随着电子技术的不断发展,传统的温度控制方式已经越来越不能满足工业现场的需求,这时,PID控制凭借其算法简单、适应性强的特性,在工业过程控制中得到了广泛的应用。但PID控制无法应用于滞后性大、控制对象复杂的系统中,尤其是控制精度要求高的温度控制系统。而将智能控制中的模糊控制与PID控制相结合的方法,使系统不仅有PID控制的优点也具有智能控制的优点,这样极大消除了传统PID控制的缺点,这样的控制方式有着广阔的发展前景。 基于以上叙述,本设计基于PID控制原理,结合模糊控制理论,对模糊PID参数自整定算法在温度控制系统中的应用进行了研究。本设计采用AT89C52单片机作为该装置的核心处理器,DS18B20作为温度传感器,LCD1602作为显示装置。 本设计完成了基于单片机的模糊PID温度控制装置设计的硬件设计和软件设计,并利用MATLAB软件中Simulink自带的模糊工具箱完成了仿真测试实验,实验结果表明,模糊PID控制算法相比于传统PID控制算法具有响应速度更快,超调量几乎为零等优点,可应用于复杂的温度控制系统中。
单片机源程序如下:
- //-----------定义模糊系统参数-----------------------------------------------------------
- //------------------------------------------------------------------------------------
- // 定义差距输入常量
- #define GAP_ZERO 0x00
- #define GAP_VSMALL 0x01
- #define GAP_SMALL 0x02
- #define GAP_MEDIUM 0x03
- #define GAP_BIG 0x04
- // 定义控制输出常量
- #define TURN_ZERO 0x80
- #define TURN_VSMALL 0x81
- #define TURN_SMALL 0x82
- #define TURN_MEDIUM 0x83
- #define TURN_BIG 0x84
- #define uchar unsigned char
- #define uint unsigned int
- //-----------定义模糊系统参数-----------------------------------------------------------
- //------------------------------------------------------------------------------------
- unsigned char Temp_H,Temp_L;
- uint sum; //10次AD值的综合变量
- uchar RH,RH_H=12,RH_L=8,state,ms,cs; //当前水位, 水位上限,下限, 设置项变量,50ms变量 ,cs 为计次数变量 ,
- bit beep1,zt,s1; //报警标志位, 工作模式标志位, 闪烁标志位
- int Temperature;
-
- //-----------定义模糊系统参数-----------------------------------------------------------
- //------------------------------------------------------------------------------------
- //-------------定义常量----------------------------------------------------------------
- #define MU_MAX 0XFF //模糊度的最大值为0XFF代表面1
- #define RULE_TOT 10 //规则数个数
- #define MF_TOT 5 //成员函数的个数
- #define IO_NUM 0x07
- #define LABEL_NUM 0x70
- #define DEFAULT_VALUE 0x00
- //----------------定义数据库-----------------------------------------------------------
- unsigned char code output_memf[MF_TOT]={0, 15, 35, 60, 102};// OUTPUT TURNING NUMBER:
- // ZERO, VSMALL, SMALL, MEDIUM, BIG
- // 输入功能函数以点斜式方式存储. 第一维成员函数标号第二维是点斜式数据
- unsigned char code input_memf[MF_TOT][4]={ //距离功能函数
- { 0x00, 0x00, 0x00, 0x0d }, // VSLOW
- { 0x00, 0x0d, 0x14, 0x0d }, // SLOW
- { 0x1e, 0x0d, 0x32, 0x0d }, // MEDIUM
- { 0x3C, 0x0d, 0x50, 0x0d }, // FAST
- { 0x50, 0x09, 0x6e, 0x00 } // VFAST
- };
- //-----------定义模糊系统参数-----------------------------------------------------------
- //------------------------------------------------------------------------------------
- //-----------定义模糊系统规则-----------------------------------------------------------
- unsigned char code rules[RULE_TOT]={
- // if... then... 规则
- GAP_ZERO,TURN_ZERO,
- GAP_VSMALL,TURN_VSMALL,
- GAP_SMALL,TURN_SMALL,
- GAP_MEDIUM,TURN_MEDIUM,
- GAP_BIG,TURN_BIG
- };
- //-----------定义模糊系统参数-----------------------------------------------------------
- //------------------------------------------------------------------------------------
- //-----------定义各变量-----------------------------------------------------------------
- unsigned char outputs[MF_TOT],fuzzy_out; //模糊输出mu值
- //-----------子程序函数头申明-----------------------------------------------------------
- void fuzzy_engine(uchar);
- uchar compute_memval(uchar,uchar);
- void defuzzify(void);
- /***************************************************************************************************************/
- uchar compute_memval(uchar input,uchar label)
- {
- int data temp;
- if (input < input_memf[label][0])
- { // 如果输入不在曲线下u值为0
- return 0;
- }
- else
- {
- if (input < input_memf[label][2])
- {
- temp=input; // 用点斜式计算mu
- temp-=input_memf[label][0];
- if (!input_memf[label][1])
- {
- temp=MU_MAX;
- }
- else
- {
- temp*=input_memf[label][1];
- }
- if (temp < 0x100)
- { // 如果结果不超过1
- return temp; // 返回计算结果
- }
- else
- {
- return MU_MAX; // 确保mu值在范围内
- }
- }
- else
- { // 输入落在第二条斜线上
- temp=input; // 用点斜式方法计算 mu
- temp-=input_memf[label][2];
- temp*=input_memf[label][3];
- temp=MU_MAX-temp;
- if (temp < 0)
- { // 确保结果不小于0
- return 0;
- }
- else
- {
- return temp; // mu为正 – 返回结果
- }
- }
- }
- return 0;
- }
- /*******************************************************************************
- Function: defuzzify 解模糊
- Description: 计算模糊输出的重心并调用函数把它
- 转换成可被系统使用的输出量
- Parameters: 无.
- Returns: 无.
- Side Effects: outputs[][] 数组被清零.
- *******************************************************************************/
- void defuzzify(void)
- {
- unsigned long numerator, denominator;
- unsigned char j;
- numerator=0; // 恢复总数值
- denominator=0;
- for (j=0; j<MF_TOT; j++)
- { // 计算总和值
- numerator+=(outputs[j]*output_memf[j]);
- denominator+=outputs[j];
- outputs[j]=0; // 清零输出作为参考使用
- if (denominator)
- { // 确保分母是0的情况不发生
- fuzzy_out=numerator/denominator; // 确定 COG
- }
- else
- {
- fuzzy_out=DEFAULT_VALUE; // 没有规则被触发
- }
- }
- }
- /*******************************************************************************
- Function: fuzzy_engine
- Description: 实施规则基中的规则
- Parameters: 无
- Returns: 无.
- Side Effects: 无
- ********************************************************************************/
- unsigned char bdata clause_val; // 保存当前的分支进行快速访问
- sbit clause_type = clause_val^7; // 表示分支是否是条件分支或者是结果分支
- void fuzzy_engine(uchar input)
- {
- bit then; // 当正在分析结果时置位
- unsigned char if_val, // 保存当前规则中条件分支中的值
- clause, // 规则基中当前的分支
- mu, // 保存当前分支中的值
- label=0; // 被条件使用的成员函数
- then=0; // 设第一个分支是条件分支
- if_val=MU_MAX; // max out mu for the first rule
- for (clause=0; clause<RULE_TOT; clause++)
- { // 遍历每条规则
- clause_val=rules[clause]; // 读入当前的分支
- if (!clause_type)
- { // 当前的分支是不是条件分支
- if (then)
- { // 是否正在分析结果...
- then=0;
- if_val=MU_MAX; // 复位mu
- }
- mu=compute_memval(input, label); // 得到条件分支的值
- if_val=mu;
- label++;
- }
- else
- { // 当前分支是结果
- then=1; // 置位标志位,如果当前规则的mu比参考的值要大,保存这个值作为新的模糊输出
- if (outputs[clause_val&0x07] < if_val)
- {
- outputs[clause_val&0x07]=if_val;
- }
- }
- }
- defuzzify(); // 用COG方法计算模糊输出和反模糊输出
- }
复制代码
- #include<reg52.h>
- #include<intrins.h>
- #include<math.h>
- #include<string.h>
- #include"fuzzy.h"
- struct PID
- {
- unsigned int SetPoint; // 设定目标 Desired Value
- unsigned int Proportion; // 比例常数 Proportional Const
- unsigned int Integral; // 积分常数 Integral Const
- unsigned int Derivative; // 微分常数 Derivative Const
- unsigned int LastError; // Error[-1] 当前偏差
- unsigned int PrevError; // Error[-2] 上一次偏差
- unsigned int SumError; // Sums of Errors 累计偏差
- };
- struct PID spid; // PID Control Structure
- unsigned int rout; // PID Response (Output) 响应输出
- unsigned int rin; // PID Feedback (Input)//反馈输入
- unsigned char high_time,low_time,count=0;//占空比调节参数
- #define uchar unsigned char
- #define uint unsigned int
- char Usart_Data[3];
- bit FinishFlag =0;
- char UsartCount=0;
- uchar buzzer_flag = 0;
- sbit buzzer = P1^2;
- sbit output=P1^0;
- sbit ds=P3^2;
- sbit DQ=P3^2;//ds18b20与单片机连接口
- sbit lcden=P2^7;//LCE使能引脚
- sbit lcdrs=P2^5;
- sbit lcdrw=P2^6;
- sbit ledred=P1^6; //加热指示灯
- sbit ledgreen=P1^7; //加热指示灯
- sbit key0=P2^0;//按键引脚
- sbit key1=P2^1;
- bit busy;
- uchar set[2]={0};
- uchar code str1[]="now temp: C";
- uchar code str2[]="set temp: C";
- uchar code table[]={0x30,0x31,0x32,0x33,0x34,0x35,0x36,0x37,0x38,0x39};
- uchar n,num;
- int set_temper=30,temper,temp; //温度变量定义
- unsigned int s;
- float f_temp;//转换后的温度
- uint tvalue;
- uchar tflag;//温度正负标志
- void SendData(unsigned char dat);
- void SetSendData(unsigned char SetNum);
- void delay(i)//延时函数
- {
- uint j;
- for(i;i>0;i--)
- for(j=110;j>0;j--);
- }
- void Delay_Ms(i){
- delay(i);
- }
- void Timer2_init()
- {
- RCAP2H = (0XFFFF - 50000)/256;
- RCAP2L = (0XFFFF - 50000)%256;
- T2CON =0;
- //T2MOD = 0;
- IE |=0xA0;
- TR2 = 1;
- }
- void wr_com(uchar ml)//写命令
- {
- lcdrs=0;
- P0=ml;
- delay(5);
- lcden=1;
- delay(5);
- lcden=0;
- }
- void wr_data(uchar shuju)//写数据
- {
- lcdrs=1;
- //lcden=1;
- P0=shuju;
- delay(5);
- lcden=1;
- delay(5);
- lcden=0;
- }
- void init() //按照时序操作的初始化
- {
- lcdrw=0;
- wr_com(0x38);//显示模式设置,设置为16*2显示,5*7点阵,八位数据口
- wr_com(0x0c);//开显示,但不开光标,光标不闪
- wr_com(0x06);//显示光标移动设置
- wr_com(0x01);// 清屏
- wr_com(0x80); // 数据指针初始化
- for(num=0;num<16;num++)
- {
- wr_data(str1[num]);//now temp
- }
- wr_com(0x80+0x40); //地址初始化
- for(num=0;num<16;num++)
- {
- wr_data(str2[num]);//set temp
- }
-
- }
- /*************************DS1820程序****************************/
- void delay_18B20(unsigned int i)//延时1微秒
- {
- while(i--);
- }
- void ds1820rst(void)/*ds1820复位*/
- {
- unsigned char x=0;
- DQ = 1; //DQ复位
- delay_18B20(4); //延时
- DQ = 0; //DQ拉低
- TR0=0;
- delay_18B20(100); //精确延时大于
- TR0=1;
- DQ = 1; //拉高
- delay_18B20(40);
- }
- uchar ds1820rd(void)/*读数据*/
- {
- unsigned char i=0;
- unsigned char dat = 0;
- TR0=0;
- for (i=8;i>0;i--)
- {
- DQ = 0; //给脉冲信号
- dat>>=1;
- DQ = 1; //给脉冲信号
- if(DQ)
- dat|=0x80;
- delay_18B20(10);
- }
- return(dat);
- }
- void ds1820wr(uchar wdata)/*写数据*/
- {
- unsigned char i=0;
- TR0=0;
- for (i=8; i>0; i--)
- {
- DQ = 0;
- DQ = wdata&0x01;
- delay_18B20(10);
- DQ = 1;
- wdata>>=1;
- }
- }
- uint get_temper()//获取温度
- {
-
- uchar a,b;
- ds1820rst();
- ds1820wr(0xcc);//*跳过读序列号*/
- ds1820wr(0x44);//*启动温度转换*/
- ds1820rst();
- ds1820wr(0xcc);//*跳过读序列号*/
- ds1820wr(0xbe);//*读取温度*/
- a=ds1820rd();
- b=ds1820rd();
-
- tvalue=b;
- tvalue<<=8;
- tvalue=tvalue|a;
- TR0=1;
- if(tvalue<0x0fff) tflag=0;
- else {tvalue=~tvalue+1;tflag=1;}
- tvalue=tvalue*(0.625);//温度值扩大10倍,精确到1位小数
- temp=tvalue;
- return temp;
- }
- void dis_temp(int t)//显示温度
- {
- uchar d0,d1,d2,d3;
- //t=26;
- if(tflag==0)
- {
- d0=t/1000+0x30;
- d1=t%1000/100+0x30;
- d2=t%100/10+0x30;
- d3=t%10+0x30;
- if(d0==0x30)
- {
- wr_com(0x80+9);
- wr_data(d1);
- wr_com(0x80+10);
- wr_data(d2);
- wr_com(0x80+11);
- wr_data(0x2e);
- wr_com(0x80+12);
- wr_data(d3);
-
- SendData('N');
- SendData(d1);
- SendData(d2);
- SendData('.');
- SendData(d3);
- SendData('E');
- SendData('\r');
- SendData('\n');
- }
- else
- {
- wr_com(0x80+9);
- wr_data(d0);
- wr_com(0x80+10);
- wr_data(d1);
- wr_com(0x80+11);
- wr_data(d2);
- wr_com(0x80+12);
- wr_data(' ');
-
- SendData('N');
- SendData(d0);
- SendData(d1);
- SendData(d2);
- SendData('E');
- SendData('\r');
- SendData('\n');
-
- }
-
- }
- else
- {
- wr_com(0x80+9);
- wr_data('-');
- wr_com(0x80+10);
- wr_data(d1);
- wr_com(0x80+11);
- wr_data(d2);
- wr_com(0x80+12);
- wr_data(' ');
- //wr_com(0x80+12);
- //wr_data(d3);
-
- // SendData('N');
- // SendData(d1);
- // SendData(d2);
- // SendData('E');
- // SendData('\r');
- // SendData('\n');
- }
- wr_com(0x80+14);
- wr_data(0xdf);
- temper=t/10;
- }
- void keyscan()//键盘扫描
- {
- if(key0==0)
- {
- delay(1);
- if(key0==0)
- {
- while(!key0);
- delay(1);
- while(!key0);
- set_temper++;
- }
- set[0]=set_temper/10; //获得设置温度显示值
- set[1]=set_temper%10;
- wr_com(0x80+0x40+9);
- wr_data(table[set[0]]);
- delay(1);
- wr_com(0x80+0x40+10);
- wr_data(table[set[1]]);
- delay(1);
- //wr_com(0x80+0x40+11);
- //wr_data(0x2e);
- //wr_com(0x80+0x40+14);
- //wr_data(0xdf);
- delay(1);
- }
- if(key1==0)
- {
- delay(3);//延时去抖
- if(key1==0)
- {
- while(!key1);
- delay(3);
- while(!key1);
- set_temper--;//温度减
- if(set_temper==0)
- {set_temper=0;}
- }
-
- set[0]=set_temper/10; //获得设置温度显示值
- set[1]=set_temper%10;
- wr_com(0x80+0x40+9); //显示设置温度值
- wr_data(table[set[0]]);
- delay(1);
- wr_com(0x80+0x40+10);
- wr_data(table[set[1]]);
- delay(1);
- //wr_com(0x80+0x40+11);
- //wr_data(0x2e);
- wr_com(0x80+0x40+14);
- wr_data(0xdf);
- delay(1);
- }
- }
- void PIDInit (struct PID *pp)
- {
- memset ( pp,0,sizeof(struct PID)); //用参数0初始化pp
- }
- unsigned int PIDCalc( struct PID *pp, unsigned int NextPoint ) //PID计算
- {
- unsigned int dError,Error;
- Error = pp->SetPoint - NextPoint; // 偏差
- pp->SumError += Error; // 积分
- dError = pp->LastError - pp->PrevError; // 当前微分
- pp->PrevError = pp->LastError;
- pp->LastError = Error;
- return (pp->Proportion * Error//比例
- + pp->Integral * pp->SumError //积分项
- + pp->Derivative * dError); // 微分项
- }
- /***********************************************************
- 温度比较处理子程序
- ***********************************************************/
- void compare_temper(void)
- {
- unsigned char i;
- if(set_temper>temper) //设置温度大于当前温度
- {
- buzzer_flag = 0;
- ledred=0;
- ledgreen=1;
- if(set_temper-temper>1) //温度相差1度以上
- {
- high_time=100;
- low_time=0;
- }
- else //设置温度不大于当前温度
- {
- //模糊计算
- fuzzy_engine((set_temper-temper)*10);
- high_time=(unsigned char)(fuzzy_out*4);
- if(high_time>100)
- high_time = 100;
- low_time= (100-high_time);
- }
- }
- else if(set_temper<=temper) //设置温度不大于当前温度
- {
- buzzer_flag = 1;
- ledred=1;
- ledgreen=0;
- if(temper-set_temper>0) //温度相差0度以上
- {
- high_time=0;
- low_time=100;
- }
- else
- {
- high_time=0;
- low_time=100;
- }
- }
- }
- /*****************************************************
- T0中断服务子程序,用于控制电平的翻转 ,40us*100=4ms周期
- ******************************************************/
- void serve_T0() interrupt 1 using 1
- {
- if(++count<=(high_time)) output=0;
- else if(count<=50)
- {
- output=1;
- }
- else count=0;
- TH0=0x2f;
- TL0=0x40;
- }
- void UsarrtInit(){
- SCON = 0x50; //8-bit variable UART
- TMOD |= 0x20; //Set Timer1 as 8-bit auto reload mode
- TH1 = TL1 = 0XFD; //Set auto-reload vaule
- TR1 = 1; //Timer1 start run
- ES = 1; //Enable UART interrupt
- EA = 1; //Open master interrupt switch
- }
- void SendData(unsigned char dat)
- {
- while (busy); //Wait for the completion of the previous data is sent
- ACC = dat; //Calculate the even parity bit P (PSW.0)
- busy = 1;
- SBUF = ACC; //Send data to UART buffer
- }
- /*----------------------------
- UART interrupt service routine
- ----------------------------*/
- void Uart_Isr() interrupt 4
- {
- unsigned char a;
-
- if (RI)
- {
- RI = 0; //Clear receive interrupt flag
- a=SBUF;
- if(!FinishFlag){
-
- Usart_Data[UsartCount]=a;
-
- if(++UsartCount>2){
- UsartCount=0;
- FinishFlag=1;
- }
-
- }else{
-
-
-
- }
-
- }
- if (TI)
- {
- TI = 0; //Clear transmit interrupt flag
- busy = 0; //Clear transmit busy flag
- }
- }
- void TemSendData(unsigned char SetNum){
- uchar d0,d1,d2,d3;
- if(tflag==0){
- d0=SetNum/1000+0x30;
- d1=SetNum%1000/100+0x30;
- d2=SetNum%100/10+0x30;
- d3=SetNum%10+0x30;
-
- if(d0==0x30){
-
- SendData('N');
- SendData(d1);
- SendData(d2);
- SendData('.');
- SendData(d3);
- SendData('E');
- SendData('\r');
- SendData('\n');
-
- }else{
- SendData('N');
- SendData(d0);
- SendData(d1);
- SendData(d2);
- SendData('E');
- SendData('\r');
- SendData('\n');
-
-
-
- }
- }else{
-
- SendData('N');
- SendData(d1);
- SendData(d2);
- SendData('E');
- SendData('\r');
- SendData('\n');
-
-
- }
- }
- void SetSendData(unsigned char SetNum){
- SendData('S');
- SendData(SetNum/10+48);
- SendData(SetNum%10+48);
- SendData('E');
- SendData('\r');
- SendData('\n');
- }
- void LedA_StateData(){
- SendData('L');
- SendData('A');
- if(ledred){
- SendData('1');
- }else{
- SendData('0');
- }
- SendData('E');
- SendData('\r');
- SendData('\n');
- }
- void LedB_StateData(){
- SendData('L');
- SendData('B');
- if(ledgreen){
- SendData('1');
- }else{
- SendData('0');
- }
- SendData('E');
- SendData('\r');
- SendData('\n');
- }
- void USart_Handle(){
- if(FinishFlag){
- if(Usart_Data[0]=='S'){;
- set_temper=((Usart_Data[1]-48)*10)+(Usart_Data[2]-48);
-
- }
- set[0]=set_temper/10; //获得设置温度显示值
- set[1]=set_temper%10;
- wr_com(0x80+0x40+9); //显示设置温度值
- wr_data(table[set[0]]);
- delay(1);
- wr_com(0x80+0x40+10);
- wr_data(table[set[1]]);
- delay(1);
-
- FinishFlag=0;
- }
- }
- /***********主函数**********/
- void main(void)
- {
-
- unsigned char i;
- init();//LCD初始化
-
- TMOD=0x01;
- TH0=0x2f;
- TL0=0x40;
- ……………………
- …………限于本文篇幅 余下代码请从51黑下载附件…………
复制代码本人初学,仅供参考,存在错误和不足之处,请大家回帖多多指教,不胜感激.切勿照搬
仿真:无
电路图:无
Keil代码下载:
程序.zip
(120.62 KB, 下载次数: 80)
|