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溫度是工業生產過程中重要的物理量，尤其在冶金、機械、食品、化工等工業中，對工件的處理溫度都要求嚴格控制,對溫度的精確度和穩定性均有較高要求，溫度的測量與控制直接關系到企業的生產利益甚至存亡。 目前在國內外很多溫度控制系統都采用ARM 作為處理器，PID 作為溫度控制方式[1]。該控制方式對大多數控制對象均可達到滿意的控制效果，但對于有特殊要求或具有復雜對象特性的系統，采用數字PID控制一般難以達到目的。基于溫度變化的非線性與模糊控制魯棒性強、干擾和參數變化對控制效果的影響較小，尤其適合于非線性、時變及純滯后系統的控制，將PID與模糊控制相結合來實現對溫度的控制。 因此,本文以熱水器為對象，運用系統控制理論，以模糊控制與數字PID控制相結合方式進行溫度控制系統的設計。 1 整體方案設計 系統采用晶控電子的STC系列單片機進行下位機溫度控制，同時采用PC機進行上位機控制。上位機首先給下位機發出命令，下位機再根據此命令解釋成相應時序信號直接控制相應設備。下位機不時讀取設備狀態數據，轉化成數字信號反饋給上位機。下位機實現現場實時控制，上位機實現遠程實時監控。 系統的實現采用模塊化設計思想,分別從硬件、軟件來設計并綜合應用。硬件分為溫度檢測模塊、輸入輸出模塊、串口通信模塊及加熱模塊幾個部分;軟件由上下位機同時控制,包括溫度采集子程序、液晶顯示子程序、鍵盤輸入子程序、模糊PID控制子程序、串口通信子程序等。設計主要針對控制算法來實現，系統總體設計方案如圖1所示。 2 硬件電路設計 2.1溫度檢測模塊 DS18B20是DALLAS公司生產的數字溫度傳感器,溫度測量范圍為-55℃～+125℃,測溫分辨率可達0.062 5 ℃，它集溫度測量與A/D轉換于一體，直接輸出數字量，傳輸距離遠，可以實現多點檢測，硬件結構簡單，避免了傳統熱電偶、熱電阻模擬信號到數字信號轉換、硬件結構復雜、成本高的缺點，其電路連接如圖2所示。 2.2 串口通信模塊 接口RS232是用正負電壓來表示邏輯狀態的，而單片機采用正邏輯TTL電平，因此必須在此分立元件實現電平和邏輯關系的變換。通信電路中，下位機串口使用查詢法接收和發送資料，上位機發出指定字符，下位機收到后返回給上位機原字符，其電路連接如圖3所示。 2.4 加熱模塊 系統的加熱過程通過單片機控制繼電器的開關來實現，當檢測溫度與設定溫度有差距時繼電器處于接通狀態，加熱器持續加熱，當檢測溫度與設定溫度一致時，繼電器處于斷開狀態，加熱器停止加熱。繼電器電路連接如圖5所示[2]。 3 軟件設計 3.1模糊PID控制算法 模糊PID控制是找出Kp、Ki、Kd與E、Ec之間的模糊關系，通過不斷檢測E和Ec，根據模糊推理對Kp、Ki、Kd進行在線修改，滿足了不斷變化的E、Ec對控制參數的要求，從而使被控對象具有良好的動、靜態性能。模糊PID結構圖如圖6所示。模糊PID控制器的調整規則是[3]： (1)當E較大時，為加快系統響應速度，應取較大的Kp和較小的Kd，由于積分太強會使系統超調加大，因而要對積分作用加以限制，通常取Ki=0或者較小值; (2)當E和Ec中等大小時，為減少系統超調并保證一定的響應速度，Kp應適當取小些，同時Kd的取值對系統影響很大，也應取小些，Ki的取值要適當; (3)當E較小時，為減小穩態誤差，Kp與Ki應取得大些，而Kd的取值要適當，取值不當會引起系統震蕩。其原則是：當Ec較小時，Kd取大些，當Ec較大時，Kd取較小的值，通常Kd為中等大小。 3.2 下位機程序流程圖 下位機采用keil軟件，C語言進行程序的編寫，采用STC-ISP進行軟件燒寫，程序流程圖如圖7所示。 3.3 上位機界面顯示 上位機采用VB6.0對溫度監控界面進行編寫，通過界面可以選擇不同的串口進行通信，在不同時間可以通過多個溫度檢測器對不同熱水器進行溫度檢測并自行設定溫度,界面可以實時顯示溫度變化曲線如圖9所示。 本系統將單片機與模糊PID控制相結合，不僅單片機控制效果顯著而且易于操作，還實現了智能控制與常規PID控制兩者的優點:它具備自學習、自適應、自組織的能力，能夠自動識別被控過程參數，自動整定控制參數，能夠適應被控過程參數的變化;它又具備常規PID控制器結構簡單、魯棒性強、可靠性高、為現場設計人員所熟悉等特點，較易應用與推廣。 |
