【正文】 ........................46結(jié) 論 ..........................................................................................................................47參考文獻(xiàn) ......................................................................................................................48謝 辭 ..........................................................................................................................50河北聯(lián)合大學(xué)信息工程學(xué)院畢業(yè)論文（或設(shè)計(jì)說明書） 5第 1 章 緒論 課題研究背景和意義溫度是工業(yè)生產(chǎn)過程中最常見的控制參數(shù)之一，對(duì)溫度的測(cè)量和控制具有很大的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值和應(yīng)用前景 [1][2]。隨著微電子和嵌入式技術(shù)的迅猛發(fā)展以及自動(dòng)控制理論的不斷完善，特別是針對(duì)特定工業(yè)控制對(duì)象的工業(yè)控制器的出現(xiàn)，使得測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)入了一個(gè)嶄新的領(lǐng)域。特別是近幾年，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)過程也發(fā)生了日新月異的變化，這就使得對(duì)溫度控制裝置，特別是那些具有通用性、寬量程、高精度、實(shí)時(shí)性的先進(jìn)的溫度控制系統(tǒng)的需求不斷增加。 溫度控制系統(tǒng)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)目前市場(chǎng)上成型的溫度控制產(chǎn)品都普遍采用傳統(tǒng) PLC 和單片機(jī)來實(shí)現(xiàn) [3][4]，能夠滿足用戶大多數(shù)場(chǎng)合的需要?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)外很多溫度控制系統(tǒng)都采用 ARM 作為處理器，ARM 為嵌入式的應(yīng)用提供了一個(gè)有效的解決方案，以其成熟的結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)，有效的 32 位 RISC 結(jié)構(gòu)，優(yōu)秀的代碼密度，可能的低成本，執(zhí)行高度穩(wěn)定等特點(diǎn)，被市場(chǎng)所認(rèn)可 [5]。由此可見，利用高性能的嵌入式處理器和嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)對(duì)溫度進(jìn)行控制已成為未來發(fā)展的趨勢(shì)。PID 調(diào)節(jié)器及其改進(jìn)型是在工業(yè)過程控制中最常見的控制器，至今全世界過程控制中仍然有河北聯(lián)合大學(xué)信息工程學(xué)院畢業(yè)論文（或設(shè)計(jì)說明書） 684％左右使用純 PID 調(diào)節(jié)器。此后又出現(xiàn)了諸如最優(yōu) PID 控制、預(yù)估計(jì) PID 控制等高級(jí) PID 控制策略 [8]，但人們對(duì) PID 控制器的認(rèn)識(shí)和改進(jìn)遠(yuǎn)沒有完成，到目前為止，PID 控制的機(jī)理、使用范圍、魯棒性等問題都還沒有徹底完全的分析研究。針對(duì)這些問題，人們一直在尋求 PID 控制參數(shù)的自整定技術(shù)，以適應(yīng)復(fù)雜的工況和高指標(biāo)的控制要求。它一般由嵌入式微處理器、外圍硬件設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)以及用戶的應(yīng)用程序等四個(gè)部分組成，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)其他設(shè)備的控制、監(jiān)視或管理等功能 [11]。另一方面的原因就是應(yīng)用的需要，由于對(duì)產(chǎn)品可靠性、成本、更新?lián)Q代要求的提高，使得嵌入式系統(tǒng)逐漸從純硬件實(shí)現(xiàn)和使用通用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用中脫穎而出，成為近年來令人關(guān)注的焦點(diǎn)。(2)專用性強(qiáng)。 (4)高實(shí)時(shí)性的系統(tǒng)軟件 (OS)是嵌入式軟件的基本要求。(6)嵌入式系統(tǒng)開發(fā)需要開發(fā)工具和環(huán)境。從硬件方面來講，各式各樣的嵌入式處理器是嵌入式系統(tǒng)硬件中的最核心的部分，根據(jù)其現(xiàn)狀，嵌入式處理器可以分成下面幾類：(1)嵌入式微處理器(Micro Processor Unit，MPU)(2)嵌入式微控制器(Microcontroller Unit，MCU)(3)嵌入式 DSP 處理器(Embedded Digital Signal ProcessoL EDSP)(4)嵌入式片上系統(tǒng)(System On Chip)從軟件方面劃分，主要可以依據(jù)操作系統(tǒng)的類型。其中實(shí)時(shí)系統(tǒng)又分為兩類：硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)和軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)。執(zhí)行裝置也稱為被控對(duì)象，它可以接受嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)發(fā)出的控制命令，執(zhí)行所規(guī)定的操作或任務(wù) [13][14]。(1)硬件層硬件層中包含嵌入式微處理器、存儲(chǔ)器(SDRAM、ROM、Flash 等)、通用設(shè)備接口和 I/O 接口(A/D、D/A、I/0 等) 。其中操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序都可以固化在 ROM 中。該層一般包含相關(guān)底層硬件的初始化、數(shù)據(jù)的輸入/輸出操作和硬件設(shè)備的配置功能。RTOS 是嵌入式應(yīng)用軟件的基礎(chǔ)和開發(fā)平臺(tái)。它必須體現(xiàn)其所在系統(tǒng)的特征，能夠通過裝卸某些模塊來達(dá)到系統(tǒng)所要求的功能。 本文的主要工作本文設(shè)計(jì)了一種基于 ARM 的模糊 PID 溫度控制系統(tǒng)，主要完成了以下工作：(1)對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行了硬件設(shè)計(jì)，采用 ARM9 微處理器 AT91RM9200 作為主控制芯片，并對(duì)其外圍電路進(jìn)行了構(gòu)建。 (2)軟件方面，移植了引導(dǎo)程序(Bootloader)和Linux 操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了操作系統(tǒng)的自動(dòng)引導(dǎo)及運(yùn)行，為應(yīng)用程序的運(yùn)行提供了一個(gè)軟件環(huán)境。(4)簡(jiǎn)單介紹了模糊控制的工作原理，詳細(xì)講述了模糊 PID 控制器的具體設(shè)計(jì)步驟.。1974 年，英國(guó)倫敦大學(xué)教授 E．H．MamD/Ani，首先利用模糊控制語句組成了模糊控制器，并應(yīng)用于鍋爐和汽輪機(jī)的控制，在實(shí)驗(yàn)室獲得了成功。近幾年，模糊控制技術(shù)得到了迅猛發(fā)展，已經(jīng)成功的運(yùn)用于許多領(lǐng)域，在一些具有非線性、強(qiáng)耦合、時(shí)變性和時(shí)滯性的復(fù)雜過程或機(jī)器的控制中，模糊控制發(fā)揮了獨(dú)特的作用。模糊控制系統(tǒng)的構(gòu)成與一般控制系統(tǒng)的區(qū)別主要在于控制器不同，模糊控制器主要是由模糊化、模糊推理和去模糊三個(gè)功能模塊和知識(shí)庫構(gòu)成。模糊控制的突出特點(diǎn)主要有 [19]：(1)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不要求知道被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，只需要提供操作人員的經(jīng)驗(yàn)及操作數(shù)據(jù)；(2)控制系統(tǒng)的魯棒性強(qiáng)，適合于解決常規(guī)控制難以解決的非線性、強(qiáng)耦合、時(shí)變和時(shí)滯系統(tǒng)；(3)以語言變量代替了常規(guī)的數(shù)學(xué)變量，容易構(gòu)成專家的“知識(shí)” ；(4)控制推理模仿人的思維過程，采用“不精確推理，融入了人類的經(jīng)驗(yàn)，因此可以處理復(fù)雜甚至“病態(tài)”系統(tǒng)。 模糊自適應(yīng) PID 概述在工業(yè)生產(chǎn)過程中 [20]，許多被控對(duì)象隨著負(fù)荷變化或干擾因素的影響，其對(duì)象特征參數(shù)或結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生改變。因此在工業(yè)生產(chǎn)過程中，大量采用的仍然是 PID 算法，PID 參數(shù)的整定方法很多，但大多數(shù)都以對(duì)象特性為基礎(chǔ)。這種控制器把古典的 PID 控制與先進(jìn)的專家系統(tǒng)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最佳控制 [21]。由于經(jīng)驗(yàn)不易精確描述，控制過程中各種信號(hào)量以及評(píng)價(jià)指標(biāo)不易定量表示，而模糊理論是解決這一問題的有效途徑，所以人們運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)的基本理河北聯(lián)合大學(xué)信息工程學(xué)院畢業(yè)論文（或設(shè)計(jì)說明書） 10論和方法，把規(guī)則的條件、操作用模糊集表示，并把這些模糊控制規(guī)則以及有關(guān)信息作為知識(shí)存入計(jì)算機(jī)知識(shí)庫中，然后計(jì)算機(jī)根據(jù)控制系統(tǒng)的實(shí)際響應(yīng)情況運(yùn)用模糊推理，即可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì) PID 參數(shù)的最佳調(diào)整，這就是模糊自適應(yīng)PID 控制。 模糊自適應(yīng) PID 控制器的設(shè)計(jì) 模糊自適應(yīng) PID 控制器模糊參數(shù)自適應(yīng) PID 控制器是一種專家自適應(yīng) PID 控制器 [22]，它是在常規(guī)調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上采用模糊推理的思想，根據(jù)不同偏差 e(k)和偏差變化率 ec(k)，對(duì) PID 的比例、積分和微分參數(shù) kp、 ki 和 kd 進(jìn)行在線自整定的模糊控制器，在參數(shù)后 kp、 ki 和 kd 與偏差 e(k)和偏差變化率 ec(k)間建立起在線自整定的函數(shù)關(guān)系，而且這種關(guān)系是根據(jù)人的經(jīng)驗(yàn)和智能建立起來的，使系統(tǒng)在不同運(yùn)行狀態(tài)下能對(duì)常規(guī) PID 控制器參數(shù)不斷地修改和調(diào)整。也正因?yàn)槿绱?，它在改善被控過程的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能、提高抗干擾能力以及對(duì)參數(shù)時(shí)變的魯棒性等方面均優(yōu)于常規(guī) PID 控制器。利用模糊控制規(guī)則在線對(duì) PID 參數(shù)進(jìn)行修改，便構(gòu)成了自適應(yīng)模糊 PID 控制器，其結(jié)構(gòu)如圖 21 所示。因此，模糊參數(shù)自適應(yīng) PID 控制系統(tǒng)的關(guān)鍵在于模糊控制規(guī)則對(duì) PID 參數(shù)的調(diào)節(jié)機(jī)理及過程。其中，e(k)和 ec(k)為輸入模糊語言變量，而后 kp、 ki 和 kd 為輸出模糊語言變量。PID 參數(shù)的整定必須考慮到在不同時(shí)刻三個(gè)參數(shù)的作用以及相互之間的互聯(lián)關(guān)系。k p 越大，系統(tǒng)的響應(yīng)速度越快，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度越高，但易產(chǎn)生超調(diào)，甚至?xí)?dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。(2)積分作用系數(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)靜態(tài)誤差難以消除，影響系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。k d 過大，會(huì)使響應(yīng)過程提前制動(dòng)，從而延長(zhǎng)調(diào)節(jié)時(shí)間，而且會(huì)降低系統(tǒng)的抗干擾性能。從系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應(yīng)速度、超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)精度等各方面來考慮，根據(jù)不同的 e 和 ec 人們總結(jié)出了一套 kp、 ki 和 kd 的整定原則：(1)當(dāng) e 較大時(shí)，為使系統(tǒng)有較好的跟蹤性能，應(yīng)取較大的 kp 和較小的 kd，同時(shí)為避免出現(xiàn)較大的超調(diào)，應(yīng)對(duì)積分作用加以限制，通常取 ki=0。(3)當(dāng) e 較小時(shí)，為使系統(tǒng)能有較好的穩(wěn)態(tài)性能，k p 和 ki 應(yīng)取的大些，同時(shí)為避免在平衡點(diǎn)附近出現(xiàn)振蕩，并考慮系統(tǒng)抗干擾性能，當(dāng) ec 較大時(shí) kd 可取的小些；ec 較小時(shí) kd 可取的大一些。將精確量(數(shù)字量)轉(zhuǎn)化為模糊量的過程稱為模糊化。模糊化設(shè)計(jì)包含兩方面的重要內(nèi)容，一個(gè)是模糊劃分誰家，它主要是解決在語言變量論域中取模糊量的個(gè)數(shù)問題；另一個(gè)是模糊量隸屬函數(shù)的設(shè)計(jì)，它主要是解決模糊量的隸屬函數(shù)形狀。對(duì)于普通集合 A，它可以理解為某個(gè)論域 U 上的一個(gè)子集。用 0 表示 U 不屬于 A，而用 l 表示屬于 A，從而得到了 U 上的一個(gè)二值函數(shù) ，它表征了 U 的元素 u 對(duì)普)(uA?通集合的從屬關(guān)系，通常稱為 A 的特征函數(shù)，為了描述元素 U 對(duì) U 上的一個(gè)模糊集合的隸屬關(guān)系，由于這種關(guān)系的不分明性，它將用從區(qū)間[0，1]中所取U(k) = kpe(k)+ki +kd[e(k)e(k1)] ?)(ei=0k1河北聯(lián)合大學(xué)信息工程學(xué)院畢業(yè)論文（或設(shè)計(jì)說明書） 13的數(shù)值代替 0，l 這兩個(gè)值來描述，記為(u)，數(shù)值(u)表示元素隸屬于模糊集的程度，論域 U 上的函數(shù)“即為模糊集的隸屬函數(shù)，而 (u)即為 u 對(duì)應(yīng)的隸屬度。隸屬度函數(shù)的確定過程，本質(zhì)上說應(yīng)該是客觀的，但每個(gè)人對(duì)于同一個(gè)模糊概念的認(rèn)識(shí)理解又有差異，因此，隸屬度函數(shù)的確定又帶有主觀性。對(duì)于同一個(gè)模糊概念，不同的人會(huì)建立不完全相同的隸屬度函數(shù)，盡管形式不完全相同，只要能反映同一模糊概念，在解決和處理實(shí)際模糊信息的問題中仍然殊途同歸。e,ec 的隸屬度函數(shù)選用高斯形曲線，如圖 22 所示。這些隸屬度函數(shù)曲線可以等距，也可以非等距。一般合適的隸屬度函數(shù)應(yīng)該保證相鄰模糊量的交點(diǎn)在 0．3～0．7 之間。在模糊參數(shù)自適應(yīng) PID 的控制系統(tǒng)中，模糊控制規(guī)則主要是用來修正 PID 的參數(shù)的，它是控制領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員根據(jù)過程的階躍響應(yīng)情況的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，在進(jìn)行一定處理之后得到的?？偨Y(jié)工程設(shè)計(jì)人員的技術(shù)知識(shí)和實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，再根據(jù) kp、 ki 和 kd 三個(gè)參數(shù)各自的作用和它們之間的相互影響，本文建立了 kp、 ki 和 kd 模糊控制規(guī)則表，如表 ，表 ，表 模糊控制器控制規(guī)則形式為：if A and B then C，如[E is NB]and[EC is NB]then[KP is PB][1]；2．If[E is NB]and[EC is NS]then[KPis PM][1]；…… 其中最后括號(hào)中的“1’ ’，表示該條規(guī)則的權(quán)值。河北聯(lián)合大學(xué)信息工程學(xué)院畢業(yè)論文（或設(shè)計(jì)說明書） 15表 kp 的模糊規(guī)則表kp ? eceNB NM NS ZO PS PM PBNBNMNSZOPSPMPBPBPBPMPMPSPSZOPBPBPMPMPSZOZOPMPMPMPSZONSNMPMPSPSZONSNMNMPSPSZONSNSNMNMZOZONSNMNMNMNBZONSNSNMNMNBNB表 ki 的模糊規(guī)則表ki ? eceNB NM NS ZO PS PM PBNBNMNSZOPSPMPBNBNBNBNMNMZOZONBNBNMNMNSZOZONMNMNSNSZOPSPSNMNSNSZOPSPSPMNSNSZOPSPSPMPMZOZOPSPMPMPBPBZOZOPSPMPBPBPB表 kd 的模糊規(guī)則表kd ? eceNB NM NS ZO PS PM PBNBNMNSZOPSPMPBPSPSZOZOZOPBPBNSNSNSNSZONSPMNBNBNMNSZOPSPMNBNMNMNSZOPSPMNBNMNSNSZOPSPSNMNSNS