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模糊炉温控制系统

第一章绪论3

1.1课题的背景3

1.2模糊控制的现状及原理4

1.3本文的设计思路5

第二章系统硬件6

2.1凌阳单片机的特点6

2.2硬件系统6

第三章模糊控制器的设计9

3.1模糊控制介绍9

3.2模糊控制器的设计9

3.3模糊控制器的优化11

3.3.1遗传算法的基本原理及特点11

3.3.2模糊控制器的遗传优化11

3.4仿真实验：

第四章系统软件14

4.1系统软件介绍14

4.1.1系统初始化程序14

4.1.2TimerA中断服务子程序15

4.1.3A/D转换子程序16

4.1.4数字滤波子程序17

4.1.5模糊控制程序18

4.1.6LED数码管显示程序设计21

4.1.7键盘扫描程序23

4.1.8按键处理程序23

4.1.9D/A转换子程序24

4.1.10通信模块25

4.2小结26

第五章结论27

谢词28

参考文献29

附录30

第一章绪论

1.1课题的背景

电阻炉是热处理工艺过程中应用最广、数量最多的电炉，其本身是一个较为复杂的被控对象。

电阻炉温度控制器在冶金、化工、机械等各类工业控制过程中都得到了广泛应用[1]。

电阻炉温控制系统是一个闭环反馈控制系统，他将温度传感器检测到的实际炉温经A/D转换后，送入计算机中，与设定值进行比较得出偏差，并将此偏差送入控制器中，经过计算得出对应的控制量控制可控硅驱动器，调节电阻炉的加热功率，从而实现对炉温的控制。

目前在炉温控制系统中最常采用的是PID控制，以PID算法为核心的各种形式DDC控制系统，是目前电加热炉温度控制系统普遍使用的方法[2]。

PID调节是最成熟且应用最广泛的一种控制方法。

在模拟控制系统中，其过程控制是将被测参数温度由传感器变换成统一的标准信号后输入调节器，在调节器中与给定值进行比较。

再把比较器的差值经PID运算后送到执行机构，改变进给量，以达到自动调节的目的。

在数字控制系统中则是用数字调节器来代替模拟调节器，按偏差的比例、积分和微分进行控制和调节。

PID调节器具有结构简单、调整方便和参数整定与工程指标密切相连等特点，对于大部分对象控制精度也较高，这些优越性使得PID结构调节器是连续系统中应用最广泛的一种调节器，一直经久不衰，并将继续在工程实践中发挥重要的作用。

电阻炉可以用以下模型定性的描述它

式中K-放大系数

T-时间系数

τ-纯滞后时间

但在实际热力工程中，由于实际工况的复杂性（加工工件的性质、初温、升温、幅度规格、装炉量以及电气环境等因素），使得上述数学模型偏离实际情况相当严重

电阻炉由电阻丝加热，温度控制具有非线形、大滞后、大惯性、多变量、时变性等特点[3]。

在实际应用中，电阻炉温度控制遇到了以下困难：

第一：

很难建立精确的数学模型；

第二：

不能很好的解决非线形、大滞后等问题。

以精确的数学模型为基础的经典控制理论和现代控制理论在解决这些问题是遇到了一定的困难。

上世纪50年代前后的经典控制理论主要研究单输入-单输出的线性定常系统；60年代末的现代控制理论主要研究多输入-多输出的被控对象，系统可以是线性或非线性的，定常或时变的。

这两个阶段的控制理论的发展与应用，对于存在数学模型的自动控制系统发挥了非常大的作用，并取得了令人满意的控制效果，这些控制方法的优点明显，但存在难以克服的缺陷。

对于那些很难或的数学模型的控制对象，往往显得无能为力。

上述各种传统控制方法在炉温控制系统中的仿真、实验和实际应用结果看，效果并不是非常理想[6]。

一个显著的共同特点就是需要建立系统准确数学模型，当模型建立不准确时，不仅增加了调试的工作量，而且控制效果不好。

从70年代末开始，随着计算机技术的快速发展，智能控制理论开始受到极大关注，模糊控制作为智能控制理论的一个分支，在理论研究和工业控制应用等方面也取得了可喜的进展。

以语言规则模型为基础的模糊控制理论却是解决上述问题的有效途径和方法[4]。

1.2模糊控制的现状及原理

模糊数学和模糊控制的概念由美国加利福尼亚大学著名教授L.A.Zadeh首先提出[5]。

最早取得的应用成果是英国教授Mamdamni，首先利用模糊控制语句组成模糊控制器，将它应用于锅炉和气轮机的运动控制，并在实验室中获得成功[5]。

此后的20多年中，模糊控制技术在华工、冶金、机械、工业炉窑、水处理、食品工业等多个领域中获得广泛的应用。

随着应用领域的不断拓宽，模糊控制器本身性能也得到了进一步发展，由原来规则固定的简单模糊控制器，发展为可以在控制过程中不断修改和调整控制规则的自组织模糊控制器。

尽管模糊控制在稳定性理论分析及控制精度方面还存在一些问题，但它在大规模系统、多目标系统、非线性系统，特别是没有精确数学模型的系统中，显示了良好的效果，它所体现的强鲁棒性是经典控制理论和现代控制理论所难以到达的。

模糊控制结构示意图如图1-1：

图1-1典型的模糊控制结构示意图

模糊控制是以人的思维判断方法形成模糊控制规则，在模糊规则的基础上，以模糊量作为实际控制的依据，是一个表达某种控制思想的基本公式。

模糊控制的定义可以描述为：

模糊控制器的输出是通过观察过程状态和一些如何控制过程的规则的推理得到的[6]。

模糊逻辑控制器的设计主要包括：

对输入信息的模糊化、模糊推理和输出信息的精确化三个步骤。

输入信息的模糊化是将测物理量转化为在该语言变量相应论域内不同语言值的模糊子集。

模糊推理使用数据库和规则库，它的作用是根据当前的系统状态信息来决定模糊控制的输出子集。

输出信息的精确化计算是将推理机制得到的模糊控制量转化为一个清晰、确定的输出控制量的过程。

模糊控制器在温度控制中的应用包括有：

刘兴池等人用日本生产的SR70只能模糊控制器对加热炉进行控制，稳态精度达到+0.5摄氏度左右，控制效果十分理想[7]。

易继锴等人应用模糊神经网络自学习控制器对电加热炉进行物理模拟实验，系统实验表明，通过神经网络的自学习，实现输入变量隶属度函数的在线自调整，对电加热炉这种具有非线形、大滞后的系统具有较好的模糊预测及控制功能[8]。

1.3本文的设计思路

随着二十世纪四十年代中期计算机的出现及其应用领域的不断扩展，计算机控制技术逐渐渗透到自动化、自动控制、电子技术、电气技术、仪器仪表等专业，并在这些专业中起到至关重要的作用。

计算机具有存储大量信息的能力，强大的逻辑判断能力及快速计算的优点，计算机控制技术能够达到常规控制技术所不能到达的优异性能指标。

此外，随着操作系统的不断升级，各种开发软件的不断出现，使研究人员不仅能方便的对对象进行控制，而且可以将控制结果用图象，声音等形式展示出来。

这是传统技术所不能实现的。

应用微机控制电炉炉温不仅易于保证处理工艺过程的质量，节约能源，促进整个热处理工艺过程自动化，并且在造价上也能与常规仪表控制装置匹敌。

国内已有很多单位对计算机控温系统进行了研究。

由于电阻炉具有较强的滞后性，传统的PID控制方式的控制效果不佳。

模糊控制是一种基于规则的先进控制方法，由于控制复杂、非线性、大滞后对象，具有控制速度快，超调小等优点，因此，可以很好的解决一些问题，获得较好的控制效果。

本题拟采用凌阳SPCE061A单片机，设计一种电阻炉温模糊控制系统，提高温度的控制效果。

通过测量元件热电偶进行检测，经采样、A/D转换为数字量，再进行数字滤波，并根据给定的控制规则进行运算，然后发出控制信号去控制执行机构，使各个被控量达到预定的要求。

控制系统原理图如图1-2示：

图1-2计算机控制系统原理图

本系统的设计主要是解决电阻炉温度的实时控制，希望控制系统给出的控制量控制电阻炉的温度，使得电阻炉的温度可以跟踪由键盘输入的给定值。

概括起来，本系统的功能有：

（1）数据的采集；

（2）过程监控：

包括参数显示、上下限报警等；

（3）基于模糊规则的控制算法；

（4）通过D/A转换输出控制量；

（5）实现上位机和下位机的通信。

第二章系统硬件

随着嵌入式系统开发技术的快速发展及其在各个领域的广泛应用，人们对电子产品的小型化和智能化要求越来越高，作为高新技术之一的单片机以其体积小、功能强、价格低、使用灵活等特点，显示出其明显的优势和广泛的应用前景。

在航空航天、机械加工、智能仪器仪表、家用电器、通信系统、智能玩具等领域，单片机都发挥了很大的作用[3]。

2.1凌阳单片机的特点

SPCE061A单片机在2.6~3.6V工作电压范围内的工作频率范围为0.32~49.152MHz，较高的工作速度使其应用领域更加拓宽。

SPCE061A单片机中包括2K字的SRAM和32K字的闪存ROM，仅占一页存储空间；32位可编程的多功能I/O端口；两个16位定时器/计数器；32768Hz实时时钟；低电压复位/低电压监测功能；8通道10位模/数转换输入并具有内置自动增益控制功能的麦克风输入方式；双通道10位DAC方式的音频输出功能等。

2.2硬件系统

系统的硬件结构图如下：

图2-1系统硬件框图

系统硬件包括：

存储器、温度检测电路、A/D转换电路、D/A转换电路、键盘电路、显示电路、电源、光电隔离放大器、可控硅调功控温电路、掉电检测与保护电路、通讯电路等模块。

凌阳单片机内置2K字的静态RAM，可以存储程序运行过程中的中间值及输入值和输出控制量等。

而内置的32K字闪存ROM可以用来存储程序，所以系统的空间应该不需要扩展了。

单片机有32位可编程的多功能I/O口，可以分别编程实现各个口的输出和输入，是单片机与外部交换信息的桥梁。

温度检测选用镍铬—镍硅热电偶，其测温范围适中、线性度较好、价格便宜、有较强的抗氧化性和抗腐蚀性，输出的热电势较大，便于测量放大器的搭配。

凌阳单片机SPCE061A系列包括7通道10位A/D转换器和单通道声音A/D转换器（内置麦克风放大器和自动增益控制AGC功能），采用逐次逼近式原理实现模/数转换。

同时在凌阳单片机内部，还存在着2个10位DAC输出通道，其D/A转换电路可通过编程控制。

键盘有16（4*4）个键，其中包括0~9十个数字键，四个参数键，一个“确定”键与一个“复位”键。

采用逐列扫描的查询工作方式。

单片机的IOA12~IOA15位作为键盘的行线读入口，IOA8~IOA11位作为键盘的列扫描字输出口。

显示器六位，显示块为共阴极的七段LED数码管，使用4511作为其BCD—七段译码器/驱动器，4511还具有锁存输入的功能。

IOA1~IOA4位作为4511的输入以确定显示器的段选码输出，IOA5~IOA7位作为138（3线/8线译码器）确定显示器的位选码输出。

凌阳单片机的工作电压范围：

Vdd为2.6~3.6V（CPU），Vddh为Vdd~5.5V（I/O），单片机由2节干电池供电。

因此，设计中还需用到5V与12V的直流电源为电路供电，故需设计电路将提供的50HZ的交流市电转变成所需。

首先要把由变压器得来的5V交流电经过整流，变成单向脉动电流，然后用滤波器去除脉动成分。

为了保证电子电路稳定，可靠地工作，还需要对直流电源采取稳压措施。

直流稳压电源的组成如下图：

交流输入直流输出

图2-1直流稳压电源的组成

电子电路抗干扰设计的有效方法是利用光电隔离，但因光电隔离器件的电流传输系数通常都是非线性的，直接用来传输模拟量时，非线性失真较大，精度差，为了提高系统的精度，我们利用光电耦合器件与运算放大器结合设计一个线性度较好的模拟量光电隔离放大器电路。

可控硅调功控温具有不冲击电网，对用电设备不产生干扰等优点，是一种广泛应用的控温方式。

单片机能够实现低电压检测/低电压复位功能，并且在掉电方式下的系统运行可将功耗降至在3.6V电源电压下的2uA。

掉电检测电路采用LM311比较器，以3V为临界，形成外部中断的触发脉冲，将输入电压与3V参考电压相比较，当输入VI大于3V时，输出为高电平；而当输入小于3V时，输出为低电平。

凌阳单片机的B口除具有常规的输入/输出功能外，还具有特殊功能，其中IOB2位可为外部中断源信号的输入，IOB2位根据输入的电平来判断是否发出中断请求。

掉电保护电路当外部VCC=+5V时，比较器LM393反相端电压高于正相端，LM393输出低电平。

故原片选信号低电平有效地加到6264的20脚，同时26脚为高电平，6264进行正常的读写操作，而当VCC下降到一定程度时，比较器反相端电压低于正相端时，LM393输出为高电平。

故20脚为高电平，26脚为低电平，此时6264的VCC由后备3V干电池供电，从而对所存数据进行保护。

单片机内置通用异步全双工串行通信接口UART，具有RS-232标准的发送/接收时序

系统上位机采用RS-485接口进行串行通讯。

RS-485串行传输是利用信号线之间的信号电压差传输，平衡传输方式，抗干扰能力强，最大传输距离可达到1200米，最高传输速率达10MB/S。

采用MAX485做RS-485的收发器，MAX-485为低功耗、半双工RS-485/RS-422收发器，每个器件含1个接收器与驱动器。

为了提高抗干扰能力，MAX-485与CPU的连接通过三个快速光电隔离器进行隔离。

本章介绍了系统的硬件结构，对系统的各个硬件模块的选用和功能作了简要的说明。

第三章模糊控制器的设计

3.1模糊控制介绍

1965年Zadeh教授发表了《模糊集合论》论文，提出用“隶属函数”这个概念描述现象差异的中间过渡，从而突破了古典集合论中属于或不属于的绝对关系[9]。

Zadeh教授的这一开创性工作，标志着数学的一个新分支------模糊数学的诞生。

模糊数学从诞生至今，在刚诞生的几年里发展相当缓慢，在进入70年代后，模糊集合的概念被越来越多的人接受，这方面的研究工作也就相应地迅速发展起来，并应用到聚类分析、图象识别、自动控制、故障诊断、机器人以及人工智能等多方面领域。

1974年英国学者E.H.Mamdani首次把模糊集合理论成功地应用在锅炉和蒸汽机的控制之中，在自动控制领域中首开模糊控制在实际过程上应用之先河[10]。

1985年世界上第一块模糊逻辑芯片在美国著名的贝尔实验室问世，这是模糊技术走向实用化的又一里程碑[11]。

模糊理论是从模糊数学发展而来，现在该理论的研究主要集中在模糊集合、隶属函数和模糊逻辑推理上。

模糊逻辑在控制领域中的应用称为模糊控制。

模糊控制是以控制集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的一种计算机控制。

从控制器的智能性看，模糊控制属于智能控制的范畴。

模糊控制的最大特征是能够将操作者或专家的控制经验和知识表示成语言变量描述的控制规则，然后用这些规则去控制系统。

因此模糊控制特别适用于数学模型未知的、复杂的非线性系统的控制。

从信息的观点看，模糊控制是一类规则型的专家系统，从控制技术的观点看，它是一类非线性控制器。

控制系统中要有被控对象（过程），被控对象按其模型可分为以下几种：

1．能建立精确的数学模型

2．能建立精确的数学模型，但要附加一些条件

3．只能建立近似的数学模型

4．无法建立数学模型

专家们普遍认为：

人高明于机器的重要一点就是人具有对FUZZY事物进行识别和近似推理的能力，即综合考虑各种情况，然后作出判断的能力。

用表达式表示为：

IF情况1AND情况2……AND情况NTHEN结论

而FUZZY控制正是以自然语言为基础，利用经验总结的控制规则，经过模糊推理与判断，去控制被控对象。

因此对于那些难以建模的对象，FUZZY控制利用看起来不确切的方法，常常可以达到精确控制的目的。

3.2模糊控制器的设计

模糊控制控制器的设计包括：

输入变量的模糊化、模糊推理和输出变量的精确化等三个步骤。

1、定义输入输出变量：

由于选择的是二维模糊控制器，因此选择炉温实际温度T与给定值Td的误差e=T-Td与炉温误差变化率de为输入语言变量。

把控制加热装置的供电电压u选作输出语言变量。

这样构成一个二维模糊控制器。

确定描述输入和输出的词集{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}。

本次设计确定的模糊子集隶属度函数为三角型隶属度函数。

系统结构图如下：

zuT

ecy

2、图3-1模糊控制系统的结构图

2、建立模糊控制规则

控制规则实际为实际过程中，操作者遇到各种可能出现的情况和相应的控制策略如表3-1所示：

eec

表3-1模糊控制规则表

3、求模糊控制表

通过策略表可以人工推理得出控制表，然后通过查表得出控制量。

或编程实现在线推理得出控制量。

（1）由输入变量推理得出输出变量的模糊子集

本文采用的是极大极小推理法

（2）输出的模糊控制量去模糊化：

本文采用的是重心法，重心法是取模糊隶属度函数曲线与横坐标围成的重心为模糊推理最终输出值，可以人工计算得出该控制表。

通过以上步骤得出模糊控制表如下：

eec

-6

-5

-4

-3

-2

-1

-6

-5

-4

-2

-5

-6

-5

-4

-2

-4

-6

-5

-4

-2

-3

-5

-3

-2

-1

-2

-4

-2

-1

-4

-3

-2

-1

-4

-3

-2

-1

-3

-2

-1

-2

-1

表3-2模糊控制表

3.3模糊控制器的优化

3.3.1遗传算法的基本原理及特点

遗传算法（简称GA算法）是建立在自然选择和自然遗传学机理基础上的迭代自适应随机搜索算法，其基本思想是由美国Michigan大学的Holland教授在1962年首先提出来的，并在1970年用计算机程序模拟了进化过程。

遗传算法的正式确立是以1975年Holland教授出版的专著“AdaptioninNaturalArtificialSystem”为标记的。

它依据适者生存、优胜劣汰的进化机制，对包含可能解的群体反复进行基于遗传学的操作，不断生成新的种群并使群体不断进化，同时以全局并行搜索方式来优化搜索群体中的最优个体，以求得满足要求的最优解。

智能控制离不开优化技术，快速、有效、全局化的优化算法是实现智能控制的重要手段。

遗传学习算法是当今随机优化理论中相当活跃的一个分支。

它与模拟退火算法、进化论算法一起构成了随机搜索优化的新理论。

遗传算法作为一种新的全局优化搜索算法，与其它优化搜索算法相比具有几个显著的特点：

1.遗传算法的处理对象不是参数本身，而是对参数进行了编码的个体;

2.遗传算法具有内在的隐并行性，与其它优化算法相比，它具有更好的全局寻优能力；

3.遗传算法采用概率化的寻优方法，能自动获得和指导优化的搜索空间，能自适应地调整搜索方向，不需要确定的规则，对要解决的问题越复杂、目标越不明确，越能显示其优越性。

遗传算法搜索方法简单、鲁棒性强。

3.3.2模糊控制器的遗传优化

迄今为止，用遗传算法优化模糊控制器的方法通常有三种类型：

1：

控制规则确定，优化隶属函数参数。

隶属函数参数确定，优化控制规则。

3：

同时优化控制规则和隶属函数参数。

模糊控制器设计过程中包含了大量的主观因素，如控制规则的获取，隶属函数、量化因子Ke和Kec及比例因子Kn的选择等，某些不合理的主观成分使得系统的特性指标难以得到保证。

Ke、Kec和Ku的变化对控制系统的品质影响很大，因而优化Ke、Kec及Ku是很重要的。

故而，在本次设计中将采用固定模糊控制规则，以及相应的模糊变量的隶属度函数，用遗传算法对比例因子Ku和量化因子Ke、Kec进行寻优。

对模糊控制器优化的流程图如图3-2所示：

图3-2模糊控制器优化的流程图

通过遗传算法的优化，得到的量化因子Ke=13.7891，Kec=18.6641，Ku=0.1357。

本章介绍遗传算法的基本原理及特点，并且通过遗传算法对模糊控制器中的三个参数Ke、Kec、Ku进行了优化。

3.4仿真实验：

仿真结果见图3-3：

图3-3仿真响应曲线

本章介绍了炉温模糊控制器的设计方法，确定了模糊控制器的基本结构，并介绍了离线计算模糊控制表的设计思路。

同时简要的介绍了遗传算法，用遗传算法对模糊控制器进行了优化，并且给出了仿真响应曲线。

第四章系统软件

4.1系统软件介绍

整个系统包括管理程序和控制程序两部分，管理程序是对显示LED进行动态刷新、控制指示灯、处理键盘的扫描和响应、进行掉点保护的处理、执行中断服务程序等。

控制程序是对被控对象进行采样、数据处理、根据控制算法进行计算和输出等。

整个系统软件相当庞大，为了便于编写、调试、修改和删除，系统程序的编制采用了模块化的结构，既整个控制软件有许多独立的小模块组成。

他们之间通过软件接口连接，原则是块内数据关系紧凑，模块间数据关系松散，按功能形成模块化结构。

采样周期由定时器/计数器的定时功能实现。

首先程序调用键盘扫描子程序和显示子程序，当扫描到设定温度时使TimerA开始计时，产生每2秒一次的定时中断，作为本系统的采样周期。

在其中断服务程序中启动A/D转换、读入采样数据、进行数字滤波、上下限报警处理、进行模糊控制等，得到计算机系统的输出控制量。

4.1.1系统初始化程序

程序初始化流程图如图4-1：

图4-1系统的初始化程序流程图

4.1.2TimerA中断服务子程序

TimerA定时器/计数器将产生每2秒一次的中断，以实现本系统的采样周期。

其中断服务子程序中启动A/D转换、读入采样数据、进行数字滤波、上下限报警处理、查询模糊控制表等，然后通过D/A转换器输出。

中断服务子程序流程图如图4-2：

图4-2TimerA中断服务程序

本子程序主要实现采样功能。

单片机系统包含有2个16位可编程定时器/计数器（可自动重预

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