【導讀】傳統(tǒng)的烘干爐溫度控制系統(tǒng)在烘干過程中，烘干爐溫度保持恒溫，并不利于產品整體的烘干，而為了達到更好的效果，其溫度應由低到高逐漸升高，以利于溶劑的充分揮發(fā)。本文就是以烘干爐為被控對象，本文通過使用銅-銅鎳熱電偶，測量烘干爐實際運行溫度，送入單片機進行數據處理，以AT89C52單片機為基礎，構成一個能進行較為復雜數據處理的控制系統(tǒng)，并實現其硬件電路圖與軟件框圖。單片機可根據輸入的各種命令，運行智能算法得到控制值，輸出脈沖觸發(fā)信號，通過過零觸發(fā)電路驅動雙向可控硅，從而加熱烘干爐。本文分析了PID控制和模糊控制的優(yōu)缺點，將PID控制和模糊控制的優(yōu)點結合起來，采用模糊規(guī)則在線整定PID的PK、IK、DK三個參數的模糊自整定PID控制方法?；谀：哉≒ID控制算法的控制系統(tǒng)有相當好的靈活性，能進行數據實時采集、利用模糊PID算法進行處理及控制結果顯示等功能，可以獲得較高的控制精度。

　　

【正文】 公司生產的6264芯片容量為8KB*8，是28引腳雙列直插式芯片，采用CMOS工藝制造。其中，A12～A0為12根地址線，可尋址8KB的存儲空間； D7～D0為8根數據線，雙向，三態(tài)，用于讀取和寫入數據；OE管腳為讀出允許信號，低電平有效。 WE為寫允許信號，低電平有效。 CE為片選信號，在讀/寫方式時為低電平。Intel 6264的操作方式由OE,WE, CE1 , CE2的共同作用決定，主要有以下幾條：① 寫入：當WE和CE1為低電平，且OE和CE2為高電平時，數據輸入緩沖器打開，數據由數據線D7～D0寫入被選中的存儲單元。 ② 讀出：當OE和CE1為低電平，且WE和CE2為高電平時，數據輸出緩沖器選通，被選中單元的數據送到數據線D7～D0上。 ③ 保持：當CE1為高電平，CE2為任意時，芯片未被選中，處于保持狀態(tài)，數據線呈現高阻狀態(tài)。外擴RAM存儲器電路如圖38所示：圖 38 外擴RAM 6264電路圖 可控硅控制電路的設計烘干爐的溫度控制最終由輸出控制電路來實現，這部分電路主要是來控制強電的通斷實現對爐溫的控制?？刂剖峭ㄟ^可控硅調功電路實現的?？煽毓枵{功電路就是雙向可控硅和加熱絲串接在交流電路回路中。在給定周期 T 內，AT89C52 只要給改變可控硅的通斷時間便可以改變加熱絲的功率，以達到調節(jié)溫度的目的。而為了控制強電的通斷，需要用光耦進行隔離。光耦合器亦稱光電隔離器或光電耦合器，簡稱光耦。它是以光為媒介來傳輸電信號的器件，通常把發(fā)光器（紅外線發(fā)光二極管LED）與受光器（光敏半導體管）封裝在同一管殼內。當輸入端加電信號時發(fā)光器發(fā)出光線，受光器接受光線之后就產生光電流，從輸出端流出，從而實現了“電—光—電”轉換。以光為媒介把輸入端信號耦合到輸出端的光電耦合器，由于它具有體積小、壽命長、無觸點，抗干擾能力強，輸出和輸入之間絕緣，單向傳輸信號等優(yōu)點，在數字電路上獲得廣泛的應用。本系統(tǒng)所選管帶年耦合器型號為4N25,主要性能如下：晶體管輸出光電耦合器；輸出集電極電流（IF=10mA，VCE=10V）；CE飽和電壓（IC=2mA，IF=50mA）（typ）隔離電壓（f=60Hz ， t=1）：7500V（交流峰值）；隔離電阻（V=500V）： 10”Ω(min)隔離電容 （V=0V，f=1MHz）：（typ）輸出電路如圖39所示：圖39 可控硅調功電路圖 報警電路的設計音樂報警電路克服了單獨使用蜂鳴器報警音調比較單調的不足，發(fā)聲電路可以購買市售的樂曲發(fā)生器，發(fā)出的樂曲聲音可用來作為某種提示信號或者報警信號，可以根據系統(tǒng)需求來改變聲音。此報警電路主要由2部分組成：（1）集成電子音樂芯片；（2）放大電路。本系統(tǒng)使用的音樂芯片為7920A。當單片機給出高電平信號時，輸出端Vout便發(fā)出樂曲信號，經過M51182L放大進而驅動揚聲器發(fā)出樂曲警報聲。音量大小由10kΩ變阻器調整。若單片機給出低電平，則7920A因MT輸入點位變低而關閉，從而使揚聲器停止響動。音樂報警電路如圖310所示：圖310 音樂報警電路 電源電路的設計首先，整流橋將交流電蒸餾為直流電，并聯(lián)兩個電容是濾波作用，單片機電源腳上面再接電容主要是處理兩種問題：濾除外界輻射的高頻干擾；濾除單片機工作時自身產生的脈沖干擾；，7815輸出+15V，7915輸出15V，7812輸出+12V，7912輸出12V，7805輸出+5V，7905輸出5V。電源電路如圖311所示：圖311 電源電路圖 串口通信電路的設計在本系統(tǒng)中，為了與PC機進行通訊，方便在使用計算機進行監(jiān)控與控制，使用串口通信電路進行單片機與PC機進行通信，在PC端可以讀取系統(tǒng)當前數據，發(fā)送控制信號等。PC 機的串行口采用的是 RS232C 總線標準，RS232C是美國電子工業(yè)協(xié)會EIA（Electronic Industry Association）制定的一種串行物理接口標準。RS232C總線標準設有25條信號線，包括一個主通道和一個輔助通道。在多數情況下主要使用主通道，對于一般雙工通信，僅需幾條信號線就可實現。由于RS232技術成熟，有簡單易用的特點，因此，本系統(tǒng)選用RS232總線通信接口。在在收發(fā)單片機信號的過程中，需要將數據信號互相轉換。MAX232芯片符合所有的RS232C技術標準，只需要單一 +5V電源供電，而且集成度高，片外最低只需4個電容即可工作，可以非常方便的應用。所以本系統(tǒng)選用MAX232作為數據轉換芯片，將RS232數據和TTL/CMOS數據進行互相轉換，分別為單片機以及PC機進行識別。串口通信電路如圖312所示：圖312 串口通信電路第4章 控制系統(tǒng)軟件的設計在自動控制系統(tǒng)中，軟件是一個非常重要的部分。硬件電路確定之后，系統(tǒng)的功能還是要有軟件來實現。本文將要實現的功能分成不同的模塊，單獨進行設計與編程，會起到減小工作量，容易查出錯誤的好處。本系統(tǒng)程序主要有主程序，數據采集程序，數據處理程序，數據顯示以及鍵盤掃描程序等組成。 控制系統(tǒng)的仿真在設計模糊PID控制系統(tǒng)的過程中，存在許多繁瑣的工作，例如，確定控制器結構，選取隸屬函數，獲取各種模糊控制規(guī)則，整定參數等。在模糊控制系統(tǒng)設計完成之后，還必須對系統(tǒng)進行細致的調試才能得到所期望的性能。為了解決這些問題，我們使用Matlab數學計算軟件，利用其中可視化仿真Simulink中的模糊控制工具箱，可以有效的進行模糊PID控制器的設計，分析，調試，修改等工作。 (1)MATLAB是由美國mathworks公司發(fā)布的主要面對科學計算、可視化以及交互式程序設計的高科技計算環(huán)境。它將數值分析、矩陣計算、科學數據可視化以及非線性動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強大功能集成在一個易于使用的視窗環(huán)境中，為科學研究、工程設計以及必須進行有效數值計算的眾多科學領域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設計語言（如C、Fortran）的編輯模式[20]，代表了當今國際科學計算軟件的先進水平。MATLAB主要用于算法開發(fā)、數據可視化、數據分析以及數值計算的高級技術計算語言和交互式環(huán)境，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。其的應用范圍非常廣，包括信號和圖像處理、通訊、控制系統(tǒng)設計、測試和測量、財務建模和分析以及計算生物學等眾多應用領域。附加的工具箱（單獨提供的專用MATLAB 函數集）擴展了MATLAB 環(huán)境，可以解決特定領域的問題，本文所做仿真便是基于模糊控制工具箱的。(2) Simulink是MATLAB中的可視化仿真環(huán)境，其中除了包括輸入模塊、輸出模塊、連續(xù)模塊、離散模塊、函數和表模塊、數學模塊、非線性模塊、信號模塊以及子系統(tǒng)模塊外，還包括了各個工具箱特有的模塊，如模糊邏輯工具箱的模糊邏輯控制器模塊。 能實現動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個軟件包，被廣泛應用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數字控制及數字信號處理的建模和仿真中。Simulink可以用連續(xù)采樣時間、離散采樣時間或兩種混合的采樣時間進行建模，它也支持多速率系統(tǒng)，也就是系統(tǒng)中的不同部分具有不同的采樣速率。為了創(chuàng)建動態(tài)系統(tǒng)模型，Simulink提供了一個建立模型方塊圖的圖形用戶接口(GUI) ，這個創(chuàng)建過程只需單擊和拖動鼠標操作就能完成，它提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且用戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真結果。本文的所有仿真都在 Simulink 中完成的。 PID控制系統(tǒng)的仿真（1）PID控制器的模型在對PID控制系統(tǒng)進行仿真，輸出Kp，Ki，Kd控制量對被控對象進行控制，并進行反饋修正。圖41 PID控制模型（2）PID控制的響應曲線圖42 PID控制曲線 模糊自整定PID控制系統(tǒng)的仿真自整定PID控制器以誤差e以及誤差變化率ec作為輸入，可以滿足不同時刻的e和ec對PID參數自整定的需求。利用模糊控制規(guī)則對PID參數進修改，可以得到自整定模糊控制器。（1）模糊PID控制器的模型圖43 模糊PID控制器模型（2）模糊推理系統(tǒng)編輯器在自整定PID控制器設計過程中[21]，需要對模糊規(guī)則進行設定，下圖便是Simulink中的模糊推理系統(tǒng)編輯器，其中e，ec分別是兩個輸入量，Kp，Ki，Kd分別是3個輸出量，fuzzycontrol部分是模糊推理核心部分，模糊規(guī)則。圖44 模糊推理系統(tǒng)編輯器（3）隸屬度函數曲線這一步是將2個輸入量以及3個輸出量的隸屬函數進行確定，如圖所示，本論文中模糊量隸屬函數為三角隸屬函數。圖45 隸屬度函數曲線（4）模糊推理規(guī)則觀察器這是已經確定好的模糊規(guī)則，根據e，ec不同的輸入量，可以得到不同的輸出量Kp，Ki，Kd，在模糊推理規(guī)則觀察器中可以方便的看到。圖46 模糊推理規(guī)則觀察器（5）模糊PID控制器的響應曲線：圖47模糊PID控制器的響應曲線結論：PID控制器和模糊自整定PID控制器響應曲線對比圖： 圖48 控制器響應曲線對比圖經過對PID控制和模糊自整定PID控制兩種控制方案的仿真以及比較，結果表明，采用自整定模糊PID控制，系統(tǒng)的相應速度加快，調節(jié)精度提高，超調量小。所以，本系統(tǒng)選擇模糊自適應PID控制器作為烘干爐單片機溫度控制系統(tǒng)的控制器。 主程序的設計主程序要包括單片機的初始化，溫度數據的采集，濾波以及顯示。處理器進行定時循環(huán)以采樣烘干爐溫度值，經由A/D轉換，數字濾波后在LED顯示器上顯示烘干爐中的時實時溫度數據，再通過模糊推理算法[22]，計算出輸出控制量。程序框圖如下：系統(tǒng)初始化采樣溫度熱電偶斷線？保存采樣值斷線處理結束采樣時間到？YNNY采樣夠4次？N數字濾波存儲溫度值顯示溫度值模糊推理執(zhí)行機構D/A轉換掃描鍵盤圖49 主程序框圖Y 模糊自適應PID算法模糊控制算法的目的就是從輸入的連續(xù)精確量中，通過模糊推理的算法過程求出相應的清晰值的控制算法。為了兼顧程序運行效率，在單片機上采用查表法。雖然查表法一般只適用于離散有限論域的情況，但是它的實時性比較高，在離線計算完成之后，在線只需查表便可得出結論。所以本文采用此種方法。以下便是程序框圖：開 始定義輸入變量e，ec和輸出變量u的基本論域定義e，ec和u的隸屬函數以及賦值表確定推理規(guī)則集計算每條規(guī)則的模糊關系計算控制量的隸屬度矢量解模糊化輸出?Kp， ?Ki , ?Kd返回圖410 模糊自適應算法框圖 鍵盤和LED顯示程序(1)鍵盤輸入程序：檢測鍵盤上有無鍵按下通常采用 3 種方式：查詢工作方式、定時掃描工作方式和中斷工作方式，本系統(tǒng)選用的是查詢工作方式，這種方式是直接在主程序中插入鍵盤檢測子程序，主程序每執(zhí)行一次則鍵盤檢測子程序被執(zhí)行依次，對鍵盤進行檢測依次。按鍵時，無論按下鍵位還是放開鍵位都會產生抖動，必然會出現按一次鍵輸入多次，為確保按一次鍵只確認一次，必須消除抖動，消除抖動的方法有兩種，硬件消抖和軟件消抖。本系統(tǒng)采用軟件消抖，即利用延時來跳過抖動過程。鍵盤掃描子程序流程圖如下：返回是否有鍵閉合？ 調用顯示子程序延遲6ms二次調用顯示子程序延遲12ms是否有鍵閉合？判斷閉合鍵鍵號堆棧閉合鍵釋放？否？輸入鍵號開始YNYN圖411 鍵盤輸入程序框圖NYNY(2)LED顯示程序：返回顯示器緩沖區(qū)指針置初值 79HR3掃描模式置初值01HR3取現實數據查表轉換為段碼8155B口延遲1 ms顯示緩沖器指針R0+1(R3).5 = 1?R3左移1位開始Y圖412 LED顯示程序框圖NMAX7219的控制寄存器和顯示寄存器均為獨立編址，顯示程序實際就是單片機在LOAD，CLK時序的配合下不斷通過DIN數據輸入端口向MAX7219的相應控制寄存器以及數據顯示寄存器寫入16位二進制數據包的過程。程序框圖如下： 串口通信程序AT89c52 的使用串口通信方式在 PC機與單片機通信時，PC 機每一次都向單片機傳送兩個字節(jié)信息，先傳送單片機的地址信息，再傳送數據信息。其中TRDY=1(=1):表示單片機發(fā)送準備就緒TRDY=1(=0)：表示單片機接收準備就緒單片機通信過程的程序流程圖如圖 413 所示： 開始現場保護接收下一幀地址相符？接收就緒？接收完？RRDY=1 送PC機恢復現場 返回YNRRDY=0 送PC機YNY圖413 串口通訊程序框圖N 結 論模糊控制系統(tǒng)最大的特點就是設計不要求知道被控對象的精確數學模型，只需要提供現場操作人員的經驗知識及操作數據。并且，控制系統(tǒng)的魯棒性強，適用于解決常規(guī)控制難以解決的非線性、時變及大滯后等問題。以語言變量代替常規(guī)的數學變量，易于形成專家的知識。經過幾十年的發(fā)展，在現在，模糊控制技術在實際中也得到了一定的應用。下面簡單總結一下本文的內容：，并在其局限性的基礎上詳細講述了模糊控制的工作原理以及設計步驟，借助Simulink仿真平臺對PID控制，模糊控制，以及模糊自整定PID控制方案