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溫度是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中重要的物理量，尤其在冶金、機械、食品、化工等工業(yè)中，對工件的處理溫度都要求嚴格控制,對溫度的精確度和穩定性均有較高要求，溫度的測量與控制直接關(guān)系到企業(yè)的生產(chǎn)利益甚至存亡。 目前在國內外很多溫度控制系統都采用ARM 作為處理器，PID 作為溫度控制方式[1]。該控制方式對大多數控制對象均可達到滿(mǎn)意的控制效果，但對于有特殊要求或具有復雜對象特性的系統，采用數字PID控制一般難以達到目的�；跍囟茸兓姆蔷�(xiàn)性與模糊控制魯棒性強、干擾和參數變化對控制效果的影響較小，尤其適合于非線(xiàn)性、時(shí)變及純滯后系統的控制，將PID與模糊控制相結合來(lái)實(shí)現對溫度的控制。 因此,本文以熱水器為對象，運用系統控制理論，以模糊控制與數字PID控制相結合方式進(jìn)行溫度控制系統的設計。 1 整體方案設計 系統采用晶控電子的STC系列單片機進(jìn)行下位機溫度控制，同時(shí)采用PC機進(jìn)行上位機控制。上位機首先給下位機發(fā)出命令，下位機再根據此命令解釋成相應時(shí)序信號直接控制相應設備。下位機不時(shí)讀取設備狀態(tài)數據，轉化成數字信號反饋給上位機。下位機實(shí)現現場(chǎng)實(shí)時(shí)控制，上位機實(shí)現遠程實(shí)時(shí)監控。 系統的實(shí)現采用模塊化設計思想,分別從硬件、軟件來(lái)設計并綜合應用。硬件分為溫度檢測模塊、輸入輸出模塊、串口通信模塊及加熱模塊幾個(gè)部分;軟件由上下位機同時(shí)控制,包括溫度采集子程序、液晶顯示子程序、鍵盤(pán)輸入子程序、模糊PID控制子程序、串口通信子程序等。設計主要針對控制算法來(lái)實(shí)現，系統總體設計方案如圖1所示。 2 硬件電路設計 2.1溫度檢測模塊 DS18B20是DALLAS公司生產(chǎn)的數字溫度傳感器,溫度測量范圍為-55℃～+125℃,測溫分辨率可達0.062 5 ℃，它集溫度測量與A/D轉換于一體，直接輸出數字量，傳輸距離遠，可以實(shí)現多點(diǎn)檢測，硬件結構簡(jiǎn)單，避免了傳統熱電偶、熱電阻模擬信號到數字信號轉換、硬件結構復雜、成本高的缺點(diǎn)，其電路連接如圖2所示。 2.2 串口通信模塊 接口RS232是用正負電壓來(lái)表示邏輯狀態(tài)的，而單片機采用正邏輯TTL電平，因此必須在此分立元件實(shí)現電平和邏輯關(guān)系的變換。通信電路中，下位機串口使用查詢(xún)法接收和發(fā)送資料，上位機發(fā)出指定字符，下位機收到后返回給上位機原字符，其電路連接如圖3所示。 2.4 加熱模塊 系統的加熱過(guò)程通過(guò)單片機控制繼電器的開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現，當檢測溫度與設定溫度有差距時(shí)繼電器處于接通狀態(tài)，加熱器持續加熱，當檢測溫度與設定溫度一致時(shí)，繼電器處于斷開(kāi)狀態(tài)，加熱器停止加熱。繼電器電路連接如圖5所示[2]。 3 軟件設計 3.1模糊PID控制算法 模糊PID控制是找出Kp、Ki、Kd與E、Ec之間的模糊關(guān)系，通過(guò)不斷檢測E和Ec，根據模糊推理對Kp、Ki、Kd進(jìn)行在線(xiàn)修改，滿(mǎn)足了不斷變化的E、Ec對控制參數的要求，從而使被控對象具有良好的動(dòng)、靜態(tài)性能。模糊PID結構圖如圖6所示。模糊PID控制器的調整規則是[3]： (1)當E較大時(shí)，為加快系統響應速度，應取較大的Kp和較小的Kd，由于積分太強會(huì )使系統超調加大，因而要對積分作用加以限制，通常取Ki=0或者較小值; (2)當E和Ec中等大小時(shí)，為減少系統超調并保證一定的響應速度，Kp應適當取小些，同時(shí)Kd的取值對系統影響很大，也應取小些，Ki的取值要適當; (3)當E較小時(shí)，為減小穩態(tài)誤差，Kp與Ki應取得大些，而Kd的取值要適當，取值不當會(huì )引起系統震蕩。其原則是：當Ec較小時(shí)，Kd取大些，當Ec較大時(shí)，Kd取較小的值，通常Kd為中等大小。 3.2 下位機程序流程圖 下位機采用keil軟件，C語(yǔ)言進(jìn)行程序的編寫(xiě)，采用STC-ISP進(jìn)行軟件燒寫(xiě)，程序流程圖如圖7所示。 3.3 上位機界面顯示 上位機采用VB6.0對溫度監控界面進(jìn)行編寫(xiě)，通過(guò)界面可以選擇不同的串口進(jìn)行通信，在不同時(shí)間可以通過(guò)多個(gè)溫度檢測器對不同熱水器進(jìn)行溫度檢測并自行設定溫度,界面可以實(shí)時(shí)顯示溫度變化曲線(xiàn)如圖9所示。 本系統將單片機與模糊PID控制相結合，不僅單片機控制效果顯著(zhù)而且易于操作，還實(shí)現了智能控制與常規PID控制兩者的優(yōu)點(diǎn):它具備自學(xué)習、自適應、自組織的能力，能夠自動(dòng)識別被控過(guò)程參數，自動(dòng)整定控制參數，能夠適應被控過(guò)程參數的變化;它又具備常規PID控制器結構簡(jiǎn)單、魯棒性強、可靠性高、為現場(chǎng)設計人員所熟悉等特點(diǎn)，較易應用與推廣。 |
