【正文】 標(biāo)值就是飯模糊化后的精確值。 反模糊化，也就是模糊量的精確化，可以采用很多方法，其中較常用的有效的三種方法是最大隸屬度法，中位數(shù)發(fā)和重心法。這其中包括了對許多個輸入用模糊算法進行處理的過程。、輸出變量的模糊化 輸入、輸出變量的模糊化主要解決在語言變量領(lǐng)域中取模糊量的個數(shù)和確定模糊量的隸屬函數(shù)形狀的問題。這時，控制系統(tǒng)是最簡單的，模糊控制器只考慮偏差作為輸入量。 根據(jù)具體的系統(tǒng)確定其輸入、輸出變量。其中就有“Fuzzy Logic Toolbox”，即模糊邏輯工具箱。目前，MATLAB已經(jīng)成為國際上最流行的控制系統(tǒng)計算機輔助設(shè)計工具。它的優(yōu)勢在于它可以利用MATLAB軟件本身豐富的資源，來構(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，并對這樣的系統(tǒng)進行仿真、分析。可以得到離散的PID表達式為: (43) 經(jīng)遞推公式改寫成 (44)PID控制程序流程圖如圖46所示圖46 PID算法流程圖第5章 系統(tǒng)的仿真 仿真工具本文利用MATLAB的模糊控制工具箱進行仿真，模糊控制工具箱是一個不針對具體硬件平臺的模糊控制設(shè)計工具，它可以用完全圖形界面的工作方式設(shè)計整個模糊控制器，如定義它的輸入、輸出變量的數(shù)目，各輸入、輸出變量隸屬函數(shù)的形狀和條目，模糊規(guī)則的數(shù)目，模糊推理的方法，去模糊化的方法等等。若設(shè)溫度的采樣周記為T，第K次采樣得到的輸入偏差為調(diào)節(jié)器輸出為則有 (42) 顯然，上述離散化過程中，采樣周期T必須足夠短，才能保證有足夠的精度。[25]PID控制的理想微分方程式： （41）式中稱為偏差量，可作為溫度調(diào)節(jié)器的輸入信號，其中為給定值，y(t)為被測量值；Kp為比例系數(shù)；Ti為積分時間常數(shù)；為微分時間常數(shù)；u(t)為調(diào)節(jié)的輸出控制電壓信號。蒸汽溫度控制常采用偏差控制法。[24]PID控制程序PID是對系統(tǒng)進行線性控制的一種控制器。調(diào)節(jié)閥由給定信號開始動作，控制高溫?zé)煔獾牧髁?，從而控制出口蒸汽的溫度。如圖45所示為上位機控制流程圖。圖44 顯示環(huán)節(jié)流程圖 上位機控制軟件設(shè)計由單片機采集的測試點實時溫度，通過MAX232傳輸?shù)缴衔粰C，實現(xiàn)與單片機串行通信。圖43 中斷服務(wù)程序框圖對于一般線性儀表來說，標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換公式： (41)其中，為一次測量儀表的下限；Am為一次測量儀表的上限；Vx為實際測量值（工程量）；Vm為儀表上限對應(yīng)的數(shù)字量；為儀表下限對應(yīng)的數(shù)字量。主要服務(wù)子程序包括溫度檢測采樣及數(shù)字濾波子程序、帶符號雙字節(jié)乘法子程序和標(biāo)度轉(zhuǎn)換子程序，目的是把實際采樣取得的二進制值轉(zhuǎn)換BCD碼形式的溫度值，然后存放在顯示緩沖區(qū)中，供顯示子程序調(diào)用。AT89S51利用T1中斷的時間完成本次采樣值轉(zhuǎn)換成顯示值而放入顯示單元緩沖區(qū)和調(diào)用溫度顯示程序。在20ms的采集完成后，要將數(shù)據(jù)按照量程或計算公式轉(zhuǎn)換為有實際意義的數(shù)據(jù)，并根據(jù)報警界限判斷數(shù)據(jù)是否有低于下限或超出上限的報警。設(shè)計時，外部輸入的模擬量信號首先由溫度傳感器送入放大器，然后進行模擬量采集，在一次采樣間隔時間T內(nèi)，依次將各輸入量輪流接到A/D轉(zhuǎn)換器進行一次轉(zhuǎn)換。，就是連續(xù)取幾個采樣值進行算術(shù)平均。數(shù)字濾波的方法有以下幾種：，其基本方法是通過比較相鄰(n和n1時刻)的兩個采樣值和，如果它們的差值過大．超出了參數(shù)可能的最大變化范圍，則認(rèn)為發(fā)生了隨機干擾，并視后一次采樣值為非法值，應(yīng)予剔除。圖41 主程序流程圖 采樣子程序首先由熱電阻溫度傳感器檢測外部輸入的模擬量信號，通過運算放大器構(gòu)建差分放大后，溫度信號轉(zhuǎn)換成ADC模擬通道輸入的標(biāo)準(zhǔn)信號，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后進行顯示溫度測量結(jié)果，圖42所示為溫度信號采集流程圖。其程序主流程圖如下圖41所示。A/D轉(zhuǎn)換包括數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換（主要實現(xiàn)將測量電路監(jiān)測到的電壓信號轉(zhuǎn)換成LED顯示所需的數(shù)據(jù)類型）。從功能上可以將其分為信號輸入、控制單元、信號輸出三大部分進行設(shè)計。本章從設(shè)計思路、軟件系統(tǒng)框圖出發(fā)，先介紹整體思路，在逐一分析各模塊程序算法的實現(xiàn)，最終編寫滿足任務(wù)需要的程序。[2]圖313 復(fù)位電路第4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計 軟件設(shè)計思路本章詳細(xì)的介紹了基于AT89S51單片機的余熱鍋爐過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計。當(dāng)k閉合、Urst3V時，是可靠的復(fù)位電平，則該電路的復(fù)位時間約為11ms。如圖313所示是一個簡單的手動復(fù)位與上電復(fù)位綜合的復(fù)位電路。時鐘電路如圖312所示。~12MHz之間選擇，電容值無嚴(yán)格要求，但在電容值取值對振蕩頻率輸出的穩(wěn)定性、大小、振蕩電路起振速度有少許影響，CXCX2可在20pF~100pF之間取值。圖311 穩(wěn)壓電源電路圖 單片機最小系統(tǒng)單片機雖然有內(nèi)部振蕩電路，但要形成時鐘，必須外部附加電路。12V電壓在通過兩個電容濾波后輸入到7805穩(wěn)壓芯片的輸入端，在7805的輸出端就可以得到5V的穩(wěn)定電壓。圖310 鍵盤電路 穩(wěn)壓電源電路設(shè)計如下圖311所示是由變壓器、整流電路、濾波電路、穩(wěn)壓電源等幾部分電路組成。(4) K4減1鍵：設(shè)置余熱鍋爐鍋爐溫度報警值的溫度值減少按鍵；K4每按下一次，位選標(biāo)志所指的當(dāng)前位的值比上一次值減少一。(2) K2確認(rèn)鍵：對結(jié)果確認(rèn)并保存。本系統(tǒng)有四個按鍵分別K1,K2,K3,K4。本次設(shè)計中，按鍵較少，故而選擇獨立式按鍵。圖38 單片機與MAX232的接口電路 報警電路設(shè)計報警電路與8155的PC4口相連接，由于單片機的I/O口輸出的電流無法直接驅(qū)動蜂鳴器，所以設(shè)計了報警電路如圖39所示：當(dāng)蒸汽溫度高于上限溫度、低于下限溫度或者在輸入錯誤時，單片機給8155的PC4口輸出一個低電平信號來導(dǎo)通三極管8550以驅(qū)動蜂鳴器和LED燈，進行系統(tǒng)報警，當(dāng)溫度恢復(fù)到設(shè)置范圍內(nèi)后，聲光報警自動撤銷。3和5引腳之間分別接電容，Vcc和V+之間接電容，GND和V之間接電容。R1IN、R2IN為RS232電平輸入端，R1IN、R2IN連接DB9借口的3腳，接收上位機發(fā)來的數(shù)據(jù)。這里采用電平轉(zhuǎn)換收發(fā)芯片MAX232進行RS232與TTL/CMOS電平的轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)單片機與計算機通信，51單片機與該芯片接口電路如圖38所示，T1IN、T2IN為TTL/CMOS電平輸入端，T1IN、T2IN可連接單片機的TXD（發(fā)送）引腳。（3～15）V之間。也就是說對于RS232信號而言，當(dāng)傳輸點評的絕對值大于3V時，電路可以有效地檢查出來，介于3V～+3V之間的電壓無意義，低于15V或高于+15V的電壓也認(rèn)為無意義。按信號傳輸方式，通信可分為并行通信與串行通信兩種基本方式。420mA標(biāo)準(zhǔn)信號輸出如下圖37所示。第一級運算放大器的作用是將DAC0832輸出的電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號V1，第二級運算放大器的作用是將輸出的05V電壓轉(zhuǎn)換為420mA標(biāo)準(zhǔn)信號。如圖36為DAC0832與單片機的連接電路。CSDA：片選信號輸入線（選通數(shù)據(jù)鎖存器），低電平有效；WR：數(shù)據(jù)鎖存器寫選通輸入線，負(fù)脈沖（脈寬應(yīng)大于500ns）有效。DAC0832是具有兩個輸入數(shù)據(jù)寄存器的8位DAC，可以直接與51單片機相連，參考電壓+5V，直接與供電電源相連。三極管采用PNP型8550，PB口接的限流電阻是8個470Ω的；；。但是，需要注意的是不能讓PC0～PC3中的2個或2個以上同時輸出低電平0，否則就會造成顯示混亂，除非2個數(shù)碼管上要顯示的內(nèi)容相同。如果要第一個數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)，PC0需要輸出低電平0，則此時第一個PNP三極管導(dǎo)通，通過第一位數(shù)碼管的COM公共端向第一個數(shù)碼管供電。當(dāng)掃描速度達到一定程度時，人眼就分辨不出來了，即認(rèn)為各個數(shù)碼管在同時顯示。這樣，一組數(shù)碼管顯示器需要由兩組信號來控制：一組字段輸出口輸出的字形代碼，用來控制顯示的字形，稱為段碼；另一組是位輸出口的控制信號，用來選擇第幾個顯示器工作，稱為位碼。圖34 ADC0809與單片機的接口設(shè)計 顯示電路設(shè)計數(shù)碼管動態(tài)顯示實際是將所有數(shù)碼管的8個筆畫段a～h的各同名段分別并接在一起，并把他們接在單片機的字段輸出口上。AD轉(zhuǎn)換結(jié)果由8155的PA0～PA7口讀入，故將AD轉(zhuǎn)換器的輸出與8155的PA0～PA7口相連，高地位依次相連。由圖可以看出，ALE信號和START信號聯(lián)系在一起，這樣連接可以在信號的前沿寫入地址信號，在其后沿啟動A/D轉(zhuǎn)換。START腳為AD轉(zhuǎn)換啟動信號，高電平有效，程序控制。ALE腳為地址所存信號，高電平有效，三根地址線固定接地，由于地址信號已經(jīng)固定，固將ALE接高電平。[18]圖33 信號采集與處理 A/D轉(zhuǎn)換利用熱電阻PT100溫度傳感器具有抗振動、穩(wěn)定性好、準(zhǔn)確度高、耐高壓、線性較好的特點作為溫度傳感器，然后通過運算放大器構(gòu)建差分放大將溫度信號轉(zhuǎn)換成ADC0809模擬通道的輸入的05V標(biāo)準(zhǔn)信號，再將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，送入單片機。該電路中為了使橋式電路的電阻不受影響，將輸入電阻選取了高達1MΩ的數(shù)值，由此決定了運算放大器必須是低輸入偏置電流的場效應(yīng)管晶體管輸入型。為了將他放大為10mA/℃的靈敏度，差動放大器的增益G必須為10/=。R0、RRt構(gòu)成橋式電路橋式電路的輸出電壓經(jīng)由差動放大器放大。圖32 51單片機與8155的連接方式 信號輸入部分 溫度信號采集與處理采用構(gòu)建橋式電路，電橋的四個電阻中三個是恒定的，另一個用Pt100熱電阻，當(dāng)Pt100電阻值變化時，測試端產(chǎn)生一個電勢差，由此電勢差換算出溫度。由于8155片內(nèi)有鎖存器，所以單片機P0口輸出的低8位地址不需要另加鎖存器，直接與8155的AD7～AD0相連，既作為低8位地址總線，又作為數(shù)據(jù)總線，利用8051的ALE信號的下降沿鎖存P0送出的地址信息。圖31 系統(tǒng)方案框圖 單片機與8155的接口電路MCS51單片機可直接和8155連接，不需要任何外加邏輯電路，可以直接為系統(tǒng)增加256B外部RAM、22根I/O線及一個14位定時器。測量值最終回到設(shè)定值，系統(tǒng)重新回到平衡狀態(tài)。通過按鍵電路進行溫度報警值的設(shè)定，并對鍋爐的過熱蒸汽溫進行采集及處理，然后與報警值比較，當(dāng)過熱蒸汽溫度的測量值等于設(shè)定值時，噴水閥門不動，系統(tǒng)處在動態(tài)平衡狀態(tài)。根據(jù)控制要求，溫度單回路控制系統(tǒng)的控制參數(shù)是蒸汽溫度，測量便采用溫度傳感器，控制器是單片機，執(zhí)行器是調(diào)節(jié)閥，所以溫度單回路控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖28所示。由此可以看出，盡管前饋控制具有在理論上可以實現(xiàn)完美控制的吸引力，實際應(yīng)用還仍然受到許多限制?？刂谱兞勘徽{(diào)節(jié)后并不反過來影響干擾變量；調(diào)節(jié)作用對受控輸出變量影響的結(jié)果也沒有反饋機制。一種前饋控制作用只能消除一種干擾的影響。不可能有專用的前饋控制器。前饋控制系統(tǒng)是依據(jù)干擾的大??；其調(diào)節(jié)作用發(fā)生在過程輸出變量出現(xiàn)偏差之前，比單回路控制及時。所以除了特別簡單的自動控制外，一般不采用對被控量直接控制的方式。單回路控制系統(tǒng)的特點是將被控量的狀態(tài)測量出來并和給定值進行比較，有偏差就可以修正，因此必須知道被控量的準(zhǔn)確狀態(tài)，如果不能正確的檢測出被控量的狀態(tài)，就不能進行控制，所以要求檢測環(huán)節(jié)的精度和靈敏度更高。主調(diào)節(jié)器為PID，副調(diào)節(jié)器為PI，在串級系統(tǒng)中，由于副回路可以很快的消除減溫水流量的自發(fā)性擾動和其他進入副回路的各種擾動，對過熱蒸汽溫度的穩(wěn)定起粗調(diào)作用，主調(diào)節(jié)器的作用是保證過熱蒸汽溫度趨于給定值。串級控制系統(tǒng)由于副環(huán)的存在，改善了對象的特性，使等效副對象的時間常數(shù)減小，系統(tǒng)的工作頻率提高。缺點是閉環(huán)控制系統(tǒng)的控制作用只有在偏差出現(xiàn)后才產(chǎn)生，當(dāng)系統(tǒng)的慣性滯后和純滯后較大時，控制作用對擾動的克服不及時，從而使其控制質(zhì)量大大降低。閉環(huán)控制系統(tǒng)的優(yōu)點是不管任何擾動引起被控變量偏離設(shè)定值，都會產(chǎn)生控制作用去克服被控變量與設(shè)定值的偏差。把圖26等效為圖27，顯然,只有當(dāng)=才能完全抵消擾動的影響。其中是原調(diào)節(jié)算法，是執(zhí)行元件和可能的其他環(huán)節(jié)。圖26 前饋控制原理圖及方框圖將減溫器出口溫度的微分信號作為前饋信號，與過熱器出口溫度相加后作為過熱器溫度控制器測量，當(dāng)減溫器出口溫度有變化時，才引入前饋信號。如果我們引入一個量來校正就構(gòu)成了前饋控制系統(tǒng)。由氣溫被調(diào)對象的動態(tài)特性可知，導(dǎo)前氣溫可以提前反應(yīng)擾動，取其微分信號引入調(diào)節(jié)器后，由于微分信號動態(tài)時不為零穩(wěn)態(tài)時為零，所以動態(tài)時可使調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)作用超前，穩(wěn)態(tài)時可使過熱器出口溫度等于給定值，從而改善調(diào)節(jié)品質(zhì)。因此，當(dāng)副回路動作時主回路可以看作是開路，主回路動作時，副回路可以看作是迅速動作的隨動系統(tǒng)，即二級減溫器出口溫度基本上與校正信號e2成比例變化。其基本原理就是系統(tǒng)根據(jù)過熱汽溫度設(shè)定值和反饋值y1的偏差e，作為主調(diào)節(jié)器的輸入，主調(diào)節(jié)器經(jīng)過PID運算后的輸出u1作為副調(diào)節(jié)器的輸入設(shè)定值，此設(shè)定值與二級噴水減溫器的出口溫度反饋y2的偏差e2作為二級過熱器出口溫度調(diào)節(jié)器的輸入，其輸出u2作為執(zhí)行器的輸入動作指令。針對過熱蒸汽汽溫調(diào)節(jié)對象調(diào)節(jié)通道慣性延遲大、被調(diào)量