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基于MCU的水温智控系统设计

2022-05-15董雷刚蔡朝晖崔晓微马英瑞李梓董骁

快乐学习报·教师周刊 2022年11期
关键词:模糊控制

董雷刚 蔡朝晖 崔晓微 马英瑞 李梓 董骁

摘要:以STC89C52单片机为核心,采用模糊控制算法设计了一种温度控制系统,包括模块控制的主要构成、系统参数及,硬件模块和相应的软件模块,该温控系统可实现对温度的有效控制。

关键词:MCU;模糊控制;温控系统

模糊控制作为以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制,其主要特点是能表示出常识及规则,且可以用语言来表述上述内容。如“温度上升过快,则稍微降低升温速度”就是一种基于经验表达的语言。模糊控制实质上是用计算机去执行操作人员的控制策略,因而可以避开较复杂的数学理论,从而具有比较理想的控制状态。文章将MCU与模块控制理论相联系,设计一种模糊温控系统。

1模糊控制器设计

1.1基本结构

作为模糊控制系统的核心,模糊控制器的选择至关重要。为了对温度实现稳定且精确的控制,我们采用二维模糊控制器,通过计算设定温度与当前温度的差值e,以及温度误差变化量ec,并对这两类数据实施模糊化计算,从而获得其隶属度,并推导出模糊推理的输入EC和E。然后,制定基于以往操作的控制量表格,并以IF-THEN的格式在规则库中进行存储,从而在实施控制过程中对模糊推理进行查询。然后对于输出量采用模糊判决处理,获得对应的控制参数信息,再通过去模糊化的方式对控制参数进行计算,进而获得精确值用于实际控制过程,使受控温度得到有效调节。

1.2确定输入/出变量

模糊控制器采用双input和单output模式。Input包括:变化前的水温、自定义的偏差和温度变化率;output:加热时间的提前量。

温控系统的控制器Input的语句值设定为5个,分别为NB(负大)、NS(负小),Z(零)、PS(正小),PB(正大)。相应的论域为:温度误差E={-2,-1,0,1,2},温度误差变化率EC={-2,-1,0,1,2}。输出控制量U的语言值也设定为5个,论域为U={-2,-1,0,1,2}。

1.3确定控制规则

模糊控制规则一般采用表格的方式进行描述,其实就是通过对控制过程进行推理总结,从而产生模糊条件语句。通常情况下,对于双input单output类型的控制系统,会使用“if A and B then C”语句来表示。例如,当温度误差为正的前提下,当误差为正大且误差变化为负时,则表示误差在逐步减小,故要设置较小的控制量。如果误差变化为正大,就不能增大控制量,以免会导致正误差,故应该设置控制量变化为负大。当误差为正小时,整个控制系统比较平稳。当误差变化为正,则要设置控制量变化为负大,从而调整误差方向;当误差变化为负时,这只控制量变化为正小。总之,控制量的选取要以趋向平稳为主,目的是让控制系统更稳定。

1.4模糊判决及清晰化

根据表1的控制规则,按下面两个式子进行模糊推理:

uRk( U)=min{uEi(E),uEcj(Ec),uUk( U)}

uRk( U)=max{uRk( U)}

采用下面的公式进行加权平均判决计算,对每个模糊子集R进行清晰化,得出对应于每组E、EC的U,并对计算值进行优化。

2系统硬件设计

温控系统基于STC89C52处理器芯片,采用模糊控制方法实现温度调整。主要硬件是电阻炉,加热功率1000W,电压0~220V(AC),温度范围为常温~100oC,控制精细度为±2oC。

整个系统分为五个模块:MCU模块、显示模块、温度检测通道、按键模块、输出控制通道。通过安静模块设定要控制的温度,数值会在LCD上显示出来,然后温度传感器也将测得的温度显示在LCD上。接下来,对于当前温度和预定温度的差值,采用模块控制理论,通过PWM信号控制继电器的通电时间,从而控制加热器的平均加热功率,最终达到控制水温的效果。

3系统软件设计

程序采用的是中断方式,主程序首先进行单片机最小系统和各外部设备的初始化,然后根据功能键SET判断接下来的工作方式,当定时器完成计数时产生中断。在中断服务程序中,实现对温度的读取和显示,并根据读取的温度值进行模糊运算,从而得到控制结果来实现对水温的控制。

4总结

本文介绍了一种采用模糊控制技术实现控制水温的系统。系统采用单片机为核心,通过传感器得到水的温度,并运用模糊控制方法将输出控制结果作用于加热装置,从而实现对水温的模糊控制。该方法以提高控制的实时性、稳定性和精确度,并且实现了操作过程的简化。

参考文献:

[1]任新瑞,马立新.负荷跟踪型主蒸汽温度智能控制系统研究[J].控制工程:1-7[2021-03-26].

[2]林芳.基于单片机的电炉温度控制系统设计与优化分析[J].电子测试,2019(24):12-13.

[3]莫中凯.基于单片机的镀液温度智能控制系统设计方法浅谈[J].电子测试,2018(19):21-22.

[4]张少杰.基于模糊PID的电热炉温度智能控制系统[J].科技与创新,2018(13):96-97.

[5]李巧俠.基于嵌入式系统的智能温度控制研究[J].微型电脑应用,2018,34(10):84-86.

基金项目:黑龙江自然科学基金项目(LH2019F039)。

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