模糊控制在智能溫度控制中的應(yīng)用.doc

論論文文題題目 模糊控制在智能溫度控制系目 模糊控制在智能溫度控制系統(tǒng)統(tǒng)中的中的應(yīng)應(yīng)用用 摘摘 要要 溫度系統(tǒng)慣性大 滯后現(xiàn)象嚴重 難以建立精確的數(shù)學(xué)模型 給控制過程帶 來很大難題 本文以電鍋爐為研究對象 研究一種最佳的控制方案 以達到系統(tǒng) 穩(wěn)定 調(diào)節(jié)時間短且超調(diào)量小的性能指標(biāo) 將模糊控制的智能性與 PID 控制的通 用性 可靠性相互結(jié)合 設(shè)計了一種參數(shù)自整定模糊 PID 控制器 采用模糊推理 的方法實現(xiàn) PID 參數(shù)的在線整定 經(jīng)仿真研究 參數(shù)自整定模糊 PID 控制效果達到了電鍋爐溫度控制系統(tǒng)的 性能指標(biāo) 是一種較為理想的智能性控制方案 在分析電鍋爐供暖系統(tǒng)對控制器要求的基礎(chǔ)上 研制了單片機為核心部件 的溫度智能控制器 實現(xiàn)了溫度的采集與控制 超限報警等各種功能 在進行硬 件電路設(shè)計的同時 也進行了相應(yīng)軟件設(shè)計 并將本文所提出的模糊 PID 算法引 入到軟件設(shè)計中 給出了主程序流程圖 模糊 PID 算法工作流程圖和溫度采集流 程圖等 關(guān)關(guān)鍵詞鍵詞 電鍋爐 溫度控制 模糊 PID 控制 控制算法 仿真 Fuzzy Control in Intelligent Temperature Control System ABSTRACT For the inertia and serious lag it is difficult to establish accurate mathematical model and control the process of temperature system This paper selects electric boiler as the research object in order to find an optimal control scheme to achieve system stability short settling time and small overshoot performance Integrate the intelligence of fuzzy control with the versatility and reliability of PID control on the basis of which I design a parameter self tuning fuzzy PID controller using fuzzy reasoning method to accomplish online tuning PID parameters Experimental results illustrate that the fuzzy PID parameters controller achieved the system performance index The method of fuzzy PID control is a ideal method In this thesis basing on the request of the electric boiler heating system to the controller a temperature controller of the electric boiler is designed in which the8051 is used Its performance include temperature gathering algorithm realization warning etc The hardware circuit is designed and the corresponding procedure flow chart is also designed such as main program flow chart fuzzy PID working flow chart and temperature collection flow chart Keywords Electric Boiler Temperature Control Fuzzy PID Control Simulation 目目 錄錄 1 緒論 1 1 1 選題的目的及意義 1 1 2 國內(nèi)外溫度控制研究現(xiàn)狀 1 2 系統(tǒng)模型及硬件電路設(shè)計 2 2 1 被控對象分析 2 2 2 電鍋爐溫度控制系統(tǒng)的模型 3 2 3 硬件設(shè)計 3 2 3 1 硬件設(shè)計概述 3 2 3 2 單片機的選擇 4 2 3 3 溫度傳感器 DS18B20 6 2 3 4 功率放大模塊 7 2 3 5 數(shù)據(jù)采集模塊 8 2 3 6 控制輸出模塊 11 2 3 7 鍵盤輸入模塊 11 2 3 8 報警顯示模塊 12 2 3 9 可控硅控制模塊 13 3 算法的實現(xiàn) 13 3 1 PID 控制研究 14 3 1 1 PID 算法的數(shù)字化 14 3 1 2 PID 參數(shù)的整定 15 3 2 模糊 PID 控制器的設(shè)計 15 3 2 1 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 16 3 2 2 PID 參數(shù)的自整定原則 16 3 2 3 模糊 PID 參數(shù)的模糊化 17 3 2 4 模糊 PID 模糊控制規(guī)則的建立 18 3 2 5 模糊決策及解模糊 19 4 仿真 20 4 1 常規(guī) PID 與模糊 PID 的仿真模塊 20 4 1 仿真結(jié)果分析 21 5 軟件設(shè)計 22 5 1 主程序流程圖 22 5 2 控制算法流程圖 23 6 抗干擾措施 23 7 結(jié)束語 24 致謝 24 參考文獻 25 附錄 1 模糊控制規(guī)則查看器 26 附錄 2 總電路圖 27 附錄 3 總程序清單 28 1 1 緒論緒論 1 1 選題選題的目的及意的目的及意義義 在工業(yè)生產(chǎn)過程中 控制對象各種各樣 溫度是生產(chǎn)過程和科學(xué)實驗中普遍 而且重要的物理參數(shù)之一 在生產(chǎn)過程中 為了高效地進行生產(chǎn) 必須對它的主 要參數(shù) 如溫度 壓力 流量等進行有效的控制 溫度控制在生產(chǎn)過程中占有相 當(dāng)大的比例 準確的測量和有效的控制溫度是優(yōu)質(zhì) 高產(chǎn) 低耗和安全生產(chǎn)的重 要條件其關(guān)鍵在于測溫和控溫兩方面 溫度測量是溫度控制的基礎(chǔ) 技術(shù)己經(jīng)比 較成熟 溫度控制一般指對某一特定空間的溫度進行控制調(diào)節(jié) 使其達到工藝過 程的要求 由于控制對象越來越復(fù)雜 在溫度控制方面 還存在著許多問題 如 何更好地提高控制性能 滿足不同系統(tǒng)的控制要求 是目前科學(xué)研究領(lǐng)域的一個 重要課題 電鍋爐溫度控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于冶金 化工等工業(yè)生產(chǎn)過程中 電鍋爐的溫 度是生產(chǎn)工藝的一項重要指標(biāo) 溫度控制是否精確直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量 本文主 要研究電鍋爐溫度控制的方法 電鍋爐是將電能轉(zhuǎn)換為熱能的能量轉(zhuǎn)換裝置 具 有結(jié)構(gòu)簡單 無污染 自動化程度高等特點 與傳統(tǒng)的以煤和石化產(chǎn)品為燃料的 鍋爐相比還具有基本投資少 占地面積小 操作方便 熱效率高 能量轉(zhuǎn)化率高 等優(yōu)點 近年來 電鍋爐已成為供熱采暖的主要設(shè)備 因此 對于具有非線性 大 滯后 大慣性的電鍋爐溫度控制系統(tǒng)研究一種最佳的電鍋爐溫度控制方法 對提 高系統(tǒng)的經(jīng)濟性 穩(wěn)定性具有重要的意義 1 2 國內(nèi)外溫度控制研究國內(nèi)外溫度控制研究現(xiàn)現(xiàn)狀狀 自 70 年代以來 由于工業(yè)過程控制的需要 特別是在微電子技術(shù)和計算機 技術(shù)的迅猛發(fā)展以及自動控制理論和設(shè)計方法發(fā)展的推動下 國外溫度控制系 統(tǒng)發(fā)展迅速 并在智能化 自適應(yīng) 參數(shù)自整定等方面取得成果 在這方面 以日 本 美國 德國 瑞典等國技術(shù)領(lǐng)先 都生產(chǎn)出了一批商品化的 性能優(yōu)異的溫度 控制器及儀器儀表 并在各行業(yè)廣泛應(yīng)用 它們主要具有如下的特點 1 適應(yīng)于大慣性 大滯后等復(fù)雜溫度控制系統(tǒng)的控制 2 能夠適應(yīng)于受控系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型難以建立的溫度控制系統(tǒng)的控制 3 能夠適應(yīng)于受控系統(tǒng)過程復(fù)雜 參數(shù)時變的溫度控制系統(tǒng)的控制 4 這些溫度控制系統(tǒng)普遍采用自適應(yīng)控制 自校正控制 模糊控制 人工智 能等理論及計算機技術(shù) 運用先進的算法 適應(yīng)的范圍廣泛 5 溫度控制系統(tǒng)具有控制精度高 抗干擾力強 魯棒性好的特點 目前 國 外溫度控制系統(tǒng)及儀表正朝著高精度 智能化 小型化等方面快速發(fā)展 2 溫度控制系統(tǒng)在國內(nèi)各行各業(yè)的應(yīng)用雖然已經(jīng)十分廣泛 但從國內(nèi)生產(chǎn)的 溫度控制器來講 總體發(fā)展水平仍然不高 同國外的日本 美國 德國等先進國 家相比仍然有著較大的差距 目前 我國在這方面總體技術(shù)水平處于 20 世紀 80 年代中后期水平 成熟產(chǎn)品主要以 點位 控制及常規(guī)的 PID 控制器為主 它 只能適應(yīng)一般溫度系統(tǒng)控制 難于控制滯后 復(fù)雜 時變溫度系統(tǒng)控制 而適應(yīng) 于較高控制場合的智能化 自適應(yīng)控制儀表 國內(nèi)技術(shù)還不十分成熟 形成商品 化并在儀表控制參數(shù)的自整定方面 國外已有較多的成熟產(chǎn)品 但由于國外技術(shù) 保密及我國開發(fā)工作的滯后 還沒有開發(fā)出性能可靠的自整定軟件 控制參數(shù)大 多靠人工經(jīng)驗及現(xiàn)場調(diào)試來確定 這些差距 是我們必須努力克服的 隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展及加入 WTO 我國政府及企業(yè)對此都非常重視 對相 關(guān)企業(yè)資源進行了重組 相繼建立了一些國家 企業(yè)的研發(fā)中心 并通過合資 技術(shù)合作等方式 組建了一批合資 合作及獨資企業(yè) 使我國溫度等儀表工業(yè)得 到迅速的發(fā)展 2 系系統(tǒng)統(tǒng)模型及硬件模型及硬件電電路路設(shè)計設(shè)計 2 1 被控被控對對象分析象分析 圖 1 被控對象模型 電鍋爐是將電能直接轉(zhuǎn)化為熱能的一種能量轉(zhuǎn)換裝置 其工作原理與傳統(tǒng) 意義上的鍋爐有相似之處 從結(jié)構(gòu)上看也有 鍋 和 爐 兩大部分 本文研究對象 為直熱式水鍋爐 采用電阻式加熱采用電阻式加熱 工作壓力為 0 4 Mpa 鍋爐內(nèi) 最高水溫 95 當(dāng)電鍋爐工作在 0 4Mpa 時 水的飽和溫度為 144 最高水溫 95 使鍋爐遠離了工作壓力下的飽和溫度及加熱元件表面的過度沸騰難以控制 安全閥 泄水閥 膨脹水管 必須與大氣相通 散熱片 排氣閥 電鍋爐 排污口供暖回水口 供暖出水口 3 的現(xiàn)象 同時 95 的水溫基本上不產(chǎn)生蒸汽 產(chǎn)品安裝示意圖如圖 1 所示 從電鍋爐的安裝示意圖可以看出 電鍋爐的熱水經(jīng)供暖出水口送至散熱片 通過散熱片向供熱區(qū)釋放熱量 可見供熱區(qū)的溫度是控制參數(shù) 操作量是電鍋爐 內(nèi)的熱水 通過調(diào)節(jié)閥的開度 保證供熱區(qū)的等溫特性 通過水位的判別 調(diào)節(jié)補 水閥的起 停 因此本文的研究目的是結(jié)合電鍋爐水溫上升的特點 對它的溫度 進行控制 達到調(diào)節(jié)時間短 超調(diào)量小且穩(wěn)定誤差小的技術(shù)要求 2 2 電鍋電鍋爐溫度控制系爐溫度控制系統(tǒng)統(tǒng)的模型的模型 本文研究對象為直熱式熱水鍋爐 由于電加熱裝置是一個具有自平衡能力 的對象 可用二階系統(tǒng)純滯后環(huán)節(jié)來描述 而二階系統(tǒng)通過參數(shù)辨識可以降為一 階模型 因而一般可用一階慣性滯后環(huán)節(jié)來描述溫控對象的數(shù)學(xué)模型 其傳遞函 數(shù)可用式 1 表示 1 1TS Ke SG s 式 1 中K 對象的靜態(tài)增益 T 對象的時間常數(shù) 對象的純滯后時間 對象中的特性參數(shù)對其輸出的影響 1 放大系數(shù)K 放大系數(shù)K也就是傳遞系數(shù) 它與被控量的變化過程無關(guān) 其 值表示輸入對輸出穩(wěn)態(tài)值的影響程度 K 值越大 表示被控對象的自平衡力小 K 值小 對象自平衡能力大 2 時間常數(shù)T T時間常數(shù)T的大小反映了對象受到階躍干擾后 被控量達到 新的穩(wěn)定值的快慢程度 即時間常數(shù)T是表示對象慣性大小的物理量 電鍋爐的溫度控制系統(tǒng)是常見的確定性系統(tǒng) 采用飛升曲線測量方法 測出 鍋爐溫控制系統(tǒng)的飛升曲線 即可得到控制對象的數(shù)學(xué)模型 其傳遞函數(shù)如式 2 所示 2 1120S 1 25e SG s 122 2 3 硬件硬件設(shè)計設(shè)計 2 3 1 硬件硬件設(shè)計設(shè)計概述概述 控制器的具體控制過程是 標(biāo)準的電流信號按一定的時序進行采樣后 送 進行 A D 轉(zhuǎn)換 將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量 并送入單片機 單片機按照其內(nèi)存的程 序 把輸入的數(shù)字量進行分析處理 并按模糊自整定的 PID 控制規(guī)律進行運算 4 該控制器采用 MCS 51 系列兼容的單片機 AT89C51 主要分 6 個功能模塊 89C51 單片機 溫度檢測模塊 觸發(fā)模塊 過零檢測模塊和顯示模塊及報警模塊 本文是通過單片機來控制鍋爐溫度 實現(xiàn)對鍋爐溫度的精確控制 使其溫 度誤差不超過 3 主要控制線路如下 計算機通過溫度傳感器定時的對爐溫進 行檢測 將得到的模擬信號采集后轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送入單片機 在按照預(yù)定的控 制規(guī)則判別和計算得到相應(yīng)的控制量 該控制信號經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換 調(diào)節(jié)電鍋爐的控 制電壓 使其控制在要求的溫度范圍內(nèi) 當(dāng)爐溫超過設(shè)定溫度上下限時 報警器 會發(fā)出報警信號 具體的硬件設(shè)計框圖如圖 2 所示 傳感器 圖 2 硬件電路設(shè)計總體框圖 2 3 2 單單片機的片機的選擇選擇 AT89C51 是美國 ATMEL 公司生產(chǎn)的一種帶 4K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只 讀存儲器的低電壓 高性能 CMOS8 位微處理器 俗稱單片機 AT89C51 是一種帶 2K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的單片機 單片機的可擦除只讀存儲器可 以反復(fù)擦除 100 次 該器件采用 ATMEL 高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造 與 工業(yè)標(biāo)準的 MCS 51 指令集和輸出管腳相兼容 片內(nèi)的 Flash ROM 允許在系統(tǒng) 內(nèi)改編程序或用非易失性存儲器編程器來編程 由于將多功能 8 位 CPU 和閃爍 存儲器組合在單個芯片中 ATMEL 的 AT89C51 是一種高效微控制器 AT89C51 單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案 因此本文選 用 AT89C51 作為核心芯片 這樣不僅提高了系統(tǒng)的總體性能 而且降低了成本 現(xiàn)對 AT89C51 做簡要介紹 1 89C51 的管腳圖如圖 3 所示 89C51 管腳介紹 單片機的 40 個引腳大致可分為 4 類 電源 時鐘 控制和 I O 引腳 1 電源 1 VCC 芯片電源 接 5V 鍵盤給定 數(shù)碼顯示 報警電路 單 片 機 D A 轉(zhuǎn)換 A D 轉(zhuǎn)換 光電耦合 數(shù)據(jù)采集功率放大 電鍋爐 可控硅驅(qū)動 5 圖 3 89C51 管腳圖 2 VSS 接地端 2 時鐘 XTAL1 XTAL2 晶體振蕩電路反相輸入端和輸出端 3 控制線 控制線共有 4 根 1 ALE PROG 地址鎖存允許 片內(nèi) EPROM 編程脈沖 ALE 功能 用來鎖存 P0 口送出的低 8 位地址 PROG 功能 片內(nèi)有 EPROM 的芯片 在 EPROM 編程期間 此引腳 輸入編程脈沖 2 PSEN 外 ROM 讀選通信號 3 ST VPD 復(fù)位 備用電源 RST Reset 功能 復(fù)位信號輸入端 VPD 功能 在 Vcc 掉電情況下 接備用電源 4 EA Vpp 內(nèi)外 ROM 選擇 片內(nèi) EPROM 編程電源 EA 功能 內(nèi)外 ROM 選擇端 Vpp 功能 片內(nèi)有 EPROM 的芯片 在 EPROM 編程期間 施加編程 電源 Vpp 4 I O 線 89C51 共有 4 個 8 位并行 I O 端口 P0 P1 P2 P3 口 共 32 個引腳 P3 口 還具有第二功能如表 1 所示 用于特殊信號輸入輸出和控制信號 屬控制總線 表 1 89C51P3 口第二功能 引腳第 2 功能 P3 0RXD 串行口輸入端 引腳第 2 功能 6 P3 1TXD 串行口輸出端 P3 2INT0 中斷 0 請求輸入端 低電平有效 P3 3INT1 中斷 1 請求輸入端 低電平有效 P3 4T0 定時器 計數(shù)器 0 計數(shù)脈沖端 P3 5T1 定時器 計數(shù)器 1 計數(shù)脈沖端 P3 6WR 數(shù)據(jù)存儲器寫選通信號輸出端 低電平有效 P3 7RD 數(shù)據(jù)存儲器讀選通信號輸出端 低電平有效 2 3 3 溫度溫度傳傳感器感器 DS18B20 目前測量溫度大都采用的是熱電式傳感器 熱電式傳感器是將溫度變化轉(zhuǎn) 換為熱量的裝置 它利用敏感元件的電磁參數(shù)隨溫度的變化而變化的特性來達 到測量目的 通常把被測溫度變化轉(zhuǎn)換為敏感元件的電阻變化 在經(jīng)過相應(yīng)的測 量電路輸出電壓或電流 然后由這些參數(shù)的變化來檢測對象的溫度變化 2 利用熱電偶作為敏感元件應(yīng)用十分廣泛 熱電式傳感器中將溫度量轉(zhuǎn)換為 電動勢大小的熱電式傳感器叫熱電偶 它是由兩種不同的導(dǎo)體 或半導(dǎo)體 A B 組 成的閉合回路 圖 4 熱電偶傳感器結(jié)構(gòu)圖 本設(shè)計選用的傳感器型號為 DS18B20 DS18B20 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由 4 部分 組成 64 位 ROM 溫度傳感器 非易失性溫度報警觸發(fā)器 TH 和 TL 配置寄存器 DS18B20 的封裝形式及引腳排列如圖 5 所示 其中 DQ 為數(shù)字信號輸入 輸 出端 GND 為電源地 VDD 為外接供電電源輸入端 采用寄生電源供電方式時接 地 DS18B20 中的溫度傳感器可完成對溫度的測量 并用 16 位符號擴展的二進 制補碼形式輸出溫度值 以 0 0625 LSB 形式表達 其中 S 為符號位 例如 125 的數(shù)字輸出為 07D0H 25 0625 的數(shù)字輸出為 0191H 25 0625 的數(shù)字 輸出為 FF6FH 55 的數(shù)字輸出為 FC90H 7 圖 5 DS18B20 的管腳圖 DS18B20 的性能特點 1 單線結(jié)構(gòu) 只需一根信號線和 CPU 相連 2 不需要外部元件 直接輸出串行數(shù)據(jù) 3 可不需要外部電源 直接通過信號線供電 電源電壓范圍為 3 3V 5V 4 測溫精度高 測溫范圍為 一 55 125 在 10 85 范圍內(nèi) 精 度為 0 5 5 測溫分辨率高 當(dāng)選用 12 位轉(zhuǎn)換位數(shù)時 溫度分辨率可達 0 0625 6 字量的轉(zhuǎn)換精度及轉(zhuǎn)換時間可通過簡單的編程來控制 9 位精度的轉(zhuǎn)換 時間為 93 75 ms 10 位精度的轉(zhuǎn)換時間 187 5ms 12 位精度的轉(zhuǎn)換時間 750ms 7 有非易失性上 下限報警設(shè)定的功能 用戶可方便地通過編程修改上 下 限的數(shù)值 8 可通過報警搜索命令識別哪片 DS18820 采集的溫度超越上 下限 只有當(dāng)熱電偶冷端溫度保持不變時 熱電偶才是被測溫度的單值函數(shù) 因此 要測得真實溫度就必須進行校正或采取補償措施 通常采用的補償方法為 熱電 勢補正法 溫度補正法 調(diào)整儀器起始點法 熱電偶補償法 電橋補償法 該設(shè)計 采用的是冷端溫度補償器 本設(shè)計選取的補償器型號為 AD590JH 溫度轉(zhuǎn)換器 它具有靈敏度高 體積 小 重量輕 熱慣性小 壽命長的優(yōu)點 應(yīng)用十分廣泛 它是一種三引腳器件 正 負電源端和電流輸出端 電壓輸入范圍 4 30V 溫度范圍 55 155 電 流輸出 1 A K AD590JH 在爐溫測量儀中測內(nèi)部工作溫度 可以把輸出電流轉(zhuǎn) 換為電壓值 使其正好補償冷端溫度變化引起熱電勢值的變化 2 3 4 功率放大模功率放大模塊塊 大部分傳感器產(chǎn)生的信號都比較微弱 需經(jīng)過放大才能滿足 A D 轉(zhuǎn)換其輸 入信號的幅度要求 要完成這類信號的放大器 必須用低噪聲 低漂移 高增益 高輸入阻抗和高共模抑制比的直流放大器 這類放大器常用的有測量放大器 可 8 編程放大器和隔離放大器 目前有許多繼承測量放大芯片可供選擇 如 AD521 AD522 INA101 等 本文選用測量放大器芯片 INA101 由于 INA101 采用單芯片結(jié)構(gòu) 而且關(guān)鍵部位均采用激光微調(diào)技術(shù) 所以該 芯片具有較高的性價比 其主要性能指標(biāo)為 漂移電壓 0 25 V 偏移電壓 25 V 線性度 0 002 共模抑制比 106dB 其輸入阻抗 電源 20V 輸入電壓 范圍 20V 2 2 4 8 6 1 4 7 INA 101M J 1uA RG U 1 U 2 Rw1 POT 2 VCC 1uF U 0 VCC 圖 6 功率放大模塊 圖 6 所示為 INA101M 的一種簡單接法 其增益用外接電阻調(diào)節(jié) 增益 G R 的基準值和電阻的溫度系數(shù)直接影響增益精度和飄移 因 G RKG 401 G R 此應(yīng)選用精密電阻 G R 2 3 5 數(shù)據(jù)采集模數(shù)據(jù)采集模塊塊 該模塊完成控制所需要的數(shù)據(jù)及其模數(shù)轉(zhuǎn)換 采用的主要芯片是 LF398 和 ADC0809 圖 7 ADC0809 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 9 ADC0809 內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 7 所示 各管腳功能如下 D7 D0 8 位數(shù)字量輸出引腳 IN0 IN7 8 位模擬量輸入引腳 REF 參考電壓正端 REF 參考電壓負端 START A D 轉(zhuǎn)換啟動信號輸入端 ALE 地址鎖存允許信號輸入端 以上兩種信號用于啟動 A D 轉(zhuǎn)換 EOC 轉(zhuǎn)換結(jié)束信號輸出引腳 開始轉(zhuǎn)換時為低電平 當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束時為高電 平 OE 輸出允許控制端 用以打開三態(tài)數(shù)據(jù)輸出鎖存器 CLK 時鐘信號輸入端 一般為 500KHz A B C 地址輸入線 ADC0809 是逐次逼近 A D 轉(zhuǎn)換器 是一種非常典型的單片 CMOS 器件 由 圖 7 可看出它包括 8 位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器 8 通道多路轉(zhuǎn)換器與微處理器兼容的控制 邏輯 工作時鐘典型值為 640KHZ 轉(zhuǎn)換速度約為 100us 具有三態(tài)數(shù)據(jù)輸出 其 8 位數(shù)據(jù)線直接與 CPU 數(shù)據(jù)總線相連 START 和 ALE 由 AT89C51 的寫數(shù)據(jù)信 號 WR 和 138 輸出選通共同驅(qū)動 在鎖存通道地址的同時啟動 A D 轉(zhuǎn)換 口地 址為 0XA00 ADC0809 的轉(zhuǎn)換時鐘通過單片機的 ALE 端輸出的振蕩頻率經(jīng)二 分頻后得到 轉(zhuǎn)換結(jié)束信號 EOC 以外部中斷方式通知 CPU 轉(zhuǎn)換結(jié)束 單片機響 應(yīng)中斷后 執(zhí)行中斷服務(wù)程序 ALE 為地址鎖存允許輸入線 高電平有效 當(dāng) ALE 線為高電平時 地址鎖 存與譯碼器將 A B C 三條地址線的地址信號進行鎖存 經(jīng)譯碼后被選中的通道 的模擬量進轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換 A B 和 C 為地址輸入線 用于選通 IN0 IN7 上的 一路模擬量輸入 通道選擇如下表所示 表 2 ADC0809 通道選擇表 CBA選擇的通道 000IN0 001IN1 010IN2 011IN3 100IN4 101IN5 110IN6 111IN7 10 圖 8 LF398 管腳及內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 LF398 是一種反饋型采樣 保持器 是由場效應(yīng)管構(gòu)成 具有采樣速率高 保持電壓下降慢和精度高等優(yōu)點 如圖 8 所示 LF398 由輸入緩沖極 輸出驅(qū)動極 和控制電路三部分組成 控制電路中 A3 主要起到比較器的作用 其中引腳 7 為 參考電壓 當(dāng)輸入控制邏輯電平高于參考端電壓時 輸出一個低電平信號驅(qū)動開 關(guān) K 閉合 此時輸入信號經(jīng) A1 后跟隨輸出到 A2 再由 A2 的輸出端跟隨輸出 同時向保持電容 接引腳 6 充電 而當(dāng)控制邏輯電平低于參考電壓時 輸出一個 高電平信號使開關(guān)斷開 以達到非采樣時間內(nèi)保持器仍保持原來輸入的目的 因 此 A1 A2 是跟隨器 其主要作用是對保持電容輸入和輸出端進行阻抗變換 以 提高采樣 保持器的性能 圖 9 為數(shù)據(jù)采集及 A D 轉(zhuǎn)換模塊 RESE T V pd 9 P10 T 1 P11 T 2 P12 3 P13 4 P14 5 P15 6 P16 7 P17 8 P00 39 P01 38 P02 37 P03 36 P04 35 P05 34 P06 33 P07 32 P27 28 P26 27 P25 26 P24 25 P23 24 P22 23 P21 22 P20 21 PSE N 29 A LE P 30 T XD P31 11 RXD P30 10 E A V pp 31 X 1 18 X 2 19 RD P37 17 WR P36 16 INT 0 P32 12 INT 1 P33 13 T 0 P34 14 T 1 P35 15 V ss 20 V cc 40 8051 A DD A A DD B A DD C D 0 D 1 D 2 D 3 D 4 D 5 D 6 D 7 STA RT A LE O E CLO CK E OC IN 7 IN 6 IN 5 V RE F V RE F IN 0 IN 1 IN 2 IN 3 IN 4 A DC0809 74L S02 74L S02 3 75L S04 R S ID CI V CC V IN V V 0 Ref Ch CON L F389 24k 1K 12V 12V 12V 1u 1k 1 2 15V 5V 圖 9 數(shù)據(jù)采集及 A D 轉(zhuǎn)換模塊 11 2 3 6 控制控制輸輸出模出模塊塊 控制輸出模塊主要包括 D A 轉(zhuǎn)換和光電耦合模塊 主要由芯片 DAC0832 運算放大器和光耦實現(xiàn) 具體設(shè)計如圖 10 所示 DAC0832 具有 8 位的分辨率 與微處理器完全兼容 而且價格低廉 接口簡 單 轉(zhuǎn)換控制容易 它采用 R 2R 反 T 型網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換原理 能完成數(shù)字量輸入到模 擬量輸出的轉(zhuǎn)換 其偏移量誤差可以通過 DAC 的外接 VREF 和電位計加以調(diào)整 輸出是與數(shù)字量成正比的模擬電流 外接運放可得到模擬輸出電壓 DAC0832 使用 ILE 和控制寄存器的數(shù)據(jù)寫入 使用 和CS1WR2WRXEFR 控制鎖存器的數(shù)據(jù)到 DAC 寄存器傳送 一旦數(shù)據(jù)送入 DAC 寄存器 將立刻開 始 D A 轉(zhuǎn)換 響應(yīng)的模擬輸出將在轉(zhuǎn)換結(jié)束后出現(xiàn)在輸出端 它有兩項鎖存功能 便于實現(xiàn)多通道 D A 的同步轉(zhuǎn)換輸出 這時應(yīng)將所有的 DAC 數(shù)據(jù)傳送端連接到 一起 它的內(nèi)部無參考電壓源 必須外接參考電壓源 D I0 D I1 D I2 D I3 D I4 D I5 D I6 D I7 WR1X EFR Iout1 Iout2 Rfb V RE F IL E WR2 CS D AC0832 1K 100 47K 10K 10K 10K U A741 U A741 100u 100u 5V 12V 12V 12V 12V 12V 12V 12V 12V WR P0 3 P1 0 圖 10 控制輸出模塊 光電耦合器是以光為媒介傳輸電信號的一種電 光 電轉(zhuǎn)換器件 它由發(fā)光源 和受光器兩部分組成把發(fā)光源和受光器組裝在同一密閉的殼體內(nèi) 彼此間用透 明絕緣體隔離 發(fā)光源的引腳為輸入端 受光器的引腳為輸出端 光耦的作用主 要是起到與輸出隔離 抗干擾 本控制器中采用的是 4N33 2 3 7 鍵盤輸鍵盤輸入模入模塊塊 鍵盤是一組按鍵的集合 它是最常用的單片機輸入設(shè)備 操作人員可以鍵盤 輸入數(shù)據(jù)或命令 實現(xiàn)簡單的人機通信 輸入用按鍵來實現(xiàn) 完成系統(tǒng)復(fù)位 啟 停 定值輸入等 如圖 11 為行列式鍵盤 共有 16 個按鍵 分別為數(shù)字鍵 0 9 和 A 設(shè)置 B 爐溫顯示或設(shè)定 C 停止 D 運行 E 空鍵 F 空鍵 按鍵一 端接地一端經(jīng)上拉電阻接 5V 電源 通過 74LS273 將按鍵值鎖存 P0 口讀入 當(dāng) 有鍵按下的時候輸入為低電平 無鍵按下為高電平 其原理圖見圖 11 所示 12 1 0 234 F 678 C 9AB 5 DE 10K10K10K10K CLR CLK D 7 D 6 D 5 D 4 D 3 D 2 D 1 D 0Q 0 Q 7 Q 6 Q 5 Q 4 Q 3 Q 2 Q 1 74LS273 P2 3 P2 4 P2 5 P2 6 P2 3 P2 2 P2 1 P2 0 V CC WR P3 0 圖 11 鍵盤輸入原理圖 P2 4 P2 7 口為輸入端 接鍵盤列線 P2 0 P2 3 經(jīng) 74LS273 接鍵盤行線 輸出 控制信號由 P3 0 和合成 當(dāng)兩者同時為低電平時 或非門輸出為高電平 將WR P2 口輸出的掃描碼鎖存到 74LS273 P2 4 P2 7 讀到的鍵盤列線狀態(tài) 當(dāng)讀到的 值不是 1113 時表示有鍵按下 然后逐行掃描確定按鍵位置 2 3 8 報報警警顯顯示模示模塊塊 三個發(fā)光二極管紅 黃 綠 分別用于指示系統(tǒng)的通電 報警和正常工作狀 態(tài) 單片機的 P0 口通過非門驅(qū)動發(fā)光二極管 陽極經(jīng)過上拉電阻接 5V 電源 蜂 鳴器則通過三極管和 12V 的電壓驅(qū)動 原理圖如圖 12 所示 A 1 B 2 Q 0 3 Q 1 4 Q 2 5 Q 3 6 Q 4 10 Q 5 11 Q 6 12 Q 7 13 CLK 8 M R 9 V CC 14 G ND 7 74LS164 A 1 B 2 Q 0 3 Q 1 4 Q 2 5 Q 3 6 Q 4 10 Q 5 11 Q 6 12 Q 7 13 CLK 8 M R 9 V CC 14 G ND 7 74LS164 A 1 B 2 Q 0 3 Q 1 4 Q 2 5 Q 3 6 Q 4 10 Q 5 11 Q 6 12 Q 7 13 CLK 8 M R 9 V CC 14 G ND 7 74LS164 A 1 B 2 Q 0 3 Q 1 4 Q 2 5 Q 3 6 Q 4 10 Q 5 11 Q 6 12 Q 7 13 CLK 8 M R 9 V CC 14 G ND 7 74LS164 a bf c g d e D PY1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp 9 9 L 1 a bf c g d e D PY1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp 9 9 L 2 a bf c g d e D PY1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp 9 9 L 3 a bf c g d e D PY1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp 9 9 L 4 V CC P3 0 P3 1 13 圖 12 顯示及報警原理圖 N PN SPE A KE R 3 3 3 3 1K 1K 1K 10K 5V 12V P0 1 P0 2 P0 3 P0 1 圖 12 顯示及報警原理圖 2 3 9 可控硅控制可控硅控制模模塊塊 控制電阻爐的溫度 只需控制電阻爐電流的大小而不必考慮電流方向 控溫 采用可控硅電路 它的任務(wù)是通過調(diào)壓來實現(xiàn)交流調(diào)功 通常 用可控硅實現(xiàn)交 流調(diào)壓的方式有兩種 一是改變負載電壓波形的導(dǎo)通角 稱為調(diào)相 另一個是負 載電壓波形不變而改變其電壓波形在時間段內(nèi)的出現(xiàn)次數(shù) 稱為脈沖調(diào)功 就觸 發(fā)方式而言 調(diào)相調(diào)功采用移相觸發(fā) 脈沖調(diào)功采用過零觸發(fā) 過零觸發(fā)就是指 當(dāng)可控硅的門級接收到有效控制信號后 可控硅總是在交流電源為零電壓附近 導(dǎo)通 這種觸發(fā)方式不對電網(wǎng)造成嚴重污染和干擾其它用電設(shè)備 是應(yīng)用較為廣 泛的一種方法 經(jīng)光耦合器輸出的脈沖信號可作為作為可控硅的控制信號 在控制脈沖的 高電平期間 可控硅接通電阻爐電源 電阻爐加熱 在控制脈沖的低電平期問 可 控硅斷開電阻爐電源 通過調(diào)節(jié) PWM 的占空比 可以調(diào)節(jié)控制脈沖的高電平持 續(xù)時間 即調(diào)節(jié)脈沖周期內(nèi)電阻爐上的交流電壓周波的個數(shù) 從而調(diào)節(jié)電阻爐在 一個脈沖周期內(nèi)的電壓的平均值 達到調(diào)溫的目的 3 3 算法的算法的實現(xiàn)實現(xiàn) 通過對電鍋爐的結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)研究確定出可采用的研究方案 首先可采用的 控制方案是 PID 控制 它是經(jīng)典控制理論中最典型的控制方法 對工業(yè)生產(chǎn)過程 的線性定常系統(tǒng) 大多采用經(jīng)典控制方法 它結(jié)構(gòu)簡單 可靠性強 容易實現(xiàn) 并 且可以消除穩(wěn)定誤差 在大多數(shù)情況下能夠滿足性能要求 第二個可采用方案是模糊控制 由于它是以先驗知識和專家經(jīng)驗為控制規(guī) 則的智能控制技術(shù) 可以模擬人的推理和決策過程 因此無須知道被控對象的數(shù) 14 圖 13 PID 控制方案 r t e t u t PID 被控對象 c t 學(xué)模型就可以實現(xiàn)較好的控制 且響應(yīng)時間短 可以保持較小的超調(diào)量 在過去的幾十年里 PID 控制器在工業(yè)控制中得到了廣泛的應(yīng)用 在控制理 論和技術(shù)飛速發(fā)展的今天 工業(yè)控制中 95 以上的控制回路的采用具有 PID 結(jié) 構(gòu)的控制器 3 1 1 PID 算法的數(shù)字化算法的數(shù)字化 在模擬系統(tǒng)中 典型的 PID 控制方案如圖 13 所示 調(diào)節(jié)器的輸出模型表達式如式 1 所示 1 t Dt I p dt tde Tdte T tK 0 1 etP P t 為調(diào)節(jié)器的的輸出信號 e t 為調(diào)節(jié)器的偏差信號 它等于測量值與給定 值之差 為調(diào)解器的比例系數(shù) 為調(diào)節(jié)器的積分時間 為調(diào)解器的微分時 p K I T D T 間 3 PID 控制規(guī)律在計算機中的實現(xiàn) 也是用數(shù)值逼近的方法 當(dāng)采樣周期 T 足 夠短時 用求和代替積分 用差商代替微商 使 PID 算法離散化 即可作如下近 似變換 T keke t keke dt tde jeTdtjedtte t n j n j 1 1 0 00 將上述兩式代入式 2 則可得離散的 PID 表達式 如式 3 所示 2 或者 3 1 keke 0 kP d K k j je i KkeK p k j D I p kekeTje T T teKkP 0 1 15 其中為積分系數(shù) i K I pi T T KK 為微分系數(shù) 4 d K Dpd KKK 3 1 2 PID 參數(shù)的整定參數(shù)的整定 PID 參數(shù)的整定方法有很多種 例如 Ziegler Nichols 齊格勒一尼柯爾斯 參 數(shù)整定法 Chien Hrones CHR 參數(shù)整定法及人工整定法等等 本文采用齊格勒 一尼柯爾斯整定法 它是在實驗階躍響應(yīng)的基礎(chǔ)上 或者是在僅采用比例控制作用的條件下 根 據(jù)臨界穩(wěn)定性中的 Kp 值建立起來的 當(dāng)被控對象的傳遞函數(shù)可以近似為帶延遲 的一階系統(tǒng) 5 1TS Ke SG s 表 3 給出了齊格勒一尼柯爾斯確定各參數(shù)值的方法 表 3 參數(shù)值的確定 控制器類型 p K i T d T PT 0 PI0 9T 0 30 PID1 2T 2 0 5 由電鍋爐的溫度控制傳遞函數(shù)得 K 1 25 T 120s 122s 由齊格勒一尼柯爾斯參數(shù)整定表可得出 2 244s 0 5 61s i T d T 根據(jù)齊格勒一尼柯爾斯參數(shù)整定法則得出 PID 三個參數(shù)為 998 7161803 1 00484 0 244 1803 1 1803 1 122 1202 1 T2 1 dpd i p i p TKK T K K K 3 2 模糊模糊 PID 控制器的控制器的設(shè)計設(shè)計 由 PID 控制的仿真結(jié)果分析可以看出 純 PID 控制對有較大的超量和過渡 時間 而純模糊控制當(dāng)以偏差和偏差的變化率作為輸入時 相當(dāng)于 PD 控制方式 這類控制器具有良好動態(tài)特性 但靜態(tài)特性不理想 存在靜差 電鍋爐控制系統(tǒng) 16 的主要目的是控制電鍋爐的溫度恒定 加熱爐的溫度與煤氣 空氣的供給量 工件 溫度 環(huán)境溫度等因素有關(guān) 溫度控制系統(tǒng)具有強時滯 非線性的特點 因此采用 常規(guī) PID 控制無法達到滿意的控制效果 為了解決這一難點 本系統(tǒng)將模糊控制 算法和 PID 的實用性相結(jié)合 研究出一種參數(shù)模糊自整定 PID 控制系統(tǒng) 以此減 少超調(diào)量 調(diào)節(jié)時間和系統(tǒng)的振蕩性 提高溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)的整體控制性能 10 3 2 1 控制系控制系統(tǒng)統(tǒng)的的結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu) 參數(shù)模糊自整定 PID 控制系統(tǒng)能在控制過程中對不確定的條件 參數(shù) 延遲 和干擾等因素進行檢測分析 采用模糊推理的方法實現(xiàn) PID 的三個參數(shù)的在線 整定 這種控制方法不僅保持了常規(guī) PID 控制系統(tǒng)的原理簡單 使用方便 魯棒 性強等特點 而且具有更大的靈活性 適用性 精確性等特性 典型的模糊自整定 PID 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖 14 所示 系統(tǒng)包括一個常規(guī) PID 控制器和一個模糊控制器 偏差和偏差的變化率作為模糊系統(tǒng)的輸入 三個 PID 參數(shù)的變化值作為輸出 根據(jù)事先確定好打模糊控制規(guī)則做出模糊推理在線 改變 PID 參數(shù)的值 從而實現(xiàn) PID 參數(shù)的自整定 使得被控對象有良好的動 靜 態(tài)性能 而且計算量小 易于用單片機實現(xiàn) PID 控制 器 PID2 被控對象 t d e d r e y Kp 模糊推理 KdKi 圖 14 參數(shù)自整定模糊 PID 控制器設(shè)計圖 3 2 2 PID 參數(shù)的自整定原參數(shù)的自整定原則則 PID 參數(shù)自整定的實現(xiàn)思想是先找出三個參數(shù)與偏差 e 和偏差變化率 ec 之 間的模糊關(guān)系 在運行中通過不斷檢測 e 和 ec 再根據(jù)模糊控制原理對 3 個參數(shù) 進行在線修改 以滿足不同 e 和 ec 時對 PID 控制器參數(shù)的不同要求 圖 15 為電 鍋爐系統(tǒng)輸出響應(yīng)曲線 17 圖 15 電鍋爐系統(tǒng)輸出相應(yīng)曲線 一般情況下 在不同的偏差 e 和偏差變化率 ec 下 被控對象對 PID 控制器 3 個參數(shù) kp ki kd 的自整定要求歸納如下 1 當(dāng) e 較大時 即系統(tǒng)響應(yīng)處于圖 4 曲線的 1 區(qū) 系統(tǒng)響應(yīng)速度慢 跟蹤性能 差 為使系統(tǒng)具有較快的響應(yīng)速度和快速跟蹤性能 同時為避免因系統(tǒng)響應(yīng)出現(xiàn) 較大的超調(diào)可能引起微分過飽和 使控制作用超出允許的設(shè)定范圍 模糊 PID 控制 器 3 個參數(shù) kp ki kd 取值應(yīng)滿足 kp 取較大的值 kd 較小的值 為抑制可能出現(xiàn) 的過飽和 應(yīng)對積分 ki 加以限制 ki 0 2 當(dāng) e 和 ec 為中等大小時 即系統(tǒng)響應(yīng)處于圖 4 曲線的 2 區(qū) 系統(tǒng)響應(yīng)速度 較快 但會導(dǎo)致系統(tǒng)較大超調(diào)量 為抑制系統(tǒng)超調(diào)的超調(diào)量 使其在允許的范圍內(nèi) 波動 并快速的進入穩(wěn)態(tài) 模糊 PID 控制器 3 個參數(shù) kp ki kd 取值應(yīng)滿足 kp 取 較小的值 適當(dāng)?shù)?ki 和 kd 同時保證系統(tǒng)有較快的響應(yīng)速度 kd 的取值應(yīng)尤為關(guān) 注 3 當(dāng) e 較小時 既系統(tǒng)響應(yīng)處于圖 4 曲線的 3 區(qū) 系統(tǒng)響應(yīng)穩(wěn)態(tài)性能差 為了 使系統(tǒng)響應(yīng)具有良好的靜態(tài)性能 模糊 PID 控制器 3 個參數(shù) kp ki kd 取值應(yīng)滿 足 kp 和 ki 應(yīng)取較大的值 同時為抑制控制系統(tǒng)在設(shè)定值附近出現(xiàn)震蕩 并考慮系 統(tǒng)的抗干擾性能 當(dāng) ec 的值較小時 kd 通常取值為中等大小 當(dāng) ec 的值較大時 kd 的值可以取小一些 另外根據(jù)專家的控制經(jīng)驗知道 不確定系統(tǒng)在常規(guī)控制作用下 誤差 e 和誤 差變化率 ec 越大 系統(tǒng)中不確定量就越大 相反 誤差 e 和誤差變化率 ec 越小 系統(tǒng)中不確定量就越小 利用這種 e 和 ec 對系統(tǒng)不確定量的估計 就可實現(xiàn)對 PID 三參數(shù) kp ki kd 的調(diào)整估計 3 2 3 模糊模糊 PID 參數(shù)的模糊化參數(shù)的模糊化 根據(jù)要求 模糊控制器采用二輸入 三輸出的形式 以溫度偏差 e 和偏差變 化率 ec 為輸入 以 PID 參數(shù)的調(diào)節(jié)量 kp ki kd 作為輸出 按設(shè)計要求取輸 入輸出變量的模糊子集為 負大 負中 負小 零 正小 正中 正大 并簡記為 NB NM NS ZO PS PM PB 溫度偏差 e 溫度偏差的變化率 ec 和控制器輸 出 kp ki kd 的模糊論域均為 3 2 1 0 1 2 3 模糊子集都為 NB NM NS 18 ZO PS PM PB 七個模糊值 該模糊控制器輸入輸出的隸屬函數(shù)均選靈敏度高及在論域范圍內(nèi)均勻分布 的等距離三角函數(shù) 隸屬函數(shù)曲線如圖 16 圖 17 所示 表 4 表 5 為其隸屬度值 圖 16 偏差 E 及偏差變化率 EC 的隸屬函數(shù)圖 圖 17 kp ki kd 隸屬函數(shù)圖 表4 偏差和偏差變化率的隸屬度值EEC E EC 3 2 10123 PB00000 30 71 0 PM0000 30 71 00 3 PS000 30 71 00 70 3 ZO00 30 71 00 70 30 NS0 30 71 00 70 300 NM0 71 00 70000 NB1 00 70 30000 表 5 kp ki kd 的隸屬度值 Kp Ki Kd 0 3 0 2 0 100 10 20 3 PB00000 30 71 0 PM0000 30 71 00 3 PS000 30 71 00 70 3 ZO00 30 71 00 70 30 NS0 30 71 00 70 300 NM0 71 00 70000 NB1 00 70 30000 19 3 2 4 模糊模糊 PID 模糊控制模糊控制規(guī)則規(guī)則的建立的建立 模糊 PID 控制器主要工作在過渡過程 因此希望能加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度 模 糊 PID 控制器器的控制規(guī)則是在技術(shù)人員經(jīng)驗的基礎(chǔ)上 建立合適的模糊控制規(guī) 則表 得到對 kp ki kd 等 3 個參數(shù)分別對應(yīng)的自整定的模糊規(guī)則表 后附其 控制規(guī)則查看器圖 選擇模糊控制規(guī)則是模糊控制器的關(guān)鍵問題 根據(jù)圖 14 及溫控系統(tǒng)參數(shù)整 定原則可知 此模糊控制器是以 e ec 為輸入 以 PID 參數(shù)調(diào)節(jié)量 kp ki kd 作為輸出的二輸入三輸出模糊控制器 形成控制規(guī)則 歸納如下相應(yīng)的參數(shù)調(diào)節(jié) 規(guī)則 其模糊控制表分別如表 所示 表 6 kp 的控制規(guī)則表 PBPMPSZONSNMNB PBNBNBNMNMNMZOZO PBPMPSZONSNMNB PSNMNMNSNSZOPSPS ZONMNMNSZOPSPMPM NSNSNSZOPSPMPMPM NMNSZOPSPSPMPBPB NBZOZOPSPMPMPBPB 表 ki 的控制規(guī)則表 PBPMPSZONSNMNB PBPBPBPMPMPSZOZO PMPBPBPMPSPSZOZO PSPBPMPSPSZONSNM ZOPMPMPSZONSNMNM NSPSPSZONSNSNMNB NMZOZONSNSNMNBNB NBZOZONSNMNMNBNB 表 kd 的控制規(guī)則表 PBPMPSZONSNMNB PBPBPSPSPMPMPMPB PMPBPSPSPSPSZOPB PSZOZOZOZOZOZOZO E EC kp E EC ki E EC kd E C E e k e k 1 kd EC 20 ZOZONSNSNSNSNSZO NSZONSNSNMNMNSZO NMZONSNMNMNBNSPS NBPSNMNBNBNBNSNS 3 2 5 模糊決策及解模糊模糊決策及解模糊 模糊決策一般采用 Mamdani s min max 決策法 反模糊化 也就是模糊量的精確化 可以采用很多方法 其中較常用的三種 是最大隸屬度法 中位數(shù)法和重心法 重心法也稱力矩法 加權(quán)平均法 它對模 糊推理結(jié)果的所有元素求取重心元素 這個重心元素就作為反模糊化之后得到 的精確值 系統(tǒng)用重心法計算公式如 6 式所示 6 TkeKkeTKkeKku d k j ip 1 式中 u k 為 k 采樣周期時的輸出 e k 為 k 采樣周期時的偏差 T 為采樣周 期模糊 PID 控制器調(diào)整 PID 參數(shù)計算為 ppp KKK iii KKK ddd KKK 其中 為初始設(shè)定的 PID 參數(shù) 為模糊控制器 p K i K d K p K i K d K 的 3 個輸出 可以根據(jù)被控對象的狀態(tài)自動調(diào)整 PID 的 3 個控制參數(shù)的值 重心法比較全面的反應(yīng)了各個控制信息 它的缺點是運算量較大 不過在實 際的控制過程中 輸出論域的元素一般不會太多 再次 清晰化方法選擇重心法 此設(shè)計的模糊控制輸入輸出曲面如圖所示 a b 21 c 圖 18 模糊 PID 控制器輸入輸出曲面圖 4 仿真仿真 4 1 常常規(guī)規(guī) PID 與模糊與模糊 PID 的仿真模的仿真模塊塊 在 MATLAB 命令窗口中鍵入 Simulink 在 Simulink 環(huán)境下 建立如圖 19 所 示相應(yīng)的模糊 P ID 控制器和如圖 20 所示的模糊 PID 控制器的仿真模型 首先 對 PID 參數(shù)進行整定 整定方法用齊格勒一尼柯爾斯參數(shù)整定法 整定后 取常規(guī) PID 參數(shù) Kp 1 1803 Ki 0 00484 Kd 71 998 取誤差 E 的量化因子 Ke 6 誤 差變化率 EC 的量化因子 K