基于模糊控制技術(shù)的恒溫控制系統的設計

　　在日常工業(yè)生產(chǎn)當中，恒溫控制應用非常廣泛。模糊控制技術(shù)是通過(guò)模仿人的思維方法，運用不確定的模糊信息進(jìn)行決策以實(shí)現最佳的控制效果。模糊控制所關(guān)心的是目標而不是精確的數學(xué)模型，即研究的是控制器的本身而不是被控對象。因此可以利用特殊的控制媒介，研究控制器本身。本系統以此作為出發(fā)點(diǎn)，以單片機為核心控制器，研究模糊控制算法，實(shí)現了精確的恒溫控制。并設計了單片機與上位機的通信軟件，實(shí)現了遠程溫度控制和溫度曲線(xiàn)可視化的功能。

　　1 系統功能和硬件設計

　　本系統以水溫作為測量媒介，以AT89C51單片機作為核心控制器，以AD590溫度傳感器作為采集器，實(shí)現溫度的采集、控制、傳輸、顯示的功能。系統采用模糊算法對電熱絲的加熱時(shí)間進(jìn)行控制，從而達到對水溫的控制。同時(shí)通過(guò)上位機軟件可以進(jìn)行實(shí)時(shí)控制和顯示溫度曲線(xiàn)圖等，系統框圖如圖1所示。

　　1．1 溫度采集模塊

　　溫度采集模塊實(shí)現溫度信號采集、信號調理、模／數轉換的功能。主要以集成溫度傳感器AD590M為采集主體，經(jīng)過(guò)電壓跟隨器、差分式減法器、電壓放大器、反相器等電路作為信號調理，后輸入10位A／D轉換器TLC1549進(jìn)行模／數轉換。電路圖如圖2所示。

　　AD590是電流型集成溫度傳感器，具有抗干擾能力強的特點(diǎn)，其輸出電流和溫度值成正比，且是以絕對溫度零度(-273℃)為基準，其線(xiàn)性電流輸出為 1μA／K，利用10 kΩ的電阻可將電流信號轉換為電壓信號。本系統的測量范圍為0～100℃，因此輸出電壓范圍為2．73～3.73 V。為了增大后端電路的阻抗，減小對電流信號的分流，利用電壓跟隨器作為信號隔離。后輸入差分減法器減去2．73 V，并經(jīng)過(guò)5倍電壓放大后，對應的輸出電壓范圍為O～6 V。電壓信號輸入10位逐次比較型模數轉換器TLCl549。其參考電壓為5 V，則輸入電壓的分辨率(單位：mV)為：

　　

從而本系統溫度采樣的理論分辨率為：

　　由于傳感器信號微弱，極易受到外界電磁環(huán)境影響，須使用雙絞線(xiàn)傳輸傳感器信號。

　　1．2 人機交互和遠程管理模塊

　　系統開(kāi)發(fā)了豐富的人機交互接口，分為本地管理和遠程管理，最大程度上簡(jiǎn)化了操作的復雜度和方便度。在本地端，設有三個(gè)功能按鍵，分別為：設定溫度加O．1℃、設定溫度減O．1℃、溫度控制開(kāi)關(guān)。兩個(gè)三位七段數碼管，分別顯示：設定溫度和實(shí)時(shí)采集溫度。

　　系統通過(guò)串口轉換芯片MAX232，實(shí)現上位機和單片機的通信。上位機作為遠程管理端，實(shí)現了顯示溫度變化曲線(xiàn)、顯示當前溫度、顯示設定溫度、顯示最大正負誤差，放大或縮小曲線(xiàn)、保存曲線(xiàn)等功能。

　　1．3 溫度控制和超界報警模塊

　　系統利用單片機控制電熱絲在一個(gè)加熱周期內的加熱時(shí)間來(lái)實(shí)現對水溫的控制。單片機端口信號經(jīng)過(guò)光耦隔離后，利用三級管驅動(dòng)電磁繼電器的閉合與斷開(kāi)，從而控制加熱時(shí)間。當溫度超過(guò)100℃或者實(shí)時(shí)溫度變化超過(guò)10℃時(shí)，單片機將驅動(dòng)蜂鳴器進(jìn)行長(cháng)時(shí)間報警提示，當設置溫度變化超過(guò)10℃時(shí)，蜂鳴器進(jìn)行短時(shí)間報警提示。

　　2 軟件系統設計

　　系統的控制思路為：根據模糊控制模型和實(shí)際應用情況推理出模糊查詢(xún)表，模糊查詢(xún)表表示對于不同狀態(tài)的加溫周期時(shí)間。單片機根據實(shí)時(shí)采樣溫度的變化查取模糊查詢(xún)表，對加溫周期做出調整，從而達到對溫度控制的目的。

　　2．1 主程序

　　主程序一直處于等待接收串口信號狀態(tài)，同時(shí)判斷是否需要發(fā)送數據。定時(shí)中斷每秒對采樣溫度進(jìn)行平均值濾波后，置串口發(fā)送標志，在主程序中發(fā)送。單片機接收到PC信號的第一個(gè)字節時(shí)，調用接收數據子程序，將剩余數據接收到緩沖區內，并判斷接收數據的類(lèi)型，執行相應操作。
為避免串口干擾信號，系統采用應答模式和單向傳輸混用的串口通信，以提高通信的穩定性和系統的實(shí)時(shí)性。上位機下發(fā)命令采用應答模式，單片機實(shí)時(shí)溫度信息上傳采用單向通信模式。通信協(xié)議由包頭、命令、數據長(cháng)度、數據包、校驗位組成。

　　2．2 1ms定時(shí)中斷程序

　　1ms定時(shí)中斷作為系統的總時(shí)鐘。每1 ms刷新一位數碼管，每10 ms掃描一次按鍵，每1 s的最后100 ms中，每隔10 ms采樣一次溫度值，將10次采樣值冒泡排序，去掉最大值和最小值后的平均值，作為本次實(shí)時(shí)采樣的最終值送入顯示緩沖區。若恒溫控制開(kāi)關(guān)打開(kāi)，則每1 s還要調用恒溫控制程序。若報警開(kāi)關(guān)打開(kāi)，則每1 s取反一次揚聲器輸出。定時(shí)中斷返回前將重置看門(mén)狗。

　　2．3 模糊控制模型建立

　　系統利用了雙輸入單輸出的模糊控制模式。2個(gè)輸入語(yǔ)言變量E，EC分別表示溫度誤差和溫度誤差的變化率，輸出語(yǔ)言變量U表示繼電器的閉合時(shí)間。語(yǔ)言變量E 賦8個(gè)值，即正小(PS)、正零(PO)、負零(NO)，負小(NS)，負中(NM)，負大(NL)，負加大(NXL)，負超大 (NXXL)，考慮到系統中并未設置降溫措施，E的賦值并不對稱(chēng)。EC賦7個(gè)值，即正大(PL)、正中(PM)、正小(PS)、零(PO)、負小 (NS)、負中(NM)、負大(N-L)。U賦4個(gè)值：零(O)、正小(PS)、正中(PM)、正大(PL)。為補償溫度控制無(wú)超調量，E的量化值為 -10～2，EC，U的量化值分別為-6～6，0～6。每個(gè)值采用三角形隸屬函數模型，如圖3～圖5所示。

　　依靠經(jīng)驗來(lái)建立控制規則，但是得到的控制量并是一個(gè)模糊量，不能直接用來(lái)作為控制輸出，采用C語(yǔ)言進(jìn)行解模糊處理，得到模糊查詢(xún)表，并在測試中反復調整，最終得到模糊查詢(xún)表如表1所示。

　　2．4 模糊控制程序

　　在單片機的程序中，設置了變量TOUT表示恒溫控制周期，TSET表示一個(gè)恒溫控制周期中韻加熱輸出時(shí)間，即表中的U。每隔TOUT的時(shí)間，將調用模糊推理程序，求出誤差E和誤差變化率EC。其中：

E=實(shí)時(shí)采樣溫度值-設定溫度值
EC=當前誤差-上次誤差

　　當誤差較大時(shí)，不必進(jìn)行模糊控制，只需判斷是全速加熱或是停止加熱。當誤差進(jìn)入預設的控制范圍時(shí)，量化E，EC，并由量化值查詢(xún)模糊查詢(xún)表，得出該周期應該輸出的加熱時(shí)間TSET。

　　在測試中發(fā)現，采用單一的E，EC論域的效果并不讓人滿(mǎn)意，系統靈敏度較低?？紤]加熱慣性和高溫散熱較快的影響，采用了兩級控制的方式。在第一級控制中，E和EC的論域范圍較大，可快速加熱到恒溫設定溫度附近；此后進(jìn)入第二級控制，縮小E和EC的論域范圍，提高控制的靈敏度。經(jīng)測試，采用此方式可在各溫度層次控制過(guò)程中將恒溫誤差穩定在±0．3℃以?xún)取?/P>

　　3 系統實(shí)驗和誤差分析

　　3．1 傳感器零點(diǎn)校準

　　系統采用電流型溫度傳感器AD590，同時(shí)使用單點(diǎn)調節電路。在理想情況下，在冰水混合物(O℃)中并聯(lián)10kΩ電阻，輸出電壓為2.73V，即為傳感器零點(diǎn)。同時(shí)為保證系統的精確性，使用單點(diǎn)調節電路進(jìn)行進(jìn)一步調節。

　　3．2 系統實(shí)驗

　　利用本系統對自來(lái)水進(jìn)行重復性測試。由于本地氣壓和水中雜質(zhì)的影響，當水到達沸點(diǎn)時(shí)仍無(wú)法到達100℃，因此系統的測試范圍設定為40～90℃。當系統達到溫度恒定且停止加溫后，隨機進(jìn)行一次靜態(tài)數據測量；在此后100 min內，每隔5 min進(jìn)行一次恒溫控制數據測量。靜態(tài)數據如表2所示，恒溫控制數據如表3所示，50℃恒溫控制上位機曲線(xiàn)如圖6所示。

　　由表3可知，系統的靜態(tài)誤差為±0.2℃。對表3中每組數據的后10個(gè)數據進(jìn)行標準差計算，結果如表4所示，可知其平均誤差小于±0.3 ℃。

　　4 結語(yǔ)

　　該系統以模糊控制算法和單片機設計了一種恒溫控制系統。利用單片機作為核心控制器，開(kāi)發(fā)了豐富的友好的人機交互環(huán)境：溫度變化曲線(xiàn)可視性、遠程可控性非常適合工業(yè)遠程管理要求。其成本低，可擴展性好，非常容易擴展為多路采集系統；同時(shí)采用模糊查詢(xún)表的方式，提高了系統的移植性。實(shí)驗表明：本系統能夠將水溫恒定的控制在40～90℃范圍內，控制誤差小于0．5℃，靜態(tài)誤差小于0．2℃，可廣泛的推廣和移植到工業(yè)當中。