PIC的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

王文濤

【摘要】對于室內(nèi)空調(diào)、汽車空調(diào)這類強非線性系統(tǒng)，智能控制系統(tǒng)更加適用。本文利用模糊控制原理，對其在溫度控制系統(tǒng)的控制進行詳細介紹，結(jié)果表明具有較高的控制精度，分別從硬件及軟件設(shè)計兩個方面進行了闡述，對控制系統(tǒng)的控制單元進行了設(shè)計，采用PIC單片機作為控制單元處理器，對控制規(guī)則進行了設(shè)計。系統(tǒng)具有電路簡單、可靠性高、抗干擾能力強等。

【關(guān)鍵詞】模糊控制;溫度控制;PIC

1.引言

溫度控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于社會生活的各個領(lǐng)域，如家電、汽車、材料、電力電子等，常用的控制電路根據(jù)應(yīng)用場合和所要求的性能指標(biāo)有所不同，在工業(yè)企業(yè)中，如何提高溫度控制對象的運行性能一直以來都是控制人員和現(xiàn)場技術(shù)人員努力解決的問題。同時，模糊控制在溫度控制中的作用也越來越成熟，而且大大提高了控制精度和電子產(chǎn)品的運行效率。

本文就是利用模糊控制對其進行了研究，硬件上選用了Microchip的PIC單片機，最大的優(yōu)點是引腳少、功能強、可直接驅(qū)動LED負(fù)載;具有低功耗工作方式，外圍配置簡單提高了整機的可靠性;并且具有較強的抗干擾性，極大地調(diào)高了抵御外界的電磁干擾和本機控制電路的電磁干擾的能力。系統(tǒng)具有電路簡單、可靠性高、抗干擾能力強等優(yōu)勢。

2.模糊控制理論介紹

2.1 模糊理論簡介

模糊系統(tǒng)理論是由美國自動控制理論專家L.A.Zadeh于1965年創(chuàng)立的。[1]隨著模糊控制系統(tǒng)在工業(yè)界得成功應(yīng)用，越來越多的學(xué)者都對模糊系統(tǒng)及其理論進行了廣泛的研究和應(yīng)用，使其在各個領(lǐng)域取得了迅速的發(fā)展。如今，因其簡單而有效地控制功能，模糊控制（Fuzzy Control）已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)。由于模糊邏輯本身提供了由專家構(gòu)造語言信息并將其轉(zhuǎn)化為控制策略的一種體系理論方法，因而能夠解決許多復(fù)雜而無法建立精確數(shù)學(xué)模型系統(tǒng)的控制問題，所以它是處理推理系統(tǒng)和控制系統(tǒng)中不精確和不確定性的一種有效方法。從廣義上講，模糊控制是基于模糊推理，模仿人的思維方式，對難以建立精確數(shù)學(xué)模型的對象實施的一種控制策略。它是模糊數(shù)學(xué)同控制理論相結(jié)合的產(chǎn)物，同時也是只能控制的重要組成部分。一般說來，模糊器有三個主要的功能模塊。將變量的實際變化范圍化分成若干等級，這些等級的全體成為變量的論域。

2.2 模糊化[2]

事實上，模糊化是將模糊控制器輸入量的確定值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模糊語言變量值的過程，而模糊語言變量值是一個模糊集合，所以模糊化方法應(yīng)給出從精確量到模糊集合的轉(zhuǎn)變方法。從理論上講，模糊控制器的維數(shù)越高，即輸入變量個數(shù)越多，控制越精細。但維數(shù)過高，模糊控制規(guī)則變得過于復(fù)雜，控制算法實現(xiàn)相當(dāng)困難。[3]所以選擇溫度的偏差E，和偏差變化率EC作為模糊器的輸入，輸出變量為控制量U即溫度控制量，溫度控制量越大，溫度就上升得越快。

模糊控制器的確定量輸入必須經(jīng)過模糊化接口進行模糊化，這樣轉(zhuǎn)化成模糊矢量，模糊化等級是可以設(shè)定。例如將[a，b]之間的連續(xù)量x可以經(jīng)過變化后就可轉(zhuǎn)化成模糊化等級，若連續(xù)變量x的值在[a，b]之間，可以由公式：

就變?yōu)檫B續(xù)的變量y，且y的取值范圍在[-m/2，m/2]之間，輸入輸出變量的狀態(tài)劃分為“正大、正中、正小、零、負(fù)小、負(fù)中、負(fù)大”七個檔次來描述，分別用英文字母PL，PM，PS，NO，PO，NS，NM，NL表示之。

溫度設(shè)定值的范圍定為15℃到28℃，定義溫度偏差E的論域為[-20，20]，溫度偏差變化率EC的論域為[-4，4]，風(fēng)門電機的輸出量U的論域為[0%，100%]（0%表示最大制冷，100%表示最大采暖）。對E，EC和U的模糊狀態(tài)E，EC和U的整數(shù)論域分別定義如下：E和EC的論域為：{-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4}U的論域為：{-5，-4，-3，-2，-l，0，l，2，3，4，5}。因此，量化因子Ke=4/20=0.2，Kc=4/4=l，Ku=l/10=0.1。E和EC的模糊集均為：{NB，NS，ZE，PS，PB};U的模糊集為：{NB，NM，NS，NO，PO，PS，PM，PB}。

隸屬度函數(shù)的建立有一定的原則，模糊控制過程對于語言變量值的隸屬度函數(shù)形狀并不敏感，只是對隸屬度數(shù)的范圍有一定的敏感，所以在控制中選用三角形或梯形的隸屬函數(shù)是較為合適的，有利于計算隸屬度。經(jīng)過分析本設(shè)計輸入和輸出的隸屬度均采用三角函數(shù)。

經(jīng)過以上的分析，通過MATLAB對其進行仿真后得到模糊控制輸出曲面如圖1，由圖可以看出，其輸出比較平滑，不會帶被控制量發(fā)生太大的變化從而導(dǎo)致溫度的大起大落。

圖1 模糊控制輸出曲面

2.3 模糊控制推理及控制規(guī)則

模糊控制器的控制規(guī)則是基于手動控制策略，手動控制過程一般是通過對被控對象的一些觀測，操作者再根據(jù)己有的經(jīng)驗和技術(shù)知識，進行綜合分析并做出控制決策，調(diào)整加到被控對象的控制作用，從而使系統(tǒng)達到預(yù)期的目標(biāo)?？梢圆捎梦C完成這個任務(wù)，從而代替人的手動控制，實現(xiàn)所謂的模糊自動控制。采用IF A and B then C為模糊控制規(guī)則，其中A為溫差E的模糊子集，B為溫差變化率EC的模糊子集，C為溫度控制增量U的模糊子集。根據(jù)溫度變化的參數(shù)特點和現(xiàn)場實際操作經(jīng)驗及專家的知識理論總結(jié)出模糊控制規(guī)則表例如：

IF E=NB and EC=NB then U=NB，IF E=NB and EC=NS then U=NM

……

2.4 精確化

模糊控制器的推理結(jié)果是模糊量，由于模糊量是一個模糊子集，而實際被控對象所需的控制信號是精確值，所以模糊控制器的推理輸出是不能直接用作實際控制的，為了從推理結(jié)果中取得用于控制的精確量，需要對模糊推理結(jié)果進行一定的處理。

因為論域為離散的，模糊控制規(guī)則集可以表示為一個模糊矩陣R[4]：

由模糊器輸入模糊矢量E/和EC/以及模糊矩陣R可求出輸出模糊矢量U/：

根據(jù)重心法原則：

對輸出模糊量進行判決，式中是的隸屬度。在實際控制u/中往往要乘上比例因子Ku以后去控制輸出即u=k×u/。利用以上原理計算得到的控制表。[5]

圖2 硬件電路設(shè)計圖

圖3 系統(tǒng)軟件設(shè)計圖

3.硬件設(shè)計

控制器選用Microchip公司推出的8位單片機PIC16F877A，PIC系列單片機采用哈佛總線結(jié)構(gòu)，徹底將芯片內(nèi)部的數(shù)據(jù)總線和指令總線分開，大大提高了CPU的執(zhí)行指令速度和工作效率;其采用高性能的RISC CPU核心;優(yōu)先選取使用頻率最高的簡單指令，避免復(fù)雜指令，采用控制邏輯為主的設(shè)計理念。采用更為簡單的尋址方式，功耗低，驅(qū)動能力強，采用了低功耗、高速CMOS Flash/EEPROM技術(shù);支持中斷處理;引腳可吸入或提供電流高達25mA;三個定時計數(shù)器可供使用;2個集捕捉、比較、脈寬調(diào)制功能于一身的CCP模塊等強大功能。[6]硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2所示。溫度傳感器采用數(shù)字傳感器DS18B20，獨特的單線結(jié)構(gòu)，不需外部元件，不需備份電源，測量范圍廣，9位數(shù)字值方式讀取溫度，克服了模擬式傳感器與微機接口需要的A/D轉(zhuǎn)換電路及其復(fù)雜的外圍電路使得外圍測控電路特別簡單，成本低、體積小、可靠性高。驅(qū)動器采用TB6560HQ驅(qū)動芯片制成的驅(qū)動器，可以直接輸入PWM形式的脈沖，具有正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止功能，通過軟件控制運作形式即可控制電動機功能。

4.軟件設(shè)計

軟件部分主要設(shè)計了模糊控制部分。主要有系統(tǒng)溫度采集、模糊化、查表、精確化四部分。軟件部分首先判斷溫差是否在模糊控制的范圍之內(nèi)，如果大于最大的，就令其為最大的，相反如果小于最小的就令其為最小的;其次判斷溫差變化率，溫差變化率的判斷和溫差是相同的。判斷完成后，進入查表，查表后輸出模糊控制量，對控制量進行存儲。

5.結(jié)語

本文對模糊理論在溫度控制系統(tǒng)進行詳細介紹，對控制系統(tǒng)的硬件和軟件部分分別作了設(shè)計，具有較高的控制精度，控制系統(tǒng)工作穩(wěn)定。

參考文獻

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[3]竇振中.模糊邏輯控制技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1995：99-105.

[4]李友善，李軍.模糊控制理論及其在過程控制中的應(yīng)用[M].北京：國防工業(yè)出版社，1993：80-95.

[5]劉克.汽車空調(diào)系統(tǒng)中溫度和氣流調(diào)節(jié)的控制[J].機電技術(shù)，2007，2.

[6]張明，劉岑俐.基于PIC單片機和DS18B20的溫度測量系統(tǒng)設(shè)計[J].電子測試，2010（04）：54-57.