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基于单片机的模糊PID温度控制系统设计
基于单片机的模糊PID温度控制系统设计
摘要:
温度控制在热处理工艺过程中,是一个非常重要的环节,控制精度直接影响着产品质量的好坏。
本文研究的电炉是一种具有纯滞后的大惯性系统,传统的加热炉控制系统大多建立在一定的模型基础上,难以保证加热工艺要求。
因此本文将模糊控制算法引入传统的加热炉控制系统构成智能模糊控制系统。
本文提出的基于模糊的自整定PID控制算法的控制系统具有真正的智能化和灵活性,有自动检测、数据实时采集、处理及控制结果显示等功能,对提高电炉温度的控制精度具有较好的意义。
关键词:
电炉;单片机;模糊PID
第1章绪论
1.1引言
电炉是热处理生产中应用最广的加热设备,通过布置在炉内的电热元件将电能转化为热能,借助辐射与对流的传热方式加热工件。
通常可用以下模型定性描述
式中X—电炉内温升(指炉内温度与室温温差)
K—放大系数
t—加热时间
T—时间系数
V—控制电压
To—纯滞后时间
但在实际热力过程中,由于被加热金属的导热率、装入量以及加热温度等因素的不同,直接影响着K、T、to等参数的变化,因此电炉本身具有很大的不确定性。
温度控制在热处理工艺过程中,是一个非常重要的环节。
控制精度直接影响着产品质量的好坏,根据不同的目的,将材料及其制件加热到适宜的温度。
1.2控制器发展现状
1.2.1PID控制器的发展现状
在过去的50年,调节PID控制器参数的方法获得了极大的发展。
其中有利用开互不干涉内政阶跃响应信息,如Coon—Cohen响应曲线法;还有使用Nyquist曲线法的,如连续响应法,然而这些调节方法只识别了系统动态信息的一小部分,不能理想的调节参数。
随着计算机技术的发展,人们利用人工智能的方法将操作人员的调整经验作为知识存入计算机中,根据现场实际情况,计算机能自动调整PID参数。
这样能实现自动调整、短的整定时间、简便的操作,改善响应特性而推动了自整定PID控制技术的发展。
自整定技术可追溯到50年代自适应控制处于萌芽时期,60年代国外有人设计了一种自动调节式的过程控制器,因其价格高、体积大、可靠性差而未能商品化。
80年代由于适用的控制理论的完善以及高性能微机的使用,才使得自整定控制器得以开发,PID控制器参数的自动整定技术设想已慢慢实现。
电炉温度控制技术发展日新月异,从模拟PID、数字PID到最优控制、自适应控制,再发展到智能控制,每一步都使控制的性能得到了改善,在现有的电加热炉温度控制方案中,PID控制和模糊控制应用最多,也最具代表性。
1.2.2模糊PID控制
模糊控制的概念是由美国加利福尼亚大学著名教授L.A.Zaden首先提出的,经过20多年的发展,模糊控制取得了瞩目的成就。
模糊控制适用于非线性、数学模型不确定的控制对象,对被控对象的时滞非线性和时变性具有一定的适应能力,同时对噪声也有较强的抑制作用,即鲁棒性较好。
但模糊控制器本身消除系统误差的性能比较差,难以达到较高的控制精度。
而PID控制正好可以弥补其不足,近年来已有不少将模糊技术与传统技术结合起来设计模糊逻辑控制的先例,在文献中介绍了多种能提高PID控制精度的模糊PID混乱合控制方案,例如:
引入积分因子的模糊PID控制器;混乱合型模糊PID控制器;另外将其与其它先进控制技术结合又腻味模糊自适应PID控制、神经网络模糊PID控制等。
1.2.3模糊自整定PID控制
模糊自整定PID控制是在一般PID控制系统的基础,加上一个模糊控制规则环节,利用模糊控制规则在线对PID参数进行修改的一种自适应控制系统。
它以误差e和误差变化ec作为输入,可以满足不同时刻的e和ec对参数自整定的要求。
它将模糊控制和PID控制器两者结合起来,扬长避短,既具有模糊控制灵活适应性强,调节速度快的优点,又具有PID控制无静差、稳定性好、精度高的特点,对复杂控制系统和高精度伺服系统具有良好的控制效果。
1.3电炉采用模糊自整定PID控制的可行性
在工业生产过程中,电炉随着负荷变化或干扰因素的影响,其对象特性或结构发生改变。
电炉温控具有升温单向性、大时滞和时变的特点,如升温靠电阻丝加热,降温依靠自然冷却,温度超调后调整慢,因此用传统的控制方法难以得到更好的控制效果。
另外对于PID控制,若条件稍有变化,则控制参数也需调整。
自适应控制运用现代控制理论在线辩识对象特征参数,实时改变其控制策略,使控制系统指标保持在最佳范围内。
但由于操作者经验不易精确描述,控制过程中各种信号量以及廉价指标不易定量表示,而模糊理论正是解决这一问题的有效途径。
人们运用模糊数学的基本理论和方法,把规则的条件操作用模糊集表示并把这些模糊控制规则及有关信息(如评价指标、初始PID参数等)作为知识存入计算机知识库中,然后计算机根据控制系统的实际响应情况运用模糊推理,实现自动对PID参数的最佳调整。
从以上的分析可知模糊自整定PID控制应用在具有明显的纯滞后、非线性、参数时变类似于电炉这样特点的控制对象可以获得很好的控制性能。
大量的理论研究和实践也充分证明了用模糊自整定PID控制电炉温度是一非常好的解决方法。
它不仅能发挥模糊控制的鲁棒性好、动态响应好、上升时间快和超调小的特点,又具有PID控制器的动态跟踪品质和稳态精度。
因此在温度控制器设计中,采用PID参数模糊自整定复合控制,实现PID参数的在线自调整功能,可以进一步完善PID控制的自适应性能,在实际应用中也取得了较好的效果。
第2章自整定PID控制器的设计
模糊自整定PID控制是在一般PID控制系统的基础上,加上一个模糊控制规则环节,利用模糊控制规则在线对PID参数进行修改的一种自适应控制系统。
它以误差e和误差变化ec作为输入,可以满足不同时刻的e和ec对参数自整定的要求。
它将模糊控制和PID控制器两者结合起来,扬长避短,既具有模糊控制灵活而适应性强的优点,又具有PID控制精度高的特点,对复杂控制系统和高精度伺服系统具有良好的控制效果。
2.1模糊推理机的设计
模糊控制器是应用模糊数学知识,模拟人的思维方法,把人用自然语言描述的控制策略改造成模糊控制规则,由模糊控制规则构造出模糊关系,而把模糊关系作为模拟变换器,把输入、输出的模糊向量按模糊推时方法处理,进而确定控制量。
2.1.1模糊推理机的结构
在一般的模糊控制系统中,考虑到模糊控制器实现的简易性和快速性,通常采用二维模糊控制器结构形式。
这类控制器都是以系统误差E和误差变化率EC为输入语句变量,基本模糊控制器构成原理图如图2—1所示。
2.1.2模糊推理机的设计
依据模糊控制的基本原理,基本模糊控制器设计概括起来包括如下内容:
(1)精确量的模糊化;
(2)建立模糊控制规则和模糊关系;
(3)输出信息的决策。
2.2模糊自整定PID控制器
这种智能PID模糊控制器分两步整定PID参数。
第一步,初始PID参数的整定;先测定被控对象参数的粗略值,应用初值整定规则确定PID的初始值;第二步,PID参数的在线整定;监测控制系的响应过程,将其模糊化,综合用户期望、控制目标类型、对象参数等,运用模糊推理自动进行PID参数的在线整定。
2.2.1模糊自整定PID控制器
模糊自整定PID控制器原理图如图2-2所示。
模糊自整定PID控制是在一般PID控制系统的基础上,加上一个模糊控制规则环节,利用模糊控制规则在线对PID参数进行修改的一种自适应控制系统。
它以误差e和误差变化ec作为输入,可以满足不同时刻的e和ec对参数自整定的要求。
它将模糊控制和PID控制器两者结合起来,扬长避短,既具有模糊控制灵活而适应性强,调节速度快的优点,又具有PID控制无静差、稳定性好、精度高的特点,对复杂控制系统和高精度伺服系统具有良好的控制效果。
2.3模糊自整定PID控制器性能的研究
为了便于比较模糊自整定PID控制器与常规PID控制器的性能差别,选择曲型二阶纯滞后对象作为模型,改变模型参数,利用Matlab仿真,观察分析二种控制方式的阶跃响应曲线及二者之间差异。
二阶纯滞后惯性环节的模型为
其中,增益系统数K=4,分别改变模型的惯性时间常数和纯滞后时间,分析在三种控制方式下,它们对系统特性的影响,取设定值SP=50,K∞=0.07,K∞=0.06,这组调节系统数是在常规PID控制方式下,被控对象的惯性时间常数T1=1、T2=4,纯滞后时间Td=0时系统的整定参数。
2.3.1Matlab仿真结构图
在SIMULINK中,建立PID控制器仿真图如图2-3所示,并将它封装为PID子模块。
利用模糊控制工具箱中的FuzzyLogicController模块,将它和PID模块连接起来可以封装成为Fuzzy-PID控制器,结构如图2-4所示。
将Fuzzy-PID控制器加入到控制系统的模型中,并对其运用Smith预估器进行补偿校正,从而得到整个控制系统的模型,如图2-5所示。
然后就可以根据输出结果来判断控制器的性能。
通过对输出结果的分析,可以对系统参数和模糊控制器的控制规则进行适当的调整,使控制系统的性能达到最佳。
在MATLAB环境中运行该系统进行仿真,可以利用示波器观察输出的情况,也可以将数据存储到MATLAB的工作空间的指定变量中,再得用绘图命令将曲线输出到单独的窗口中。
2.4仿真结果分析
根据前面的仿真实验和仿真分析,可以总结出以下几点结论:
(1)模糊自整定PID控制对惯性时间常数变化的适应能力比常规PID控制强;
(2)模糊自整定PID控制的动态特性、控制精度比常规PID控制好;
(3)模糊自整定PID控制系统比常规PID控制系统的稳定性好。
第3章系统硬件和电路设计
3.1引言
电炉是热处理生产中应用最广的加热设备,其本身是一个较为复杂的被控对象,虽然可用以下模型定性描述它
式中K—放大系统
T—时间系数
t—纯滞后时间
但在实际热力过程中,由于实际工总的复杂性(加工工件的材质、初温、升温、幅度规格、装炉量以及电气环境等因素),使得上述数学模型偏离实际情况相当严重,本文将在具有在线自调整功能模糊自整定PID控制器基础上设计一个炉温控制系统,以期较理想地解决被加热物件透烧过程的测量与控制。
3.2系统的总体结构
控制系统组成框图如图3-1所示。
3.3温度检测电路
温度检测是温度控制系统的一个重要的环节,直接关系到系统性能,在微机温度控制系统中,温度的检测不仅要完成温度到模拟电压量的转换,还要将电压转换为数值量送计算机,其一般结构如图3-2所示。
3.3.1温度传感器
温度传感器将测温点的温度变换为模拟电压,其值一般为mV级,需要放大为满足模/数转换要求的电压值,微机通过控制把电路电压送到模/数转换器进行模/数转换,得到表示温度的电压数字量,再用软件进行标度变换与误差补偿,得到测温点的实际温度值。
温度传感器种类繁多,但在微机温度控制系统中使用的传感器,必须是能够将非电量变换成电量得传感器,此次设计中选用的是热电偶传感器,热电偶传感器是工业温度测量中应用最广泛得一种传感器,具有精确度高、测量范围广、构造简单、使用方便等优点。
热电是由两种不同材料得导体A和B连接在一起构成得感温元件。
如图3-3所示。
A和B的两个接点1和2之间穿在温度差时,回路中便产生电动势,形成一定大小的电流,这种现象称为热电效应,也叫温差效应。
热电偶就是利用这个原理地测量温度的。
3.3.2测量放大器的组成
测量放大器的基本电路如图3-4所示。
测量放大器由三个运算放大器组成,其中A1、A2两个同相放大器组成前级,为对称结构,输入信号加在A1、A2的同机输入端从而具有高抑止共模干扰的能力和高输入阻搞。
差动放大器A3为后级,它不仅切断共模干扰的传输,还将双端输入方式变换成单端输出方式,适应对地负载的需要。
测量放大器的放大倍数用下面公式计算
式中,RG为用于调节放大倍数的外接电阻,通常RG采用多圈电位器,并靠近组件,若距离较远,应将联线胶合在一起,改变RG可使放大倍数在1—1000范围内调节。
3.4多路开关的选择
在本次的设计中,我们的温度传感器有5个,因此,我们采用了一种16的多路开关,以实现对5个温度传感器的巡回检测。
CC4067是单片,CMOS、16通道,模拟多路转换器。
该电路包括16选1的译码器和译码器的输出分别控制的16个CMOS双向开关,通道的输出状态由电路外部输入的地址A、B、C、D所决定。
3.5A/D转换器的选择及连接
5G14433是我国制造的31/2位模/数变换器,是目前市场上广泛流行的最典型的双积分模/数变换器。
该芯片具有抗干扰性能好、转换精度高、自动校零、自动极性输出、自动量程控制信号输出、外接元件少、价格便宜等特点。
因此广泛应用在低速微控制器应用系统,智能仪表和数字三用表等领域。
5G14433与国外型号MC14433兼容。
5G14433的外部连接电路,尽管5G14433外部连接元件很少,但为使其工作于最佳状态,也必须注意外部电路的连接和外接元件的选择,其实际连接电路如图3-8所示。
为了提高电源抗干扰的能力,正,负电源分别通过去耦电容0.047uF、0.02uF与Vss(VAG)相连。
第4章系统软件设计
4.1主要程序的框图
4.1.1主程序框图
系统运行主程序流程的设计思想为:
首先要进行一系列的初始化工作,在系统中我们设置了看门狗是为了在系统出现故障时,可在选定的超时周期之后,看门狗以复位信号做出响应,保证系统可靠工作。
在系统设置了键盘中断服务子程序,通过键盘送入的信号后,系统开始启动工作。
在温度控制方面,设置了恒温,升温,降温和A/D转换等调用的子程序,用以达到控温的功能。
4.1.2键盘中断服务子程序
本系统的键盘设计主要有恒温设置键、升温速率设置键、降温速率设置键、恒温时间拉制设置键、显示设置键等按键。
此程序流程的思想为:
当需要对某设定参数调整时,通过设定参数菜单键来选择要调整的系统参数;然后利用增加键和减少键对参数进行调整,调整参数确定后系统会自动保存。
键盘处理子程序流程图如图4-2。
在按键时,触点闭合与断开的瞬间,会出现电压抖动。
在实际的工作中,按键有时灵,有时不灵,实际上可能是在你只按了一次按键,可是计算机却已执行了好几次任务。
按键的稳定闭合期,由操作人员的按键动作所决定,一般为十分之几秒到几秒不等。
在去抖动处理上,一般采用软件延时的方法,在单片机获得P1.7口为低的信息后,不是立即认定按键已被按下,而是延时10到20ms时间后再次检测P1.7口,如果仍为低,说明按键的确按下,避开了按键按下是的抖动时间。
4.2模糊自整定PID控制算法
针对电炉温度控制,将采样得到的温度信号与系统的温度设定值进行比较,得到温度误差e、温度误差变化ec,根据电炉温度变化实际情况参考前面的模糊自整定PID控制器设计方法,将它们变化到模糊论域。
温度误差e、温度误差变化ec和KP、KI、KD的修正系数的模糊子集为e=ec={负大、负中、负小、零、正小、正中、正大}
={NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}
△kp=△ki=△kd={负大、负中、负小、零、正小、正中、正大}
={NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}
并将温度误差e、温度误差变化ec的大小量化为13个等级,分别表示为-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6,
则论域E和EC为
E=EC={-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}
△kp、△ki、△kd的大小量化为11个等级,△kp的论域为{-1,5,-1.25,-1.0,-0.75,-0.5,0.25,0,0.25,0.5,0.75,1.0,1.25,1.5}
△ki、△kd的论域为{-0.3,0.25,0.2,0.15,0.10,0.05,0,0.05,0,10,0.15,0.20,0.25,0.3}。
PID参数的整定需要考虑在不同时刻3个参数的作用以及相互之间的关系。
对于电阻炉温控制,由PID控制器3个参数的控制特点,被控过程对参数的自整定要求可简单地总结如下:
当E较大时,为使系统具有较好的快速跟踪性能,应取较大的KP与较小的KD,同时为避免系统响应出现较大的超调,应对积分作用加以限制,这样积分作用有利于消除稳态误差,又可避免产生较大超调。
当E处于中等大小时,为了使系统响应具有较小的超调,KP应取得小些;KI和KD的大小要适中,以保证系统的响应速度,其中KD的取值对系统响应的影响较大。
当E较小时,为使系统具有较好的稳态性能,均应取得大些,同时为避免系统在设定值附近出现振荡,并考虑系统的抗干扰性能,
当EC较小时,KD值可取得大些,通常取为中等大小;
当ec较大时,KD应取小些。
第5章总结与展望
5.1总结
通过三个月的设计,我也有很深的感触:
当今社会在飞速发展,科学技术发展的速度更是迅猛无比,尤其是单片机技术在未来社会发展中一定会起着十分重要的作用,而通过本次设计无论是从硬件实现还是到整个程序的完成,无不是对我个人专业能力的一次提高和体现。
而本次设计主要是完成两方面工作,软件程序设计和硬件电路板设计,软件设计包括用单片机设计语言设计控制系统并仿真、实现。
硬件设计包括绘制电路原理图,生成图后制作电路板、插件焊件、再做硬件测试。
通过这些都使我对采用单片机设计方法有了更深的理解和掌握,同时也让我把所学的知识广泛的应用到了实践中,充分的做致理论与实践相结合,无论从专业知识、动手能力,还是毅志品质,都使我受益非浅,当然,这与老师和同学的热心帮助也是分不开的。
大学生活虽然结束了,但我们的学习还没有结束,只有不断学习,用知识充实自己的头脑,才能在未来社会有一席之地,才能为社会的发展做出应有的贡献,一句话:
学无止境。
5.2展望
单片机为我们改变了什么?
纵观我们现在生活的各个领域,从导弹的导航装置,到飞机上各种仪表的控制,从计算机的网络通讯与数据传输,到工业自动化过程的实时控制和数据处理,以及我们生活中广泛使用的各种智能IC卡、电子宠物等,这些都离不开单片机。
以前没有单片机时,这些东西也能做,但是只能使用复杂的模拟电路,然而这样做出来的产品不仅体积大,而且成本高,并且由于长期使用,元器件不断老化,控制的精度自然也会达不到标准。
在单片机产生后,我们就将控制这些东西变为智能化了,我们只需要在单片机外围接一点简单的接口电路,核心部分只是由人为的写入程序来完成,这样产品的体积变小了,成本也降低了,长期使用也不会担心精度达不到了。
据统计,我国的单片机年容量已达3亿片,且每年以大约20%的速度增长,但相对于世界市场我国的占有率还不到1%。
特别是沿海地区的玩具厂等生产产品多数用到单片机,并不断地辐射向内地。
所以,学习单片机在我国是有着广阔前景的。
目前,测温控温系统得到快速的发展,国外的测量控制系统已经成熟,产品也较多。
近两年,国内也出现了许多高精度的温度控制系统产品,但相对于用户来说,价格还是偏高。
而由于竞争越来越激烈,现在企业发展的趋势是如何最有效的提高生产效率,降低生产成本。
寻求性能可靠、价格低廉,且应用广泛的元器件是生产过程的首先要考虑的问题,因此像本设计控制简单、精度较高、价格低廉的控制系统会有很好的发展前景,所以学好单片机技术也十分重要。
通过本次的设计,使我感觉到单片机的应用会越来越广泛,而且,在医疗事业的发展中,单片机也会越来越重要。
以后的医疗服务会急速的向现代化、智能化方向发展,从而增加了安全性,减少少了操作的繁琐性。
学习并使用单片机为核心进行设计,将为我们电子工作者打开一扇通往电子设计新出路的大门。
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