單片機(jī)的空調(diào)機(jī)的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、空調(diào)機(jī)的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要空調(diào)機(jī)的溫度控制對(duì)于工業(yè)和日常生活等工程都具有廣闊的應(yīng)用前景。本文將傳統(tǒng)控制理論與智能控制理論相結(jié)合應(yīng)用于溫度控制的實(shí)際工程中。首先，設(shè)計(jì)出系統(tǒng)的硬件構(gòu)成，然后，從熱力學(xué)的角度對(duì)溫度對(duì)象的特性做了較深入的分析，從理論上推導(dǎo)出溫度對(duì)象的常用的一階帶純滯后的近似數(shù)學(xué)模型，并給出了數(shù)學(xué)模型中各參數(shù)的含義。在此基拙上，本文分析了現(xiàn)有空調(diào)機(jī)控制方法的利弊，并針對(duì)它們各自的優(yōu)、缺點(diǎn)，對(duì)具有純滯后特性的溫度對(duì)象提出一種改進(jìn)的模糊控制方法。該方法將模糊控制、PID控制結(jié)合起來。通過數(shù)字仿真表明該方法對(duì)空調(diào)機(jī)溫度的控制具有超調(diào)小(可達(dá)到無超調(diào))、調(diào)節(jié)時(shí)間短、魯棒性好等優(yōu)點(diǎn)。在此基拙上

2、，用階躍信號(hào)做激勵(lì)，辨識(shí)出系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。本文的最后，通過對(duì)實(shí)物實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，本文所提出的改進(jìn)的模糊控制算法對(duì)非線性、具純滯后環(huán)節(jié)對(duì)象的控制是很有效的。溫度控制系統(tǒng)的軟件采用匯編語言編制，控制算法部分采用C與匯編混合編程。該軟件基于Windows20000/xp平臺(tái)，人機(jī)界面友好，易于用戶操作。具有在線修改采樣時(shí)間、控制算法、控制參數(shù)、圖形顯示及數(shù)據(jù)保存和打印功能。設(shè)計(jì)的空調(diào)機(jī)溫度控制的精確性，使用方便，功能齊全。關(guān)鍵詞:PWM控制 模型辨識(shí) 模糊控制 PID控制目錄摘要IAbstract- 2 -目錄- 3 -前言- 4 -1 MCS-51單片機(jī)簡(jiǎn)介- 8 -1.1芯片的引腳描述- 8

3、-1.2 MSC-51單片機(jī)中央處理器- 11 -2 溫度控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)- 13 -2.1總體設(shè)計(jì)- 13 -2.2信號(hào)采樣電路設(shè)計(jì)- 14 -溫度采樣電路設(shè)計(jì)- 14 -單片機(jī)最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)- 16 -2.3 A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)- 18 - A/D轉(zhuǎn)換的常用方法- 18 -2.3.2 A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)- 19 - ADC0809的主要特性和內(nèi)部結(jié)構(gòu)- 19 - ADC0809管腳功能及定義- 20 - ADC0809與8031的接口電路- 22 -2.4軟件系統(tǒng)的初始化程序- 22 -2.5軟件程序的主循環(huán)框架- 23 -2.6校準(zhǔn)程序- 25 -3 控制算法的研究- 27 -3.

4、1 PID算法的研究- 27 -3.2模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)- 27 -模糊控制算法- 28 -模糊控制的基本概念- 29 -模糊控制過程- 30 -總結(jié)- 35 -致謝- 36 -參考文獻(xiàn)- 37 -前言 控制菌種生長環(huán)境的設(shè)施和設(shè)備由功能簡(jiǎn)單、單一的氣候箱發(fā)展成現(xiàn)在控制復(fù)的人工氣候室，這對(duì)于研究在人工模擬自然生態(tài)環(huán)境中生長因素對(duì)菌種生長的提供了必要的條件和能夠繼續(xù)深入研究的基礎(chǔ)。目前，大多數(shù)菌種培養(yǎng)車間都采取通過控制水加熱機(jī)組和水制冷機(jī)組進(jìn)行溫度的調(diào)節(jié)，這使得整個(gè)控制設(shè)備占于龐大，控制復(fù)雜，能耗大，投資高。部分氣候室采用中央空調(diào)控制溫度，但中央空調(diào)同樣存在成本高低精度的問題，且存在不同氣候室同時(shí)

5、向主機(jī)提出兩種不同運(yùn)行式請(qǐng)求，導(dǎo)致系統(tǒng)失控的可能，因此，此種車間的控溫方法也存在缺陷。所以，操作簡(jiǎn)單，控制精度高，系統(tǒng)性能好，投資低的新型菌種培養(yǎng)車間正為人們所期待。本文提出了一種以普通壁掛式空調(diào)來調(diào)節(jié)人工氣候室溫度的新方法，加以合理智能算法可以有效地對(duì)溫度進(jìn)行高精度恒溫控制，而且成本較低，操作方便。課題的研究目的：高精度溫度控制就是實(shí)現(xiàn)溫度的更加精確化，準(zhǔn)確化。實(shí)現(xiàn)溫度恒溫化，更好的來滿足菌種的生長溫度。 當(dāng)今空調(diào)機(jī)的溫度控制是人們利用可控電路對(duì)空調(diào)機(jī)進(jìn)行控制，來實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制。它只能滿足人們一般的需求，溫控精度也不高，對(duì)更高的溫度需求不能滿足。例如菌種的培養(yǎng)車間，菌種的生長需要非常穩(wěn)定的

6、溫度環(huán)境，對(duì)溫度的要求非常高，這就需要對(duì)空調(diào)機(jī)的溫度來實(shí)現(xiàn)高精度控制。培養(yǎng)菌種的培養(yǎng)車間需要較高的溫度精度，它的溫度控制一般是由空調(diào)機(jī)來實(shí)現(xiàn)的，而現(xiàn)今空調(diào)機(jī)的控溫精度不高，一般在23度左右，誤差比較大。這就需要對(duì)我們控溫系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。來實(shí)現(xiàn)空調(diào)機(jī)高精度的控制。菌種培養(yǎng)車間需要的誤差一般在0.5度左右，這首先需要非常靈敏的裝置對(duì)溫度進(jìn)行檢測(cè)，防止因檢測(cè)而帶來的錯(cuò)誤。這可以用電接水銀溫度計(jì)(WXG型)進(jìn)行測(cè)量。將測(cè)量的信號(hào)通過高靈敏度的溫度傳感器送到微處理器中。從而用微處理器來實(shí)現(xiàn)對(duì)空調(diào)機(jī)的高精度溫度控制。這樣才能滿足培菌車間的需要。本課題的研究意義： 要使菌種培育更好，就必須有一流的生長條件和環(huán)

7、境。傳統(tǒng)的菌種培養(yǎng)車間是育種試驗(yàn)必不可少的條件，它可以縮短試驗(yàn)周期，可以模擬各種氣候條件而不受自然氣候的制約和影響。但是溫度控制的精度還是不高，這就必須對(duì)空調(diào)機(jī)進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度高精度控制。 本系統(tǒng)就是針對(duì)以上老系統(tǒng)存在的不足及實(shí)際要求設(shè)計(jì)開發(fā)的。只要設(shè)定運(yùn)行曲線后，就可連續(xù)自動(dòng)地運(yùn)行，按照給定曲線同時(shí)調(diào)節(jié)溫度，并保存實(shí)際運(yùn)行的參數(shù)和設(shè)定參數(shù)。課題的特點(diǎn)及具體要求： 菌種培養(yǎng)車間是一個(gè)多變量相互禍合的復(fù)雜系統(tǒng)，溫度具有純滯后、大慣性特性。而且外界的氣候的變化也會(huì)對(duì)室內(nèi)的溫度產(chǎn)生影響。所以按照常規(guī)的控制方法，要對(duì)溫室對(duì)象建立精確數(shù)學(xué)模型幾乎是不可能的，而且控制精度很難保證育種過程的要求。培養(yǎng)車

8、間能夠在任意時(shí)候模擬任意的氣候條件，而且溫度要能夠嚴(yán)格按照給定曲線變化，要求具有保護(hù)功能。根據(jù)己有控制系統(tǒng)的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和不足之處，改造其老系統(tǒng)，要求實(shí)現(xiàn)的主要功能和技術(shù)指標(biāo)如下:系統(tǒng)需采用兩級(jí)計(jì)算機(jī)控制，上位機(jī)采用工控機(jī)，下位機(jī)采用自行開發(fā)的智能控制器。 系統(tǒng)的控制算法采用智能控制算法，溫度的控制精度要求為±0.2, 上位機(jī)應(yīng)用程序是在Windows98環(huán)境下開發(fā)的應(yīng)用程序，可以監(jiān)控多臺(tái)下位機(jī)，要求有參數(shù)設(shè)定計(jì)算、過程監(jiān)控、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和通信等功能。 下位機(jī)具有實(shí)時(shí)控制功能，在上位機(jī)出現(xiàn)故障的時(shí)候可以實(shí)施單獨(dú)控制，并且可靠性要高。本文的主要工作 本文針對(duì)單片機(jī)對(duì)溫度控制監(jiān)測(cè)系統(tǒng)若干關(guān)鍵技術(shù)

9、展開研究工作，主要集中在以下幾個(gè)方面: 分析項(xiàng)目要求，介紹以低成本為核心指導(dǎo)思想的溫度控制系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)，統(tǒng)的組成和工作原理，闡述多點(diǎn)校準(zhǔn)技術(shù)和線型插值技術(shù)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，以及些技術(shù)的應(yīng)用對(duì)降低成本的作用。 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，介紹主要硬件的選型及其主要特點(diǎn)，溫度傳感器Pt100采樣以及信號(hào)放大處理，信號(hào)調(diào)理與A/D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)，低壓線性穩(wěn)壓器的電路設(shè)計(jì)，片機(jī)接口電路的設(shè)計(jì)以及電路的總體設(shè)計(jì)等。模塊功能設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)，詳細(xì)介紹在溫度監(jiān)控系統(tǒng)中應(yīng)用到的各個(gè)模塊的功能和應(yīng)方法，涉及到各個(gè)模塊的功能和工作原理，各個(gè)控制寄存器的設(shè)定，模塊之間的關(guān)系協(xié)作方式等。包括基本始終模塊的應(yīng)用，E2ROM存儲(chǔ)器

10、x25043/45的應(yīng)用，數(shù)碼顯示管的應(yīng)用以及按鍵等的實(shí)現(xiàn)。 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)和主要程序模塊，程序設(shè)計(jì)采用匯編語言和C語言模式，并將低本高精度思想融入其中，介紹的程序模塊包括:系統(tǒng)初始化程序、主循環(huán)框架、準(zhǔn)程序、LED數(shù)碼顯示程序并給出了程序的設(shè)計(jì)流程圖和部分程序源代碼?？偨Y(jié)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，介紹了使用現(xiàn)狀以及未來的改進(jìn)和發(fā)展方向。1 MCS-51單片機(jī)簡(jiǎn)介1.1芯片的引腳描述HMOS制造工藝的MCS-51單片機(jī)都采用40引腳的直插封裝（DIP方式），制造工藝為CHMOS的80C51/80C31芯片除采用DIP封裝方式外，還采用方型封裝工藝，引腳排列如圖。其中方型封裝的CHMOS芯片有44只引

11、腳，但其中4只引腳（標(biāo)有NC的引腳1、12、23、34）是不使用的。在以后的討論中，除有特殊說明以外，所述內(nèi)容皆適用于CHMOS芯片。 圖1.1 MCS-51的邏輯符號(hào)圖如圖，是。在單片機(jī)的40條引腳中有2條專用于主電源的引腳，2條外接晶體的引腳，4條控制或與其它電源復(fù)用的引腳，32條輸入/輸出（I/O）引腳。 下面按其引腳功能分為四部分?jǐn)⑹鲞@40條引腳的功能。1、主電源引腳VCC和VSSVCC（40腳）接+5V電壓；VSS（20腳）接地。2、外接晶體引腳XTAL1和XTAL2XTAL1（19腳）接外部晶體的一個(gè)引腳。在單片機(jī)內(nèi)部，它是一個(gè)反相放大器的輸入端，這個(gè)放大器構(gòu)成了片內(nèi)振蕩器。當(dāng)采用

12、外部振蕩器時(shí)，對(duì)HMOS單片機(jī)，此引腳應(yīng)接地；對(duì)CHMOS單片機(jī)，此引腳作為驅(qū)動(dòng)端。XTAL2（18腳）接外晶體的另一端。在單片機(jī)內(nèi)部，接至上述振蕩器的反相放大器的輸出端。采用外部振蕩器時(shí)，對(duì)HMOS單片機(jī)，該引腳接外部振蕩器的信號(hào)，即把外部振蕩器的信號(hào)直接接到內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端；對(duì)XHMOS，此引腳應(yīng)懸浮。3、控制或與其它電源復(fù)用引腳RST/VPD、ALE/PROG、PSEN和EA/VPPRST/VPD（9腳）當(dāng)振蕩器運(yùn)行時(shí)，在此腳上出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期的高電平將使單片機(jī)復(fù)位。推薦在此引腳與VSS引腳之間連接一個(gè)約8.2k的下拉電阻，與VCC引腳之間連接一個(gè)約10F的電容，以保證可靠地復(fù)位。

13、VCC掉電期間，此引腳可接上備用電源，以保證內(nèi)部RAM的數(shù)據(jù)不丟失。當(dāng)VCC主電源下掉到低于規(guī)定的電平，而VPD在其規(guī)定的電壓范圍（5±0.5V）內(nèi)，VPD就向內(nèi)部RAM提供備用電源。ALE/PROG（30腳）：當(dāng)訪問外部存貯器時(shí)，ALE（允許地址鎖存）的輸出用于鎖存地址的低位字節(jié)。即使不訪問外部存儲(chǔ)器，ALE端仍以不變的頻率周期性地出現(xiàn)正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此，它可用作對(duì)外輸出的時(shí)鐘，或用于定時(shí)目的。然而要注意的是，每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過一個(gè)ALE脈沖。ALE端可以驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）8個(gè)LS型的TTL輸入電路。對(duì)于EPROM單片機(jī)（如8751），在

14、EPROM編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖（PROG）。PSEN（29腳）：此腳的輸出是外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)。在從外部程序存儲(chǔ)器取指令（或常數(shù)）期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次PSEN有效。但在此期間，每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的PSEN信號(hào)將不出現(xiàn)。PSEN同樣可以驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出）8個(gè)LS型的TTL輸入。EA/VPP（引腳）：當(dāng)EA端保持高電平時(shí)，訪問內(nèi)部程序存儲(chǔ)器，但在PC（程序計(jì)數(shù)器）值超過0FFFH（對(duì)851/8751/80C51）或1FFFH（對(duì)8052）時(shí)，將自動(dòng)轉(zhuǎn)向執(zhí)行外部程序存儲(chǔ)器內(nèi)的程序。當(dāng)EA保持低電平時(shí)，則只訪問外部程序存儲(chǔ)器，不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。對(duì)于常用的

15、8031來說，無內(nèi)部程序存儲(chǔ)器，所以EA腳必須常接地，這樣才能只選擇外部程序存儲(chǔ)器。對(duì)于EPROM型的單片機(jī)（如8751），在EPROM編程期間，此引腳也用于施加21V的編程電源（VPP）。4、輸入/輸出（I/O）引腳P0、P1、P2、P3（共32根）P0口（39腳至32腳）：是雙向8位三態(tài)I/O口，在外接存儲(chǔ)器時(shí)，與地址總線的低8位及數(shù)據(jù)總線復(fù)用，能以吸收電流的方式驅(qū)動(dòng)8個(gè)LS型的TTL負(fù)載。P1口（1腳至8腳）：是準(zhǔn)雙向8位I/O口。由于這種接口輸出沒有高阻狀態(tài)，輸入也不能鎖存，故不是真正的雙向I/O口。P1口能驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4個(gè)LS型的TTL負(fù)載。對(duì)8052、8032，P1.0引

16、腳的第二功能為T2定時(shí)/計(jì)數(shù)器的外部輸入，P1.1引腳的第二功能為T2EX捕捉、重裝觸發(fā)，即T2的外部控制端。對(duì)EPROM編程和程序驗(yàn)證時(shí)，它接收低8位地址。P2口（21腳至28腳）：是準(zhǔn)雙向8位I/O口。在訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，它可以作為擴(kuò)展電路高8位地址總線送出高8位地址。在對(duì)EPROM編程和程序驗(yàn)證期間，它接收高8位地址。P2可以驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4個(gè)LS型的TTL負(fù)載。P3口（10腳至17腳）：是準(zhǔn)雙向8位I/O口，在MCS-51中，這8個(gè)引腳還用于專門功能，是復(fù)用雙功能口。P3能驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4個(gè)LS型的TTL負(fù)載。作為第一功能使用時(shí)，就作為普通I/O口用，功能和操作方法與P

17、1口相同。作為第二功能使用時(shí)，各引腳的定義如表所示。值得強(qiáng)調(diào)的是，P3口的每一條引腳均可獨(dú)立定義為第一功能的輸入輸出或第二功能。 P3各口線的第二功能定義：P3.0 10 RXD（串行輸入口） P3.1 11 TXD（串行輸出口） P3.2 12 INT0（外部中斷0） P3.3 13 INT1（外部中斷1） P3.4 14 T0（定時(shí)器0外部輸入） P3.5 15 T1（定時(shí)器1外部輸入） P3.6 16 WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫脈沖） P3.7 17 RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀脈沖） 綜合上面的描述可知，I/O口線都不能當(dāng)作用戶I/O口線。除8051/8751外真正可完全為用戶使用的I/O口線只

18、有P1口，以及部分作為第一功能使用時(shí)的P3口。 單片機(jī)的引腳除了電源、復(fù)位、時(shí)鐘接入，用戶I/O口外，其余管腳是為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)擴(kuò)展而設(shè)置的。這些引腳構(gòu)成MCS-51單片機(jī)片外三總線結(jié)構(gòu)，即：地址總線（AB）：地址總線寬為16位，因此，其外部存儲(chǔ)器直接尋址為64K字節(jié)，16位地址總線由P0口經(jīng)地址鎖存器提供8位地址（A0至A7）；P2口直接提供8位地址（A8至A15）。數(shù)據(jù)總線（DB）：數(shù)據(jù)總線寬度為8位，由P0提供?？刂瓶偩€（CB）：由P3口的第二功能狀態(tài)和4根獨(dú)立控制線RESET、EA、ALE、PSEN組成。 1.2 MSC-51單片機(jī)中央處理器中央處理器是單片機(jī)內(nèi)部的核心部件，它決定了單片機(jī)的

19、主要功能特性。中央處理器主要由運(yùn)算部件和控制部件組成。下面我們把中央處理器功能模塊和有關(guān)的控制信號(hào)線聯(lián)系起來加以討論，并涉及相關(guān)的硬件設(shè)備（如振蕩電路和時(shí)鐘電路）。1、運(yùn)算部件：它包括算術(shù)、邏輯部件ALU、布爾處理器、累加器ACC、寄存器B、暫存器TMP1和TMP2、程序狀態(tài)字寄存器PSW以及十進(jìn)制調(diào)整電路等。運(yùn)算部件的功能是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的算術(shù)邏輯運(yùn)算、位變址處理和數(shù)據(jù)傳送操作。MCS-51單片機(jī)的ALU功能十分強(qiáng)，它不僅可對(duì)8位變量進(jìn)行邏輯“與”、“或”、“異或”、循環(huán)、求補(bǔ)、清零等基本操作，還可以進(jìn)行加、減、乘、除等基本運(yùn)算。為了乘除運(yùn)算的需要，設(shè)置了B寄存器。在執(zhí)行乘法運(yùn)算指令時(shí)，用來存放其

20、中一個(gè)乘數(shù)和乘積的高8位數(shù)；在執(zhí)行除法運(yùn)算指令時(shí)，B中存入除數(shù)及余數(shù)。MCS-51單片機(jī)的ALU還具有一般微機(jī)ALU，如Z80、MCS-48所不具備的功能，即布爾處理功能。單片機(jī)指令系統(tǒng)中的布爾指令集、存儲(chǔ)器中的位地址空間與CPU中的位操作構(gòu)成了片內(nèi)的布爾功能系統(tǒng)，它可對(duì)位（bit）變量進(jìn)行布爾處理，如置位、清零、求補(bǔ)、測(cè)試轉(zhuǎn)移及邏輯“與”、“或”等操作。在實(shí)現(xiàn)位操作時(shí)，借用了程序狀態(tài)標(biāo)志器（PSW）中的進(jìn)位標(biāo)志Cy作為位操作的“累加器”。運(yùn)算部件中的累加器ACC是一個(gè)8位的累加器（ACC也可簡(jiǎn)寫為A）。從功能上看，它與一般微機(jī)的累加器相比沒有什么特別之處，但需要說明的是ACC的進(jìn)位標(biāo)志Cy就

21、是布爾處理器進(jìn)行位操作的一個(gè)累加器。MCS-51單片機(jī)的程序狀態(tài)PSW，是一個(gè)8位寄存器，它包含了程序的狀態(tài)信息。2、控制部件控制部件是單片機(jī)的神經(jīng)中樞，它包括時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、指令寄存器、譯碼以及信息傳送控制部件。它以主振頻率為基準(zhǔn)發(fā)出CPU的時(shí)序，對(duì)指令進(jìn)行譯碼，然后發(fā)出各種控制信號(hào)，完成一系列定時(shí)控制的微操作，用來控制單片機(jī)各部分的運(yùn)行。其中有一些控制信號(hào)線能簡(jiǎn)化應(yīng)用系統(tǒng)外圍控制邏輯，如控制地址鎖存的地址鎖存信號(hào)ALE，控制片外程序存儲(chǔ)器運(yùn)行的片內(nèi)外存儲(chǔ)器選擇信號(hào)EA，以及片外取指信號(hào)PSEN。2 溫度控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)2.1總體設(shè)計(jì)總的設(shè)計(jì)思想是通過溫、濕度器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)，完成溫、濕度自動(dòng)

22、調(diào)節(jié)及聲光報(bào)警等功能，總體設(shè)計(jì)框圖如圖傳感器將溫度、濕度值轉(zhuǎn)換為電量輸出，由A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化，被數(shù)字化的信號(hào)經(jīng)過單片機(jī)處理后，送顯示 . 圖2.1總體設(shè)計(jì)框圖本系統(tǒng)完成以下功能:可對(duì)溫、濕度進(jìn)行多點(diǎn)自動(dòng)檢測(cè)、顯示、報(bào)警和調(diào)控。當(dāng)溫、濕度超過上、下限設(shè)定值時(shí)，可自動(dòng)發(fā)出聲光報(bào)警，并進(jìn)行溫、濕度調(diào)節(jié)控制，直到報(bào)警消除，報(bào)警的上下限值可通過鍵盤隨時(shí)設(shè)定。為實(shí)現(xiàn)以上功能需安排以下五個(gè)部分組成整個(gè)控制系統(tǒng)如圖2.1所示。系統(tǒng)的硬件組成:(1)信號(hào)采樣電路(2)單片機(jī)基本系統(tǒng)(8031)(3)A/D轉(zhuǎn)換電路(4)鍵盤和顯示電路(5)執(zhí)行電路2.2信號(hào)采樣電路設(shè)計(jì)采樣電路在整個(gè)控制裝置中占據(jù)

23、著十分重要的地位，采樣值是8031主要處理的數(shù)據(jù)，是實(shí)施控制的依據(jù)，所以保證采樣電路的準(zhǔn)確是進(jìn)行良好控制的基礎(chǔ)。2.2.1溫度采樣電路設(shè)計(jì)(1)溫度傳感器的選擇溫度傳感器的種類很多，根據(jù)溫室使用條件，選擇恰當(dāng)?shù)膫鞲衅黝愋筒拍鼙ＷC測(cè)量的準(zhǔn)確可靠，并同時(shí)達(dá)到增加使用壽命和降低成本的目的。根據(jù)溫室溫度控制的特點(diǎn)，本系統(tǒng)中溫度傳感器選用AD590集成溫度傳感器。集成溫度傳感器實(shí)質(zhì)上是一種半導(dǎo)體集成電路，它是利用晶體管的b-e結(jié)壓降的不飽和值VBE與熱力學(xué)溫度T和通過發(fā)射極電流工的關(guān)系實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的檢測(cè): VBE = InI (2-1)式中，K一波爾茲常數(shù)；q一電子電荷絕對(duì)值。集成溫度傳感器具有線性好、精

24、度適中、靈敏度高、體積小、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，得到廣泛應(yīng)用。集成溫度傳感器的輸出形式分為電壓輸出和電流輸出兩種。電壓輸出型的靈敏度一般為10mV/K，溫度0時(shí)輸出為0,溫度25時(shí)輸出2.982V。電流輸出型的靈敏度一般為1A/K。AD590是美國模擬器件公司利用PN結(jié)正向電流與溫度的關(guān)系制成的電流輸出型兩端溫度傳感器。這種器件在被測(cè)溫度一定時(shí)，相當(dāng)于一個(gè)恒流源。該器件具有良好的線性和互換性，測(cè)量精度高，并具有消除電源波動(dòng)的特性。它的主要特性參數(shù)如下:1.流過器件的電流(A)等于器件所處環(huán)境的熱力學(xué)溫度(開爾文)度數(shù)，即： =1A/K (2-2) 式中:Ir流過器件(AD590)的電流，單位為A。

25、T熱力學(xué)溫度，單位為K。2. AD590的測(cè)溫范圍為55150。3. AD590的電源電壓范圍為4V30V。電源電壓可在4V6V范圍變化，電流Ir變化1A，相當(dāng)于溫度變化1K。AD590可以承受44V正向電壓和20V反向電壓，因而器件反接也不會(huì)被損壞。4.輸出電阻為710M。5.精度高:AD590共有I、J、K、L、M五檔，其中M檔精度最高，在55150范圍內(nèi)，非線性誤差為±0.3。6.靈敏度:1A/K。1.2溫度檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)測(cè)溫電路時(shí)，首先應(yīng)將電流轉(zhuǎn)換成電壓。因?yàn)榱鬟^AD590的電流與熱力學(xué)溫度成正比，當(dāng)電阻R1和電位器RP1的電阻之和為l Ok時(shí)，輸出電壓VO的變化為lO

26、mV/K。但由于AD590的增益有偏差，電阻也有誤差，因此應(yīng)對(duì)電路進(jìn)行調(diào)整。為了使此電阻精確(0.1%)，可用一個(gè)9.6k的電阻與一個(gè)1k電位器串聯(lián)，然后通過調(diào)節(jié)電位器來獲得精確的10k的電阻。溫度檢測(cè)電路如圖2.2所示，其中運(yùn)算放大器Al被接成電壓跟隨器形式，以增加信號(hào)的輸入阻抗。而運(yùn)放A2的作用是把絕對(duì)溫標(biāo)轉(zhuǎn)換成攝氏溫標(biāo)，給A2的同相輸入端輸入一個(gè)恒定的電壓，然后將此電壓放大到2.732V。這樣，Al與A2輸出端之間的電壓即為轉(zhuǎn)換成的攝氏溫標(biāo)。 圖2.2溫度檢測(cè)電路將AD590放入0的冰水混合溶液中，A1同相輸入端的電壓應(yīng)為2.732V，同樣使A2的輸出電壓也為2.732V，因此A1與A2

27、兩輸出端之間的電壓為OV即對(duì)應(yīng)于0。AD590溫度與電流的關(guān)系如表2.1所示。表2.1 AD590溫度與電流的關(guān)系攝氏溫度 AD590電流 經(jīng)10K電壓 0 273.2A 2.732V 10 283.2A 2.832V 20 293.2A 2.932V 30 303.2A 3.032V 40 313.2A 3.132V 50 323.2A 3.232V 60 333.2A 3.332V 100 373.2A 3.732V2.2.2單片機(jī)最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)(1)單片機(jī)復(fù)位電路的設(shè)計(jì)復(fù)位電路是單片機(jī)應(yīng)用中重要的一環(huán)，它對(duì)單片機(jī)抗干擾有重要作用。在振蕩運(yùn)行的情況下，要實(shí)現(xiàn)復(fù)位操作，必須使RST引腳至少保

28、持兩個(gè)機(jī)器周期的高電平。復(fù)位期間不產(chǎn)生ALE及PSEN信號(hào)。復(fù)位后，各內(nèi)部寄存器狀態(tài)如表2.2所示。8031單片機(jī)的復(fù)位電路如圖2.3所示。 表2.2各內(nèi)部寄存器狀態(tài)寄存器 內(nèi)容 寄存器 內(nèi)容 PC 0000H TMOP 00H AAC 00H TCON 00H B 00H TH 00H PSW 00H TH 00H SP 07H TL 00H DPTR 0000H TL 00H P0-P3 0FFH SCON 00H IP xxx00000 SBUF 不定 IE 0xx00000 PCON 0xxxxxxx 圖2.3復(fù)位電路(2)單片機(jī)時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì)單片機(jī)的時(shí)鐘產(chǎn)生方法有兩種:內(nèi)部時(shí)鐘方式和

29、外部時(shí)鐘方式。本系統(tǒng)中8031單片機(jī)采用內(nèi)部時(shí)鐘方式。最常用的內(nèi)部時(shí)鐘方式是采用外接晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路。振蕩晶體可在1.2MHz12MHz之間。電容值無嚴(yán)格要求，但電容取值對(duì)振蕩頻率輸出的穩(wěn)定性、大小和振蕩電路起振速度有少許影響，一般可在20pF-100pF之間取值。8031單片機(jī)的時(shí)鐘電路如圖2.4所示。 圖2.4時(shí)鐘電路(3) 8031單片機(jī)最小系統(tǒng) 一個(gè)最小8031單片機(jī)系統(tǒng)有CPU (8031), 8位3態(tài)D鎖存器74LS373,ROM或RAM，時(shí)鐘電路和復(fù)位電路等基本電路組成。2.3 A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì) 由信號(hào)處理電路輸出的信號(hào)為模擬信號(hào)，而單片機(jī)只能處理數(shù)字量，所以必須首

30、先將模擬量經(jīng)過一定電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，單片機(jī)才能處理，這種電路被稱為A/D轉(zhuǎn)換電路，是模擬系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)之間的接口部件。2.3.1 A/D轉(zhuǎn)換的常用方法A/D轉(zhuǎn)換的常用方法有:雙積分式A/D轉(zhuǎn)換、逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換、計(jì)數(shù)型A/D轉(zhuǎn)換等。雙積分式A/D轉(zhuǎn)換的工作原理是將對(duì)輸入電壓的測(cè)量，轉(zhuǎn)換成對(duì)基準(zhǔn)源積分時(shí)間的測(cè)量，再測(cè)量時(shí)間(脈沖寬度信號(hào))或頻率(脈沖頻率)，然后由定時(shí)器/計(jì)數(shù)器獲得數(shù)字值。這種方法的主要優(yōu)點(diǎn)是分辯率高、精度高、抗干擾性好；主要缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)換速度慢。逐次逼近型A/D由一個(gè)比較器和D/A轉(zhuǎn)換器通過逐次比較邏輯構(gòu)成，順序地增加內(nèi)部D/A的輸入值，并將其輸出電壓與A/D測(cè)量輸入電壓比較，

31、當(dāng)二者相等時(shí)，內(nèi)部D/A的輸入值就是A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果。這種方法的主要優(yōu)點(diǎn)是速度快、功耗低；主要缺點(diǎn)是抗干擾性差。2.3.2 A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)有:分辨率、精度、量程、轉(zhuǎn)換時(shí)間等。分辨率(Resolution)分辨率反映轉(zhuǎn)換器所能分辨的被測(cè)量的最小值。通常用輸出二進(jìn)制代碼的位數(shù)來表示。8位A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率為8位。精度(Precision)精度指的是轉(zhuǎn)換的結(jié)果相對(duì)于實(shí)際的偏差，精度有兩種表示方法:絕對(duì)精度和相對(duì)精度。絕對(duì)精度用最低位(LSB)的倍數(shù)來表示，如:±1LSB；相對(duì)精度用絕對(duì)精度除以滿量程值的百分?jǐn)?shù)來表示，如:±0.05%。同樣分

32、辨率的轉(zhuǎn)換器其精度可能不同。量程(滿刻度范圍一 Full Scale Range)量程是指輸入模擬電壓的變化范圍。如:某轉(zhuǎn)換器具有l(wèi)OV的單極性范圍或5+5V的雙極性范圍，它們的量程都為10V。實(shí)際的A/D, D/A轉(zhuǎn)換器的最大輸入/輸出值總是比滿刻度值小。轉(zhuǎn)換時(shí)間(Conversion Time)A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間是指:從啟動(dòng)轉(zhuǎn)換開始，直至取得穩(wěn)定的數(shù)字量或模擬量所需的時(shí)間稱為轉(zhuǎn)換時(shí)間。轉(zhuǎn)換時(shí)間與轉(zhuǎn)換器原理及其位數(shù)有關(guān)。同種工作原理的轉(zhuǎn)換器，通常位數(shù)越多，轉(zhuǎn)換時(shí)間越長。2.3.3 ADC0809的主要特性和內(nèi)部結(jié)構(gòu)本系統(tǒng)采用ADC0809大規(guī)模集成電路芯片，它是逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，輸

33、出的數(shù)字信號(hào)有三態(tài)緩沖器，可以和單片機(jī)直接接口。ADC0809的主要技術(shù)指標(biāo)為:分辨率:8位；單電源供電:+5V；最大不可調(diào)誤差小于±1LSB；轉(zhuǎn)換時(shí)間為l00s(時(shí)鐘頻率為640KHz)；模擬輸入范圍:單極性05V；不必進(jìn)行零點(diǎn)和滿刻度調(diào)整；功耗為15Mw；ADC0809由一個(gè)8路模擬開關(guān)、一個(gè)地址鎖存與譯碼器、一個(gè)8位A/D轉(zhuǎn)換器和一個(gè)三態(tài)輸出鎖存器組成。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖2.5所示。圖2.5 ADC0809轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部機(jī)構(gòu)框圖2.3.4 ADC0809管腳功能及定義ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換器的管腳定義如圖2.6所示圖2.6 ADC0809管腳結(jié)構(gòu)圖·IN0IN7:8通道

34、模擬量輸入。·ADDA、ADDS、ADDC: A、B、C為地址輸入線，用于選通工IN0IN7上的一路模擬量輸入。通道選擇表如表2-3所示。·ALE:地址鎖存允許輸入線，高電平有效。當(dāng)ALE線為高電平時(shí)，地址鎖存與譯碼器將A、B、C三條地址線的地址信號(hào)進(jìn)行鎖存，經(jīng)譯碼后被選中通道的模擬量進(jìn)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。·D0-D7: 8位輸出數(shù)據(jù)線(三態(tài))，A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果由這8根線傳送給單片機(jī)。·OE:允許輸出信號(hào)。當(dāng)OE=1時(shí)，輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)；當(dāng)OE=0時(shí)，輸出數(shù)據(jù)線呈高阻狀態(tài)。·START:轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)。START為正脈沖，其上跳沿所有內(nèi)部寄存器清零；

35、下跳沿時(shí)，開始進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；在轉(zhuǎn)換期間，START應(yīng)保持低電平。·EOC:轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)。當(dāng)EOC為高電平時(shí)，表明轉(zhuǎn)換結(jié)束；否則，表明正在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。·CLK:時(shí)鐘輸入信號(hào)。因ADC0809的內(nèi)部沒有時(shí)鐘電路，所需時(shí)鐘信號(hào)必須由外界提供，頻率范圍為10KHz1.2MHz，典型值為640KHz。 表2.3通道的選擇表 C B A選擇的通道 0 0 0 IN0 0 0 1 IN1 0 1 0 IN2 0 1 1 IN3 1 0 0 IN4 1 0 1 IN5 1 1 0 IN6 1 1 1 IN72.3.5 ADC0809與8031的接口電路ADC0809有8個(gè)通道的模擬量

36、輸入，在程序控制下，可令任意通道進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換并可得到相應(yīng)的8位二進(jìn)制數(shù)字量。2.4軟件系統(tǒng)的初始化程序系統(tǒng)初始化程序是為了在進(jìn)入主程序循環(huán)之前，做好必要的準(zhǔn)備工作，包括如下內(nèi)容: 1.停止X25043內(nèi)部的看門狗。 2.設(shè)定X25043內(nèi)部WDT為定時(shí)器模式，定時(shí)為0.25秒，并允許內(nèi)部WDT中斷。 3.設(shè)定UO端口狀態(tài)，全部設(shè)定為輸入狀態(tài)，降低功耗。 4.初始化E2PROM，設(shè)定位于E2PROM內(nèi)的看門狗定時(shí)為1.4s。 5.從護(hù)E2PROM讀入校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，將校準(zhǔn)數(shù)據(jù)寫到內(nèi)存。 6.啟動(dòng)位于E2PROM內(nèi)的看門狗。 7.將E2PROM的片選端CS置為1，使E2PROM進(jìn)入待機(jī)模式，以降低功耗

37、。 8.設(shè)定校準(zhǔn)按鍵為中斷允許狀態(tài)。 9.總中斷允許設(shè)為1。 10.示模塊開始。 11.PID參數(shù)初始化。 12.PWM參數(shù)初始化。2.5軟件程序的主循環(huán)框架程序的主循環(huán)框架如圖2.7，在系統(tǒng)進(jìn)行一系列的準(zhǔn)備工作即初始化之后，程序就主循環(huán)，主循環(huán)的工作是進(jìn)行采樣時(shí)間控制、控制測(cè)量過程、LED顯示循環(huán)、按鍵并且處理、數(shù)據(jù)查表處理、線性插值、數(shù)據(jù)顯示，然后周而復(fù)始地進(jìn)行主循環(huán)程序。在主程序循環(huán)的過程中隨時(shí)響應(yīng)按鍵中斷，進(jìn)入校準(zhǔn)程序。 圖2.7主程序邏輯圖主程序:ORG OOOOH AJMP MAIN ORG 0100H AD0 EQU 7FF8H PORT EQU 4100H PORTA EQU

38、4101H PORTB EQU 4102H PORTC EQU 4103H MAIN:MOV SP，#60H 設(shè)置堆棧 MOV DPTR, #PORT； 8155初始化 MOV A, #03H； 8155A口、B口為輸出，C口為 MOVXDPTR, A； 輸入方式 MOV 50H, #19H； 溫度設(shè)定值存于50H單元，設(shè)定值為25 MOV R0，#30H； 顯示緩沖區(qū)30H到37H清0 MOV A, #00H MLO:MOVRO，A INC ROCJNE RO，#38H, ML0ML1:ACALL KEYCJNE 52H, #0EH, ML2； 如果是A/D轉(zhuǎn)換鍵，則進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換ACALL

39、 ADACALL FILTACALL FUZZYACALL DIRML2:ACALL T10； 等待采樣時(shí)間AJMP ML12.6校準(zhǔn)程序 正常情況下數(shù)字溫度表運(yùn)行在測(cè)量顯示狀態(tài)下，校準(zhǔn)的啟動(dòng)是通過響應(yīng)按SET鍵長按2s的方式來實(shí)現(xiàn)的，本次設(shè)計(jì)選擇P2.7為進(jìn)入校準(zhǔn)狀態(tài)的按鍵輸入端。校準(zhǔn)程序入口也就是設(shè)在單獨(dú)的子程序中，進(jìn)入子程序后，進(jìn)行如下操作: 1.按鍵去抖動(dòng)、干擾檢查。進(jìn)入循環(huán)活動(dòng)狀態(tài)。 2.判斷是否己經(jīng)在校準(zhǔn)狀態(tài)，如果已經(jīng)在校準(zhǔn)狀態(tài)，則表示是在校準(zhǔn)中途按下SET鍵，表示放棄校準(zhǔn)，此時(shí)不保存校準(zhǔn)數(shù)據(jù)到 E2PROM，直接復(fù)位系統(tǒng)，進(jìn)入正常測(cè)量顯示狀態(tài)。 3.進(jìn)入逐點(diǎn)校準(zhǔn)循環(huán)。 4. LE

40、D顯示。 5.掃描按鍵KYE NXET是否按下。 6.調(diào)入校準(zhǔn)點(diǎn)數(shù)據(jù)。 7. LED顯示進(jìn)入校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)狀態(tài)。 8.掃描按鍵KEY NETX是否按下。 9.判斷E2PROM值與現(xiàn)有輸入值是否相同，相同則不往E2PROM里寫入，不相同則開始寫入E2PROM。 10.顯示測(cè)量數(shù)據(jù)(放電時(shí)間比率)。 11.掃描按鍵KYE NEXT是否按下。 12.此點(diǎn)數(shù)據(jù)存入內(nèi)存。 13.循環(huán)進(jìn)入下一點(diǎn)。 14.全部校準(zhǔn)點(diǎn)結(jié)束后，退出校準(zhǔn)程序，校準(zhǔn)數(shù)據(jù)存入E2PROM。15.調(diào)用復(fù)位程序，重新初始化系統(tǒng)，進(jìn)入測(cè)量狀態(tài)。3 控制算法的研究3.1 PID算法的研究PID是一種負(fù)反饋控制，用設(shè)定的控制目標(biāo)值與受控對(duì)象的輸出

41、反饋值相比較，對(duì)其差作比例、微分、積分后用來控制受控對(duì)象。PID控制規(guī)則: u = (3-1) 式中占為比例帶，介為積分時(shí)間，與為微分時(shí)間。傳遞函數(shù)為:G= (3-2)、TI、TD的改變對(duì)控制作用影響很大: 越大，比例調(diào)節(jié)的殘差越大，從這一點(diǎn)說，越小能使殘差越小。但小則使調(diào)節(jié)系統(tǒng)的開環(huán)增益加大，從而可能導(dǎo)致系統(tǒng)激烈振蕩甚至不穩(wěn)定，系統(tǒng)首先要穩(wěn)定，所以比例帶的設(shè)定必須保證一定的穩(wěn)定裕度TI越大即積分速度越小，積分作用越弱，使過度時(shí)間變長，達(dá)到穩(wěn)定的速度越慢。TI越小積分速度越快，而增大積分速度會(huì)降低控制系統(tǒng)的穩(wěn)定程度，直至出現(xiàn)發(fā)散的振蕩過程；TD則主要改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，TD增大會(huì)加快系統(tǒng)的響應(yīng)

42、，降低超調(diào)，增大系統(tǒng)穩(wěn)定性，但TD過大，會(huì)使系統(tǒng)的抗干擾能力減弱，而且微分環(huán)節(jié)對(duì)純滯后過程無效。PID控制器中，、TI、TD的選擇如果合適，則能發(fā)揮它們的長處，從而較好地控制系統(tǒng)，否則，不僅不能發(fā)揮各種調(diào)節(jié)作用，反而適得其反。3.2模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)模糊控制是一種以模糊集合論、模糊語言變量及模糊推理為基礎(chǔ)的一種計(jì)算機(jī)數(shù)字控制。模糊控制模仿人的思維通過把精確量模糊化，通過模糊推理，然后經(jīng)過清晰化處理得到控制量。3.2.1模糊控制算法模糊自動(dòng)控制是以模糊集合論、模糊語言變量及模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種計(jì)算機(jī)數(shù)字控制。尤其是模糊控制和遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及混沌理論等新學(xué)科相結(jié)合，正在顯示出其巨大的應(yīng)用潛力

43、。(1) 模糊控制原理模糊控制的引入隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用，自動(dòng)控制理論和技術(shù)獲得了飛躍的發(fā)展，在解決線性或非線性，定?；驎r(shí)變的多輸入多輸出系統(tǒng)問題上，獲得了廣泛的應(yīng)用。但是，采用傳統(tǒng)控制理論來設(shè)計(jì)一個(gè)控制系統(tǒng)，需要事先知道被控對(duì)象精確的數(shù)學(xué)模型，然后再根據(jù)給定的性能指標(biāo)選擇適當(dāng)?shù)目刂埔?guī)律，進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。然而，在許多情況下，被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型很難建立，有時(shí)甚至是不可能的。這樣一來，對(duì)于這類對(duì)象或過程就難以進(jìn)行自動(dòng)控制。與此相反，對(duì)于一些難以自動(dòng)控制的生產(chǎn)過程，有經(jīng)驗(yàn)的操作人員進(jìn)行手動(dòng)控制，卻可以達(dá)到滿意的效果。這是由于作為操作者的人在長期的操作實(shí)踐中獲得了對(duì)系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，在頭腦中形成了他

44、自己對(duì)該系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)模型，并積累了操作經(jīng)驗(yàn)?？偨Y(jié)人的控制行為，用語言描述人的手動(dòng)控制決策，形成一系列的條件語句和決策規(guī)則，進(jìn)而設(shè)計(jì)一個(gè)控制器，利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)這些控制規(guī)則，再驅(qū)動(dòng)設(shè)備對(duì)工業(yè)過程進(jìn)行控制，這就是模糊控制。實(shí)踐表明，模糊控制器具有以下幾個(gè)特點(diǎn):1.它不需要知道被控對(duì)象或過程的精確數(shù)學(xué)模型。 2.易于實(shí)現(xiàn)對(duì)不確定性系統(tǒng)和強(qiáng)非線性系統(tǒng)的控制。 3.對(duì)被控對(duì)象或過程參數(shù)的變化有較強(qiáng)的魯棒性。 4.對(duì)干擾有較強(qiáng)的抑制能力。模糊控制系統(tǒng)的組成 模糊控制系統(tǒng)是一種自動(dòng)控制系統(tǒng)，它是以模糊數(shù)學(xué)、模糊語言形式的知識(shí)表示和模糊邏輯為理論基礎(chǔ)，采用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)構(gòu)成的一種具有閉環(huán)結(jié)構(gòu)的數(shù)字控制系統(tǒng)。它的組

45、成核心是具有智能性的模糊控制器，其基本結(jié)構(gòu)如圖3.1所示。圖3.1模糊控制系統(tǒng)框圖模糊控制系統(tǒng)一般由四個(gè)部分組成: l.模糊控制器:它是以模糊邏輯推理為主要組成部分，同時(shí)又具有模糊化和去模糊功能的控制器。 2.輸入/輸出接口裝置:模糊控制器通過輸入/輸出接口從被控對(duì)象獲取數(shù)字信號(hào)量，并將模糊控制器決策的輸出數(shù)字信號(hào)經(jīng)過數(shù)模變換，將其轉(zhuǎn)變?yōu)槟M信號(hào)，送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)去控制被控對(duì)象。 3.廣義對(duì)象:包括被控對(duì)象和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。被控對(duì)象可以是線性或非線性的、定常或時(shí)變的、也可以是單變量或多變量的、有時(shí)滯或無時(shí)滯的以及有強(qiáng)干擾的多種情況。4.傳感器:傳感器是將被控對(duì)象或各種過程的被控制量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的一類裝置

46、。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(gè)控制系統(tǒng)的精度。3.2.2模糊控制的基本概念(1)模糊集合模糊集合用于在無法明確地定義元素是否屬于集合的情況下，利用一種度量來表示某一元素屬于這一集合的程度，這就是隸屬度，也就是級(jí)別。當(dāng)一個(gè)元素肯定屬于這一集合時(shí)，級(jí)別為1，肯定不屬于這一集合時(shí)，級(jí)別為0，其余的級(jí)別為0到1的中間值。以論域?yàn)殡x散有限集xl, x2., xn為例，設(shè)A (xi)=ui(i=1,2.n)，模糊集合用扎德法表示如下: A= （3-3）(2)量化因子 連續(xù)論域進(jìn)行離散化的過程稱為量化。設(shè)有連續(xù)論域a, b，量化后的離散論域?yàn)?n，-n+1,，0,，n-

47、1, n，將連續(xù)論域分為2n段，則有系數(shù)K=2n/ (b-a)，K稱為量化因子。(3)比例因子 偏差的基本論域與偏差的實(shí)際變化范圍的比值稱為比例因子。當(dāng)偏差的實(shí)際變化范圍超出基本論域的范圍時(shí)，采用最大輸出或零輸出。對(duì)于偏差的任何采樣值，乘以比例因子后取整，可以得到相應(yīng)的值。3.2.3模糊控制過程模糊控制過程可以分為以下三個(gè)步驟:模糊化過程、模糊推理過程和反模糊化過程。(1)模糊化過程 模糊化(Fuzzification)就是將基礎(chǔ)變量論域上的確定量變換成基礎(chǔ)變量論域上的模糊集的過程。其主要功能就是根據(jù)輸入變量的隸屬度函數(shù)求出精確輸入量相對(duì)于輸入變量各語言值的隸屬度。常規(guī)控制都是用系統(tǒng)的實(shí)際輸出

48、值與設(shè)定值相比較，得到一個(gè)偏差值E，控制器根據(jù)這個(gè)偏差值及偏差值的變化率來決定如何對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制。無論是偏差還是偏差的變化率都是精確的輸入值，要采用模糊控制技術(shù)就必須首先把它們轉(zhuǎn)換成模糊集合的隸屬函數(shù)。因此，要實(shí)現(xiàn)模糊控制就要先通過傳感器和變送器把被控量變換成電量，再通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換器得到精確的數(shù)字量。精確輸入量輸入至模糊控制器后，首先要把精確量轉(zhuǎn)換成模糊集合的隸屬函數(shù)，這就是精確量的模糊化或者模糊量化。(2)模糊推理過程 模糊推理過程就是對(duì)于給定的模糊輸入量，模糊控制器根據(jù)判定的模糊規(guī)則和事先確定好的推理方法進(jìn)行模糊推理，求出模糊輸出量的過程。模糊推理是模糊控制器的核心，它具有模擬人類基于模糊

49、概念的推理能力，是基于模糊邏輯中的蘊(yùn)含關(guān)系及推理規(guī)則來進(jìn)行的。模糊控制是模仿人的思維方式和人的控制經(jīng)驗(yàn)來實(shí)現(xiàn)的一種控制。根據(jù)有經(jīng)驗(yàn)的操作者或者專家的經(jīng)驗(yàn)制訂出相應(yīng)的控制規(guī)則即是模糊控制規(guī)則，它是模糊控制器的核心。為了能存入計(jì)算機(jī)，就必須對(duì)控制規(guī)則進(jìn)行形式化處理，再模仿人的模糊邏輯推理過程確定推理方法，控制器根據(jù)制訂的模糊控制規(guī)則和事先確定好的推理方法進(jìn)行模糊推理，得到模糊輸出量，即模糊輸出隸屬函數(shù)，這就是模糊控制規(guī)則的形成和推理。其目的是用模糊輸入值去適配控制規(guī)則，為每個(gè)控制規(guī)則確定其適配的程度，并通過加權(quán)計(jì)算合并那些規(guī)則的輸出。(3)模糊量的去模糊模糊量的去模糊(Defuzzificatio

50、n)就是將基礎(chǔ)變量論域上的模糊集變換成基礎(chǔ)變量論域上的確定值的過程。根據(jù)模糊邏輯推理得到的輸出模糊隸屬函數(shù)，用不同的方法找一個(gè)具有代表性的精確值作為控制量，就是模糊量的去模糊；它要求在推理得到的模糊集合中取一個(gè)最能代表這個(gè)模糊推理結(jié)果可能性的精確量，去控制或驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。(4)模糊控制器及系統(tǒng)設(shè)計(jì) 模糊控制器(Fuzzy Controller)在模糊自動(dòng)控制系統(tǒng)中占有舉足輕重的地位，因此在模糊控制系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)和調(diào)整模糊控制器的工作是很重要的。模糊控制器的設(shè)計(jì)包括以下幾項(xiàng)內(nèi)容:(1)確定模糊控制器的輸入變量和輸出變量。(2)設(shè)計(jì)模糊控制器的控制規(guī)則。 (3)建立模糊化和反模糊化的方法。 (4)選擇模糊控制器的輸入變量及輸出變量的論域并確定模糊控制器的參數(shù)(如量化因子、比例因子)。 (5)編制模糊控制算法的應(yīng)用程序。 (6)合理選擇模糊控制算法的采樣時(shí)間。(5)模糊控制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模糊控制器有兩種組成方式，一種是由模糊邏輯芯片組成的硬件專用模糊控制器，它是用硬件芯片來直接實(shí)現(xiàn)模糊控制算法；另一種是用微處理器組成硬件系統(tǒng)，用軟件來實(shí)現(xiàn)模糊控制算法，這種模糊控制器的特點(diǎn)是資源開銷小、靈活性高、通用性強(qiáng)、應(yīng)用范圍廣。在一般控制系統(tǒng)中，目前多采用第二種方式。模糊控制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是指確