基于单片机和模糊控制的水温自动控制系统

式中: K r 为散热系数; A 为散热面积 。
能量平衡式:
Q1-
Q2=
GC p
dT dt
(1)
式中: G 为水的质量; Cp 为水的比热。 将 Q 2 代入式( 1) , 整理得:
GC p K rA
dT + dt
T=
K
1Q rA
1+
T0
(2)
设 T c=
GCp 为对象的供热时 K rA
间常数,
K
1=
2007 年 第 4期
仪表技术 与传感器
Instrument Technique and Sensor
2 007 No1 4
基于单片机和模糊控制的水温自动控制系统
张 越1, 张 炎2, 赵延军1
( 1. 河北理工大学计算机与自动 控制学院, 河北唐山 063009; 2. 唐山供电公司计划处, 河北唐山 063000)
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Instrument Technique and Sensor
Apr1 2 007
路原理框图如图 2 所示。
图 1 系统原理框图
图 2 电路原理框图
2. 2 系统理论分析
根据实际要求, 系统控制对象为 1 L 净水。
2121 1 对象特性
设水温为 T , 环境温度( 干扰) 为 T 0, 供热量 Q1 = I 2 R, Q2 = K r A ( T - T 0)
摘要: 介绍了一种以单片机 89C52 为控制核心, 以开关控制和 PID 算法控制以及 PID 参数模糊整定相结合的复合控制
方法实现了水温的自动控制。着重介绍了系统的硬件设计及 软件设计。该系 统的特点 是电路结 构简单、程序 简短、系统
可靠性高。理论分析和实验结果表明: 采用模糊控制与 PID 控制相结合的控制算法, 有效地 减少了超调量和 静态误差, 缩
2. Tangshan Power Supply Company, Tangshan 063000, China)
Abstract: To control water temperature, the device uses a microcontroller 89C52 and a combined method of switch control and PID parameter fuzzy regulating. The hardware and software were introduced. Simple structure, short program and reliable performance are features of the system.The theoretical analysis and experimental results show that the combination of fuzzy control and PID control can effectively reduce the overshoot and steady state error as well as it can shorten adjusting time. Key words: microcontroller; fuzzy control; PID; adaptive control
3 控制 软件流程图
编制系统软件是开关控制与算法相结合的 复合控制方法的
实现过程。其中开关控制的 输出形式为电炉的 开通或关断, PID
算法的输入形式为 PWM 波形, 使电炉在一个周 期内开通的时间
可调, 使水温稳定在设定值。系统软件流程图如图 4 所示。
参考文献: [ 1] 胡汉才. 单片机原理及其接口技术. 北京: 清华大学出版社, 1996. [ 2] 丁元杰. 单片机原理及应用. 北京: 机械工业出版社, 2000. [ 3] 肖亮, 陶学恒. 新型的智能化液位 温度测量系统. 仪表技术 与传感
系统原理 框图如图 1 所示。此系 统为双 输入、单输出 的闭 环控制系统。当环境温度 T 0 不变 时, 为随 动控制系 统; 当 给定 温度不变时, 为定值控制系统。
为了实现温度的自 动测量和控制, 系统采 用具有抗干 扰能 力的 MCS51 系列单片机作为系统的控制中心, 由模数转 换得到 的温度数字信 号进入 单片 机, 进 行显 示处 理和控 制运 算, 系统 还提供键盘及打印机接 口, 便于用 户与系统 之间对话。系 统电
(4)
对式( 4) 作拉氏 变换, 推出 被测 温度与 供热 ( 超 调量 ) 之间
的传递函数为
W1( s) =
T( s) Q1( s)
=
K1 1+ Tcs
(5)
同理, 当供热不变 时, 被测 温度与 环境 温度 之间 的传 递函
数为
W 2( s ) =
T( s) T 0( s )
=
1 1+ T cs
当 0<
| e| <
C 时, u( k)=
Kpe( k)+
k
K I 2 e( i)T+ i= 0
K
D
$
e( T
k
)
式中 C为根据 实验得到的温度整定值。
2. 3 PID 参 数整定
先测得系统的调节时间 t 、超 调量 D 和稳态误 差 e , 再 利用
C 语言模糊整定程序求出 PID 参数。该程序流程图见图 3。
(6)
由式( 5) 、式( 6) 可知, 两个环节均为二阶惯性环节。
2121 3 闭环传递函数
前向通道的闭环传递函数为
G( s)=
Kp
T 1 s+ T1s
1 K2
K1 1+ T c s
(7)
式中: 前两项为比例积 分环节 的函 数; Kp 为 比例 系数; T 1 为积
分时间。
故得闭环 传递函数为
W( s ) =
实际温度信号一般是变化缓慢的, 为了提 高温度测 量的干 扰能力, 达到所需的测 量精度, 系统 采用双 积分式 A/ D 转 化器 ICL7109。ICL7109 具有 12 位数 字量 输出, 可 以满 足精 度要 求, 其转换过程 中的积 分过 程又可 以消 除部分 干扰。转 换的 抗干 扰能力强, 且其速度可以达到系统要求。 1. 2 控制和执行部分
基金项目: 国家/ 九七三0 计划资助( 2004CB217702- 04- 01) 收稿日期: 2006- 09- 30 收修改稿日期: 2006- 12- 14
的方法, 其具体控制 过程 为: 当 温度 大时 利用开 关迅 速减 小温 差, 以缩小调节时间; 当 温差小于某一 值后采 用 PID 控制, 以使 系统快速稳定 并保持系统 无静差。 在这种 控制 方法 中, PID 控 制 在较 小温 差时 开始 进入, 这 样可 有效 避免 数字 积 分器 的饱 和。PID 参数和被控制对 象关 系密切, 要 精确 得到被 控对 象模 型比较困难, 为此, 采用 离线模糊整定 的方法 来确定 PID 参 数, 即给出一组 PID 参数的 初值, 测 得相 应的 数据, 按 使 这几 个量 减小的方向调节 PID 参 数, 用整 定后 的参 数控 制该 系统, 再根 据输出的调节 时间、超调量及稳 态误差, 调节 PID 参 数, 如 此反 复, 求得一组使系统性能最优的 PID 参数。
1 系统设计方案 1. 1 温度采集和显示部分
温度采集部分是整个系统的基础, 为了使 整个系统 的稳态 误差达到 012 e , 数字控制系统中数字运 算的分 辨率要 求低于 012 e . 首先, 在温度传感器 的选择 方面, 采用 了集 成温度 传感 器 LM35, 它是一个三端器件 ( 电 源、地、输出) , 其 输出电 压与温 度成较好的线性关系, 其灵敏 度为 10 mV/ e . 考虑到 A/ D 转换 器的 ? 1 字 误 差 及 各 种 干 扰 因 素, 实 现 灵 敏 度 为 011 mV/ 0101 e 的 温度 测 量是 比较 困 难的。 为此, 系 统 采用 1 mV( 即 011 e ) 的分辨率 来进行 温度测 量, 实现 0101 e 的分辨 率的温 度测量, 在软件中采用线性插值方法得到。
ZHANG Yue1 , ZHANG Yan2, ZHAO Yan- jun1 ( 1. School of Computer and Automatic Control Engineering, Hebei Polytechnic University, Tangshan 063009, China;
短了调节时间。
关键词; 单片机; 模糊控制; PID; 自适应控制
中图分类号: TP273
文献标识码: A
文章编号: 1002- 1841( 2007) 04- 0071- 02
Temperature Control System Based on Microcontroller and Fuzzy Control
器, 2005( 12) : 77- 78. [ 4] 姚良. 基于 MODBU S 协议 的小环 境恒湿 系统 设计. 仪 表技术 与传
感器, 2006( 1) : 92- 93. [ 5] 郭庭吉. 8051 单片机实践与应用. 北京: 清华大学出版社, 2002. 作者简介: 张越( 1964 ) ) , 硕士, 副教 授, 主要 研究方向 为机器人 的三维
在执行部分, 单片机输出的控制信 号可以用 来控制可 控硅 的触发角, 以实现电炉能量的供给, 但是, 若用单 片机产生 触发 脉冲, 则会增大程序 的复 杂程度 和单 片机 的工作 任务, 因 而降 低程序执行的 可靠 性。若用硬 件产 生触 发脉冲 则会 使电 路复 杂, 可靠性低。所以系 统不 采用可 控硅, 而 用继电 器 作为 控制 电炉开通或断 开的执行器件。继电器便于 控制, 使系统软 硬件 都得到简化。 2 系统 的工作原理 2. 1 系统电路框图