【正文】 第4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 21 Protues7軟件概況 21 主程序流程圖 22 采樣子程序流程圖 23 濾波子程序流程圖 24 顯示子程序流程圖 25 按鍵選擇流程圖 26 PID控制子程序流程圖 27 T1中斷程序流程圖 28第5章 模糊自適應(yīng)PID控制系統(tǒng)仿真 29總 結(jié) 32參考文獻(xiàn) 33致 謝 34模糊自適應(yīng)PID控制器的設(shè)計(jì)摘 要：以單片機(jī)為主體,、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、,保持較小超調(diào)量的優(yōu)點(diǎn)和PID控制方法成熟,可消除穩(wěn)態(tài)誤差。PID控制（Control of Proportion Integration Differentiation）就是比例、積分、微分控制。而模糊控制的魯棒性好，無需知道被控對象的數(shù)學(xué)模型，且在快速性方面有著自己的優(yōu)勢。這就是說，單一的PID控制或單一的模糊控制都有其自身的不足，因此，分析它們各自的優(yōu)缺點(diǎn)，考慮可以把它們相互結(jié)合，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)，形成模糊PID控制。關(guān)鍵字：電阻爐 單片機(jī) 自適應(yīng)PID Design of fuzzy adaptive PID controllerAbstract: Microcontroller as the main body, the design of a plex data and control functions of the electric heating furnace temperature control system. The system has functions of automatic detection, realtime data acquisition, processing and control results show etc.. Software adopts fuzzy control algorithm. Combines the fuzzy control speed of and maintain a smaller overshoot advantages and PID control method mature, can eliminate the steadystate error.The proportional integral derivative (PID) controller is Control of Proportion Integration Differentiation. It performance depends on the situation that parameters sets, those control systems whose object model plex and uncertain accurate have great limitations, and its relationship between rapidity and overshoot make it impossible to meet regulating time and short overshoot technical requirements. The robust of the fuzzy control is effective, without knowledge of the controlled object39。智能控制是在經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，是控制理論、人工智能和計(jì)算機(jī)科學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物。研究的主要目標(biāo)不僅僅是被控對象，同時(shí)也包含控制器本身。 Set論文中首次提出表達(dá)事物模糊性的重要概念——隸屬函數(shù)。但它的控制輸出卻是確定的，它不僅能成功的實(shí)現(xiàn)控制，而且能模擬人的思維方式，對一些無法構(gòu)成數(shù)學(xué)模型的對象進(jìn)行控制?！澳：刂啤钡奶厣褪且环N“語言型”的決策控制。自從1974年英國的馬丹尼()工程師首先根據(jù)模糊集合理論組成的模糊控制器用于蒸汽發(fā)動(dòng)機(jī)的控制以后，在其發(fā)展歷程的30多年中，模糊控制技術(shù)得到了廣泛而快速的發(fā)展。尤其在交通路口控制、機(jī)器人、機(jī)械手控制、航天飛行控制、汽車控制、電梯控制、核反應(yīng)堆及家用電器控制等方面，表現(xiàn)其很強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。我國對模糊控制器開始研究是在1979年，并且已經(jīng)在模糊控制器的定義、性能、算法、魯棒性、電路實(shí)現(xiàn)方法、穩(wěn)定性、規(guī)則自調(diào)整等方面取得了大量的成果。 研究方法模糊控制本質(zhì)（機(jī)理）分為單一型和復(fù)合型。本設(shè)計(jì)中要設(shè)計(jì)的模糊PID控制器就屬于復(fù)合性模糊控制器。模糊控制PID系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，如圖11所示。將偏差的比例（KP）、積分(KI)和微分(KD)通過線性組合構(gòu)成控制量，對被控對象進(jìn)行控制，KP、KI和KD 3個(gè)參數(shù)的選取直接影響了控制效果。對連續(xù)時(shí)間類型，PID控制方程的標(biāo)準(zhǔn)形式為， (1) 式中，u(t)為PID控制器的輸出，與執(zhí)行器的位置相對應(yīng)；t為采樣時(shí)間；KP為控制器的比例增益；e(t)為PID控制器的偏差輸入，即給定值與測量值之差；TI為控制器的積分時(shí)間常數(shù)；TD為控制器的微分時(shí)間常數(shù)。k為采樣序號(hào)，k=0, …。T為采樣周期。 離散PID控制算法有如下3類:位置算法、增量算法和速度算法。 （1）系數(shù)KP的作用是加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。(2)積分系數(shù)KI的作用是消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。若KI過小，將使系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差難以消除，影響系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。其作用要是能反應(yīng)偏差信號(hào)的變化趨勢，并能在偏差信號(hào)值變的太大之前，在系統(tǒng)引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。參數(shù)名稱上升時(shí)間超調(diào)量過渡過程時(shí)間靜態(tài)誤差KP減少增大微小變化減少KI減少增大增大消除KD微小變化減少減少微小變化表22 KP 、KI、 KD與系統(tǒng)時(shí)間域性能指標(biāo)之間的關(guān)系 模糊自適應(yīng)PID控制系統(tǒng) 模糊控制通過模糊邏輯和近似推理方法，讓計(jì)算機(jī)把人的經(jīng)驗(yàn)形式化、模型化，根據(jù)所取得的語言控制規(guī)則進(jìn)行模糊推理，給出模糊輸出判決，并將其轉(zhuǎn)化為精確量，作為饋送到被控對象(或過程)的控制作用。日的是把人工操作控制過程表達(dá)成計(jì)算機(jī)能夠接受，并便于計(jì)算的形式。應(yīng)用模糊推理的方法可實(shí)現(xiàn)對PID參數(shù)進(jìn)行在線自整定，設(shè)計(jì)出參數(shù)模糊自整定PID控制器。自適應(yīng)模糊PID控制器是在PID算法的基礎(chǔ)上，以誤差e和誤差變ec作為輸入，利用模糊規(guī)則進(jìn)行模糊推理，查詢模糊矩陣表進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，來滿足不同時(shí)刻的e和ec對PID參數(shù)自整定的要求。本設(shè)計(jì)模糊控制器輸入語言變量，分別表示輸入量的偏差和偏差變化率，規(guī)定：它們的論域?yàn)椋篍，Ec=﹛6，5，4，3，2，1，0，1，2，3，4，5，6}；它們的模糊集為：E，Ec=﹛NB，NM，NS，O，PS，PM，PB﹜；其含義一次為負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大。得出Kp、Ki、Kd的模糊控制表如表2226所示。增大Kp能提高響應(yīng)速度，減小穩(wěn)態(tài)誤差；但是，Kp值過大會(huì)產(chǎn)生較大的超調(diào)，甚至使系統(tǒng)不穩(wěn)定減小Kp可以減小超調(diào)，提高穩(wěn)定性，但Kp過小會(huì)減慢響應(yīng)速度，延長調(diào)節(jié)時(shí)間。Kp的控制規(guī)則如表24所示。由于某些原因(如飽和非線性等)，積分過程有可能在調(diào)節(jié)過程的初期產(chǎn)生積分飽和，從而引起調(diào)節(jié)過程的較大超調(diào)。依據(jù)以上分析，制定的Ki控制規(guī)則表如表25所列。系統(tǒng)的微分環(huán)節(jié)系數(shù)能反映信號(hào)變化的趨勢，并能在偏差信號(hào)變化太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而加快響應(yīng)速度，減少調(diào)整時(shí)間，消除振蕩．最終改變系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。Kd值過大，調(diào)節(jié)過程制動(dòng)就會(huì)超前，致使調(diào)節(jié)時(shí)間過長；Kd值過小，調(diào)節(jié)過程制動(dòng)就會(huì)落后，從而導(dǎo)致超調(diào)增加。依據(jù)以上分析，制定的Kd控制規(guī)則表如表26所列?？筛鶕?jù)被控對象的狀態(tài)自動(dòng)調(diào)整PID的三個(gè)控制參數(shù)的取值。②當(dāng)|E|處于中等大小時(shí)，為使系統(tǒng)響應(yīng)超調(diào)較小，Kp應(yīng)取小些。③當(dāng)|E|較小時(shí)，為使系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性，Kp與Ki均應(yīng)取大些，同時(shí)為避免系統(tǒng)在設(shè)定值附近出現(xiàn)振蕩，并考慮系統(tǒng)的抗干擾性能，應(yīng)適當(dāng)?shù)剡x取Kd值。當(dāng)|Ec|較大時(shí)，Kd取較小值；當(dāng)|Ec|較小時(shí)，Kd取較大值。 PID參數(shù)對控制性能的影響 簡單的比例調(diào)節(jié)器能夠反應(yīng)很快，但不能完全消除靜差，控制不精確，為了消除比例調(diào)節(jié)器中殘存的靜差，在比例調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上加入積分調(diào)節(jié)器，積分器的輸出值大小取決于對誤差的累積結(jié)果，在誤差不變的情況下，積分器還在輸出直到誤差為零，因此加入積分調(diào)節(jié)器相當(dāng)于能自動(dòng)調(diào)節(jié)控制常量，消除靜差，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。進(jìn)一步改進(jìn)調(diào)節(jié)器的方法是通過檢測信號(hào)的變化率來預(yù)報(bào)誤差，并對誤差的變化作出響應(yīng)，于是在PI調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上再加上微分調(diào)節(jié)器，組成比例、積分、微分(PID)調(diào)節(jié)器，微分調(diào)節(jié)器的加入將有助于減小超調(diào)，克服振蕩，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，同時(shí)加快了系統(tǒng)的穩(wěn)定速度，縮短調(diào)整時(shí)間，從而改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，PID控制規(guī)律為 （27）因此它的傳遞函數(shù)為 （28）U(s)和E(s)分別為u(t)和e(t)的拉氏變換，其中Kp為比例系數(shù)；為積分時(shí)間常數(shù)；為微分時(shí)間常數(shù)。 比例（P）控制 比例控制是一種最簡單的控制方式。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（Steadystate error）。P只是在控制器的輸出和系統(tǒng)的誤差成比例的時(shí)候成立。比例系數(shù)Kp對系統(tǒng)性能的影響：比例系數(shù)加大，使系統(tǒng)的動(dòng)作靈敏，速度加快，穩(wěn)態(tài)誤差減小。Kp太大時(shí)，系統(tǒng)會(huì)趨于不穩(wěn)定。Kp可以選負(fù)數(shù)，這主要是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感器以控制對象的特性決定的。 積分（I）控制 在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。積分來控制過去，誤差值是過去一段時(shí)間的誤差和，然后乘以一個(gè)負(fù)常數(shù)I，然后和預(yù)定值相加。一個(gè)簡單的比例系統(tǒng)會(huì)振蕩，會(huì)在預(yù)定值的附近來回變化，因?yàn)橄到y(tǒng)無法消除多余的糾正。所以，最終這個(gè)PID回路系統(tǒng)會(huì)在預(yù)定值定下來。 微分（D）控制 在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后(delay)組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。這就是說，在控制器中僅引入“比例項(xiàng)”往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項(xiàng)”，它能預(yù)測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。微分來控制將來，計(jì)算誤差的一階導(dǎo)，并和一個(gè)負(fù)常數(shù)D相乘，最后和預(yù)定值相加。導(dǎo)數(shù)的結(jié)果越大，那么控制系統(tǒng)就對輸出結(jié)果做出更快速的反應(yīng)。D參數(shù)對減少控制器短期的改變很有幫助。TD偏小時(shí)，超調(diào)量也較大，調(diào)節(jié)時(shí)間也較長。第3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 基于單片機(jī)模糊自適應(yīng)PID控制器硬件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)在控制中我們采取閉環(huán)控制系統(tǒng)，閉環(huán)控制系統(tǒng)(closedloop control system)的特點(diǎn)是系統(tǒng)被控對象的輸出(被控制量)會(huì)反送回來影響控制器的輸出，形成一個(gè)或多個(gè)閉環(huán)。基于單片機(jī)的模糊自適應(yīng)PID控制系統(tǒng)的控制回路框圖，主要由基于單片機(jī)的模糊PID控制器、控制部分、被控對象、測量反饋、及干擾組成，如圖31所示。圖31 模糊自適應(yīng)PID控制系統(tǒng)的控制回路在回路中，設(shè)定值與測量反饋得到的偏差信號(hào)送給模糊PID控制器，模糊PID控制器輸出控制信號(hào)來調(diào)節(jié)控制閥，進(jìn)而改變被控變量，使偏差信號(hào)被控制在很小的范圍內(nèi)，即：使被控變量與設(shè)定值保持一致?？刂葡到y(tǒng)中負(fù)反饋回路中的測量變送環(huán)節(jié)的測量值和被控變量的設(shè)定值進(jìn)行加法運(yùn)算得到偏差信號(hào)，此偏差信號(hào)經(jīng)過采樣、濾波，通過模數(shù)轉(zhuǎn)化器變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)進(jìn)入單片機(jī)和存儲(chǔ)器芯片進(jìn)行處理，數(shù)據(jù)經(jīng)由數(shù)模轉(zhuǎn)換器送給控制閥進(jìn)行控制。如果將微處理器、存儲(chǔ)器和輸入/輸出接口電路集成在一塊集成電路芯版上，稱為單片微型計(jì)算機(jī)，簡稱單片機(jī)。其結(jié)構(gòu)體系完整、指令系統(tǒng)功能完善、內(nèi)部寄存器規(guī)范、性能優(yōu)越、技術(shù)成熟、具有高可靠性和高性價(jià)比。同時(shí)，AT89C51可降至0HZ的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式。掉電方式保存RAM中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個(gè)硬件復(fù)位。存儲(chǔ)器按其存儲(chǔ)方式可分為兩大類：一類為隨機(jī)存儲(chǔ)器（RAM）；另一類為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ROM）。RAM也因此常被稱為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。在斷電后，ROM中的信息保留不變，所以ROM用來存放固定的程序或數(shù)據(jù)。MCS51單片機(jī)的存儲(chǔ)器配置比一般的微機(jī)配置復(fù)雜，其具體配置是多種存儲(chǔ)器的交疊。MCS51單片機(jī)存儲(chǔ)器可分為5類：1．片內(nèi)程序存儲(chǔ)器；2．片外程序存儲(chǔ)器；3．片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；4．特殊功能存儲(chǔ)器；5．片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器?？傮w設(shè)計(jì)方案見如圖34所示。整個(gè)控制系統(tǒng)的程序就下載到單片機(jī)中去。圖35 單片機(jī)仿真 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與采集模塊A/D0808AD0808是CMOS的8位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，采用逐次逼近原理進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，芯片內(nèi)有模擬多路轉(zhuǎn)換開關(guān)和A/D轉(zhuǎn)換兩大部分，可對8路0～5V的輸入模擬電壓信號(hào)分時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。A/D轉(zhuǎn)換部分包括比較器、逐次逼近寄存器（SAR）、256R電阻網(wǎng)絡(luò)、樹狀電子開關(guān)、控制與時(shí)序電路等。實(shí)時(shí)溫度經(jīng)過傳感器的檢測并通過變送器將其轉(zhuǎn)換成模擬的電壓信號(hào)，而A/D0808則用來采集電壓信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)存儲(chǔ)在單片機(jī)中，以便后續(xù)對數(shù)據(jù)的處理。 圖36 A/D0808仿真圖