基于模糊控制算法的溫度控制系統(tǒng)的畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　第1章 緒 論</b></p><p>　　溫度控制，在工業(yè)自動(dòng)化控制中占有非常重要的地位。將模糊控制方法運(yùn)用到溫度控制系統(tǒng)中，可以克服溫度控制系統(tǒng)中存在的嚴(yán)重滯后現(xiàn)象，同時(shí)在提高采樣頻率的基礎(chǔ)上可以很大程度的提高控制效果和控制精度。</p><p><b>　　1.1 課題背景</b></p>&l

2、t;p>　　1965年,美國(guó)著名控制論學(xué)者L.A.Zadeh發(fā)表了開(kāi)創(chuàng)性論文,《FUZZY SETS》首次提出了一種完全不同于傳統(tǒng)數(shù)學(xué)與控制理論的模糊集合理論。在短短的30年里,以模糊集理論為基礎(chǔ)發(fā)展而來(lái)的模糊控制策略已經(jīng)成功為將人的控制經(jīng)驗(yàn)納入自動(dòng)控制策略之中。在現(xiàn)今的模糊控制領(lǐng)域中，經(jīng)典模糊控制理論已經(jīng)在很多方面取得了一大批有實(shí)際意義的成果（如90年代日本家電模糊控制產(chǎn)品和工業(yè)模糊控制系統(tǒng)）。此外經(jīng)典模糊控制也得到了相應(yīng)的改善

3、，如模糊集成系統(tǒng)、模糊自適應(yīng)系統(tǒng)、神經(jīng)模糊控制等。</p><p>　　現(xiàn)代自動(dòng)控制越來(lái)越朝著智能化發(fā)展，在很多自動(dòng)控制系統(tǒng)中都用到了工控機(jī)，小型機(jī)、甚至是巨型機(jī)處理機(jī)等，當(dāng)然這些處理機(jī)有一個(gè)很大的特點(diǎn)，那就是很高的運(yùn)行速度，很大的內(nèi)存，大量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。但隨之而來(lái)的是巨額的成本。在很多的小型系統(tǒng)中，處理機(jī)的成本占系統(tǒng)成本的比例高達(dá)20%，而對(duì)于這些小型的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，配置一個(gè)如此高速的處理機(jī)沒(méi)有任何必要，因?yàn)檫@些小

4、系統(tǒng)追求經(jīng)濟(jì)效益，而不是最在乎系統(tǒng)的快速性，所以用成本低廉的單片機(jī)控制小型的，而又不是很復(fù)雜，不需要大量復(fù)雜運(yùn)算的系統(tǒng)中是非常適合的。</p><p>　　溫度控制，在工業(yè)自動(dòng)化控制中占有非常重要的地位，如在鋼鐵冶煉過(guò)程中要對(duì)出爐的鋼鐵進(jìn)行熱處理，才能達(dá)到性能指標(biāo)，塑料的定型過(guò)程中也要保持一定的溫度［2］。隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，各個(gè)領(lǐng)域?qū)ψ詣?dòng)控制系統(tǒng)控制精度、響應(yīng)速度、系統(tǒng)穩(wěn)定性與自適應(yīng)能力的要求越來(lái)越高，被控

5、對(duì)象或過(guò)程的非線性、時(shí)變性、多參數(shù)點(diǎn)的強(qiáng)烈耦合、較大的隨機(jī)擾動(dòng)、各種不確定性以及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試手段不完善等，使難以按數(shù)學(xué)方法建立被控對(duì)象的精確模型的情況[3]。對(duì)于這些系統(tǒng)來(lái)說(shuō)采用傳統(tǒng)的方法包括基于現(xiàn)代控制理論的方法往往不如一個(gè)有實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的操作人員的手動(dòng)控制效果好，而模糊控制理論正是以人的經(jīng)驗(yàn)為重要組成部分。這就使模糊控制在一般情況下比傳統(tǒng)控制方法更有效、更安全。</p><p>　　將模糊控制方法運(yùn)用到溫度控制系統(tǒng)中

6、，可以克服溫度控制系統(tǒng)中存在的嚴(yán)重的滯后現(xiàn)象，同時(shí)在提高采樣頻率的基礎(chǔ)上可以很大程度的提高控制效果和控制精度。</p><p>　　模糊控制是基于模糊數(shù)學(xué)上發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新的控制科學(xué)[3]。其運(yùn)算過(guò)程中有很多都要用到矩陣運(yùn)算，但控制其級(jí)別很少的時(shí)候可以進(jìn)行離線計(jì)算，很方便的完成矩陣運(yùn)算。這樣一來(lái)模糊控制就已經(jīng)簡(jiǎn)化了，甚至比一般的PID運(yùn)算還更簡(jiǎn)單。運(yùn)用一般的處理機(jī)，如單片機(jī)就能完成。</p><

7、;p><b>　　1.2 設(shè)計(jì)指標(biāo)</b></p><p>　　設(shè)計(jì)一個(gè)基于模糊控制算法的溫度控制系統(tǒng)具體化技術(shù)指標(biāo)如下。</p><p>　　1. 被控對(duì)象可以是電爐或燃燒爐，溫度控制在0~100℃，誤差為±0.5℃；</p><p><b>　　2. 恒溫控制；</b></p><p

8、>　　3. LED實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)溫度，用鍵盤(pán)輸入溫度;</p><p>　　4. 采用模糊算法，要求誤差小，平穩(wěn)性好。</p><p><b>　　1.3 本文的工作</b></p><p>　　詳細(xì)分析課題任務(wù)，對(duì)模糊控制和溫度控制的歷史和現(xiàn)狀進(jìn)行分析，并對(duì)模糊控制和溫度控制的原理進(jìn)行了深入的研究，并將其綜合。然后根據(jù)課題任務(wù)的要求設(shè)計(jì)出

9、實(shí)現(xiàn)控制任務(wù)的硬件原理圖和軟件，并進(jìn)行訪真調(diào)試。</p><p>　　第2章 模糊控制算法及其應(yīng)用</p><p>　　隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，各個(gè)領(lǐng)域?qū)ψ詣?dòng)控制系統(tǒng)控制精度、響應(yīng)速度、系統(tǒng)穩(wěn)定性與自適應(yīng)能力的要求越來(lái)越高，被控對(duì)象或過(guò)程的非線性、時(shí)變性、多參數(shù)點(diǎn)的強(qiáng)烈耦合、較大的隨機(jī)撓動(dòng)、各種不確定性以及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試手段不完善等，使難以按數(shù)學(xué)方法建立被控對(duì)象的精確模型的情況。對(duì)于這些系統(tǒng)來(lái)

10、說(shuō)采用傳統(tǒng)的方法包括基于現(xiàn)代控制理論的方法往往不如一個(gè)有實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的操作人員的手動(dòng)制作效果好，而模糊控制理論正是以人的經(jīng)驗(yàn)為重要組成部分。這就使模糊控制在一般情況下比傳統(tǒng)控制方法更有效、更安全。</p><p>　　２.1用模糊控制的發(fā)展</p><p>　　模糊集合和模糊控制的概念是由美國(guó)加利福尼亞大學(xué)著名教授L.A.Zadeh于1965年在其Fuzzy,Fuzzy Algorithm等著

11、名論著中首先提出的。模糊集合的引入可將人的判斷、思維過(guò)程用比較簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)形式直接表達(dá)出來(lái)，從而使對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)做出符合實(shí)際的、符合人類(lèi)思維方式的處理成為可能，為經(jīng)典模糊控制器的形成奠定了基礎(chǔ)［３］。</p><p>　　為了加快模糊控制理論的研究，1972年在日本東京大學(xué)建立了“模糊系統(tǒng)研究會(huì)”，以后，各大學(xué)相繼招開(kāi)模糊控制的國(guó)際學(xué)術(shù)交流會(huì)，大大促進(jìn)了模糊控制的發(fā)展。盡管模糊集理論的提出至今只有30年，但發(fā)展迅速。至

12、今世界上研究“模糊”的學(xué)者已超過(guò)萬(wàn)人，發(fā)表的重要論文達(dá)5000多篇。</p><p>　　80年代以來(lái)，自動(dòng)控制系統(tǒng)的被控對(duì)象更加復(fù)雜化，它不僅表現(xiàn)在多輸入，多輸出的強(qiáng)耦合性、參數(shù)時(shí)變性和嚴(yán)懲的非線性，更突出的是從系統(tǒng)對(duì)象所能獲得的數(shù)據(jù)量相對(duì)的減少，以及對(duì)控制性能要求的日益增高。因此要想精確地描述復(fù)雜對(duì)象與系統(tǒng)的任何物理現(xiàn)象和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，實(shí)際已不可能。關(guān)鍵是如何在精確和簡(jiǎn)明之間取得平衡，而使問(wèn)題的描述具有實(shí)際意義。

13、這樣模糊控制理論的優(yōu)點(diǎn)在現(xiàn)代控制理論中起著越來(lái)越重要的地位和意義。從已實(shí)現(xiàn)的控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，它具有易于掌握、輸出量連續(xù)、可靠性高、能發(fā)揮熟練專家操作的良好自動(dòng)化效果等優(yōu)點(diǎn)。</p><p>　　最近幾年，對(duì)于經(jīng)典模糊控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能的改善、模糊集成控制、模糊自適應(yīng)控制、專家模糊控制與多變量模糊控制的研究，特別是針對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的自學(xué)習(xí)與參數(shù)自調(diào)整模糊系統(tǒng)方面的研究受到各國(guó)學(xué)者的重視。目前，將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊控制技術(shù)相互結(jié)

14、合，取長(zhǎng)補(bǔ)短，形成一種模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，利用人腦的智能信息處理系統(tǒng)，其發(fā)展前景十分誘人。</p><p>　　我國(guó)對(duì)模糊控制的理論與應(yīng)用研究起步較晚，但發(fā)展較快，諸如在模糊控制、模糊辨識(shí)、模糊聚類(lèi)分析、模糊圖像處理、模糊信息論、模糊模式識(shí)別等領(lǐng)域取得了不少有實(shí)際影響的結(jié)果。</p><p>　　2.2 模糊控制的基本原理</p><p>　　2.2.1 模糊控制的數(shù)

15、學(xué)基礎(chǔ)</p><p><b>　　1. 模糊集合</b></p><p>　　人們常用一些模糊概念思考問(wèn)題，比如說(shuō)“這棟樓房高”、“氣候炎熱”等，這里“高”和“炎熱”沒(méi)有明確的內(nèi)涵和外延，但具有量的含義。將這類(lèi)具有不確定量值的概念范圍，或者在不同程度上具有某種特有屬性的所有元素的總和稱為模糊集合。</p><p>　　在普通集合中，可用特征函

16、數(shù)來(lái)描述集合，而對(duì)于模糊性的事物，用特征函數(shù)來(lái)表示其屬性是不恰當(dāng)?shù)?。因?yàn)槟：挛锔緹o(wú)法斷然確定其屬性，可以把特征函數(shù)取值0、1的情況改為取值。這樣，特征函數(shù)就可以取0~1無(wú)窮多個(gè)值，即特征函數(shù)可以演變成可以無(wú)窮取值的邊疆邏輯函數(shù)。從而得到了描述模糊集合的特征函數(shù)-隸屬函數(shù)，它是模糊數(shù)學(xué)中最重要和最基本的概念，其定義為：</p><p>　　用于描述模糊集合，并在閉區(qū)間連續(xù)取值的特征函數(shù)叫隸屬函數(shù)，隸屬函數(shù)用，其

17、中A表示模糊集合，而x是A的元素，隸屬函數(shù)滿足：</p><p>　　0 (2.1)</p><p>　　有了隸屬函數(shù)以后人們就可以把元素對(duì)模糊集合的歸屬程度恰當(dāng)?shù)乇硎境鰜?lái)。</p><p>　　這樣一個(gè)模糊的概念只要指定論域U中各個(gè)元素對(duì)它的符合程度，這樣模糊概念也就得到一種集合表示了

18、。把元素對(duì)概念的符合程度看作元素對(duì)集合的隸屬程度，那么指定各個(gè)元素的隸屬度也就指定了一個(gè)集合。因此模糊集合完全由其隸屬函數(shù)所刻畫(huà)。</p><p>　　2. 模糊集合的表示方法</p><p>　　模糊集合沒(méi)有明確的邊界，一般用隸屬函數(shù)描述。設(shè)給定論域U，µA為U到閉區(qū)間的任一映射，</p><p><b>　　(2.2)</b>&l

19、t;/p><p>　　都可以確定U的一個(gè)模糊集合A，稱為模糊集合A的隸屬函數(shù)。（x）稱為元素x對(duì)A的隸屬度，即x隸屬于A的程度。</p><p>　　模糊集合可用下面方法表示：</p><p><b>　　(1) 限論域</b></p><p>　　若論域U，且論域U={x1,x2,…,xn}，則U上的模糊集合A可表示為

20、 (2.3)</p><p>　　注意，與普通集合一樣，上式不是分式求和，分式是一種表示法的符合，其分母表示論域U 中的元素，分子表示相應(yīng)的隸屬度，隸屬度為0的那一項(xiàng)可以省略。</p><p><b>　　(2) 無(wú)限論域</b></p><p>　　在論域是無(wú)限的情況下，上面的記法是不完全的，為此需將

21、表示方法從有限論域推廣到一般情況。</p><p>　　取一連續(xù)的實(shí)數(shù)區(qū)間，這時(shí)U的模糊集合A可以用實(shí)函數(shù)來(lái)表示。不論論域是否有限都可能表示為</p><p><b>　　(2.4)</b></p><p>　　式中積分號(hào)不是高等數(shù)學(xué)中的積分意義，也不是求和號(hào)，而是表示各個(gè)元素與隸屬度對(duì)的一個(gè)總括形勢(shì)。</p><p>

22、　　當(dāng)然，給出隸屬函數(shù)的一個(gè)解析式子也能表示出一個(gè)模糊集。</p><p>　　3. 模糊集合的運(yùn)算</p><p>　　模糊集合與它的隸屬函數(shù)一一對(duì)應(yīng)，因此模糊集的運(yùn)算也通過(guò)隸屬函數(shù)的運(yùn)算來(lái)刻畫(huà)。</p><p><b>　　(1) 空集 </b></p><p>　　模糊集合的空集是指對(duì)所有元素X，它的隸屬函數(shù)為0

23、，記作Φ。 </p><p><b>　　(2) 等級(jí) </b></p><p>　　模糊集合A，B若對(duì)所有元素X，它們的隸屬函數(shù)相等，即A，B也相等。</p><p><b>　　(3) 子集 </b></p><p>　　在模糊集A，B中，所謂A是B的A包含于B中，是指對(duì)所有元

24、素x，有</p><p><b>　　(2.5)</b></p><p><b>　　(4) 并集</b></p><p>　　模糊集合A和B的并集C，其隸屬函數(shù)可表示為</p><p><b>　　(2.6)</b></p><p><b>

25、　　(5) 交集 </b></p><p>　　模糊集合A和B的交集C，其隸屬函數(shù)可表示為</p><p><b>　　(2.7)</b></p><p><b>　　(6) 補(bǔ)集 </b></p><p>　　模糊集A的補(bǔ)集B、A互為補(bǔ)集，其隸屬函數(shù)可表示為</p>

26、<p><b>　　(2.8)</b></p><p>　　與普通集合一樣，模糊集滿足冪等律、交換律、吸收律、分配律、結(jié)合律、摩根定理等。但其不同于普通集合，互補(bǔ)律不成立，即</p><p><b>　　(2.9)</b></p><p>　　隸屬函數(shù)的確定，應(yīng)該是反映出客觀模糊現(xiàn)象的具體特點(diǎn)，要符合客觀規(guī)律，

27、而不是主觀臆想。對(duì)于同一個(gè)模糊要領(lǐng)總存在不同的人會(huì)使用不同的確定方法，建立完全不同的隸屬函數(shù)，不過(guò)所得的處理模糊信息問(wèn)題的本質(zhì)結(jié)果應(yīng)該是相同的。</p><p>　　模糊統(tǒng)計(jì)與隨機(jī)統(tǒng)計(jì)完全不同，模糊統(tǒng)計(jì)是對(duì)模糊性事物的可能性程度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果稱為隸屬度。</p><p>　　對(duì)于模糊統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)，在論域中給出一個(gè)x，再考慮n個(gè)有模糊集合A的普通集合，以及元素x對(duì)A的歸屬次數(shù)。x對(duì)A的歸屬次

28、數(shù)和n 的比值就是統(tǒng)計(jì)出的元素x對(duì)A 的隸屬函數(shù)：</p><p><b>　　(2.10)</b></p><p>　　當(dāng)n足夠大時(shí)，隸屬函數(shù),是一個(gè)穩(wěn)定值，但對(duì)于現(xiàn)實(shí)的實(shí)驗(yàn)中,由于各類(lèi)條件限制，n不能過(guò)于太大，所以，采用一些有經(jīng)驗(yàn)的專家和工人的技術(shù)數(shù)據(jù)來(lái)代替之，所以此法又可稱為專家法。</p><p>　　采用模糊統(tǒng)計(jì)進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)，就能得出

29、模糊集中各元素的隸屬度，以隸屬度和元素組成一個(gè)單點(diǎn)，就可以把模糊集合A表示出來(lái)。</p><p><b>　　4. 模糊關(guān)系</b></p><p><b>　　(1) 關(guān)系 </b></p><p>　　客觀世界的各事物之間普遍存在著聯(lián)系，描寫(xiě)事物之間聯(lián)系的數(shù)學(xué)模型之一就是關(guān)系，常用符號(hào)R表示。</p>

30、<p>　　a. 關(guān)系的概念 </p><p>　　若R為由集合X到集合Y的普遍關(guān)系，則對(duì)于任意x∈X,y∈Y都有以下兩種情況：</p><p>　　x與y有某種關(guān)系，即xRy;</p><p>　　x與y無(wú)某種關(guān)系，即xy;</p><p><b>　　b. 直積集 </b></p>

31、<p>　　由X到Y(jié)中各取一元素排成序?qū)?，所有這樣序?qū)Φ娜w組成的集合叫做X和Y的直積集（笛卡爾集）記為</p><p><b>　　(2.11)</b></p><p>　　顯然，R集是X和Y直積集中的一個(gè)子集，即</p><p><b>　　(2.12)</b></p><p><

32、;b>　　(2) 模糊關(guān)系</b></p><p>　　兩組事物之間的關(guān)系不宜用“有”或“無(wú)”作肯定或否定的回答時(shí)，可以用模糊關(guān)系來(lái)描述。</p><p>　　設(shè)為集合X到Y(jié)的直積集,R是的一個(gè)模糊子集,它的隸屬函數(shù)為,這樣就確定了X與Y的模糊關(guān)系R,由隸屬函數(shù)刻畫(huà),函數(shù)代表序偶具有關(guān)系R的程度。</p><p>　　一般來(lái)說(shuō)，只要給出直積空間中的

33、模糊集合R的隸屬函數(shù)，集合X到集合Y的模糊關(guān)系R也就確定了。</p><p><b>　　(3) 模糊矩陣</b></p><p>　　當(dāng)是有限集合時(shí)，則的模糊關(guān)系可用下列階矩陣來(lái)表示</p><p><b>　　(2.13)</b></p><p>　　式中元素，該矩陣稱為模糊矩陣，簡(jiǎn)記為：。&l

34、t;/p><p>　　為討論模糊矩陣運(yùn)算方便，設(shè)矩陣階矩陣，即，，此時(shí)模糊矩陣的交、并、補(bǔ)運(yùn)算為</p><p>　　模糊矩陣交 (2.14)</p><p>　　模糊矩陣并 (2.15)</p>&

35、lt;p>　　模糊矩陣交 (2.16)</p><p>　　模糊矩陣的合成運(yùn)算，其中合成運(yùn)算符號(hào)為“·”，它用來(lái)代表模糊矩陣的相乘，與線性代數(shù)中的矩陣乘極為相似，只是將普通矩陣運(yùn)算中對(duì)應(yīng)元素間相乘用小運(yùn)算“”來(lái)代替，而元素間相加用取大“”來(lái)代替，具體定義如下：</p><p>　　設(shè)兩個(gè)模

36、糊矩陣，合成運(yùn)算結(jié)果也是一個(gè)模糊矩陣，則。模糊矩陣R的第i行，第k列元素等于P矩陣的第i行元素與Q矩陣的第k列對(duì)應(yīng)元素兩兩取小，而后再所得到的j個(gè)元素中取大，即</p><p><b>　　(2.17)</b></p><p><b>　　(4) 模糊變換</b></p><p>　　設(shè)是一個(gè)m維模糊向量，而</p&

37、gt;<p><b>　　(2.18)</b></p><p>　　是一個(gè)維模糊向矩陣表示的模糊關(guān)系，則稱</p><p>　　(2.19)為一個(gè)模糊變換，它可以確定一個(gè)唯一的n維模糊向量。</p><p>　　A是輸入量論域V上的模糊向量；</p><p>　　B是輸出控制量論域W上的模糊向量；</

38、p><p>　　R是輸入和輸出論域V和W之間的關(guān)系。</p><p>　　那么，上述就是從輸入到輸出的模糊變換過(guò)程，也就是從輸入量A通過(guò)輸入輸出關(guān)系r，求取輸出量b的過(guò)程，所得的結(jié)果b就是輸出控制模糊量?？梢?jiàn)，以模糊矩陣合成運(yùn)算所執(zhí)行的模糊變換在意義重大。</p><p>　　2.2.1 模糊控制的理論基礎(chǔ)</p><p><b>　　

39、1. 模糊命題</b></p><p>　　模糊命題是清晰命題的推廣，清晰命題的真假相當(dāng)于普通集合中元素的特征函數(shù)，而模糊命題的真值在閉區(qū)間取值，相當(dāng)于隸屬函數(shù)值。</p><p>　　模糊命題的一般形式是</p><p>　　A：e is F(或e是F)</p><p>　　式中e是模糊變量，F(xiàn)是模糊概念所對(duì)應(yīng)的模糊集合。<

40、;/p><p><b>　　2. 模糊邏輯</b></p><p>　　模糊命題的真值在閉區(qū)間上連續(xù)取值，因此稱研究模糊命題的邏輯為連續(xù)性邏輯，由于主要用它來(lái)研究模糊集的隸屬函數(shù)，也稱為模糊邏輯。設(shè)x為模糊命題A的真值，y為模糊命題B的真值，在連續(xù)邏輯中，邏輯運(yùn)算規(guī)則如下：</p><p>　　邏輯并：

41、 (2.20)</p><p>　　邏輯交： (2.21)</p><p>　　邏輯非： (2.22)</p><p>　　限界差： (2.23)<

42、;/p><p>　　限界和： (2.24)</p><p>　　限界積： (2.25)</p><p>　　蘊(yùn)涵： (2.26)</p><p>　　等價(jià)：

43、 (2.27)</p><p><b>　　3. 模糊語(yǔ)言</b></p><p><b>　　(1) 語(yǔ)言變量</b></p><p>　　由一個(gè)五元體（N,T(N),U,M,G）來(lái)表征的變量，五元體中各個(gè)元定義如下：</p><p>　　N是變量名稱，即單詞。</p&g

44、t;<p>　　T(N)是N的語(yǔ)言真值集合。</p><p><b>　　U是N的論域。</b></p><p><b>　　M是詞義規(guī)則。</b></p><p>　　G是記法規(guī)則，它規(guī)定了原子詞，即原始項(xiàng)構(gòu)成全部項(xiàng)之后的詞義變化。</p><p><b>　　(2) 語(yǔ)言

45、算子</b></p><p>　　語(yǔ)言算子是指如”比較”,”大致”、”有點(diǎn)”、”偏向”等前綴詞，根據(jù)這些語(yǔ)言算子的功能不同，經(jīng)常使用的有如下幾類(lèi)。</p><p>　　(3) 語(yǔ)氣算子 表示語(yǔ)氣程度的模糊量詞，它有集中化算子和松散化算子兩類(lèi)。</p><p>　　a. 模糊化算子：把一個(gè)明確的單詞轉(zhuǎn)化為模糊量詞的算子稱為模糊化算子。在模糊控制中，采樣的輸

46、入總是精確量。要實(shí)現(xiàn)模糊控制，首先必須把采樣的精確值進(jìn)行模糊化，而模糊化實(shí)際上就是用模糊化算子來(lái)實(shí)現(xiàn)的，所以引入模糊化算子具有十分重要的實(shí)用價(jià)值。</p><p>　　b.判定化算子：把一個(gè)模糊詞轉(zhuǎn)化為明確題詞的算子稱為判定化算子。</p><p><b>　　(4) 模糊語(yǔ)句</b></p><p>　　將含有模糊概念、按給定的語(yǔ)法規(guī)則所構(gòu)成

47、的語(yǔ)句稱為模糊語(yǔ)句。根據(jù)其語(yǔ)義各構(gòu)成語(yǔ)法規(guī)則不同，可以分為下述幾種類(lèi)型。</p><p><b>　　a. 模糊陳述句 </b></p><p>　　模糊是陳述句是相對(duì)于具有清晰概念的一般陳述句而言，指的是該類(lèi)陳述句中含有模糊概念。</p><p>　　b. 模糊判斷句 模糊判斷句是模糊語(yǔ)言中最基本的語(yǔ)句，又稱為陳述判斷句。</p>

48、<p>　　c. 模糊推理句 模糊推理句如同模糊判斷句一樣，不存在絕對(duì)的真或假，只能說(shuō)它以多大程度為真。</p><p><b>　　(5) 模糊推理</b></p><p>　　在模糊控制中，模糊控制規(guī)則通常是由模糊條件語(yǔ)句來(lái)描述的，它符合人們的思維和推理規(guī)律，是一種較為直接的模糊推理。</p><p>　　常見(jiàn)的模糊條件推理語(yǔ)

49、句有“if A then B else c”、“if A and B then c”等。一般而言實(shí)現(xiàn)模糊運(yùn)算的實(shí)現(xiàn)分以下幾步：</p><p>　　a. 通過(guò)語(yǔ)氣算子和補(bǔ)運(yùn)算，求得模糊集合。</p><p>　　b. 確定模糊條件語(yǔ)句所決定的模糊關(guān)系R.</p><p>　　c. 計(jì)算語(yǔ)氣算子所對(duì)應(yīng)的模糊集合。</p><p>　　d. 根據(jù)

50、輸入量和模糊關(guān)系R求出所對(duì)應(yīng)的輸出量。</p><p>　　2.3 模糊控制理論的改進(jìn)</p><p>　　目前，模糊控制技術(shù)日趨成熟和完善。各種模糊產(chǎn)品充滿了日本、西歐和美國(guó)市場(chǎng)，如模糊洗衣機(jī)、模糊吸塵器和模糊攝相機(jī)等，模糊技術(shù)幾乎變得無(wú)所不能，各國(guó)都爭(zhēng)先開(kāi)發(fā)模糊新技術(shù)和新產(chǎn)品。多年來(lái)一直未能解決的穩(wěn)定性分析問(wèn)題正在逐步解決。模糊芯片也已研制成功且功能不斷加強(qiáng)，成本不斷下降。直接采用模糊

51、芯片開(kāi)發(fā)產(chǎn)品已成為趨勢(shì)。模糊開(kāi)發(fā)軟件包也充滿市場(chǎng)。模糊控制技術(shù)除了在硬件、軟件上繼續(xù)發(fā)展外，將在自適應(yīng)模糊控制、混合模糊控制以及神經(jīng)模糊控制上取得較大的發(fā)展。隨著其它學(xué)科理論、新技術(shù)的建立和發(fā)展，使模糊理論的應(yīng)用將越來(lái)越廣泛。模糊理論結(jié)合人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Neural Network)和遺傳基因(Genetic Mechanism)形成交叉學(xué)科神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊技術(shù)(Neuron Fuzzy Technique)和遺傳基因模糊技術(shù)(Genetic

52、 Fuzzy Technique)，用于解決單一技術(shù)不能解決的問(wèn)題。</p><p>　　2.3.1模糊控制與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的融合</p><p>　　近年來(lái)，模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)都在各自的學(xué)科里取得了引人注目的進(jìn)展，而且在這兩個(gè)學(xué)科的邊緣開(kāi)辟了眾多研究新領(lǐng)域。兩者的相互滲透和有機(jī)結(jié)合必將引起電子產(chǎn)業(yè)和信息科學(xué)的新革命。</p><p>　　神經(jīng)模糊控制(Neuron-Fu

53、zzy Control)是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與模糊邏輯控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模糊控制方法。模糊系統(tǒng)是建立在“IF-THEN”表達(dá)式之上，這種方式容易讓人理解，但是自動(dòng)生成、高速隸屬函數(shù)和模糊規(guī)則上卻很困難。而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)環(huán)境的變化具有較強(qiáng)的自適應(yīng)能力，所以可結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)能力來(lái)訓(xùn)練模糊規(guī)則。提高整個(gè)系統(tǒng)的學(xué)習(xí)能力和表達(dá)能力，這是日前最受注目的一個(gè)課題。</p><p>　　2.3.2模糊控制與遺傳算法

54、的融合</p><p>　　由于模糊邏輯控制所要確定的參數(shù)很多，專家的經(jīng)驗(yàn)只能起一個(gè)指導(dǎo)作用，很難根據(jù)它準(zhǔn)確地求出各項(xiàng)參數(shù)，因而實(shí)際上還要反復(fù)試湊，尋找一個(gè)最優(yōu)過(guò)程。通過(guò)改進(jìn)遺傳算法，按所給優(yōu)化性能指標(biāo)，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行尋優(yōu)學(xué)習(xí)，從而有效地確定模糊邏輯控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)。</p><p>　　2.3.3專家模糊控制</p><p>　　專家模糊控制器EFC(Exper

55、t Fuzzy Controller)由R.M.Tong提出，1984年他發(fā)表了關(guān)于模糊控制系統(tǒng)展望的論文，提出這一新概念。專家模糊控制系統(tǒng)是由專家系統(tǒng)技術(shù)和模糊控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。把專家系統(tǒng)技術(shù)引入模糊控制之中，目的是進(jìn)一步提高模糊控制器的智能水平。專家模糊控制保持了基于規(guī)則的方法和價(jià)值和用模糊集處理帶來(lái)的靈活性，同時(shí)也把專家系統(tǒng)技術(shù)的表達(dá)，利用知識(shí)的長(zhǎng)處結(jié)合進(jìn)來(lái)［3］。專家系統(tǒng)技術(shù)考慮了更多方面的問(wèn)題，例如，是什么組成知識(shí)以及如何

56、組織、如何表達(dá)、如何應(yīng)用知識(shí)等。專家系統(tǒng)方法重視知識(shí)的多層次和分類(lèi)的需要，以及利用這些知識(shí)進(jìn)行推理的計(jì)算機(jī)組織。</p><p>　　2.3.4 模糊系統(tǒng)建模及參數(shù)辨識(shí)</p><p>　　建模與參數(shù)辨識(shí)是實(shí)現(xiàn)控制的重要基礎(chǔ)，因此這一研究工作從199年至今一直是模糊控制領(lǐng)域的熱門(mén)話題。系統(tǒng)模糊模型就是指采用與系統(tǒng)輸入輸出樣本數(shù)據(jù)相關(guān)的、能表示系統(tǒng)狀態(tài)的一組模糊規(guī)則來(lái)描述系統(tǒng)。具有模糊性的表

57、示形式。</p><p>　　模糊控制理論還有一些重要的理論課題還沒(méi)有解決。其中兩個(gè)重要的問(wèn)題是：如何獲得模糊規(guī)則即隸屬函數(shù)問(wèn)題以及如何保證模糊系統(tǒng)的穩(wěn)定性。大本說(shuō)來(lái)，在模糊控制理論和應(yīng)用方面應(yīng)加強(qiáng)的主要課題有：</p><p>　　1. 適合于解決工程上普遍問(wèn)題的穩(wěn)定性分析方法，穩(wěn)定性評(píng)價(jià)理論體系，控制器的魯棒性分析，系統(tǒng)的可控性分析和可觀測(cè)性判定方法等。</p><

58、p>　　2. 模糊控制規(guī)則設(shè)計(jì)方法的研究，包括模糊集合隸屬函數(shù)設(shè)定方法，量化水平，采樣周期的最優(yōu)選擇，規(guī)則的系數(shù)，最小實(shí)現(xiàn)規(guī)則和隸屬函數(shù)自動(dòng)生成等問(wèn)題，以及進(jìn)一步給出模糊控制器的系統(tǒng)化設(shè)計(jì)方法。</p><p>　　3. 模糊控制器參數(shù)最優(yōu)調(diào)整理論的確定以及修正推理規(guī)則的學(xué)習(xí)方式和算法等。</p><p>　　4. 模糊控制算法的改進(jìn)和研究。由于模糊邏輯的范疇很廣，包括大量的概念和原

59、則，然而這些概念和原則能真正的在模糊邏輯系統(tǒng)中得到應(yīng)用的卻為數(shù)不多。這方面的嘗試有待深入。</p><p>　　2.3.4 模糊控制系統(tǒng)的基本原理</p><p>　　模糊控制是以模糊集合論、模糊語(yǔ)言變量和模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的微機(jī)數(shù)字控制，是模擬人的思維，構(gòu)造一種非線形控制，以滿足復(fù)雜的、不確定的過(guò)程控制的需要。它屬于智能控制范圍[2]。</p><p>　　模糊控

60、制系統(tǒng)類(lèi)似于常規(guī)的微機(jī)控制系統(tǒng)，如下圖所示其由四部分構(gòu)成：</p><p>　　(1) 測(cè)量元件傳感器 </p><p>　　它將被控對(duì)象輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào)，測(cè)量元件的精度往往直接影響控制系統(tǒng)的精度，要注意選擇符合工程精度要求又穩(wěn)定可靠的測(cè)量元件。</p><p>　　(2) 輸入輸出接口裝置 </p><p>　　它完成模/數(shù)、

61、數(shù)/模轉(zhuǎn)換，電平轉(zhuǎn)換，信號(hào)采樣與濾波等工作。</p><p>　　(3) 廣義對(duì)象 </p><p>　　它包括被控對(duì)象與執(zhí)行機(jī)構(gòu)，被控對(duì)象為復(fù)雜的工業(yè)過(guò)程，可是線性的或非線性的，也可能存在各種干擾，是模糊的、不確定的、沒(méi)有精確數(shù)學(xué)模糊的過(guò)程。</p><p>　　(4) 模糊控制器 </p><p>　　它是一臺(tái)處理器，用于完成模糊推

62、理的過(guò)程與根據(jù)輸入量和模糊運(yùn)算做出模糊控制工作。</p><p>　　在溫度控制系統(tǒng)中，傳感器用于感受控制對(duì)象的溫度，然后由與溫度變化的線性關(guān)系產(chǎn)生與其大小相適應(yīng)的變化量交給變送器處理。變送器傳感器輸入轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的電壓或者電流信號(hào)，再通過(guò)輸入輸出接口裝置進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，最后輸入到模糊處理器中進(jìn)行模糊控制。</p><p>　　輸入輸出接口裝置包含了各種人機(jī)接口，如用于輸入控制溫度的鍵盤(pán)、用于

63、顯示實(shí)時(shí)溫度的數(shù)碼管、用于報(bào)警的LED，還有將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換器等。很顯然，人機(jī)接口裝置越完備，其能實(shí)現(xiàn)的功能也越強(qiáng)，這樣也越能增加產(chǎn)品的功能和親合力。</p><p>　　控制對(duì)象可以是電爐也可以是油爐，如果是電爐執(zhí)行器將會(huì)是晶閘管，也可以是靜態(tài)或固態(tài)繼電器；如果對(duì)象是油爐，執(zhí)行器可以選擇為調(diào)節(jié)閥，控制輸入到油爐的油量大小。</p><p>　　基于模糊算法的溫度控制系

64、統(tǒng)，可用各類(lèi)處理器，如微機(jī)、單片機(jī)、DSP等作為模糊控制器，其內(nèi)部運(yùn)行模糊算法程序，用于根據(jù)輸入的溫度信號(hào)進(jìn)行處理從而達(dá)到做出模糊控制的目的。</p><p>　　第3章 設(shè)計(jì)思想與方案論證</p><p>　　實(shí)現(xiàn)模糊溫度控制的方法有多種，可以用工控機(jī)作為模糊控制器，用熱電阻測(cè)量溫度；也可以用單片機(jī)作為模糊控制器，用熱電偶進(jìn)行溫度測(cè)量。當(dāng)然每一種方案都有其各自的優(yōu)點(diǎn)。本章詳細(xì)列舉、說(shuō)明

65、了三種不同實(shí)現(xiàn)模糊溫度控制的方案、并分別畫(huà)出了其原理方框圖，對(duì)三種方案的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了對(duì)比，選出了最佳控制方案。</p><p><b>　　3.1 設(shè)計(jì)思想</b></p><p><b>　　1. 方案1</b></p><p>　　(1) 硬件組成：PLC、A/D轉(zhuǎn)換器、熱電阻、調(diào)節(jié)閥、燃油供應(yīng)子系統(tǒng)。</p&g

66、t;<p>　　(2) 工作原理：在系統(tǒng)中，由分立的熱電阻做成測(cè)量工具，對(duì)溫度變量進(jìn)行檢測(cè)，并輸出到A/D轉(zhuǎn)換器。A/D轉(zhuǎn)換器將數(shù)據(jù)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后輸出到PLC。PLC執(zhí)行模糊控制器的作用，根據(jù)給定量與測(cè)量量的偏差進(jìn)行模糊運(yùn)算，得出模糊輸出量［3］，控制調(diào)節(jié)閥。調(diào)節(jié)閥根據(jù)PLC的輸出量自動(dòng)的調(diào)節(jié)進(jìn)入燃燒爐內(nèi)的燃?xì)?，從而起到了調(diào)節(jié)溫度的目的。燃油供應(yīng)子系統(tǒng)起到了供應(yīng)燃油的作用。LED顯示器用于實(shí)時(shí)顯示測(cè)量的溫度。</p

67、><p>　　(3) 系統(tǒng)原理框圖</p><p><b>　　2. 方案2</b></p><p>　　(1) 硬件組成：?jiǎn)纹瑱C(jī)、A/D轉(zhuǎn)換器、LED顯示器、集成的熱電偶溫度變送器、固態(tài)繼電器［5］、大功率發(fā)熱器、LED顯示器。</p><p>　　(2) 工作原理：由集成的熱電偶變送器對(duì)系統(tǒng)溫度進(jìn)行檢測(cè)，并完成信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)化

68、、變送功能。單片機(jī)執(zhí)行模糊控制功能、由固態(tài)繼電器控制大功率發(fā)熱器電源的導(dǎo)通與斷開(kāi)，從而達(dá)到控制溫度的目的。</p><p>　　(3) 系統(tǒng)原理框圖</p><p><b>　　3. 方案3</b></p><p>　　(1) 硬件組成：工控機(jī)、集成的熱電偶溫度變送器、A/D轉(zhuǎn)換器、LCD顯示器、調(diào)節(jié)閥、燃料供應(yīng)子系統(tǒng)。</p>

69、<p>　　(2) 工作原理：在系統(tǒng)中，先由工控機(jī)發(fā)出波形（此波形為理想控制過(guò)程），經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后輸入到工控機(jī)，作為給定量（給定量是變化的）[3]。熱電偶溫度變送器作為測(cè)量工具，對(duì)溫度變量進(jìn)行檢測(cè)，并輸出到A/D轉(zhuǎn)換器。A/D轉(zhuǎn)換后輸出到工控機(jī)。工控機(jī)利用模糊算法，根據(jù)給定量與測(cè)量量的偏差進(jìn)行模糊運(yùn)算，得出模糊輸出量，控制調(diào)節(jié)閥的開(kāi)啟程度，自動(dòng)的調(diào)節(jié)進(jìn)入燃燒爐內(nèi)的燃?xì)?，從而起到了調(diào)節(jié)溫度的目的。燃油供應(yīng)子系統(tǒng)用于供應(yīng)燃油。LE

70、D顯示器用于實(shí)時(shí)的顯示測(cè)量的溫度。</p><p>　　(3) 系統(tǒng)原理框圖</p><p><b>　　3.2 論證分析</b></p><p>　　(1) 每個(gè)方案都采用了不同的處理器，方案1用PLC為模糊控制器，在進(jìn)行A/D、D/A轉(zhuǎn)換和LED顯示時(shí)出現(xiàn)許多難題，如引腳不夠用，數(shù)據(jù)并行輸入輸出困難（可以通過(guò)外部加入模擬輸入模塊來(lái)解決，但價(jià)

71、格昂貴）、及內(nèi)部編程復(fù)雜等諸多不便。而方案2和方案3采用了單片機(jī)及工控機(jī)，能夠很好的解決上述問(wèn)題。</p><p>　　(2) 方案1采用的是分立的熱電阻，還要經(jīng)過(guò)處理制作成測(cè)量工具，在測(cè)量精度及抗干擾性等方面都不能滿足要求。而方案2、3采用的是集成的熱電偶溫度變送器，具有冷端溫度補(bǔ)償、零點(diǎn)調(diào)整、零點(diǎn)遷移、量程調(diào)整以及線性化等功能。只要稍許的調(diào)整變送器即可很好的完成任務(wù)。</p><p>

72、　　(3) 方案1和方案2采用了價(jià)格便宜的LED顯示器，而方案3采用了相對(duì)昂貴的LCD顯示器。雖然LCD顯示器在顯示方面有其優(yōu)越性，可以多行顯示、文本顯示。但本系統(tǒng)中只要求實(shí)時(shí)顯示溫度即可，所以LED顯示器是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。</p><p>　　(4) 方案2采用了模擬的PWM變換的方法，較其它兩種方案可以減少一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器，節(jié)約了成本。</p><p>　　(5) 方案1和3采用燃料作

73、為能量供應(yīng)，而方案2采用電能。方案1與方案3要考慮多方面的影響。如燃油的燃燒效率問(wèn)題（通過(guò)采樣油爐排氣口的氧氣濃度完成），即要檢測(cè)的變量有兩個(gè)，爐內(nèi)溫度和排氣口的氧氣含量。而方案2可以減少裝配燃油子系統(tǒng)所用的成本，只有一個(gè)檢測(cè)量，減小了運(yùn)算難度，還可以省去因?yàn)槿剂系娜紵斐傻拇髿馕廴?，保護(hù)環(huán)境。</p><p>　　綜上所述：方案2是無(wú)論是從經(jīng)濟(jì)方面、科學(xué)性還是從實(shí)現(xiàn)的容易程度、環(huán)境保護(hù)上都優(yōu)于其它兩個(gè)方案，不

74、失為最佳的選擇。</p><p>　　最終方案論述：很顯然，方案2較其它兩種方案相比無(wú)論在經(jīng)濟(jì)上和實(shí)現(xiàn)容易程度上都要好。同時(shí)三種方案都存在著同一個(gè)問(wèn)題，那就是在其內(nèi)部怎么進(jìn)行模糊運(yùn)算。由于模糊運(yùn)算是基于模糊數(shù)學(xué)的一種新型控制方法，其運(yùn)算包括模糊化、模糊推理、解模糊等過(guò)程，而且還有很多的矩陣運(yùn)算，而這些運(yùn)算對(duì)于單片機(jī)、或者PLC以及工控機(jī)來(lái)說(shuō)都要用很復(fù)雜的編程（高級(jí)語(yǔ)言）才能實(shí)現(xiàn)。模糊控制算法發(fā)展到今天，已經(jīng)成功的

75、解決了這個(gè)問(wèn)題。在離線時(shí)將其矩陣運(yùn)算部分做好，留給處理機(jī)要完成的就只需查一個(gè)模糊表了。這種方法能夠很好的完成模糊控制過(guò)程中大量的運(yùn)算的問(wèn)題，減少了編程的難度和處理機(jī)做這些運(yùn)算所花費(fèi)的時(shí)間。</p><p>　　方案2在實(shí)行控制的時(shí)候不像其它方案采用D/A轉(zhuǎn)換后再控制調(diào)節(jié)閥的方法，而是直接外接一個(gè)固態(tài)繼電器，通過(guò)內(nèi)部改變定時(shí)器的中斷時(shí)間來(lái)調(diào)節(jié)一個(gè)周期內(nèi)電子開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通和斷開(kāi)時(shí)間。這樣既節(jié)省了材料也可以很大程度上減少硬

76、件電路的結(jié)構(gòu)。</p><p>　　綜上所述方案2有如下的特點(diǎn)：</p><p>　　(1) 在完成所要求的任務(wù)的基礎(chǔ)之上還有著結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、明了的特點(diǎn)，很容易實(shí)現(xiàn)，而且在一定的程度上節(jié)約成本。</p><p>　　(2) 由于采用了離線的方法進(jìn)行模糊運(yùn)算，很大程度上的減少了編程的麻煩，實(shí)現(xiàn)起來(lái)較容易。</p><p>　　(3) 采用了無(wú)污染能

77、源，保護(hù)環(huán)境。同時(shí)也省去了為建造燃料供應(yīng)子系統(tǒng)的費(fèi)用，節(jié)約了成本。采用了模擬的PWM變換，和固態(tài)繼電器?？梢詫⒉蓸宇l率提高到很多的水平，使控制結(jié)果更準(zhǔn)確，實(shí)時(shí)性、控制效果更好。</p><p><b>　　第4章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)</b></p><p>　　整個(gè)系統(tǒng)由軟件和硬件兩部分組成。本章詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)，并對(duì)硬件和軟件的每一個(gè)部分進(jìn)行了分析，在后半部分

78、還對(duì)系統(tǒng)模型進(jìn)行了訪真與程序調(diào)試。硬件和軟件的每一個(gè)壞節(jié)都是深思熟慮而成，各自完成相應(yīng)的功能并組成一個(gè)統(tǒng)一的整體。</p><p><b>　　4.1 硬件設(shè)計(jì)</b></p><p>　　系統(tǒng)硬件由電源電路，溫度檢測(cè)變送電路、模數(shù)接口轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)系統(tǒng)和人機(jī)接口等部分組成。系統(tǒng)電源為整個(gè)系統(tǒng)提供電能；溫度檢測(cè)變送電路將檢測(cè)到的溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的電壓信號(hào)輸入到模數(shù)

79、接口轉(zhuǎn)換電路；模數(shù)接口轉(zhuǎn)換電路輸出的數(shù)字信號(hào)進(jìn)入單片機(jī)系統(tǒng)；單片機(jī)系統(tǒng)根據(jù)輸入的數(shù)字信號(hào)以模糊控制算法為基礎(chǔ)求出控制值，控制執(zhí)行器的運(yùn)行及溫度的顯示。原理框圖見(jiàn)圖3.2。</p><p>　　4.1.1 電源電路</p><p>　　由于整個(gè)系統(tǒng)都是用單片機(jī)和各類(lèi)芯片及電阻、電容組成的，其工作電壓為＋5V，不需要負(fù)電壓，可采用三端固定正電壓集成穩(wěn)壓器7805系列的芯片［6］。其輸出電壓5V

80、，按輸出電流不同可分為78M05、78L05，輸出電流分別為0.5A和1.0A，轉(zhuǎn)換成功率分別為2.5W和5W。從整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)來(lái)看，其中有幾塊集成芯片和多個(gè)電阻、電容等器件，其功率總和應(yīng)在2W左右，所以考慮整個(gè)系統(tǒng)的功率裕量，采用78M05作為整個(gè)系統(tǒng)的供電芯片。</p><p>　　其主要電路如圖4.1所示：</p><p>　　其中輸入電壓為交流220V，經(jīng)過(guò)變壓器其輸出為9.5V，

81、再進(jìn)行整流。整流可通過(guò)四個(gè)二極管進(jìn)行全波整流，也可以利用集成整流堆來(lái)進(jìn)行（同原理）。后面接電容C1、C2為濾波電容進(jìn)行濾波，注意電解電容應(yīng)該要有一定裕量，否則不能起到很好的濾波效果。本電路中使用的電容大小為470uf,耐壓為25伏。78L05的輸出級(jí)接入兩個(gè)濾波電容，用于減小因?yàn)殡娫床▌?dòng)對(duì)系統(tǒng)造成的影響和濾波。其不需要采用大容量的電解電容器，容量大小為100uf耐壓為25伏，再接入0.1µF的電容器，便可減少因?yàn)殡娫床▌?dòng)的影響

82、和濾去紋波，很好地改善負(fù)載的瞬態(tài)響應(yīng)。然而，隨之產(chǎn)生一個(gè)弊端，即一旦78M05的輸入出現(xiàn)短路時(shí)，輸出端大電容上存儲(chǔ)的電荷，將通過(guò)集成穩(wěn)壓器內(nèi)部放電，可能會(huì)造成內(nèi)部電路的損壞，故在其間跨接一個(gè)二極管，為放電提供放泄通路，對(duì)集成穩(wěn)壓器起到了分流保護(hù)作用［6］。</p><p>　　4.1.2 溫度檢測(cè)與變送環(huán)節(jié)</p><p>　　信號(hào)的檢測(cè)變送包含兩個(gè)方面，一是檢測(cè)環(huán)節(jié)，另一個(gè)是變送環(huán)節(jié)。&

83、lt;/p><p>　　檢測(cè)環(huán)節(jié)至關(guān)重要，檢測(cè)元件的選型關(guān)系到檢測(cè)的精度和變送環(huán)節(jié)中信號(hào)變送的容易程度。在溫度的檢測(cè)過(guò)程中一般用熱電阻和熱電偶完成，熱電阻一般用在檢測(cè)精度要求不是很高的地方，而熱電偶則在靈敏度上比熱電偶更好，檢測(cè)精度能比熱電阻有一個(gè)數(shù)位的差異［7］。</p><p>　　檢測(cè)與變送設(shè)備主要根據(jù)被檢測(cè)參數(shù)的性質(zhì)與系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體考慮來(lái)決定。被檢測(cè)參數(shù)性質(zhì)的不同，準(zhǔn)確度要求、響應(yīng)速度

84、要求的不同以及對(duì)控制性能要求的不同都影響檢測(cè)、變送器的選擇，要從工藝的合理性、經(jīng)濟(jì)性加以綜合考慮。應(yīng)遵循以下原則：</p><p>　　1. 可能選擇測(cè)量誤差小的測(cè)量元件。</p><p>　　盡可能選擇快速響應(yīng)的測(cè)量元件與變送設(shè)備。</p><p>　　對(duì)測(cè)量信號(hào)作必要的處理。</p><p><b>　　測(cè)量信號(hào)校正。</

85、b></p><p>　　測(cè)量信號(hào)噪聲（擾動(dòng)）的抑制。</p><p>　　4. 對(duì)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行曲線線性化處理。</p><p>　　溫度是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中最常見(jiàn)、最基本的參數(shù)之一。所以，溫度的檢測(cè)與控制是自動(dòng)控制工程的重要任務(wù)之一。測(cè)量溫度的方法有兩種，一種是接觸式、另一種是非接觸式。接觸式測(cè)量的主要特點(diǎn)是：方法簡(jiǎn)單、可靠，測(cè)量精度高。但是由于測(cè)溫元件要與被測(cè)

86、介質(zhì)接觸進(jìn)行熱交換，才能達(dá)到平衡，因而產(chǎn)生了滯后現(xiàn)象。同時(shí)測(cè)量體可能與被測(cè)介質(zhì)產(chǎn)生化學(xué)。此外測(cè)量體還受到耐溫材料的限制，不能應(yīng)用于很高溫度的測(cè)量。非接觸式測(cè)溫是通過(guò)接收被測(cè)介質(zhì)發(fā)出的輻射熱來(lái)判斷的。其主要特點(diǎn)是：測(cè)溫原則上不愛(ài)限制；速度較快，可以對(duì)運(yùn)動(dòng)休進(jìn)行測(cè)量。但是它受到物體的輻射率、距離、煙塵和水汽等因素影響，測(cè)溫誤差較大。</p><p>　　由于本系統(tǒng)中測(cè)量的對(duì)象為電爐，測(cè)量溫度在0~100℃左右，且介質(zhì)

87、為水，不易與測(cè)量體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。所以理所當(dāng)然選擇接觸式的溫度測(cè)量方式更為理想。</p><p>　　目前工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中常用的接觸式溫度測(cè)溫原理、與使用場(chǎng)合如表4.1：</p><p>　　從表中所列的各種溫度測(cè)量?jī)x表中，機(jī)械式大多用于就地指示；輻射式的精度較差，只有電的測(cè)溫儀表精度較高，信號(hào)又便于傳送。所以熱電偶和熱敏電阻溫度計(jì)在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究領(lǐng)域中得到了廣泛地應(yīng)用。</p>

88、;<p>　　熱電偶溫度計(jì)在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中極為廣泛。它具有測(cè)溫精度高，在小范圍內(nèi)熱電動(dòng)勢(shì)與溫度基本呈單值、線性關(guān)系，穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性較好，測(cè)溫范圍寬，響應(yīng)時(shí)間較快等特點(diǎn)。其使用時(shí)一定要注意冷端溫度補(bǔ)償，在一般情況下采用補(bǔ)償電橋的方法較多。其具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程見(jiàn)下面的分析過(guò)程。熱電阻溫度計(jì)是利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值隨溫度而變化的性質(zhì)來(lái)測(cè)量溫度的。常用的有鉑電阻、銅電阻、半導(dǎo)體熱敏電阻等，但與熱電偶相比較，在精度上，熱電偶精度比熱電阻

89、高。</p><p>　　變送器在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中擔(dān)任了把傳感器檢測(cè)到的信號(hào)變成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)（DC 4~20mA或DC 1~5V），從而使處理器能夠識(shí)別數(shù)據(jù)的級(jí)別，便于在自運(yùn)控制過(guò)程中進(jìn)行運(yùn)算和做出相應(yīng)的處理決策。</p><p>　　DDZ­Ш熱電偶溫度變送器可以把溫度轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)（DC4~20mA或DC1~5V），其輸出送顯示儀表或調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的顯示或自動(dòng)控

90、制。DDZ-Ш熱電偶溫度變送器具有熱電偶冷端溫度補(bǔ)償、零點(diǎn)調(diào)整、零點(diǎn)遷移、量程調(diào)整以及線性化等重功能。其具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：</p><p>　　(1) 采用了線性集成電路，提高了儀表的可靠性、穩(wěn)定性及各項(xiàng)技術(shù)性能。</p><p>　　(2) 熱電偶溫度變送器中采用了線性化電路，使變送器的輸出電流?；螂妷盒盘?hào)和被測(cè)溫度（輸入信號(hào)）成線性關(guān)系。</p><p>　　(

91、3) 線路中采用了安全火花防爆措施，幫可用于危險(xiǎn)場(chǎng)所中的溫度測(cè)量變送。</p><p>　　由以上分析，我們可以得出結(jié)論，DDZ-Ш熱電偶溫度變送器是一種集成的自動(dòng)化溫度傳感變送器，在量程和精度上都完全滿足設(shè)計(jì)中溫度測(cè)量、變送的要求。</p><p>　　4.1.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換接口電路</p><p>　　因?yàn)閱纹瑱C(jī)不能直接處理模擬信號(hào)，所以必須將熱電偶檢測(cè)到的溫度模

92、擬信號(hào)變化成數(shù)字信號(hào),單片機(jī)才能做出相應(yīng)的處理。</p><p>　　按照設(shè)計(jì)指標(biāo)，精度要求在±0.5℃。采用8位A/D轉(zhuǎn)換器如果設(shè)定其成比例關(guān)系，即0~255，0℃~100℃。則其精確度為0.39℃，完全滿足要求，但考慮要留有一定的裕量，即100℃不能為255，雖然這個(gè)問(wèn)題可以用調(diào)整變送器的方法來(lái)解決。但這其中又隱含了另外一個(gè)問(wèn)題即將溫度的檢測(cè)值到十進(jìn)制溫度轉(zhuǎn)換的計(jì)算，A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果每增加一個(gè)單位值，

93、十進(jìn)制溫度增加0.39度，這需要用二進(jìn)字浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算。意味著在有限的存儲(chǔ)空間里面要存儲(chǔ)浮點(diǎn)數(shù)的加、減、乘、除和二進(jìn)制數(shù)與十進(jìn)制數(shù)的轉(zhuǎn)換程序等；并且因?yàn)闇囟仁峭ㄟ^(guò)鍵盤(pán)輸入到存儲(chǔ)器中的所以輸入的溫度值也要經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換，這就大大的加長(zhǎng)了程序運(yùn)行的時(shí)間同時(shí)也就減短了A/D轉(zhuǎn)換所占用的時(shí)間和溫度的采樣點(diǎn)數(shù)，直接影響了其控制精度。同時(shí)很大程度上加大了編程的難度，其在邏輯思維上、程序轉(zhuǎn)換上都有較大的難度。要滿足精度要求，而且還要在運(yùn)算上、數(shù)值轉(zhuǎn)換上不困難，

94、可以通過(guò)調(diào)整變送器的量程和A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率來(lái)解決。</p><p>　　用12位A/D器，其輸入電壓為0~5V時(shí)對(duì)應(yīng)的輸出為0~4096，設(shè)計(jì)要求溫度控制在0~100℃。我們可以將100℃時(shí)A/D輸出為1000，這樣其精度可以達(dá)到0.1℃，完全滿足設(shè)計(jì)的要求。前面已經(jīng)說(shuō)明變送器的輸出為1~5V，所以可以調(diào)節(jié)送器的量程，0℃時(shí)變送器輸出為1.22V,而A/D轉(zhuǎn)換的輸出為1000;100℃時(shí)輸出2.44V，A/D

95、輸出為2000。通過(guò)以上設(shè)定，在保證了很大的裕量的同時(shí)又減小了其計(jì)算的復(fù)雜性。其輸出值=溫度×10，運(yùn)算的時(shí)候根本不用采用浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算，只要一個(gè)雙字節(jié)無(wú)符號(hào)數(shù)減法、除法即可以完成，且在顯示的時(shí)候也可以精確顯示到小數(shù)點(diǎn)后面一位。</p><p>　　TLC2551/2541是TI公司生產(chǎn)的串行12位A/D轉(zhuǎn)換器［8］，其采用DIP-8封裝，簡(jiǎn)單的微處理器接口，單通道差分輸入，轉(zhuǎn)換時(shí)間在Flock=400KH

96、z時(shí)為3.2us，5V供電時(shí)輸入范圍：0～5V，輸入輸出完全兼容TTL和CMOS電路，全部非校準(zhǔn)誤差：±1LSB。單5V供電，工作溫度范圍：0℃~70℃；其接口電路如圖4.2。</p><p>　　4.1.4單片機(jī)最小系統(tǒng)</p><p><b>　　1 單片機(jī)選型</b></p><p>　　整個(gè)系統(tǒng)采用最小化設(shè)計(jì)，其外部所接組件大

97、多采用了串行通信，所以在單片機(jī)選型時(shí)不需要很多的并行口，有一定的程序存儲(chǔ)器和定時(shí)器、外部中斷即可。</p><p>　　由ATMEL公司生產(chǎn)的AT89C2051［8］，除了在外部引腳上少了兩個(gè)并行口外，其它內(nèi)部資源與AT89C51完全相同，且其內(nèi)部的2KFLASH ROM能夠很方便的進(jìn)行擦寫(xiě)，匯編指令與80C51完全兼容的特點(diǎn)，成為了首選。其基本特征如下：</p><p>　　(1) 具有

98、適于控制的8位CPU和指令系統(tǒng)；</p><p>　　(2) 128字節(jié)的片內(nèi)RAM；2KB片內(nèi)ROM；</p><p>　　(3) 15線并行I/O口；</p><p>　　(4) 兩個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器；</p><p>　　(5) 一個(gè)全雙工串行口；</p><p>　　(6) 6個(gè)中斷源，兩個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)的中斷結(jié)

99、構(gòu)；</p><p><b>　　2 晶振電路的設(shè)計(jì)</b></p><p>　　單片機(jī)內(nèi)部帶有時(shí)鐘電路，因此，只需要在片外通過(guò)X1、X2引腳接入定時(shí)控制單元（晶體振蕩和電容），即可構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的自激振蕩器。</p><p>　　振蕩器的工作頻率一般在1.2~12MHz之間，當(dāng)然在一般情況下頻率越快越好。可以保證程序運(yùn)行速度即保證了控制的實(shí)時(shí)性

100、。一般采用石英晶振作定時(shí)控制元件；在不需要高精度參考時(shí)鐘時(shí)，也可以用電感代替晶振，有時(shí)也可以引入外部時(shí)鐘脈沖信號(hào)。</p><p>　　C9、C10雖然沒(méi)有嚴(yán)格要求，但電容的大小影響振蕩器的振蕩的穩(wěn)定性和起振的快速性，通常選擇在10~30PF左右。在設(shè)計(jì)電路板時(shí)，晶振，電容等均應(yīng)盡可能靠近芯片，以減小分布電容，保證振蕩器振蕩的穩(wěn)定性。</p><p>　　4.1.5片外數(shù)據(jù)輔助存儲(chǔ)器<

101、;/p><p>　　在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，考慮到加熱器在加熱過(guò)程中出現(xiàn)斷電的情況。當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)該繼續(xù)加熱到斷電前設(shè)定的溫度。而設(shè)定的溫度存儲(chǔ)在單片機(jī)的數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)器中，單片機(jī)斷電重啟動(dòng)后存儲(chǔ)的設(shè)定溫度已經(jīng)消失。為了達(dá)到此功能，在單片機(jī)外部加入了一個(gè)基于I2C總線的E2PROM，完成對(duì)設(shè)定溫度的存儲(chǔ)。</p><p>　　I2C總線簡(jiǎn)介：I2C總線由PHILIPS提出，是一種用于IC器件

102、之間連接的二線制總線。它通過(guò)SDA（串行數(shù)據(jù)線）及SCL（串行時(shí)鐘線）兩根線在連到總線上的器件之間傳送信息，并根據(jù)地址識(shí)別每個(gè)器件：不管是單片機(jī)、存儲(chǔ)器、LCD驅(qū)動(dòng)器還是鍵盤(pán)接口。采用I2C總線標(biāo)準(zhǔn)的單片機(jī)或IC器件，其內(nèi)部不僅有I2C接口電路，而且將內(nèi)部各單元電路按功能劃分為若干相對(duì)獨(dú)立的模塊，通過(guò)軟件尋址實(shí)現(xiàn)片選，減少了器件片選線的連接 。</p><p>　　其協(xié)議定義的數(shù)據(jù)格式如下［9］：</p&g

103、t;<p>　　AT24C01是美國(guó)ATMEL公司的低功耗CMOS串行E2PROM，它是內(nèi)含128×8位存儲(chǔ)空間，具有工作電壓寬（2.5～5.5V）、擦寫(xiě)次數(shù)多（大于10000次）、寫(xiě)入速度快（小于10ms）等特點(diǎn)。在系統(tǒng)中，用AT24C01存儲(chǔ)用戶設(shè)定的保持溫度，上限溫度和下限溫度。當(dāng)系統(tǒng)斷電再得電以后，系統(tǒng)將自動(dòng)的讀出AT24C01中的保存值，并根據(jù)其內(nèi)容進(jìn)行加熱，直到設(shè)定的溫度。從而達(dá)到了斷電后再加熱的目的

104、。其實(shí)際電路連接圖如圖4.5，電阻R7、R8為I2C協(xié)議的上拉電阻。</p><p>　　4.1.6 人機(jī)交互接口</p><p><b>　　1 顯示電路</b></p><p>　　顯示部分用于顯示用戶設(shè)定的溫度、上限溫度、下限溫度和當(dāng)前溫度值等。當(dāng)然，從理論上而言，如果要很明了的顯示各種數(shù)值的話，應(yīng)該加上漢字顯示模塊，這樣就可以一目了然的

105、識(shí)別出各種設(shè)定值。從這一方面來(lái)說(shuō)LCD顯示器就占有很大的優(yōu)勢(shì)。但LCD顯示器也存在著很大的不足，如LCD顯示器一般都有8根數(shù)據(jù)線和5根控制線，即使是用串行的情況下也要占用單片機(jī)的8個(gè)I/O口［10］，或者6根線和幾個(gè)邏輯門(mén)。使用LED顯示器可以很容易解決I/O口的問(wèn)題，采用51單片機(jī)的串行方式0，只要兩根線（數(shù)據(jù)與時(shí)鐘）就能完成顯示功能，而且串行口還可以跟其它芯片共用，只要加上一個(gè)邏輯門(mén)電路形成線選就可以了。但其有一個(gè)明顯的弱點(diǎn)就是顯示

106、的時(shí)候只能看到一個(gè)值，讓人有一種不直觀的感覺(jué)，并且在鍵盤(pán)上設(shè)定好一個(gè)顯示管理鍵，要顯示什么值只有按這個(gè)鍵就可以達(dá)到循環(huán)顯示的目的。本顯示電路共設(shè)了四位，分別用于顯示溫度的百、十、個(gè)、小數(shù)位。所以顯示的溫度可以精確到小數(shù)點(diǎn)后一位，即0.1℃。但溫度的設(shè)定值只能輸入兩位，即十位百位。Disselec用于選通顯示［11］。其具體電路圖4.6所示：</p><p><b>　　2 信號(hào)輸入電路</b>

107、;</p><p>　　鍵盤(pán)作為人機(jī)接口之一，在系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)過(guò)程中起著不可或缺的作用。在硬件的實(shí)現(xiàn)上，采用串行接口，由一個(gè)74HC164，其8個(gè)輸出口作為矩陣鍵盤(pán)的列線，再由89C2051的P1.1、P1.2作為行線組成，每根線上都加一個(gè)上拉電阻，用于減小干擾。整個(gè)鍵盤(pán)共設(shè)16個(gè)鍵，見(jiàn)圖4.7。其鍵名和功能如表4.2。</p><p><b>　　3 報(bào)警電路</b>

108、;</p><p>　　為使系統(tǒng)的人機(jī)交互界面更好，設(shè)置了兩路報(bào)警信號(hào)，分別為兩路紅色的發(fā)光二極管，用于顯示越限報(bào)警和誤輸入報(bào)警。</p><p>　　當(dāng)電爐中水溫高于工作人員所設(shè)定的上限溫度或者低于設(shè)定的下限溫度時(shí)，則認(rèn)為發(fā)生了越限，越限報(bào)警燈(LED1)點(diǎn)亮，提示操作出現(xiàn)了越限報(bào)警，提醒工作人員注意是否有意外情況發(fā)生。值得一提的是，當(dāng)系統(tǒng)從低溫開(kāi)始加熱，到下限溫度以前系統(tǒng)都會(huì)出現(xiàn)越限報(bào)

109、警。當(dāng)出現(xiàn)越限報(bào)警時(shí)，工作人員應(yīng)該注意是不是此種情況，此情況可以忽略。</p><p>　　誤輸入報(bào)警(LED2)主要用于鍵盤(pán)管理中，當(dāng)用鍵盤(pán)進(jìn)行恒溫設(shè)定、上、下限溫度設(shè)定時(shí)工作人員如果沒(méi)有按說(shuō)明中所要求的步驟進(jìn)行操作的話就是所謂的誤操作。當(dāng)出現(xiàn)誤操作時(shí)誤輸入報(bào)警燈點(diǎn)亮，此時(shí)工作人員應(yīng)進(jìn)行輸入檢查，查看說(shuō)明并更正。</p><p>　　越限報(bào)警和誤輸入報(bào)警分別由P1.0和P1.5口引出，其

110、上接的電阻為限流電阻，用于防止電流過(guò)大而引起的發(fā)光二極管燒毀[12]。</p><p><b>　　4.1.7執(zhí)行機(jī)構(gòu)</b></p><p>　　執(zhí)行機(jī)構(gòu)為一個(gè)固態(tài)繼電器，程序中采用了模擬的PWM變換方法。通過(guò)控制固態(tài)繼電器的導(dǎo)通與關(guān)斷達(dá)到控制電爐的通電和斷電的目的［5］。</p><p><b>　　4.2 軟件設(shè)計(jì)</b&

111、gt;</p><p>　　系統(tǒng)的軟件部分以主程序?yàn)槿肟冢诔跏蓟笳{(diào)用鍵盤(pán)管理程序，完成對(duì)鍵盤(pán)的掃描，讀入鍵值，并根據(jù)相應(yīng)的鍵值進(jìn)行各類(lèi)操作。溫度采樣頻率由定時(shí)器控制，在每一次采樣完成之后進(jìn)行模糊控制時(shí)間的計(jì)算和顯示刷新。</p><p><b>　　4.2.1主程序</b></p><p>　　主程序作為程序的入口，控制各類(lèi)程序的調(diào)用。在