基于單片機(jī)的雙模糊溫度控制器設(shè)計(jì)

佘東

（四川機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 四川 攀枝花 617000）

現(xiàn)代工業(yè)控制中，溫度控制十分重要且日益復(fù)雜化。由于溫度控制具有的非線(xiàn)性、大滯后、時(shí)變性、升溫單向性等特點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中難以建立精確的數(shù)學(xué)模型，無(wú)法用經(jīng)典控制理論及現(xiàn)代控制理論來(lái)解決實(shí)現(xiàn)溫度控制效果。目前，現(xiàn)代智能控制中不依賴(lài)對(duì)象數(shù)學(xué)模型、能有效控制時(shí)變和非線(xiàn)性系統(tǒng)的模糊控制已普遍應(yīng)用于工業(yè)溫度控制中。通過(guò)對(duì)溫度的基本模糊控制，可達(dá)到較好的控制效果，但存在一定的穩(wěn)態(tài)誤差，難以達(dá)到較高的控制精度。若根據(jù)系統(tǒng)不同的工作狀態(tài)采用不同的溫度模糊控制，即雙模糊控制，可大幅度改善穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度，同時(shí)利用單片機(jī)作為主控芯片，可有效完成溫度模糊處理及溫度實(shí)時(shí)控制且可靠性高。

1 控制器功能及硬件設(shè)計(jì)

雙模糊溫度控制器主要以單片機(jī)為主控芯片，主要負(fù)責(zé)溫度的模糊化處理、模糊控制算法實(shí)現(xiàn)、輸出溫度的大小控制處理。工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)溫度通過(guò)溫度傳感器采集，傳感器輸出信號(hào)經(jīng)變送器轉(zhuǎn)變?yōu)?～5 V的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后與溫度設(shè)定值進(jìn)行比較，得到溫度誤差信號(hào)e及溫度變化率ec，并在系統(tǒng)初始階段和穩(wěn)態(tài)階段將兩者送入不同的單模糊控制器進(jìn)行模糊處理，得到輸出控制量u，經(jīng)隔離放大后控制功率可控硅改變加熱元件功率，從而完成溫度的調(diào)節(jié)。其溫度控制系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

溫度控制器主控芯片采用ATMEL公司的AT89S52單片機(jī)，該單片機(jī)是一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8 kB在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器和256B RAM，32位I/O線(xiàn)，3個(gè)16位定時(shí)器，6個(gè)中斷源以及看門(mén)狗定時(shí)器等，可滿(mǎn)足溫度控制器的基本設(shè)計(jì)及擴(kuò)展設(shè)計(jì)需求。

溫度傳感器采用鎳鉻/鎳硅熱電偶，該熱電偶具有線(xiàn)性度好，熱電動(dòng)勢(shì)較大，靈敏度高，穩(wěn)定性和均勻性較好等特點(diǎn)，其使用溫度為0～1 300℃，對(duì)應(yīng)輸出為0～52.37 mV[1]。溫度變送器采用DBW型，把熱電偶輸出的毫伏信號(hào)轉(zhuǎn)換為0～5 V標(biāo)準(zhǔn)模擬信號(hào)。該信號(hào)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809的IN0通道輸入，從而轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再由AT89S52單片機(jī)利用控制程序從P0口輸入其內(nèi)部RAM單元，以便與溫度設(shè)定值進(jìn)行比較[2]。模糊控制器輸出控制量通過(guò)P1.0輸出，通過(guò)光電雙向可控硅驅(qū)動(dòng)器MOC3051去驅(qū)動(dòng)功率可控硅，從而改變加熱元件的加熱功率，以實(shí)現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)的目的。

考慮到系統(tǒng)的人機(jī)互動(dòng)，利用并行接口芯片8155進(jìn)行I/O口擴(kuò)展，以完成鍵盤(pán)輸入及顯示器輸出的設(shè)計(jì)。其中鍵盤(pán)采用矩陣式鍵盤(pán)，負(fù)責(zé)參數(shù)的設(shè)定和一些開(kāi)關(guān)量的輸入，如：?jiǎn)?dòng)、停止、復(fù)位、溫度設(shè)定、設(shè)定值修改、溫度數(shù)字鍵等；而顯示器采用LED顯示器，用于同時(shí)顯示系統(tǒng)設(shè)定溫度及實(shí)際溫度。

圖1 溫度控制系統(tǒng)原理框圖Fig.1 Schematic diagram of temperature control system

2 雙模糊控制算法設(shè)計(jì)

2.1 雙模糊控制器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本模糊控制器采用雙模糊控制結(jié)構(gòu)以及典型的雙輸入、單輸出方式，如圖2所示。將溫度設(shè)定值與溫度反饋值之間的誤差e及變化率ec作為輸入量，將溫度控制量u作為輸出量。由于系統(tǒng)在不同的控制狀態(tài)下存在大小不同的誤差，若考慮單模糊控制器設(shè)計(jì)，將使系統(tǒng)的快速響應(yīng)及控制精度之間存在矛盾[3]，兩者無(wú)法兼顧。為此，采用雙模糊控制器設(shè)計(jì)，并人為設(shè)置一個(gè)誤差臨界值完成雙模控制切換[4]。在系統(tǒng)初始階段，系統(tǒng)誤差較大，使用系統(tǒng)因子 Kec、Ku相對(duì)較小（如Kec1、Ku1）的模糊控制器，以實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)，消除誤差的目的；在系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)階段，系統(tǒng)誤差較小，使用系統(tǒng)因子Kec、Ku適當(dāng)增加（如Kec2、Ku2）的模糊控制器，以改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。

圖2 雙模糊控制器結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of the double fuzzy controller

2.2 雙模糊控制策略

考慮溫度控制的特點(diǎn)，將誤差e、變化率ec及輸出量u的論域設(shè)為[-6，6]，將其量化為13個(gè)等級(jí)，并分別為誤差e、變化率 ec、輸出量 u 選取 7 個(gè)語(yǔ)言值，即{NL，NM，NS，ZO，PS，PM，PL}。三者的隸屬度函數(shù)均采用梯形分布[5]，如圖3所示。

圖3 誤差e、變化率ec、輸出量u的隸屬度函數(shù)Fig.3 Membership function of error e，error change rate ec and the output u

根據(jù)對(duì)工業(yè)過(guò)程控制的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，制定相應(yīng)的模糊控制規(guī)則表如表1所示。

表1 模糊控制規(guī)則表Tab.1 The rule table of fuzzy control

為提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)響應(yīng)速度，事先根據(jù)模糊控制規(guī)則表及語(yǔ)言變量賦值表，離線(xiàn)計(jì)算出模糊控制總表如表2所示，該表經(jīng)嚴(yán)格的實(shí)踐檢驗(yàn)和反復(fù)修改后存放在單片機(jī)的程序存儲(chǔ)器中。然后根據(jù)輸入量e及ec在不同工作狀態(tài)的實(shí)際變化范圍及其論域，計(jì)算出量化因子 Ke1、Kec1和 Ke2、Kec2，并確定出比例因子Ku1和Ku2。實(shí)際控制時(shí)，模糊控制器把系統(tǒng)在不同工作狀態(tài)下的輸 入量e及ec分別乘以相應(yīng)的Ke、Kec，并量化到輸入量的語(yǔ)言變量論域中，再根據(jù)量化的結(jié)果與模糊控制總表進(jìn)行比較，通過(guò)查表程序得到所需的輸出量U，最后乘以Ku，得到系統(tǒng)在不同工作狀態(tài)下的實(shí)際輸出控制量u。

3 控制器軟件設(shè)計(jì)

雙模糊溫度控制器的軟件采用模塊化設(shè)計(jì)思想，主要包括主程序、溫度采集程序、鍵盤(pán)/顯示控制程序、模糊控制算法程序等。下面主要給出主程序及模糊控制算法程序流程圖，分別如圖 4、圖5所示[6]。

4 結(jié)束語(yǔ)

文中提出的以單片機(jī)為控制核心的雙模糊溫度控制器，是以比例因子自整定模糊控制理論為基礎(chǔ)，根據(jù)系統(tǒng)誤差大小利用兩個(gè)系統(tǒng)因子不同的模糊控制器分別進(jìn)行溫度控制。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、適應(yīng)力強(qiáng)，可較大提高穩(wěn)態(tài)精度，對(duì)于溫度控制可以達(dá)到很好的控制效果，可廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。

表2 模糊控制總表Tab.2 Whole table of fuzzy control

圖4 主程序流程圖Fig.4 Flow chart of the main program

圖5 模糊控制算法程序流程圖Fig.5 Flow chart of fuzzy control algorithm program

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