基于模糊控制的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、第3章 系統(tǒng)硬件及軟件設(shè)計(jì)3.1 溫度傳感器的設(shè)計(jì) 溫度傳感器DS18B20具有3個(gè)管腳DQ，GND以及VDD。DQ為數(shù)據(jù)輸入輸出接口，GND為接地線(xiàn)，使用一個(gè)上拉電阻與單片機(jī) AT89C51連接。VDD為電源接口，此電源接口可以使用數(shù)據(jù)線(xiàn)和外部電源兩種方式，電壓范圍3.05.5V。本系統(tǒng)采用外部電源供電方式。傳感器 DS18B20 的內(nèi)部構(gòu)成為如下四個(gè)部分：64位光刻ROM，溫度報(bào)警觸發(fā)器以及溫度傳感器和高速暫存器14。64位光刻ROM 是出廠(chǎng)前就內(nèi)置在傳感器中的，可以像計(jì)算機(jī)一樣把它當(dāng)作是DS18B20 的地址序列號(hào)。所以不同的傳感器它的地址序列號(hào)是不同的。組成測(cè)量系統(tǒng)時(shí)，DS18B20傳

2、感器與單片機(jī)連接方法是傳感器的VCC接外部電源，GND接地，I/O接口與單片機(jī)的I/O線(xiàn)直接連接15。測(cè)溫過(guò)程中AT89C51與DS18B20的工作流程是：AT89C51首先對(duì)傳感器進(jìn)行初始化，然后才開(kāi)始執(zhí)行操作命令，操作指令執(zhí)行完畢后對(duì)存儲(chǔ)器操作和數(shù)據(jù)操作。 單片機(jī)首先檢測(cè)LED的狀態(tài)，如未初始化首先進(jìn)行初始化，然后檢測(cè)傳感器是否有接好。未接傳感器就等待，傳感器接好就進(jìn)行傳感器的初始化。初始化完畢后發(fā)送命令讓傳感器采集溫度，接收溫度信息同時(shí)傳送到LED上讓它顯示出來(lái)。流程圖如圖 3.1所示： 圖3.1溫度測(cè)量流程圖 3.2液晶顯示部分設(shè)計(jì) 1602LED液晶顯示具有顯示清楚、亮度可調(diào)、工作電

3、壓低、使用壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)，在顯示模塊中通常都使用LED來(lái)顯示各種數(shù)字以及符號(hào)。它的使用現(xiàn)在也十分流行廣泛。1602LED液晶顯示包括動(dòng)態(tài)和靜態(tài)兩種顯示方式。單片機(jī)首先檢測(cè) 1602LED的狀態(tài)，如未初始化首先進(jìn)行初始化，然后檢測(cè)傳感器是否有接好。未接傳感器就等待，傳感器接好就進(jìn)行傳感器的初始化16。初始化完畢后發(fā)送命令讓傳感器采集溫度，接收溫度信息同時(shí)傳送到 LED上讓它顯示出來(lái)。液晶顯示流程如圖3.2所示： 3.2液晶顯示流程圖第4章 系統(tǒng)仿真分析4.1控制系統(tǒng)性能分析 經(jīng)過(guò)前面的討論驗(yàn)證，接下來(lái)我們就可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。在本控制系統(tǒng)中我們采用 MATLAB 中的Simulink來(lái)進(jìn)行仿真

4、。 首先我們需要建立被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，這是對(duì)系統(tǒng)仿真的前提。我們并不要求建立完全精確的仿真模型，從上面的簡(jiǎn)單階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)所得到結(jié)果，我們即可以得到被控對(duì)象的簡(jiǎn)單模型，通過(guò)此模型來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)仿真，假如仿真結(jié)果說(shuō)明系統(tǒng)的性能指標(biāo)不好，我們可以通過(guò)改變仿真模型再進(jìn)行仿真，如此這樣反復(fù)實(shí)驗(yàn)可以取得較滿(mǎn)意的性能，這就說(shuō)明本文設(shè)計(jì)的模糊控制系統(tǒng)的魯棒性好，也達(dá)到了溫度控制目的。 4.2仿真模型的建立 在matlab仿真之前，我們需要建立仿真模型，此時(shí)我們可以將被控對(duì)象看成一階慣性環(huán)節(jié)： （1）過(guò)阻尼響應(yīng) （式4-1）其中，K是放大系數(shù)，在做階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)時(shí)，我們給廣義對(duì)象的輸入控制信號(hào)是4V，輸出則穩(wěn)定在5

5、00 度，所以我們求得放大系數(shù)： （式4-2）T則是時(shí)間常數(shù)，并且T=112S；系統(tǒng)響應(yīng)沒(méi)有滯后，所以=0。由以上分析可以簡(jiǎn)單的寫(xiě)出仿真模型： （式4-3）圖4.1過(guò)阻尼階躍響應(yīng)情況 （2）欠阻尼響應(yīng) 通常在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程控制中，比較常見(jiàn)的是二階系統(tǒng)，因?yàn)楦唠A系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型復(fù)雜，但是它的運(yùn)動(dòng)特性在一定條件下是可以用二階系統(tǒng)來(lái)表征的。所以，對(duì)于欠阻尼階躍響應(yīng)，我們可以先將廣義被控對(duì)象看作是二階模型。二階系統(tǒng)的傳遞函數(shù)是： （式4-4） 上式中T為二階系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)，為阻尼比，n為無(wú)阻尼自然振蕩頻率。系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)： （式4-5） 上式中： （式4-6） 二階系統(tǒng)的欠阻尼階躍響應(yīng)與特征參數(shù)和T是正

6、相關(guān)的： （式4-7） （式4-8）如圖4.2所示的階躍響應(yīng)曲線(xiàn)，我們可以測(cè)量出曲線(xiàn)上升時(shí)間tr=75S以及達(dá)到峰值時(shí)間tp=115S。通過(guò)上式，我們計(jì)算出二階模型的參數(shù)：=0.46 T=32.5S。所以，被控對(duì)象的二階參考模型是： （式4-9）當(dāng)被控對(duì)象控制量階躍輸入為4V的時(shí)候，對(duì)象輸出會(huì)穩(wěn)定在500度，可以求得廣義對(duì)象的放大系數(shù)： （式4-10） 系統(tǒng)仿真模型： （式4-11） 圖4.2欠阻尼階躍響應(yīng)情況4.3系統(tǒng)仿真 得到了對(duì)象的簡(jiǎn)單模型，我們開(kāi)始對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真。 （1）最初使用前面實(shí)驗(yàn)選取的一組參數(shù) Ke=0.2，Kc=13.4，Ku=0.01 ，Ki=0.01 進(jìn) 行 仿 真 ，

7、當(dāng) 系 統(tǒng) 輸 入 為 階 躍 信 號(hào)r(t)=400度時(shí)，系統(tǒng)響應(yīng)曲線(xiàn)如圖4.3所示。圖4.3系統(tǒng)階躍響應(yīng)仿真圖 系統(tǒng)無(wú)靜差，系統(tǒng)最大超調(diào)15度。 （2）將系數(shù) Ke變小，其他參數(shù)不變，如 Ke=0.1，Kc=13.4，Ku=0.01，Ki=0.01 再次仿真，系統(tǒng)響應(yīng)曲線(xiàn)如圖4.4所示。系統(tǒng)超調(diào)量明顯減小，最大超調(diào)量為2度。圖4.4系數(shù) Ke變小時(shí)系統(tǒng)階躍響應(yīng)仿真圖第5章 全文總結(jié) 本文以AT89C51單片機(jī)為核心控制器對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行有效的控制，單片機(jī)通過(guò)對(duì) I/O口輸出電平變化來(lái)調(diào)節(jié)是否進(jìn)行加熱以及加熱的功率，實(shí)現(xiàn)溫度的自動(dòng)控制功能。并采用模糊控制算與傳統(tǒng)的PID控制相結(jié)合，比傳統(tǒng)的控制

8、器精度高、超調(diào)量小、系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間短，最后本文通過(guò)matlab對(duì)所設(shè)計(jì)的模糊控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真。本溫度控制系統(tǒng)具有很廣泛的應(yīng)用范圍，在不改變參數(shù)的情況下可以對(duì)不同的控制對(duì)象進(jìn)行控制，并且達(dá)到較好的控制效果。同時(shí)，本次設(shè)計(jì)還存在一些不足之處，在以后的學(xué)習(xí)和工作中會(huì)更加深入的對(duì)課題進(jìn)行研究，以期能夠真正做到學(xué)以致用。 參考文獻(xiàn)1章衛(wèi)國(guó)，楊向忠.模糊控制理論與應(yīng)用M，西北工業(yè)大學(xué)出版社，2012.2劉增良.模糊技術(shù)與應(yīng)用選編M，北京航空航天出版社，2012.3李士勇.模糊控制.神經(jīng)控制和智能控制論M，哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2013. 4劉向杰，周孝信，柴天佑.模糊控制研究的現(xiàn)狀與新發(fā)展J，信息與

9、控制，2013,(4). 5郭霞.一種基于模糊控制的智能控制系統(tǒng)的研究J，自動(dòng)化博覽，2012. 6陳國(guó)先.單片機(jī)原理與接口技術(shù)M，電子工業(yè)出版社，2014. 7武鋒，陳新建.單片機(jī)模糊溫度控制器的研究M，北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2012. 8龍升照，汪培莊.Fuzzy 控制規(guī)則的自調(diào)整問(wèn)題M.模糊數(shù)學(xué)，2012. 9鮑新福，都志杰，王芳君.自調(diào)整比例因子模糊控制器J，自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2013,(2).10余永權(quán).模糊控制技術(shù)與模糊控制家電M，北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2014. 11胡包鋼，應(yīng)浩.模糊控制技術(shù)研究發(fā)展回顧及其面臨的若干重要問(wèn)題J，西安交通大學(xué)出版社，2014 12李少遠(yuǎn)

10、，席裕庚，陳增強(qiáng)等.智能控制的新進(jìn)展J.北京:科學(xué)出版社，201413張恩勤，高衛(wèi)華等.模糊控制系統(tǒng)近年來(lái)的研究與發(fā)展M.控制理論與應(yīng)用，201214諸靜.模糊控制理論與系統(tǒng)原理M，北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2013. 15易繼揩，侯媛彬.智能控制技術(shù)M，北京:北京工業(yè)大學(xué)出版社，2012. 16何平，王鴻緒.模糊控制器的設(shè)計(jì)及應(yīng)用M，北京:科學(xué)出版社，2013. 附錄：液晶顯示程序： 在LED1602的第一行顯示“HELLO” RESET ALARM: MOV DPTR,#RESET_ A2；MOV A, # 1； CALL LED PRINT RET RESET A2: DF3 “HELLO”

11、；顯示溫度子程序： 將預(yù)先寫(xiě)入 LED1602 CGRAM的數(shù)讀出，并送顯示 TEMP _BJ: MOV A, #0CBH； CALL WCOM MOV DPTR, #BJ1； MOV R1, #0 MOV R0, #2； BBJJ1: MOV A, R1 MOVC A, A+DPTR CALL WDATA INC Rl DJNZ R0, BBJJ1； RET BJ1: DB 00H, C； MENU_OK: MOV DPTR,#M_OK1 ； MOV A, #1 ；CALL LED_PRINT MOV DPTR,#M_OK2 ； MOV A, #2 ； CALL LED_PRINT RET

12、M_OK1: MENU_ERROR: MOV DPTR,#M_ERROR1； MOV A, # 1； CALL LED_PRINT MOV DPTR,#M_ERROR2； MOV A, #2； CALL LED_PRINT RET DS18B20 寫(xiě)命令，數(shù)據(jù)子程序 WRITE: MOV R2, #8；CLR C WR1: CLR DATE_LINE； MOV R3, #08 DJNZ R3,$；RRC A；MOV DATE_LINE, C； MOV R3, #3CH DJNZ R3 NOP DJNZ R2, WRl；SETS DATE_LINE RET DS18B20 讀溫子程序 READ

13、TEMP: CLR TRO MOV A, #0CCH； CALL WRITE MOV A, #44H； CALL WRITE CALL RESET MOV A, #0CCH； CALL WRITE MOV A, #0BEH； CALL WRITE； MOV R4, #4； MOV Rl，#TEMPL； RE00: MOV R2, #8；RE01: CLR CY SETB DATE_LINE NOP NOP CLR DATE_LINE； NOP NOP NOP SETB DATE_LINE； MOV R3, #07；DJNZ R3MOV C, DATE_LINE； MOV R3, #3CH DJ

14、NZ R3；RRC A；DJNZ R2, RE01；MOV R1, A INC R1 DJNZ R4, RE00；SETB TR0 RET 處理溫度 BCD 碼子程序 CONVTEMP: MOV A, TEMPH； ANL A, #80H JZ TEMPC1 SETB FLAG3 MOV A, TEMPL；CPL A；ADD A, #01H MOV TEMPL, A MOV A, TEMPH CPL A ADDC A, #00H MOV TEMPH, A JMP TEMPC2 TEMPCl: CLR FLAG3；TEMPC2: MOV A, TEMPL ANL A, #0FH；MOV B, #

15、10； MUL AB MOV B, #16 DIV AB MOV 70H, A；MOV A,TEMPL；ANL A,#0F0H；SWAP A MOV TEMPL, A MOV A, TEMPH；ANL A, #0FH SWAP A ORL A, TEMPL；MOV TEMP_ZH, A； LCALL HEX2BCD1 MOV TEMPL, A；ANL A, #0F0H SWAP A MOV 72H, A；MOV A, TEMPL ANL A, #OFH MOV 71 H, A；MOV A, R4；MOV 73H. A TEMPC3: RET；單字節(jié)十六進(jìn)制轉(zhuǎn)BCD HEX2BCD1: MOV

16、B, #064H DIV AB MOV R4, A；MOV A, #0AH XCH A, B DIV AB SWAP A ORL A, B；RET 顯示 TH 和 TL 值的子程序 LOOK ALARM: MOV DPTR,#ALAX2； MOV A, #2；CALL LED_PRINT MOV A, #0C6H；CALL TEMP_BJ1 MOV A, TEMP_TH； MOV LED_X, #3； CALL SHOW_DIG2H ； MOV A, #0CEH；CALL TEMP_BJ1 MOV A, TEMP_TL； MOV LED_X，#12； CALL SHOW_DIG2LRET M

17、ALAX2: 子程序 TEMP_BJ1: CALL WCOM MOV DPTR, #BJ2； MOV R1, #0 MOV R0, #2 BBJJ2: MOV A, R1MOVC A, A+DPTR CALL WDATA INC R1 DJNZ R0, BBJJ2 RET BJ2: DB 00H, C LED 1602 溫度值顯示子程序 CONV: MOV A, 73H；MOV LED_ X, #6 ；JNB FLAG3,CONV0 MOV B, LED_X CALL LEDP2 MOV A, 72H；CJNE A, #00H, CONV3 INC LED_X；MOV B, LED_X CAL

18、L LEDP2 JMP CONV4 CONVO: CJNE A, #00H, CONV2 MOV B, LED_X CALL LEDP2 MOV A, 72H；CJNE A, #00H, CONV3 INC LED_X；MOV B, LED_X CALL LEDP2 JMP CONV4 CONV2: CALL SHOW_DIG2；CONV3: INC LED_X； MOV A, 72H； CALL SHOW_DIG2 CONV4: INC LED_X； MOV A, 71 H； CALL SHOW_DIG2 INC LED_X； MOV B, LED_X CALL LEDP2 MOV A, 70H；INC LED_X ；CALL SHOW_DIG2； RET SHO_DIG2: ADD A, #30H；MOV B, LED_X；CALL LEDP2；RET 在 LED 的第一行顯示數(shù)據(jù)字符 LEDP1:；PUSH ACC MOV A, B；ADD A, #80H；CALL WCOM；POP ACC；CALL WDATA； 在 LED 的第二行顯示數(shù)據(jù)字符 LEDP2: