基于单片机的模糊PID炉温控制系统设计和实现电气自动化专业.docx

摘 要 电热炉是在工业热处理的生产中广泛使用的一种设备，电热炉的温度控制系统存在时变性，非线性，滞后性等特征，难以用常规PID的控制器对系统达到很好的控制效果。当控温精度的要求高时，使用传统的控制理论方法难以达到理想控制效果。因此，将模糊控制规则加入对PID参数的调整，使炉温的控制效果得到良好的提升。 本文借助MATLAB下的Simulink工具箱来对照观察仿真图像，对常规PID控制和模糊PID控制方法进行仿真的分析。通过实验结果可以看出当采用常规PID进行控制时，只能满足最基本的控制要求，但存在许多缺陷像超调量大、前期震荡大等。采用模糊PID控制时，系统的控制变得更加稳定，调节时间缩短且超调量小等性能指标，模糊PID控制方式比传统PID控制方式有更加出色的控制效果，最终希望模糊PID控制方式在实际中有更深入的应用，促进本理论在控制炉温应用方面的推广和发展。 本文在硬件的设计上，给出了硬件系统各个模块的设计，系统以AT89C51位核心，研究一种基于模糊PID控制的温度控制系统。 关键词 模糊PID 仿真 温度控制 AT89C51单片机 Abstract Electric heating furnace is a kind of equipment which is widely used in the production of heat treatment industry, electric heating furnace temperature control system in the presence of degeneration, and the nonlinear, hysteretic characteristics, it is difficult to conventional PID controller on the system reached a good control effect. When temperature control accuracy is high, the ideal control effect is difficult to achieve with the traditional control theory.. Therefore, the fuzzy control rule is added to the PID parameter adjustment, the control effect of temperature to get good ascension. With the help of MATLAB Simulink toolbox to control observation under simulated images on conventional PID control and fuzzy PID control method simulation analysis. The experimental results can be seen when using conventional PID control, we can only meet the most basic control requirements, but there are a number of drawbacks as large overshoot, pre-shock and large. When using fuzzy PID control, control system becomes more stable, adjust the time by a small overshoot and other performance indicators, fuzzy PID control has better control performance than traditional PID control, and ultimately hope fuzzy PID control method in actual there are more in-depth application, to promote this theory in furnace temperature control applications in the promotion and development. In this paper, hardware design, each module is given hardware system design, system AT89C51-bit core, the development of a temperature control system based on fuzzy PID control. Keywords Fuzzy PID Simulation Temperature Control AT89C51 Microcontroller 目 录 摘要…………………………………………………………………………………I Abstract…………………………………………………………………………II 1 绪论……………………………………………………………………………1 1.1课题研究目的和意义…………………………………………………………1 1.2对国内外发展现状的追踪……………………………………………………2 2 模糊控制的原理………………………………………………………………3 2.1 模糊控制系统………………………………………………………………………3 2.1.1 模糊控制系统的基本概念……………………………………………3 2.1.2 模糊控制系统组成……………………………………………………4 2.1.3 模糊控制基本原理……………………………………………………4 2.2 模糊PID复合算法……………………………………………………………5 2.3 PID控制器……………………………………………………………………6 2.3.1 PID控制的发展…………………………………………………………6 2.3.2 PID控制理论……………………………………………………………6 2.4 PID参数对系统的影响………………………………………………………7 2.5 PID控制方法的优缺点………………………………………………………8 3 MATLAB简介…………………………………………………………………10 3.1 MATLAB的概述………………………………………………………………10 3.2 SIMULINK仿真工具简介……………………………………………………10 3.3 SIMULINK仿真流程…………………………………………………………11 4 电热炉的温度的模糊PID智能控制算法与仿真实验………………12 4.1 模糊PID温度智能控制器设计 ……………………………………………12 4.2模糊PID控制算法仿真实验研究……………………………………………14 4.3 PID温度控制与模糊PID温度控制的仿真比较……………………………17 5 模糊PID系统的温度控制的硬件设计…………………………………19 5.1 系统硬件电路的构成 ……………………………………………………………19 5.1.1 采样电路…………………………………………………………………19 5.1.2声光报警电路……………………………………………………………20 5.1.3按键与显示电路设计……………………………………………………21 5.1.4 A/D转换模块 ……………………………………………………………22 5.2 单片机系统电路 ……………………………………………………………23 6 总结…………………………………………………………………………………25 附录…………………………………………………………………………………26 致谢………………………………………………………………………………………27 参考文献………………………………………………………………………………28 VII 1 绪 论 1.1 课题研究目的和意义 在日常的工业生产过程中，有各式各样的被控对象，在科学实验和日常工业生产的过程中温度是一个必须的物理参数。为了提高生产效率，需要对系统诸如温度、液位、空气流速等主要参数进行必要的控制。温度控制在生产中占有比较大的比重，主要在测温与控温两个方面。温度控制的核心部分是对温度进行测量，已有比较成熟的技术。在对于温度的控制方面，随着控制对象涵盖的东西越来越多，还存在着各种各样的不足。现在科学研究领域的一个重要方向是如何提高系统的控制性能，实现对不同系统的控制要求。温度控制通常意义上指的是对一个固定的空间中的温度实行控制和调节，使其满足特定的工艺过程指标。对于电锅炉工作温度的控制方法是本文的主要研究目标[1]。 电锅炉是一种可以把电能转化为热能的装置，它拥有简单的构造、自动化程度较高、污染低等特点。和传统的通过燃烧煤与石化产品来工作的锅炉相比还具有操作方面、投资少、占地面积小、能量转化率高、热效率高等优点[2]。近年来，供热采暖设备已经大部分采用电锅炉。 锅炉控制是典型的过程控制的一种，具有惯性大延迟高的动态特性特点，并且还有非线性的特性[3]。目前基本采用开关来控制或者是通过人力对电热锅炉进行控制。使用这些方法会让系统无法具有良好的稳定性，会具有很高的超调量，同时无法对外界环境的变化做出及时的响应，系统的实时性效果差。并且高频率的切换开关会使电网产生一定的波动，不仅使系统能够产生的经济利润变少，还会使缩短锅炉的寿命[4]。 通过模糊集合论，将人在操作时的控制策略通过算法语言转变成计算机能够接收的算法。但它控制的输出是确定的，它可以实现控制，还能模拟出人类的思维方式，以此控制一些不能通过数学模型描述的对象。“模糊概念”更符合人思维的观察，理解和运行的方式，也与客观对象和事物的模糊性相符。“模糊控制”的特点就是通过“语言型”决策来控制系统。所以，研究出一种能够提高系统的效益，增加系统的稳定性的电锅炉的控制方法非常必要。 1.2 对国内外发展现状的追踪 伴随着计算机的控制技术越来越完善，温度控制已经广泛的应用于工业的相关生产领域，还产生了很高的利润与社会资源[5]。随着所属领域的变化，系统对应的环境、目标还有成本等要求是不同的，所以有必要依要求的具体条件来设计对应的系统，才能使控制的效果最好，在商业运营和工厂实际的生产中对恒温环境进行自动化控制是非常重要的一个课题的研究。 当前我国在关于恒温控制技术的发展水平基本是二十世纪八十年代的水准，基本以生产点位控制和常规的PID的控制器为主[6]。这种控制器只可以用于对一般的温度系统进行控制，对复杂的、时变的和有滞后特性的系统的温度方面难以完成控制。对于需要使用智能化和自适应来对系统进行控制的场合，国内的技术还达不到相应的要求，很少有能组成产业链并能够广泛得到使用的控制仪表。从不同的方面来看，国内用于恒温箱的仪器和仪表还有着很大的不足[7]。由于长时间无法解决控制器的稳定性，对我国相联系的产业发展产生不利的影响。我国自产的大型仪器还没有办法达到一定的水平，我国需要