模糊控制的温度控制系统论文 毕业设计.docx
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模糊控制的温度控制系统论文毕业设计
模糊控制的温度控制系统论文毕业设计
摘要
随着现代信息技术的飞速发展，温度测量控制系统在工业、农业及人们的日常生活中扮演着一个越来越重要的角色，它对人们的生活具有很大的影响，所以温度控制系统的设计与研究有十分重要的意义。
本次设计的目的在于学习与了解单片机系统开发的基本流程。
本设计采用单片机作为数据处理与控制单元，为了进行数据处理，单片机控制热敏电阻，把温度信号通过放大电路从数字温度传感器传递到单片机上。
并通过RS485总线和上位机进行数据处理。
上位机数据处理之后，下位机发出控制信息来改变控制执行模块的状态，使温度回到控温范围以内。
由于控制方法多种多样，本设计采用PID控制。
塑料薄膜是一种对温度非常敏感的材料，要求烫封温度误差小于±5℃，为了提高制袋质量，本文设计了模糊PID控制器，并在相应的温度控制系统硬件、软件平台上实现了该控制算法，将烫封温度稳态误差缩小到±0.1℃以内。
关键词：
热敏电阻;PID控制;模糊PID控制
Abstract
Withtherapiddevelopmentofmoderninformationtechnology,temperaturemeasurementandcontrolsystemsplayanincreasinglyimportantroleinindustry,agricultureandpeople'sdailylife，whichgreatlyimpactthepeople‵slives,sothedesignandresearchoftemperaturecontrolsystemIsgreatlysignificant.ThisdesignisaimedatstudyingandunderstandingthebasicprocessofSCMsystemdevelopment.Thedesignadoptamicrocontrollerasdataprocessingandcontrolunit,inordertocarryoutdataprocessing,SCMcontrolthermistorandtransmitthetemperaturesignalthroughthebussinglefromthermistortotheMCU.ThroughRS485busandthehostcomputerfordataprocessing.AfterprocessingComputerdata,machine-issuedundertransmitcontrollinginformationtochangethestatusofcontrollingmodulesothatmakethetemperaturereturntothescopeofthetemperaturecontrol.Ascontrolmethodsarediversified,weusethemethodofPID.Thematerialofplasticfilmisverysensitivetotemperature.ThethesisdesignsaFuzzy-PIDcontroller,experimentsproveit’sveryeffective.Andthetemperatureerrorreducesto±0.5℃.
Keywords：
thermistor;PIDControl;Fuzzy-PIDControl
绪论1
1.1课题来源和背景1
1.2课题研究目的和意义1
1.3国内外研究概况、现状和发展趋势2
1.4课题设计要求及本文主要完成的工作2
1.4.1设计拟达到的主要目标2
1.4.2设计具体任务2
1.4.3设计要求2
1.4.4技术难点3
1.5本文主要完成的工作3
1.6本章小结3
2方案对比4
2.1控制方案4
2.2算法方案5
2.3本章小结6
3模糊控制器的设计7
3.1温度控制7
3.1.1温控原理7
3.1.2温度信号检测7
3.1.3测温电路的工作原理8
3.1.4控温电路工作原理10
3.1.5整个温控系统的工作原理10
3.2模糊控制理论概述11
3.2.1模糊控制概念11
3.2.2模糊控制原理12
3.2.3模糊控制特点12
3.3模糊PID控制器设计13
3.3.1模糊PID控制器结构13
3.3.1模糊控制器的设计13
3.3.2模糊PID控制算法实现14
3.4本章小结15
4控制系统硬件实现16
4.1系统硬件组成16
4.2硬件系统总原理框图16
4.3系统硬件设备介绍17
4.3.174LS373资料17
4.3.2A/D转换17
4.3.3RS485总线资料18
4.3.4单片机AT89C5220
4.4通讯电路设计23
4.4.1通讯标准选择23
4.4.2实际通讯电路23
4.5I2C串行扩展电路24
4.6硬件抗干扰措施25
4.6.1干扰来源分类25
4.6.2抗干扰措施25
4.7系统总电路图（见附录）26
4.8本章小结26
结论27
致谢28
参考文献29
附录31
绪论
1.1课题来源和背景
随着现代工业的逐步发展，在工业生产中，温度、压力、流量和液位是四种最常见的过程变量。
其中，温度是一个非常重要的过程变量。
包装印刷生产线主要由印刷、复合、分切、制袋等四个主要设备组成。
制袋过程是包装生产线的最后一道工序，该工序涉及定长、定位、烫封、牵引和裁切等诸多工艺环节与参数的相互协调控制。
完成最后一道工序的加工设备——制袋机，它的工艺水平直接影响到最终的产品质量。
制袋过程要求对定位、张力、温度进行控制，才能高速高质量地制成成品袋子。
其控制目标为定位精确、张力平滑、温度稳定等。
烫封温度控制技术作为制袋机系统研究的一部分，对最终的制袋质量有着重要的影响。
软包装生产线上的制袋机是利用塑料薄膜制作袋子的加工设备。
由于塑料薄膜对温度的敏感性，若烫封温度过高，塑料薄膜被烫煳或生产出的袋子不平整；若烫封温度过低封口烫压强度不够。
烫封温度稳定与否直接关系到制袋质量和制袋的成品率。
1.2课题研究目的和意义
薄膜经过放料处理、烫压成形，然后分切制袋的工艺流程与控制系统的组成框图。
当烫刀抬起时（由同步开关发出信号）由前后伺服系统牵引出指定长度，烫刀每次上下1次，薄膜就成形1个袋子[1]如图1-1所示
1.3国内外研究概况、现状和发展趋势
温度控制器的设计经历了从经典控制理论到现代控制理论又到智能控制理论的发展历程[2-6]。
模糊控制的研究主要体现在控制器的研究和开发以及各类实际应用中,目前模糊控制已经应用在各个行业。
各类模糊控制器也非常多,模糊控制器的研究一直是控制界研究的热点问题,而关于模糊控制系统的稳定性分析则是模糊控制需要研究和解决的基本问题[7-8]。
目前已经出现了为实现模糊控制功能的各种集成电路芯片。
开发模糊控制系统的软件工具也出现了不少。
模糊控制虽然已经有不少的研究成果,而且也被广泛地应用于生产实践中,但模糊控制的发展历史还不长,理论上的系统性和完善性、技术上的成熟性和规范性都还是远远不够的,尤其是模糊控制与其他智能化控制方法相结合的控制方法,还有待于人们在实践中得到验证和进一步的提高[9-10]。
1.4课题设计要求及本文主要完成的工作
1.4.1设计拟达到的主要目标
1）能实现制袋机的多路温度控制
2）控温范围：
500C~2500C控温精度达到±0.10C；
3）温度控制系统必须采用模糊控制；
1.4.2设计具体任务
1）总体方案设计
2）温控系统的数据采集，测温实验系统硬件组成
3）温度控制系统的建模及模糊控制系统
4）元器件、芯片的选择及参数计算
5）控制程序设计
1.4.3设计要求
制袋机工艺流程包括定长、定位、烫封、牵引和裁切等工序，其中每一道工序都会影响制袋效率和制袋质量。
在烫封过程中，影响烫封质量的因素包括制袋速度以及速度的变化、塑料薄膜厚度、烫封的压力强度和烫刀温度等，而其中最主要的因素是烫刀温度[11-15]。
因此，本课题以烫刀为受控对象，研究了高精度的烫封温度控制技术，提高制袋质量。
对于烫刀温度控制系统，课题的设计要求包括：
1）利用单片机89C52满足温控系统的控制要求；
2）建立温度控制实验平台；
3）建立模糊控制系统；
1.4.4技术难点
温度数据采集。
1.5本文主要完成的工作
论文结合制袋实际生产需要，设计了一个温度控制系统，用于控制烫刀的烫封温度。
要求所设计的温度控制系统能够用于实际生产当中，达到实用化水平[16-17]。
该温度控制系统的研究包括：
总体原理设计、硬件电路设计和软件编程三个方面的内容。
（1）总体原理设计的内容有：
确定系统功能，选择传感器及设计控制算法。
根据实际需要，确定温度控制系统主要实现的功能包括：
温度信号的采集、控制量的计算和输出、从键盘设定给定值、修改控制参数、上下位机串行通信、上位机通讯管理软件。
选择热电偶作为温度传感器，其原理简单，安装方便，输出电压与所测温度成正比。
用AD590测量环境温度并作为热电偶的冷端补偿。
论文中详细分析了烫刀受热温度变化特性，根据其大惯性、纯滞后、结构参数时变的特点，选用模糊PID控制算法，该控制器的控制参数可在线调整。
（2）硬件电路是控制系统的物理基础，在软件的操作下协调执行预定的测量和控制任务，所以硬件的设计非常重要。
本系统的硬件电路总体设计可以分为以下几步：
首先，根据系统功能设计电路，其中主要包括温度信号的输入及放大电路、模数转换电路、冷端温度补偿电路、通信接口电路、存储器扩展电路等。
其次，综合分析多种元件的性能参数，具体选定所需元件。
电路原理图设计完成后，绘制印刷电路板、制板等具体工作。
（3）单片机软件应用程序根据硬件电路原理编程。
通过串行口中断实现数据通讯，定时器中断实现数据采集、计算输出控制量等。
编程语言为MCS96汇编，在以89C52微处理器芯片为核心的系统上完成温度控制算法和系统功能。
1.6本章小结
本章首先介绍了课题来源和背景、课题研究的目的和意义，并对温度控制方法进行了综述，最后对论文所完成的具体工作做了一个简要的介绍。
2方案对比
温度控制是制袋机稳定工作的重要环节，实时控制温度到目标值是关键[18-20]。
在本课题中，通过综合比较控制中各种经典、流行的算法，结合实际工业环境，针对控制点数多的特点，需解决PID参数自整定问题，最终确定了模糊自整定PID控制算法。
即：
采用该算法使得控温误差保持在±0.1℃以内（控温范围：
50℃-250℃）。
鉴于精度和多回路控制的问题，在本课题方面的研究还有待深入。
国内外厂家所生产的温控系统以单回路居多，若按回路计算，组合使用，价格昂贵[21-25]。
2.1控制方案
目前工控场合主要使用的控制方式通常有工控计算机控制、单片机控制（singlechip）、PLC（programminglogiccontroller）控制，以及模拟电路（analogcircuit）控制。
对比这几种控制方式：
1、使用可编程控制器PLC设计系统时，系统可靠性高，编程简单，调试、维护方便。
但PLC价格昂贵，一台PLC所能控制的点数有限。
在制袋机的多路温度控制系统中，现一般需168个回路的温度控制，为达到要求，需用多个PLC的温控模块组合使用，价格昂贵。
2、采用工控计算机控制，系统速度快、资源丰富、开发相对简单、人机界面友好，但在本温控系统中，要同时控制168路温度，需要扩展较多的输入、输出端口，性能价格比低。
3、模拟电路主要由放大器、加法器、电容、电阻等元器件组成。
它的最大优点是速度快，能实现对系统的实时控制。
根据计算机控制理论可知，数字控制系统的采样速率并非越快越好，还取决于被控系统的响应特性，烫刀是一个大滞后的环节，温度的变化是一个缓变的过程，温控系统的实时性要求不高，模拟电路的优势得不到体现。
同时，使用模拟电路实现复杂的控制算法比较困难，灵活性不够，系统开发周期长。
4、微处理器的飞速发展不仅带来了功能上的不断强大，而且价格上越来越便宜。
因此，采用单片机开发温控系统成本低，将算法以软件的形式实现容易。
常见的八位单片机执行一次模糊推理的时间为2～5ms，完全能够满足温控系统的控制要求。
对于多点控制，I/O易于扩展，以48回路为一个模块，根据系统需要合理配置硬件，硬件冗余度小。
通过总线结构，进行级联配置，能够最大限度地利用资源，达到多点（级联数N*48点）控制目的。
相比之下，性能价格比最高。
2.2算法方案
工业控制中，PID（即：
比例、积分、微分控制）控制器具有原理简单、使用方便、结构简单，控制性能好，鲁棒性强等优点。
它在很多领域取得良好的控制效果。
因此在控制理论和技术飞跃发展的今天，它在工业控制领域仍具有强大的生命力，在工业生产过程中是最普遍采用的控制方法。
对本课题，针对PID控制的优点，准备在其基础上进一步深入研究。
1、传统PID控制算法的不足
在设计控制器时，传统的做法是依靠经验和试验在系统调试时确定PID控制器的参数Kp、Ki、Kd，在以后的使用过程中，或者保持参数不变，或者在外部条件发生重大变化时，重新手动选择参数。
在温控系统中，设备运行中负荷变化、噪声及各种因素等干扰，会引起对象模型参数变化较大甚至模型结构改变，这就要求PID参数能够在线调整，以适应改变了的模型。
而常规PID控制不能满足这一要求。
因此在设计控制器时，一个关键的问题就是PID参数的实时整定。
2、模糊控制
传统的自动控制包括经典理论和现代控制理论，有一个共同的特点，即：
控制器的综合设计都要建立在被控对象准确的数学模型（如：
微分方程、传递函数或状态方程）的基础上。
对于制袋机的烫刀，它是一个非线性、时变和分布参数系统，用准确的数学解析式表示其特性显然十分困难。
因此，对本温控系统用定量数学方法实施控制有其局限性。
在选择控制器算法时，转向定量和定性相结合的方法-模糊控制。
模糊控制不需要建立精确的数学模型，根据实际系统的输入、输出的结果数据，参考现场操作人员的运行经验，就可对系统进行实时控制。
模糊控制实际上是一种非线型控制，属于智能控制的范畴。
它具有以下突出的优点：
1.模糊控制是基于规则的控制，模糊逻辑是由许多相互独立的规则组成，它的输出是各条规则的合并结果，因而即使一条规则出问题，其他规则经常可对它进行补偿，获得较好的控制效果。
有效地防止了系统的误操作对制袋机生产造成的中断。
它直接采用语言型控制规则，根据现场操作人员的经验或相关专家的知识，控制机理和策略易于接受和理解。
2.由工业过程的认识出发，比较容易建立语言控制规则，因此，模糊控制对那些数学模型难以获取，动态特性不易掌握或变化非常显著的对象非常适用。
3.基于模型的控制算法及系统设计方法，由于出发点和性能指标的不同，容易导致较大差异，但一个系统语言控制规则却具有相对的独立性，控制效果优于常规控制方法。
4.模糊控制系统的鲁棒性强，干扰和参数变化对控制效果的影响会大大减弱，尤其适合非线性、时变及滞后性系统的控制。
但模糊控制同样存在缺陷：
1.精度不太高
2.易产生振荡现象
制袋机温控系统中，常存在滞后和随机干扰，并且无法获得精确的数学模型[26]。
结合模糊控制和PID控制各自的优点，在PID控制的基础上采用模糊控制，将模糊控制和PID控制两者结合起来，充分发挥模糊控制灵活性、适应性强的优点和PID控制精度高的优点，根据经验制定出PID参数的调整规则，在线进行模糊推理，分别调整PID的三个参数，解决了控制系统中PID参数实时整定的问题。
2.3本章小结
本章对选取的几种方案进行对比，并阐述其各自的优缺点，选取较优的模糊PID控制做为方法。
3模糊控制器的设计
3.1温度控制
3.1.1温控原理
单片机温度控制系统是以89C52单片机为控制核心。
整个系统硬件部分包括温度检测系统、信号放大系统、A/D转换、单片机、I/O设备、控制执行系统等。
单片机温度控制系统控制框图如图3-1所示：
图3-1单片机温度控制系统控制框图
温度传感器将温度信息变换为模拟电压信号后，将电压信号放大到单片机可以处理的范围内，经过低通滤波，滤掉干扰信号送入单片机。
在单片机中对信号进行采样，为进一步提高测量精度，采样后对信号再进行数字滤波。
单片机将检测到的温度信息与设定值进行比较，如果不相符，数字调节程序根据给定值与测得值的差值按PID控制算法设计控制量，触发程序根据控制量控制执行单元。
如果检测值高于设定值，则启动制冷系统，降低环境温度；如果检测值低于设定值，则启动加热系统，提高环境温度，达到控制温度的目的。
3.1.2温度信号检测
本系统中对检测精度要求不是很高，室温下即可，所以选用高精度热敏电阻作为温度传感器。
热敏电阻具有灵敏度较高、稳定性强、互换精度高的特点。
可使放大器电路极为简单,又免去了互换补偿的麻烦[27-30]。
热敏电阻具有负的电阻温度特性,当温度升高时,电阻值减小,它的阻值—温度特性曲线是一条指数曲线,非线性度较大。
而对于本设计，因为温度要求不高，是在室温环境下，热敏电阻的阻值与环境温度基本呈线性关系[31]，这样可以通过电阻分压简单地将温度值转化为电压值。
给热敏电阻通以恒定的电流，可得到电阻两端的电压，根据与热敏电阻特性有关的温度参数T0以及特性系数k，可得下式
T＝T0-kV（t）
（1）
式中T为被测温度。
根据上式，可以把电阻值随温度的变化关系转化为电压值随温度变化的关系,由于热敏电阻的电信号一般都是毫伏级，必须经过放大，将热敏电阻测量到的电信号转化为0～3.6之间，才能在单片机中使用。
图3-2为放大电路原理图，稳压管的稳压值为1.5V。
图3-2放大电路原理图
3.1.3测温电路的工作原理
电路工作原理：
该电路是一个测温电路，热敏电阻RT上有一个恒流源提供的电流流经RT，RT本身有一定的阻值，这样就会形成一个电压，而随着温度的升高，RT上的电流又维持不变，因此温度的变化就表现在了热敏电阻RT上电压的变化。
热敏电阻上的电压越高，表明测量的温度就越高，电压越低，测量的温度就越低。
把热敏电阻用四线制接入电路，即热敏电阻一端接COM
（1）另一端接地，另外2端分别接COM2和COM（3）由于流经COM2和COM3之间的电流几乎为零，所以COM2和COM3之间的电压就是RT上的电压。
然后再通过COM2和COM3接入放大电路，在把被放大后的采集信号经过A/D转换，最后由单片机根据转换结果来判定温度为多少度。
测温电路原理图如图3-3：
图3-3测温电路原理框图
测温电路及转换倍率的推导
系统温度的测量时，热电阻通过导线连接到运算放大电路，由于导线的环境参数是变化的，导线变化的电阻必然会影响到测量的精度。
为避免或减少导线电阻对测量的影响，采用四线制接法，即热电阻两端各接两根导线。
其中一对导线接COM1和地线，由恒流源提供电流I流过热电阻RT，使其产生电压Vi，再由COM
（2）COM3接入运算放大电路。
尽管导线有电阻，但由于流经COM
（2）COM3的电流几乎为0，所以导线电阻可以不考虑。
系统测温电路图如图3-3所示，输出电压与温度之间的关系，具体推导如下：
设恒流源提供电流为I，稳压管两端电压为Vz，则：
公式（3－1）
热电阻RT两端电压为：
公式（3－2）
调整R3可以改变电流大小，从而调整Vi大小。
公式（3－3）
公式（3－4）
3.1.4控温电路工作原理
89c52通过RS485总线和上位机进行数据通信，来判定温度是否过高。
本设计的控温范围为50-250度之间，因此采集过来的温度要与标准温度是否过高或过低，一旦出现温度不在有效的控温范围之内，那么上位机就把比较结果通过RS485总线反馈给单片机，然后由单片机发出控制命令，调节温度，使烫刀温度回到有效的控温范围内。
其电路原理图如图3-4：
图3-4温度控制原理图
3.1.5整个温控系统的工作原理
首先该温控系统分为两大模块，即测温模块和控制模块。
综合上述两大主要模块的工作原理，本系统的主要工作原理就是用热敏电阻从烫刀上采集温度信号，在把采集的温度信号经过放大电路后进行A/D转换，单片机把转换结果通过RS485总线送到上位机与标准温度进行比较，判断温度是否过高，并把比较结果反馈给单片机，然后由单片机根据反馈信息发出控制命令，若在控温范围以内，不做调整直接输出，若不在控温范围以内，单片机发出控制命令，通过可控硅来实现把温度调整到控温范围以内。
3.2模糊控制理论概述
3.2.1模糊控制概念
美国自动控制理论专家L.A.Zadeh于1965年首先提出模糊集合和模糊控制的概念，而后又引入模糊逻辑，以表示并利用模糊的和不确定的知识[32-34]。
模糊控制中的“模糊”二字并不是模模糊糊、含混不清的意思，而是指某一概念在特定的场合不具有明确的外延[46-47]。
例如，青年人，我们并不能在年龄轴上划两道线，在这两道线内的就是青年人，在其外的就截然不是青年人了。
这样的概念相对于明确的概念我们称之为不分明概念或者模糊概念。
日常活动中，还有很多这样的模糊现象或模糊概念，例如：
“高个子”、“胖子”、“高速度”、“污染”、“性能良好”、“身体健康”等等。
随着信息革命的需要，人们不可避免地要处理大量的模糊概念现象，而传统的方法和已有的工具面对模糊现象又显得十分不足，以致精确性与模糊性的对立越发突出。
参考文献[35-40]曾作过这样的论述：
“精确性与模糊性的对立，是当今科学发展所面临的一个十分突出的矛盾。
各门学科迫切要求数字化、定量化。
但是，科学的深化意味着研究对象的复杂化，复杂的东西又难于精确化。
电子计算机的出现，在一定程度上解决了这个矛盾。
然而，正是由于电子计算机的出现，使得这种矛盾更加激化。
一方面，严密的程序要求高度的精确；另一方面，机器所执行的日益繁难的任务，使它所面临的系统日益复杂”。
Zadeh正是注意到了这种对立，提出了这样一条互克性的原理：
“当系统的复杂性日趋增长时，我们给出系统特性的精确然而有意义的描述能力将相应降低，直至达到这样一个阈值，一旦超过它，精确性和有意义性将变成两个几乎互相排斥的特性。
”这意味着，复杂程度越高，有意义的精确化能力便越低。
这正说明精确的相对性，过分的精确反倒模糊，适当的模糊反而精确。
对于有明确概念的事务，在现代数学里常常用经典集合来表示；对于具有模糊概念的事务，Zadeh提出了模糊集合的表示方法。
经过进一步的研究，他又提出了用模糊语言进行系统描述的方法，给出了模糊推理的理论基础，并为模糊控制的实施提供了有效的手段。
所谓模糊控制，只是在控制方法上应用了模糊数学知识，其基本原理仍和经典控制论、现代控制理论一样没有改变，模糊控制的核心是利用模糊集合论，把人的控制策略的自然语言转化为计算机能够接收的算法语言所描述的算法，但它的控制输出却是确定的。
它不仅能够成功地实现控制，而且能够模拟人的思维方法对一些无法构造数学模型的对象进行控制。
3.2.2模糊
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