中财网手机装谷歌play:基于模糊控制的恒温控制系统设计
来源：百度文库 编辑：中财网 时间：2024/05/10 10:18:53
基于模糊控制的恒温控制系统设计
dzsc.com文章出处： 发布时间： 2010/12/10 | 375 次阅读 | 0次推荐 | 0条留言
摘要：为了克服热惯性和高温散热较快的影响，基于模糊控制算法，以单片机
单片机
单片机是单片微型计算机（Single-Chip Microcomputer）的简称，是一种将中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）采用超大规模集成电路技术集成到一块硅片上构成的微型计算机系统。 [全文]
为基础设计了一套恒温控制系统，并介绍了硬件组成结构和软件控制方案。实验表明，该系统实现了温度的精确测量和控制，其中静态误差小于0．2℃，恒温控制的标准差小于O．3℃。同时系统还具有响应速度快、性价比高、可移植性强等优点。
在日常工业生产当中，恒温控制应用非常广泛。模糊控制技术是通过模仿人的思维方法，运用不确定的模糊信息进行决策以实现最佳的控制效果。模糊控制所关心的是目标而不是精确的数学模型，即研究的是控制器的本身而不是被控对象。因此可以利用特殊的控制媒介，研究控制器本身。本系统以此作为出发点，以单片机为核心控制器，研究模糊控制算法，实现了精确的恒温控制。并设计了单片机与上位机的通信软件，实现了远程温度控制和温度曲线可视化的功能。
1 系统功能和硬件设计
本系统以水温作为测量媒介，以AT89C51单片机作为核心控制器，以AD590温度传感器传感器
凡是利用一定的物性（物理、化学、生物）法则、定理、定律、效应等把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件。传感器是测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测量的信号”。按照Gopel等的说法是：“传感器是包括承载体和电路连接的敏感元件”，而“传感器系统则是组合有某种信息处理(模拟或数字)能力的系统”。传感器是传感系统的一个组成部分，它是被测量信号输入的第一道关口。 [全文]
作为采集器，实现温度的采集、控制、传输、显示的功能。系统采用模糊算法对电热丝的加热时间进行控制，从而达到对水温的控制。同时通过上位机软件可以进行实时控制和显示温度曲线图等，系统框图如图1所示。
图1 系统框图
1．1 温度采集模块
温度采集模块实现温度信号采集、信号调理、模／数转换的功能。主要以集成温度传感器温度传感器
温度压力传感器是由温度敏感元件和检测线路组成的。温度传感器从使用的角度大致可分为接触式和非接触式两大类，前者是让温度传感器直接与待测物体接触，来敏感被测物体温度的变化，而后者是使温度传感器与待测物体离开一定的距离，检测从待测物体放射出的红外线，从而达到测温的目的。 传统的热电偶、热电阻、热敏电阻及半导体温度传感器都是将温度值经过一定的接口电路转换后输出模拟电压或电流信号，利用这些电压或电流信号即可进行测量控制。而将模拟温度传感器与数字转换接口电路集成在一起，就成为具有数字输出能力的数字温度传感器。随着半导体技术的迅猛发展，半导体温度传感器与相应的转换电路、接口电路以及各种其它功能电路逐渐集成在一起，形成了功能强大、精确、价廉的数字温度传感器。 [全文]
AD590M为采集主体，经过电压跟随器、差分式减法器、电压放大器、反相器等电路作为信号调理，后输入10位A／D转换器转换器转换器从原理上可分为协议转换器、接口转换器两大类。从应用上又可以分光纤转换器、光电转换器、视频转换器等等。例如视频转换器就是一种连接电脑和电视的设备，它可以把电脑上的内容转换并显示在电视机上，让人们可以在电视上学电脑，上网，玩游戏，做商业演示，看股票等等。 [全文]
TLC1549进行模／数转换。电路图如图2所示。
图2 温度采集模块电路图
AD590是电流型集成温度传感器，具有抗干扰能力强的特点，其输出电流和温度值成正比，且是以绝对温度零度(-273℃)为基准，其线性电流输出为1μA／K，利用10 kΩ的电阻电阻
电阻，物质对电流的阻碍作用就叫该物质的电阻。电阻小的物质称为电导体，简称导体。电阻大的物质称为电绝缘体，简称绝缘体。 [全文]
可将电流信号转换为电压信号。本系统的测量范围为0～100℃，因此输出电压范围为2．73～3.73 V。为了增大后端电路的阻抗，减小对电流信号的分流，利用电压跟随器作为信号隔离。后输入差分减法器减去2．73 V，并经过5倍电压放大后，对应的输出电压范围为O～6 V。电压信号输入10位逐次比较型模数转换器TLCl549。其参考电压为5 V，则输入电压的分辨率(单位：mV)为：
从而本系统温度采样的理论分辨率为：
由于传感器信号微弱，极易受到外界电磁环境影响，须使用双绞线传输传感器信号。
1．2 人机交互和远程管理模块
系统开发了丰富的人机交互接口，分为本地管理和远程管理，最大程度上简化了操作的复杂度和方便度。在本地端，设有三个功能按键，分别为：设定温度加0．1℃、设定温度减0．1℃、温度控制开关开关
开关是最常见的电子元件，功能就是电路的接通和断开。接通则电流可以通过，反之电流无法通过。在各种电子设备、家用电器中都可以见到开关。 [全文]
。两个三位七段数码管数码管数码管是一种以发光二极管为基本单元的半导体发光器件。在我们日常生活中，比如电子秤、电子数码钟等的显示都是利用数码管实现，数码管现今已得到广泛的应用。 [全文]
，分别显示：设定温度和实时采集温度。
系统通过串口转换芯片MAX232，实现上位机和单片机的通信。上位机作为远程管理端，实现了显示温度变化曲线、显示当前温度、显示设定温度、显示最大正负误差，放大或缩小曲线、保存曲线等功能。
1．3 温度控制和超界报警模块
系统利用单片机控制电热丝在一个加热周期内的加热时间来实现对水温的控制。单片机端口信号经过光耦光耦
光耦全称是光耦合器，英文名字是：optical coupler，英文缩写为OC，亦称光电隔离器，简称光耦。它对输入、输出电信号有良好的隔离作用，所以，它在各种电路中得到广泛的应用。目前它已成为种类最多、用途最广的光电器件之一。 [全文]
隔离后，利用三级管驱动电磁继电器电磁继电器电磁继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流.较低的电压去控制较大电流.较高的电压的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。 [全文]
的闭合与断开，从而控制加热时间。当温度超过100℃或者实时温度变化超过10℃时，单片机将驱动蜂鸣器蜂鸣器蜂鸣器是能发声音的小报警器，1、2元或几元钱一个，类似扬声器，无源的，需要通上方波、三角或正弦波来发声，当然声音也不大一样；有源的，通上直流就能发声。 蜂鸣器在电路中用字母“H”或“HA”（旧标准用“FM”、“LB”、“JD”等）表示。 [全文]
进行长时间报警提示，当设置温度变化超过10℃时，蜂鸣器进行短时间报警提示。
2 软件系统设计
系统的控制思路为：根据模糊控制模型和实际应用情况推理出模糊查询表，模糊查询表表示对于不同状态的加温周期时间。单片机根据实时采样温度的变化查取模糊查询表，对加温周期做出调整，从而达到对温度控制的目的。
2．1 主程序
主程序一直处于等待接收串口信号状态，同时判断是否需要发送数据。定时中断每秒对采样温度进行平均值滤波后，置串口发送标志，在主程序中发送。单片机接收到PC信号的第一个字节时，调用接收数据子程序，将剩余数据接收到缓冲区内，并判断接收数据的类型，执行相应操作。
为避免串口干扰信号，系统采用应答模式和单向传输混用的串口通信，以提高通信的稳定性和系统的实时性。上位机下发命令采用应答模式，单片机实时温度信息上传采用单向通信模式。通信协议由包头、命令、数据长度、数据包、校验位组成。
2．2 1ms定时中断程序
1ms定时中断作为系统的总时钟。每1 ms刷新一位数码管，每10 ms扫描一次按键，每1 s的最后100 ms中，每隔10 ms采样一次温度值，将10次采样值冒泡排序，去掉最大值和最小值后的平均值，作为本次实时采样的最终值送入显示缓冲区。若恒温控制开关打开，则每1 s还要调用恒温控制程序。若报警开关打开，则每1 s取反一次扬声器扬声器
扬声器是一种把电信号转换成声音信号的电声器件。确切地说，扬声器的工作实际上是把一定范围内的音频电功率信号通过换能方式转变为失真小并具有足够声压级的可听声音。 扬声器在音响设备中是一个最薄弱的器件，而对于音响效果而言，它又是一个最重要的部件。扬声器的种类繁多，而且价格相差很大。音频电能通过电磁，压电或静电效应，使其纸盆或膜片振动并与周围的空气产生共振（共鸣）而发出声音,扬声器分为内置扬声器和外置扬声器，而外置扬声器即一般所指的音箱。内置扬声器是指MP4播放器具有内置的喇叭，这样用户不仅可以通过耳机插孔还可以通过内置扬声器来收听MP4播放器发出的声音。 [全文]
输出。定时中断返回前将重置看门狗。
2．3 模糊控制模型建立
系统利用了双输入单输出的模糊控制模式。2个输入语言变量E，EC分别表示温度误差和温度误差的变化率，输出语言变量U表示继电器继电器
继电器是我们生活中常用的一种控制设备，通俗的意义上来说就是开关，在条件满足的情况下关闭或者开启。继电器的开关特性在很多的控制系统尤其是离散的控制系统中得到广泛的应用。从另一个角度来说，由于为某一个用途设计使用的电子电路，最终或多或少都需要和某一些机械设备相交互，所以继电器也起到电子设备和机械设备的接口作用。 [全文]
的闭合时间。语言变量E赋8个值，即正小(PS)、正零(PO)、负零(NO)，负小(NS)，负中(NM)，负大(NL)，负加大(NXL)，负超大 (NXXL)，考虑到系统中并未设置降温措施，E的赋值并不对称。EC赋7个值，即正大(PL)、正中(PM)、正小(PS)、零(PO)、负小 (NS)、负中(NM)、负大(N-L)。U赋4个值：零(O)、正小(PS)、正中(PM)、正大(PL)。为补偿温度控制无超调量，E的量化值为 -10～2，EC，U的量化值分别为-6～6，0～6。每个值采用三角形隶属函数模型，如图3～图5所示。
图3 变量E 的隶属函数
图4 变量EC 的隶属函数
图5变量U 的隶属函数
依靠经验来建立控制规则，但是得到的控制量并是一个模糊量，不能直接用来作为控制输出，采用C语言进行解模糊处理，得到模糊查询表，并在测试中反复调整，最终得到模糊查询表如表1所示。
表1 模糊查询表
2．4 模糊控制程序
在单片机的程序中，设置了变量TOUT表示恒温控制周期，TSET表示一个恒温控制周期中韵加热输出时间，即表中的U。每隔TOUT的时间，将调用模糊推理程序，求出误差E和误差变化率EC。其中：
E=实时采样温度值-设定温度值
EC=当前误差-上次误差
当误差较大时，不必进行模糊控制，只需判断是全速加热或是停止加热。当误差进入预设的控制范围时，量化E，EC，并由量化值查询模糊查询表，得出该周期应该输出的加热时间TSET。
在测试中发现，采用单一的E，EC论域的效果并不让人满意，系统灵敏度较低。考虑加热惯性和高温散热较快的影响，采用了两级控制的方式。在第一级控制中，E和EC的论域范围较大，可快速加热到恒温设定温度附近；此后进入第二级控制，缩小E和EC的论域范围，提高控制的灵敏度。经测试，采用此方式可在各温度层次控制过程中将恒温误差稳定在±0．3℃以内。
3 系统实验和误差分析
3．1 传感器零点校准
系统采用电流型温度传感器AD590，同时使用单点调节电路。在理想情况下，在冰水混合物(O℃)中并联10kΩ电阻，输出电压为2.73V，即为传感器零点。同时为保证系统的精确性，使用单点调节电路进行进一步调节。
3．2 系统实验
利用本系统对自来水进行重复性测试。由于本地气压和水中杂质的影响，当水到达沸点时仍无法到达100℃，因此系统的测试范围设定为40～90℃。当系统达到温度恒定且停止加温后，随机进行一次静态数据测量；在此后100 min内，每隔5 min进行一次恒温控制数据测量。静态数据如表2所示，恒温控制数据如表3所示，50℃恒温控制上位机曲线如图6所示。
由表3可知，系统的静态误差为±0.2℃。对表3中每组数据的后10个数据进行标准差计算，结果如表4所示，可知其平均误差小于±0.3 ℃。
4 结语
该系统以模糊控制算法和单片机设计了一种恒温控制系统。利用单片机作为核心控制器，开发了丰富的友好的人机交互环境：温度变化曲线可视性、远程可控性非常适合工业远程管理要求。其成本低，可扩展性好，非常容易扩展为多路采集系统；同时采用模糊查询表的方式，提高了系统的移植性。实验表明：本系统能够将水温恒定的控制在40～90℃范围内，控制误差小于0．5℃，静态误差小于0．2℃，可广泛的推广和移植到工业当中。