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信息與電子工程系畢業(yè)設(shè)計（中英文資料）
畢業(yè)設(shè)計(論文)中英文資料
信 電 系 工業(yè)電氣自動化 專業(yè) 04 級 1 班
課題名稱：MCS-51單片機智能溫度控制系統(tǒng)設(shè)計
畢業(yè)設(shè)計(論文)起止時間：
2006 年 2月10日～6月8日(共17周)
學(xué)生姓名： 學(xué)號： 10
指導(dǎo)教師：
報告日期： 年3月 1日
摘要：
本文根據(jù)模糊控制和PID控制的特點及其原理，把模糊控制和PID控制結(jié)合起來，形成模糊PID控制，有效的克服了它們的缺點而發(fā)揮了它們的優(yōu)勢。本文詳細(xì)闡述了該系統(tǒng)中模糊PID控制器的實現(xiàn)方法、系統(tǒng)的各種控制、故障檢測以及狀態(tài)顯示。
模糊PID控制器實際上跟傳統(tǒng)的PID控制器有很大聯(lián)系。區(qū)別在于傳統(tǒng)的控制器的控制前提必須是熟悉控制對象的模型結(jié)構(gòu)，而模糊控制器因為它的非線性特性，所以控制性能優(yōu)于傳統(tǒng)PID控制器。對于時變系統(tǒng)，如果能夠很好地采用模糊控制器進行調(diào)節(jié)，其控制結(jié)果的穩(wěn)定性和活力性都會有改善。但是，如果調(diào)節(jié)效果不好，執(zhí)行器會因為周期振蕩影響使用壽命，特別是調(diào)節(jié)器是閥門的場合，就必須考慮這個問題。為了解決這個問題，出現(xiàn)了很多模糊控制的分析方法。本文提出的方法采用一個固定的初始域，這樣相當(dāng)程度上簡化了模糊控制的設(shè)定問題以及實現(xiàn)。文中分析了振蕩的原因并分析如何抑制這種振蕩的各種方法，最后，還給出一種方案，通過減少隸屬函數(shù)的數(shù)量以及改善解模糊化的方法縮短控制信號計算時間，有效的改善了控制的實時性。
模糊控制器的一個主要缺陷就是調(diào)整的參數(shù)太多。特別是參數(shù)設(shè)定的時候，因為沒有相關(guān)的書參考，所以它的給定非常困難。眾所周知，優(yōu)化方法的收斂性跟它的初始化設(shè)定有很大關(guān)聯(lián)，如果模糊控制器的初始域是固定的，那么它的控制就明顯的簡化了。而且我們要控制的參數(shù)大多有其實際的物理意義，所以模糊控制器完全可以利用PID算法的控制規(guī)律進行近似的調(diào)整。也就是說最簡單的模糊PID控制器就是同時采用幾種基本模糊控制算法（P+I+D或者PI+D），控制過程中它會根據(jù)控制要求，做出適當(dāng)?shù)倪x擇，保證在處理跟蹤以抗階躍干擾問題上，其控制性能接近于任何一種PID控制。假設(shè)模糊集的初始域是對稱的，兩個調(diào)節(jié)器的參數(shù)采用Ziegler-Nichols方法。
為了改善上述設(shè)計的模糊控制器，我們有必要考模糊控制器的參數(shù)問題，有兩種方法可以采納，一種采用手動的方法改變，另一種就是采用一些相關(guān)的優(yōu)化算法。其中遺傳算法就是一種?？刂破鞑捎玫膮?shù)不同，其收斂的優(yōu)化值也會不一樣。這些參數(shù)包括模糊集的分布，模糊集的個數(shù)，映射規(guī)則，基本模糊控制器的參數(shù)和不同的算法組合等。要注意的是在優(yōu)化前必須選定模糊推理及解模糊的方法。很明顯，優(yōu)化過程很耗時，更有甚者，有些優(yōu)化方法要已知系統(tǒng)的精確模型，但是實際過程中難以得到系統(tǒng)的精確模型，所以在大多數(shù)情況下，這些優(yōu)化算法不能直接應(yīng)用在實際過程。也就是說模型不精確直接影響優(yōu)化成敗。模糊控制的主要思想就是針對那些傳遞函數(shù)未知的或者結(jié)構(gòu)難以辨識的系統(tǒng)進行控制，這也是模糊控制的性能為什么優(yōu)于傳統(tǒng)方法的原因。同時，把模糊控制和傳統(tǒng)的PID控制算法結(jié)合起來，更能體現(xiàn)這種算法的優(yōu)點，因為它大大簡化實際過程的調(diào)整。
參數(shù)集的啟發(fā)式優(yōu)化法也適用于模糊PI控制器，它采用固定的定義域，其參數(shù)的選取和傳統(tǒng)的PI控制器都一樣。我們采用的控制方法是結(jié)合模糊PI算法和PD算法并利用啟發(fā)式優(yōu)化法處理參數(shù)集，特別要注意這里的調(diào)節(jié)器出現(xiàn)了兩個比例環(huán)節(jié)，所以它的控制可能不同于傳統(tǒng)的PID算法。但是我們調(diào)整的參數(shù)它們本身具有實際的物理意義，值得一提的是前面所提到的控制可以通過改變采樣時間而不改變定義域的范圍實現(xiàn)調(diào)整。
關(guān)鍵詞：單片機；熱處理溫度控制；模糊 PID
Abstract:
This paper adopts fuzzy PID control algorithm which combines fuzzy control and PID control according individual characteristic and theory effectively gets over their disadvantage, at the same time, preserving their merits. The methods of the fuzzy-PID controller, system-controlling, failure-detecting，states-displaying are described in details.
A fuzzy PID controllers are physically related to classical PID controller. The settings of classical controllers are based on deep common physical background. Fuzzy controller can embody better behavior comparing with classical linear PID controller because of its non linear characteristics. Well tuned fuzzy controller can be also more stable and more robust for the time varying systems. On the other hand, when the fuzzy controller is tuned badly it can exhibit limit cycle which can decrease lifetime of the actuator. This phenomenon is critical especially when the actuator is valve. Knowing about these problems, more analytical methods of tuning fuzzy controllers can be found. The method with unified universe considerably simplifies the setting and realization of fuzzy controllers. This paper tries to analyze causes of oscillations and it outlines the possibilities how to reduce them. The paper also shows solution how to reduce time needed for computation of control signal by decreasing the number of membership functions and by changing defuzzification method.
1. INTRODUCTION
One of the main drawbacks of fuzzy controllers is big amount of parameters to be tuned. It is especially difficult to make initial approximate adjustment because there is no cookery book how to do it. Also it is very well known that good convergence of optimum method is strongly dependent on initial settings. The adjustment of fuzzy controllers is considerably simplified when fuzzy controller with a unified universe is used. The parameters to be tune then have their physical meaning and fuzzy controller can be approximately adjusted using known rules for classical controllers. Probably the easiest way how to implement fuzzy PID controller is to create it as a parallel combination of basic fuzzy controllers (P+I+D [4] or PI+D [5]). Suitable choice of inference method can ensure behavior which is close to one of classical PID controller for both the tracking problem and the step disturbance rejection. The fuzzy sets are assumed to have initially symmetrical layout and the parameters of both regulators are tuned using for example by Ziegler- Nichols method.
To improve behavior of such designed fuzzy controller it is necessary either to manually change the quantities of fuzzy controller or to use some optimum methods which do this operation. One which can be implied are genetic algorithms. Different quantities can be changed to reach the optimum values. These quantities are fuzzy set layout, number of fuzzy sets, rule base mapping, the parameters of basic fuzzy controllers and their various combinations. Note that all the optimum must be always performed according to the chosen inference and defuzzification method. It is apparent that process of optimum can take a lot of time. Moreover this method is contingent on existence of accurate mathematical model of the process because in vast majority of the cases it is not possible to perform any kind of optimum directly on real process. The model usually does not correspond to real system which limits the success of optimum methods. The prime idea of fuzzy control was to apply it at the place where there is no deep knowledge of transfer function of controlled system and where this knowledge can be hardly identified. These are often the cases where the fuzzy control leads to better performance comparing with classical approach. Also for this instance it seems to be advantageous to have physical connection between fuzzy controller and its classical counterpart because it can significantly simplify the adjustment of regulator for real process.
The heuristic optimum of parameters settings is also suitable for fuzzy PI controller with unified universe where the parameters are the same as the ones of classical PI controller. The parallel combination of fuzzy PI and PD controllers can be used for heuristic optimum of parameters settings but it should be noted that because of the presence of double proportional part in this regulator
the adjusted parameters will differ from the ones of classical PID controller. But important thing is that the adjustment of this parameters is still in the same physical meaning. Note that for all previously mentioned controllers it is also possible to employ time transformation (sample time modification) without having to change the scope of universes.
Keyword：SCM；Temperature control；Fuzzy PID.
3
畢業(yè)設(shè)計(論文)任務(wù)書
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學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師_ 職稱副教授、助教、助教
系別_信息與電子工程系_專業(yè) 年級__三 _班級 1
課題名稱 MCS-51單片機智能溫度控制系統(tǒng)設(shè)計
任務(wù)與要求：
一、 設(shè)計（論文）要求：
本課題的主要任務(wù)是通過單片機控制系統(tǒng),實現(xiàn)對溫度的智能控制。本畢業(yè)設(shè)計課題引入智能控制（模糊控制），采用模糊 PID 算法，運用單片機對電阻加熱爐實現(xiàn)智能的溫度控制，從而實現(xiàn)高精度控制。具體設(shè)計方案如下：采用溫度傳感器完成對溫度的數(shù)據(jù)采集，并把溫度值轉(zhuǎn)換為電壓值，經(jīng)過放大、A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字量進入單片機控制系統(tǒng)，與單片機中預(yù)置的參量進行比較后，得到誤差量，并與上一次采集的誤差量進行比較，得到誤差的變化量，把誤差量和誤差的變化量作為模糊PID控制器的輸入，經(jīng)過軟件進行處理，輸出控制量，經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換后控制驅(qū)動電路，得到加在電爐上的平均電壓。從而控制電爐的溫度，實現(xiàn)溫度的自動調(diào)節(jié)，使得溫度穩(wěn)定在設(shè)定值附近。
設(shè)計的主要內(nèi)容和要求：
1、 根據(jù)所選的課題，參考一些優(yōu)秀的學(xué)習(xí)網(wǎng)站，完成該課題的建設(shè)。
2、 參與該課題的各位同學(xué)必須分工合作。在設(shè)計中既要有自己一定的工作量，同時具備良好的團隊合作精神。
3、 畢業(yè)設(shè)計論文體現(xiàn)了畢業(yè)設(shè)計的質(zhì)量，所以各位同學(xué)必須在論文中體現(xiàn)自己在畢業(yè)設(shè)計中所采用的方法、思想以及設(shè)計策略。論文的格式包括：（1）中英文摘要（2）目錄（3）正文（4）參考文獻（5）致謝（6）附錄。論文書寫要求語言精練、簡潔，表達力求準(zhǔn)確，字?jǐn)?shù)12000以上，最后要求用A4開紙打印，并裝訂成冊，形成書目結(jié)構(gòu)。
4、 在整個設(shè)計當(dāng)中要嚴(yán)格按照學(xué)校和系部的各種規(guī)章制度和要求，按時完成所要求完成的任務(wù)。
二、 設(shè)計（論文）條件：
提供設(shè)計所需的書籍、計算機、單片機設(shè)計所需的設(shè)備等。
三、 設(shè)計（論文）資料：
[1]陳明熒 8051單片機課程設(shè)計實訓(xùn)教材 ?北京清華大學(xué)出版社
[2]胡漢才.單片機原理及其接口技術(shù)?? 北京清華大學(xué)出版社
[3]徐淑華等 單片機微型機原理及應(yīng)用 哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社
[4]范風(fēng)強等 單片機C5應(yīng)用實戰(zhàn)集錦? 北京電子工業(yè)出版社
[5]徐學(xué)峰主編.傳感器變送器測控儀表大全 北京機械工業(yè)出版社,
[6]謝新民,丁鋒編著.自適應(yīng)控制系統(tǒng) 北京清華大學(xué)出版社
[7]李士勇.模糊控制和智能控制理論與應(yīng)用 哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,
[8]高東杰等編著 應(yīng)用先進控制技術(shù) 北京國防工業(yè)出版社
[9]陶永華 新型PID控制及其應(yīng)用第二版 北京機械工業(yè)出版社
[10]戴伏生 基礎(chǔ)電子電路設(shè)計與實踐 國防工業(yè)出版社
[11]顧明文 可控硅溫控器的工作原理及故障維修 實驗室研究與探索
[12]鄭雪梅,姜成國,周廣銘.模糊PID控制器結(jié)構(gòu) 大慶石油學(xué)院報
[13]張化光,何希勤.模糊自適應(yīng)控制理論及其應(yīng)用 北京航空航天大學(xué)出版社,
[14]劉金錕著.先進PID控制及其MATLAB仿真 北京電子工業(yè)出版社
[15]張建民,王濤,王忠禮編著.智能控制原理及應(yīng)用 北京冶金工業(yè)出版社
[16]劉豹主編.現(xiàn)代控制理論 北京機械工業(yè)出版社
[17]徐科軍等著.自動檢測和儀表中的共性技術(shù) 北京清華大學(xué)出版社,
[18]丁玉美,高西全,彭學(xué)愚.數(shù)字信號處理 西安電子科技大學(xué)出版社
[19]孫傳友等 測控電路及裝置 北京航空航天大學(xué)出版社
四、 設(shè)計（論文）教學(xué)要求：（可以同一專業(yè)相同）
要求同學(xué)們有較強的學(xué)習(xí)和自學(xué)能力，能根據(jù)需要查找資料，獨立思考和設(shè)計。
要求同學(xué)熟悉溫度系統(tǒng)并具有一定的單片機設(shè)計能力。
五、 設(shè)計（論文）進度安排：（可以同一專業(yè)相同）
第01周至第03周：查閱相關(guān)網(wǎng)站及英文資料（并翻譯一篇外文資料），收集有關(guān)單片機溫度控制方面的資料。
第04周至第04周：根據(jù)設(shè)計任務(wù)書的要求，完成畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告。
第05周至第12周：根據(jù)系統(tǒng)組成原理及給定工藝參數(shù)，進行單片機、存貯單元、傳感器等的選型，設(shè)計電阻加熱爐溫度控制系統(tǒng)硬件原理系統(tǒng)，確定模糊控制規(guī)則，編制單片機控制程序，進行仿真試驗，并分析仿真結(jié)果。
第13周至第15周：整理相關(guān)資料，完成畢業(yè)設(shè)計（論文）手稿及最終電腦打印的畢業(yè)論文；
第16周至第16周：畢業(yè)設(shè)計（論文）小組答辯；
第17周至第17周：答辯。
六、 學(xué)生分組名單
林晉斌 .國曉衛(wèi)
信息與電子工程系畢業(yè)設(shè)計（開題報告）
畢業(yè)設(shè)計 (論文)開題報告
信 電 系 工業(yè)電氣自動化 專業(yè) 級 1 班
課題名稱：MCS-51單片機智能溫度控制系統(tǒng)設(shè)計
畢業(yè)設(shè)計(論文)起止時間：
年 2月10日～6月8日(共17周)
學(xué)生姓名：
指導(dǎo)教師：
報告日期：
10
一、本課題所涉及的問題在國內(nèi)(外)的研究現(xiàn)狀綜述（模糊控制）
1. 模糊控制理論概述
傳統(tǒng)的自動控制，包括經(jīng)典理論和現(xiàn)代控制理論都有一個共同的特點，即控制器的綜合設(shè)計都要建立在被控對象準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型(如微分方程，傳遞函數(shù)或狀態(tài)方程)的基礎(chǔ)上。但是在實際工業(yè)生產(chǎn)中，建立精確的數(shù)學(xué)模型特別困難，
甚至是不可能的。特別是對于具有非線性、時變、純滯后等特點的溫度控制系統(tǒng)，常規(guī)PID控制器不能適應(yīng)系統(tǒng)參數(shù)變化，達不到較好的動態(tài)控制性能。這種情況下，模糊控制的誕生就顯得意義重大。
2、PID控制的原理及特點
在工程實際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。PID控制器問世至今已有近70年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時，控制理論的其它技術(shù)難以采用時，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象﹐或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時，最適合用PID控制技術(shù)。PID控制，實際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制的。
3、模糊控制國內(nèi)外發(fā)展動態(tài)
國外最早取得應(yīng)用成果的是1974年英國倫敦大學(xué)教授E.H.Mamdani，首先利用模糊控制語句組的模糊控制器，應(yīng)用于鍋爐和氣輪機的運行控制，在實驗室獲得成功，標(biāo)志著模糊控制的誕生。隨后，1975年，英國的P.J.King和E. H. Mamdani將模糊控制系統(tǒng)應(yīng)用于工業(yè)發(fā)酵過程的溫度控制中；1979年，英國的I.J.Procyk和E.H.Mamdani研究了一種自組織的模糊控制器，它在控制過程中不斷修改和調(diào)整控制規(guī)則，使得控制系統(tǒng)的性能不斷完善;1983年，日本學(xué)者M. Sugeno和Kurakani將基于語言真值推理的模糊邏輯控制器，應(yīng)用于汽車速度的控制，并且取得成功。
模糊控制技術(shù)與傳統(tǒng)PID技術(shù)相結(jié)合的研究國外也取得了許多成果。Tang通過對常規(guī)模糊控制器機理的分析，最早提出了一般模糊控制器和PI控制器的相似性;Abdelnon:從PID控制角度，提出了Fuzzy-PI,Fuzzy-PD和Fuzzy-PID三種形式的模糊控制器，隨后各種模糊PID控制器都證明是非線性PID控制器，Ying最先提出模糊PID控制器的解析結(jié)構(gòu)，證明了各類Mamdani模糊控制器是可變增益的非線性PI控制器，Ying和劉向杰等還采用各種方式得出了模糊控制器的量化因子和比例因子同PID控制器的Kp , Ki和Kd的之間的關(guān)系李洪兵分析了模糊控制器與PID控制器之間的關(guān)系，提出了SISO模糊控制器是分段P調(diào)節(jié)器，DISO模糊控制器是具有P與D(或P與I)交互影響的分片PD(或
PI)調(diào)節(jié)器，三輸入單輸出模糊控制器是具有P、I、D之間交互影響的分片PID調(diào)節(jié)器?？傊?，各種研究表明，模糊控制器是非線性PI、PD或PID控制器，普通PI, PD或PID控制器在三維或四維空間中是一個通過原點的超平面，具有線性調(diào)節(jié)特性，而模糊控制器在相應(yīng)的空間則是一個過原點的分片二次或三次曲面，具有逼近非線性調(diào)節(jié)規(guī)律，因此，其整體控制效果好于PI, PD或PID控制器。
我國模糊控制理論及其應(yīng)用方面的研究工作是從1979年開始的，大多數(shù)是在著名的高等院校和研究所中進行理論研究，如對模糊控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、模糊推理算法、自學(xué)習(xí)或自組織模糊控制器，以及模糊控制穩(wěn)定性等的研究，而其成果應(yīng)用集中于工業(yè)爐窯方面，如火爐等。
80年代末期開始研究模糊控制器與PID控制器的關(guān)系 ;1985年徐承偉就指出了模糊控制器輸出與被控對象之間存在著積分作用;1987年胡家耀在此基礎(chǔ)上提出了Fuzzy-PI調(diào)節(jié)
器，并用于退火爐燃燒過程中;1988年，河北廊紡市工具廠李利民、王金奎研制的高溫鹽浴爐微機控制系統(tǒng)以磁性調(diào)壓器作為執(zhí)行元件，采用MPID調(diào)節(jié)方式，當(dāng)爐溫在1100~1300℃范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)，誤差小于土20℃; 1989年，武漢鋁廠鄭恭恒、沈協(xié)和用單片機實現(xiàn)爐溫控制，采用Bang-Bang和PID相結(jié)合的控制算法，達到了升溫速度快，超調(diào)量小的控溫效果;1997年，吉林工業(yè)大學(xué)呂俊偉、王文成、黃海東研制的模糊一PI一開關(guān)混合控制器用于滲炭爐溫度控制系統(tǒng)，縮短了升溫時間，大大提高了控制精度，最大超調(diào)量小于1 ℃。
4、模糊控制的發(fā)展趨勢
當(dāng)代模糊控制技術(shù)己經(jīng)進入新的發(fā)展階段。 1984年美國推出“模糊決策支持系統(tǒng)”;日本則進入模糊控制實用化時期：
(1)過去將大型機械設(shè)備和生產(chǎn)過程作為對象，而目前已經(jīng)面向大眾，如電視攝像機自動調(diào)焦等家用電氣設(shè)備。
(2)向復(fù)雜系統(tǒng)、智能系統(tǒng)、人類與社會系統(tǒng)以及自然系統(tǒng)等方向擴展。
(3)在硬件方面進一步研制模糊控制器、模糊推理等專用芯片，并且開發(fā)“模糊控制用的通用系統(tǒng)”。
模糊控制技術(shù)發(fā)展至今，仍然存在以下主要問題:
(1)模糊控制在非線性復(fù)雜系統(tǒng)應(yīng)用中的模糊建模、模糊規(guī)則的建立和模糊推理算法的深入研究。
(2)由于復(fù)雜模糊規(guī)則的相互作用，使得到的合成推理算法具有相當(dāng)程度的非線性性能，致使模糊控制效果不夠理想。
(3)模糊控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性理論探討。
(4)自學(xué)習(xí)模糊控制策略和智能化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其實現(xiàn)。
(5)簡單、適用且具有模糊推理功能的模糊集成芯片和模糊控制裝置、通用模糊控制系統(tǒng)的開發(fā)和推廣應(yīng)用。
今后控制理論面臨的突出問題是既要繼續(xù)發(fā)展自身的理論，又要在應(yīng)用方面留下實實在在的成果。模糊控制―模糊專家系統(tǒng)―模糊控制工程將是構(gòu)成未來系統(tǒng)的重要途徑。
二、設(shè)計(論文)要解決的問題和擬采用的研究方法
本設(shè)計的主要解決的問題是通過單片機控制系統(tǒng),實現(xiàn)對溫度的智能控制。具體設(shè)計方案如下：采用溫度傳感器完成對溫度的數(shù)據(jù)采集，并把溫度值轉(zhuǎn)換為電壓值，經(jīng)過放大、A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字量進入單片機控制系統(tǒng)，與單片機中預(yù)置的參量進行比較后，得到誤差量，并與上一次采集的誤差量進行比較，得到誤差的變化量，把誤差量和誤差的變化量作為模糊PID控制器的輸入，經(jīng)過軟件進行處理，輸出控制量，經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換后控制驅(qū)動電路，得到加在電爐上的平均電壓。從而控制電爐的溫度，實現(xiàn)溫度的自動調(diào)節(jié)，使得溫度穩(wěn)定在設(shè)定值附近。
解決問題過程中我們引路了模糊控制的概念?；仡櫫四：刂评碚摰陌l(fā)展歷史，指明了模糊控制在自動化控制領(lǐng)域的重要地位和作用;介紹模糊控制在國外的應(yīng)用情況及國內(nèi)模糊控制技術(shù)與PID控制技術(shù)在爐溫控制系統(tǒng)中的成功應(yīng)用;闡述模糊控制在應(yīng)用中存在的問題及今后的發(fā)展趨勢;提出了電爐模糊PID溫度控制系統(tǒng)的研究目標(biāo)。
著重闡述溫度控制系統(tǒng)的工作原理。在分析傳統(tǒng)數(shù)字PID控制和模糊控制策略的基礎(chǔ)上，結(jié)合兩者的優(yōu)點，提出模糊控制與PID控制相結(jié)合的控制策略。下面簡單介紹模糊控制和PID控制的原理及特點：
1、模糊控制理論
模糊數(shù)學(xué)和模糊控制的概念是由美國加利福尼亞大學(xué)著名教授查德(L.A.Zadeh)在他的《Fuzzy Sets》, 《Fuzzy Algorithm》和《A Retionnale for Fuzzy Control》等著名論著中首先提出。1972年2月，日本以東京工業(yè)大學(xué)為中心，發(fā)起成立“模糊系統(tǒng)研究會”，1973年公開使用“模糊控制工程”這一概念；1974年在加利福尼亞大學(xué)的美日研究班上，開始了有關(guān)“模糊集合及其應(yīng)用”的國際學(xué)術(shù)交流。1978年國際上開始發(fā)行《Fuzzy Sets and Systems》專業(yè)雜志。1984年，在夏威夷首次召開國際會議，商討成立國際學(xué)會事宜，同年年底“國際模糊系統(tǒng)學(xué)會” (IFSA-----International Fuzzy System Association)成立，學(xué)會下設(shè)“智能系統(tǒng)”(Intelligent Systems)和“經(jīng)營與生產(chǎn)中的模糊系統(tǒng)”(Fuzzy Systems in Business and Manufacturing)。首屆IFSA國際學(xué)術(shù)會議于1985年在西班牙召開;1987年在日本東京召開了第二屆IFSA國際會議。1992年，IEEE Fuzzy Systems國際會議開始舉辦，每年一次; 1993年，《IEEE Trans. on Fuzzy Systems》開始出版。
盡管模糊控制理論的提出至今只有30多年，但其發(fā)展迅速。在模糊控制理論與算法、
模糊推理、工業(yè)控制應(yīng)用、模戶硬件與系統(tǒng)集成，以及穩(wěn)定性理論研究等方面都取得了重
大進展。應(yīng)用范圍日益廣泛，并且不斷與計算機技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)相互融合。
3、模糊控制的地位和作用
80年代以來，自動控制系統(tǒng)被控對象日益復(fù)雜，它不僅表現(xiàn)在控制系統(tǒng)具有多輸入一多輸出的強藕合性、參數(shù)時變性和嚴(yán)重的非線性特征，更突出的是從系統(tǒng)對象所能獲得的知識信息量相對地減少，以及與此相反地對控制性能的要求卻日益高度化。然而，正如Zadeh教授于1973年所指出的:“當(dāng)一個系統(tǒng)復(fù)雜性增大時，人們能使它精確化的能力將降低，當(dāng)達到一定的閉值時，復(fù)雜性和精確性將相互排斥”(即“不相容原理”)。也就是說，在多變量、非線性、時變的大系統(tǒng)中，要想精確地描述復(fù)雜對象與系統(tǒng)的任何物理現(xiàn)象和運動狀態(tài)，實際上是不可能的。關(guān)鍵的是如何使準(zhǔn)確和簡明之間取得平衡，而使問題的描述具有意義。
模糊控制理論的研究和應(yīng)用在現(xiàn)代自動控制領(lǐng)域中的地位和意義，可以用圖來表示。
圖1.1模糊控制在控制領(lǐng)域中的重要地位和作用
圖中表示了經(jīng)典控制理論首先使用于線性小規(guī)模系統(tǒng)的自動化領(lǐng)域;而隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代控制理論在大規(guī)模線性多變量系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用;但是，對于非線性復(fù)雜系統(tǒng)，這些控制策略卻難以適用，它不僅算法及其復(fù)雜，而且無望獲得滿意的結(jié)果。近年來，采用專家知識的人工智能(Artificial Intelligence)和智能信息處理技術(shù)，雖然引起了人們的重視，但它卻不能作為模擬控制，而且其知識庫十分龐大，設(shè)計也十分困難。模糊控制不僅適用于小規(guī)模線性單變量系統(tǒng)，而且漸漸向大規(guī)模、非線性復(fù)雜系統(tǒng)擴展，從己經(jīng)實現(xiàn)的控制系統(tǒng)來看，它具有易于熟悉、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化效果等優(yōu)點。
至今，研究“模糊”的學(xué)者越來越多，發(fā)表的論文上萬篇，研究范圍從單純的模糊數(shù)學(xué)到模糊控制理論應(yīng)用、模糊控制系統(tǒng)及其硬件集成，而與知識工程和控制方面有關(guān)的研究有模糊建模理論、模糊序列、模糊識別、模糊知識庫、模糊語言規(guī)則、模糊近似推理等。近年來，針對復(fù)雜的系統(tǒng)的自學(xué)習(xí)與參數(shù)自調(diào)整模糊控制系統(tǒng)方面的研究，深受各國學(xué)者的重視。目前，已經(jīng)將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊控制技術(shù)互相結(jié)合，取長補短，形成一種模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)((Fuzzy-Neural Network)技術(shù)，由此組成更接近人腦的智能控制系統(tǒng)。
4、PID控制的原理及特點
在工程實際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。PID控制器問世至今已有近70年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時，控制理論的其它技術(shù)難以采用時，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象﹐或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時，最適合用PID控制技術(shù)。PID控制，實際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制的。
1）比例（P）控制
比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（Steady-state error）。
2）積分（I）控制
在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關(guān)系。對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)（System with Steady-state Error）。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項”。積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減小，直到等于零。因此，比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。
3）微分（D）控制
在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。 自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后(delay)組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說，在控制器中僅引入“比例”項往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項”，它能預(yù)測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例+微分(PD)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)特性。
三．本課題需要重點研究的、關(guān)鍵的問題及解決的思路
本課題需要重點研究的、關(guān)鍵的問題是模糊控制器的基本原理及特點和單片機溫度控制系統(tǒng)組成：
1、模糊控制器的基本原理
模糊控制是以模糊集合論，模糊語言變量及模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的計算機智能控制，其基本概念是由美國加利福尼亞大學(xué)著名教授查德(L.A.Zadeh)首先提出的，經(jīng)過近年的發(fā)展，模糊控制在模糊控制理論和應(yīng)用研究方面均取得重大成功。
模糊控制的基本原理框圖如下:
圖2.3中的核心部分為模糊控制器，模糊控制器的控制規(guī)律由計算機的程序?qū)崿F(xiàn)。實現(xiàn)一維模糊控制算法的過程描述如下:微機采樣獲取被控制量的精確值，然后將此量與給定值比較得到誤差e，一般選誤差信號e作為模糊控制器的一個輸入量。把誤差信號e的精確量進行模糊化變成模糊量。誤差e的模糊量可用相應(yīng)的模糊語言表示，得到誤差e的模糊語言的一個子集e(e是一個模糊量)，再由e和模糊控制規(guī)則且(模糊算子)根據(jù)推理的合成規(guī)則進行模糊決策，得到模糊控制量u。
u=e.R
為了對被控對象進行R精確的控制，還需要將模糊控制量u轉(zhuǎn)化為精確量。這一步在圖2.3中稱為去模糊化處理(亦稱非模糊化處理)。得到了精確的數(shù)字控制量后，經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換變?yōu)榫_的模擬量送給執(zhí)行機構(gòu)，對被控對象進行控制。然后，等待第二次采樣，進行第二步控制……。如此循環(huán)下去，就實現(xiàn)了被控制對象的模糊控制。
2、模糊控制的特點
模糊控制具有的突出特點包括:
(1)模糊控制是一種基于規(guī)則的控制，它直接采用語言型控制規(guī)則，出發(fā)點是現(xiàn)場操作人員的控制經(jīng)驗或相關(guān)專家的知識，在設(shè)計中不需要建立被控對象的精確的數(shù)學(xué)模型，因而使得控制機理和策略易于接受與理解，設(shè)計簡單，便于應(yīng)用。
(2)由工業(yè)過程的定性出發(fā)，比較容易建立語言控制規(guī)則，因而模糊控制對那些數(shù)學(xué)模型難以獲取，動態(tài)特性不易掌握或變化非常顯著的對象非常適用。
(3)模糊控制是基于啟發(fā)性的知識語言，這有利于模擬人工控制的過程和方法，增強控制系統(tǒng)的適用能力，使之具有一定的智力水平。
(4)模糊控制的魯棒性強，尤其適合于非線性、時變及純滯后系統(tǒng)的控制。
3、單片機溫度控制系統(tǒng)組成
在溫度控制中，用單片機取代常規(guī)控制主要是用單片機代替控制儀表，用數(shù)字給定工藝參數(shù)，其一般組成如圖下圖所示。
單片機溫度控制系統(tǒng)的組成
火爐的溫度經(jīng)溫度傳感器轉(zhuǎn)換成mv級電信號，經(jīng)放大電路變換成0～5 V的電壓信號，通過多路開關(guān)送到A/D轉(zhuǎn)換器變換成數(shù)字量送單片機。單片機首先對它進行標(biāo)度變換，得支它所示、表示的溫度值。然后根據(jù)給定工藝參數(shù)和溫度反饋值，按預(yù)定控制算法進行調(diào)節(jié)運算，確定輸出控制量。控制量由D/A轉(zhuǎn)換成模擬電壓，經(jīng)功率放大后驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)控制火爐的進氣量，使?fàn)t子的溫度按規(guī)定的工藝曲線變化。
四、完成本課題所必須的工作條件
1、本課題運用到的了以下書籍：
[1]陳明熒 8051單片機課程設(shè)計實訓(xùn)教材 北京清華大學(xué)出版社
[2]胡漢才.單片機原理及其接口技術(shù)?? 北京清華大學(xué)出版社
[3]徐淑華等 單片機微型機原理及應(yīng)用 哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社
[4]范風(fēng)強等 單片機C5應(yīng)用實戰(zhàn)集錦? 北京電子工業(yè)出版社
[5]徐學(xué)峰主編.傳感器變送器測控儀表大全 北京機械工業(yè)出版社,
[6]謝新民,丁鋒編著.自適應(yīng)控制系統(tǒng) 北京清華大學(xué)出版社
[7]李士勇.模糊控制和智能控制理論與應(yīng)用 哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,
[8]高東杰等編著 應(yīng)用先進控制技術(shù) 北京國防工業(yè)出版社
[9]陶永華 新型PID控制及其應(yīng)用第二版 北京機械工業(yè)出版社
[10]戴伏生 基礎(chǔ)電子電路設(shè)計與實踐 國防工業(yè)出版社
[11]顧明文 可控硅溫控器的工作原理及故障維修 實驗室研究與探索
[12]鄭雪梅,姜成國,周廣銘.模糊PID控制器結(jié)構(gòu) 大慶石油學(xué)院報
[13]張化光,何希勤.模糊自適應(yīng)控制理論及其應(yīng)用 北京航空航天大學(xué)出版社
2、所需的實驗設(shè)備： 單片機實驗設(shè)備等
3、所需的計算機輔助高計軟件有：word2003，KEIL單片機程序編輯軟件，protel，CAD。
4、如果有條件本次畢業(yè)設(shè)計，本組同學(xué)想做一定的仿真實驗或是實際實驗。
五．設(shè)計(論文)完成進度計劃
第01周至第02周：查閱中英文資料，了解溫度系統(tǒng)以及單片機設(shè)計內(nèi)容，收集相關(guān)資料；
第03周至第03周：完成畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告，并開始進行畢業(yè)設(shè)計；
第04周至第08周：完成控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計；
第09周至第12周：完成控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計；
第13周至第13周：軟件和硬件的調(diào)試；
第14周至第15周：整理相關(guān)資料，完成畢業(yè)設(shè)計（論文）初稿
第16周至第16周：對初稿進行格式等的改良
第17周至第17周：畢業(yè)設(shè)計答辯。
六、指導(dǎo)教師審閱意見
該課題切合實際，具有實際的應(yīng)用價值，同意開題。
指導(dǎo)教師(簽字)： 年 月 日
七、教研室主任意見
教研室主任(簽字)： 系(簽章)
年 月 日
說明：
1. 本報告必須由承擔(dān)畢業(yè)設(shè)計(論文)課題任務(wù)的學(xué)生在接到“畢業(yè)設(shè)計(論文)任務(wù)書”、正式開始做畢業(yè)設(shè)計(論文)的第2周或第3周末之前獨立撰寫完成，并交指導(dǎo)教師審閱。
2.每個畢業(yè)設(shè)計(論文)課題撰寫本報告一份，作為指導(dǎo)教師、教研室主任審查學(xué)生能否承擔(dān)該畢業(yè)設(shè)計(論文)課題任務(wù)的依據(jù)，并接受學(xué)校的抽查。