模糊PID温度控制系统设计Word文档格式.docx

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XXX

指导教师：

XXX

完成日期：

2011年月日

摘要：

模糊PID的温度控制系统具有真正的智能化和灵活性，愈来愈多的温度控制系统都基于模糊PID算法而设计。

当控制对象很复杂的情形下，常规PID温度控制器已经再也不适用了，为了提高对复杂系统的控制性能，要利用模糊PID温度控制器。

本文设计了一种基于模糊PID的温度控制系统，以AT89C51单片机为核心，第一介绍了模糊PID控制理论基础、系统的硬件设计和硬件选择，第二从硬件和软件两方面介绍了MCS-51单片机温度控制系统的设计思路，简单说明如何实现对温度的控制，并对硬件原理图和程序框图作了简练的描述。

关键词：

模糊PID；

单片机；

温度传感器；

温度控制

FuzzyPIDTemperatureControlSystemDesigning

Abstract：

FuzzyPIDtemperaturecontrolsystemwithrealintelligenceandflexibility,moreandmoretemperaturecontrolsystemsaredesignedbasedonfuzzyPIDthecontrolobjectisacomplexsituation,conventionalPIDtemperaturecontrollerisnolongerapplied,inordertoimprovethecontrolperformanceofcomplexsystems,tousethefuzzyPIDtemperaturecontroller.

Thisdesignpresentsafuzzy-basedPIDtemperaturecontrolsystemtoAT89C51SCM,madethefollowingmain,firstintroducethetheoryoffuzzyPIDcontrol,forthehardwaredesignandhardwareselection,secondsingle-chip’stemperaturecontrolsystemisintroducedfromhardwareandsoftware,andsimplyexplainshowtoactualizethetemperaturecontrol.

Keywords:

FuzzyPID;

Single—ChipMicrocomputer;

Temperaturesensor；

Temperaturecontrolling

一、引言………………………………………………………1

（一）课题的提出和意义　………………………………4

（二）概述…………………………………………………4

（三）PID控制器的进展…………………………………6

二、模糊PID控制…………………………………………7

（一）模糊PID控制进展及长处…………………………7

（二）模糊控制理论………………………………………9

（三）模糊PID控制算法………………………………11

三、模糊PID温度控制系统的设计…………………………14

（一）系统硬件电路模型的成立………………………14

（二）系统设计原则及系统总电路图…………………15

（三）单片机和温度传感器的选择……………………16

（四）系统软件设计……………………………………25

四、系统调试………………………………………………28

（一）常见的硬件故障……………………………………28

（二）联机调试和脱机调试……………………………29

（三）软件调试方式……………………………………31

（四）误差分析…………………………………………32

五、结论……………………………………………………33

六、参考文献………………………………………………34

一、引言

（一）课题的提出和意义

随着社会的进展，温度的测量及控制变得愈来愈重要。

无论你生活在任何地方，从事什么工作，无时无刻不在与温度打着交道。

在工业高速进展中为了高效的进行生产，其中温度的测量及控制扮演者重要的角色。

准确测量和有效控制温度是优质，高产，低耗和安全生产的重要条件。

在钢铁、冶金、水泥、玻璃、医药等行业，能够说几乎80%的工业部门都不能不考虑着温度的因素。

温度的测量和控制不但对于工业超级重要，在农业生产中温度的测量与控制也有着十分重要的意义。

（二）概述

温度是生活及生产中最大体的物理量，它表征的是物体的冷热程度。

自然界中任何物理、化学进程都紧密的与温度相联系。

在很多生产进程中，温度的测量和控制都直接和安全生产、提高生产效率、保证产品质量、节约能源等重大技术经济指标相联系。

因此，温度的测量与控制在国民经济各个领域中均受到了相当程度的重视。

温度控制，在工业自动化控制中占有超级重要的地位。

单片机系统的开发应用给现代工业测控领域带来了一次新的技术革命，自动化、智能化均离不开单片机的应用。

将单片机控制方式运用到温度控制系统中，能够克服温度控制系统中存在的严峻滞后现象，同时在提高采样频率的基础上能够专门大程度的提高控制效果和控制精度。

现代自动控制愈来愈朝着智能化进展，在很多自动控制系统中都用到了工控机，小型机、乃至是巨型机处置机等，固然这些处置机有一个专门大的特点，那就是很高的运行速度，专门大的内存，大量的数据存储器。

但随之而来的是巨额的本钱。

在很多的小型系统中，处置机的本钱占系统本钱的比例高达20%，而对于这些小型的系统来讲，配置一个如此高速的处置机没有任何须要，因为这些小系统追求经济效益，而不是最在意系统的快速性，所以用本钱低廉的单片机控制小型的，而又不是很复杂，不需要大量复杂运算的系统中是超级适合的。

温度控制，在工业自动化控制中占有超级重要的地位，如在钢铁冶炼进程中要对出炉的钢铁进行热处置，才能达到性能指标，塑料的定型进程中也要维持必然的温度。

随着科学技术的迅猛进展，各个领域对自动控制系统控制精度、响应速度、系统稳固性与自适应能力的要求愈来愈高，被控对象或进程的非线性、时变性、多参数点的强烈耦合、较大的随机扰动、各类不肯定性和现场测试手腕不完善等，使难以按数学方式成立被控对象的精准模型的情形。

随着电子技术和应用需求的进展，单片机技术取得了迅速的进展，在高集成度，高速度，低功耗和高性能方面取得了专门大的进展。

伴随着科学技术的进展，电子技术有了更高的飞跃，咱们必需要好好地利用温度的测量和控制。

今天，咱们的生活环境和工作环境有愈来愈多称之为单片机的小电脑在为咱们服务。

单片机在工业控制、尖端武器、通信设备、信息处置、家用电器等各测控领域的应用中独占鳌头。

时下，家用电器和办公设备的智能化、遥控化、实现模糊控制化己成为世界潮流，而这些高性能无一不是靠单片机来实现的。

（三）PID控制器的进展

目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。

同时，控制理论的进展也经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。

智能控制的典型实例是模糊全自动洗衣机等。

自动控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。

一个控制系统包括控制器、传感器、变送器、执行机构、输入输出接口。

控制器的输出通过输出接口、执行机构，加到被控系统上；

控制系统的被控量，通过传感器，变送器，通过输入接口送到控制器。

不同的控制系统，其传感器、变送器、执行机构是不一样的。

比如压力控制系统要采用压力传感器。

电加热控制系统的传感器是温度传感器。

目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器已经很多，产品已在工程实际中取得了普遍的应用，有各类各样的PID控制器产品，各大公司均开发了具有PID参数自整定功能的智能调节器，其中PID控制器参数的自动调整是通过智能化调整或自校正、自适应算法来实现。

有利用PID控制实现的压力、温度、流量、液位控制器，能实现PID控制功能的可编程控制器，还有可实现PID控制的PC系统等等。

二、模糊PID控制

（一）模糊PID控制进展及长处

PID控制策略是最先进展起来的控制策略之一，现金利用的PID控制器产生并进展于1915-1940年期间虽然自1940年以来，许多先进的控制方式不断的推出，但由于PID控制具有结构简单、鲁棒性好、靠得住性高、参数易于整定，P、I、D控制规律各自成独立环节，可按照工业进程进行组合，而且其应历时期较长，控制工程师们已经积累大量的PID控制器参数的调节经验。

因此，PID控制器在工业控制中仍然取得普遍的应用，许多工业控制器仍然采用PID控制器。

PID控制器的进展经历了液动式、气动式、电动式几个阶段，目前正由模拟控制器向着数字化、智能化控制器的方向进展[2]。

在工程实际中，应用最为普遍的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。

PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳固性好、工作靠得住、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。

当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精准的数学模型时，控制理论的其它技术难以采历时，系统控制器的结构和参数必需依托经验和现场调试来肯定，这时应用PID控制技术最为方便。

即当咱们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手腕来取得系统参数时，最适合用PID控制技术。

PID控制，实际中也有PI和PD控制。

PID控制器就是按照系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。

1.比例（P）控制

比例控制是一种最简单的控制方式。

其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。

当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。

2.积分（I）控制

在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。

对一个自动控制系统，若是在进入稳态后存在稳态误差，则称那个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统。

为了消除稳态误差，在控制器中必需引入“积分项”。

积分项对误差取决于时刻的积分，随着时刻的增加，积分项会增大。

如此，即便误差很小，积分项也会随着时刻的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。

因此，比例+积分（PI）控制器，能够使系统在进入稳态后无稳态误差。

3.微分（D）控制

在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的转变率）成正比关系。

自动控制系统在克服误差的调节进程中可能会出现振荡乃至失稳。

其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后组件，具有抑制误差的作用，其转变老是掉队于误差的转变。

解决的办法是使抑制误差的作用的转变“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。

这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差转变的趋势，如此，具有比例+微分的控制器，就可以够提前使抑制误差的控制作用等于零，乃至为负值，从而避免了被控量的严峻超调。

所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分（PD）控制器能改善系统在调节进程中的动态特性。

（二）模糊控制理论

模糊控制是一种基于规则的控制，它直接采用语言型控制规则，起点是现场操作人员的控制经验或相关专家的知识，在设计中不需要成立被控对象的精准的数学模型，因此使得控制机理和策略易于同意与理解，设计简单，便于