1、摘要I本科毕业论文（20 届）嵌入式模糊 PID 温度控制实现设计所在学院 专业班级 自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 摘要II摘 要温度是工业生产中需要的最常见的控制变量之一，对于保证产品质量有重大影响，由于温度是一种典型的时滞对象，温度控制过程中存在工控复杂，参数多变，运行惯性大，控制滞后等特点。PID 温度控制是最早发展起来的控制策略之一，PID 控制结构简单、易于实现、并且具有较强的鲁棒性，因而广泛应用于工业过程控制中。但是由于经典的 PID 控制在品质上的局限性，对于大时滞、不稳定被控对象控制不是很好。因此在实际运用中并不能达到理想状态。随着被控对象越来越复杂
2、，如具有非线性、参数事变、数学模型难以精确获得等特点的对象时，传统的 PID 控制方法已经难以取决良好控制效果，此时一种利用智能控制算法的 PID 控制应运而生。智能 PID 算法是将智能控制和常规控制相融合的新方法，基于 DSP（数字信号处理器）的模糊控制作为一种智能控制在很多领域已经相当成熟。模糊控制是用模糊控制命题表示的一组控制规律，将指标函数与被控变量联系起来，经模糊推理而决定控制量。本文对温度控制过程中的种种因素以及被控对象的特性分析再对迷糊控制技术组成结构、原理进行介绍，从而提出设计的模糊PID 控制器，介绍了 DSP 与模糊PID 的复合方法，运用基于 DSP 的模糊控制以提高温
3、度控制的稳定性、快速性、灵敏性以及控制系统抗干扰能力和跟踪能力。关键字：温服控制；模糊控制；PID；数字信号处理器AbstractIIIAbstractTemperature is needed in the industrial production of the most common control variable to ensure that product quality has a significant impact due to temperature is a typical object of Delay, industrial complex, the temperat
4、ure control process parameters varied, running inertiacontrol lag and other characteristics. PID temperature control is one of the earliest developed control strategies, PID control structure is simple, easy to implement and has strong robustness, which is widely used in industrial process control.
5、However, due to the limitations of the classic PID control in terms of quality, large time delay, unstable controlled object control is not very good. Therefore, in practical use and can not achieve the desired state. Increasingly complex as the controlled object, such as nonlinear parameters Incide
6、nt, the mathematical model is difficult to accurately obtain the characteristics of the object, the traditional PID control method has been difficult to depend on the good control effect, using intelligent control algorithm PID control came into being. Intelligent PID algorithm is the integration of
7、 new methods of intelligent control and conventional control as an intelligent control, fuzzy control based on DSP (digital signal processor) is already quite mature in many areas. Fuzzy Control using fuzzy control of the proposition expressed by a group of control law, the indicator function of the
8、 controlled variable, and decided to control the amount of the fuzzy inference. Structure of the characteristic analysis of various factors in the process of temperature control, as well as the controlled object is confused control technology, the principle described, the fuzzy-PID controller, intro
9、duced the DSP and fuzzy-PID compound the use of DSP-based fuzzy control to improve the stability of temperature control, fast, sensitive, and anti-jamming capability of the control system and tracking capabilities.Key words: warm clothes control; fuzzy control; the PID; digital signal processor目 录IV
10、目 录摘 要ABSTRACT（英文摘要）. 目录.IV第一章 引 言.11.1 课题研究的背景和意义.11.2 智能控制发展状况.11.3 智能方法概述.11.4 目前的加热炉控制案.21.5 本文所要做的工作.4第二章 TMS320X281X 系列 DSP 的结构域功能.62.1 DSP 的特点及其应用.62.1.1 数字信号处理器的特点.62.1.2 数字信号处理器芯片的应用.72.2 TMSF281X 系列 DSP 的内部结构及其组成. 72.2.1 电源电路.82.2.2 时钟电路.92.2.3 JTAG 接口电路.102.2.4 复位电路.112.2.5 AD 转换电路.12第三章
11、温控系统的硬件总体设计. 173.1 温度检测电路的设计.173.1.1 温度传感器的选择173.1.2 DS18B20 的功能特性.18目 录V3.2 串口通信电路213.3 DA 转换电路.233.4 驱动放大电路的设计.24第四章 温控系统的软件设计流程.2 64.1 温控系统的软件总体设计.264.3 上位机软件设计.26第五章 对本文温度 PID 模糊控制的研究.3 65.1 模糊控制的基本思想.365.1.1 模糊控制的基本原理.375.2 PID 控制.375.3 模糊控制 PID 复合控制器的设计.375.3.1 模糊-PID 控制器输出.38结 论.3 9参考文献.4 0致
12、谢.4 1第一章 绪 论- 1 -第 一 章 绪 论1.1 本 课 题 研 究 的 背 景 和 意 义对于温度控制系统的研究在实际的工业生产中具有重要的意义，温度变化是一个复杂的过程，工业控制中的温控对象具有非线性、大惯性和大时滞等特点。准确有效地测量和控制温度是优质、高产、低耗和安全的重要条件。伴随着电子技术和大规模集成电路在工业中的运用，微型计算机在工业控制领域有广泛应用。当前对于智能控制的研究也使温度控制越来越智能化，对于工业效率提高有着重大影响。1.2 智 能 控 制 发 展 状 况传统的 PID 控制机器改进型控制原理简单、可靠性强、能使控制系统品质指标保持在最佳的范围内，但其控制效
13、果的好坏取决于辨别模式的精确度，对于复杂控制系统是非常困难的。随着计算机的发展，人们将专家系统的理论和技术同控制理论、方法与技术结合，在未知的环境下，仿效专家的经验，实现对系统的控制，这就是所说的专家 PID 控制器。从 20 世纪 60 年代起，由于空间技术、计算机技术以及人工智能的发展，为了提高控制系统的自学习能力，控制界学者开始将人工智能技术应用于控制系统。 1971 年，傅京逊首次提出智能控制这一概念，并归纳了 3 种类型的智能控制系统：人作为控制器的控制系统、人机结合作为控制器控制系统、无人参与的自主控制系统。近年来，我国的模糊控制在温度等非线性系统的控制中取得了一些成果，但在工程应
14、用上我国和发达国家相比还存在着较大的差距。1.3 智 能 控 制 方 法 概 述如果一个系统在外界的环境变化的情况下,有不断获得信息来减少不确定性和计划、生产和行政行为的能力,即称为智能控制系统。智能控制技术是学习人第一章 绪 论- 2 -类的大脑发展起来,人类的大脑是一个超级智能控制系统,提供实时推理、决策、学习和记忆、以及其他功能,可以适应各种复杂的控制环境。智能控制与传统或常规的控制密切相关，不是相互排斥的。传统的控制通常包括在智能控制，智能控制，还采用传统的控制方法，以解决“低水平”的控制问题。试图扩大传统的控制方法，并建立了一系列新的理论和方法来解决复杂的控制问题更具挑战性。智能控制
15、主要有以下特点：（1）学习功能（2）适应功能（3）自组织功能（4）优化能力智能控制器能够通过不断优化控制参数或寻找控制器的最佳结构形式获得整体最优的控制性能。智能控制主要有模糊逻辑、神经网络、专家系统、遗传算法等理论和自适应控制、自组织控制、自学习控制等技术。1.4 目 前 的 电 热 炉 温 控 方 案1 常规 PID 控制早先的温度控制大都采用 PID 控制算法，控制原理简单、直观；而且有很好的控制性，对一些容易建立数学模型的控制系统尤其准确。常规 PID 控制已经相当成熟。但是对于一些复杂的温度控制已不能满足工业控制的精度要求。2 自适应控制 自适应模糊控制是指具有自适应学习算法的模糊逻
16、辑系统，其学习算法是依靠数据信息来调整模糊逻辑系统的参数，且可以保证控制系统的稳定性。一个自适应模糊控制器可以用一个单一的自适应模糊控制系统构成，也可以用若干个自适应模糊系统构成。自适应模糊控制的优越性在于它可以利用操作人员提供的语言性模糊信息，这一点对具有高度不确定因素的系统尤为重要。 3 模糊控制第一章 绪 论- 3 -模糊控制是以模糊集合理论、模糊语言变量以及模糊推理为基础的一种智能控制方法，建立在人工经验基础之上的。该方法是将熟练的操作员的实践经验加以总结和描述，并用语言表达出来，得到一种定性的、不确定、不精确的控制规则。用模糊数学将其定量化，转化成模糊控制算法从而完成模糊推理，将推理
17、后得到的输出量加到执行器上。模糊温度实现过程为：首先将温控对象的偏差和偏差率以及输出量化为不同的模糊值，建立规则库，将这些模糊规则编成模糊语句，形成模糊模型。再次根据根据模糊查询表形成模糊控制算法。最后对输入量的精确值模糊化，经数学处理输入计算机，计算机由模糊规则推理做出模糊决策，求出相应的控制量，编成精确的控制量去驱动执行器，调整输入，达到调节温度的目的。4 神经网络与 PID 的结合神经网络是模拟人脑思维方式的数学模型。是现代生物学研究人脑组织成果的基础上提出的，用来模拟人类大脑神经网络的结构和行为，进行分布式并行信息处理的算法数学模型。这种网络依靠系统的复杂程度，通过调整内部大量节点之间
18、相互连接的关系，从而达到处理信息的目的。由于其具有高度的非线性映射、自组织、自学习和联想记忆等特点功能，故可以对非线性系统建模。由于该方法算法简单、抗干扰能力强、响应速度快，且易于硬件和软件的实现，在温度控制系统中具有广泛应用。在温度控制系统中，把影响温度的因素当作网络输入，将输出作为 PID 控制器的参数，以实现数据作为样本，在微型计算机上反复的自我完善与自我修正，一直到系统收敛，得到网络的权值，从而达到自行整定 PID 控制器参数的目的，也就是神经网络 PID 控制方法。5 模糊控制与 PID 结合根据加热炉的控制要求，采用 Fuzzy-PID 复合控制算法，通过对传统 PID控制中比例控
19、制和微分控制作用的分析，结合模糊控制器的鲁棒性和自适应性的优点，设计出一种 PID 控制与模糊控制相结合的智能控制系统。该系统具有模糊控制灵活、响应快、适应性强等优点，又具有 PID 控制的精度高，有良好的静态性能的特点。当系统偏差较小时采用 PID 控制，使其具有良好的静态性能，保证了控制精度，是一种 PID 控制和模糊控制分段切换控制的方法。模糊第一章 绪 论- 4 -自整定 PID 控制的方法是通过测量系统系统偏差和偏差率从而模糊推理调整PID 参数，也即是一种用模糊规则调节 PID 参数的自适应控制方法。6 模糊控制与神经网络的结合将神经网络的学习能力引入到模糊控制系统中，将模糊控制系
20、统的模糊处理、模糊推理、精确化计算通过分布式的神经网络表示是实现模糊系统自组织、自学习的重要途径。模糊神经网络是将模糊系统和神经网络相结合而构成的网络。模糊神经网络在本质上是将常规的神经网络赋予模糊输入信号和模糊权值，其学习算法通常是神经网络学习算法推广。1.5 本文的所做的工作本课题的主要研究任务是在原有的传统 PID 控制算法的基础上，对温度控制系统进行改进。针对加热炉实际应用的特点，对被控对象进行机理分析，设计一种基于 DSP 的温度控制系统，提高系统控制的精度，能够达到高的指标要求本文共五章，所进行的工作和研究内容有：第一章 介绍了智能控制的研究状况、方法以及课题的研究背景第二章 S3
21、20X281X 系列 DSP 的结构域功能第三章 系统的总体硬件设计电路和各对相关器件模块电路的介绍第四章 温控系统控制软件总体设计流程第五章 对本文温度控制算法的研究，对 PID 模糊控制的研究本 章 小 结本章首先介绍了课题研究的背景和意义，说明温度控制在生产中的重要作用，然后论述国外智能控制系统的发展状况来了解智能控制系统的方法，分别介绍了温控领域的各种智能控制的方法，最后介绍本文的总体内容。第二章 TMS320X281X 系列 DSP 的结构域功能5第 二 章 S320X281X系 列 DSP的 结 构 域 功 能2.1 DSP的 特 点 及 其 应 用在当今的数字时代背景下，DSP
22、已成为通信、计算机、消费类电子产品以及控制领域的基础器件。如今的的 DSP 芯片集成度极高，现在的产品应用已扩大到人们学习、工作以及生活各个方面，并逐渐成了电子产品的更新换代决定因素。目前对 DSP 的爆炸性的需求时代已经要来临。2.1.1 数 字 信 号 处 理 器 的 特 点数字信号处理器（DSP）具有如下特点：（1） DSP 采用了改进行的哈佛结构 内部有两条总线：数据总线和程序总线。采用程序与数据空间分开结构，分别有各自的地址总线和数据总线。（2） 采用流水线操作每条指令的执行划分为取指令、译码、取数、执行等若干步骤，由片内多个功能单元分别完成，支持任务的并行处理。（3） 多处理单元在 DSP 中集中了多个地址产生单元，支持循环寻址、拉倒序等特殊指令，使 FFT、卷积等运算中的寻址、排序及计算速度大大提高。1024 点的 FFT 运算时间已小于 1us。（4）独立的 DMA 总线和控制器DSP 有一组或多组独立 DMA 控制逻辑，提高数据吞吐带宽，为数字信号处理和高速数据交换提供了保障。（5） DSP 支持重复运算，避免因循环操作而消耗太多时间。（6） 多个的串行或并行 I/O 接口，以及一些具有特殊功能的接口来完成或特殊数据处理或控制，提高了性能且降低成本。
