利用模糊控制方法進行溫度檢測

段 毅

深圳瑞萊保核能技術發展有限公司大連分公司 遼寧 大連 116600

利用模糊控制方法進行溫度檢測

段 毅

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溫度是一項在工業控制中十分常用的參數，在工業過程控制中有著舉足輕重的作用。特別是在復雜的控制過程中，一般的被控對象都有純滯后的特性，還有非線性，并且在工業現場還可能有多種外部干擾，通常使用的PID控制算法，在這么復雜的工業環境中的控制效果不太令人滿意。而模糊控制方法的本質是非線性的自適應的控制方法，對于那些含有較大純滯后的非線性系統，其控制效果很不錯。本文主要討論的是基于89C51單片機的溫度模糊控制的設計。

溫度控制；單片機；模糊控制

1 溫度檢測技術與模糊控制在現代工業控制中的意義

圖1 系統總體結構框圖

溫度作為一項重要的熱工參數，在工業現場中起著舉足輕重的作用。隨著自動化水平的不斷提高和社會對產品質量要求的提高，對溫度的監控測量精度、響應快慢、系統的穩定性還有適應能力等方面要求越來越高，測溫范圍越

來越大，所以，溫度測控技術的研究是一個重要的研究項目。在鋼鐵加工、機械制造、電力、石油加工、化工等工業生產中，溫度是極為普遍又極為重要的熱工參數之一。為了保證所生產的產品質量，對于溫度的良好控制是十分重要的。溫度具有非線性、隨機性、滯后性等特性。

溫度檢測技術主要有測量溫度和控制溫度兩個方面。在控制溫度方面，由于現代工業的發展，控制的對象愈加的復雜，問題還是有很多沒有得到解決。人們正在努力的去探索研究更多更好的控制方法來滿足不同的控制要求。在現代工業控制中人們嘗試使用模糊控制方法來控制對象，資料顯示其控制能力在很多方面要強于傳統的PID控制方法。傳統的PID控制或者是極點配置PID等經過改進的PID控制方法在控制能力方面確實是有比較大的提升，但是PID控制方法要求開始就知道被控對象的精確的模型。對于一些含有高頻噪聲、高非線性、高強度耦合的或者動態參數變化的被控對象來說，我們很難甚至沒有辦法得到其準確的模型，這個時候使用PID算法的控制方法通常很難達到讓人滿意的效果，有的時候倒還比不上經驗豐富的操作者進行手工操作的效果。

在測量溫度方面，在工業溫度檢測領域中，大多使用熱電阻和熱電偶，因為它們的穩定性好，價格低廉，精度也能達到控制要求。在使用熱電阻和熱電偶時主要的問題是線性化，現在有很多線性化的方法，但是存在變換電路復雜化，穩定性較差，軟件和硬件使用量大等問題。所以對于工業生產控制尋求一種簡單穩定的測量電路和線性化電路是十分重要和必要的。

2 總體電路的設計

溫度檢測系統硬件電路總體設計如圖1。溫度傳感器選用熱電偶溫度傳感器。通過測溫電路，將微弱信號放大至0～5V的電壓信號，送入A/D轉換器中，經過轉換之后將模擬信號轉換成數字信號，并且送入單片機內部，單片機通過一系列運算將實時溫度值與預設值進行比較，根據偏差值的大小，通過模糊控制算法進行計算，得到單片機的輸出控制量，將此控制量送入D/A轉換器中，轉換成4到20毫安的電流，來控制調壓模塊的輸出電功率，達到控制溫度的目的。同時單片機通過LED顯示電路將實時溫度顯示出來。這樣整套系統就達到了測試控制被控對象溫度的目的了。

3 顯示電路與鍵盤電路

在含有單片機的控制系統中，經常使用LED數碼管來顯示各種數據或著符號。因為LED數碼管顯示十分清楚、亮度比較高、需要電壓低、使用壽命比較長，所以使用十分廣泛。LED數碼管有兩種顯示方法一是動態掃描，動態掃描是用接口電路把顯示器的8個字段的同相端連接在一起，但是各個顯示器的公共COM端各自接受I／O口的控制。是相互獨立的。當CPU向數碼管輸出字型編碼時，全部的顯示器接受到的是相同的字型編碼，但到底由哪一個顯示器顯示則是由I／O口決定。動態掃描的方法是通過I/O口輪流控制各個顯示器的公共COM端，使得每個顯示器依次點亮。在連續點亮過程中，每個顯示器的發光時間非常短暫，人的視覺神經是分辨不出來的，所以給人的印象就是每個顯示器都是一直在發光的。

二是靜態顯示方法：顯示驅動電路具有輸出鎖存的功能，單片機將需要顯示的數據編碼發送后就不會再控制LED數碼管了，一直等到下一次顯示數據時再重新傳送新的數據編碼，來取代原來的編碼。所以如果現在要顯示的數據編碼沒有變化的話，就不用控制LED數碼管了。靜態顯示方法顯示數據比較穩定，并且占用的CPU機器時間很少。但是在靜態顯示中，每一個顯示器都要各自占用一個I／O口，這樣的話單片機只要把要顯示的數據編碼發送至接口電路，所要顯示的字段就可以直接顯示要發送的字型了。如果要顯示新的字形，單片機只要再重新發送新的字型編碼就可以了[1]。

4 結論

本文以模糊控制方法的基礎知識為基礎，對設計模糊控制器的方法進行了研究，并對模糊控制方法的實現做了介紹，尤其是應用到單片機上的實現方法進行了研究，并且介紹了模糊控制方法中的隸屬函數的計算，還有制定控制規則的方法，模糊控制方法應用到工業控制中，能夠發揮出模糊控制方法在工控中的優勢，其響應時間很短，控制精度也有提高，調節方便。通過對數據的分析，本系統有較好的控溫功能。在完成本次設計過程中，主要有以下這些結論：

（1）了解到了模糊控制方法的原理，還有模糊控制器的基本結構，模糊控制算法用來控制含有純滯后性的和時變性的對象效果比較好。

（2）將模糊控制方法運用在溫度控制系統中。設計出模糊控制器，它對于那些數學模型模糊粗糙的溫度系統實行了溫度控制。與傳統的控制器相比較，控制效果要好，系統的超調量比較小，響應時間短暫，穩態誤差也很小。而且從理論上講，對于不同的控制對象，就算參數不變，控制效果同樣讓人滿意。

（3）了解了一些芯片和傳感器的知識，還有執行器全隔離單相交流一體化調壓模塊，ADC0832轉換芯片，K型熱電偶傳感器的基本知識。

（4）對單片機的知識重新做了梳理，加深了89C51各個引腳的作用，而且把平時在其他領域的知識也結合在了一起，比如數字電路里面的A/D轉換和放大電路。

該系統還有地方值得商榷，對于模糊控制方法，對于控制那些數學模型模糊的系統的優勢還是很明顯的。控制規則我覺得還可以進一步優化。

[1] 楊鈺，張志祥.基于模糊單片機的溫控系統設計[M].北京：自動化與儀器儀表出版社，2002.

[2] 李士勇.模糊控制、神經控制和智能控制論[M].哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，1998：57-61.

[3] 余永權，曾碧.單片機模糊邏輯控制[M].北京:北京航空航天大學出版社，1995.

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