【正文】 y PID the control object bees plicated, using conventional PID temperature control accuracy and robustness of the the control object is a plex situation, conventional PID temperature controller is no longer applied, in order to improve the control performance of plex systems, to use the fuzzy PID temperature way to PID control and fuzzy control of simplicity, flexibility, and robustness of the integration, we constructed a fuzzy PID temperature controller. This design presents a fuzzybased PID temperature control system to AT89C51 SCM,made the following main areas of work:first introduce the theory of fuzzy PID control,second for the hardware design and hardware design,and finally to the system software design and simulation. Keywords: Fuzzy PID。 temperature control。無論你生活在哪里，從事什么工作，無時無刻不在與溫度打著交道。在冶金、鋼鐵、石化、水泥、玻璃、醫(yī)藥等行業(yè)，可以說幾乎 80%的工業(yè)部門都不得不考慮著溫度的因素。 概述 溫度是生活及生產(chǎn)中最基本的物理量，它表征的是物體的冷熱程度。在很多生產(chǎn)過 程中，溫度的測量和控制都直接和安全生產(chǎn)、提高生產(chǎn)效率、保證產(chǎn)品質(zhì)量、節(jié)約能源等重大技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)相聯(lián)系。 今天，我們的生活環(huán)境和工作環(huán)境有越來越多稱之為單片機的小電腦在為我們服務(wù)。時下，家用電器和辦公設(shè)備的智能化、遙控化、基于單片機的溫度測控系統(tǒng)在溫室大棚中的設(shè)計與實現(xiàn)模糊控制化己成為世界潮流，而這些高性能無一不是靠單片機來實現(xiàn)的。溫度測控技術(shù)包括溫度測量技術(shù)和溫度控制技術(shù)兩個方面。另 外的非接觸式測溫方法是通過對輻射能量的檢測來實現(xiàn)溫度測量的方法，其優(yōu)點是：不破壞被測溫場，可以測量熱容量小的物體，適于測量運動物體的溫度，還可以測量區(qū)域的溫度分布，響應(yīng)速度較快。因此，在實際的溫度測量中，要根據(jù)具體的測量對象選擇合適的測量方法，在滿足測量精度要求的前提下盡量減少投入 [1]。動態(tài)溫度跟蹤實現(xiàn)的控制目標(biāo)是使被控對象的溫度值按預(yù)先設(shè)定好的 曲線進(jìn)行變化。恒值溫度控制的目的是使被控對象的溫度恒定在某一給定數(shù)值上，且要求其波動幅度 (即穩(wěn)態(tài)誤差 )不能超過某允許值。 從工業(yè)控制器的發(fā)展過程來看，溫度控制技術(shù)大致可分以下幾種： 定值開關(guān)控溫法 所謂定值開關(guān)控溫法，就是通過硬件電路或軟件計算判別當(dāng)前溫度值與設(shè)定目標(biāo)溫度值 之間的關(guān)系，進(jìn)而對系統(tǒng)加熱裝置 (或冷卻裝置 )進(jìn)行通斷控制。若當(dāng)前溫度值比設(shè)定溫度值低，則開啟加熱器并同時關(guān)斷制冷器。目前，采用這種控制方法的溫度控制器在我國許多工廠的老式工業(yè)電爐中仍被使用。 線性控溫法 這種控溫方法是基于經(jīng)典控制理論中的 PID調(diào)節(jié)器控制原理， PID控制是最早發(fā)展起來的控制策略之一，由于其算法簡單、魯棒性好、可靠性高等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用工業(yè)過程控制中，尤其適用于可建立精確數(shù)學(xué)模型的確定性控制系統(tǒng)。其具體控制電路可以采用模擬電路或計算機軟件方法來實現(xiàn) PID 調(diào)節(jié)功能。其中數(shù)字 PID控制器的參數(shù)可以在現(xiàn) 場實現(xiàn)在線整定，因此具有較大的靈活性，可以得到較好的控制效果。只要 PID參數(shù)選取的正確，對于一個確定的受控系統(tǒng)來說，其控制精度是比較令人滿意的。 智能溫度控制法 為了克服 PID 線性控溫法的弱點，人們相繼提出了一系列自動調(diào)整 PID 參數(shù)的方法，如 PID 參數(shù)的自學(xué)習(xí)，自整定等等。智能控溫法以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊數(shù)學(xué)為理論基礎(chǔ)，并適當(dāng)加以專家系統(tǒng)來實現(xiàn)智能化。尤其是模糊控溫法在實際工程技術(shù)中得到了極為廣泛的應(yīng)用。所謂第三代智能溫控儀表，就是指基于智能控溫技術(shù)而研制的具有自適應(yīng) PID 算法的溫度控制儀表。這種不足的原因是多方面造成的，如針對不同的被控對象，由于控制算法的不足而導(dǎo)致控制精度不穩(wěn)定。因此， PID控制器在工業(yè)控制中仍然得到廣泛的應(yīng)用，許多工業(yè)控制器仍然采用 PID控制器。 控制理論 PID控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值 r(t)與實際輸出值 y(t)構(gòu)成控制偏差e(t)： )()()( tytrte ?? 式（ 21） 將偏差 e(t)的比例 (Proportional)、積分 (Integral)和微分 (Derivative)通過線性組合構(gòu)成控制量，對被控對象進(jìn)行控制，因此稱為 PID控制， PID控制系統(tǒng)原理如圖21所示： 圖 21 PID控制系統(tǒng)原理圖 其控制規(guī)律為 天津工業(yè)大學(xué) 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計論 文 5 ])()(1)([)(0???? t DP dt tdeTdtteTteKtu 式 （ 22） 或者寫成傳遞函數(shù)形式為 )11()(DSISP TTKsG ??? 式（ 23） 式 23中 PK ：比例系數(shù)； IK ：積分時間常數(shù)； DK ：微分時間常數(shù)。； （ 3）微分環(huán)節(jié)能夠反映偏差信號的變化趨勢 (變化速率 )，并且能在偏差信號值變得太大 之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減少調(diào)節(jié)時間 [5]。因此，式 23中的積分和微分項不能直接使用，需要進(jìn)行離散化處理現(xiàn)令T 為采樣周期，以一系列的采樣時刻點 KT 代表連續(xù)時間 t，以累加求和近似代替積分以一階后向差分近似代替微分做如下的近似變換 [2]： KTt? 式（ 24） ? ? ?? ???t kjkj jeTjTeTte0 0 0 )()()( 式（ 25） T kekeT TkeKTedt tde )1()(])1[()()( ?????? 式（ 26） 其中， T 為采樣周期， e(k)為系統(tǒng)第 k 次采樣時刻的偏差值， e(kl)為系統(tǒng)第(kl)次采樣時刻的偏差值， k為采樣序號， k=0， 1， 2， … 。通常把式 27稱為 PID的位置式控制算法。可以看出，每次輸出與過去的所有狀態(tài)都有關(guān)，要想計算 u(k)，不僅涉及 e(k)和 e(kl)，且須將歷次 e(j)相加，計算復(fù)雜，浪費內(nèi)存。為此，對 (28)式作如下的變動： 考慮到第（ k1）次采樣時有： })]2()1([)()1({)1( 10??? ????????kjDIP kekeTTjeTTkeKku 式（ 29） 使（ 28）兩邊對應(yīng)減去（ 29）式得)]}2()1(2)([)()1()({)1()( ??????????? kekekeTTkeTTkekeKkuku DIP 整理后得 )2()1()()1()( 210 ??????? keakeakeakuku 式（ 210） 其中： )1(0 TTTTKa DIP ???； )21(1 TTKa DP ??； TTKa DP?2 式（ 210）就是 PID位置式的遞推形式 如果令 )1()()( ???? kukuku ，則： )2()1()()( 210 ?????? keakeakeaku 式（ 211） 式中 0a 、 1a 、 2a 同式（ 210）中一樣。由于其控制輸出對應(yīng)執(zhí)行機構(gòu)的位置的增量，故 (211)式通常被稱為 PID控制的增量式算式 [3]。而增量式中只須計算增量，控制增天津工業(yè)大學(xué) 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計論 文 7 量的確定僅與最近幾次偏差采樣值有關(guān)，當(dāng)存在計算誤差或者精度不足時，對控制量的影響較小，且較容易通過加權(quán)處理獲得比較好的控制效果； （ 2）由于計算機只輸出控制增量，所以誤動作影響小，而且必要時可以用邏輯判斷的方法去掉，對系統(tǒng)安全運行有利； （ 3）手動與自動切換時沖擊比較小 [5]。 人 控 制 對 象信 息 圖 22 典型人機控制系統(tǒng)框圖 操作者根據(jù)儀表顯示的信息（包括聲、光、及數(shù)字信息），獲得系統(tǒng)的運行狀態(tài)，然后操作者根據(jù)自己以往的經(jīng)驗和積累的知識，做出相應(yīng)的決策，并對控制對象進(jìn)行運作，在這個系統(tǒng)中，儀表的信息都是精確量，通過人的感官傳入操作者的大腦，然后在腦中形成具有模糊性的概念，然后操作者根據(jù)經(jīng)驗，進(jìn)行模糊決策。模糊控制器將根據(jù)輸入的信息進(jìn)行模糊決策，輸出一個模糊量，然后將它精確化，并作用于被控對象。 模糊控制系統(tǒng)的組成 模糊控制系統(tǒng)如圖 23所示 [10] 天津工業(yè)大學(xué) 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計論 文 8 輸 入接 口模 糊控 制 器輸 出接 口執(zhí) 行機 構(gòu)被 控對 象檢 測 裝 置 s ( t )y ( t )+ 圖 23 模糊控制系統(tǒng) 模糊控制系統(tǒng)一般可以分為五個部分： （ 1）模糊控制器。由于被控對象的不同，以及對系統(tǒng)靜態(tài)、動態(tài)特性的要求和所應(yīng)用的控制規(guī)則各異，可以構(gòu)成各種類型的控制器，在模糊控制理論中，則采用基于模糊控制的知識表示和規(guī)則推理的語言型 “模糊控制器 ”，這也是模糊控制系統(tǒng)區(qū)別于其他控制系統(tǒng)的特點所在。 （ 2）輸 入 輸出接口。在 I/O接口裝置中，除了 A/D、 D/A轉(zhuǎn)換外，還包括必要的電平轉(zhuǎn)換。包括各種交、直流電動機、伺服電動機、步進(jìn)電動機等。它可以是一種設(shè)備或裝置以及它們的群體，也可以是一個生產(chǎn)的、自然的、社會的、生物的或其他的各種的對象過程。對于那些難以監(jiān)理精確數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜對象，更適宜采用模糊控制。即傳感器，傳感器是將被控對象或各種過程的被控量轉(zhuǎn)化為電信號（模擬或數(shù)字）的一類裝置。傳感器在模糊控制系統(tǒng)中占有十分重要的地位，它的精度往往直接影響整個模糊控制系統(tǒng)的精度，因此，在選擇傳感器時，應(yīng)十分注意選擇精度高且穩(wěn)定性好的傳感器。 天津工業(yè)大學(xué) 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計論 文 9 圖 24 模糊控制原理框圖 模糊控制器的控制規(guī)律由計算機的程序?qū)崿F(xiàn)，模糊控制的基本思想是：微機經(jīng)中斷采樣獲取被控制量的精確值，然后將此量與給定值比較得到偏差信號 e。再由模糊子集、模糊控制規(guī)則（模糊關(guān)系）和前項推理進(jìn)行模糊推理，得到模糊控制量為： u=E*R，式中 u為一個模糊量。得到了精確的數(shù)字控制量后，經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換變?yōu)榫_的模擬量送給執(zhí)行機構(gòu)，對被控對象進(jìn)行一步控制。 綜上所述，模糊控制過程可概括為以下四個步驟： （ 1）根據(jù)本次采樣得到的系統(tǒng)的輸出值，計算所選擇系統(tǒng)的輸入變量； （ 2）將輸入變量的精確值變?yōu)槟：浚? （ 3）根據(jù)輸入變量（模糊量）及模糊控制規(guī)則，按照模糊推理合成規(guī)則推理計算輸出控制量（模糊量 ）； （ 4）由上述得到的控制量（模糊量），并作用于執(zhí)行機構(gòu)。而 Fuzzy控制雖然對被控對象的時滯性、非線性和時變性具有一定的適應(yīng)能力，同時對噪聲也具有較強的抑制能力，但消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的能力較天津工業(yè)大學(xué) 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計論 文 10 弱，難以達(dá)到較高的控制精度。本文采用 FuzzyPID復(fù)合控 制溫度可以克服上述兩種方法的缺點。 FuzzyPID控制器是在常規(guī) PID的基礎(chǔ)上，應(yīng)用 Fuzzy集合理論建立參數(shù) PK 、IK 、 DK 與誤差變化 CE 間的二元連續(xù)函數(shù)關(guān)系為： ),(1 CP EEfK ? ， ),(2 CI EEfK ? ， ),(3 CD EEfK ? 并根據(jù)不同的 E和 Ec 在線自整定參數(shù) PK 、 IK 、 DK 的控制器。 PID參數(shù)模糊自整定控制原理如圖所示。 子集中元素分別代表負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大。 圖 26 E、 Ec隸屬函數(shù) 天津工業(yè)大學(xué) 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計論 文 11 PK39。 、 DK39。 圖 27 PK39。 、 DK39。建立 PK 、 IK 、DK 的模糊控制規(guī)則表分別如表 2 22和 23所示。去模糊化的過程是把推理系統(tǒng)輸出的模糊集合映