基于模糊控制技術(shù)的恒溫控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　在日常工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中，恒溫控制應(yīng)用非常廣泛。模糊控制技術(shù)是通過(guò)模仿人的思維方法，運(yùn)用不確定的模糊信息進(jìn)行決策以實(shí)現(xiàn)最佳的控制效果。模糊控制所關(guān)心的是目標(biāo)而不是精確的數(shù)學(xué)模型，即研究的是控制器的本身而不是被控對(duì)象。因此可以利用特殊的控制媒介，研究控制器本身。本系統(tǒng)以此作為出發(fā)點(diǎn)，以單片機(jī)為核心控制器，研究模糊控制算法，實(shí)現(xiàn)了精確的恒溫控制。并設(shè)計(jì)了單片機(jī)與上位機(jī)的通信軟件，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程溫度控制和溫度曲線可視化的功能。

　　1 系統(tǒng)功能和硬件設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)以水溫作為測(cè)量媒介，以AT89C51單片機(jī)作為核心控制器，以AD590溫度傳感器作為采集器，實(shí)現(xiàn)溫度的采集、控制、傳輸、顯示的功能。系統(tǒng)采用模糊算法對(duì)電熱絲的加熱時(shí)間進(jìn)行控制，從而達(dá)到對(duì)水溫的控制。同時(shí)通過(guò)上位機(jī)軟件可以進(jìn)行實(shí)時(shí)控制和顯示溫度曲線圖等，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

　　1．1 溫度采集模塊

　　溫度采集模塊實(shí)現(xiàn)溫度信號(hào)采集、信號(hào)調(diào)理、模／數(shù)轉(zhuǎn)換的功能。主要以集成溫度傳感器AD590M為采集主體，經(jīng)過(guò)電壓跟隨器、差分式減法器、電壓放大器、反相器等電路作為信號(hào)調(diào)理，后輸入10位A／D轉(zhuǎn)換器TLC1549進(jìn)行模／數(shù)轉(zhuǎn)換。電路圖如圖2所示。

　　AD590是電流型集成溫度傳感器，具有抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，其輸出電流和溫度值成正比，且是以絕對(duì)溫度零度(-273℃)為基準(zhǔn)，其線性電流輸出為 1μA／K，利用10 kΩ的電阻可將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。本系統(tǒng)的測(cè)量范圍為0～100℃，因此輸出電壓范圍為2．73～3.73 V。為了增大后端電路的阻抗，減小對(duì)電流信號(hào)的分流，利用電壓跟隨器作為信號(hào)隔離。后輸入差分減法器減去2．73 V，并經(jīng)過(guò)5倍電壓放大后，對(duì)應(yīng)的輸出電壓范圍為O～6 V。電壓信號(hào)輸入10位逐次比較型模數(shù)轉(zhuǎn)換器TLCl549。其參考電壓為5 V，則輸入電壓的分辨率(單位：mV)為：

　　

從而本系統(tǒng)溫度采樣的理論分辨率為：

　　由于傳感器信號(hào)微弱，極易受到外界電磁環(huán)境影響，須使用雙絞線傳輸傳感器信號(hào)。

　　1．2 人機(jī)交互和遠(yuǎn)程管理模塊

　　系統(tǒng)開發(fā)了豐富的人機(jī)交互接口，分為本地管理和遠(yuǎn)程管理，最大程度上簡(jiǎn)化了操作的復(fù)雜度和方便度。在本地端，設(shè)有三個(gè)功能按鍵，分別為：設(shè)定溫度加O．1℃、設(shè)定溫度減O．1℃、溫度控制開關(guān)。兩個(gè)三位七段數(shù)碼管，分別顯示：設(shè)定溫度和實(shí)時(shí)采集溫度。

　　系統(tǒng)通過(guò)串口轉(zhuǎn)換芯片MAX232，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和單片機(jī)的通信。上位機(jī)作為遠(yuǎn)程管理端，實(shí)現(xiàn)了顯示溫度變化曲線、顯示當(dāng)前溫度、顯示設(shè)定溫度、顯示最大正負(fù)誤差，放大或縮小曲線、保存曲線等功能。

　　1．3 溫度控制和超界報(bào)警模塊

　　系統(tǒng)利用單片機(jī)控制電熱絲在一個(gè)加熱周期內(nèi)的加熱時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)水溫的控制。單片機(jī)端口信號(hào)經(jīng)過(guò)光耦隔離后，利用三級(jí)管驅(qū)動(dòng)電磁繼電器的閉合與斷開，從而控制加熱時(shí)間。當(dāng)溫度超過(guò)100℃或者實(shí)時(shí)溫度變化超過(guò)10℃時(shí)，單片機(jī)將驅(qū)動(dòng)蜂鳴器進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間報(bào)警提示，當(dāng)設(shè)置溫度變化超過(guò)10℃時(shí)，蜂鳴器進(jìn)行短時(shí)間報(bào)警提示。

　　2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)的控制思路為：根據(jù)模糊控制模型和實(shí)際應(yīng)用情況推理出模糊查詢表，模糊查詢表表示對(duì)于不同狀態(tài)的加溫周期時(shí)間。單片機(jī)根據(jù)實(shí)時(shí)采樣溫度的變化查取模糊查詢表，對(duì)加溫周期做出調(diào)整，從而達(dá)到對(duì)溫度控制的目的。

　　2．1 主程序

　　主程序一直處于等待接收串口信號(hào)狀態(tài)，同時(shí)判斷是否需要發(fā)送數(shù)據(jù)。定時(shí)中斷每秒對(duì)采樣溫度進(jìn)行平均值濾波后，置串口發(fā)送標(biāo)志，在主程序中發(fā)送。單片機(jī)接收到PC信號(hào)的第一個(gè)字節(jié)時(shí)，調(diào)用接收數(shù)據(jù)子程序，將剩余數(shù)據(jù)接收到緩沖區(qū)內(nèi)，并判斷接收數(shù)據(jù)的類型，執(zhí)行相應(yīng)操作。
為避免串口干擾信號(hào)，系統(tǒng)采用應(yīng)答模式和單向傳輸混用的串口通信，以提高通信的穩(wěn)定性和系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。上位機(jī)下發(fā)命令采用應(yīng)答模式，單片機(jī)實(shí)時(shí)溫度信息上傳采用單向通信模式。通信協(xié)議由包頭、命令、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、數(shù)據(jù)包、校驗(yàn)位組成。

　　2．2 1ms定時(shí)中斷程序

　　1ms定時(shí)中斷作為系統(tǒng)的總時(shí)鐘。每1 ms刷新一位數(shù)碼管，每10 ms掃描一次按鍵，每1 s的最后100 ms中，每隔10 ms采樣一次溫度值，將10次采樣值冒泡排序，去掉最大值和最小值后的平均值，作為本次實(shí)時(shí)采樣的最終值送入顯示緩沖區(qū)。若恒溫控制開關(guān)打開，則每1 s還要調(diào)用恒溫控制程序。若報(bào)警開關(guān)打開，則每1 s取反一次揚(yáng)聲器輸出。定時(shí)中斷返回前將重置看門狗。

　　2．3 模糊控制模型建立

　　系統(tǒng)利用了雙輸入單輸出的模糊控制模式。2個(gè)輸入語(yǔ)言變量E，EC分別表示溫度誤差和溫度誤差的變化率，輸出語(yǔ)言變量U表示繼電器的閉合時(shí)間。語(yǔ)言變量E 賦8個(gè)值，即正小(PS)、正零(PO)、負(fù)零(NO)，負(fù)小(NS)，負(fù)中(NM)，負(fù)大(NL)，負(fù)加大(NXL)，負(fù)超大 (NXXL)，考慮到系統(tǒng)中并未設(shè)置降溫措施，E的賦值并不對(duì)稱。EC賦7個(gè)值，即正大(PL)、正中(PM)、正小(PS)、零(PO)、負(fù)小 (NS)、負(fù)中(NM)、負(fù)大(N-L)。U賦4個(gè)值：零(O)、正小(PS)、正中(PM)、正大(PL)。為補(bǔ)償溫度控制無(wú)超調(diào)量，E的量化值為 -10～2，EC，U的量化值分別為-6～6，0～6。每個(gè)值采用三角形隸屬函數(shù)模型，如圖3～圖5所示。

　　依靠經(jīng)驗(yàn)來(lái)建立控制規(guī)則，但是得到的控制量并是一個(gè)模糊量，不能直接用來(lái)作為控制輸出，采用C語(yǔ)言進(jìn)行解模糊處理，得到模糊查詢表，并在測(cè)試中反復(fù)調(diào)整，最終得到模糊查詢表如表1所示。

　　2．4 模糊控制程序

　　在單片機(jī)的程序中，設(shè)置了變量TOUT表示恒溫控制周期，TSET表示一個(gè)恒溫控制周期中韻加熱輸出時(shí)間，即表中的U。每隔TOUT的時(shí)間，將調(diào)用模糊推理程序，求出誤差E和誤差變化率EC。其中：

E=實(shí)時(shí)采樣溫度值-設(shè)定溫度值
EC=當(dāng)前誤差-上次誤差

　　當(dāng)誤差較大時(shí)，不必進(jìn)行模糊控制，只需判斷是全速加熱或是停止加熱。當(dāng)誤差進(jìn)入預(yù)設(shè)的控制范圍時(shí)，量化E，EC，并由量化值查詢模糊查詢表，得出該周期應(yīng)該輸出的加熱時(shí)間TSET。

　　在測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，采用單一的E，EC論域的效果并不讓人滿意，系統(tǒng)靈敏度較低?？紤]加熱慣性和高溫散熱較快的影響，采用了兩級(jí)控制的方式。在第一級(jí)控制中，E和EC的論域范圍較大，可快速加熱到恒溫設(shè)定溫度附近；此后進(jìn)入第二級(jí)控制，縮小E和EC的論域范圍，提高控制的靈敏度。經(jīng)測(cè)試，采用此方式可在各溫度層次控制過(guò)程中將恒溫誤差穩(wěn)定在±0．3℃以內(nèi)。

　　3 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和誤差分析

　　3．1 傳感器零點(diǎn)校準(zhǔn)

　　系統(tǒng)采用電流型溫度傳感器AD590，同時(shí)使用單點(diǎn)調(diào)節(jié)電路。在理想情況下，在冰水混合物(O℃)中并聯(lián)10kΩ電阻，輸出電壓為2.73V，即為傳感器零點(diǎn)。同時(shí)為保證系統(tǒng)的精確性，使用單點(diǎn)調(diào)節(jié)電路進(jìn)行進(jìn)一步調(diào)節(jié)。

　　3．2 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

　　利用本系統(tǒng)對(duì)自來(lái)水進(jìn)行重復(fù)性測(cè)試。由于本地氣壓和水中雜質(zhì)的影響，當(dāng)水到達(dá)沸點(diǎn)時(shí)仍無(wú)法到達(dá)100℃，因此系統(tǒng)的測(cè)試范圍設(shè)定為40～90℃。當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到溫度恒定且停止加溫后，隨機(jī)進(jìn)行一次靜態(tài)數(shù)據(jù)測(cè)量；在此后100 min內(nèi)，每隔5 min進(jìn)行一次恒溫控制數(shù)據(jù)測(cè)量。靜態(tài)數(shù)據(jù)如表2所示，恒溫控制數(shù)據(jù)如表3所示，50℃恒溫控制上位機(jī)曲線如圖6所示。

　　由表3可知，系統(tǒng)的靜態(tài)誤差為±0.2℃。對(duì)表3中每組數(shù)據(jù)的后10個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算，結(jié)果如表4所示，可知其平均誤差小于±0.3 ℃。

　　4 結(jié)語(yǔ)

　　該系統(tǒng)以模糊控制算法和單片機(jī)設(shè)計(jì)了一種恒溫控制系統(tǒng)。利用單片機(jī)作為核心控制器，開發(fā)了豐富的友好的人機(jī)交互環(huán)境：溫度變化曲線可視性、遠(yuǎn)程可控性非常適合工業(yè)遠(yuǎn)程管理要求。其成本低，可擴(kuò)展性好，非常容易擴(kuò)展為多路采集系統(tǒng)；同時(shí)采用模糊查詢表的方式，提高了系統(tǒng)的移植性。實(shí)驗(yàn)表明：本系統(tǒng)能夠?qū)⑺疁睾愣ǖ目刂圃?0～90℃范圍內(nèi)，控制誤差小于0．5℃，靜態(tài)誤差小于0．2℃，可廣泛的推廣和移植到工業(yè)當(dāng)中。