单片机温度模糊控制系统毕业设计论文.docx

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单片机温度模糊控制系统毕业设计论文

摘要

本文主要讨论了基于模糊单片机NLX230的温度模糊控制系统的硬件设计和软件设计过程。

在此文中提出了数学模型难以确定或模型非常粗糙的工业系统的控制问题的解决办法——模糊控制方法；并阐述了有关模糊控制的基本知识和模糊控制系统设计的一般步骤，如模糊化、模糊判决、模糊控制器的设计等；介绍了模糊单片机NLX230的引脚及功能；并以加热炉控制系统为例，选取炉子出口温度与给定温度之间的偏差与偏差变化率作为输入变量，以系统燃料管道上燃料流量控制阀的开度为输出变量，通过模糊单片机NLX230设计了一个双输入单输出的模糊控制系统来实现温度控制。

关键词：

温度控制；模糊控制；NLX230；单片机；自动控制

Abstract

ThistextmainlydiscussestocontrolthehardwaredesignandsoftwareofthesystemtodesigntheprocessaccordingtothetemperaturefaintnessofamachineNLX230.

Putforwardthesolutionofmathematicsmodelcontrolproblemofhardassuranceormodelveryroughindustrysysteminthistext-mistycontrolmethod.Elaboratedthatthebasicknowledgeandfaintnessesoftherelevantmistycontrolthegeneralstepofthesystemdesignalso,ifthefaintnessturn,designetc.ofthemistyverdict,mistycontrolIntroducingamachineNLX230leadsthefeetandfunctions.Combinetotaketheheatingstovecontrolsystemasanexample,selectbyexaminationsthecookerexittemperatureandgivetosettlethedeviationandthedeviationvarietyrateconductandactionsbetweentemperaturetheimportationchangesthequantity,withthesystemfuelpipinglastthefueldischargecontrolthevalveopensthedegreefortheexportationchangesthequantity,designingthroughamachineNLX230apairmistycontrolsystemofsingleoutput'sofimportationstocarryoutthetemperaturecontrol.

Keyword:

Thetemperaturecontrol;Mistycontrol;NLX230;

Amachine;Automaticcontrol.

Contents

1.Preface1

2.Fuzzycontrol2

2.1Thefuzzycontrolprinciplebriefintroduction2

2.2Generalprocessthatfuzzycontroldesign3

2.3Thestepofthefuzzycontrollerdesign4

3.NLX2309

3.1TheNLX230leadsthefeetandfunctiondiagrams9

3.2NLX230structurecharacteristics10

3.3TheNLX230innerpartdepositsthemachineandfunctions10

3.4NLX230operationandconnectapeople'stechnique13

4.Systemdesign16

4.1Thesystemhardwaredesign16

4.1.1Systemhardwarestructure16

4.1.2TheNLX230workprocess18

4.2Thesystemsoftwaredesign18

4.2.1Thedesignofthemistycontroller18

4.2.2ThedevelopmentofWENKONG4'ssystem25

4.3Thesystemreallyimitate27

Conclusion28

Reference:

28

Appendix30

第一章引言

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，因为它直接影响燃烧、化学反应、发酵、烘烤、煅烧、蒸馏、浓度、挤压成形、结晶以及空气流动等物理和化学过程。

温度控制不好就可能引起生产安全、产品质量等一系列问题。

温度控制虽然很重要，但是在那些存在大滞后、时变、非线性、对象数学模型难以确定的系统中温度控制并不理想。

而经典控制理论主要解决的是线性系统控制问题，现代控制理论虽然能够解决非线性、时变系统控制问题，而对于那些被控对象数学模型难以确定的系统，模糊控制技术就发挥了奇特的优势。

模糊控制是近代控制理论中建立在模糊集合论基础上的一种基于语言规则与模糊推理的控制理论，它是智能控制的一个重要分支。

它具有以下几方面的特点：

模糊工程的计算方法虽然是运用模糊集理论进行的模糊算法，但最后得到的控制规律是确定性的、定量的条件语句。

不需要根据机理与分析建立被控对象的数学模型，因此容易实现那些建立数学模型很困难的，甚至不可能的系统的控制。

与传统的控制方法相比，模糊控制系统依赖于行为规则库，由于是用自然语言表达的规则，更接近于人的思维方法与推理习惯，因此，便于现场操作人员的理解和使用，便于人机对话，以得到更有效的控制规律。

模糊控制与计算机密切相关。

从控制角度看，它实际上是一个由很多条件语句组成的软件控制器。

目前，模糊控制还是应用二值逻辑的计算机来实现，模糊规律经过运算，最后还是进行确定性的控制。

模糊推理硬件的已经与模糊计算机的开发，使得计算机将像人脑那样随心所欲地处理模棱两可的信息，协助人们决策和进行信息处理，因此模糊控制的前景非常广阔，应用领域也会越来越广阔。

第二章模糊控制

2.1模糊控制原理简介

模糊控制就是指通过模糊逻辑和近似推理方法，把人的经验形式化、模型化、变成计算机可以接受的控制模型，让计算机代替人来进行有效的实时控制，为实现模糊控制，语言变量的概念可作为描述手动控制策略的基础，并在此基础上发展为一种新型的控制器----模糊控制器。

下图为模糊控制原理框图

S……系统的设定植，是精确量

e,c……系统偏差与偏差变化率，均是精确量

E,C……经模糊量化处理后，偏差与偏差变化率变成的模糊量

U……模糊量的偏差与偏差变化率经模糊控制规则，近似推理处理后，得到模糊量的控制作用U

u……对模糊量的控制作用U，经模糊判决，得到模糊控制器输出的精确量的控制作用u，去控制被控对象。

2.2模糊控制设计的一般流程

（1）系统分析　对受控的工业对象进行系统分析，确定控制器的输入变量x1、x2 与输出变量y及它们的数值变化范围和要求达到的控制精度等，根据实际

过程的需要建立物理模型，确定控制器结构总体设计方案。

（2）模糊化方法的选择与确定　所谓模糊化，就是把输入变量数值，变换成模糊语言变量的语言值，例如某燃烧炉温度910℃,变换成语言值（温度“低”、“中”、“高”），在实际控制过程中，经常把一个物理量划分成正大（PL）、正中（PM）、正小（PS）、零（ZE）负小（NS）、负中（NM）、负大（NL）七级语言变量。

每一个语言值对应一个模糊子集，其隶属函数通常选用三角形或梯形分布，如某控制器输入变量如温度、压力模糊集的隶属函数，见图3-31所示。

由隶属函数图可确定输入数值相应的隶属度。

　（3）模糊控制规则库的建立　确定语言控制规则是模糊控制器设计的核心工作，规则的形式很像计算机程序设计语言常用的“IF……THEN……”条件语句。

控制规则的多少视输人及输出物理量数目及所需的控制精度而定。

值得注意的是，规则的数目是以语言变量级数平方关系变化而迅速增加，规则越多，推理的质量就会越下降。

因此，在规则库的设计时，需要确定合适的语言变量级数和控制规则的数目及建立正确的规则形式。

推理规则的运算涉及到模糊算子的确定。

模糊理论的研究已提出了多种模糊算子，目前世界各国研制的模糊推理应用软件，常用的推理运算方法为最大--最小（MAX－MIN）和最大--乘积（MAX－PROD）这两种算子。

  （4）输出数值的去模糊处理所谓去模糊处理，就是将输出的语言模糊量，回复到精确的数值，也就是将输出的模糊子集的隶属度计算出确定的数值过程。

去模糊处理有各种方法，其中最简单、最常用的有最大隶属度法与面积重心法。

  （5）试验修正为验证设计理论与方法的有效性与可靠性，所设计的模糊控制器需进行严格的试验检验和修正调整，可以在线进行适时测量，也可离线进行仿真试验或计算机仿真，以检验所设计的控制器是否达到预定的控制目标。

如果没有达到要求，就要重新进行精心的设计。

2.3模糊控制器设计的步骤

模糊控制与一般的自动控制的根本区别是，不需要建立精确的数学模型，而是运用模糊理论将人的经验知识、思维推理，控制过程的方法与策略是由所谓模糊控制器来实现。

因此，模糊控制设计的核心是模糊控制器的设计。

设计模糊控制器必须解决以下三个问题：

（1）输入量、输出量的模糊化；

（2）建立模糊控制规则或模糊控制表；

（3）输出信息的模糊判决。

图2-2是一个实用的双输入单输出模糊控制器的方框图。

其设计的一般步骤如下：

（1）明确在本论文中，模糊控制需要完成的任务。

（2）详细总结系统中操作人员的全部手动控制策略。

（3）给出模糊控制器的结构图和被控对象的原理图，结构图或简化图。

（4）选取第一个输入语言变量偏差E（e）

1）基本论域：

一般为[a,b]或[-xe,xe]；

2）量化论域：

一般取为X={-n,-n+1,…,0,…,n-1,n]；

3）量化因子：

当基本论域为[-xe,xe]，而量化论域为X={-n,-n+1,…,0,…,n-1,n]时，则量化因子为

ke=n/xe（2.1）

4）离散化公式：

当基本论域为[a,b]，量化论域为X={-n,-n+1,…,0,…,n-1,n]

时，离散化公式为

X=﹝2n（x’-（a+b）/2）/（a-b）﹞取整数x’∈[a，b]（2.2）

5）词集：

当量化论域中取n=6时，常取以下词集：

负大（NB），负中（NM），负小（NS），负零（NO）

正零（PO），正小（PS），正中（PM），正大（PB）

对于模糊子集依次记为E1，E2，E3，E4，E5，E6，E7，E8

6）根据手动策略设计输入语言变量E在量化论域上的赋值表

（5）第二个输入变量C（c）

1）这个变量可能与第一个输入语言变量偏差E无关，也可能取E的偏差变化率。

2）基本论域：

一般为[g,h]或[-ye,ye]；

3）量化论域：

一般取为Y={-m,-m+1,…,0,…,m-1,m]；

4）量化因子：

当基本论域为[-ye,ye]，而量化论域为Y={-m,-m+1,…,0,…,m-1,m]时，则量化因子为

ke=m/ye（2.3）

5）离散化公式：

当基本论域为[g,h]，量化论域为Y={-m,-m+1,…,0,…,m-1,m]时，离散化公式为

Y=﹝2m（y，h）/2）/（h-g）﹞取整数y，∈[g,h]（2.4）

6）词集：

当量化论域中取m=6时，常取以下词集：

负大（NB），负中（NM），负小（NS），负零（NO）

正零（PO），正小（PS），正中（PM），正大（PB）

对于模糊子集依次记为C1，C2，C3，C4，C5，C6，C7，C8

7）根据手动策略设计输入语言变量C在量化论域上的赋值表

（6）输出语言变量控制量U（u）

1）基本论域：

一般取为[-vu,vu]

2）量化论域：

一般取为V={-s,-s+1,…,0,…,s-1,s}

3）比例因子Ku为

Ku=V/S（2.5）

4）词集：

如S=6时，取NB，NM，NS，NO，PO，PS，PM，PB8个记为U1，U2，U3，U4，U5，U6，U7，U8

5）根据手动策略设计输入语言变量U在量化论域上的赋值表

（7）制定控制规则表

1）双输入单输出模糊控制器的控制规则通常用下述模糊多重条件语句描述：

“如果E1且C1则U1，如果E2且C2则U2，…，如果Ep且Cp则Up”

或

“IFE1ANDC1THENU1，IFE2ANDC2THENU2，---，IFEPANDCPTHENUP”

2）根据手动控制策略，总结本论文的所有控制规则，通常控制规则有几十条，可合并相同的规则，但不允许遗漏和出现相互矛盾的规则。

由于控制规则多，我们常用控制规则表来表达所有规则。

（8）编制模糊控制表

1）CRI法

求总模糊关系：

R=R1∪R2∪R3…∪Ri

Ri=（Ei×Ci）T1·Ui；i=1，…,p.（2.6）

其中（Ei×Ci）T1的含义是：

表示把Ei与Ci的笛卡尔积的计算结果，即nm的模糊阵，按“拉直”成nm元模糊行向量，再转置成nm元模糊列向量。

而则Ri的最终结果为nm×t的模糊阵。

制备模糊控制表：

对于每一具体观测值偏差E*和偏差变化率C*，分别用各自的量化因子（或离散化）公式变成量化论域中的元素，再把其模糊化为E*和C*，由公式求得模糊控制量U*：

U*=（E*×C*）T2·R（2.7）

其中（E*×C*）T2表示把E*与C*的笛卡尔积的计算结果，即nm的模糊阵，按“拉直”成nm元模糊行向量。

然后计算出模糊控制量U*。

再选用任一种模糊判决方法，便可得到输出的精确量U*。

遍取输入数据的各种可能情况，进行上述运算，就可以制备“模糊控制表”。

模糊控制表一般要经过严格的实践检验和反复的修改，才能真正投入使用。

2）ARMCE方法（特征展开法）

对于输入观测值偏差E*和偏差变化率C*，模糊化后为E*和C*。

控制规则如前，求输出模糊量U*为：

αi=∨（ej∧aji）;i=1,…,p；j=1,…,n（2.8）

βi=∨（fj∧bji）;i=1,…,p；j=1,…,n（2.9）

其推理结果为下式：

U=∪（αi∧βi）Uii=1,…,p（2.10）

其中Ei=（a1i…ani）,Ci=（b1i…bmi）,Ui=（c1i…cti）（i=1,…,p）,

E=（e1…en）,C=（f1…fm）.

ARMCE方法的计算量比CRI方法小得多.

遍取输入数据E*，C*的所有可能情况，进行ARMCE方法的计算，就可以制备出与用CRI方法相同的“模糊控制表”。

注意：

由于模糊控制算法得出的是论域上的模糊集，但被控对象只能接受精确的控制量，因此不管用哪一种控制算法都需要进行输出信息的模糊判决，也就是把模糊量转化为精确量。

模糊判决的方法有许多，常用的模糊判决方法有如下三种：

1）、最大隶属度法

2）、加权平均法

它包括

重心法：

ua=（∑i·ui）/（∑ui）i=-s,…,s

取µ≥0.5的加权平均法：

ub=（∑i·ui）/（∑ui）i=k,…,h

加权平均法：

uc=（∑iki）/（∑ki）i=-s,…,s

3）、取中位数法

以上计算通常在离线情况下进行。

（9）一步控制算法

在每一控制周期中，将采样得到的观测值E和C，分别量化为xi和yj，用微机查询“模糊控制表”，便可得到模糊的输出量，再用比例因子公式Ku计算，即得到精确的作用于被控对象的控制量。

第三章模糊单片机NLX230

NLX230是美国Neuralogix公司生产的模糊单片机的一种基本型号，模糊推理速度每秒达3000万条规则。

它采用Mamdani法的极小极大合成运算进行推理，是一种有固定推理方式的模糊单片机。

它有和外部计算机的接口电路、外部EEPROM接口电路，通过这些接口电路，可以和外部计算机进行有关信息的传递，能完成对温度、位移等参量的精确控制。

3.1NLX230的引脚及功能图

NLX230是40引脚的双列知插式集成芯片，如图3-1所示。

各引脚的功能简要介绍如下：

DI0～DI7；8位数据输入端，在NLX230中，允许8个8位输入，哪一个数据进入哪一个模糊器，由MA0～MA2控制输入选择器选择，由选通信号STB进行同步。

DO0～DO7：

8位数据输出端，输出寄存器由MA0～MA2选择并由STB同步。

STB：

选通信号，它和MA0～MA2相结合，用于选通输入和输出的数据。

MA0～MA2：

多路地址信号，它们用于选择输入端和输出端。

SK：

串行时钟，用于把NLX230的配置数据送入NLX230。

在M/S=0时，称为从方式，这时，在SK同步之下，外部主计算机系统通过DI端下装数据到NLX230，或者通过DO端从NLX230中读取数据。

M/S=1时，称为主方式，这时，在SK同步之下，NLX230通过DI端读取外部EEPROM93C56的内容。

CS：

片选信号，低电平有效，用于启动EEPROM以进行数据串行读写。

DI：

串行数据输入端。

DO：

串行数据输出端。

M/S：

主从方式设置端，M/S=1时，处于主方式；M/S=0时，处于从方式。

R/W：

在从方式中，用做读写信号的输入端，R/W=1，表示读；R/W=0时，表示写。

主方式中无用。

XI：

石英振荡器输入信号端。

XO：

石英振荡器输出信号端。

CLK：

内部振荡器的反缓冲器输出。

RST：

复位信号输入端，低电平有效。

VDD：

+5V电源。

VSS：

电源地。

NC：

无用端，通常接地。

3.2NLX230的结构特点

如图3-2所示，NLX230由模糊化输入选择器、16个模糊化器、最小比较器、最大比较器、输出寄存器、规则寄存器和定时控制等单元组成。

1）模糊化输入选择器和模糊化器

模糊化输入选择器是由“8选1”多路选择器组成的选择电路，模糊化器是用来求取输入量对用户所定义的隶属函数的隶属度。

每个“8选1”选择器都与一个模糊化器相连。

因此，每个模糊化都可以从8位的外部信号任选一位输入，完成对输入信号的模糊化过程。

NLX230中有16个模糊化器，一次最多可求取16个模糊量。

2）最小比较器和最大比较器

　　最小比较器是一个神经网络，可以根据规则寄存器置“1”位，将相应的模糊化器的输出进行高速比较，求出最小值，作为最小比较器的结果输出，即每条控制规则前件产生的最小值作为输出结果。

最大比较器对每条规则前件产生的最小值进行比较，求出其中的最大值，这就是模糊逻辑最小最大推理结果。

含最大值的控制规则的后件的模糊量就是推理结果的模糊量（由于后件的模糊量实质是单点，取值范围是－128～127，相当于完成了反模糊化的过程），故称之为作用值。

3）输出寄存器、规则寄存器

　　规则寄存器用于存放控制规则，NLX230最多可存放64条规则。

输出寄存

器用于存放作用值，作用值对输出值的修改采用累加法，即输出值等于即时作用值与上次输出值相加。

3.3NLX230的内部寄存器及功能

NLX230寄存器地址至间为00H~FFH，其中00H~0BH保留，在输入时可全部清零。

（1）输出方式寄存器（地址为0CH）

该寄存器有8位，若某位为0，则对应的8位输出以立即法输出，即输出值等于作用值加初始值；反之，则对应的8位输出以累加法输出，即输出值等于作用值加上次输出值。

（2）　输入配置寄存器（地址为0DH）

该寄存器有8位，若某位为0，则对应输入端的输入来自内部输出反馈信号；若某位为1，则对应输入端的输入来自外部信号（DIo~DI7）。

（3）函数类寄存器（地址为0EH~0FH）

它是两个8位寄存器，共16位，对应控制16个模糊化器的隶属函数类型，若某位为0，则对应模糊化器的隶属函数为包含隶属函数；反之，为排斥隶属函数。

（4）初始值寄存器（地址为10H~17H）

初始值寄存器有8个，每个有8位，在每个初始值寄存器中存放了用户定义的输出初始值，范围为-128~+127。

在立即法中，初始值就是无需修改的额定输出值；在类加法中，初始值用于求取复位之后的第一个输出值。

（5）规则边界寄存器（地址为18H~1FH）

规则边界寄存器有8个，每个有8位，最高两位为0，D5~D0共6位为有效值。

每一位输出回用到一定数量的连续规则，这个数量等于现行输出对应的规则边界寄存器内容与先前输出对应的规则边界寄存器的内容之差。

每一个规则边界寄存器的内容就是相应输出所用到的最后一条控制规则的地址。

每一个输出必须最少用到分配给它的规则数量的两条规则。

应该注意的是：

规则0是不能由用户编辑的，由于输出端有8个，而控制规则可达64条，平均每个输出端可以用到8条规则。

（6）项寄存器（地址为20H~3FH）

表3-1项寄存器

D7

D6

D5

D4

D3

D2

D1

D0

MSB

LSB

D15

D14

D13

D12

D11

D10

D9

D8

Select

2

Select

1

Select

0

Width

MSB

Width

LSB

如表3-1所示，项寄存器有16个，每个有16位，占2个字节，即占2个地址。

每个项寄存器的D7~D0，即第一字节存放隶属函数的中心值c（0~255）,D12~D8

存放隶属函数的低宽w（0~31），D15~D13存放选择码0~7，用于选择输入。

（7）作用值寄存器（地址40H~7FH）

作用值寄存器有64个，每个有8位，每个作用值寄存器存放补码，范围为-128~+127。

（8）规则寄存器（地址为80H~BFH和C0H~FFH）

规则寄存器有64个，每个规则寄存器有2组，每个有16位，占2个字节，一个规则寄存器有80H~BFH中的一个字节和C0H~FFH中相应的一个字节组成，如81H和C1H组成一个16位规则寄存器，其余类推。

81H中的字节用于选择低8个模糊化器，C1H中的字节用于选择高8的模糊化器。

规则寄存器中某位为1，选中对应的模糊化器。

注意：

规则0是不能由用户编辑的，所以，80H和C0H应写入0。

也既是说，用户实际只能用63条控制规则。

3.4NLX230的操作及接口技术

（1）主方式

当M/S引脚端接+