基于模糊PID的AVR單片機智能溫度控制系統設計

王欣峰　任淑萍

摘 要： 傳統溫度控制系統對時變非線性溫度缺乏彈性控制效果，因此提出基于模糊PID的AVR單片機智能溫度控制系統設計。根據模糊PID語言和規則描述整個系統動態特性和靜態各個組件性能指標，完成系統原理結構圖的設計，依據AVR單片機兼容性架構智能溫度控制系統硬件框圖，實現人機交互操作。采用模塊化思想，將系統軟件劃分為4個部分，由此進行軟件主流程設計，經過模糊化處理可獲得輸入與輸出變量隸屬函數曲線，通過對不同模糊PID參數控制可確定溫度控制規則。通過實驗驗證可知，該系統設計具有合理性，且對時變非線性溫度的彈性控制效果良好。

關鍵詞： 模糊PID； AVR單片機； 智能； 溫度； 彈性控制； 隸屬函數

中圖分類號： TN876?34； TK323.1 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）15?0179?04

Design of fuzzy PID based intelligent temperature control system by means

of AVR microcontroller

WANG Xinfeng1， REN Shuping 2

（1. Department of Automation， Shanxi University， Taiyuan 030013， China；

2. Department of Electronic Information Engineering， Shanxi University， Taiyuan 030013， China）

Abstract： The traditional temperature control system has poor elastic control effect for time?varying nonlinear temperature. A fuzzy PID based intelligent temperature control system is designed by means of AVR microcontroller. The fuzzy PID language and rules are used to describe the dynamic characteristic of the whole system and static performance index of each component to complete the design of system principle structure. According to the compatibility of AVR microcontroller， the hardware block diagram of the intelligent temperature control system is constructed to realize the man?machine interactive operation. The thought of modular is used to divide the system software into four parts to design the main process of software. The deviation and deviation rate of the input signal are processed with fuzzification to obtain the membership function curve of input and output variables. The different fuzzy PID parameters are controlled to determine the temperature control rules. The experimental results show that the design of the system is reasonable， and has perfect elastic control effect for the time?varying nonlinear temperature.

Keywords： fuzzy PID； AVR microcontroller； intelligence； temperature； elastic control； membership function

0 引 言

溫度作為控制系統的基本組成元素，對系統內部維持狀態具有較大影響。目前，溫度控制系統已經在我國各個地區廣泛應用，具有良好的發展前景。但是在實際應用中，有些部門或者企業對于溫度變化控制的要求十分嚴格，為此對溫度控制系統必須實施嚴密監控操作，當前AVR單片機已經成為該領域的核心元件[1]。對于AVR單片機智能溫度控制系統的設計也成為目前人們熱烈討論的話題。傳統系統雖然是應用最廣泛的系統之一，但是其對時變非線性的系統來說，對溫度進行彈性控制卻很難達到效果，而且溫度信號還容易出現延遲性和滯后性，模型也具有不確定性，為此提出基于模糊PID的AVR單片機智能溫度控制系統設計。

由于PID算法具有高穩定性和強魯棒性，為此在硬件設計方面可伴隨電子技術的發展而得到有效技術支持。通過對系統進行實驗驗證可知，該系統的設計具有合理性，且彈性較好，能夠對溫度進行彈性控制。

1 PID模糊控制AVR單片機智能溫度系統設計

模糊控制使用模糊語言和規則描述整個系統的動態特性和靜態各個組件性能指標。該系統的特點是在未知被控制對象的情況下，對模型進行精確描述，方便控制不確定對象和非線性對象，被控制對象的參數具有強魯棒性，針對干擾因素具有較強的抑制能力。但是模糊控制僅僅局限于對控制系統缺乏分析和標準設計步驟，而且規則庫數據也缺乏完整性，沒有確切的控制結構。采用PID控制器簡單結構能夠滿足大量工業生產的需求[2]。由于PID本質上具有線性控制屬性，而模糊控制也具有智能屬性，這兩者都屬于非線性領域，為此，將模糊控制與PID結合能夠使系統同時具備這兩種優點。

1.1 控制系統硬件設計

系統由電源、PID控制算法、溫度檢測儀器、鍵盤、顯示屏、上位機和開關組成，系統原理結構如圖1所示。

1） 系統電源部分利用變壓器將外部電線產生的交流電壓220 V變為10 V，然后利用整流器件將直流電壓進行整流，供AVR單片機系統使用。

2） 主控制部分采用AVR單片機，該單片機是一個具有2 Kb FLASH可編程和可擦除的存儲器，并在低壓條件下可對高性能單片機進行設置。

3） 溫度測試儀采用單線數字的溫度傳感器，該傳感器溫度測試范圍為-500～1 250 ℃，現場溫度直接以“一線總線”數字方式進行傳輸，進而大大提高了系統抗干擾性[3]。

4） 鍵盤可直接利用3個按鍵實現操作，其中1個按鍵能夠實現控制溫度與實際溫度的彈性切換，其余2個按鍵的實現是在溫度增加或減少上進行特定值設置，再次按下切換鍵能夠返回到當前需要控制的溫度。

5） 顯示屏設計利用42寸大屏幕的164位單片機，將其中的1位輸入變成8位，其次將輸出數據傳送到LED中進行顯示[4]。

6） 系統采用MAX232芯片直接與上位機通信。

7） 輸出部分采用固態繼電器連接方式直接將AVR單片機數據輸出，轉換為20 V交流電，可用來控制系統開關通斷性，從而達到控制溫度智能變化的目的。

AVR單片機與系統內核指令能夠完全兼容微控制器，單片機內部可以集成控制系統，針對數據采集可以使用模擬部件實現數字功能，而且該功能還具有標準的數字外部組件，可將AVR單片機標記為獨立管理模擬系統，關閉單個或者全部功能可降低系統溫度能量損耗[5]。FLASH存儲器具有強大的在線編輯能力，也可作為存儲器將不易丟失數據進行存儲。經過對比組件之間的性能發現，溫度控制系統設計的難度也得到了較大程度的緩解。隨著AVR單片機被成功納入8位單片機中，可根據系統實際需求，將單片機作為系統核心控制組件。主要硬件結構框架如圖2所示。

由于單片機內部具有A/D轉換器，能夠滿足溫度控制彈性要求，因此在該系統中無需借助外部器件進行通知，輸出的控制電路可作用于單片機輸出模擬信號，并對其進行隔離等操作[6]。前置電路能夠實現對溫度傳感器所傳達的微小信號的過濾，在執行時，可實現電能與機械能之間的能量轉換，并將機械能作為主要能量實現溫度的智能控制動作操作，根據控制系統中的組件差異選擇合適的控制類型。根據AVR單片機中的USB功能，借助接口可實現與U盤之間的信息交換，進而達到溫度數據保存、倒出與調整[7]。

為了實現人機交互操作，在系統中引入鍵盤、顯示器和蜂鳴器實現具體操作，設定特定鍵盤輸入符號，根據不同的功能鍵和數字鍵，用戶可借助鍵盤完成數據的編輯和參數設置。顯示屏可協助鍵盤完成人機之間的操作，還可對系統進行實時控制，進而實現人機交互的功能。蜂鳴器和指示燈可根據溫度變化規則設定預定值，如果超出預定值則發出報警聲[8]。微型機可拷貝輸出的溫度數據，并控制記錄。

1.2 控制系統軟件設計

溫度控制系統軟件部分采用模塊化思想，可分成4個部分，分別是數據采集模塊、輸出控制模塊、數據交互模塊和人機接口模塊。其中，數據采集模塊使用AVR單片機自帶的A/D轉換器，將模擬量轉換為數字形式進行濾波處理；輸出控制模塊使用PID模糊算法，根據數據采樣值和用戶設定的數值進行計算，并利用單片機中自帶的A/D轉換器轉變成模擬量；數據交互模塊通過USB接口與AVR單片機中的芯片進行連接，從而獲取U盤數據；人機接口模塊主要負責鍵盤、顯示屏和打印機之間數據的轉換與處理，其中蜂鳴器和指示燈的數據需要處理才可進行下一步操作[9]。軟件部分的監控任務需要AVR單片機自帶的看門狗完成。

系統軟件部分設計流程如圖3所示。

1.2.1 模糊化處理

智能溫度控制系統將獲取的信號轉換成數字形式，設定溫度值并輸入到語言變量溫度差中，與偏差變化率進行比較，并將輸出的信號變量作為PID參數進行調節，實現模糊PID溫度實時調節功能。如果要對輸入信號偏差和偏差變化率進行模糊化處理，那么在進行處理時，需設置偏差的基本論域以及偏差模糊集合論域。模糊偏差變化率基本論域是在偏差所取范圍內的集合，經過計算獲取偏差精準量，然后將精準量進行離散處理，經過離散后的偏差具有連續性，可進行檔數等級劃分[10]。為了實現模糊化處理，需將輸入量從基本論域轉變為模糊集合論域，在整個轉換過程中，需借助量化因子完成。

根據上述PID模糊化處理，可以獲得輸入值和輸出值，其中模糊子集包括{負大，負中，負小，零，正小，正中，正大}，由此可獲得隸屬函數曲線。輸入、輸出變量隸屬函數曲線如圖4，圖5所示。

1.2.2 模糊PID溫度控制規則確定

為了獲取溫度控制良好的動靜態特性，利用模糊PID參數設置在不同輸入區域內選取不同參數，從系統設計穩定性、持續響應時間、穩態精準度等角度出發，通過對不同參數進行控制可影響整個系統的性能。經過歸納可得到以下模糊PID溫度控制規則：

1） 如果偏差較大，那么系統為了縮短持續響應時間，需加快響應速度，預防偏差產生。一旦偏差出現，那么系統很有可能會因為過分飽和而出現控制失效的現象，為此針對PID參數選取，應選擇一個較大參數作為上限，一個較小參數作為下限，另一個參數為0。

2） 如果偏差和偏差變化率都為中等大小，為了使系統溫度調節控制在一定范圍內，需保證響應速度一定，在該情況下，應選取兩個較小參數和一個中等值參數。

3） 如果偏差較小，為了保證系統穩定性較強，應選擇兩個較大參數值，同時，為了避免輸出響應值與設定值接近，應增強系統的抗干擾能力，適當選取參數。當偏差率較小時，參數選擇最大值；當偏差率較大時，參數選擇最小值[11]。

2 實驗

為了驗證基于模糊PID的AVR單片機智能溫度控制系統設計的合理性，進行對比實驗。

2.1 實驗流程

模糊PID參數設定的目的是方便找出PID參數與誤差[s]和誤差變化[ss]之間的模糊關系，并在實驗過程中不斷對誤差情況進行檢驗；其次根據模糊控制原理對實驗參數進行在線修改，可滿足不同誤差[s]和誤差變化[ss]對控制器參數的不同要求，致使被控制AVR單片機能夠具有良好的動靜智能溫度控制性能，計算量小，方便單片機智能溫度控制實現。模糊自整定的PID控制系統實驗流程如圖6所示。

由圖6可知，模糊控制器是溫度智能控制系統的核心部分，通過計算機相應程序能夠實現模糊控制規律。

采用二維模糊控制方法，再次將輸入誤差[s]和誤差變化[ss]作為輸入變量，將PID整定的參數作為控制變量，將傳統控制系統與本文控制系統進行對比，可有效驗證本文系統設計的合理性。

2.2 實驗結果與分析

實驗流程是由[n]個文件進行編寫的，對傳遞函數需要進行離散化處理，將0.001 s設為一個步長，實驗時長共0.5 s，其中在第200個采樣瞬間進行脈沖加載來驗證系統抗擾動性。通過實驗調整可知，當初始PID參數分別為a=0.4，b=0.0，c=1.0時，智能溫度控制曲線能夠充分表現出理想效果，將傳統控制系統與本文控制系統的階躍響應情況進行對比，結果如圖7所示。

通過圖7可知，當溫度控制時間為0.05 s時，傳統系統持續響應時間為0.6 s，本文系統持續響應時間為1.1 s，此時兩種系統持續響應時間最長；當溫度控制時間為0.2 s時，傳統系統持續響應時間為0.2 s，本文系統持續響應時間為0.98 s，此時兩種系統持續響應時間較短。由此可知，本文系統設計的智能溫度控制能夠使系統持續響應時間延長，使控制過程在充足時間內完成。

在充足時間內，驗證兩種系統對溫度控制的彈性，結果如表1所示。由表1可知，在相同時間下，所需溫度一定，傳統系統隨著時間增加，溫度控制彈性較差，不能與所需溫度匹配；而本文系統隨著時間增加，溫度控制彈性較好，能夠與所需溫度保持一致。

3 結 語

本文根據AVR單片機智能溫度變化特點，將PID動態模糊技術應用到其中，設計具有良好性能的單片機智能溫度控制系統。該系統可采用模糊PID方式輔助系統完成設計，并將單片機作為系統控制核心部分，能夠彌補傳統溫度控制系統存在溫度控制彈性差的問題。此外，PID控制系統還具有靈活性，能夠實現數據自動采集與處理，進而為溫度控制提供有效依據，優化工藝操作，降低生產成本，得到良好的生產效益。

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