基于模糊控制的恒溫控制系統(tǒng)設(shè)計

摘要：為了克服熱慣性和高溫散熱較快的影響，基于模糊控制算法，以單片機為基礎(chǔ)設(shè)計了一套恒溫控制系統(tǒng)，并介紹了硬件組成結(jié)構(gòu)和軟件控制方案。實驗表明，該系統(tǒng)實現(xiàn)了溫度的精確測量和控制，其中靜態(tài)誤差小于0．2℃，恒溫控制的標準差小于O．3℃。同時系統(tǒng)還具有響應速度快、性價比高、可移植性強等優(yōu)點。
關(guān)鍵詞：恒溫控制；模糊控制；單片機； AD590

    在日常工業(yè)生產(chǎn)當中，恒溫控制應用非常廣泛。模糊控制技術(shù)是通過模仿人的思維方法，運用不確定的模糊信息進行決策以實現(xiàn)最佳的控制效果。模糊控制所關(guān)心的是目標而不是精確的數(shù)學模型，即研究的是控制器的本身而不是被控對象。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，以單片機為核心控制器，研究模糊控制算法，實現(xiàn)了精確的恒溫控制。并設(shè)計了單片機與上位機的通信軟件，實現(xiàn)了遠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
    本系統(tǒng)以水溫作為測量媒介，以AT89C51單片機作為核心控制器，以AD590溫度傳感器作為采集器，實現(xiàn)溫度的采集、控制、傳輸、顯示的功能。系統(tǒng)采用模糊算法對電熱絲的加熱時間進行控制，從而達到對水溫的控制。同時通過上位機軟件可以進行實時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
    溫度采集模塊實現(xiàn)溫度信號采集、信號調(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調(diào)理，后輸入10位A／D轉(zhuǎn)換器TLC1549進行模／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，具有抗干擾能力強的特點，其輸出電流和溫度值成正比，且是以絕對溫度零度(-273℃)為基準，其線性電流輸出為1μA／K，利用10 kΩ的電阻可將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。本系統(tǒng)的測量范圍為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，減小對電流信號的分流，利用電壓跟隨器作為信號隔離。后輸入差分減法器減去2．73 V，并經(jīng)過5倍電壓放大
后，對應的輸出電壓范圍為O～6 V。電壓信號輸入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。
1．2 人機交互和遠程管理模塊
    系統(tǒng)開發(fā)了豐富的人機交互接口，分為本地管理和遠程管理，最大程度上簡化了操作的復雜度和方便度。在本地端，設(shè)有三個功能按鍵，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)。兩個三位七段數(shù)碼管，分別顯示：設(shè)定溫度和實時采集溫度。
    系統(tǒng)通過串口轉(zhuǎn)換芯片MAX232，實現(xiàn)上位機和單片機的通信。上位機作為遠程管理端，實現(xiàn)了顯示溫度變化曲線、顯示當前溫度、顯示設(shè)定溫度、顯示最大正負誤差，放大或縮小曲線、保存曲線等功能。
1．3 溫度控制和超界報警模塊
    系統(tǒng)利用單片機控制電熱絲在一個加熱周期內(nèi)的加熱時間來實現(xiàn)對水溫的控制。單片機端口信號經(jīng)過光耦隔離后，利用三級管驅(qū)動電磁繼電器的閉合與斷開，從而控制加熱時間。當溫度超過100℃或者實時溫度變化超過10℃時，單片機將驅(qū)動蜂鳴器進行長時間報警提示，當設(shè)置溫度變化超過10℃時，蜂鳴器進行短時間報警提示。

2 軟件系統(tǒng)設(shè)計
    系統(tǒng)的控制思路為：根據(jù)模糊控制模型和實際應用情況推理出模糊查詢表，模糊查詢表表示對于不同狀態(tài)的加溫周期時間。單片機根據(jù)實時采樣溫度的變化查取模糊查詢表，對加溫周期做出調(diào)整，從而達到對溫度控制的目的。
2．1 主程序
    主程序一直處于等待接收串口信號狀態(tài)，同時判斷是否需要發(fā)送數(shù)據(jù)。定時中斷每秒對采樣溫度進行平均值濾波后，置串口發(fā)送標志，在主程序中發(fā)送。單片機接收到PC信號的第一個字節(jié)時，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)行相應操作。
    為避免串口干擾信號，系統(tǒng)采用應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)的實時性。上位機下發(fā)命令采用應答模式，單片機實時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)長度、數(shù)據(jù)包、校驗位組成。
2．2 1ms定時中斷程序
    1ms定時中斷作為系統(tǒng)的總時鐘。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，作為本次實時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。若報警開關(guān)打開，則每1 s取反一次揚聲器輸出。定時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個輸入語言變量E，EC分別表示溫度誤差和溫度誤差的變化率，輸出語言變量U表示繼電器的閉合時間。語言變量E賦8個值，即正小(PS)、正零(PO)、負零(NO)，負小(NS)，負中(NM)，負大(NL)，負加大(NXL)，負超大 (NXXL)，考慮到系統(tǒng)中并未設(shè)置降溫措施，E的賦值并不對稱。EC賦7個值，即正大(PL)、正中(PM)、正小(PS)、零(PO)、負小 (NS)、負中(NM)、負大(N-L)。U賦4個值：零(O)、正小(PS)、正中(PM)、正大(PL)。為補償溫度控制無超調(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)驗來建立控制規(guī)則，但是得到的控制量并是一個模糊量，不能直接用來作為控制輸出，采用C語言進行解模糊處理，得到模糊查詢表，并在測試中反復調(diào)整，最終得到模糊查詢表如表1所示。
2．4 模糊控制程序
    在單片機的程序中，設(shè)置了變量TOUT表示恒溫控制周期，TSET表示一個恒溫控制周期中韻加熱輸出時間，即表中的U。每隔TOUT的時間，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=實時采樣溫度值-設(shè)定溫度值
    EC=當前誤差-上次誤差
    當誤差較大時，不必進行模糊控制，只需判斷是全速加熱或是停止加熱。當誤差進入預設(shè)的控制范圍時，量化E，EC，并由量化值查詢模糊查詢表，得出該周期應該輸出的加熱時間TSET。
    在測試中發(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，采用了兩級控制的方式。在第一級控制中，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；此后進入第二級控制，縮小E和EC的論域范圍，提高控制的靈敏度。經(jīng)測試，采用此方式可在各溫度層次控制過程中將恒溫誤差穩(wěn)定在±0．3℃以內(nèi)。

3 系統(tǒng)實驗和誤差分析
3．1 傳感器零點校準
    系統(tǒng)采用電流型溫度傳感器AD590，同時使用單點調(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。同時為保證系統(tǒng)的精確性，使用單點調(diào)節(jié)電路進行進一步調(diào)節(jié)。
3．2 系統(tǒng)實驗
    利用本系統(tǒng)對自來水進行重復性測試。由于本地氣壓和水中雜質(zhì)的影響，當水到達沸點時仍無法到達100℃，因此系統(tǒng)的測試范圍設(shè)定為40～90℃。當系統(tǒng)達到溫度恒定且停止加溫后，隨機進行一次靜態(tài)數(shù)據(jù)測量；在此后100 min內(nèi)，每隔5 min進行一次恒溫控制數(shù)據(jù)測量。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℃。對表3中每組數(shù)據(jù)的后10個數(shù)據(jù)進行標準差計算，結(jié)果如表4所示，可知其平均誤差小于±0.3 ℃。



4 結(jié)語
    該系統(tǒng)以模糊控制算法和單片機設(shè)計了一種恒溫控制系統(tǒng)。利用單片機作為核心控制器，開發(fā)了豐富的友好的人機交互環(huán)境：溫度變化曲線可視性、遠程可控性非常適合工業(yè)遠程管理要求。其成本低，可擴展性好，非常容易擴展為多路采集系統(tǒng)；同時采用模糊查詢表的方式，提高了系統(tǒng)的移植性。實驗表明：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)當中。