基于模糊PID和單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

傅以盤(pán)

摘要：溫度控制系統(tǒng)在多種類(lèi)型的生產(chǎn)設(shè)備上都有應(yīng)用，并且系統(tǒng)運(yùn)行效果直接決定著生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定性與安全性，因此有必要優(yōu)化和改良溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)運(yùn)行效果?；诖?，本文介紹了一種基于模糊PID和單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，從硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩方面入手，對(duì)溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了全面分析和介紹。

關(guān)鍵詞：模糊PID;單片機(jī);溫度控制系統(tǒng);硬件;軟件

引言：模糊PID是一種現(xiàn)行控制，其核心基礎(chǔ)為PDI算法，將誤差e和誤差變化率ec作為輸入，利用模糊規(guī)則進(jìn)行模糊推理，從而通過(guò)查詢(xún)模糊矩陣表去調(diào)整參數(shù)，以此滿足不同時(shí)刻e和ec對(duì)PID控制的參數(shù)自整定要求。基于模糊PID和單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的彈性控制，境地溫度信號(hào)延遲以及滯后，進(jìn)而使得溫度控制系統(tǒng)模型更加穩(wěn)定，提高溫度控制系統(tǒng)的控制效果。

一、溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

（一）系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

基于模糊PID和單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于傳統(tǒng)的溫度控制系統(tǒng)，系統(tǒng)硬件電路大體一致，可以分為八個(gè)部分，分別為單片機(jī)控制模塊、溫度檢測(cè)模塊、電源穩(wěn)壓模塊、溫度設(shè)定模塊、過(guò)零檢測(cè)模塊、驅(qū)動(dòng)控制模塊、溫度蜂鳴報(bào)警模塊以及溫度LED現(xiàn)實(shí)模塊。需要根據(jù)溫度控制系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用需求以及所要達(dá)到的

控制效果進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，構(gòu)建一個(gè)完整且運(yùn)行高效的系統(tǒng)硬件電路[1]。溫度控制系統(tǒng)硬件連接方式如圖1所示。

（二）溫度傳感器選擇

基于PID和單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要設(shè)備包括傳感器、控制儀表、單片機(jī)等。其中，在選擇溫度控制系統(tǒng)傳感器的時(shí)候，要選擇結(jié)構(gòu)加單、可好性高的新型智能溫度傳感器，例如美國(guó)DALLAS半導(dǎo)體公司研發(fā)并推出的單總線器件DS18B20傳感器，具有“一線總線”以及經(jīng)濟(jì)適用等特點(diǎn)，可以更加容易組建傳感器網(wǎng)絡(luò)。該傳感器的溫度控制范圍在-55℃到125攝氏度之間，在-10℃到85℃區(qū)間范圍內(nèi)可以達(dá)到±0.5℃的測(cè)量精度。智能型溫度傳感器采用了符號(hào)擴(kuò)展的16位數(shù)字量方式，實(shí)現(xiàn)了串行輸出，溫度控制系統(tǒng)的抗干擾性得到了極大提升，可以適用于多種惡劣操作環(huán)境。

（三）溫度控制系統(tǒng)儀表功能要求

溫度控制系統(tǒng)的儀表選擇要具備以下幾種功能要求：第一可以認(rèn)為調(diào)整控制溫度值，溫度儀表可以自動(dòng)加熱到設(shè)定溫度并開(kāi)啟溫度保持。第二可以獨(dú)立實(shí)現(xiàn)測(cè)量電爐溫度，無(wú)需其它輔助設(shè)備支撐。第三要具備較高的運(yùn)行可靠性，需要適應(yīng)多種工作環(huán)境，降低故障率。第四要具備自動(dòng)加熱保護(hù)功能，提高儀表使用安全性，即在電爐實(shí)際溫度超過(guò)設(shè)定溫度時(shí)，溫度控制儀表需要自動(dòng)檢測(cè)溫度異常情況并做出斷電指令，做好超溫保護(hù)。第五是儀表拆裝、檢修方便、快捷，掌握基本電子知識(shí)的工作人員在閱讀使用說(shuō)明書(shū)后均可自行完成安裝或者維修[2]。

二、溫度控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

（一）溫度控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程

基于模糊PID和單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)使用了模塊化思想，將系統(tǒng)軟件分為了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)輸出、數(shù)據(jù)交互以及人機(jī)交互操作四個(gè)大的模塊。其中，數(shù)據(jù)采集模塊作為溫度控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)模塊，采用了AVR單片機(jī)自帶的A/D轉(zhuǎn)換器，需要將模擬PID的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式，并對(duì)數(shù)字形式的信號(hào)進(jìn)行濾波處理。而輸出模塊的設(shè)計(jì)則采用了模糊PID算法，通過(guò)分析和整理采集到的數(shù)據(jù)值，結(jié)合系統(tǒng)操作者設(shè)定的溫度數(shù)值，對(duì)其進(jìn)行整體計(jì)算，并通過(guò)AVR單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換為模擬量。溫度控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互模塊主要是利用單片機(jī)自帶的USB接口直接連接到單片機(jī)的芯片上，進(jìn)而得到U盤(pán)中的數(shù)據(jù)。溫度控制系統(tǒng)的人機(jī)交互操作模塊就是為了實(shí)現(xiàn)鍵盤(pán)、顯示器以及打印機(jī)之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和處理。溫度控制系統(tǒng)軟件的工作流程為開(kāi)始-系統(tǒng)參數(shù)自檢-系統(tǒng)初始化（系統(tǒng)自調(diào)整）-顯示畫(huà)面-采集數(shù)據(jù)濾波-顯示更新-模糊PID算法-控制溫度輸出-結(jié)束。溫度控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

（二）溫度控制系統(tǒng)模糊化處理

基于PID和單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)的模糊化處理，首先需要通過(guò)系統(tǒng)將獲取的信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)換，然后將操作人員根據(jù)生產(chǎn)需求設(shè)定的溫度值輸入到語(yǔ)言變量溫度差中，并與偏差變化率進(jìn)行對(duì)比，最后將輸出的信號(hào)變量作為PID參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)模糊化處理。在進(jìn)行模糊化處理的過(guò)程中，需要設(shè)置偏差的基本論域和偏差模糊集合論域。其中，模糊偏差變化率基本論域是偏差所取范圍內(nèi)的集合，需要通過(guò)計(jì)算獲取偏差精準(zhǔn)量，并將得到的精準(zhǔn)量進(jìn)行離散處理，離散后的數(shù)據(jù)量具有連續(xù)性特點(diǎn)，可以進(jìn)行檔數(shù)等級(jí)劃分。為了實(shí)現(xiàn)模糊化處理，在處理中需要將輸入量從基本論域轉(zhuǎn)化為模糊集合論域，并在量化因子的支持下完成。經(jīng)過(guò)模糊PID處理過(guò)的輸入值和輸出值可以組成包括負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中以及正大的模糊子集，并以此為基礎(chǔ)可以繪制成函數(shù)曲線。

（三）溫度控制系統(tǒng)模糊計(jì)算與運(yùn)行規(guī)則

在進(jìn)行溫度控制系統(tǒng)模糊計(jì)算和應(yīng)用時(shí)，為了獲得更好的動(dòng)靜態(tài)特性，需要在不同輸入?yún)^(qū)域內(nèi)使用模糊PID算法設(shè)置不同的參數(shù)，提高溫度控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性，并且需要從系統(tǒng)持續(xù)響應(yīng)時(shí)間和穩(wěn)態(tài)精準(zhǔn)度的角度出發(fā)，通過(guò)調(diào)節(jié)溫度控制系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的方式其影響整個(gè)系統(tǒng)的性能，提高溫度控制效果。一般情況下，模糊PID溫度控制的原則有三個(gè)，第一是如果溫度數(shù)值偏差較大時(shí)，溫度控制系統(tǒng)需要加快響應(yīng)速度，以此縮短持續(xù)響應(yīng)時(shí)間，預(yù)防偏差出現(xiàn)。在出現(xiàn)偏差以后，溫度控制系統(tǒng)就會(huì)因?yàn)檫^(guò)分飽和導(dǎo)致控制失效問(wèn)題，因此在選取PID參數(shù)時(shí)，需要選取一個(gè)較大參數(shù)作為上限，并以一個(gè)較小參數(shù)作為下限，另選一個(gè)參數(shù)為0[3]。第二個(gè)規(guī)則是在偏差和偏差變化率都在中等大小時(shí)，為了保證溫度控制系統(tǒng)的可控范圍保持不變，需要保證響應(yīng)速度一致，因此需要選取兩個(gè)較小參數(shù)和一個(gè)中等參數(shù)值。第三個(gè)規(guī)則為數(shù)值偏差較小時(shí)，為了提高溫度控制系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性，需要選擇兩個(gè)較大的參數(shù)值。另外，為了區(qū)別輸出響應(yīng)值和設(shè)定值，需要提高溫度控制系統(tǒng)的抗干擾能力，在偏差率較小的情況下需要選擇最大值作為參數(shù)，偏差率較大時(shí)，參數(shù)應(yīng)該選擇最小值。

三、結(jié)論

總之，基于模糊PID和單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要結(jié)合傳統(tǒng)的溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，利用先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念和技術(shù)，充分利用模糊PID算法，發(fā)揮出模糊PID算法的優(yōu)勢(shì)，提高溫度控制系統(tǒng)的運(yùn)行智能化和靈活性，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、處理，溫度智能控制，控制結(jié)果實(shí)時(shí)顯示等功能，進(jìn)一步提高溫度控制系統(tǒng)運(yùn)行效果，優(yōu)化系統(tǒng)工藝，簡(jiǎn)化系統(tǒng)操作流程，增加經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉家琪，劉嵩，韋亞萍，李坤，張齊松.基于單片機(jī)的PID溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].湖北民族學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2019，37（02）：219-222.

[2]王欣峰，任淑萍.基于模糊PID的AVR單片機(jī)智能溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2018，41（15）：179-182+186.

[3]童宥維，孫歆鈺.基于模糊PID的通用中檔單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].信息通信，2016（08）：78-79.