【導讀】現(xiàn)溫度控制的快速性和準確性，對于提高產品質量和生產效率有很重要的現(xiàn)實意義。溫水箱為被控對象，以單片機為控制器設計一恒溫控制系統(tǒng)，恒溫范圍為40℃~90℃中的某一溫度值,溫度誤差在℃以內。在控制算法上，由于傳統(tǒng)的PID算法其參數(shù)設定后，系統(tǒng)的運行、控制環(huán)境。而模糊控制其優(yōu)點是不需要被控對象的數(shù)學模型，而根據(jù)人工控制規(guī)律控制決策表，然后由該表。PID控制精度高、靜態(tài)性能好的優(yōu)點。

　　

【正文】 PID 控制系統(tǒng)結構 鍵盤管理模塊 上電或復位后系統(tǒng)處于鍵盤管理狀態(tài)，其功能是監(jiān)測鍵盤輸入，接收溫度預置和啟動鍵。程序設有預 置溫度合法檢測報警，當預置溫度不在 40℃ 90℃時會報警并將溫度設定在 40℃ 90℃。鍵盤管理子程序流程如圖 46所示。 22 圖 46 鍵盤管理子程序 顯示模塊 顯示子程序的功能是將顯示緩沖區(qū) 57H 和 58H 的二進制數(shù)據(jù)先轉換成三個BCD 碼，分別存入百位、十位和個位顯示緩沖區(qū)（ 54H、 55H 和 56H 單元），然后通過串口送出顯示。 為提高數(shù)據(jù)采樣的可靠性，對采樣溫度進行數(shù)字濾波。數(shù)字濾波的算法很多，這里采用 4次采樣取平均值的方法。本系統(tǒng) DS10B20輸出 結果 乘 2正好是溫度值，因此， 4次采樣的數(shù)字量之和除以 2就是檢測的當前溫度。檢測結果高位存入 50H，低位存入 51H。溫度檢測子程序流程圖如圖 47所示。 A預 置 溫 度合 法 檢 查預置溫度 → 顯 示 緩 沖區(qū)調 用 顯 示子 程 序有鍵閉合調 用 顯 示子 程 序延時去抖有鍵閉合P 1 .1 ＝ 0P 1 .2 ＝ 0P 1 .3 ＝ 0P 1 .0 ＝ 0返回啟動加熱1 0 0 →A1 0 →A1 →AA ＋預置溫度 →預 置 溫 度數(shù) 據(jù) 區(qū)鍵釋放AYNYNNYYYNNNYNY 23 圖 47 溫度檢測流程圖 溫度控制模塊 將當前溫度與預置溫度比較，當前溫度小于預置溫度時， 可控硅不導通 ，接通電阻絲加熱；當前溫度大于預置溫度時，繼電器斷開，停止加熱；當二者相等時電爐保持原來狀態(tài)；當前溫度降低到比預置溫度低 ℃時，再重新啟動加熱；當前溫度超出報警上下限時將啟動報警，并停止加熱。由于 電爐開始加熱時，當前溫度可能低于報警下限，為了防止誤報，在未達到預置溫度時，不允許報警，為此設置了報警允許標志 F0。模塊流程見圖 48。 清 檢 測 結果 緩 沖 區(qū)采樣次數(shù) 4 →R 2啟動 A /D 轉換轉換結束累 加 采 樣結 果結果低 8 位 →5 1 H高 8 位 →5 0 HAR2 － 1 ＝ 0A4 次 累 加 結果 除 2→檢 測 結 果緩 沖 區(qū)返回YNNY 24 N Y N Y N Y 圖 48 溫度控制流程圖 溫度越限報警模塊 報警上限溫度值為預置溫度 +℃，即當前溫度上升到高于預置溫度 +℃時報警，并停止加熱；報警下限溫度值為預置溫度 ℃，即在當前溫度下降到低于預置溫度 ℃，且報警允許時報警，這是為了防止開始從較低溫度加溫時誤報警。報警的同時也關閉電爐。圖 49 為報警子程序流程圖。 當前溫度與預置溫度比較 當前溫度 預置溫度比較 達到過預置溫度 當前溫度 預置溫度 開電驢 關電驢 置允許報警標志 返回 25 圖 49 溫度報警程序 5 恒溫控制箱控制算法研究與仿真 恒溫系統(tǒng)的數(shù)學模型 通過對恒溫控制系統(tǒng)的分析，可以看出恒溫控制系統(tǒng)的特性：非線性、強耦合、大慣性等特點。本章針對恒溫控制箱的模型特性，對其進行仿真研究。為了對其進行精確得建模，因此通常根據(jù)的恒溫系統(tǒng)末端各個環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)及實驗測試數(shù)據(jù)，利用帶延遲的二階系統(tǒng) 模擬恒溫系統(tǒng)的數(shù)學模型。控制系統(tǒng)的目標溫 度 設定值為 50℃ ，系統(tǒng)慣性時間常數(shù)為： T1=， T2=1,取k0= 系統(tǒng)的滯后時間常數(shù)τ =50s。 當前溫度 預置溫度差高字節(jié) →A差低字節(jié) →B當前溫度 ≤ 預置溫度預置溫度 當前溫度差高字節(jié) →A差低字節(jié) →B置 允 許 報警 標 志差＞ 5允許報警開 報 警 器， 關 電 爐返回YNYYNN差 26 因此，得到恒溫系統(tǒng)模型為： 本章的主要內容是通過使用常規(guī)數(shù)字 PID 算法對恒溫系統(tǒng)進行控制，分析常規(guī) PID 的控制效果以及局限性；同時使用模糊 PID 控制算法對該系統(tǒng)進行控制，分析系統(tǒng)響應曲線。將兩種控制方式進行對比，分析各自的特點與不足。 模糊 PID 控制算法與仿真 為達到滿意的控制效果，使系統(tǒng)的響應速度及 溫度 穩(wěn)定，在對模糊規(guī)則進行設計時，將誤差信號 e 及誤差的變化量 ec 分別劃分為七個范圍，因此其模糊規(guī)則的數(shù)目為 7 7=49 條， kp， ki， kd 也劃分為 { NB NM NS ZE PS PM PB} 七個范圍。這樣，整個模糊系統(tǒng)構成了一個 2 輸入 3 輸出的系統(tǒng)。其系統(tǒng)的結構圖如圖 51 所示。 圖 51模糊 PID 控制系統(tǒng)結構圖 根據(jù)以上劃分，以及在第 4章中的理論論述，可以將模糊控制器的輸入和 輸出的隸屬度函數(shù)用下圖表示。 圖 52（ a） 輸入 e的隸屬度函數(shù) 27 圖 52（ b）輸入 ec的隸屬度函數(shù) 圖 52 輸出的隸屬度函數(shù) 同樣可以設計出三個輸出的隸屬度函數(shù)，如下圖所示。 圖 53（ a）輸出 kp的隸屬度函數(shù) 圖 53（ b）輸出 ki的隸屬度函數(shù) 圖 53（ c）輸出 kd的隸屬度函數(shù) 圖 53 輸出的隸屬度函數(shù) 在模糊 PID 控制中， PID 控制器參數(shù)的整定必須考慮到在不同時刻三個參數(shù)的作用以及相互之間的互聯(lián)關系。依照以上的參數(shù)調整規(guī)則，總結技術知識和實際操作經驗，建立以下分別用于修改 PID 控制器三個參數(shù) kp， ki， kd 的模糊規(guī)則表，如表 51，表 52，表 53所示。 28 表 51 kp 的模糊規(guī)則表 表 52 ki 的模糊規(guī)則表 表 53 kd 的模糊規(guī)則表 根據(jù)以上的工作，在 MATLAB 中進行仿真，仿真的給定溫度以及系統(tǒng)的擾動條件均與數(shù)字 PID 控制器仿真實驗時相同，可以得到系統(tǒng)的響應曲線如圖 54所示 。 29 圖 54 模糊 PID 控制系統(tǒng)響應曲線 模糊 PID控制器中 PID部分的基準參數(shù)是根據(jù)數(shù)字 PID控制器的參數(shù)進行選擇的，在進行仿真實驗后根據(jù)系統(tǒng)的輸出響應曲線進行稍微的調整，以達到更好的控制效果。但圖 54 顯示當使用模糊 PID 控制器 進行控制時，相對于同等條件下的數(shù)字 PID 控制器而言，溫度上升速度相對較慢，但是在模糊 PID 控制器控制下基本沒有超調，加入與數(shù)字 PID 仿真中等量的干擾量之后也能迅速的消除擾動。 本章小結 在本章中，對恒溫控制箱模型分別采用了模糊 PID 控制器進行控制仿真。在相同的條件下（相同的溫度給定，相同的擾動信號），模糊 PID 控制的系統(tǒng)響應速度相對較慢，但表現(xiàn)出良好的動態(tài)特性：基本無超調出現(xiàn)，系統(tǒng)的抗擾動能力較強。在仿真實驗設計中，模糊 PID 控制器的設計需要花費較多的時間，以及需要較多的經驗，但從長遠來看，隨著科學 技術的發(fā)展，計算機運算速度不斷提高，模糊 PID 控制器一定會越來越多的應用在控制系統(tǒng)中。 6 設計總結 本系統(tǒng)設計成一個溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)，主回路由單片機、驅動電路和電加熱絲組成。反饋回路由 DS10B20 檢測 電路組成。 本設計是對溫度進行實時監(jiān)測與控制，設計的溫度控制系統(tǒng)實現(xiàn)了基本的溫度控制功能：當溫度低于設定下限溫度時，系統(tǒng)自動 控制可控硅的導通時間，從而控制加熱絲來 加溫，使溫度上升。當溫度上升到下限溫度以上時，停止加溫。 電熱爐的供電電壓是經可控硅整流電源提供的，它的電壓連續(xù)可調。當調整可控硅觸發(fā)線路中的偏置 電壓，即改變了可控硅導通角α，于是可控硅整流電源的電壓可根據(jù)需要連續(xù)可調。而只要改變可控硅管的導通時間便可改變加熱線功率，以達到調節(jié)溫度的目的。 30 致 謝 本論文主要是設計了一個基于模糊 PID控制的恒溫控制系統(tǒng)。在設計的過程中我遇到了不少的困難，但在老師和同學們的幫助和支持下，還有通過自身的努力，最后順利的完成論文撰寫。在這我首先要感謝我的指導老師老師，感謝她對本論文的基本設計、論文撰寫等給出了寶貴的意見和指導。她在繁忙的工作中抽出時間給我們多次的修改論文并指出論文中存在的問題。她嚴謹細致、一絲不 茍的作風是我學習的榜樣。 最后，我也衷心感謝所有給予我指導和幫助的老師和同學們，你們的幫助使得我能夠順利的完成論文。由于時間倉促，本人水平有限，論文還存在一些不足之處，懇請廣大老師給予指正。 31 參考文獻 [1] 趙戰(zhàn)克，熊紅云，魯五一 .單片機在移頻信號頻率檢測中的應用 [J]．微計算機信息， 2020，(2)． [2] 陳敏．高精度轉速表設計 [J].儀表技術與傳感器 ,2020,(12)． [3] 陳光東 .單片機微型計算機原理與接口技術 (第二版 )[M].武漢 :華中理工大學出版 社，:2125 [4] 徐淑華，程退安，姚萬生 .單片機微型機原理及應用 [M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社 ,:128— 134 [5] 魏勛 .單片機車速數(shù)顯及報警系統(tǒng)設計 [J].電子制作 ,2020(11):2425. [6] 余永權．單片微機與攥鞠控制講座 .電腦 .{1994． 1— 7． [7]陳亭 ,薛楠 .轉矩流變儀溫度控制系統(tǒng)的設計 [J].聚氯乙烯 , 2020(11): 2022. [8]吳堅 ,趙英凱 ,黃玉清 .計算機控制系統(tǒng) [M].武漢 :武漢理工大學出版社 , 2020. [9]章衛(wèi)國 ,楊向忠 .模糊控制理論與應用 [M].西安 :西北工業(yè)大學出版社 , 1999. [10]劉金琨 .先進 PID控制及其 Matlab仿真 [M].北京 :電子工業(yè)出版社 , 2020