基于AT89S52單片機(jī)的雙模糊溫度控制器設(shè)計(jì)

現(xiàn)代工業(yè)控制中，溫度控制十分重要且日益復(fù)雜化。由于溫度控制具有的非線性、大滯后、時(shí)變性、升溫單向性等特點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中難以建立精確的數(shù)學(xué)模型，無(wú)法用經(jīng)典控制理論及現(xiàn)代控制理論來(lái)解決實(shí)現(xiàn)溫度控制效果。目前，現(xiàn)代智能控制中不依賴對(duì)象數(shù)學(xué)模型、能有效控制時(shí)變和非線性系統(tǒng)的模糊控制已普遍應(yīng)用于工業(yè)溫度控制中。通過(guò)對(duì)溫度的基本模糊控制，可達(dá)到較好的控制效果，但存在一定的穩(wěn)態(tài)誤差，難以達(dá)到較高的控制精度。若根據(jù)系統(tǒng)不同的工作狀態(tài)采用不同的溫度模糊控制，即雙模糊控制，可大幅度改善穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度，同時(shí)利用單片機(jī)作為主控芯片，可有效完成溫度模糊處理及溫度實(shí)時(shí)控制且可靠性高。

1 控制器功能及硬件設(shè)計(jì)

雙模糊溫度控制器主要以單片機(jī)為主控芯片，主要負(fù)責(zé)溫度的模糊化處理、模糊控制算法實(shí)現(xiàn)、輸出溫度的大小控制處理。工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)溫度通過(guò)溫度傳感器采集，傳感器輸出信號(hào)經(jīng)變送器轉(zhuǎn)變?yōu)?～5 V 的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換后與溫度設(shè)定值進(jìn)行比較， 得到溫度誤差信號(hào)e 及溫度變化率ec，并在系統(tǒng)初始階段和穩(wěn)態(tài)階段將兩者送入不同的單模糊控制器進(jìn)行模糊處理，得到輸出控制量u，經(jīng)隔離放大后控制功率可控硅改變加熱元件功率，從而完成溫度的調(diào)節(jié)。其溫度控制系統(tǒng)原理框圖如圖1 所示。

溫度控制器主控芯片采用ATMEL 公司的AT89S52 單片機(jī)，該單片機(jī)是一種低功耗、高性能CMOS 8 位微控制器，具有8 kB 在系統(tǒng)可編程Flash 存儲(chǔ)器和256B RAM，32 位I/O線，3 個(gè)16 位定時(shí)器，6 個(gè)中斷源以及看門狗定時(shí)器等，可滿足溫度控制器的基本設(shè)計(jì)及擴(kuò)展設(shè)計(jì)需求。

溫度傳感器采用鎳鉻/鎳硅熱電偶，該熱電偶具有線性度好，熱電動(dòng)勢(shì)較大，靈敏度高，穩(wěn)定性和均勻性較好等特點(diǎn)，其使用溫度為0~1 300 ℃，對(duì)應(yīng)輸出為0~52.37 mV[1]。溫度變送器采用DBW 型， 把熱電偶輸出的毫伏信號(hào)轉(zhuǎn)換為0~5 V標(biāo)準(zhǔn)模擬信號(hào)。該信號(hào)通過(guò)A/D 轉(zhuǎn)換器ADC0809 的IN0 通道輸入，從而轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再由AT89S52 單片機(jī)利用控制程序從P0 口輸入其內(nèi)部RAM 單元，以便與溫度設(shè)定值進(jìn)行比較[2]。模糊控制器輸出控制量通過(guò)P1.0 輸出，通過(guò)光電雙向可控硅驅(qū)動(dòng)器MOC3051 去驅(qū)動(dòng)功率可控硅， 從而改變加熱元件的加熱功率，以實(shí)現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)的目的。

考慮到系統(tǒng)的人機(jī)互動(dòng)，利用并行接口芯片8155 進(jìn)行I/O 口擴(kuò)展，以完成鍵盤輸入及顯示器輸出的設(shè)計(jì)。其中鍵盤采用矩陣式鍵盤，負(fù)責(zé)參數(shù)的設(shè)定和一些開(kāi)關(guān)量的輸入，如：?jiǎn)?dòng)、停止、復(fù)位、溫度設(shè)定、設(shè)定值修改、溫度數(shù)字鍵等;而顯示器采用LED 顯示器，用于同時(shí)顯示系統(tǒng)設(shè)定溫度及實(shí)際溫度。

2 雙模糊控制算法設(shè)計(jì)

2.1 雙模糊控制器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本模糊控制器采用雙模糊控制結(jié)構(gòu)以及典型的雙輸入、單輸出方式，如圖2 所示。將溫度設(shè)定值與溫度反饋值之間的誤差e 及變化率ec 作為輸入量，將溫度控制量u 作為輸出量。由于系統(tǒng)在不同的控制狀態(tài)下存在大小不同的誤差，若考慮單模糊控制器設(shè)計(jì)，將使系統(tǒng)的快速響應(yīng)及控制精度之間存在矛盾[3]，兩者無(wú)法兼顧。為此，采用雙模糊控制器設(shè)計(jì)，并人為設(shè)置一個(gè)誤差臨界值完成雙?？刂魄袚Q[4]。在系統(tǒng)初始階段，系統(tǒng)誤差較大，使用系統(tǒng)因子Kec、Ku相對(duì)較小(如Kec1、Ku1)的模糊控制器，以實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)，消除誤差的目的;在系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)階段，系統(tǒng)誤差較小，使用系統(tǒng)因子Kec、Ku適當(dāng)增加(如Kec2、Ku2)的模糊控制器，以改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。