基于单片机的电阻炉温度控制系统

基于单片机的电阻炉温度控制系统

1 引言

PID控制是应用最广泛的基本控制方式。但PID参数的整定一般根据经验丰富的工程技术人员的实际经验来完成，精确性很差，而且实际系统的是各不相同的，滞后以及非线性等因素，使PID参数的整定难以准确实现，许多PID 控制器因此不能很好的工作，导致系统无法工作在令人满意的状态，为此提出了自整定PID控制器。

模糊控制是一种基于语言规则与模糊推理的智能控制，它模仿人类带有模糊性的控制行为，将操作人员自然语言式经验总结成控制规则，并基于这些规则，进行模糊推理等过程，生成控制量。但是模糊控制对输入变量的处理是离散的，且没有积分环节，控制精度不如PID控制，而将模糊控制与常规PID控制相结合，利用模糊推理判断思想，根据不同的e和ec对PID的参数KP、KI、KD 进行在线自整定，就可以兼顾两者优点，这就是基于模糊推理的自整定PID控制器。

2 模糊自整定PID控制器的硬件结构

模糊自整定PID控制器硬件电路原理框图如图1所示:

图1 控制器系统硬件电路原理框图

图1中AT89C52为主控制器件，AT89C52是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能COMS 8位单片机，片内含有8K bytes的可反复檫写的只读程序存储器(PEROM)和256bytes的随机存取器(RAM)。本系统扩展64K的数据存储器RAM6264，选用并行接口电路8155A芯片扩展键显，A/D转换器0809以及MAX232实现RS-232C标准接口通信电路，同时为了防止程序跑飞，加设了看门狗电路。

本系统的主要工作过程是单片机定时采集从温度传感器传来的电压信号，经过数据处理，显示温度值并将温度值送入上位机，单片机对计算值进行模糊推理，得出控制值，由单片机向执行机构发送控制信号。

3 模糊自整定PID控制原理

模糊自整定PID是在常规PID算法的基础上，通过计算当前系统偏差e和偏差变化率ec，利用模糊规则进行模糊推理，进行在线自整定参数KP、KI、KD，其结构如图2所示:

图2 自整定PID控制器系统框图

选择偏差的绝对值及偏差变化绝对值的语言变量和作为输入语言变量，由于考虑到本系统的控制精度，选择和的模糊集为{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}。输出语言变量为KP、KI、KD，它们的模糊集为{ZO，PS，PM，PB}，调整PID参数的控制规则可以从不同的角度来确定，通过多次实验并根据现场工程技术人员的经验，得到PID参数的控制规则如下:

(1) 如果系统温度上升过慢，增大KP;

(2) 如果系统温度上升太快且很难到达稳定值，增大KI;

(3) 如果在稳定时系统温度输出有波动，适当增大KD;

(4) 如果系统输出对干扰信号反应敏感，适当减小等等;根据以上规则和实践操作经验，可以归纳出在不同的偏差及偏差变化率，被控参数KP、KI、KD的自整定要求，从而可以根据某一采样时刻测量的偏差和偏差变化率的值来计算此时的参数KP、KI、KD

(1)

公式(1)中，(j=1,2,……，n，为规则条件语句的条数)是

根据当前e、ec量化后的对应隶属度求得的KP的隶属度，cpj为参数K P所取的模糊子集的模糊论域中心值。

同理可以得到下列参数的值:

(2)

(3)

4 基于模糊推理的自整定PID控制器软件设计

主要包括系统主程序、设定初始温度中断服务子程序、定时器T0中断服务程序、A/D转换子程序、数据处理和控制子程序、模糊推理子程序和串行通信中断服务子程序等。其中主要的程序如下:

4.1 主程序

系统主程序流程图如图3所示。主程序中主要有三个中断，一个为设定初始温度中断服务程序;第二个是温度传感器采样温度信号中断，程序开始设

定定时器采样周期，程序开始运行后，到采样周期设定值时定时器溢出，程序转向执行采样中断程序、数字滤波程序、模糊PID运算程序和执行机构驱动程序;第三个是串行通信中断。计算机完成一次温度采集，就发出一个串行通信请求信号，把采集到的温度信号发送给上位机。

图3 系统主程序流程图

4.2 定时器T0中断服务子程序

给定时器T0设定一个采样周期，考虑到电阻炉为纯滞后延迟系统，为了提高系统的稳定精度，根据经验设定单片机每隔8s采样一次，当定时时间到，

T0发出一个中断请求信号，单片机转向执行采样中断服务程序等。其流程图如图4所示:

图4 定时器T0中断子程

序图5 模糊推理子程

序

4.3 模糊推理子程序

模糊推理控制器是采用双输入单输出的控制器，本程序的流程图如图5所示，计算时有以下几个步骤:

(1) 确定误差和误差变化率以及控制量的论域，将和的实际变化范围分为7

档(考虑本控制系统要求控制精度较高)，使每一档与其论域的某个元素相对应。这样，系统的每个实测量就可以被量化为论域中的某个元素。

(2) 本系统通过离线计算出模糊控制表，实际运行时，单片机主程序中断执行查表子程序，就可以得出控制量。

5 结束语

在现场的控制中，模糊自整定PID控制器的鲁棒性强，参数自整定易于实现，控制的精度较高。而且控制效果要比单纯的PID控制器具有更快的动态响应特性，显见其控温效果较好。