基于fuzzypid的烘干爐溫度控制系統的設計畢業論文-資料下載頁

　　

【正文】 12 串口通信電路第4章 控制系統軟件的設計在自動控制系統中，軟件是一個非常重要的部分。硬件電路確定之后，系統的功能還是要有軟件來實現。本文將要實現的功能分成不同的模塊，單獨進行設計與編程，會起到減小工作量，容易查出錯誤的好處。本系統程序主要有主程序，數據采集程序，數據處理程序，數據顯示以及鍵盤掃描程序等組成。 控制系統的仿真在設計模糊PID控制系統的過程中，存在許多繁瑣的工作，例如，確定控制器結構，選取隸屬函數，獲取各種模糊控制規則，整定參數等。在模糊控制系統設計完成之后，還必須對系統進行細致的調試才能得到所期望的性能。為了解決這些問題，我們使用Matlab數學計算軟件，利用其中可視化仿真Simulink中的模糊控制工具箱，可以有效的進行模糊PID控制器的設計，分析，調試，修改等工作。 (1)MATLAB是由美國mathworks公司發布的主要面對科學計算、可視化以及交互式程序設計的高科技計算環境。它將數值分析、矩陣計算、科學數據可視化以及非線性動態系統的建模和仿真等諸多強大功能集成在一個易于使用的視窗環境中，為科學研究、工程設計以及必須進行有效數值計算的眾多科學領域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統非交互式程序設計語言（如C、Fortran）的編輯模式[20]，代表了當今國際科學計算軟件的先進水平。MATLAB主要用于算法開發、數據可視化、數據分析以及數值計算的高級技術計算語言和交互式環境，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。其的應用范圍非常廣，包括信號和圖像處理、通訊、控制系統設計、測試和測量、財務建模和分析以及計算生物學等眾多應用領域。附加的工具箱（單獨提供的專用MATLAB 函數集）擴展了MATLAB 環境，可以解決特定領域的問題，本文所做仿真便是基于模糊控制工具箱的。(2) Simulink是MATLAB中的可視化仿真環境，其中除了包括輸入模塊、輸出模塊、連續模塊、離散模塊、函數和表模塊、數學模塊、非線性模塊、信號模塊以及子系統模塊外，還包括了各個工具箱特有的模塊，如模糊邏輯工具箱的模糊邏輯控制器模塊。 能實現動態系統建模、仿真和分析的一個軟件包，被廣泛應用于線性系統、非線性系統、數字控制及數字信號處理的建模和仿真中。Simulink可以用連續采樣時間、離散采樣時間或兩種混合的采樣時間進行建模，它也支持多速率系統，也就是系統中的不同部分具有不同的采樣速率。為了創建動態系統模型，Simulink提供了一個建立模型方塊圖的圖形用戶接口(GUI) ，這個創建過程只需單擊和拖動鼠標操作就能完成，它提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且用戶可以立即看到系統的仿真結果。本文的所有仿真都在 Simulink 中完成的。 PID控制系統的仿真（1）PID控制器的模型在對PID控制系統進行仿真，輸出Kp，Ki，Kd控制量對被控對象進行控制，并進行反饋修正。圖41 PID控制模型（2）PID控制的響應曲線圖42 PID控制曲線 模糊自整定PID控制系統的仿真自整定PID控制器以誤差e以及誤差變化率ec作為輸入，可以滿足不同時刻的e和ec對PID參數自整定的需求。利用模糊控制規則對PID參數進修改，可以得到自整定模糊控制器。（1）模糊PID控制器的模型圖43 模糊PID控制器模型（2）模糊推理系統編輯器在自整定PID控制器設計過程中[21]，需要對模糊規則進行設定，下圖便是Simulink中的模糊推理系統編輯器，其中e，ec分別是兩個輸入量，Kp，Ki，Kd分別是3個輸出量，fuzzycontrol部分是模糊推理核心部分，模糊規則。圖44 模糊推理系統編輯器（3）隸屬度函數曲線這一步是將2個輸入量以及3個輸出量的隸屬函數進行確定，如圖所示，本論文中模糊量隸屬函數為三角隸屬函數。圖45 隸屬度函數曲線（4）模糊推理規則觀察器這是已經確定好的模糊規則，根據e，ec不同的輸入量，可以得到不同的輸出量Kp，Ki，Kd，在模糊推理規則觀察器中可以方便的看到。圖46 模糊推理規則觀察器（5）模糊PID控制器的響應曲線：圖47模糊PID控制器的響應曲線結論：PID控制器和模糊自整定PID控制器響應曲線對比圖： 圖48 控制器響應曲線對比圖經過對PID控制和模糊自整定PID控制兩種控制方案的仿真以及比較，結果表明，采用自整定模糊PID控制，系統的相應速度加快，調節精度提高，超調量小。所以，本系統選擇模糊自適應PID控制器作為烘干爐單片機溫度控制系統的控制器。 主程序的設計主程序要包括單片機的初始化，溫度數據的采集，濾波以及顯示。處理器進行定時循環以采樣烘干爐溫度值，經由A/D轉換，數字濾波后在LED顯示器上顯示烘干爐中的時實時溫度數據，再通過模糊推理算法[22]，計算出輸出控制量。程序框圖如下：系統初始化采樣溫度熱電偶斷線？保存采樣值斷線處理結束采樣時間到？YNNY采樣夠4次？N數字濾波存儲溫度值顯示溫度值模糊推理執行機構D/A轉換掃描鍵盤圖49 主程序框圖Y 模糊自適應PID算法模糊控制算法的目的就是從輸入的連續精確量中，通過模糊推理的算法過程求出相應的清晰值的控制算法。為了兼顧程序運行效率，在單片機上采用查表法。雖然查表法一般只適用于離散有限論域的情況，但是它的實時性比較高，在離線計算完成之后，在線只需查表便可得出結論。所以本文采用此種方法。以下便是程序框圖：開 始定義輸入變量e，ec和輸出變量u的基本論域定義e，ec和u的隸屬函數以及賦值表確定推理規則集計算每條規則的模糊關系計算控制量的隸屬度矢量解模糊化輸出?Kp， ?Ki , ?Kd返回圖410 模糊自適應算法框圖 鍵盤和LED顯示程序(1)鍵盤輸入程序：檢測鍵盤上有無鍵按下通常采用 3 種方式：查詢工作方式、定時掃描工作方式和中斷工作方式，本系統選用的是查詢工作方式，這種方式是直接在主程序中插入鍵盤檢測子程序，主程序每執行一次則鍵盤檢測子程序被執行依次，對鍵盤進行檢測依次。按鍵時，無論按下鍵位還是放開鍵位都會產生抖動，必然會出現按一次鍵輸入多次，為確保按一次鍵只確認一次，必須消除抖動，消除抖動的方法有兩種，硬件消抖和軟件消抖。本系統采用軟件消抖，即利用延時來跳過抖動過程。鍵盤掃描子程序流程圖如下：返回是否有鍵閉合？ 調用顯示子程序延遲6ms二次調用顯示子程序延遲12ms是否有鍵閉合？判斷閉合鍵鍵號堆棧閉合鍵釋放？否？輸入鍵號開始YNYN圖411 鍵盤輸入程序框圖NYNY(2)LED顯示程序：返回顯示器緩沖區指針置初值 79HR3掃描模式置初值01HR3取現實數據查表轉換為段碼8155B口延遲1 ms顯示緩沖器指針R0+1(R3).5 = 1?R3左移1位開始Y圖412 LED顯示程序框圖NMAX7219的控制寄存器和顯示寄存器均為獨立編址，顯示程序實際就是單片機在LOAD，CLK時序的配合下不斷通過DIN數據輸入端口向MAX7219的相應控制寄存器以及數據顯示寄存器寫入16位二進制數據包的過程。程序框圖如下： 串口通信程序AT89c52 的使用串口通信方式在 PC機與單片機通信時，PC 機每一次都向單片機傳送兩個字節信息，先傳送單片機的地址信息，再傳送數據信息。其中TRDY=1(=1):表示單片機發送準備就緒TRDY=1(=0)：表示單片機接收準備就緒單片機通信過程的程序流程圖如圖 413 所示： 開始現場保護接收下一幀地址相符？接收就緒？接收完？RRDY=1 送PC機恢復現場 返回YNRRDY=0 送PC機YNY圖413 串口通訊程序框圖N 結 論模糊控制系統最大的特點就是設計不要求知道被控對象的精確數學模型，只需要提供現場操作人員的經驗知識及操作數據。并且，控制系統的魯棒性強，適用于解決常規控制難以解決的非線性、時變及大滯后等問題。以語言變量代替常規的數學變量，易于形成專家的知識。經過幾十年的發展，在現在，模糊控制技術在實際中也得到了一定的應用。下面簡單總結一下本文的內容：，并在其局限性的基礎上詳細講述了模糊控制的工作原理以及設計步驟，借助Simulink仿真平臺對PID控制，模糊控制，以及模糊自整定PID控制方案分別進行了比較。，實現了模糊控制系統的硬件電路圖。對熱電偶傳感器，LED顯示，以及單片機外圍電路有了詳細的說明。使用Altium Designer軟件設計了系統的電路原理圖。對于本文來說，還有幾點不足1. 硬件設計的比較倉促，可能有許多不足之處，距離制成實物進行實際測試，還有一段距離要走。2. 雖然實現了串口通信，但是沒有實現上位機的軟件設計，對于大量溫度信息沒有挖掘功能，希望能在以后的設計中將加入更多的上位機，這樣可以依靠計算機來修改工件的工藝參數和模糊控制規則，改進人為的不足，使控制效果更優。致 謝xxx參考文獻 PID 控制器及其在溫度控制中的應用[J].自動化儀表，2002, 25~28[J]. 冶金動力，2004(3):57.3 PID 控制及其 MATLAB 仿真[J].現代機械，～55.4 [J].電氣傳動自動化，2005(1): 8105 與模糊控制的比較及改進[J].控制工程，2003，10(1). 51～52.6 王順晃，[M].北京：機械工業出版社，1995，1～9.7 張桂香，[M].成都:電子科技大學出版社，1999，56～57.8 [M].北京：清華大學出版社，2003，1～23，119～126.9 Jen Yang. 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