【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 測(cè)量的溫度就越高，電壓越低，測(cè)量的溫度就越低。把熱敏電阻用四線(xiàn)制接入電路，即熱敏電阻一端接 COM（ 1） 另一端接地，另外 2 端分別接 COM2 和 COM（ 3） 由于流經(jīng) COM2 和 COM3 之間的電流幾乎為零，所以 COM2 和 COM3之間的電壓就是 RT上的電壓。然后再 通過(guò) COM2 和 COM3 接入放大電路，在把被放東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 模糊控制器的設(shè)計(jì) 9 大后的采集信號(hào)經(jīng)過(guò) A/D 轉(zhuǎn)換，最后由單片機(jī)根據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)果來(lái)判定溫度為多少度。測(cè)溫 電路原理圖如圖 33： U1O P 0 7R2R3R415VPDD1D2R1C O M 1C O M 2U2O P 0 7U3O P 0 7U4O P 0 7R5R6R7R8C O M 3C O M 2A / DR9R 1 0R 1 1R 1 2R 1 3R 1 4IN1OUT3GND2M C 1 4 0 315VCBARTC O M 1C O M 2C O M 3R 1 5 圖 33 測(cè)溫 電路原理框圖 測(cè)溫電路及轉(zhuǎn)換倍率的推導(dǎo) 系統(tǒng)溫度的測(cè)量時(shí)，熱電阻通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)連接到運(yùn)算放大電路， 由于導(dǎo)線(xiàn)的環(huán)境參數(shù)是變化的，導(dǎo)線(xiàn)變化的電阻必然會(huì)影響到測(cè)量的精度。為避免或減少導(dǎo)線(xiàn)電阻對(duì)測(cè)量的影響，采用四線(xiàn)制接法，即熱電阻兩端各接兩根導(dǎo)線(xiàn)。其中一對(duì)導(dǎo)線(xiàn)接 COM1和地線(xiàn)，由恒流源提供電流 I流過(guò)熱電阻 RT，使其產(chǎn)生電壓 Vi，再由 COM（ 2） COM3接入運(yùn)算放大電路。盡管導(dǎo)線(xiàn)有電阻，但由于流經(jīng) COM（ 2） COM3 的電流幾乎為 0，所以導(dǎo)線(xiàn)電阻可以不考慮。 系 統(tǒng)測(cè)溫電路圖如圖 33所示，輸出電壓與溫度之間的關(guān)系，具體推導(dǎo)如下： 設(shè)恒流源提供電流為 I，穩(wěn)壓管兩端電壓為 Vz，則： 32 RRVI Z?? 公式 （ 3－ 1） 熱電阻 RT兩端電壓為： IRV PTi ?? 公式 （ 3－ 2） 調(diào)整 R3可以改變電流大小，從而調(diào)整 Vi大小。 iiB VRRVV ??? 97 公式 （ 3－ 3） 東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 模糊控制器的設(shè)計(jì) 10 BBC VRR VVV ???? 1112 基 公式 （ 3－ 4） 控溫電路工作原理 89c52 通過(guò) RS485 總線(xiàn)和上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，來(lái)判定溫度是否過(guò)高。本設(shè)計(jì)的控溫范圍為 50250 度之間，因此采集過(guò)來(lái)的溫度要與標(biāo)準(zhǔn)溫度是否過(guò)高或過(guò)低，一旦出現(xiàn)溫度不在有效的控溫范圍之內(nèi)，那么上位機(jī)就把比較結(jié)果通過(guò) RS485 總線(xiàn)反饋給單片機(jī)，然后由單片機(jī)發(fā)出控 制命令， 調(diào)節(jié)溫度，使?fàn)C刀溫度回到 有效的控溫范圍內(nèi)。其電路原理圖如圖 34： REA7DEB6R0Vss5DI4U12MAX14821324567VCC8MAX485EA/VPP31XTAL119XTAL218RST9(RD)17(WR)16(INT0)12 (INT1)13(T0)14(T1)15(T2)1(T2EX)2345678(AD0)39(AD1)38(AD2)37(AD3)36(AD4)35(AD5)34(AD6)33(AD7)32(A8)21(A9)22(A10)23(A11)24(A12)25(A13)26(A14)27(A15)28PSEN29ALE/PROG30(TXD)11(RXD)10GND20VCC40AT89C521324567VCC8MAX485GNDGND可控硅R15GND1 23 4P1燙刀COM3COM2U13U14 圖 34 溫度控制原理 圖 整個(gè)溫控系統(tǒng)的工作原理 首先該溫控系統(tǒng)分為兩大模塊，即測(cè)溫模塊和控制模塊。綜合上述兩大主要模塊的工作原理，本系統(tǒng)的主要工作原理就是用熱敏電阻從燙刀上采集溫度信號(hào)，在把采集的溫度信號(hào)經(jīng)過(guò)放大電路后進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換，單片機(jī)把轉(zhuǎn)換結(jié)果通過(guò) RS485 總線(xiàn)送到上位機(jī)與標(biāo)準(zhǔn)溫度進(jìn)行比較，判斷溫度是否過(guò)高，并把比較結(jié)果反饋給單片機(jī)，然后由單片機(jī)根據(jù)反饋信息發(fā)出控制命令，若在控溫范圍以?xún)?nèi)，不做調(diào)整直接輸出，若不在控溫范圍以?xún)?nèi)，單片機(jī)發(fā)出 控制命令，通過(guò)可控硅來(lái)實(shí)現(xiàn)把溫度調(diào)整到控溫范圍以?xún)?nèi)。 東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 模糊控制器的設(shè)計(jì) 11 模糊控制理論概述 模糊控制概念 美國(guó)自動(dòng)控制理論專(zhuān)家 于 1965 年首先提出模糊集合和模糊控制的概念，而后又引入模糊邏輯，以表示并利用模糊的和不確定的知識(shí) [3234]。模糊控制中的“模糊”二字并不是模模糊糊、含混不清的意思，而是指某一概念在特定的場(chǎng)合不具有明確的外延 [4647]。例如，青年人，我們并不能在年齡軸上劃兩道線(xiàn)，在這兩道線(xiàn)內(nèi)的就是青年人，在其外的就截然不是青年人了。這樣的概念相對(duì)于明確的概念我們稱(chēng)之為 不分明概念或者模糊概念。日常活動(dòng)中，還有很多這樣的模糊現(xiàn)象或模糊概念，例如：“高個(gè)子”、“胖子”、“高速度”、“污染”、“性能良好”、“身體健康”等等。 隨著信息革命的需要，人們不可避免地要處理大量的模糊概念現(xiàn)象，而傳統(tǒng)的方法和已有的工具面對(duì)模糊現(xiàn)象又顯得十分不足，以致精確性與模糊性的對(duì)立越發(fā)突出。參考文獻(xiàn) [3540]曾作過(guò)這樣的論述：“精確性與模糊性的對(duì)立，是當(dāng)今科學(xué)發(fā)展所面臨的一個(gè)十分突出的矛盾。各門(mén)學(xué)科迫切要求數(shù)字化、定量化。但是，科學(xué)的深化意味著研究對(duì)象的復(fù)雜化，復(fù)雜的東西又難于精確化。電子計(jì)算機(jī) 的出現(xiàn)，在一定程度上解決了這個(gè)矛盾。然而，正是由于電子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，使得這種矛盾更加激化。一方面，嚴(yán)密的程序要求高度的精確；另一方面，機(jī)器所執(zhí)行的日益繁難的任務(wù)，使它所面臨的系統(tǒng)日益復(fù)雜”。 Zadeh 正是注意到了這種對(duì)立，提出了這樣一條互克性的原理：“當(dāng)系統(tǒng)的復(fù)雜性 日 趨增長(zhǎng)時(shí)，我們給出系統(tǒng)特性的精確然而有意義的描述能力將相應(yīng)降低，直至達(dá)到這樣一個(gè)閾值，一旦超過(guò)它，精確性和有意義性將變成兩個(gè)幾乎互相排斥的特性。”這意味著，復(fù)雜程度越高，有意義的精確化能力便越低。 這正說(shuō)明精確的相對(duì)性，過(guò)分的精確反倒模糊，適當(dāng) 的模糊反而精確。對(duì)于有明確概念的事務(wù)，在現(xiàn)代數(shù)學(xué)里常常用經(jīng)典集合來(lái)表示；對(duì)于具有模糊概念的事務(wù)，Zadeh 提出了模糊集合的表示方法。經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的研究，他又提出了用模糊語(yǔ)言進(jìn)行系統(tǒng)描述的方法，給出了模糊推理的理論基礎(chǔ)，并為模糊控制的實(shí)施提供了有效的手段。所謂模糊控制，只是在控制方法上應(yīng)用了模糊數(shù)學(xué)知識(shí)，其基本原理仍和經(jīng)典控制論、現(xiàn)代控制理論一樣沒(méi)有改變，模糊控制的核心是利用模糊集合論，把人的控制策略的自然語(yǔ)言轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)能夠接收的算法語(yǔ)言所描述的算法，但它的控制輸出卻是確定的。它不僅能夠成功地實(shí)現(xiàn)控制，而且能 夠模擬人的思維方法對(duì)一些無(wú)法構(gòu)造數(shù)學(xué)模型的對(duì)象進(jìn)行控制。 東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 模糊控制器的設(shè)計(jì) 12 模糊控制原理 模糊控制屬于計(jì)算機(jī)數(shù)字控制的一種形式，模糊控制系統(tǒng)的組成類(lèi)似于一般的數(shù)字控制系統(tǒng)，其控制原理框圖如圖 35所示。模糊控制的核心部分為模糊控制器，如圖中虛線(xiàn)框中部分所示。模糊控制器的設(shè)計(jì)一般包括以下內(nèi)容： 1）確定模糊控制器的輸入變量和輸出變量 (即控制量 )； 2）選擇模糊控制器的輸入變量及輸出變量的論域； 3）進(jìn)行模糊化和反模糊化； 4）設(shè)計(jì)模糊控制器的控制規(guī)則； 5）編制模糊控制算法的應(yīng)用程序。 圖 35 模糊控制器 原理框圖 在上述過(guò)程中涉及到模糊控制理論中的幾個(gè)重要概念： 1）模糊控制器的輸入變量和輸出變量：模糊控制系統(tǒng)往往把一個(gè)被控制量 (通常是系統(tǒng)輸出量 )的偏差、偏差變化以及偏差變化的變化率作為模糊控制器的輸入。在確定性自動(dòng)控制系統(tǒng)中，通常將具有一個(gè)輸入變量和一個(gè)輸出變量的系統(tǒng)稱(chēng)為單變量系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱(chēng) SISO），而將多于 — 個(gè)輸入 /輸出變量的系統(tǒng)稱(chēng)為多變量控制系統(tǒng) (簡(jiǎn)稱(chēng) MIMO)。 模糊控制特點(diǎn) 模糊控制是以模糊集合論、模糊語(yǔ)言變量及模糊邏輯推理為理論基礎(chǔ)的一種計(jì)算機(jī)數(shù)字控制。從線(xiàn)性與非線(xiàn)性控制的角度分類(lèi)， 模糊控制是一種非線(xiàn)性控制。從控制的智能性看，模糊控制屬于智能控制的范疇。只有在被控對(duì)象具有強(qiáng)非線(xiàn)性、控制過(guò)程中干擾因素很多或得不到被控對(duì)象模型的前提下，模糊控制會(huì)比經(jīng)典控制有效。 東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 模糊控制器的設(shè)計(jì) 13 模糊 PID 控制器設(shè)計(jì) 模糊 PID 控制器 結(jié)構(gòu) 在制袋機(jī)溫控系統(tǒng)中，燙刀數(shù)量多，特性不可能完全一致，即使對(duì)于某一個(gè)溫控系統(tǒng)，由于設(shè)備運(yùn)行中負(fù)荷變化、噪聲及各種因素等干擾，也會(huì)引起對(duì)象模型參數(shù)變化較大甚至模型結(jié)構(gòu)改變。采用模糊自整定 PID 控制器，在線(xiàn)整定 PID 控制器參數(shù)，使控制器具有自適應(yīng)能力。本章根據(jù)燙刀在采樣 時(shí)刻的溫度偏差和溫度偏差的變化，通過(guò)模糊規(guī)則進(jìn)行推理和決策，在線(xiàn)整定 PID 控制器的三個(gè)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)制袋機(jī)溫控系統(tǒng)中各燙刀的精確控制。 圖 36 模糊 PID 控制器原理框圖 為使控制效果最佳，常規(guī) PID 控制器以固定的參數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)系統(tǒng)溫度是很難辦到的。為此，本文設(shè)計(jì)了模糊 PID控制算法，使得 PID 參數(shù)可依據(jù)偏差和偏差變化范圍在線(xiàn)調(diào)整，選擇最佳的控制策略，使系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)的控制指標(biāo)。上述圖 36為模糊 PID 控制器結(jié)構(gòu)原理。 模糊控制器的設(shè)計(jì) 模糊控制器（ FCFuzzy Controller）是模糊 控制系統(tǒng)的核心，它決定了模糊控制系統(tǒng)的性能優(yōu)劣 [41]。主要由四部分組成： 1. 模糊化。將輸入的精確量轉(zhuǎn)化為模糊化量。 模糊推理。這是模糊控制器的核心，具有模擬人的基于模糊概念的推理 能力。 2. 反模糊化。將模糊推理得到的模糊控制量變換為可用于執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際控東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 模糊控制器的設(shè)計(jì) 14 制量。 3. 知識(shí)庫(kù)。包含了具體應(yīng)用領(lǐng)域中的知識(shí)和控制目標(biāo)。它通常由數(shù)據(jù)庫(kù)和 模糊控制規(guī)則庫(kù)兩部分組成。數(shù)據(jù)庫(kù)主要包括各語(yǔ)言變量的隸屬度函數(shù)、論域標(biāo)度轉(zhuǎn)換以及模糊子集的劃分等。規(guī)則庫(kù)包括了用模糊語(yǔ)言變量表示的一系列控制規(guī)則，它們反映了人的手動(dòng)控制經(jīng)驗(yàn)。 模糊 PID 控制算法實(shí)現(xiàn) 基本 PID控制器 u(k)=Kpek+ KI??kj e0（ j） +KD[e(k)e(k1)],輸出控制量由偏差、偏差積分和偏差微分決定，通常情況下控制器的比例 KP、積分 KI、微分 KD系數(shù)為調(diào)整好的常量，在控制過(guò)程中固定不變。本文的模糊 PID 控制器采用了偏差、偏差微分、基本積分和智能積分四項(xiàng)合成控制器的輸出量，并且控制器比例系數(shù)、微分系數(shù)、基本積分系數(shù)以及智能積分系數(shù)都是可以在線(xiàn)調(diào)整的 ： 公式 （ 35） 公式 (35)式中， U(k)為模糊 PID 控制器的輸出控制量， e(k)和 Δ e (k)分別為實(shí)際偏差和偏差變化； KP、 KD、 KI分別是比例、微分、積分系數(shù)； i＝ 1， 2， 3， 4，分別指溫度變化的四個(gè)區(qū)域，即：（ 1） e . Δ e0， e0；（ 2） e . Δ e0， e0；（ 3）e . Δ e0， e0；（ 4） e . Δ e0， e0；α i為加權(quán)因子，α i∈（ 0， 1），它表明了在溫度變化的各個(gè)階段對(duì) e 和 e. 的加權(quán)， Kp1為程序軟開(kāi)關(guān)， Kp1＝＋ 1 或－ 1，它反應(yīng)了由 e 和 Δ e 產(chǎn)生的控制量是 同方向還是反方向，決定著控制量的大?。沪拢?KI??kj e0） 為基本積分控制項(xiàng)，主要用來(lái)消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的控制精度，β為基本積分系數(shù)，β≥ 0； Kp2λ i （ KI??kj e0） 為智能積分控制項(xiàng)， Kp2為程序軟開(kāi)關(guān)，即： Kp2＝－ 1（負(fù)量積分控制）， Kp2＝ 0（取消積分控制）， Kp2＝＋ 1（正量積分控制）；λ i 為智能積分系數(shù)，λ i≥ 0；智能積分控：制項(xiàng)可靈活地對(duì)控制量進(jìn)行調(diào)整