摘 要: 針對水溫控制系統(tǒng)的控制對象具有熱存儲能力大、慣性大、時變的特點,使用常規(guī)的PID調(diào)節(jié)器難以實現(xiàn)水溫穩(wěn)定的自動控制。設計一種以STC89C52單片機為核心、采用模糊控制算法的水溫控制系統(tǒng),并闡述模糊控制理論的思想和系統(tǒng)的硬、軟件設計。實驗表明,該系統(tǒng)具有良好的控制性能,能夠?qū)崿F(xiàn)溫度的準確測量及穩(wěn)定自動控制,能夠推廣應用于工業(yè)控制系統(tǒng)以及熱帶魚養(yǎng)殖的恒溫環(huán)境中。
關(guān)鍵詞: 水溫控制;模糊控制;STC89C52單片機;LCD1602;DS18B20
溫度控制系統(tǒng)屬于純滯后系統(tǒng),采用經(jīng)典控制理論設計的控制器會因?qū)嶋H的工業(yè)生產(chǎn)當中有許多系統(tǒng)難以建立準確的數(shù)學模型而難以實現(xiàn)溫度穩(wěn)定的自動控制[1-2]。模糊控制應用在具有明顯的非線性系統(tǒng)以及滯后環(huán)節(jié)(如水溫控制系統(tǒng))中可以獲得很好的控制性能。
由于水在加熱過程中難以獲得精確的數(shù)學模型,控制參數(shù)變化范圍大,采用傳統(tǒng)PID控制難以解決系統(tǒng)穩(wěn)定性和準確性的問題[3]。本系統(tǒng)充分發(fā)揮模糊控制的魯棒性好、動態(tài)響應好、上升時間快和超調(diào)小的特點,在實際應用中取得了較好的效果。系統(tǒng)還具有成本低、可移植性強等特點。
1系統(tǒng)硬件設計
系統(tǒng)選用與MCS-51系列兼容的STC89C52單片機,它是一種低功耗、高性能、CMOS 8位微處理器[4]。本文就通過STC89C52單片機來實現(xiàn)自動控制水溫系統(tǒng)的設計,使水溫能夠在30℃~90℃實現(xiàn)恒定溫度調(diào)節(jié)。該自動控制水溫系統(tǒng)能及時反映當前系統(tǒng)工作區(qū)的溫度信息,溫度信息通過液晶屏直觀地顯示給用戶,用戶可根據(jù)自己對水溫的實用要求,通過鍵盤自行設定溫度,還設置了溫度超限報警,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1。
1.1 電源模塊
本次設計涉及的電壓有直流5 V、12 V及交流220 V三種電壓。為節(jié)約硬件資源,簡化電路,利用變壓器降壓經(jīng)過橋式整流后通過三端穩(wěn)壓管得到5 V和12 V的電壓。采用L7805穩(wěn)壓模塊進行穩(wěn)壓,經(jīng)過L7805降壓至5 V直接為單片機供電,線路簡單,如圖2所示,單片機工作穩(wěn)定,不會因電壓不穩(wěn)定而出現(xiàn)反復復位的情況。
1.2 系統(tǒng)電路設計
系統(tǒng)采用按鍵輸入設定溫度,液晶顯示屏LCD1602上實時顯示預設溫度和由DS18B20測得的實時水溫。通過測取溫度誤差,經(jīng)過模糊算法來控制執(zhí)行器件的具體操作。當控制溫度低于30℃或是高于90℃時,系統(tǒng)會通過蜂鳴器報警。系統(tǒng)控制電路設計如圖3所示。
2 系統(tǒng)軟件設計
2.1 模糊控制的原理
模糊控制理論的基礎是模糊集合理論,由美國加尼亞大學ZADEH L A教授于1965年首先提出,1973年他給出了模糊控制的定義及相關(guān)定理[5]。1974年,英國MAMDANI E H首先用模糊控制語句設計模糊控制器,并成功用于鍋爐和蒸汽機的控制,這一工作標志著模糊控制理論的誕生[6]。模糊控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖4所示。
由于人的經(jīng)驗一般是用自然語言來描述的,因此,基于經(jīng)驗的規(guī)則也只能是語言化的、模糊的。運用模糊理論、模糊語言變量和模糊邏輯推理的知識,就可以把這些模糊的語言規(guī)則上升為數(shù)值運算,從而能夠利用計算機來完成對這些規(guī)則的具體實現(xiàn),達到以機器代替人對某些對象進行自動控制的目的[7]。
在整個模糊控制系統(tǒng)中,其控制步驟為:計算機中斷采樣獲取被控制量的精確值,然后將此量與給定值比較得到誤差信號e。一般選取誤差e作為模糊控制器的一個輸入量。把誤差信號e的精確量進行模糊化得到模糊量,誤差的模糊量可用相應的模糊語言來表示。至此,得到了誤差e的模糊語言集合的一個子集E,再由E和模糊控制規(guī)則R(模糊關(guān)系),根據(jù)推理的合成規(guī)則進行模糊決策,得到模糊控制量U為:
其中,U為一個模糊量。為了對被控對象施加精確的控制,還需將模糊量U轉(zhuǎn)化為精確量,這一步稱為去模糊化處理。得到了精確的數(shù)字控制量后,經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換為精確的模擬量送給執(zhí)行機構(gòu),對被控對象進行控制。然后,不斷中斷對被控量進行采集和控制,就實現(xiàn)了對被控對象的模糊控制。
2.2 模糊控制器的設計
容器內(nèi)水的溫度通過脈寬調(diào)制PWM(Pulse-Width Modulation)技術(shù)調(diào)節(jié)電熱絲上的發(fā)熱功率,從而實現(xiàn)溫度的自動控制[8]。模糊控制器的輸入和輸出均為精確的物理量。對于輸入量,其變化范圍一般為(-x,x), 。通常直接測取值為(a,b),并非完全對稱,但總可經(jīng)過式(2)轉(zhuǎn)換成(-n,n)的連續(xù)變化量,其中(采用四舍五入取整處理),對于輸出量也可作同樣處理[9]。
根據(jù)水箱水溫變化特點,設當前測量溫度值為Ti、設定溫度值為Ts、當前偏差為e(e=Ti-Ts),將e的結(jié)果劃分為負大(記為NLe)、負中(記為NMe)、負?。ㄘ撔Se)、相等(記為Oe)、正?。ㄓ洖镻Se)、正中(記為PMe)、正大(記為PLe)7個等級,將所得的偏差范圍按照式(2)進行論域規(guī)范化,得到X={-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4}共9個等級。
整個水箱的模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。
模糊集合完全由隸屬函數(shù)所表征,不同的隸屬函數(shù)決定不同的隸屬度,隸屬度的大小能夠比較正確、直觀地反映事物的本質(zhì)特征。本文采用正態(tài)形隸屬函數(shù)分布,如圖6所示。
建立當前偏差e的模糊集合,如表1所示。
將模糊控制輸出量記為u,同理將輸出u的變化范圍進行規(guī)范化分為共9個等級,則U的模糊集合如表2所示。
模糊語言控制規(guī)則可歸納為:
將模糊關(guān)系集合記為R,為多段型[8],則R為:
采用四舍五入取整后的結(jié)果u'=-2,即在當前溫度測量值Ti遠高于溫度設定值Ts時,采用PWM控制技術(shù)能比較大幅度地減小電熱絲的發(fā)熱功率,甚至開通制冷設備。
3 系統(tǒng)測試及結(jié)果分析
校驗溫度計:采用YAOHUA QUANQIN紅色酒精液柱溫度計,精度為±1℃,測溫范圍0℃~100℃,插入到水中與DS18B20處于相同水深。表3為系統(tǒng)測量溫度與標準酒精溫度計測量溫度的對比。
對比表3中的實測溫度與系統(tǒng)顯示值數(shù)據(jù)可知,該系統(tǒng)的誤差均控制在0.5 ℃以內(nèi)。在對于存在干擾的狀況,如突然加入冷水或熱水,由于熱量交換而導致的大延時情況下,控制系統(tǒng)具有較好的抗干擾能力,抑制非線性變化帶來的影響。綜合以上數(shù)據(jù),此測溫方法能夠滿足系統(tǒng)的需要,系統(tǒng)總體穩(wěn)態(tài)性能良好。測試實物圖如圖7所示。
本文針對水溫控制系統(tǒng)的控制對象具有熱存儲能力大、慣性大、時變的特點,使用常規(guī)的PID調(diào)節(jié)器難以實現(xiàn)水溫穩(wěn)定的自動控制。設計了一種以STC89C52單片機為核心、采用模糊控制算法的水溫控制系統(tǒng),建立并實現(xiàn)了簡單易行、適合在單片機系統(tǒng)運行的模糊控制算法,系統(tǒng)可移植性強,硬件電路簡單。經(jīng)實驗表明,算法水箱水溫的控制精度、響應速度以及穩(wěn)定性能等表現(xiàn)良好,可廣泛推廣和移植到工業(yè)以及熱帶魚養(yǎng)殖恒溫系統(tǒng)中。
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