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畢業(yè)設(shè)計(jì)
文獻(xiàn)翻譯
院（系）名稱
工學(xué)院機(jī)械系
專業(yè)名稱
機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
學(xué)生姓名
李慶森
指導(dǎo)教師
閆存富
2012年 03 月 10 日
黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（文獻(xiàn)翻譯) 第 6 頁(yè)
基于模糊PID的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
摘要：智能控制系統(tǒng)的溫度設(shè)計(jì)是為了滿足溫度的工藝曲線的要求。在該系統(tǒng)中，模糊規(guī)則用來(lái)調(diào)節(jié)PID控制器的參數(shù)，調(diào)整PID控制器用于控制溫度的變化。該系統(tǒng)可以避免常見的PID的缺點(diǎn)，比如設(shè)置時(shí)間長(zhǎng)，寬超調(diào)，并獲得更好的控制特性。本文重點(diǎn)闡述了它的原理與控制方法，介紹了硬件結(jié)構(gòu)和軟件流程圖。
關(guān)鍵詞：智能控制，PID控制器，溫度設(shè)計(jì)
引言
在冶金行業(yè)和機(jī)械工程中，溫度是最重要的參數(shù)之一。在不同的場(chǎng)合中，精度和速度需求的溫度控制也有所不同。在一些場(chǎng)合中，控制的要求很簡(jiǎn)單，只需要控制變量。但是，在更多的場(chǎng)合中，溫度應(yīng)滿足工藝曲線的要求。在后者，實(shí)時(shí)測(cè)量和控制溫度是非常有必要的。計(jì)算機(jī)控制因其突出的成本低的優(yōu)勢(shì)被廣泛地應(yīng)用于溫度的實(shí)時(shí)控制，因此單片機(jī)被廣泛的利用。這種方法被廣泛應(yīng)用在溫度控制系統(tǒng)中。但在實(shí)踐中，許多工程系統(tǒng)特點(diǎn)，如延遲滯后、強(qiáng)耦合、時(shí)變，導(dǎo)致PID系統(tǒng)控制不能達(dá)到顯著的結(jié)果。如果采用模糊控制與PID控制配合使用，那么這個(gè)控制系統(tǒng)就會(huì)很好地工作。本文設(shè)計(jì)了一種智能的基于模糊PID控制器的溫度控制系統(tǒng)。
模糊溫度控制器的原理
PID方法因其突出的優(yōu)勢(shì)而被廣泛應(yīng)用于溫度控制系統(tǒng)。PID控制系統(tǒng)有三個(gè)基本控制方法，他們分別是比例控制、積分控制和倒數(shù)控制。每個(gè)功能的控制方法是不同的。每個(gè)基本控制方法，不僅可以單獨(dú)使用，也可結(jié)合起來(lái)使用。在PID控制系統(tǒng)中，這三個(gè)控方法是相結(jié)合使用的。PID控制系統(tǒng)具備三個(gè)基本控制方法的優(yōu)點(diǎn)。PID控制系統(tǒng)是可以改進(jìn)的，例如系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能、動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)定性。
在數(shù)字系統(tǒng)中，PID算法有兩個(gè)表達(dá)式：
（1）
（2）
在上述公式中，E（k）是第k個(gè)樣本的偏差，P（k）是第k個(gè)輸出的控制樣本，為比例系數(shù)，是積分系數(shù)，是微分系數(shù)。
方程（1）稱為位置控制算法。方程（2）命名為增量算法。因?yàn)榇蟮耐蝗蛔兓渴遣辉试S在制造過(guò)程中的，因此方程（2）被廣泛應(yīng)用于數(shù)字算法中。
但是在實(shí)踐中，許多工程系統(tǒng)存在滯后、強(qiáng)耦合、時(shí)變等特點(diǎn)。假如我們只使用普通的控制系統(tǒng)，工程系統(tǒng)會(huì)存在一些諸如設(shè)置時(shí)間長(zhǎng)、寬超調(diào)和一些不易確定的PID系數(shù)的缺點(diǎn)。為了獲得更好的控制特性，在我們的工作中模糊理論被用于調(diào)整PID實(shí)時(shí)系數(shù)。
調(diào)整方法為方程（3）所示。其中，α為調(diào)整比例系數(shù)，β是調(diào)整積分系數(shù)，γ是調(diào)整微分系數(shù)，′是調(diào)整后的比例系數(shù)，′是調(diào)整后的積分系數(shù)，′是調(diào)整后的微分系數(shù)。是調(diào)整比例系數(shù)，是調(diào)整積分系數(shù)，是調(diào)整微分系數(shù)。
′=+αE;′=+βE;′=+γE. (3)
要調(diào)整三個(gè)系數(shù)的實(shí)時(shí)性，建立三個(gè)一對(duì)一的模糊系統(tǒng)是非常必要的。我們只需描述基礎(chǔ)過(guò)程中的一個(gè)模糊系統(tǒng)，過(guò)程如下：
偏差（E）和差額偏差（DE）被選定為模糊系統(tǒng)的輸入值。根據(jù)每一個(gè)輸入值，PB、PM、PS、ZO、NS、NM和NB被選定為模糊集合。Π型曲線被選為隸屬函數(shù)，它與給出的模糊集映射在一起。調(diào)整系數(shù)PID系數(shù)是一個(gè)選中的輸出值。模糊集包含7個(gè)變量，如PB，PM ，PS，ZO，NS，NM和NB。輸出的函數(shù)是高斯函數(shù)。模糊系統(tǒng)的核心是采用模糊規(guī)則制定模糊邏輯語(yǔ)句。每個(gè)規(guī)則都是專家通過(guò)知識(shí)設(shè)計(jì)的。
規(guī)則的設(shè)計(jì)原則是：
如果絕對(duì)值大，調(diào)整系數(shù)導(dǎo)致減少偏差是有可能的。加快反應(yīng)速度，′應(yīng)該避免較大；過(guò)飽和度，′應(yīng)較??；避免較大的超調(diào)與積分飽和，′為零是正常的。如果絕對(duì)值在中間，那么就有必要改變調(diào)整系數(shù)，增加或減少?gòu)?qiáng)度的控制，因此，應(yīng)避免或減少過(guò)沖和振蕩。如果絕對(duì)值小，系數(shù)應(yīng)該是穩(wěn)定的。模糊規(guī)則，如表1所示。
表1模糊規(guī)則
差額偏差（DE）
NB
NM
NS
ZO
PS
PM
PB
偏差量（E）
NB
NB
NB
NB
NB
NM
NS
ZO
NM
NB
NB
NM
NM
NS
ZO
ZO
NS
NB
NM
NM
NS
ZO
ZO
PS
ZO
NM
NS
NS
ZO
PS
PS
PM
PS
NS
ZO
ZP
PS
PM
PM
PB
PM
ZO
ZO
PS
PM
PM
PB
PB
PB
ZO
PS
PM
PB
PB
PB
PB
系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)
模糊PID控制器可以用很多方式實(shí)現(xiàn)。以特殊的模糊邏輯芯片和開發(fā)工具作為平臺(tái)，其優(yōu)點(diǎn)是精度高、速度快，缺點(diǎn)是成本高、較少機(jī)動(dòng)性。另一種廣泛使用的方法是使用單片機(jī)作為硬件平臺(tái)，因?yàn)槠渫怀龅某杀镜偷膬?yōu)勢(shì)?？紤]到成本的原因，單片機(jī)被用來(lái)作為系統(tǒng)的硬件平臺(tái)。
C8051F系列單芯片處理器是兼容微處理器核心和指令為一體的單片機(jī)。他們不僅具有標(biāo)準(zhǔn)的外部設(shè)備，而且還集成了更多的設(shè)備。模擬模塊的設(shè)備，經(jīng)常使用在數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中，及其他包括數(shù)字的外部設(shè)備中。C8051F系列芯片具有獨(dú)立與真實(shí)的工作能力，并且可以有效地管理模擬和數(shù)字外部設(shè)備。為了節(jié)約能源，一個(gè)或多個(gè)外部設(shè)備可以關(guān)閉?？扉W記憶體有能力重啟程序，它不僅可以被用來(lái)作為程序存儲(chǔ)器，也可以用來(lái)作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。與傳統(tǒng)的MCS-51單片機(jī)相比，該性能已得到提高，而且其運(yùn)行速度也得到加快?？紤]模糊控制器的實(shí)際需求，C8051F020系列的單芯片被選定為核心處理器。
該系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。在沒(méi)有外部數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換器的使用下，集中在單一芯片上的模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器能滿足實(shí)際需求。前端電路（包括前置放大器和濾波器）用于放大溫度傳感器信號(hào)和過(guò)濾信號(hào)中的噪聲。輸出控制電路可以充當(dāng)放大、分離和配合等動(dòng)作元素。動(dòng)作元素實(shí)現(xiàn)了能量轉(zhuǎn)換的功能，電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，然后驅(qū)動(dòng)控制裝置。PDIUSBD11是接口芯片的接口，在C8051F020單片機(jī)的配合下實(shí)現(xiàn)了功能接口。通過(guò)PDIUSBD11控制器可以交換數(shù)據(jù)和信息的便攜式內(nèi)存。通過(guò)保存溫度數(shù)據(jù)功能和輸出數(shù)據(jù)的溫度，可以實(shí)現(xiàn)參數(shù)的調(diào)節(jié)與控制。
圖1 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)
為了獲得友好的人機(jī)交互，鍵盤，液晶顯示設(shè)備，微型打印機(jī)，蜂鳴器和指示燈在系統(tǒng)中使用，6個(gè)功能鍵，數(shù)字鍵（0-9），負(fù)標(biāo)志和關(guān)鍵小數(shù)點(diǎn)都被包括在特別設(shè)計(jì)的鍵盤里。通過(guò)鍵盤，用戶可以修改數(shù)據(jù)和設(shè)置參數(shù)。液晶顯示設(shè)備具備實(shí)時(shí)監(jiān)控的功能。通過(guò)顯示器和鍵盤，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能。微型打印機(jī)可以打印溫度曲線和控制記錄。當(dāng)溫度超過(guò)預(yù)定的范圍，蜂鳴器和指示燈會(huì)報(bào)警。
系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
模塊化的設(shè)計(jì)思想應(yīng)用于系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，軟件系統(tǒng)由功能可分為四個(gè)模塊。
溫度信號(hào)采集模塊。A/D轉(zhuǎn)換器用來(lái)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的模擬數(shù)字量。數(shù)字濾波器用于對(duì)信號(hào)中的噪聲進(jìn)行濾波處理。
控制模塊的輸出模塊。根據(jù)樣本數(shù)據(jù)和用戶設(shè)定值，模糊PID控制法產(chǎn)生的數(shù)值可以被轉(zhuǎn)換成模擬的D/A轉(zhuǎn)換器。
數(shù)據(jù)交換模塊。通過(guò)PDIUSBD11接口芯片，實(shí)現(xiàn)C8051F020和便攜式記憶的互換。
人機(jī)交互模塊。這種模塊包括四種項(xiàng)目。他們分別是鍵盤處理程序，液晶顯示驅(qū)動(dòng)程序，打印機(jī)驅(qū)動(dòng)程序，蜂鳴器和指示燈光處理程序。
這四種模塊是密切聯(lián)系的，通過(guò)合作他們達(dá)到系統(tǒng)要求的功能。通過(guò)對(duì)C8051F020的觀察，實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)任務(wù)。
實(shí)現(xiàn)模糊系統(tǒng)的單芯片處理器有兩種方法。一個(gè)名為查找表技術(shù)，另一個(gè)是在線計(jì)算值。在第一種方法中，一個(gè)表被事先保存在單芯片上，其中包含了模糊系統(tǒng)的參數(shù)。工作時(shí)，根據(jù)情況看看表，并選擇適當(dāng)?shù)挠涗浿悼刂剖褂谩Ｔ诘诙N方法中，計(jì)算輸入值和輸出值。為了縮短設(shè)計(jì)時(shí)間，并加強(qiáng)實(shí)時(shí)的特點(diǎn)，我們選擇第一種方法。
主要的軟件流程圖如圖2所示。
總結(jié)
本文對(duì)基于模糊和PID的溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行了論述。本文提出了模糊PID的原則，基于這些原則，硬件結(jié)構(gòu)和軟件系統(tǒng)被設(shè)計(jì)出來(lái)。設(shè)計(jì)出來(lái)的溫度控制系統(tǒng)是智能的，它可以在較大的干擾情況下工作，克服了普通PID控制系統(tǒng)的缺點(diǎn)，并獲得完美的控制結(jié)果。
圖2 主要的軟件系統(tǒng)流程圖
參考文獻(xiàn)
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