jié)合對象特征和系統(tǒng)的工藝特點采用了模糊自整定PID控制的方法，以過程控制的知識為基礎，以模糊規(guī)則組成知識庫，用模糊控制規(guī)則和推理，來確定PID控制器的參數(shù)。此方法可以根據(jù)系統(tǒng)運行的不同狀態(tài)調(diào)整PID 的參數(shù)，使系統(tǒng)適應被控對象參數(shù)的變化。 模糊自整定PDI控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)典型 PDI 只能利用一組固定參數(shù)進行控制，這些參數(shù)不能兼顧動態(tài)性能和靜態(tài)性能之間、設定值和抑制擾動之間的矛盾。為此，在控制系統(tǒng)中引入模糊推理，在PID初值基礎上通過自調(diào)整參數(shù)，改善系統(tǒng)動態(tài)性能。在手動控制過程中,人所能獲取的信息基本上為三個:偏差e、偏差的變化ce、偏差的變化的變化ec 。通常將模糊控制器輸入變量的個數(shù)稱為模糊控制的維數(shù)。一維控制器以偏差e為輸入變量，這樣控制簡單，但很難反映工業(yè)電加熱設備的動態(tài)和靜態(tài)特性品質(zhì)。當溫度偏差為負時，此時的溫度的變化趨勢有可能是向增大的方向變化，也有可能向減小的方向變化，即:偏差的變化率ec是不同的，若ec為正，溫度正向設定值變化，若ec為負，溫度正偏離設定值變化，這兩種截然不同的狀態(tài)整定出的PID參數(shù)應該是不同的。而一維控制器卻只能根據(jù)相同的偏差給出相同的控制輸出，顯然滿足不了系統(tǒng)的控制要求。二維控制器較一維控制器多了偏差的變化率，相當于控制偏差的速度，動態(tài)特性要好很多，這是目前被廣泛采用的控制器結(jié)構(gòu)。三維控制器較二維控制器引入偏差的變化的變化，這相當于控制偏差的加速度，從理論上講，動態(tài)特性更好，能很好地兼顧響應的快速性與穩(wěn)定性。但從實際操作可行性上看，如果每個變量有七個模糊子集，則共可組成7x7x7=343 條模糊規(guī)則，這么多規(guī)則，PID難考慮周詳。通過程序?qū)崿F(xiàn)，將大大增加運算量，使系統(tǒng)的實現(xiàn)提高了成本。綜合考慮該烘干箱的溫控方案采用二維模糊控制器設計。模糊參數(shù)自整定PID的結(jié)構(gòu)如圖2一5所示: 常規(guī)PID調(diào)節(jié)器被控對象de/dt模糊控制器圖2一5 模糊自整定PID控制原理圖控制器由一個常規(guī)PID控制器和一個模糊自調(diào)整機構(gòu)組成。模糊控制器以偏差。和偏差變化ec作為輸入，修正參數(shù)△KP,△K1，和△KD作為輸出，則PID控制器輸出的參數(shù)KP、KI和KD為下式: Kp=Kp’+ △Kp K1=K1’ + △K1 KD=KD’ + △KD (27)其中Kp’、K1和KD為常規(guī)PID調(diào)節(jié)器的設定初值，而△Kp、△K1和△KD分別為下式： △ KP=（E*EC）。Rp△ K1= (E*EC) 。R1△ KD= (E*EC) 。RD （28） 其中Rp、R1和RD分別為△Kp、△K1和△KD的模糊控制決策矩陣，“x”表示模糊直積運算。 模糊自整定PID控制器的設計模糊控制器輸入、輸出變量都是精確量，模糊推理是針對模糊量進行的，因此控制器首先要對輸入量進行模糊化處理。根據(jù)現(xiàn)場的實際情況以及方便仿真研究，在設計的模糊PID控制器中，輸入和輸出變量的語言值分別采用7個和4個語言值。隸屬度函數(shù)均采用靈敏性強的三角函數(shù)。模糊控制設計的核心是總結(jié)工程設計人員的技術知識和實際操作經(jīng)驗，建立合適的模糊規(guī)則表，得到針對Kp、K1，和KD三個參數(shù)分別整定的模糊控制表。建立模糊規(guī)則表時主要的控制思路有：(1) 當|e|較大時，為加快系統(tǒng)響應速度，應取較大KP。同時，為避免由于開始時|e|瞬時變大可能出現(xiàn)的微分過飽和而使控制作用超出許可范圍，應取較小的KD。另外，為防止系統(tǒng)響應出現(xiàn)較大的超調(diào)產(chǎn)生積分飽和，應對積分環(huán)節(jié)加以限制，通常取K，=0，即去掉積分作用。(2) 當 |e|和|ec|處于中等大小時，為使系統(tǒng)響應具有較小的超調(diào)，Kp應取較小些，KI取值要適當，這時KD的取值對系統(tǒng)響應的影響較大，取值應適中，以保證系統(tǒng)的響應速度。(3) 當|e|較小接近設定值時，為使系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性能，應增加Ki，和Kp的取值，同時為避免系統(tǒng)在設定值附近出現(xiàn)震蕩并考慮系統(tǒng)的抗干擾性能，KD的取值相當重要。一般地，當|e|較小時，KD可取大一些，而當|e|較大時，KD應取小值。對輸入的偏差e和偏差變化ce，在取得相應的語言值后，根據(jù)模糊規(guī)則表，經(jīng)過查表模糊決策，采用Mamdani模糊推理方法，分別得出3個修正參數(shù)△Kp、△Ki和△KD的模糊量，再對模糊量進行清晰化，取得精確量以計算輸出控制量。在本控制器中我們采用加權(quán)平均法求取輸出量的精確值，從而得出模糊判決后的清晰量U(k)。U(k)xKu(其中Ku為輸出量的比例因子)即為自整定之后的修正參數(shù)，IPD參數(shù)按式(2一8) (2一9)計算。對比例因子進行湊試，即可達到滿意的控制效果。2．3本章小結(jié)本章首先討論了被控對象的特點并對其進行建模，然后分別介紹了IPD控制和模糊控制的基本原理，并把模糊控制和PID控制相結(jié)合的模糊PID自整定控制進行了研究，用模糊控制整定PID參數(shù)的模糊規(guī)則，并進行了模糊PID控制器的設計。將模糊控制和PID控制器兩者結(jié)合起來，揚長避短，使之既具有模糊控制靈活而適應性強的優(yōu)點，又具有PID控制精度高的特點，可達到動態(tài)響應快，超調(diào)小、穩(wěn)態(tài)誤差小，使動靜態(tài)性能都得到很好的改善。第3章 基于單片機的烘干箱溫度控制系統(tǒng)設計由于系統(tǒng)控制方案簡單，數(shù)據(jù)量也不大，因此選用ATMEL公司的AT89C51單片機作為控制系統(tǒng)中的核心。由于AT89C51芯片內(nèi)含4KB的E2PROM，無需外擴存儲器，電路簡單可靠。此外AT89C51的每個I/O端可驅(qū)動10mA的灌電流，可節(jié)省外圍元件。A/D轉(zhuǎn)換期間的選擇主要取決與溫度控制精度。本系統(tǒng)要求溫度的控制誤差不大于177。2℃，采用8位A/D轉(zhuǎn)換器，其最大量化誤差為177。1/2（1/255 * 500 ℃）=177。1℃，完全能夠滿足精度要求。這里我們采用ADC0809作為A/D轉(zhuǎn)換器。為了進一步簡化設計，ADC0809與單片機之間采用直接接口方式，并用軟件查詢方式讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。電路設計好后，調(diào)整變送器的輸出，使0℃~500℃的溫度變化對應于0V~，則A/D轉(zhuǎn)化對應的數(shù)字量為00H~FAH，即0~250，則轉(zhuǎn)換結(jié)果乘以2正好是溫度值。用這種方法一方面可以減少標度轉(zhuǎn)換的工作量，另一方面還可以避免標度轉(zhuǎn)換帶來的計算誤差。為使系統(tǒng)簡單、緊湊，僅設置4個功能按鍵，分別是“啟/?！?、“設定”、 “設定+”和“設定”，~，并用軟件去抖動。利用“啟/?！辨I可以隨時啟動或者停止系統(tǒng)的運行；利用“設定”鍵使系統(tǒng)進入溫度與設定的狀態(tài)，在LED上顯示當前設置值，然后按“設定+”或“設定”鍵可以實現(xiàn)0℃~500℃的溫度設置；按“設定+”或“設定”鍵的時間在1s以內(nèi)，每按一次事先設定溫度+1℃或者1℃，如果按1s以上，則可以50Hz的頻率改變設定溫度。 本系統(tǒng)設有3位LED數(shù)碼顯示器，上電后顯示當前烘干箱溫度，按下設定按鈕后顯示設定溫度，5s后或者再按一次設定按鈕系統(tǒng)重新回到顯示當前溫度的狀態(tài)。通過串行口擴展3片74LS164作為靜態(tài)顯示接口電路。 電爐控制采用晶閘管來實現(xiàn)，雙向晶閘管和電路電阻絲串接在交流220V市電回路中。，從而控制電阻絲的通電加熱時間。 報警功能由蜂鳴器實現(xiàn)。當由于意外因素導致烘干箱溫度偏離設置溫度時。 當按下啟/停按鈕啟動后，指示系統(tǒng)處在運行狀態(tài)。在運行狀態(tài)，當前爐溫低于設定溫度時啟動加熱，只是正在加熱；當爐溫等于或者高于設定溫度時停止加熱，VD2滅。 軟件設計 系統(tǒng)的操作過程和工作過程在程序設計的過程中起著重要的指導作用，因此在軟件設計之前應首先分析烘干箱的工作流程。 1 工作流程 烘干箱在上電復位后先處于停止加熱狀態(tài)，系統(tǒng)默認預設溫度為25℃，這是可以用設定鍵改變預設溫度，也可以直接啟動運行。運行過程中，系統(tǒng)不斷檢測當前溫度，并送往顯示器顯示，到預定值后停止加熱；當溫度下降到下限（比預定值低2℃）時再啟動加熱。這樣不斷地重復上述過程，是溫度保持在預定溫度范圍之內(nèi)。運行過程中也可以隨時改變設定溫度，溫度設定好后隨即生效，系統(tǒng)按新的設定溫度運行。 2 功能模塊 根據(jù)上面對工作流程的分析，系統(tǒng)軟件可以分為以下幾個功能模塊。 （1）開關量輸入去抖動：監(jiān)測按鍵輸入，軟件20ms去抖動。接收溫度預置，啟動系統(tǒng)工作。（2）溫度檢測及溫度值變換：完成A/D轉(zhuǎn)換及數(shù)字濾波。 （3）溫度顯示：顯示設置溫度或當前溫度。（4）偏差計算：計算當前溫度與設定溫度的差值。（5）溫度控制：根據(jù)監(jiān)測到的溫度控制電路工作。（6）報警：當預置溫度或當前爐溫越限時報警。（7）開關量邏輯控制：根據(jù)按鈕操作確定系統(tǒng)工作狀態(tài)。（8）延時處理：延時置位或者復位一些標志位。 3 資源分配 在編寫程序之前，首先要弄清單片機的資源分配情況。 （1）I/O端口功能分配。根據(jù)硬件原理圖，單片機I/。 （2）中斷系統(tǒng)功能分配。主程序完成初始化后僅負責轉(zhuǎn)換脈沖（約250KHz）輸出，其他控制功能全部安排在定時器T0中斷服務程序種。每20ms中斷一次，恰好可以實現(xiàn)開關量20ms延時去抖動。 I/O端口功能分配 I/O口 功 能 引腳分配 P0口 報警輸出: 聲音報警 P1口 轉(zhuǎn)換結(jié)果輸入 P2口 開關量輸入:啟/停 :設定:設定+ ：設定 P3口 AD0809控制、 輸出控制,:串行輸出到LED：CLK輸出 :啟動轉(zhuǎn)換：轉(zhuǎn)換結(jié)果 :加熱控制:加熱指示 ：運行指示 中斷系統(tǒng)功能分配中斷源入口地址中斷條件功能外部中斷INT00003H未用定時器T0中斷000BH20ms定時全部控制功能外部中斷INT10013H未用定時器T1中斷001BH未用串行口中斷RI,TI0023H未用 （3）片內(nèi)RAM資源分配。單片機內(nèi)RAM資源分為內(nèi)部寄存器區(qū)、位尋址區(qū)和用戶RAM區(qū)，其他RAM單元的功能分配在程序中用偽指令定義。 內(nèi)部寄存器功能分配 單元地址 組號寄存器 功 能00H~06H 0組 R0~R6 未用 07H R74次累加計數(shù) 08H~0FH 1組 R0~R7未用 10H~13H 2組 R0~R3未用 14H R410分鐘計數(shù) 15H R5延時5秒計數(shù) 16H R6延時4秒計數(shù) 17H R7延時1秒計數(shù) 18H~1FH 3組 R0~R7未用 4 軟件總體結(jié)構(gòu) 整個控制軟件有主程序和一個定時中斷服務程序組成。主程序負責上電復位后的初始化和輸出轉(zhuǎn)換脈沖，由定時器T0中斷服務程序負責輸入、處理和輸出控制。 開始初始化脈沖輸出入口保護現(xiàn)場輸入、處理控制輸出恢復現(xiàn)場返回 (a) 主程序 （b） T0中斷服務程序 烘干箱控制系統(tǒng)源程序KEY EQU 20H 。 按鍵映射KBUF EQU 2FH