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摘 要:本文阐述了模糊控制系统的构成方法,分析了模糊推理方法的主要特点。以试验箱温度为控制对象,采用模糊推理法设计了基于单片机的模糊控制器,并给出了该控制器的程序流程图、硬件系统框图。测试结果表明,该系统稳定可靠,具有优良的控制效果。此模糊控制器的温控范围为室温到70℃,稳态控温精度为±0.5℃。
关键词:单片机PT100传感器模糊控制模糊推理
中图分类号:TM571 文献标识码:A 文章编号:1673-9795(2011)05(a)-0114-01
在现代社会中,随着经济的不断发展和生活水平的不断提高,各行各业的技术也在飞速地发展,模糊控制在生活和工业生产中的应用越来越广泛。温度在工业生产和科研工作中都非常重要意义。为实现温度控制器的智能化,一般都嵌有微处理器作为主要作为核心硬件器。随着现代信息技术的飞速发展和传统工业改造的逐步实现,能够独立进行温度数模转换的处理器已经应用于诸多领域,这为模糊控制器的应用奠定硬件基础。此外,热敏电阻是一种常用的温度敏感元件,由热敏电阻构成的测温电桥具有成本低,测温范围宽,准确度和精度都很高,这有助于实现高精度的温控目标。
1 模糊控制方法与硬件电路结构
本设计的目标是,在所测温度低于目标温度时使用模糊控制方法进行加热,反之就不加热使之自然冷却。温度控制的过程:由传感器定时对烘箱温度进行采样,将采样得到的数字量与设定的温度量比较,从而得到偏差及偏差变化率,再通过模糊推理方法的处理以获得控制信号,以调节试验箱内加热管的加热功率,达到实现对实验箱温度控制的目的。系统由控制模块、温度数据采集模块、驱动模块、加热模块、显示模块及电源模块组成。由模糊控制器构成系统框图如图1所示。
从图1可以看出,它和传统的控制系统结构没有多大区别,只是用模糊控制器代替传统的数字控制器。模糊控制系统一般由四个部分组成,即模糊控制器、输入/输出接口装置、广义对象和传感器。其中传感器是将被控对象或各种过程的被控制量转换为电信号的一类装置,它在模糊控制系统中占有十分重要的地位,它的精度往往直接影响整个控制系统的精度。
硬件电路主要两大块构成:(1）单片机及A/D采样模块;(2）驱动加热模块。STC12C5A16AD是一个低功耗,高性能CMOS 8位单片机,为标准的引脚双列直插40引脚集成电路芯片,其管脚引法完全等同于MCS-51。A/D采样模块使用电桥采集数据,其电桥由R2、R3、R5、Rpt100组成,且R2=R3=R4=R5。为了避免流过Pt100传感器的电流过大使其发热进而导致非线性失真增大,电桥电压不宜太高,一般要求Im<5mA,电桥电压Vbrg=1V,由运放电压跟随器提供,电桥输出压差为:
驱动和加热电路是本设计的核心电路,本设计选用光电耦合器MOC3041、双向可控硅BTA06和加热管一起工作。双向可控硅和加热管串接在交流220V、50Hz交流电回路。在本设计里加热管的功率为300瓦,而双向可控硅BTA06的功率为1000瓦,不会出现加热管功率过大而烧坏双向可控硅BTA06的现象。
2 模糊控制程序的实现
关于模糊推理方法已经非常成熟,本文主要讨论它在单片机上的实现方法。主程序包括MCU的初始化、标志位以及显示缓冲区清零、T0初始化、开CPU中断、按键扫描等程序。
定时器T0设为定时方式1,它的溢出中断时间为255个过零同步脉冲。需要说明的是系统控制程序采用两次中断嵌套方式来设计,T1中断嵌套在T0中断之中。T0中断服务程序用于采样数据、数值转换程序、数字滤波、越限温度处理、模糊计算和输出触发脉冲等。在T0中断服务程序里,有数据采集子程序、数字滤波程序、越限处理程序、模糊算法程序、显示程序等。在模糊算法程序中,还需要用到双字节加法子程序、求补子程序和双字节无符号数乘法子程序等。本文将温度下限设定为10℃;温度上限设定为80℃。
3 实测效果及结论
以木制试验箱为对象进行试验,温控目标设定为70℃,其控制结果显示:控温精度为±0.5℃且动态调整过程时间较短,并且系统运行稳定可靠,具有较好的鲁棒性。模糊控制器采用模块化设计,有利于将问题简单化,且便于在调试中修改。本文的创新性体现在如下三个方面:（1）在驱动模块中,选用过零型光电耦合器,不需要另加过零电路,硬件电路简单;（2）在程序语言上,采用高级语言编写单片机程序,其效率和移植性均很高;（3）在控制方法上,采用了模糊控制理论,能借助已有人工经验进行温度自动调节,系统具有较高的智能性与鲁棒性。
参考文献
[1] 龙祖强.基于强度转移法的模糊温控系统的设计[J].微计算机信息,2008,24:21～24.
[2] 龙祖强.真值流动模糊控制算法及其在温控系统中的应用[J].微电子学与计算机,2009,26(1):101～104.
[3] 龙祖强.一类简单变论域模糊控制器的设计[J].微计算机信息,2007,24:72～73.
[4] 赵肖宇.区间值模糊控制研究[J].大庆石油学院,2005,5(3):12～16.
[5] 高桂革.模糊控制理论及其应用的发展[J].上海电机学院学报,2005,7(3):167～173.
[6] 季宝杰.基于单片机的温室自动控制系统设计[J].计算机测量与控,2007,15(1):75～109.
关键词:单片机PT100传感器模糊控制模糊推理
中图分类号:TM571 文献标识码:A 文章编号:1673-9795(2011)05(a)-0114-01
在现代社会中,随着经济的不断发展和生活水平的不断提高,各行各业的技术也在飞速地发展,模糊控制在生活和工业生产中的应用越来越广泛。温度在工业生产和科研工作中都非常重要意义。为实现温度控制器的智能化,一般都嵌有微处理器作为主要作为核心硬件器。随着现代信息技术的飞速发展和传统工业改造的逐步实现,能够独立进行温度数模转换的处理器已经应用于诸多领域,这为模糊控制器的应用奠定硬件基础。此外,热敏电阻是一种常用的温度敏感元件,由热敏电阻构成的测温电桥具有成本低,测温范围宽,准确度和精度都很高,这有助于实现高精度的温控目标。
1 模糊控制方法与硬件电路结构
本设计的目标是,在所测温度低于目标温度时使用模糊控制方法进行加热,反之就不加热使之自然冷却。温度控制的过程:由传感器定时对烘箱温度进行采样,将采样得到的数字量与设定的温度量比较,从而得到偏差及偏差变化率,再通过模糊推理方法的处理以获得控制信号,以调节试验箱内加热管的加热功率,达到实现对实验箱温度控制的目的。系统由控制模块、温度数据采集模块、驱动模块、加热模块、显示模块及电源模块组成。由模糊控制器构成系统框图如图1所示。
从图1可以看出,它和传统的控制系统结构没有多大区别,只是用模糊控制器代替传统的数字控制器。模糊控制系统一般由四个部分组成,即模糊控制器、输入/输出接口装置、广义对象和传感器。其中传感器是将被控对象或各种过程的被控制量转换为电信号的一类装置,它在模糊控制系统中占有十分重要的地位,它的精度往往直接影响整个控制系统的精度。
硬件电路主要两大块构成:(1）单片机及A/D采样模块;(2）驱动加热模块。STC12C5A16AD是一个低功耗,高性能CMOS 8位单片机,为标准的引脚双列直插40引脚集成电路芯片,其管脚引法完全等同于MCS-51。A/D采样模块使用电桥采集数据,其电桥由R2、R3、R5、Rpt100组成,且R2=R3=R4=R5。为了避免流过Pt100传感器的电流过大使其发热进而导致非线性失真增大,电桥电压不宜太高,一般要求Im<5mA,电桥电压Vbrg=1V,由运放电压跟随器提供,电桥输出压差为:
驱动和加热电路是本设计的核心电路,本设计选用光电耦合器MOC3041、双向可控硅BTA06和加热管一起工作。双向可控硅和加热管串接在交流220V、50Hz交流电回路。在本设计里加热管的功率为300瓦,而双向可控硅BTA06的功率为1000瓦,不会出现加热管功率过大而烧坏双向可控硅BTA06的现象。
2 模糊控制程序的实现
关于模糊推理方法已经非常成熟,本文主要讨论它在单片机上的实现方法。主程序包括MCU的初始化、标志位以及显示缓冲区清零、T0初始化、开CPU中断、按键扫描等程序。
定时器T0设为定时方式1,它的溢出中断时间为255个过零同步脉冲。需要说明的是系统控制程序采用两次中断嵌套方式来设计,T1中断嵌套在T0中断之中。T0中断服务程序用于采样数据、数值转换程序、数字滤波、越限温度处理、模糊计算和输出触发脉冲等。在T0中断服务程序里,有数据采集子程序、数字滤波程序、越限处理程序、模糊算法程序、显示程序等。在模糊算法程序中,还需要用到双字节加法子程序、求补子程序和双字节无符号数乘法子程序等。本文将温度下限设定为10℃;温度上限设定为80℃。
3 实测效果及结论
以木制试验箱为对象进行试验,温控目标设定为70℃,其控制结果显示:控温精度为±0.5℃且动态调整过程时间较短,并且系统运行稳定可靠,具有较好的鲁棒性。模糊控制器采用模块化设计,有利于将问题简单化,且便于在调试中修改。本文的创新性体现在如下三个方面:（1）在驱动模块中,选用过零型光电耦合器,不需要另加过零电路,硬件电路简单;（2）在程序语言上,采用高级语言编写单片机程序,其效率和移植性均很高;（3）在控制方法上,采用了模糊控制理论,能借助已有人工经验进行温度自动调节,系统具有较高的智能性与鲁棒性。
参考文献
[1] 龙祖强.基于强度转移法的模糊温控系统的设计[J].微计算机信息,2008,24:21～24.
[2] 龙祖强.真值流动模糊控制算法及其在温控系统中的应用[J].微电子学与计算机,2009,26(1):101～104.
[3] 龙祖强.一类简单变论域模糊控制器的设计[J].微计算机信息,2007,24:72～73.
[4] 赵肖宇.区间值模糊控制研究[J].大庆石油学院,2005,5(3):12～16.
[5] 高桂革.模糊控制理论及其应用的发展[J].上海电机学院学报,2005,7(3):167～173.
[6] 季宝杰.基于单片机的温室自动控制系统设计[J].计算机测量与控,2007,15(1):75～109.