基于A(yíng)T89S52的雙模糊溫度控制器設計

　　現代工業(yè)控制中，溫度控制十分重要且日益復雜化。由于溫度控制具有的非線(xiàn)性、大滯后、時(shí)變性、升溫單向性等特點(diǎn)，在實(shí)際應用中難以建立精確的數學(xué)模型，無(wú)法用經(jīng)典控制理論及現代控制理論來(lái)解決實(shí)現溫度控制效果。目前，現代智能控制中不依賴(lài)對象數學(xué)模型、能有效控制時(shí)變和非線(xiàn)性系統的模糊控制已普遍應用于工業(yè)溫度控制中。通過(guò)對溫度的基本模糊控制，可達到較好的控制效果，但存在一定的穩態(tài)誤差，難以達到較高的控制精度。若根據系統不同的工作狀態(tài)采用不同的溫度模糊控制，即雙模糊控制，可大幅度改善穩態(tài)誤差，提高控制精度，同時(shí)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(shí)時(shí)控制且可靠性高。

　　1 控制器功能及硬件設計

　　雙模糊溫度控制器主要以單片機為主控芯片，主要負責溫度的模糊化處理、模糊控制算法實(shí)現、輸出溫度的大小控制處理。工業(yè)現場(chǎng)溫度通過(guò)溫度傳感器采集，傳感器輸出信號經(jīng)變送器轉變?yōu)?～5 V 的標準信號，經(jīng)A/D 轉換后與溫度設定值進(jìn)行比較， 得到溫度誤差信號e 及溫度變化率ec，并在系統初始階段和穩態(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，從而完成溫度的調節。其溫度控制系統原理框圖如圖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 在系統可編程Flash 存儲器和256B RAM，32 位I/O線(xiàn)，3 個(gè)16 位定時(shí)器，6 個(gè)中斷源以及看門(mén)狗定時(shí)器等，可滿(mǎn)足溫度控制器的基本設計及擴展設計需求。

　　溫度傳感器采用鎳鉻/鎳硅熱電偶，該熱電偶具有線(xiàn)性度好，熱電動(dòng)勢較大，靈敏度高，穩定性和均勻性較好等特點(diǎn)，其使用溫度為0~1 300 ℃，對應輸出為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轉換為0~5 V標準模擬信號。該信號通過(guò)A/D 轉換器ADC0809 的IN0 通道輸入，從而轉換為數字信號，再由AT89S52 單片機利用控制程序從P0 口輸入其內部RAM 單元，以便與溫度設定值進(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)光電雙向可控硅驅動(dòng)器MOC3051 去驅動(dòng)功率可控硅， 從而改變加熱元件的加熱功率，以實(shí)現溫度調節的目的。

　　考慮到系統的人機互動(dòng)，利用并行接口芯片8155 進(jìn)行I/O 口擴展，以完成鍵盤(pán)輸入及顯示器輸出的設計。其中鍵盤(pán)采用矩陣式鍵盤(pán)，負責參數的設定和一些開(kāi)關(guān)量的輸入，如：?jiǎn)?dòng)、停止、復位、溫度設定、設定值修改、溫度數字鍵等;而顯示器采用LED 顯示器，用于同時(shí)顯示系統設定溫度及實(shí)際溫度。

　　2 雙模糊控制算法設計

　　2.1 雙模糊控制器結構設計

　　本模糊控制器采用雙模糊控制結構以及典型的雙輸入、單輸出方式，如圖2 所示。將溫度設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計，將使系統的快速響應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計，并人為設置一個(gè)誤差臨界值完成雙?？刂魄袚Q[4]。在系統初始階段，系統誤差較大，使用系統因子Kec、Ku相對較小(如Kec1、Ku1)的模糊控制器，以實(shí)現快速響應，消除誤差的目的;在系統穩態(tài)階段，系統誤差較小，使用系統因子Kec、Ku適當增加(如Kec2、Ku2)的模糊控制器，以改善系統的穩態(tài)性能。

　　2.2 雙模糊控制策略

　　考慮溫度控制的特點(diǎn)， 將誤差e、變化率ec 及輸出量u的論域設為[-6，6]，將其量化為13 個(gè)等級，并分別為誤差e、變化率ec、輸出量u 選取7 個(gè)語(yǔ)言值，即{NL，NM，NS，ZO，PS，PM，PL}。三者的隸屬度函數均采用梯形分布[5]，如圖3 所示。根據對工業(yè)過(guò)程控制的經(jīng)驗總結，制定相應的模糊控制規則表如表1 所示。

　　為提高系統的實(shí)時(shí)響應速度，事先根據模糊控制規則表及語(yǔ)言變量賦值表， 離線(xiàn)計算出模糊控制總表如表2 所示，該表經(jīng)嚴格的實(shí)踐檢驗和反復修改后存放在單片機的程序存儲器中。然后根據輸入量e 及ec 在不同工作狀態(tài)的實(shí)際變化范圍及其論域，計算出量化因子Ke1、Kec1和Ke2、Kec2，并確定出比例因子Ku1和Ku2。實(shí)際控制時(shí)，模糊控制器把系統在不同工作狀態(tài)下的輸入量e 及ec 分別乘以相應的Ke、Kec，并量化到輸入量的語(yǔ)言變量論域中，再根據量化的結果與模糊控制總表進(jìn)行比較，通過(guò)查表程序得到所需的輸出量U，最后乘以Ku，得到系統在不同工作狀態(tài)下的實(shí)際輸出控制量u。

　　3 控制器軟件設計

　　雙模糊溫度控制器的軟件采用模塊化設計思想，主要包括主程序、溫度采集程序、鍵盤(pán)/顯示控制程序、模糊控制算法程序等。下面主要給出主程序及模糊控制算法程序流程圖，分別如圖4、圖5 所示[6]。

　　4 結束語(yǔ)

　　文中提出的以單片機為控制核心的雙模糊溫度控制器，是以比例因子自整定模糊控制理論為基礎，根據系統誤差大小利用兩個(gè)系統因子不同的模糊控制器分別進(jìn)行溫度控制。結構簡(jiǎn)單、易于實(shí)現、適應力強，可較大提高穩態(tài)精度，對于溫度控制可以達到很好的控制效果，可廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)中。