【正文】 最后還要感謝在百忙之中抽出寶貴時(shí)間對(duì)本論文進(jìn)行評(píng)審的各位專(zhuān)家們，衷心感謝您們對(duì)這篇論文提出的寶貴意見(jiàn)。還要特別感謝我的父母，感謝他們多年來(lái)對(duì)我的養(yǎng)育之恩，感謝他們始終如一地尊重并支持我的選擇。本文的這一設(shè)計(jì)思想也為以后繼續(xù)完善奠定了基礎(chǔ)，提供了思路，可進(jìn)一步研制成實(shí)驗(yàn)設(shè)備和工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的控制儀表。雖然仿真環(huán)境不可能與實(shí)際情況完全相同，但它的結(jié)果還是有相當(dāng)指導(dǎo)意義的。具體設(shè)計(jì)了以 AT89C52 單片機(jī)為核心，K型熱電偶為溫度傳感器， MAX6675芯片 ICL7135 為溫度轉(zhuǎn)換元件,由雙向晶閘管和SSR構(gòu)成溫度反饋信息給單片機(jī)，并由按鍵、 LED 數(shù)碼顯示器及報(bào)警電路等組成電烤箱溫度控制閉環(huán)系統(tǒng)，并進(jìn)行了相應(yīng)軟件程序流程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。結(jié)果表明： PID 控制響應(yīng)曲線(xiàn)超調(diào)量較大，模糊控制的響應(yīng)特性穩(wěn)態(tài)誤差大；而采用本文設(shè)計(jì)的用模糊規(guī)則調(diào)節(jié)、兩個(gè)參數(shù)的參數(shù)模糊自整定 PID 控制方法，可得到調(diào)節(jié)時(shí)間短、超調(diào)量為零、穩(wěn)態(tài)誤差為零的極為理想的性能指標(biāo)。(2) 傳統(tǒng)控制理論、現(xiàn)代控制理論與智能控制技術(shù)(模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等)相融合集成的研究，從功能上組成互補(bǔ)系統(tǒng)和利用一種智能技術(shù)來(lái)改進(jìn)另一種智能技術(shù)的研究，將是今后控制理論研究的一個(gè)重要發(fā)展方向。智能控制理論與應(yīng)用仍然有許多需要完善的部分，將多種控制策略相互結(jié)合是今后計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)理論與應(yīng)用研究的重要方向。(2) 由于目前模糊控制器的設(shè)計(jì)基本上是根據(jù)專(zhuān)家和具有豐富經(jīng)驗(yàn)的操作人員的經(jīng)驗(yàn)和大量的計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)，具有一定的“暗箱效應(yīng)”，控制規(guī)則不能自動(dòng)生成與優(yōu)化，需進(jìn)一步研究自學(xué)習(xí)模糊控制策略。 存在的問(wèn)題及未來(lái)的方向1．下一步的工作本論文將智能模糊控制方法引入電烤箱的控制中，在模擬仿真中得到滿(mǎn)意的效果。(2) 要有扎實(shí)的控制理論知識(shí)，對(duì)微控制器應(yīng)用系統(tǒng)要熟悉，要有一定的計(jì)算機(jī)技術(shù)，具有一定的軟、硬件開(kāi)發(fā)理論與技術(shù)，沒(méi)有理論作基礎(chǔ)，很難完成高質(zhì)量的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。3．模糊PID控制算法針對(duì)單一控制的不足，結(jié)合PID控制的穩(wěn)態(tài)精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢與模糊控制動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、穩(wěn)態(tài)精度低的特點(diǎn)，采用模糊PID控制算法，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)劣互補(bǔ)，以滿(mǎn)足電烤箱的設(shè)計(jì)要求。由于模糊控制是在固定論域上進(jìn)行均勻分檔，當(dāng)系統(tǒng)愈接近穩(wěn)態(tài)，控制策略愈不細(xì)膩。PID溫控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和仿真 第五章 總結(jié)與展望第五章 總結(jié)與展望 主要工作內(nèi)容論文主要著眼于控制理論的研究，具體討論了以下幾個(gè)問(wèn)題：1．PID控制算法對(duì)PID控制算法進(jìn)行了仿真，著重分析了其存在的兩個(gè)主要問(wèn)題：參數(shù)整定困難，動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢。小 結(jié)經(jīng)過(guò)以上的對(duì)PID控制、模糊控制和參數(shù)模糊自整定PID控制三種控制方案的仿真研究和分析，明顯看出，PID控制響應(yīng)曲線(xiàn)超調(diào)量較大，純模糊控制的穩(wěn)態(tài)誤差大，而參數(shù)模糊自整定 PID 控制策略可實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)時(shí)間短、超調(diào)量為零、穩(wěn)態(tài)誤差為零以及強(qiáng)的抗干擾能力等非常理想的性能指標(biāo)。由上面各圖看出性能指標(biāo)：調(diào)節(jié)時(shí)間最大約為 200s，超調(diào)量σ%=0，穩(wěn)態(tài)誤差=0。然后，使用該模糊控制器在 Simulink 中構(gòu)建整個(gè)控制系統(tǒng)。同樣控制規(guī)則是在Rule Editor窗口輸入的，這里的形式為if e～and ec～，then ～，～（～表示各變量所分成的模糊值）。各模糊值的隸屬度函數(shù)曲線(xiàn)都為三角形。 采用參數(shù)模糊自整定PID控制的模糊控制器 圖 輸入變量 e 的隸屬函數(shù)圖 圖 輸入變量 ec 的隸屬函數(shù)圖 圖 輸出變量的隸屬函數(shù)圖 圖 輸出變量的隸屬函數(shù)圖 Mamdani 型模糊控制器的各個(gè)變量的隸屬函數(shù)圖。首先設(shè)計(jì)模糊控制器。所以，考慮把它們兩者相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)?？梢?jiàn)性能指標(biāo)為：調(diào)節(jié)時(shí)間ts =200s，超調(diào)量σ%幾乎為零，可穩(wěn)態(tài)誤差很大，約為 10℃。上圖中的三個(gè)增益模塊Gain分別給出量化因子、比例因子。另外經(jīng)過(guò)模糊控制算法后的輸出控制量，變化范圍為﹛m, m+1, …,0, …,m1,m﹜不能直接作用于被控對(duì)象，還必須將其轉(zhuǎn)換到為控制量所能接受的基本論域[yu, yu]中去。這里e的量化因子= n/xe。然后，使用模糊控制器在 Simulink 中構(gòu)建整個(gè)控制系統(tǒng)。在模糊邏輯工具箱中,控制規(guī)則是在 Rule Editor 窗口輸入的，以 ifthen 的形式表達(dá),這里為 if e～and ec～then u～，（～表示各變量所分成的模糊值）共 25 條規(guī)則?？梢?jiàn)，e, ec 和 u 的模糊子集均為｛NB,NS,0,PS,PB｝，它們模糊子集的論域都為｛3,2,1,0,1,2,3｝，各模糊值的隸屬度函數(shù)曲線(xiàn)都為三角形?？梢?jiàn)模糊控制器的輸入變量為e和ec，輸出為控制變量u。比較常用的有 Mamdani 型。2. 模糊控制模糊控制有快速、魯棒性好的特點(diǎn)。通過(guò)不斷調(diào)整PID三參數(shù)，得到最佳仿真曲線(xiàn)，其中=3，=，=0當(dāng)給定值為 100 和 150 時(shí)。1. PID 控制 Simulink 中創(chuàng)建的用PID算法控制電烤箱溫度的結(jié)構(gòu)圖。圖 電烤箱飛升曲線(xiàn)CohnCoon 公式如下： △M系統(tǒng)階躍輸入；△C系統(tǒng)的輸出響應(yīng)對(duì)象飛升曲線(xiàn)為 △C時(shí)的時(shí)間（分）對(duì)象飛升曲線(xiàn)為 △C時(shí)的時(shí)間（分）從而求得 K=, T=144s, τ=30s所以電烤箱模型為[[] 王春霞. 模糊自整定PID溫控系統(tǒng)的仿真研究及設(shè)計(jì)[D]:[碩士學(xué)位論文]. 遼寧:東北師范大學(xué),2005]： () 仿真和方案選擇電烤箱的工作范圍為20℃200℃，控制要求要達(dá)到系統(tǒng)響應(yīng)曲線(xiàn)調(diào)節(jié)時(shí)間短、無(wú)超調(diào)、穩(wěn)態(tài)誤差較小。給定輸入階躍信號(hào)250℃，用溫度計(jì)測(cè)量電烤箱的溫度，每半分鐘采一次點(diǎn)。所以，電烤箱模型的傳遞函數(shù)為： （）式中 K 為對(duì)象的靜態(tài)增益，T 為對(duì)象的時(shí)間常數(shù)，τ 為對(duì)象的純滯后時(shí)間目前工程上常用的方法是對(duì)過(guò)程對(duì)象施加階躍輸入信號(hào)，測(cè)量過(guò)程對(duì)象的階躍響應(yīng)，然后由階躍響應(yīng)曲線(xiàn)確定過(guò)程的近似傳遞函數(shù)。然而，對(duì)于二階振蕩系統(tǒng)，通過(guò)參數(shù)辨識(shí)可以降為一階模型。在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，控制對(duì)象各種各樣。 控制對(duì)象模型本設(shè)計(jì)的電烤箱其工作頻率為 50HZ，總功率為 600W，工作范圍為室溫20℃200℃。雖然仿真環(huán)境不可能與實(shí)際情況完全相同，但它的結(jié)果還是有相當(dāng)?shù)闹笇?dǎo)意義的。 仿真和優(yōu)選仿真過(guò)程是在 MATLAB 的 simulink 環(huán)境中完成的。用戶(hù)可以利用這些模塊搭建起自己的系統(tǒng)并進(jìn)行仿真，通過(guò)更改這些模塊的參數(shù)提高系統(tǒng)的性能，最終得到合乎自己設(shè)計(jì)要求的系統(tǒng)。Simulink是MATLAB的建模和仿真環(huán)境。(2) 發(fā)展時(shí)問(wèn)長(zhǎng)，被設(shè)計(jì)者廣為接受。本文用的是Mamdani型。MATLAB中的模糊邏輯工具箱支持兩種模糊模型的建立，一種是Mamdani型，另一種是Sugeno型。在新的版本中也加入了對(duì)C，F(xiàn)ORTRAN，C++ ，JAVA的支持。由于MATLAB提供強(qiáng)大的矩陣處理和繪圖功能，很多控制界的知名學(xué)者在自己擅長(zhǎng)的領(lǐng)域編寫(xiě)了特殊的MATLAB工具箱。MATLAB可以進(jìn)行矩陣運(yùn)算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶(hù)界面、連接其他編程語(yǔ)言的程序等，主要應(yīng)用于工程計(jì)算、控制設(shè)計(jì)、信號(hào)處理與通訊、圖像處理、信號(hào)檢測(cè)、金融建模設(shè)計(jì)與分析等領(lǐng)域。MATLAB和Mathematica、Maple并稱(chēng)為三大數(shù)學(xué)軟件。它的優(yōu)勢(shì)在于它可以利用MATLAB軟件本身豐富的資源，來(lái)構(gòu)建不同結(jié)構(gòu)的模糊系統(tǒng)，比如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊系統(tǒng)，遺傳算法模糊系統(tǒng)，模糊PID系統(tǒng)等等，并對(duì)這樣的系統(tǒng)進(jìn)行仿真、分析[[] 昊曉莉, 林哲輝. MATLAB輔助模糊系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M]. 西安：西安電子科技大學(xué)出版社, 2002．][[] Miha Mraz. The design of intelligent control of a kitchen refrigerator[J]. Mathematics and Computer in Simulation, 200l, 56：259267．]。模糊控制工具箱是一個(gè)不針對(duì)具體硬件平臺(tái)的模糊控制設(shè)計(jì)工具，它可以用圖形界面的工作方式設(shè)計(jì)整個(gè)模糊控制器，如定義它的輸入、輸出變量的數(shù)目，各輸入、輸出變量的隸屬函數(shù)的形狀和數(shù)目，模糊規(guī)則的數(shù)目，模糊推理的方法，反模糊化的方法等等。38PID溫控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和仿真 第四章 仿真研究第四章 仿真研究為了進(jìn)行模糊系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者都開(kāi)發(fā)了一些工具。而把 PI(PID)控制策略引入模糊控制器，構(gòu)成 FuzzyPI(或 PID)復(fù)合控制，可以使系統(tǒng)動(dòng)靜態(tài)性能都得到很好的改善，即達(dá)到動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，超調(diào)小、穩(wěn)態(tài)誤差小。它適用于控制不易取得精確數(shù)學(xué)模型和數(shù)學(xué)模型不確定或經(jīng)常變化的對(duì)象。 參數(shù)模糊自整定 PID 控制算法原理圖小 結(jié)PID調(diào)節(jié)器及其改進(jìn)型是在工業(yè)過(guò)程控制中最常見(jiàn)的控制器，至今在全世界過(guò)程控制中用的84%仍是純 PID 調(diào)節(jié)器，若改進(jìn)型包含在內(nèi)則超過(guò)90%。其實(shí)現(xiàn)思想是先找出PID各個(gè)參數(shù)與偏差e和偏差變化率ec之間的模糊關(guān)系，在運(yùn)行中通過(guò)不斷檢測(cè)e和ec，在根據(jù)模糊控制原理來(lái)對(duì)各個(gè)參數(shù)進(jìn)行在線(xiàn)修改，以滿(mǎn)足在不同e和ec時(shí)對(duì)控制參數(shù)的不同要求，使控制對(duì)象具有良好的動(dòng)、靜態(tài)性能，且計(jì)算量小，易于用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)。(3) 模糊積分混合控制將常規(guī)積分控制器和模糊控制器并聯(lián)構(gòu)成的。但是模糊控制沒(méi)有積分環(huán)節(jié)，必然存在穩(wěn)態(tài)誤差，即可能在平衡點(diǎn)附近出現(xiàn)小振幅的振蕩現(xiàn)象。(2) 比例模糊PI 控制當(dāng)偏差 e 大于某個(gè)閾值時(shí)，用比例控制，以提高系統(tǒng)響應(yīng)速度，加快響應(yīng)過(guò)程；當(dāng)偏差 e 減小到閾值以下時(shí)，切換轉(zhuǎn)入模糊控制，以提高系統(tǒng)的阻尼性能，減小響應(yīng)過(guò)程中的超調(diào)。二者的轉(zhuǎn)換閾值由微機(jī)程序根據(jù)事先給定的偏差范圍自動(dòng)實(shí)現(xiàn)。故把 PI(PID)控制策略引入模糊控制器，構(gòu)成 FuzzyPI(或 PID)復(fù)合控制，使動(dòng)靜態(tài)性能都得到很好的改善，即達(dá)到動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，超調(diào)小、穩(wěn)態(tài)誤差小。由此可見(jiàn)，模糊控制器實(shí)質(zhì)上是反映輸入語(yǔ)言變量與輸出語(yǔ)言變量及語(yǔ)言控制規(guī)則的模糊定量關(guān)系算法結(jié)構(gòu)，一般常用的是二維模糊控制器，即以偏差和偏差變化率作為輸入，工作過(guò)程可概括為下述幾個(gè)步驟：(1) 將輸入變量的精確值變?yōu)槟：浚?2) 根據(jù)輸入變量（模糊量）及模糊控制規(guī)則，按模糊推理合成規(guī)則計(jì)算控制量（模糊量）；(3) 上述得到的控制量（模糊量）清晰化計(jì)算得到精確的控制量。因此，模糊控制器的結(jié)構(gòu)通常是由它的輸入和輸出變量的模糊化、模糊推理算法、模糊合成和模糊判決等部分組成。模糊控制器的控制規(guī)律由計(jì)算機(jī)的程序?qū)崿F(xiàn)。 模糊控制的基本原理及特點(diǎn) 表示。(4) 采用模糊控制，過(guò)程的動(dòng)態(tài)響應(yīng)品質(zhì)優(yōu)于常規(guī) PID 控制，并對(duì)過(guò)程參數(shù)的變化具有較強(qiáng)的適應(yīng)性[[] 李士勇. 模糊控制(2) 對(duì)于具有一定操作經(jīng)驗(yàn)、但非控制專(zhuān)業(yè)的工作者，模糊控制易于掌握。在這段時(shí)間中模糊控制已經(jīng)歷了二個(gè)階段，即簡(jiǎn)單模糊控制階段和自我完善模糊控制階段。隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，各個(gè)領(lǐng)域?qū)ψ詣?dòng)控制系統(tǒng)控制精度、響應(yīng)速度、系統(tǒng)穩(wěn)定性與適應(yīng)能力的要求越來(lái)越高，所研究的系統(tǒng)也日益復(fù)雜多變。 模糊控制的概述1965年，美國(guó)加里福尼亞大學(xué) Zadeh 教授發(fā)表了《模糊集合論》一文，標(biāo)志著