基于模糊控制的無線溫度控制系統(tǒng)設(shè)計

1、基于模糊控制的無線溫控系統(tǒng)設(shè)計宗曉萍1，李燕2，劉巍1(1. 河北大學(xué)電子信息工程學(xué)院 河北保定 071002； 2. 河北機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 河北邢臺 054000)摘要：介紹了一種利用模糊控制器實現(xiàn)無線溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計方案。此方案以工業(yè)用電阻爐為控制對象，下位機(jī)將PT100測量溫度反饋量無線傳送給上位機(jī)，上位機(jī)采用模糊控制算法，將控制輸出量以無線通信的方式傳送給下位機(jī)，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。其中執(zhí)行機(jī)構(gòu)以PWM輸出方式對電阻爐溫度進(jìn)行控制。關(guān)鍵詞：模糊控制；PT100測溫；無線通訊；PWM中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：AThe Design for Wireless temperatur

2、e control system Based on Fuzzy ControlXiao-Ping Zong Yan Li Wei Liu （1. College of Electronic and Informational Engineering , Hebei University, BaoDing 071002 ;2. Hebei Institute of Electrical and Mechanical Technology, Hebei XingTai 054000)Abstract: Wireless temperature control system is designed

3、based on Fuzzy control in this paper. The closed-loop system is composed of slave machines and master machines. PT100 thermal resistances sensors is used for detecting the temperature in the slave machines and fuzzy control logic is used for controlling temperature in the master machines. The commun

4、ication between slave machines and master machines is implemented by wireless modules. Key words: Fuzzy control; PT100; Wireless communication; PWM 1 引言 溫度控制廣泛用于生產(chǎn)生活當(dāng)中，在糧食儲存，數(shù)字農(nóng)業(yè)，醫(yī)療監(jiān)控等行業(yè)尤其重要。隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展,被控對象和生產(chǎn)過程日益復(fù)雜,系統(tǒng)的非線性、時滯性和環(huán)境的不穩(wěn)定性導(dǎo)致難以建立精確的數(shù)學(xué)模型,這使傳統(tǒng)控制技術(shù)受到了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。模糊控制技術(shù)的控制算法由控制規(guī)則和推理機(jī)構(gòu)組成,能方便地描述控制操作

5、人員的控制經(jīng)驗,不需要被控對象的數(shù)學(xué)模型,便可達(dá)到較好的控制效果,非常適用于溫度控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)以模糊控制器作為基礎(chǔ)，由單片機(jī)配合Pt100鉑電阻兩線制測量電路和無線通信模塊nRF24L01，構(gòu)建了一個簡單可行的無線溫度控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)有控制精度高，成本低，功耗低，無需布線和搭建網(wǎng)絡(luò)等優(yōu)點，在以電阻爐為控制對象的控制系統(tǒng)中，達(dá)到了滿意的控制效果。2 系統(tǒng)整體設(shè)計方案系統(tǒng)由一個上位機(jī)和一個下位機(jī)構(gòu)成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，下位機(jī)采集溫度數(shù)據(jù)并通過nRF24L01無線模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送給主機(jī)，上位機(jī)通過USB接口將數(shù)據(jù)傳送給PC機(jī)，由LabWindows/CVI設(shè)計模糊控制器計算輸出控制量。 Pt100

6、測量電路NRF2401無線模塊PWM輸出C805f330單片機(jī)CY7C68013單片機(jī)NRF2401無線模塊PC機(jī)模糊控制器(a)下位機(jī)(b)上位機(jī)圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成廣義對象3 下位機(jī)系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計下位機(jī)硬件系統(tǒng)由C8051f330單片機(jī)，傳感器測量電路，PWM輸出模塊和無線模塊構(gòu)成。如圖2所示，傳感器測量電路由pt100兩線制測量電路構(gòu)成，根據(jù)鉑電阻阻值會隨著溫度的變化而改變的規(guī)律，在前置放大電路中采用電橋法將阻值變化轉(zhuǎn)換為電壓變化，產(chǎn)生隨溫度變化的模擬電壓信號，經(jīng)過C8051f330的內(nèi)部AD轉(zhuǎn)換器將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，再根據(jù)前置電壓放大倍數(shù)和鉑電阻非線性計算公式推出當(dāng)前溫度值。PW

7、M輸出模塊由光電耦合器和繼電器構(gòu)成，由C8051f330單片機(jī)控制PWM輸出，正脈沖寬度由上位機(jī)模糊控制器計算后提供。PWM脈沖經(jīng)過光電耦合器后控制220V繼電器開關(guān)，可直接作用于執(zhí)行機(jī)構(gòu)。圖2 下位機(jī)測量電路下位機(jī)軟件設(shè)計主要完成Pt100溫度計算和PWM脈寬調(diào)制。其中PWM脈寬調(diào)制采用C51語言，在keil4編譯器上調(diào)試編譯通過。void PCA_ISR (void) interrupt 11 unsigned char a ; bitPWM_PAC; CF = 0; if(PWM_PAC=0)/占空比由00xfePCA0CPH0=a; a+; if(a=0xfe)PWM_PAC=1;el

8、se/占空比由0xfe0PCA0CPH0=a; a-; if(a=0)PWM_PAC=0;無線通信模塊由全雙工的nRF24L01構(gòu)成，完成無線發(fā)射和接收數(shù)據(jù)的功能。nRF24L01是一款工作在2.4G-2.5GHz世界通用ISM頻段的單片無線收發(fā)器芯片，包括頻率收發(fā)器，增強(qiáng)型模式控制器，功率放大器，晶體振蕩器，調(diào)制器，解調(diào)器。輸出功率，頻道選擇和協(xié)議的設(shè)置可以通過SPI接口進(jìn)行設(shè)置3。4上位機(jī)USB固件設(shè)計上位機(jī)采用Cypress公司EZUSB FX2 (68013)系列芯片，是世界上第一個集成了USB2. 0微處理器的USB接口芯片，它集成USB2. 0收發(fā)器, SIE (串行接口引擎) ,

9、增強(qiáng)型8051 微控制器和可編程的外圍接口。這種獨創(chuàng)性結(jié)構(gòu)可使數(shù)據(jù)傳輸率達(dá)到56 Mb / s。在CY7C68013中, 智能SIE可以硬件處理大多數(shù)USB2. 0協(xié)議,從而大大減少了開發(fā)時間和確保了USB的兼容性2。接收PC機(jī)數(shù)據(jù)子程序采用C51語言，在keil4編譯器上編譯調(diào)試通過。/PC機(jī)下傳數(shù)據(jù)EP1OUTBC=0x00; EP1OUTBC=0x00;while(EP01STAT & 0x02); /查詢端點2的EMPTY標(biāo)志b=EP1OUTBUF0; 5 上位機(jī)模糊控制器設(shè)計系統(tǒng)以工業(yè)用電阻爐為控制對象，應(yīng)用二維模糊控制器，經(jīng)過模糊化,模糊推理,模糊判決,去模糊化四個步驟后，把模糊判

10、決后的結(jié)果由模糊量轉(zhuǎn)化成為可以用于實際控制的精確量1。電阻爐溫度模糊控制系統(tǒng)框圖如圖3所示。給定值模糊化接口模糊推理去模糊化規(guī)則庫執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制對象溫度檢測eecECE-Uu圖3模糊控制系統(tǒng)原理方框圖根據(jù)模糊控制器的設(shè)計原則,選擇輸入變量為誤差和誤差變化，輸出變量為控制量，它們所對應(yīng)的語言變量分別為、和。 語言變量、和的論域取4，4，語言值均取 5 個，分別為“負(fù)大NB”，“負(fù)小 NS”，“零 ZR”，“正小 PS”和“正大 PB”。隸屬度函數(shù)，ZR 取三角形隸屬度函數(shù)如圖4所示。根據(jù)經(jīng)驗，可以得到用“if then ”形式表達(dá)的模糊控制規(guī)則，控制規(guī)則表如表1所示：表1 模糊控制規(guī)則表ECENB

11、 NS ZR PS PBNBNSZRPSPBNB NS NS ZR ZRNS NS ZR ZR PSNS ZR ZR PS PSZR ZR PS PS PBZR PS PS PB PBNBPBPSNS1ZR 42-2-40圖4 隸屬函數(shù)圖計算機(jī)將采集到的溫度與設(shè)定值相比較，得到溫度誤差e ，并通過微分環(huán)節(jié)得到溫度誤差的變化量ec。對e 和ec 這兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行模糊化處理，確定其隸屬度，從而得到模糊推理的輸入量E 和EC。根據(jù)開發(fā)人員的經(jīng)驗,離線制定控制量查詢表。該表以IF - THEN 的規(guī)則形式存儲于規(guī)則庫中，用于在系統(tǒng)運(yùn)行期間模糊推理過程中進(jìn)行查詢。推理所得到的輸出量用加權(quán)平均判決法進(jìn)行模糊

12、判決，最終得到用于實際控制的精確值，并用來對控制固態(tài)繼電器開合的脈沖寬度進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而作用于被控對象(即電阻爐)。此設(shè)計中，誤差的量化因子 Ke 取 32，誤差變化的量化因子 Kc 取 3，控制輸出的比例因子 Ku 取 4。根據(jù)上述隸屬度函數(shù)和控制規(guī)則，利用上位機(jī)軟件采用LabWindows/CVI做為模糊控制器設(shè)計軟件，根據(jù)誤差論域和模糊控制規(guī)則表得到輸出控制量。/*Function: fuzzy_engineDescription: 實施規(guī)則表中的規(guī)則*/void fuzzy_engine(unsigned char input) unsigned char if_val, / 保存當(dāng)前規(guī)

13、則中條件分支中的值 clause, / 規(guī)則基中當(dāng)前的分支 mu, / 保存當(dāng)前分支中的值 label=0; / 被條件使用的成員函數(shù) then=0; / 設(shè)第一個分支是條件分支 if_val=MU_MAX; / max out mu for the first rule for (clause=0; clauseRULE_TOT; clause+) / 遍歷每條規(guī)則 clause_val=rulesclause; / 讀入當(dāng)前的分支 if (!clause_type) / 當(dāng)前的分支是不是條件分支 if (then) / 是否正在分析結(jié)果. then=0; if_val=MU_MAX; /

14、復(fù)位mu mu=compute_memval(input, label); / 得到條件分支的值 if_val=mu; label+; else / 當(dāng)前分支是結(jié)果 then=1; / 置位標(biāo)志位,如果當(dāng)前規(guī)則的mu比參考的值要大,保存這個值作為新的模糊輸出 if (outputsclause_val&0x07 if_val) outputsclause_val&0x07=if_val; 6 結(jié)語構(gòu)建的基于模糊控制器的溫度控制系統(tǒng)，在電阻爐溫度控制實驗測試中效果良好，控制精度高，上位機(jī)因帶有USB接口方便靈活，應(yīng)用軟件二次開發(fā)方便，可針對不同控制對象移植模糊控制表。實踐表明，模糊控制方法提高了控制的實時性、穩(wěn)定性，并且操作過程簡單、快捷。參考文獻(xiàn)：1黎惠成,曾碧,吳清泉.一種基于模糊控制的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計.計算機(jī)技術(shù)與發(fā)展.2009（19）:2372392王軍,何鵬舉,楊杰.基于USB接口的無線溫濕度監(jiān)測系統(tǒng).儀表技術(shù)與傳感器.2009（12）:49523曾勇,楊濤馮.