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1、毕业设计（论文）PID温度控制系统的设计姓 名 学 院 专 业 指导教师 职 称 2012年 02月 15日毕业设计（论文）任务书 题目PID温度控制系统的设计学生姓名学院名称专业班级课题类型教研课题课题意义课题以#$%模&*糊%&自整定 PID 控制算法为基础，构成一个能进行较复杂的数据处理和复杂控制功能的智能控制器，使其既可与微机配合构成控制系统，又可作为一个独立的单片机控制系统，具有较高的灵活性和可靠性。单片机根据输入的各种命令，进行智能算法得到控制值，输出脉冲触发号，通过过零触发电路驱动双向可控硅，从而控制温度。本课题提出的基于#$%模&*糊%&的自整定 PID 控制算法的控制系统具有
2、真正的智能化和灵活性，有自动检测、数据实时采集、处理及控制结果显示等功能，对控制温度的控制精度具有较好的意义。任务与进度要求3.13.31查找资料，理解相关原理，学习相关知识。4.14.15确定整体方案选择并编写软件。4.165.20仿真程序计算机实现，对结果进行分析整理。5.216.16 整理资料，撰写论文，准备答辩。主要参考文献1 张国清,陈淑坤.简单实用的温控电器J.仪器与未来,1992 (1)22.2 郑炳坤.简单的温控箱温控电路J.仪器与未来,1991,(7)22.3 鲍可进.PID参数自整定的温度控制J.江苏理工大学学报,4 王文杰.#$%模&*糊%&控制理论在温度控制中的应用J.
3、西北纺织工学 院学报,1995，(6)151.起止日期2010.3.1-2010.6.16备注院长 教研室主任 指导教师 毕业设计（论文）开题报告表 2010年 03月 21日姓名学院专业班级题目PID温度控制系统的设计指导教师一、与本课题有关的国内外研究情况、课题研究的主要内容、目的和意义：温度是生产过程和科学实验中非常普遍而又十分重要的物理参数。在工业生产过程中，为了高效地进行生产，必须对生产工艺过程中的主要参数，如温度、压力、流量、速度等进行有效的控制，其中温度控制在生产过程中占有相当大的比例。准确地测量和有效地控制温度是优质、高产、低耗和安全生产的重要条件。传统的经典控制渐渐不能满足控
4、制要求的情况下,通过应用#$%模&*糊%&控制技术来完成对系统的控制要求,引进#$%模&*糊%&PID温度控制，它将#$%模&*糊%&控制和 PID 控制器两者结合起来，扬长避短，既具有#$%模&*糊%&控制灵活而适应性强，调节速度快的优点，又具有PID控制无静差、稳定性好、精度高的特点，对复杂控制系统和高精度伺服系统具有良好的控制效果.二、进度及预期结果：起止日期主要内容预期结果2010.3.1-2010.6.16以#$%模&*糊%&自整定 PID 控制算法为基础，构成一个能进行较复杂的数据处理和复杂控制功能的智能控制器，使其既可与微机配合构成控制系统，又可作为一个独立的单片机控制系统，具有
5、较高的灵活性和可靠性。单片机根据输入的各种命令，进行智能算法得到控制值，输出脉冲触发号，通过光电耦合器控制开关，从而控制温度。具有真正的智能化和灵活性，有自动检测、数据实时采集、处理及控制结果显示等功能完成课题的现有条件已学过的基础课程、各种相关参考文献审查意见指导教师： 年 月 日学院意见主管领导： 年 月 日天津工业大学本科毕业设计（论文）评阅表（论文类）题目#$%模&*糊%&PID温度控制系统的设计学生姓名*学生班级指导教师姓名*评审项目指标满分评分选题能体现本专业培养目标，使学生得到较全面训练。题目大小、难度适中，学生工作量饱满，经努力能完成。10题目与生产、科研等实际问题结合紧密。1
6、0课题调研、文献检索能独立查阅文献以及从事其他形式的调研，能较好地理解课题任务并提出实施方案；有分析整理各类信息，从中获取新知识的能力。15论文撰写结构严谨，理论、观点、概念表达准确、清晰。10文字通顺，用语正确，基本无错别字和病句，图表清楚，书写格式符合规范。10外文应用能正确引用外文文献，翻译准确，文字流畅。5论文水平论文论点正确，论点与论据协调一致，论据充分支持论点，论证过程有说服力。15有必要的数据、资料支持，数据、资料翔实可靠，得出的结论有可验性。15论文有独到见解或有一定实用价值。10合计100意见及建议：评阅人签名： 年 月 日摘 要从上世纪80年代至90年代中期，PLC得到了快
7、速的发展，在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。本文介绍了以锅炉为被控对象，以锅炉出口水温为主被控参数，以炉膛内水温为副被控参数，以加热炉电阻丝电压为控制参数，以PLC为控制器，构成锅炉温度串级控制系统；采用PID算法，运用PLC梯形图编程语言进行编程，实现锅炉温度的自动控制。 电热锅炉的应用领域相当广泛，在
8、相当多的领域里，电热锅炉的性能优劣决定了产品的质量好坏。目前电热锅炉的控制系统大都采用以微处理器为核心的计算机控制技术，既提高设备的自动化程度又提高设备的控制精度。 本文分别就电热锅炉的控制系统工作原理，温度变送器的选型、PLC配置、组态软件程序设计等几方面进行阐述。通过改造电热锅炉的控制系统具有响应快、稳定性好、可靠性高,控制精度好等特点，对工业控制有现实意义。摘 要从上世纪80年代至90年代中期，PLC得到了快速的发展，在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。
9、PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。本文介绍了以锅炉为被控对象，以锅炉出口水温为主被控参数，以炉膛内水温为副被控参数，以加热炉电阻丝电压为控制参数，以PLC为控制器，构成锅炉温度串级控制系统；采用PID算法，运用PLC梯形图编程语言进行编程，实现锅炉温度的自动控制。 电热锅炉的应用领域相当广泛，在相当多的领域里，电热锅炉的性能优劣决定了产品的质量好坏。目前电热锅炉的控制系统大都采用以微处理器为核心的计算机控制技术，既提高设备的自动化程度又提高设备的控制精度。 本文分别就电热锅
10、炉的控制系统工作原理，温度变送器的选型、PLC配置、组态软件程序设计等几方面进行阐述。通过改造电热锅炉的控制系统具有响应快、稳定性好、可靠性高,控制精度好等特点，对工业控制有现实意义。天津工业大学毕业设计（论文）成绩考核表学生姓名*学院名称专业班级题目#$%模&*糊%&PID温度控制系统的设计1毕业设计（论文）指导教师评语及成绩：成绩： 指导教师签字： 年 月 日2毕业设计（论文）答辩委员会评语及成绩：成绩：答辩主席（或组长）签字： 年 月 日3毕业设计（论文）总成绩：a.指导教师给定成绩b.评阅教师给定成绩c.毕业答辩成绩总成绩(a0.5+b0.2+c0.3)摘要#$%模&*糊%&PID的温
11、度控制系统具有真正的智能化和灵活性，越来越多的温度控制系统都基于#$%模&*糊%&PID算法而设计。随着控制对象变得复杂，应用常规PID温度控制精度和鲁棒性降低。当控制对象很复杂的情况下，常规PID温度控制器已经不再适用了，为了提高对复杂系统的控制性能，要使用#$%模&*糊%&PID温度控制器。一种将PID控制与#$%模&*糊%&控制的简便性、灵活性、以及鲁棒性融为一体，构造了一个#$%模&*糊%&PID温度控制器。本文设计了一种基于#$%模&*糊%&PID的温度控制系统，以AT89C51单片机为核心，主要做了如下几方面的工作：首先介绍了#$%模&*糊%&PID控制理论基础，其次进行系统的硬件
12、设计以及硬件选择，最后进行系统的软件设计以及仿真。关键词：#$%模&*糊%&PID；AT89C51单片机；温度控制；仿真AbstractFuzzy PID temperature control system with real intelligence and flexibility, more and more temperature control systems are designed based on fuzzy PID algorithm.With the control object becomes complicated, using conventional PID tem
13、perature control accuracy and robustness of the lower.When the control object is a complex situation, conventional PID temperature controller is no longer applied, in order to improve the control performance of complex systems, to use the fuzzy PID temperature controller.A way to PID control and fuz
14、zy control of simplicity, flexibility, and robustness of the integration, we constructed a fuzzy PID temperature controller.This design presents a fuzzy-based PID temperature control system to AT89C51 SCM,made the following main areas of work:first introduce the theory of fuzzy PID control,second fo
15、r the hardware design and hardware design,and finally to the system software design and simulation.Keywords: Fuzzy PID; AT89C51 SCM; temperature control; simulation目 录第一章 绪论11.1选题背景及其意义11.2概述11.3温度测控技术的发展与现状11.3.1定值开关控温法21.3.2PID线性控温法21.3.3智能温度控制法2第二章 #$%模&*糊%&PID控制理论42.1PID控制器42.1.1PID控制的发展42.1.2PI
16、D控制理论42.1.3PID控制算法52.2#$%模&*糊%&控制原理72.2.1#$%模&*糊%&控制系统的基本概念72.2.2#$%模&*糊%&控制系统的组成72.2.3#$%模&*糊%&控制的基本原理82.3#$%模&*糊%&PID复合控制算法92.3.1#$%模&*糊%&PID复合算法92.3.2#$%模&*糊%&PID算法运用10第三章 #$%模&*糊%&PID温度控制系统硬件设计133.1系统硬件电路构成133.2系统设计原则及系统总电路图133.2.1系统设计原则133.2.2系统总电路图143.3 单片机的选择143.4温度传感器的选择183.4.1DS18B20简介183.4
17、.2DS18B20的性能特点193.4.3DS18B20的管脚排列193.4.4DS18B20的内部结构203.4.5DS18B20的测温原理203.5数码管输出213.6键盘接口电路223.7蜂鸣电路233.8外部存储模块233.9电机驱动模块23第四章 系统软件设计254.1主程序模块254.2温度传感器DS18B20模块254.3LED显示模块274.4键盘控制模块27第五章 系统的仿真295.1仿真工具295.2 MATLAB及其#$%模&*糊%&逻辑工具箱和仿真环境295.2.1MATLAB概况295.2.2#$%模&*糊%&逻辑工具箱295.3#$%模&*糊%&PID的仿真305.
18、3.1控制对象模型305.3.2MATLAB仿真315.4仿真结果与分析33结论35参考文献36附 录37附件一:部分源程序371.DS18B20相关子程序372.LED相关子程序373.按键相关子程序38附件二：英文文献41附件三：系统总电路图49谢 辞49第一章 绪论1.1选题背景及其意义在人类的生活环境中，温度扮演着极其重要的角色。无论你生活在哪里，从事什么工作，无时无刻不在与温度打着交道。自18世纪工业革命以来，工业发展与是否能掌握温度有着密切的联系。在冶金、钢铁、石化、水泥、玻璃、医药等行业，可以说几乎80%的工业部门都不得不考虑着温度的因素。温度不但对于工业如此重要，在农业生产中温
19、度的监测与控制也有着十分重要的意义1。1.2概述 温度是生活及生产中最基本的物理量，它表征的是物体的冷热程度。自然界中任何物理、化学过程都紧密的与温度相联系。在很多生产过程中，温度的测量和控制都直接和安全生产、提高生产效率、保证产品质量、节约能源等重大技术经济指标相联系。因此，温度的测量与控制在国民经济各个领域中均受到了相当程度的重视。今天，我们的生活环境和工作环境有越来越多称之为单片机的小电脑在为我们服务。单片机在工业控制、尖端武器、通信设备、信息处理、家用电器等各测控领域的应用中独占鳌头。时下，家用电器和办公设备的智能化、遥控化、基于单片机的温度测控系统在温室大棚中的设计与实现#$%模&*
20、糊%&控制化己成为世界潮流，而这些高性能无一不是靠单片机来实现的。1.3温度测控技术的发展与现状近年来，温度的检测在理论上发展比较成熟，但在实际测量和控制中，如何保证快速实时地对温度进行采样，确保数据的正确传输，并能对所测温度场进行较精确的控制，仍然是目前需要解决的问题。温度测控技术包括温度测量技术和温度控制技术两个方面。在温度的测量技术中，接触式测温发展较早，这种测量方法的优点是：简单、可靠、低廉、测量精度较高，一般能够测得真实温度；但由于检测元件热惯性的影响，响应时间较长，对热容量小的物体难以实现精确的测量，并且该方法不适宜于对腐蚀性介质测温，不能用于超高温测量，难于测量运动物体的温度。另
21、外的非接触式测温方法是通过对辐射能量的检测来实现温度测量的方法，其优点是：不破坏被测温场，可以测量热容量小的物体，适于测量运动物体的温度，还可以测量区域的温度分布，响应速度较快。但也存在测量误差较大，仪表指示值一般仅代表物体表观温度，测温装置结构复杂，价格昂贵等缺点。因此，在实际的温度测量中，要根据具体的测量对象选择合适的测量方法，在满足测量精度要求的前提下尽量减少投入1。温度控制技术按照控制目标的不同可分为两类：动态温度跟踪与恒值温度控制。动态温度跟踪实现的控制目标是使被控对象的温度值按预先设定好的曲线进行变化。在工业生产中很多场合需要实现这一控制目标，如在发酵过程控制，化工生产中的化学反应
22、温度控制，冶金工厂中燃烧炉中的温度控制等;恒值温度控制的目的是使被控对象的温度恒定在某一给定数值上，且要求其波动幅度(即稳态误差)不能超过某允许值。本文所讨论的基于单片机的温度控制系统就是要实现对温控箱的恒值温度控制要求，故以下仅对恒值温度控制进行讨论。从工业控制器的发展过程来看，温度控制技术大致可分以下几种：1.3.1定值开关控温法所谓定值开关控温法，就是通过硬件电路或软件计算判别当前温度值与设定目标温度值之间的关系，进而对系统加热装置(或冷却装置)进行通断控制。若当前温度值比设定温度值高，则关断加热器，或者开动制冷装置;若当前温度值比设定温度值低，则开启加热器并同时关断制冷器。这种开关控温
23、方法比较简单，在没有计算机参与的情况下，用很简单的模拟电路就能够实现。目前，采用这种控制方法的温度控制器在我国许多工厂的老式工业电炉中仍被使用。由于这种控制方式是当系统温度上升至设定点时关断电源，当系统温度下降至设定点时开通电源，因而无法克服温度变化过程的滞后性，致使被控对象温度波动较大，控制精度低，完全不适用于高精度的温度控制。1.3.2PID线性控温法这种控温方法是基于经典控制理论中的PID调节器控制原理，PID控制是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单、鲁棒性好、可靠性高等优点被广泛应用工业过程控制中，尤其适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统。由于PID调节器模型中考虑了系统的
24、误差、误差变化及误差积累三个因素，因此，其控制性能大大地优越于定值开关控温。其具体控制电路可以采用模拟电路或计算机软件方法来实现PID调节功能。前者称为模拟PID控制器，后者称为数字PID控制器。其中数字PID控制器的参数可以在现场实现在线整定，因此具有较大的灵活性，可以得到较好的控制效果。采用这种方法实现的温度控制器，其控制品质的好坏主要取决于三个PID参数（比例值、积分值、微分值）。只要PID参数选取的正确，对于一个确定的受控系统来说，其控制精度是比较令人满意的。但是，它的不足也恰恰在于此，当对象特性一旦发生改变，三个控制参数也必须相应地跟着改变，否则其控制品质就难以得到保证。1.3.3智
25、能温度控制法为了克服PID线性控温法的弱点，人们相继提出了一系列自动调整PID参数的方法，如PID参数的自学习，自整定等等。并通过将智能控制与PID控制相结合，从而实现温度的智能控制。智能控温法以神经网络和#$%模&*糊%&数学为理论基础，并适当加以专家系统来实现智能化。其中应用较多的有#$%模&*糊%&控制、神经网络控制以及专家系统等。尤其是#$%模&*糊%&控温法在实际工程技术中得到了极为广泛的应用。目前已出现一种高精度#$%模&*糊%&控制器，可以很好的模拟人的操作经验来改善控制性能，从理论上讲，可以完全消除稳态误差。所谓第三代智能温控仪表，就是指基于智能控温技术而研制的具有自适应PID
26、算法的温度控制仪表。目前国内温控仪表的发展，相对国外而言在性能方面还存在一定的差距，它们之间最大的差别主要还是在控制算法方面，具体表现为国内温控仪在全量程范围内温度控制精度比较低，自适应性较差。这种不足的原因是多方面造成的，如针对不同的被控对象，由于控制算法的不足而导致控制精度不稳定。第二章 #$%模&*糊%&PID控制理论2.1PID控制器2.1.1PID控制的发展PID控制策略是最早发展起来的控制策略之一，现金使用的PID控制器产生并发展于1915-1940年期间尽管自1940年以来，许多先进的控制方法不断的推出，但由于PID控制具有结构简单、鲁棒性好、可靠性高、参数易于整定，P、I、D控
27、制规律各自成独立环节，可根据工业过程进行组合，而且其应用时期较长，控制工程师们已经积累大量的PID控制器参数的调节经验。因此，PID控制器在工业控制中仍然得到广泛的应用，许多工业控制器仍然采用PID控制器。PID控制器的发展经历了液动式、气动式、电动式几个阶段，目前正由模拟控制器向着数字化、智能化控制器的方向发展3。2.1.2PID控制理论PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值r(t)与实际输出值y(t)构成控制偏差e(t)： 式（2-1）将偏差e(t)的比例(Proportional)、积分(Integral)和微分(Derivative)通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，因此
28、称为PID控制，PID控制系统原理如图2-1所示：图2-1 PID控制系统原理图其控制规律为 式（2-2）或者写成传递函数形式为 式（2-3）式2-3中：比例系数；：积分时间常数；：微分时间常数。PID控制器各校正环节的作用如下：（1）比例环节即时成比例地反映控制系统的偏差信号e(t)，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差；（2）积分环节主要用于消除静差，提高系统的无差度。；（3）微分环节能够反映偏差信号的变化趋势(变化速率)，并且能在偏差信号值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间5。2.1.3PID控制算法由于计算机控制是一种采样
29、控制系统，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量。因此，式2-3中的积分和微分项不能直接使用，需要进行离散化处理现令T为采样周期，以一系列的采样时刻点KT代表连续时间t，以累加求和近似代替积分以一阶后向差分近似代替微分做如下的近似变换2： 式（2-4） 式（2-5） 式（2-6）其中，T为采样周期，e(k)为系统第k次采样时刻的偏差值，e(k-l)为系统第(k-l)次采样时刻的偏差值，k为采样序号，k=0，1，2，。将上面的式2-4和式2-5代入式2-6则可以得到离散的PID表达式： 式（2-7）如果采样周期了足够小，该算式可以很好的逼近模拟PID算式，因而使被控过程与连续控制过程十分接近。通常
30、把式2-7称为PID的位置式控制算法。若在式2-7中，令： （称为积分系数） (称为微分系数）则 式（2-8）(2-8)式即为离散化的位置式PID控制算法的编程表达式。可以看出，每次输出与过去的所有状态都有关，要想计算u(k)，不仅涉及e(k)和e(k-l)，且须将历次e(j)相加，计算复杂，浪费内存。下面，推导计算较为简单的递推算式。为此，对(2-8)式作如下的变动：考虑到第（k-1）次采样时有： 式（2-9）使（2-8）两边对应减去（2-9）式得整理后得 式（2-10）其中：； 式（2-10）就是PID位置式的递推形式如果令，则： 式（2-11）式中、同式（2-10）中一样。因为在计算机控
31、制中式中、都可以事先求出，所以，实际控制时只须获得 、三个有限的偏差值就可以求出控制增量。由于其控制输出对应执行机构的位置的增量，故(2-11)式通常被称为PID控制的增量式算式3。增量式PID控制算法与位置式控制算法比较，有如下的一些优点：（1）位置式算法每次输出与整个过去状态有关，算式中要用到过去偏差的累加值，容易产生较大的累计误差。而增量式中只须计算增量，控制增量的确定仅与最近几次偏差采样值有关，当存在计算误差或者精度不足时，对控制量的影响较小，且较容易通过加权处理获得比较好的控制效果；（2）由于计算机只输出控制增量，所以误动作影响小，而且必要时可以用逻辑判断的方法去掉，对系统安全运行有
32、利；（3）手动与自动切换时冲击比较小5。2.2#$%模&*糊%&控制原理2.2.1#$%模&*糊%&控制系统的基本概念在人参与的实际控制系统中，人们发现，有些有经验的操作人员，虽然不懂被控对象或者被控过程的数学模型，也不懂自动控制的基本原理，却能凭借经验采取相应的决策，很好的完成控制工作，如图2-2是典型的人机控制系统框图4。图2-2 典型人机控制系统框图操作者根据仪表显示的信息（包括声、光、及数字信息），获得系统的运行状态，然后操作者根据自己以往的经验和积累的知识，做出相应的决策，并对控制对象进行运作，在这个系统中，仪表的信息都是精确量，通过人的感官传入操作者的大脑，然后在脑中形成具有#$%
33、模&*糊%&性的概念，然后操作者根据经验，进行#$%模&*糊%&决策。显然，这种人机控制系统进行的控制是一种#$%模&*糊%&控制，人们为了模拟这种控制过程，设计了一种以#$%模&*糊%&数学为基础的控制系统，#$%模&*糊%&控制系统的工作过程同人机控制系统一样，都是一种#$%模&*糊%&控制，只不过#$%模&*糊%&控制系统中的决策者是#$%模&*糊%&控制器。#$%模&*糊%&控制器将根据输入的信息进行#$%模&*糊%&决策，输出一个#$%模&*糊%&量，然后将它精确化，并作用于被控对象。这样即使一个控制过程出现了问题，其他的规则往往可以补偿，此时的系统可能不是最佳控制，但是仍然会正常工
34、作。2.2.2#$%模&*糊%&控制系统的组成#$%模&*糊%&控制系统如图2-3所示10 图2-3 #$%模&*糊%&控制系统 #$%模&*糊%&控制系统一般可以分为五个部分： （1）#$%模&*糊%&控制器。它是各类#$%模&*糊%&控制系统的核心部分。由于被控对象的不同，以及对系统静态、动态特性的要求和所应用的控制规则各异，可以构成各种类型的控制器，在#$%模&*糊%&控制理论中，则采用基于#$%模&*糊%&控制的知识表示和规则推理的语言型“#$%模&*糊%&控制器”，这也是#$%模&*糊%&控制系统区别于其他控制系统的特点所在。#$%模&*糊%&控制器的主要功能有三个：#$%模&*糊%
35、&量化处理；#$%模&*糊%&推理（决策）；非#$%模&*糊%&化处理（精确化处理）。（2）输入-输出接口。#$%模&*糊%&控制器通过输入-输出接口从被控对象获取数字信号量，并将#$%模&*糊%&控制器决策的输出数字信号经过数模转换，转变为模拟信号，然后送给被控对象。在I/O接口装置中，除了A/D、D/A转换外，还包括必要的电平转换。（3）执行结构。包括各种交、直流电动机、伺服电动机、步进电动机等。（4）被控对象。它可以是一种设备或装置以及它们的群体，也可以是一个生产的、自然的、社会的、生物的或其他的各种的对象过程。这些被控对象可以是确定性的或是不确定的、单变量的或多变量的、有滞后或是无滞后
36、的，也可以是线性或非线性的、定常或时变的以及具有强耦合的和干扰的等多种情况。对于那些难以监理精确数学模型的复杂对象，更适宜采用#$%模&*糊%&控制。（5）检测装置。即传感器，传感器是将被控对象或各种过程的被控量转化为电信号（模拟或数字）的一类装置。被控量往往是非电量，如速度、加速度、温度、压力等。传感器在#$%模&*糊%&控制系统中占有十分重要的地位，它的精度往往直接影响整个#$%模&*糊%&控制系统的精度，因此，在选择传感器时，应十分注意选择精度高且稳定性好的传感器。2.2.3#$%模&*糊%&控制的基本原理#$%模&*糊%&控制的基本原理如图2-4所示，它的核心部分为#$%模&*糊%&控
37、制器，即图中线框内部9。 图2-4 #$%模&*糊%&控制原理框图 #$%模&*糊%&控制器的控制规律由计算机的程序实现，#$%模&*糊%&控制的基本思想是：微机经中断采样获取被控制量的精确值，然后将此量与给定值比较得到偏差信号e。一般选偏差信号e作为#$%模&*糊%&控制器的一个输入量，把偏差信号e的精确量进行#$%模&*糊%&化变成#$%模&*糊%&量，偏差e的#$%模&*糊%&量可以用相应的#$%模&*糊%&语言表示，得到偏差e的#$%模&*糊%&语言集合的一个子集。再由#$%模&*糊%&子集、#$%模&*糊%&控制规则（#$%模&*糊%&关系）和前项推理进行#$%模&*糊%&推理，得到
38、#$%模&*糊%&控制量为：u=E*R，式中u为一个#$%模&*糊%&量。为了对被控对象施加精确的控制，还需要将#$%模&*糊%&量u转换为精确量，这一步骤称为解#$%模&*糊%&（也称清晰化）。得到了精确的数字控制量后，经数模转换变为精确的模拟量送给执行机构，对被控对象进行一步控制。然后中断，等待第二次采样，进行第二步控制，这样循环下去，就实现了都被控对象的#$%模&*糊%&控制。综上所述，#$%模&*糊%&控制过程可概括为以下四个步骤：（1）根据本次采样得到的系统的输出值，计算所选择系统的输入变量；（2）将输入变量的精确值变为#$%模&*糊%&量；（3）根据输入变量（#$%模&*糊%&量）
39、及#$%模&*糊%&控制规则，按照#$%模&*糊%&推理合成规则推理计算输出控制量（#$%模&*糊%&量）；（4）由上述得到的控制量（#$%模&*糊%&量），并作用于执行机构。2.3#$%模&*糊%&PID复合控制算法2.3.1#$%模&*糊%&PID复合算法由于PID算法只有在系统为非时变的情况下才能获得较理想的效果，当一个调整好参数的PID控制器被应用到模型参数时变系统，系统控制性能会变差，甚至不稳定。而Fuzzy控制虽然对被控对象的时滞性、非线性和时变性具有一定的适应能力，同时对噪声也具有较强的抑制能力，但消除系统稳态误差的能力较弱，难以达到较高的控制精度。因此单纯采用#$%模&*糊%&
40、控制都不会取得较好的控制效果。本文采用Fuzzy-PID复合控制温度可以克服上述两种方法的缺点。Fuzzy-PID控制是在一般PID控制系统的基础上，加上一个环节，利用#$%模&*糊%&控制规则对PID参数进行修改的一种自适应控制系统误差E和误差变化Ec作为输入，可以满足不同时刻的E和Ec对参数要求。Fuzzy-PID控制器是在常规PID的基础上，应用Fuzzy集合理论建立参数、与误差变化间的二元连续函数关系为：，并根据不同的E和Ec在线自整定参数、的控制器。PID参数自整定在运行中通过不断检测E和Ec，根据不同的E、Ec在线自整、参数，以满足不同时对控制参数的不同要求，使被控对E和时对控制参
41、数的不同要求，使被控对象具有良好的动、静态性能。PID参数#$%模&*糊%&自整定控制原理如图所示。 图2-5 PID#$%模&*糊%&自整定控制原理图 2.3.2#$%模&*糊%&PID算法运用（1）#$%模&*糊%&化处理将系统误差和误差变化率变化范围定义为#$%模&*糊%&集上的论域：E，Ec-5,5，其#$%模&*糊%&子集为：E，Ec-NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB。子集中元素分别代表负大、负中、负小、零、正小、正中、正大。设E，Ec隶属函数取“三角形”隶属函数，如图2-6所示。 图2-6 E、Ec隶属函数、的论域为0,1，均服从正态分布，隶属函数如图2-7 所示。 图2-
42、7 、隶属函数（2）建立#$%模&*糊%&规则Fuzzy-PID是在PID算法的基础上，通过计算当前系统误差E和误差变化率EC，利用#$%模&*糊%&规则进行#$%模&*糊%&推理，查询#$%模&*糊%&矩阵表进行参数调整。建立、的#$%模&*糊%&控制规则表分别如表2-1、2-2和2-3所示。 表2-1 的#$%模&*糊%&规则表 （3）去#$%模&*糊%&化经过#$%模&*糊%&推理后，#$%模&*糊%&PID控制器整定的3个修正参数进行去#$%模&*糊%&化处理，取得精确量以计算输出控制量。去#$%模&*糊%&化的过程是把推理系统输出的#$%模&*糊%&集合映射成精确量输出，采用面积中#$%模&*糊%&中心法解#$%模&*糊%&。 ； ； 。 表2-2 的#$%模&*糊%&规则表 表2-3 的#$%模&*糊%&规则表