利用模糊控制方法进行温度检测

段 毅

深圳瑞莱保核能技术发展有限公司大连分公司 辽宁 大连 116600

利用模糊控制方法进行温度检测

段 毅

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温度是一项在工业控制中十分常用的参数，在工业过程控制中有着举足轻重的作用。特别是在复杂的控制过程中，一般的被控对象都有纯滞后的特性，还有非线性，并且在工业现场还可能有多种外部干扰，通常使用的PID控制算法，在这么复杂的工业环境中的控制效果不太令人满意。而模糊控制方法的本质是非线性的自适应的控制方法，对于那些含有较大纯滞后的非线性系统，其控制效果很不错。本文主要讨论的是基于89C51单片机的温度模糊控制的设计。

温度控制；单片机；模糊控制

1 温度检测技术与模糊控制在现代工业控制中的意义

图1 系统总体结构框图

温度作为一项重要的热工参数，在工业现场中起着举足轻重的作用。随着自动化水平的不断提高和社会对产品质量要求的提高，对温度的监控测量精度、响应快慢、系统的稳定性还有适应能力等方面要求越来越高，测温范围越

来越大，所以，温度测控技术的研究是一个重要的研究项目。在钢铁加工、机械制造、电力、石油加工、化工等工业生产中，温度是极为普遍又极为重要的热工参数之一。为了保证所生产的产品质量，对于温度的良好控制是十分重要的。温度具有非线性、随机性、滞后性等特性。

温度检测技术主要有测量温度和控制温度两个方面。在控制温度方面，由于现代工业的发展，控制的对象愈加的复杂，问题还是有很多没有得到解决。人们正在努力的去探索研究更多更好的控制方法来满足不同的控制要求。在现代工业控制中人们尝试使用模糊控制方法来控制对象，资料显示其控制能力在很多方面要强于传统的PID控制方法。传统的PID控制或者是极点配置PID等经过改进的PID控制方法在控制能力方面确实是有比较大的提升，但是PID控制方法要求开始就知道被控对象的精确的模型。对于一些含有高频噪声、高非线性、高强度耦合的或者动态参数变化的被控对象来说，我们很难甚至没有办法得到其准确的模型，这个时候使用PID算法的控制方法通常很难达到让人满意的效果，有的时候倒还比不上经验丰富的操作者进行手工操作的效果。

在测量温度方面，在工业温度检测领域中，大多使用热电阻和热电偶，因为它们的稳定性好，价格低廉，精度也能达到控制要求。在使用热电阻和热电偶时主要的问题是线性化，现在有很多线性化的方法，但是存在变换电路复杂化，稳定性较差，软件和硬件使用量大等问题。所以对于工业生产控制寻求一种简单稳定的测量电路和线性化电路是十分重要和必要的。

2 总体电路的设计

温度检测系统硬件电路总体设计如图1。温度传感器选用热电偶温度传感器。通过测温电路，将微弱信号放大至0～5V的电压信号，送入A/D转换器中，经过转换之后将模拟信号转换成数字信号，并且送入单片机内部，单片机通过一系列运算将实时温度值与预设值进行比较，根据偏差值的大小，通过模糊控制算法进行计算，得到单片机的输出控制量，将此控制量送入D/A转换器中，转换成4到20毫安的电流，来控制调压模块的输出电功率，达到控制温度的目的。同时单片机通过LED显示电路将实时温度显示出来。这样整套系统就达到了测试控制被控对象温度的目的了。

3 显示电路与键盘电路

在含有单片机的控制系统中，经常使用LED数码管来显示各种数据或着符号。因为LED数码管显示十分清楚、亮度比较高、需要电压低、使用寿命比较长，所以使用十分广泛。LED数码管有两种显示方法一是动态扫描，动态扫描是用接口电路把显示器的8个字段的同相端连接在一起，但是各个显示器的公共COM端各自接受I／O口的控制。是相互独立的。当CPU向数码管输出字型编码时，全部的显示器接受到的是相同的字型编码，但到底由哪一个显示器显示则是由I／O口决定。动态扫描的方法是通过I/O口轮流控制各个显示器的公共COM端，使得每个显示器依次点亮。在连续点亮过程中，每个显示器的发光时间非常短暂，人的视觉神经是分辨不出来的，所以给人的印象就是每个显示器都是一直在发光的。

二是静态显示方法：显示驱动电路具有输出锁存的功能，单片机将需要显示的数据编码发送后就不会再控制LED数码管了，一直等到下一次显示数据时再重新传送新的数据编码，来取代原来的编码。所以如果现在要显示的数据编码没有变化的话，就不用控制LED数码管了。静态显示方法显示数据比较稳定，并且占用的CPU机器时间很少。但是在静态显示中，每一个显示器都要各自占用一个I／O口，这样的话单片机只要把要显示的数据编码发送至接口电路，所要显示的字段就可以直接显示要发送的字型了。如果要显示新的字形，单片机只要再重新发送新的字型编码就可以了[1]。

4 结论

本文以模糊控制方法的基础知识为基础，对设计模糊控制器的方法进行了研究，并对模糊控制方法的实现做了介绍，尤其是应用到单片机上的实现方法进行了研究，并且介绍了模糊控制方法中的隶属函数的计算，还有制定控制规则的方法，模糊控制方法应用到工业控制中，能够发挥出模糊控制方法在工控中的优势，其响应时间很短，控制精度也有提高，调节方便。通过对数据的分析，本系统有较好的控温功能。在完成本次设计过程中，主要有以下这些结论：

（1）了解到了模糊控制方法的原理，还有模糊控制器的基本结构，模糊控制算法用来控制含有纯滞后性的和时变性的对象效果比较好。

（2）将模糊控制方法运用在温度控制系统中。设计出模糊控制器，它对于那些数学模型模糊粗糙的温度系统实行了温度控制。与传统的控制器相比较，控制效果要好，系统的超调量比较小，响应时间短暂，稳态误差也很小。而且从理论上讲，对于不同的控制对象，就算参数不变，控制效果同样让人满意。

（3）了解了一些芯片和传感器的知识，还有执行器全隔离单相交流一体化调压模块，ADC0832转换芯片，K型热电偶传感器的基本知识。

（4）对单片机的知识重新做了梳理，加深了89C51各个引脚的作用，而且把平时在其他领域的知识也结合在了一起，比如数字电路里面的A/D转换和放大电路。

该系统还有地方值得商榷，对于模糊控制方法，对于控制那些数学模型模糊的系统的优势还是很明显的。控制规则我觉得还可以进一步优化。

[1] 杨钰，张志祥.基于模糊单片机的温控系统设计[M].北京：自动化与仪器仪表出版社，2002.

[2] 李士勇.模糊控制、神经控制和智能控制论[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1998：57-61.

[3] 余永权，曾碧.单片机模糊逻辑控制[M].北京:北京航空航天大学出版社，1995.

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