基于模糊PID的AVR单片机智能温度控制系统设计

王欣峰　任淑萍

摘 要： 传统温度控制系统对时变非线性温度缺乏弹性控制效果，因此提出基于模糊PID的AVR单片机智能温度控制系统设计。根据模糊PID语言和规则描述整个系统动态特性和静态各个组件性能指标，完成系统原理结构图的设计，依据AVR单片机兼容性架构智能温度控制系统硬件框图，实现人机交互操作。采用模块化思想，将系统软件划分为4个部分，由此进行软件主流程设计，经过模糊化处理可获得输入与输出变量隶属函数曲线，通过对不同模糊PID参数控制可确定温度控制规则。通过实验验证可知，该系统设计具有合理性，且对时变非线性温度的弹性控制效果良好。

关键词： 模糊PID； AVR单片机； 智能； 温度； 弹性控制； 隶属函数

中图分类号： TN876?34； TK323.1 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）15?0179?04

Design of fuzzy PID based intelligent temperature control system by means

of AVR microcontroller

WANG Xinfeng1， REN Shuping 2

（1. Department of Automation， Shanxi University， Taiyuan 030013， China；

2. Department of Electronic Information Engineering， Shanxi University， Taiyuan 030013， China）

Abstract： The traditional temperature control system has poor elastic control effect for time?varying nonlinear temperature. A fuzzy PID based intelligent temperature control system is designed by means of AVR microcontroller. The fuzzy PID language and rules are used to describe the dynamic characteristic of the whole system and static performance index of each component to complete the design of system principle structure. According to the compatibility of AVR microcontroller， the hardware block diagram of the intelligent temperature control system is constructed to realize the man?machine interactive operation. The thought of modular is used to divide the system software into four parts to design the main process of software. The deviation and deviation rate of the input signal are processed with fuzzification to obtain the membership function curve of input and output variables. The different fuzzy PID parameters are controlled to determine the temperature control rules. The experimental results show that the design of the system is reasonable， and has perfect elastic control effect for the time?varying nonlinear temperature.

Keywords： fuzzy PID； AVR microcontroller； intelligence； temperature； elastic control； membership function

0 引 言

温度作为控制系统的基本组成元素，对系统内部维持状态具有较大影响。目前，温度控制系统已经在我国各个地区广泛应用，具有良好的发展前景。但是在实际应用中，有些部门或者企业对于温度变化控制的要求十分严格，为此对温度控制系统必须实施严密监控操作，当前AVR单片机已经成为该领域的核心元件[1]。对于AVR单片机智能温度控制系统的设计也成为目前人们热烈讨论的话题。传统系统虽然是应用最广泛的系统之一，但是其对时变非线性的系统来说，对温度进行弹性控制却很难达到效果，而且温度信号还容易出现延迟性和滞后性，模型也具有不确定性，为此提出基于模糊PID的AVR单片机智能温度控制系统设计。

由于PID算法具有高稳定性和强鲁棒性，为此在硬件设计方面可伴随电子技术的发展而得到有效技术支持。通过对系统进行实验验证可知，该系统的设计具有合理性，且弹性较好，能够对温度进行弹性控制。

1 PID模糊控制AVR单片机智能温度系统设计

模糊控制使用模糊语言和规则描述整个系统的动态特性和静态各个组件性能指标。该系统的特点是在未知被控制对象的情况下，对模型进行精确描述，方便控制不确定对象和非线性对象，被控制对象的参数具有强鲁棒性，针对干扰因素具有较强的抑制能力。但是模糊控制仅仅局限于对控制系统缺乏分析和标准设计步骤，而且规则库数据也缺乏完整性，没有确切的控制结构。采用PID控制器简单结构能够满足大量工业生产的需求[2]。由于PID本质上具有线性控制属性，而模糊控制也具有智能属性，这两者都属于非线性领域，为此，将模糊控制与PID结合能够使系统同时具备这两种优点。

1.1 控制系统硬件设计

系统由电源、PID控制算法、温度检测仪器、键盘、显示屏、上位机和开关组成，系统原理结构如图1所示。

1） 系统电源部分利用变压器将外部电线产生的交流电压220 V变为10 V，然后利用整流器件将直流电压进行整流，供AVR单片机系统使用。

2） 主控制部分采用AVR单片机，该单片机是一个具有2 Kb FLASH可编程和可擦除的存储器，并在低压条件下可对高性能单片机进行设置。

3） 温度测试仪采用单线数字的温度传感器，该传感器温度测试范围为-500～1 250 ℃，现场温度直接以“一线总线”数字方式进行传输，进而大大提高了系统抗干扰性[3]。

4） 键盘可直接利用3个按键实现操作，其中1个按键能够实现控制温度与实际温度的弹性切换，其余2个按键的实现是在温度增加或减少上进行特定值设置，再次按下切换键能够返回到当前需要控制的温度。

5） 显示屏设计利用42寸大屏幕的164位单片机，将其中的1位输入变成8位，其次将输出数据传送到LED中进行显示[4]。

6） 系统采用MAX232芯片直接与上位机通信。

7） 输出部分采用固态继电器连接方式直接将AVR单片机数据输出，转换为20 V交流电，可用来控制系统开关通断性，从而达到控制温度智能变化的目的。

AVR单片机与系统内核指令能够完全兼容微控制器，单片机内部可以集成控制系统，针对数据采集可以使用模拟部件实现数字功能，而且该功能还具有标准的数字外部组件，可将AVR单片机标记为独立管理模拟系统，关闭单个或者全部功能可降低系统温度能量损耗[5]。FLASH存储器具有强大的在线编辑能力，也可作为存储器将不易丢失数据进行存储。经过对比组件之间的性能发现，温度控制系统设计的难度也得到了较大程度的缓解。随着AVR单片机被成功纳入8位单片机中，可根据系统实际需求，将单片机作为系统核心控制组件。主要硬件结构框架如图2所示。

由于单片机内部具有A/D转换器，能够满足温度控制弹性要求，因此在该系统中无需借助外部器件进行通知，输出的控制电路可作用于单片机输出模拟信号，并对其进行隔离等操作[6]。前置电路能够实现对温度传感器所传达的微小信号的过滤，在执行时，可实现电能与机械能之间的能量转换，并将机械能作为主要能量实现温度的智能控制动作操作，根据控制系统中的组件差异选择合适的控制类型。根据AVR单片机中的USB功能，借助接口可实现与U盘之间的信息交换，进而达到温度数据保存、倒出与调整[7]。

为了实现人机交互操作，在系统中引入键盘、显示器和蜂鸣器实现具体操作，设定特定键盘输入符号，根据不同的功能键和数字键，用户可借助键盘完成数据的编辑和参数设置。显示屏可协助键盘完成人机之间的操作，还可对系统进行实时控制，进而实现人机交互的功能。蜂鸣器和指示灯可根据温度变化规则设定预定值，如果超出预定值则发出报警声[8]。微型机可拷贝输出的温度数据，并控制记录。

1.2 控制系统软件设计

温度控制系统软件部分采用模块化思想，可分成4个部分，分别是数据采集模块、输出控制模块、数据交互模块和人机接口模块。其中，数据采集模块使用AVR单片机自带的A/D转换器，将模拟量转换为数字形式进行滤波处理；输出控制模块使用PID模糊算法，根据数据采样值和用户设定的数值进行计算，并利用单片机中自带的A/D转换器转变成模拟量；数据交互模块通过USB接口与AVR单片机中的芯片进行连接，从而获取U盘数据；人机接口模块主要负责键盘、显示屏和打印机之间数据的转换与处理，其中蜂鸣器和指示灯的数据需要处理才可进行下一步操作[9]。软件部分的监控任务需要AVR单片机自带的看门狗完成。

系统软件部分设计流程如图3所示。

1.2.1 模糊化处理

智能温度控制系统将获取的信号转换成数字形式，设定温度值并输入到语言变量温度差中，与偏差变化率进行比较，并将输出的信号变量作为PID参数进行调节，实现模糊PID温度实时调节功能。如果要对输入信号偏差和偏差变化率进行模糊化处理，那么在进行处理时，需设置偏差的基本论域以及偏差模糊集合论域。模糊偏差变化率基本论域是在偏差所取范围内的集合，经过计算获取偏差精准量，然后将精准量进行离散处理，经过离散后的偏差具有连续性，可进行档数等级划分[10]。为了实现模糊化处理，需将输入量从基本论域转变为模糊集合论域，在整个转换过程中，需借助量化因子完成。

根据上述PID模糊化处理，可以获得输入值和输出值，其中模糊子集包括{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}，由此可获得隶属函数曲线。输入、输出变量隶属函数曲线如图4，图5所示。

1.2.2 模糊PID溫度控制规则确定

为了获取温度控制良好的动静态特性，利用模糊PID参数设置在不同输入区域内选取不同参数，从系统设计稳定性、持续响应时间、稳态精准度等角度出发，通过对不同参数进行控制可影响整个系统的性能。经过归纳可得到以下模糊PID温度控制规则：

1） 如果偏差较大，那么系统为了缩短持续响应时间，需加快响应速度，预防偏差产生。一旦偏差出现，那么系统很有可能会因为过分饱和而出现控制失效的现象，为此针对PID参数选取，应选择一个较大参数作为上限，一个较小参数作为下限，另一个参数为0。

2） 如果偏差和偏差变化率都为中等大小，为了使系统温度调节控制在一定范围内，需保证响应速度一定，在该情况下，应选取两个较小参数和一个中等值参数。

3） 如果偏差较小，为了保证系统稳定性较强，应选择两个较大参数值，同时，为了避免输出响应值与设定值接近，应增强系统的抗干扰能力，适当选取参数。当偏差率较小时，参数选择最大值；当偏差率较大时，参数选择最小值[11]。

2 实验

为了验证基于模糊PID的AVR单片机智能温度控制系统设计的合理性，进行对比实验。

2.1 实验流程

模糊PID参数设定的目的是方便找出PID参数与误差[s]和误差变化[ss]之间的模糊关系，并在实验过程中不断对误差情况进行检验；其次根据模糊控制原理对实验参数进行在线修改，可满足不同误差[s]和误差变化[ss]对控制器参数的不同要求，致使被控制AVR单片机能够具有良好的动静智能温度控制性能，计算量小，方便单片机智能温度控制实现。模糊自整定的PID控制系统实验流程如图6所示。

由图6可知，模糊控制器是温度智能控制系统的核心部分，通过计算机相应程序能够实现模糊控制规律。

采用二维模糊控制方法，再次将输入误差[s]和误差变化[ss]作为输入变量，将PID整定的参数作为控制变量，将传统控制系统与本文控制系统进行对比，可有效验证本文系统设计的合理性。

2.2 实验结果与分析

实验流程是由[n]个文件进行编写的，对传递函数需要进行离散化处理，将0.001 s设为一个步长，实验时长共0.5 s，其中在第200个采样瞬间进行脉冲加载来验证系统抗扰动性。通过实验调整可知，当初始PID参数分别为a=0.4，b=0.0，c=1.0时，智能温度控制曲线能够充分表现出理想效果，将传统控制系统与本文控制系统的阶跃响应情况进行对比，结果如图7所示。

通过图7可知，当温度控制时间为0.05 s时，传统系统持续响应时间为0.6 s，本文系统持续响应时间为1.1 s，此时两种系统持续响应时间最长；当温度控制时间为0.2 s时，传统系统持续响应时间为0.2 s，本文系统持续响应时间为0.98 s，此时两种系统持续响应时间较短。由此可知，本文系统设计的智能温度控制能够使系统持续响应时间延长，使控制过程在充足时间内完成。

在充足时间内，验证两种系统对温度控制的弹性，结果如表1所示。由表1可知，在相同时间下，所需温度一定，传统系统随着时间增加，温度控制弹性较差，不能与所需温度匹配；而本文系统随着时间增加，温度控制弹性较好，能够与所需温度保持一致。

3 结 语

本文根据AVR单片机智能温度变化特点，将PID动态模糊技术应用到其中，设计具有良好性能的单片机智能温度控制系统。该系统可采用模糊PID方式辅助系统完成设计，并将单片机作为系统控制核心部分，能够弥补传统温度控制系统存在温度控制弹性差的问题。此外，PID控制系统还具有灵活性，能够实现数据自动采集与处理，进而为温度控制提供有效依据，优化工艺操作，降低生产成本，得到良好的生产效益。

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