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1、AT89C2051在自适应模糊PID温度控制器中的应用 刘文慰,葛锁良 (合肥工业大学电气与自动化工程学院,安徽省合肥市230009) 【摘 要】 介绍了以AT89C2051单片机为核心的自适应模糊PID温度控制器的设计,并将其应用 到制袋机温度控制上。该系统具有线路简单、 性能可靠的特点,在实际中已成功应用。 关键词:温度控制器,单片机,模糊控制,自适应, PID控制 中图分类号:TM571 , TP214 收稿日期: 2003208221 0 引 言 温度是工业生产和科学实验中的重要参数之一, 具有非线性、 强耦合、 时变、 时滞等特性。在化工、 冶 金、 工业炉窑等工业生产中,对温度的控
2、制直接影响到 许多产品的质量及使用寿命。本系统应用于制袋机 中,温度是一个大的滞后系统,且受多种因素的影响, 这些因素的变化范围虽然不大,但它们是不确定的,所 以采用自适应模糊PID控制。自适应模糊PID控制系 统能在控制过程中对不确定的条件、 参数、 延迟和干扰 等因素进行检测分析,采用模糊推理的方法实现PID 参数KP、KI和KD的在线自整定,不仅保持了常规PID 控制系统原理简单、 使用方便、 鲁棒性较强等优点,而 且具有更大的灵活性、 适应性,控制精度更好 1 。 1 模糊温度控制器的工作原理 首先,通过4个拨码盘设定想要控制达到的温度, 其中前3位依次为百位、 十位、 个位,最后1位
3、为小数 点后的一位。单片机上电复位后,程序开始运行。 CPU通过AD转换器T LC1543显示采样得到的温度, 温度显示部分通过4个数码管显示。温度采样全部在 中断程序中进行。每隔固定的时间,CPU读入采样得 到的温度并进行处理。控制器采用自适应模糊PID控 制,具体实现是CPU对采样得到的温度进行处理后, 得出相应的误差和误差变化率,然后通过查询模糊决 策表取得控制量,再经计算得出控制输出量,从而去控 制固态继电器的导通和关断,来改变交流电的导通时 间,达到稳定控制温度在给定值的要求。 实际应用中,温度远未达到给定要求的温度时,为 保证最大的升温速度,采用全功率升温,所以要全速加 热,接近给
4、定要求的温度时才采用自适应模糊PID控 制。本系统在- 6+ 6 时才采用模糊控制。 单片机自适应模糊PID温度控制系统的电路原理 如图1所示。 图1 温度控制电路原理 2 自适应模糊PID控制系统结构与设计原则 2.1 自适应模糊PID控制系统结构 自适应模糊PID控制系统结构主要由参数可控式 PID和模糊控制系统两部分组成,其结构如图2所示。 参数可控式PID完成对系统的控制,模糊控制系统实 现对PID的3个参数的自动校正。 图2 自适应模糊PID控制系统框图 通常,数字式PID控制器可以用以下函数表示: u(k ) = KPe(k ) + KI K j= 0 e(i ) + KDec(k
5、)(1) 式中:e(k)为系统误差;ec(k)为系统误差变化率;KP 为比例作用系数,影响系统的响应速度和精度;KI为 积分作用系数,它影响系统的稳态精度;KD为微分作 用系数,影响系统的动态特性。 应用模糊集合理论建立参数KP、KI和KD与系统 误差绝对值|e|和误差变化率绝对值|e|之间的二元 连续函数关系,并用模糊控制器根据不同的|e|和|ec| 在线自整定PID参数,是控制系统设计的核心。 02 第30卷第1期 2004年1月 电 子 工 程 师 ELECTRONIC ENGINEER Vol.30 No.1 Jan.2004 1995-2005 Tsinghua Tongfang O
6、ptical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 2.2 自适应模糊PID设计原则 a) 当|e|较小时,为使系统具有较好的稳定性能, KP与KI均应取得大些;同时,为避免系统在设定值附 近出现振荡,KD值的选择根据|ec|值较大时,KD取较 小值。通常KD为中等大小。 b) 当|e|处于中等大小时,为使系统响应具有较 小的超调,KP应取得小些。在这种情况下,KD的取值 对系统响应的影响较大,所以KI的取值要适当。 c) 当|e|较大时,为使系统具有较好的跟踪性能, 应取较大的KP与较小的KD。同时,为避免系统响应 出现较大超调,应限制积分作用,通常取KI=
7、 0。 3 自适应模糊PID控制器的设计 模糊控制有多种方法,本系统采用查表法,模糊决 策表放在AT89C2051的闪烁存储器中。为达到精确无 振荡控制,当温度偏差|e|E时转入自适应模糊PID 控制,在系统实现时,可利用直觉和经验来制定模糊控 制规则,根据调试结果修正模糊控制规则 2 。 系统采用二输入三输出模糊控制器。设模糊变量 为: a) 输入量:|e|为温度误差绝对值,|e|为温度误 差变化绝对值; b) 输出量:KP,KI,KD。 式(1)中u(k)的计算很复杂,严重浪费内存,所以 对式(1)作一些变动。考虑到第k- 1次采样时有: u(k- 1) =KPe(k- 1) +KI K-
8、 1 j= 0 e(i ) + KDec(k- 1) (2) 式(1)减去式 (2) , 整理后可得: u(k ) = u(k- 1) +a0e(k ) - a1e(k- 1) +a2e(k - 2) (3) 式中,a0=KP+KI+KD;a1=KP+ 2KD;a2=KD。 3.1 输入信号的模糊量化 输入信号的模糊量化是把输入给模糊控制器的精 确量转换为控制规则所需的模糊量。首先将输入偏差 和输入偏差变化以及输出控制量全部规范化,即利用 公式y= 12x - ( a+b)2(b-a)将在区间a,b 内变化的量x转换为在区间 - 6 ,6内变化的量y。 设偏差|e|的语言变量为E,其相应的模糊
9、子集为Ai (i= 1 ,2 ,3 ,4) ,论域为X,划分为7个等级;又设偏差 变化|ec|的语言变量为EC,其相应的模糊子集为Bj(j =1 ,2 ,3 ,4) ,论域为Y,划分为7个等级;输出控制量 KP、KI、KD的语言变量均为U,其相应的模糊子集为 Ck(k= 1 ,2 ,3 ,4) ,论域为Z,划分为7个等级 3 。我 们设定E、EC、U的论域均为:0 ,1 ,2 ,3 ,4 ,5 ,6。它们 对应的模糊语言子集均为ZO(零) ,PS(正小) ,PM(正 中) ,PB(正大 ) 。隶属函数采用三角型隶属函数 4 。 3.2 模糊推理 模糊推理采用双输入单输出的方式,控制规则由 下列
10、推理语言构成: IfAiandBjthenCk 其中:1i7 ,1j7 ,1k7。 根据经验,可分别总结出模糊控制器的控制规则, 如表1表3所示。 表1 KP控制规则表 |ec| e ZOPSPMPB ZOZOPSPMPB PSPBPBPMPB PMPBPBPMPB PBPMPMPSPS 表2 KI控制规则表 |ec| e ZOPSPMPB ZOPBPMZOZO PSPBPMZOZO PMPBPBPSZO PBPBPMPSZO 表3 KD控制规则表 |ec| e ZOPSPMPB ZOZOPSPMPB PSZOPSPMPB PMZOPSPMPB PBZOZOPMPS 根据表1表3的控制规则,按
11、式(4)、 式(5)进行 模糊推理。 RK(U) = minEi(E ) , EC j (EC ) , U k (U ) (4) R(U) = maxR k (U ) (5) 3.3 模糊控制量的精确化 模糊量的精确化又称解模糊,目前常用的方法有 最大隶属度法、 中位数法和加权平均法。其中加权平 均法应用较为广泛 3 ,其计算公式如下: 输出量= U KiUi U Ki (6) 式中:取Ki=(Ck)。 采用式(6)所示的加权平均法,对每个模糊子集R 进行去模糊化,可分别得出对应于每组E和EC的 12 第30卷第1期 刘文慰,等:AT89C2051在自适应模糊PID温度控制器中的应用 微电子与
12、基础产品 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. KP、KI、KD。由式(4)式(6)计算可得出模糊判决表, 将该表存入存储器中,供软件查询使用。系统运行时, 根据每一时刻的E、EC可在模糊判决表中查出相应的 输出控制量KP、KI、KD,进而求出控制输出量U。 4 模糊控制器在单片机中的实现 4.1 硬件设计 4.1.1 单片机端口分配 AT89C2051的P14、P15、P16用于温度检测电路, 它们分别与T LC1543的CS、IO CLOCK和DATAOUT的 管脚相连;P17、P37
13、用于两个工作指示灯和控制双向 可控硅; P10P13、P32P35用于拨码盘输入电路; P30、P31用于数码管温度显示电路。 4.1.2 温度检测电路 温度检测电路由铂热电阻传感器Pt100、 电桥取样 电路、 电压信号放大器ICL7650以及AD转换器 T LC1543等组成。Pt100的阻值随温度而变化,并且有 较好的测量精度。系统要求测量温度范围为25 300,完全满足要求。温度变化时Pt 100的阻值会 相应变化,通过电桥取样电路,将阻值随温度的变化量 转换成电压信号送入前级放大器。再通过T LC1543的 模拟输入端A0将模拟量转换为数字量后送入CPU , T LC1543的其它模
14、拟输入端A1A10接地。 4.1.3 拨码盘给定输入电路 拨码盘作为数字输入,操作简单,直接明了,其值 以硬件方式保存,计算机可以随时通过码盘输入口读 入码盘值,这有利于存放在RAM中的给定值的保护, 同时,操作人员也可以很方便地修改码盘值。本系统 使用4个拨码盘,以设定想要控制达到的温度,其范围 为25300,设定温度精度可达到1。 4.1.4 数码显示输出电路 4位LED七段显示器、4个74LS164和三端可调稳 压器LM317组成温度显示电路,前3位依次为百位、 十 位、 个位,最后1位为小数点后的一位。两个发光二极 管为工作、 升温的状态信号灯。 4.1.5 可控硅控制电路 通过固态继
15、电器后控制可控硅的关断,从而改变 交流电的导通时间、 改变加热炉的加热时间来达到稳 定控制温度在给定值的要求。 4.2 软件设计 为了便于程序的使用与维护,全部程序采用模块 化结构,由一个主程序和若干子程序组成。其主程序 流程如图3所示,定时中断子程序流程如图4所示。 各子程序均能很快返回主程序,不会发生子程序时间 过长等问题,子程序对相关事件的处理靠标志位和判 断标志位来完成。主程序通过调用各个子程序来完成 所有的温度控制器功能 4 。 图3 主程序流程 图4 定时中断子程序流程 初始化子程序主要完成对各子程序所用标志初始 化,完成单片机端口、 控制寄存器、 定时器、RAM单元 的初始设定工
16、作以及开定时中断。拨码盘读取子程序 将设定的温度值读入单片机,并保存在特定的存储单 元。数码管显示子程序将显示缓冲区的值通过查表将 相关代码送入数码管显示。温度读取子程序将采样后 处理过的温度值送入显示缓冲区中,等待显示。温度 检测通过温度采样、AD转换子程序和数字滤波完成。 AD转换子程序通过CPU控制T LC1543来进行。数字 滤波采用中值平均滤波法。温度值存入相应的存储单 元。模糊化子程序将温度值按模糊控制要求进行处 理,得出温度误差和误差变化,为模糊推理做准备。模 糊推理子程序采用查表法,模糊决策表存放在单片机 的闪烁存储器中,它是一张二维表,由E和EC可查表 得出控制量KP、KI、
17、KD,进而求出控制量U。可控硅 控制子程序由控制量U控制固态继电器的导通和关 断,从而改变交流电的导通时间,达到稳定控制温度在 给定值的要求。 5 结束语 本文介绍以ATMEL单片机AT89C2051为核心的 自适应模糊PID温度控制器的设计,该控制器具有线 路简单、 性能可靠的特点,在实际中已成功应用。 参 考 文 献 1沈祖翼.用模糊控制的人造水晶单片机温度控制系统.电 气传动,2001 ,31(4) :3739 2王福瑞.单片微机测控系统设计大全.北京:北京航空航 天大学出版社,1998. 379384 3张志君,孙旭东.模糊控制器在温度控制中的应用.自动化 与仪器仪表,1998(5)
18、:2426 4诸 静.模糊控制原理与应用.北京:机械工业出版社, 1995. 240420(下转第26页) 22 微电子与基础产品 电 子 工 程 师 2004年1月 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. Q17、Q14、Q1Q7以及Q19、R1、R8构成了最基 本的Brokaw带隙参考电压源,提供的参考电压为: VREF=VBE19+ 2VT R8+R9 R1 ln J17 J19 Q16用于减小Q17、Q14电流镜基极电流的差异; Q18用来平衡电路负载,Q12、Q10构成复合调整管,
19、提 供偏置以保证Q7、Q19集电极电压相等,Q20、Q13、R6 和R2共同构成了一个启动电路,产生的电流通过电 流镜驱动整个电路;电路摆脱零电流简并点后,Q13截 止;R9、Rfb、Q25、Q24、R3构成上述温度补偿电路。 从图7可以明显地看出,VREF2温度曲线中正常温 度区的斜率变小,曲线峰值之间的差距约为0.002 V。 图7 有温度补偿电路的VREF2温度曲线 5 结束语 本文分析介绍了一种能有效减小在正常温度下带 隙参考电压源电压2温度曲线固有弯曲的方法,它在电 路实现中仅用到PNP管和电阻,非常简单实用。在 CMOS带隙参考电压源电路中也同样可以采用此方 法。温度曲线的进一步改
20、进可以通过增加一系列线性 修正电路实现。当温度再升高时,可以根据通过增加 更多PNP管的导通或改变PNP管的发射结面积,分段 修正温度曲线固有弯曲,使带隙参考电压在多个温度 范围内保持稳定。 参 考 文 献 1 Razavi B. Design of Analog CMOS Integrated Circuits. NewY ork: McGraw - Hill Higher Education , 2001 2 PR 格雷,RG 迈耶.模拟集成电路的分析与设计.周宁 华,陈幼松译.北京:科学出版社,1981 3杨 爱德华S.半导体器件基础.卢 纪译.北京:人民教 育出版社,1983 4朱庆学
21、.半导体器件基础和电子电路基础.上海:上海交通 大学出版社,1992 5张凤言.电子电路基础(第二版 ) , 北京:高等教育出版社, 1994 6朱正涌.半导体集成电路.北京:清华大学出版, 2001 A Compensation Method for Temperature Curve Inherent in Basic Bandgap Reference Lin Zhaozhao , Li Jun , Lei Jianming , Wu Dan , Chen Jun , Liu Sanqing (Huazhong University of Science and Technology ,
22、 Wuhan 430074 , China) 【Abstract】 With the development of mixed AD circuit and analog integrated circuit , a bandgap configura2 tion is needed to provide a stable , repeatable reference voltage that has a fairly low temperature coefficient over a broad temperature range. This paper builds on a commo
23、n configuration and analyzes a simple method to compensate the temperature curve inherent in the basic bandgap reference. Keywords: bandgap reference , temperature coefficient , Thevenin configuration (上接第22页) Application of AT89C2051 in Self2Adaptive Fuzzy PID Temperature Controller Liu Wenwei , Ge
24、 Suoliang (Hefei University of Technology , Hefei 230009 , China) 【Abstract】 A self2adaptive fuzzy PID temperature control system is introduced in this paper , which is based on the AT89C2051 chip microcomputer. It is applied in bag manufacture machinery temperature control. The con2 troller has simple circuit and credible performance ,which runs successfully. Keywords:temperature controller , chip microcomputer , fuzzy control , self2adaptive , PID control 62 微电子与基础产品 电 子 工 程 师 2004年1月 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.