基于單片機(jī)的雙模糊溫度控制器設(shè)計(jì)

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(diǎn)，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(jī)技術(shù)，設(shè)計(jì)了體積小、功能強(qiáng)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(jì)思想與方法。該控制器簡(jiǎn)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(jī)；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(xiàn)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(lài)對(duì)象數(shù)學(xué)模型、能有效控制時(shí)變和非線(xiàn)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)念誤差，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(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(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(xiàn)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0～5237 mV。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。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(pán)輸入及顯示器輸出的設(shè)計(jì)。其中鍵盤(pán)采用矩陣式鍵盤(pán)，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)下存存大小不同的誤差，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，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。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。