摘 要： 將現(xiàn)代智能控制中的模糊控制與傳統(tǒng)控制中的PID控制相結(jié)合,，使用單片機(jī)作為下位機(jī)控制器,，PC機(jī)為上位機(jī)控制設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的智能,、實(shí)時(shí)控制,，現(xiàn)場(chǎng)與遠(yuǎn)程同時(shí)監(jiān)控。
關(guān)鍵詞： 單片機(jī),； 模糊PID控制,； 溫度智能實(shí)時(shí)控制； 現(xiàn)場(chǎng)與遠(yuǎn)程監(jiān)控
溫度是工業(yè)生產(chǎn)過程中重要的物理量,，尤其在冶金,、機(jī)械、食品,、化工等工業(yè)中,，對(duì)工件的處理溫度都要求嚴(yán)格控制,對(duì)溫度的精確度和穩(wěn)定性均有較高要求，溫度的測(cè)量與控制直接關(guān)系到企業(yè)的生產(chǎn)利益甚至存亡,。
目前在國(guó)內(nèi)外很多溫度控制系統(tǒng)都采用ARM 作為處理器,，PID 作為溫度控制方式[1]。該控制方式對(duì)大多數(shù)控制對(duì)象均可達(dá)到滿意的控制效果,，但對(duì)于有特殊要求或具有復(fù)雜對(duì)象特性的系統(tǒng),，采用數(shù)字PID控制一般難以達(dá)到目的?；跍囟茸兓姆蔷€性與模糊控制魯棒性強(qiáng),、干擾和參數(shù)變化對(duì)控制效果的影響較小,，尤其適合于非線性、時(shí)變及純滯后系統(tǒng)的控制,，將PID與模糊控制相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制,。
因此,本文以熱水器為對(duì)象，運(yùn)用系統(tǒng)控制理論,，以模糊控制與數(shù)字PID控制相結(jié)合方式進(jìn)行溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì),。
1 整體方案設(shè)計(jì)
系統(tǒng)采用晶控電子的STC系列單片機(jī)進(jìn)行下位機(jī)溫度控制，同時(shí)采用PC機(jī)進(jìn)行上位機(jī)控制,。上位機(jī)首先給下位機(jī)發(fā)出命令,，下位機(jī)再根據(jù)此命令解釋成相應(yīng)時(shí)序信號(hào)直接控制相應(yīng)設(shè)備。下位機(jī)不時(shí)讀取設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù),，轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)反饋給上位機(jī),。下位機(jī)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)控制，上位機(jī)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控,。
系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)采用模塊化設(shè)計(jì)思想,分別從硬件,、軟件來設(shè)計(jì)并綜合應(yīng)用。硬件分為溫度檢測(cè)模塊,、輸入輸出模塊,、串口通信模塊及加熱模塊幾個(gè)部分；軟件由上下位機(jī)同時(shí)控制,包括溫度采集子程序,、液晶顯示子程序,、鍵盤輸入子程序、模糊PID控制子程序,、串口通信子程序等,。設(shè)計(jì)主要針對(duì)控制算法來實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示,。
2 硬件電路設(shè)計(jì)
2.1溫度檢測(cè)模塊
DS18B20是DALLAS公司生產(chǎn)的數(shù)字溫度傳感器,溫度測(cè)量范圍為-55℃～+125℃,測(cè)溫分辨率可達(dá)0.062 5 ℃,，它集溫度測(cè)量與A/D轉(zhuǎn)換于一體，直接輸出數(shù)字量,，傳輸距離遠(yuǎn),，可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)檢測(cè)，硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,，避免了傳統(tǒng)熱電偶、熱電阻模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換,、硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜,、成本高的缺點(diǎn)，其電路連接如圖2所示,。
2.2 串口通信模塊
接口RS232是用正負(fù)電壓來表示邏輯狀態(tài)的,，而單片機(jī)采用正邏輯TTL電平,，因此必須在此分立元件實(shí)現(xiàn)電平和邏輯關(guān)系的變換。通信電路中,，下位機(jī)串口使用查詢法接收和發(fā)送資料,，上位機(jī)發(fā)出指定字符，下位機(jī)收到后返回給上位機(jī)原字符,，其電路連接如圖3所示,。
2.4 加熱模塊
系統(tǒng)的加熱過程通過單片機(jī)控制繼電器的開關(guān)來實(shí)現(xiàn)，當(dāng)檢測(cè)溫度與設(shè)定溫度有差距時(shí)繼電器處于接通狀態(tài),，加熱器持續(xù)加熱,，當(dāng)檢測(cè)溫度與設(shè)定溫度一致時(shí)，繼電器處于斷開狀態(tài),，加熱器停止加熱,。繼電器電路連接如圖5所示[2]。
3 軟件設(shè)計(jì)
3.1模糊PID控制算法
模糊PID控制是找出Kp,、Ki,、Kd與E、Ec之間的模糊關(guān)系,，通過不斷檢測(cè)E和Ec,，根據(jù)模糊推理對(duì)Kp、Ki,、Kd進(jìn)行在線修改,，滿足了不斷變化的E、Ec對(duì)控制參數(shù)的要求,，從而使被控對(duì)象具有良好的動(dòng),、靜態(tài)性能。模糊PID結(jié)構(gòu)圖如圖6所示,。模糊PID控制器的調(diào)整規(guī)則是[3]：
(1)當(dāng)E較大時(shí),，為加快系統(tǒng)響應(yīng)速度，應(yīng)取較大的Kp和較小的Kd,，由于積分太強(qiáng)會(huì)使系統(tǒng)超調(diào)加大,，因而要對(duì)積分作用加以限制，通常取Ki=0或者較小值,；
(2)當(dāng)E和Ec中等大小時(shí),，為減少系統(tǒng)超調(diào)并保證一定的響應(yīng)速度，Kp應(yīng)適當(dāng)取小些,，同時(shí)Kd的取值對(duì)系統(tǒng)影響很大,，也應(yīng)取小些，Ki的取值要適當(dāng),；
(3)當(dāng)E較小時(shí),，為減小穩(wěn)態(tài)誤差,，Kp與Ki應(yīng)取得大些，而Kd的取值要適當(dāng),，取值不當(dāng)會(huì)引起系統(tǒng)震蕩,。其原則是：當(dāng)Ec較小時(shí)，Kd取大些,，當(dāng)Ec較大時(shí),，Kd取較小的值，通常Kd為中等大小,。
3.2 下位機(jī)程序流程圖
下位機(jī)采用keil軟件,，C語言進(jìn)行程序的編寫，采用STC-ISP進(jìn)行軟件燒寫,，程序流程圖如圖7所示,。
3.3 上位機(jī)界面顯示
上位機(jī)采用VB6.0對(duì)溫度監(jiān)控界面進(jìn)行編寫，通過界面可以選擇不同的串口進(jìn)行通信,，在不同時(shí)間可以通過多個(gè)溫度檢測(cè)器對(duì)不同熱水器進(jìn)行溫度檢測(cè)并自行設(shè)定溫度,界面可以實(shí)時(shí)顯示溫度變化曲線如圖9所示,。
本系統(tǒng)將單片機(jī)與模糊PID控制相結(jié)合，不僅單片機(jī)控制效果顯著而且易于操作,，還實(shí)現(xiàn)了智能控制與常規(guī)PID控制兩者的優(yōu)點(diǎn):它具備自學(xué)習(xí),、自適應(yīng)、自組織的能力,，能夠自動(dòng)識(shí)別被控過程參數(shù),，自動(dòng)整定控制參數(shù)，能夠適應(yīng)被控過程參數(shù)的變化,；它又具備常規(guī)PID控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,、魯棒性強(qiáng)、可靠性高,、為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)人員所熟悉等特點(diǎn),，較易應(yīng)用與推廣。
參考文獻(xiàn)
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[2] 喻萍,郭文川.單片機(jī)原理與接口技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 2005.
[3] 張定學(xué).基于模糊PID控制的小流量水溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化與儀表,2010(12):33-36.