【正文】 12 串口通信電路第4章 控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，軟件是一個(gè)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(shí)現(xiàn)。本文將要實(shí)現(xiàn)的功能分成不同的模塊，單獨(dú)進(jìn)行設(shè)計(jì)與編程，會(huì)起到減小工作量，容易查出錯(cuò)誤的好處。本系統(tǒng)程序主要有主程序，數(shù)據(jù)采集程序，數(shù)據(jù)處理程序，數(shù)據(jù)顯示以及鍵盤掃描程序等組成。 控制系統(tǒng)的仿真在設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)，選取隸屬函數(shù)，獲取各種模糊控制規(guī)則，整定參數(shù)等。在模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成之后，還必須對系統(tǒng)進(jìn)行細(xì)致的調(diào)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(shù)學(xué)計(jì)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(jìn)行模糊PID控制器的設(shè)計(jì)，分析，調(diào)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(xué)計(jì)算、可視化以及交互式程序設(shè)計(jì)的高科技計(jì)算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計(jì)算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強(qiáng)大功能集成在一個(gè)易于使用的視窗環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)以及必須進(jìn)行有效數(shù)值計(jì)算的眾多科學(xué)領(lǐng)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(shè)計(jì)語言（如C、Fortran）的編輯模式[20]，代表了當(dāng)今國際科學(xué)計(jì)算軟件的先進(jìn)水平。MATLAB主要用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的高級技術(shù)計(jì)算語言和交互式環(huán)境，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。其的應(yīng)用范圍非常廣，包括信號和圖像處理、通訊、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、測試和測量、財(cái)務(wù)建模和分析以及計(jì)算生物學(xué)等眾多應(yīng)用領(lǐng)域。附加的工具箱（單獨(dú)提供的專用MATLAB 函數(shù)集）擴(kuò)展了MATLAB 環(huán)境，可以解決特定領(lǐng)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(shù)和表模塊、數(shù)學(xué)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(gè)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(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個(gè)軟件包，被廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號處理的建模和仿真中。Simulink可以用連續(xù)采樣時(shí)間、離散采樣時(shí)間或兩種混合的采樣時(shí)間進(jìn)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(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型，Simulink提供了一個(gè)建立模型方塊圖的圖形用戶接口(GUI) ，這個(gè)創(chuàng)建過程只需單擊和拖動(dòng)鼠標(biāo)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(jié)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(jìn)行仿真，輸出Kp，Ki，Kd控制量對被控對象進(jìn)行控制，并進(jìn)行反饋修正。圖41 PID控制模型（2）PID控制的響應(yīng)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(shí)刻的e和ec對PID參數(shù)自整定的需求。利用模糊控制規(guī)則對PID參數(shù)進(jìn)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(shè)計(jì)過程中[21]，需要對模糊規(guī)則進(jìn)行設(shè)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(gè)輸入量，Kp，Ki，Kd分別是3個(gè)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(shù)曲線這一步是將2個(gè)輸入量以及3個(gè)輸出量的隸屬函數(shù)進(jìn)行確定，如圖所示，本論文中模糊量隸屬函數(shù)為三角隸屬函數(shù)。圖45 隸屬度函數(shù)曲線（4）模糊推理規(guī)則觀察器這是已經(jīng)確定好的模糊規(guī)則，根據(jù)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(yīng)曲線：圖47模糊PID控制器的響應(yīng)曲線結(jié)論：PID控制器和模糊自整定PID控制器響應(yīng)曲線對比圖： 圖48 控制器響應(yīng)曲線對比圖經(jīng)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(jié)果表明，采用自整定模糊PID控制，系統(tǒng)的相應(yīng)速度加快，調(diào)節(jié)精度提高，超調(diào)量小。所以，本系統(tǒng)選擇模糊自適應(yīng)PID控制器作為烘干爐單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)的控制器。 主程序的設(shè)計(jì)主程序要包括單片機(jī)的初始化，溫度數(shù)據(jù)的采集，濾波以及顯示。處理器進(jìn)行定時(shí)循環(huán)以采樣烘干爐溫度值，經(jīng)由A/D轉(zhuǎn)換，數(shù)字濾波后在LED顯示器上顯示烘干爐中的時(shí)實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)，再通過模糊推理算法[22]，計(jì)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(jié)束采樣時(shí)間到？YNNY采樣夠4次？N數(shù)字濾波存儲(chǔ)溫度值顯示溫度值模糊推理執(zhí)行機(jī)構(gòu)D/A轉(zhuǎn)換掃描鍵盤圖49 主程序框圖Y 模糊自適應(yīng)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(yīng)的清晰值的控制算法。為了兼顧程序運(yùn)行效率，在單片機(jī)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(shí)時(shí)性比較高，在離線計(jì)算完成之后，在線只需查表便可得出結(jié)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(shù)以及賦值表確定推理規(guī)則集計(jì)算每條規(guī)則的模糊關(guān)系計(jì)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(yīng)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(shí)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(jìn)行檢測依次。按鍵時(shí)，無論按下鍵位還是放開鍵位都會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng)，必然會(huì)出現(xiàn)按一次鍵輸入多次，為確保按一次鍵只確認(rèn)一次，必須消除抖動(dòng)，消除抖動(dòng)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(shí)來跳過抖動(dòng)過程。鍵盤掃描子程序流程圖如下：返回是否有鍵閉合？ 調(diào)用顯示子程序延遲6ms二次調(diào)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(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)查表轉(zhuǎn)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(dú)立編址，顯示程序?qū)嶋H就是單片機(jī)在LOAD，CLK時(shí)序的配合下不斷通過DIN數(shù)據(jù)輸入端口向MAX7219的相應(yīng)控制寄存器以及數(shù)據(jù)顯示寄存器寫入16位二進(jìn)制數(shù)據(jù)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(jī)與單片機(jī)通信時(shí)，PC 機(jī)每一次都向單片機(jī)傳送兩個(gè)字節(jié)信息，先傳送單片機(jī)的地址信息，再傳送數(shù)據(jù)信息。其中TRDY=1(=1):表示單片機(jī)發(fā)送準(zhǔn)備就緒TRDY=1(=0)：表示單片機(jī)接收準(zhǔn)備就緒單片機(jī)通信過程的程序流程圖如圖 413 所示： 開始現(xiàn)場保護(hù)接收下一幀地址相符？接收就緒？接收完？RRDY=1 送PC機(jī)恢復(fù)現(xiàn)場 返回YNRRDY=0 送PC機(jī)YNY圖413 串口通訊程序框圖N 結(jié) 論模糊控制系統(tǒng)最大的特點(diǎn)就是設(shè)計(jì)不要求知道被控對象的精確數(shù)學(xué)模型，只需要提供現(xiàn)場操作人員的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)及操作數(shù)據(jù)。并且，控制系統(tǒng)的魯棒性強(qiáng)，適用于解決常規(guī)控制難以解決的非線性、時(shí)變及大滯后等問題。以語言變量代替常規(guī)的數(shù)學(xué)變量，易于形成專家的知識(shí)。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，在現(xiàn)在，模糊控制技術(shù)在實(shí)際中也得到了一定的應(yīng)用。下面簡單總結(jié)一下本文的內(nèi)容：，并在其局限性的基礎(chǔ)上詳細(xì)講述了模糊控制的工作原理以及設(shè)計(jì)步驟，借助Simulink仿真平臺(tái)對PID控制，模糊控制，以及模糊自整定PID控制方案分別進(jìn)行了比較。，實(shí)現(xiàn)了模糊控制系統(tǒng)的硬件電路圖。對熱電偶傳感器，LED顯示，以及單片機(jī)外圍電路有了詳細(xì)的說明。使用Altium Designer軟件設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的電路原理圖。對于本文來說，還有幾點(diǎn)不足1. 硬件設(shè)計(jì)的比較倉促，可能有許多不足之處，距離制成實(shí)物進(jìn)行實(shí)際測試，還有一段距離要走。2. 雖然實(shí)現(xiàn)了串口通信，但是沒有實(shí)現(xiàn)上位機(jī)的軟件設(shè)計(jì)，對于大量溫度信息沒有挖掘功能，希望能在以后的設(shè)計(jì)中將加入更多的上位機(jī)，這樣可以依靠計(jì)算機(jī)來修改工件的工藝參數(shù)和模糊控制規(guī)則，改進(jìn)人為的不足，使控制效果更優(yōu)。致 謝xxx參考文獻(xiàn) PID 控制器及其在溫度控制中的應(yīng)用[J].自動(dòng)化儀表，2002, 25~28[J]. 冶金動(dòng)力，2004(3):57.3 PID 控制及其 MATLAB 仿真[J].現(xiàn)代機(jī)械，～55.4 [J].電氣傳動(dòng)自動(dòng)化，2005(1): 8105 與模糊控制的比較及改進(jìn)[J].控制工程，2003，10(1). 51～52.6 王順晃，[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1995，1～9.7 張桂香，[M].成都:電子科技大學(xué)出版社，1999，56～57.8 [M].北京：清華大學(xué)出版社，2003，1～23，119～126.9 Jen Yang. Chen. Rule Regulation of Sliding Mode Controller Design:Direct Adaptive Approach[J]. Fuzzy Sets and Systems, 2001,120:15916810 [J].華北航天工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，14(3)，8～10.11 [M].上海:上海科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，1995，1～140.12 王磊，[M].北京：國防大學(xué)出版社，1997，1～128.13 韓峻峰，[M].重慶：重慶大學(xué)出版社，2003，1～65.14 ,[J]. Neural Networks for Control SystemsA Survey. Automatica， 1992， 28(6):1083～1112.15 邱東強(qiáng)，[J].自動(dòng)化儀器儀表，2001，(5):1～6.16 [M]，~4417 劉廣文. 干燥設(shè)備設(shè)計(jì)手冊，2009，11(1): 92～97.18 徐建林，[J].熱加工工藝， 2002，(5):58～60. 19 與模糊控制的比較及改進(jìn)[J].控制工程，2003，10(1). 51～52.20 St. Boschert, P. Dold, K. W. Benz. Modelling of the Temperature Distributionin a Threezone Resistance Furnace: Influence of Furnace Configuration and AmpoulePosition[J]. Journal of Crystal Growth, 1998,187:140149[7] 張桂香，[M].成都:電子科技大學(xué)出版社，1999，56～57. 21 ， Fuzzy PID controller for nonlinear and uncertain systems[J].Soft Computing A Fusion of Foundations， Methodologies and ApplicationsVolume 4，Number 2，2000，123～129.22 王順晃，[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1995，1～9.附錄 單片機(jī)系統(tǒng)的基本電路圖附錄2 模糊自適應(yīng)PID算法程序define NB 0define NM 1define NS 2define ZO 3define PS 4define PM 5define PB 6/**************求隸屬度（三角形）模糊化處理***************/float uf(float x,float a,float b,float c){if(x=a)return 0。else if((ax)amp。amp。(x=b))return (xa)/(ba)。else if((bx)amp。amp。(x=c))return (cx)/(cb)。else if(xc)return 0。}/***