基于單片機的雙模糊溫度控制器設(shè)計

摘要：傳統(tǒng)的溫度控制存在難以建立精確的數(shù)學(xué)模型以及控制性能較差等缺點，為此，在基本模糊控制理論基礎(chǔ)上提出一種雙輸入單輸出的雙模糊溫度控制器，根據(jù)系統(tǒng)不同的工作狀態(tài)采用不同的模糊溫度控制器。并結(jié)合單片機技術(shù)，設(shè)計了體積小、功能強的雙模糊溫度控制器，給出了溫度控制器的硬件及軟件設(shè)計思想與方法。該控制器簡單易行，能有效改善溫度控制性能，提高溫度控制的穩(wěn)定性。
關(guān)鍵詞：雙模糊控制；單片機；溫度控制；控制策略

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、時變性、升溫單向性等特點，在實際應(yīng)用中難以建立精確的數(shù)學(xué)模型，無法用經(jīng)典控制理論及現(xiàn)代控制理論來解決實現(xiàn)溫度控制效果。目前，現(xiàn)代智能控制中不依賴對象數(shù)學(xué)模型、能有效控制時變和非線性系統(tǒng)的模糊控制已普遍應(yīng)用于工業(yè)溫度控制中。通過對溫度的基本模糊控制，可達到較好的控制效果，但存在一定的穩(wěn)態(tài)誤差，難以達到較高的控制精度。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)念誤差，提高控制精度，同時利用單片機作為主控芯片，可有效完成溫度模糊處理及溫度實時控制且可靠性高。

1 控制器功能及硬件設(shè)計
雙模糊溫度控制器主要以單片機為主控芯片，主要負責(zé)溫度的模糊化處理、模糊控制算法實現(xiàn)、輸出溫度的大小控制處理。工業(yè)現(xiàn)場溫度通過溫度傳感器采集，傳感器輸出信號經(jīng)變送器轉(zhuǎn)變?yōu)?～5 V的標(biāo)準(zhǔn)信號，經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換后與溫度設(shè)定值進行比較，得到溫度誤差信號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，該單片機是一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8 kB在系統(tǒng)可編程Flash存儲器和256B RAM，32位I／O線，3個16位定時器，6個中斷源以及看門狗定時器等，可滿足溫度控制器的基本設(shè)計及擴展設(shè)計需求。
溫度傳感器采用鎳鉻／鎳硅熱電偶，該熱電偶具有線性度好，熱電動勢較大，靈敏度高，穩(wěn)定性和均勻性較好等特點，其使用溫度為0～1 300℃，對應(yīng)輸出為0～5237 mV。溫度變送器采用DBW型，把熱電偶輸出的毫伏信號轉(zhuǎn)換為0～5 V標(biāo)準(zhǔn)模擬信號。該信號通過A／D轉(zhuǎn)換器ADC0809的IN0通道輸入，從而轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再由AT89S52單片機利用控制程序從P0口輸入其內(nèi)部RAM單元，以便與溫度設(shè)定值進行比較。模糊控制器輸出控制量通過P1．0輸出，通過光電雙向可控硅驅(qū)動器MOC3051去驅(qū)動功率可控硅，從而改變加熱元件的加熱功率，以實現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)的目的。
考慮到系統(tǒng)的人機互動，利用并行接口芯片8155進行I／O口擴展，以完成鍵盤輸入及顯示器輸出的設(shè)計。其中鍵盤采用矩陣式鍵盤，負責(zé)參數(shù)的設(shè)定和一些開關(guān)量的輸入，如：啟動、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，用于同時顯示系統(tǒng)設(shè)定溫度及實際溫度。

2 雙模糊控制算法設(shè)計
2．1 雙模糊控制器結(jié)構(gòu)設(shè)計
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)下存存大小不同的誤差，若考慮單模糊控制器設(shè)計，將使系統(tǒng)的快速響應(yīng)及控制精度之間存在矛盾，兩者無法兼顧。為此，采用雙模糊控制器設(shè)計，并人為設(shè)置一個誤差臨界值完成雙模控制切換。在系統(tǒng)初始階段，系統(tǒng)誤差較大，使用系統(tǒng)因子Kec、Ku相對較小(如Kec1、Ku1)的模糊控制器，以實現(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。