傅以盤

摘要：溫度控制系統(tǒng)在多種類型的生產(chǎn)設(shè)備上都有應用，并且系統(tǒng)運行效果直接決定著生產(chǎn)設(shè)備的運行穩(wěn)定性與安全性，因此有必要優(yōu)化和改良溫度控制系統(tǒng)設(shè)計，提高系統(tǒng)運行效果?；诖耍疚慕榻B了一種基于模糊PID和單片機的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計，從硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩方面入手，對溫度控制系統(tǒng)設(shè)計進行了全面分析和介紹。

關(guān)鍵詞：模糊PID;單片機;溫度控制系統(tǒng);硬件;軟件

引言：模糊PID是一種現(xiàn)行控制，其核心基礎(chǔ)為PDI算法，將誤差e和誤差變化率ec作為輸入，利用模糊規(guī)則進行模糊推理，從而通過查詢模糊矩陣表去調(diào)整參數(shù)，以此滿足不同時刻e和ec對PID控制的參數(shù)自整定要求。基于模糊PID和單片機的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計可以實現(xiàn)對溫度的彈性控制，境地溫度信號延遲以及滯后，進而使得溫度控制系統(tǒng)模型更加穩(wěn)定，提高溫度控制系統(tǒng)的控制效果。

一、溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

（一）系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

基于模糊PID和單片機的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計基于傳統(tǒng)的溫度控制系統(tǒng)，系統(tǒng)硬件電路大體一致，可以分為八個部分，分別為單片機控制模塊、溫度檢測模塊、電源穩(wěn)壓模塊、溫度設(shè)定模塊、過零檢測模塊、驅(qū)動控制模塊、溫度蜂鳴報警模塊以及溫度LED現(xiàn)實模塊。需要根據(jù)溫度控制系統(tǒng)實際應用需求以及所要達到的

控制效果進行合理設(shè)計，構(gòu)建一個完整且運行高效的系統(tǒng)硬件電路[1]。溫度控制系統(tǒng)硬件連接方式如圖1所示。

（二）溫度傳感器選擇

基于PID和單片機的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計主要設(shè)備包括傳感器、控制儀表、單片機等。其中，在選擇溫度控制系統(tǒng)傳感器的時候，要選擇結(jié)構(gòu)加單、可好性高的新型智能溫度傳感器，例如美國DALLAS半導體公司研發(fā)并推出的單總線器件DS18B20傳感器，具有“一線總線”以及經(jīng)濟適用等特點，可以更加容易組建傳感器網(wǎng)絡(luò)。該傳感器的溫度控制范圍在-55℃到125攝氏度之間，在-10℃到85℃區(qū)間范圍內(nèi)可以達到±0.5℃的測量精度。智能型溫度傳感器采用了符號擴展的16位數(shù)字量方式，實現(xiàn)了串行輸出，溫度控制系統(tǒng)的抗干擾性得到了極大提升，可以適用于多種惡劣操作環(huán)境。

（三）溫度控制系統(tǒng)儀表功能要求

溫度控制系統(tǒng)的儀表選擇要具備以下幾種功能要求：第一可以認為調(diào)整控制溫度值，溫度儀表可以自動加熱到設(shè)定溫度并開啟溫度保持。第二可以獨立實現(xiàn)測量電爐溫度，無需其它輔助設(shè)備支撐。第三要具備較高的運行可靠性，需要適應多種工作環(huán)境，降低故障率。第四要具備自動加熱保護功能，提高儀表使用安全性，即在電爐實際溫度超過設(shè)定溫度時，溫度控制儀表需要自動檢測溫度異常情況并做出斷電指令，做好超溫保護。第五是儀表拆裝、檢修方便、快捷，掌握基本電子知識的工作人員在閱讀使用說明書后均可自行完成安裝或者維修[2]。

二、溫度控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

（一）溫度控制系統(tǒng)軟件設(shè)計流程

基于模糊PID和單片機的溫度控制系統(tǒng)軟件設(shè)計使用了模塊化思想，將系統(tǒng)軟件分為了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)輸出、數(shù)據(jù)交互以及人機交互操作四個大的模塊。其中，數(shù)據(jù)采集模塊作為溫度控制系統(tǒng)軟件設(shè)計的基礎(chǔ)模塊，采用了AVR單片機自帶的A/D轉(zhuǎn)換器，需要將模擬PID的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式，并對數(shù)字形式的信號進行濾波處理。而輸出模塊的設(shè)計則采用了模糊PID算法，通過分析和整理采集到的數(shù)據(jù)值，結(jié)合系統(tǒng)操作者設(shè)定的溫度數(shù)值，對其進行整體計算，并通過AVR單片機的A/D轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換為模擬量。溫度控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互模塊主要是利用單片機自帶的USB接口直接連接到單片機的芯片上，進而得到U盤中的數(shù)據(jù)。溫度控制系統(tǒng)的人機交互操作模塊就是為了實現(xiàn)鍵盤、顯示器以及打印機之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和處理。溫度控制系統(tǒng)軟件的工作流程為開始-系統(tǒng)參數(shù)自檢-系統(tǒng)初始化（系統(tǒng)自調(diào)整）-顯示畫面-采集數(shù)據(jù)濾波-顯示更新-模糊PID算法-控制溫度輸出-結(jié)束。溫度控制系統(tǒng)軟件設(shè)計流程如圖2所示。

（二）溫度控制系統(tǒng)模糊化處理

基于PID和單片機的溫度控制系統(tǒng)的模糊化處理，首先需要通過系統(tǒng)將獲取的信號進行數(shù)字化轉(zhuǎn)換，然后將操作人員根據(jù)生產(chǎn)需求設(shè)定的溫度值輸入到語言變量溫度差中，并與偏差變化率進行對比，最后將輸出的信號變量作為PID參數(shù)進行調(diào)節(jié)，進而實現(xiàn)模糊化處理。在進行模糊化處理的過程中，需要設(shè)置偏差的基本論域和偏差模糊集合論域。其中，模糊偏差變化率基本論域是偏差所取范圍內(nèi)的集合，需要通過計算獲取偏差精準量，并將得到的精準量進行離散處理，離散后的數(shù)據(jù)量具有連續(xù)性特點，可以進行檔數(shù)等級劃分。為了實現(xiàn)模糊化處理，在處理中需要將輸入量從基本論域轉(zhuǎn)化為模糊集合論域，并在量化因子的支持下完成。經(jīng)過模糊PID處理過的輸入值和輸出值可以組成包括負大、負中、負小、零、正小、正中以及正大的模糊子集，并以此為基礎(chǔ)可以繪制成函數(shù)曲線。

（三）溫度控制系統(tǒng)模糊計算與運行規(guī)則

在進行溫度控制系統(tǒng)模糊計算和應用時，為了獲得更好的動靜態(tài)特性，需要在不同輸入?yún)^(qū)域內(nèi)使用模糊PID算法設(shè)置不同的參數(shù)，提高溫度控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定性，并且需要從系統(tǒng)持續(xù)響應時間和穩(wěn)態(tài)精準度的角度出發(fā)，通過調(diào)節(jié)溫度控制系統(tǒng)運行參數(shù)的方式其影響整個系統(tǒng)的性能，提高溫度控制效果。一般情況下，模糊PID溫度控制的原則有三個，第一是如果溫度數(shù)值偏差較大時，溫度控制系統(tǒng)需要加快響應速度，以此縮短持續(xù)響應時間，預防偏差出現(xiàn)。在出現(xiàn)偏差以后，溫度控制系統(tǒng)就會因為過分飽和導致控制失效問題，因此在選取PID參數(shù)時，需要選取一個較大參數(shù)作為上限，并以一個較小參數(shù)作為下限，另選一個參數(shù)為0[3]。第二個規(guī)則是在偏差和偏差變化率都在中等大小時，為了保證溫度控制系統(tǒng)的可控范圍保持不變，需要保證響應速度一致，因此需要選取兩個較小參數(shù)和一個中等參數(shù)值。第三個規(guī)則為數(shù)值偏差較小時，為了提高溫度控制系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性，需要選擇兩個較大的參數(shù)值。另外，為了區(qū)別輸出響應值和設(shè)定值，需要提高溫度控制系統(tǒng)的抗干擾能力，在偏差率較小的情況下需要選擇最大值作為參數(shù)，偏差率較大時，參數(shù)應該選擇最小值。

三、結(jié)論

總之，基于模糊PID和單片機的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計需要結(jié)合傳統(tǒng)的溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，利用先進的設(shè)計理念和技術(shù)，充分利用模糊PID算法，發(fā)揮出模糊PID算法的優(yōu)勢，提高溫度控制系統(tǒng)的運行智能化和靈活性，實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時采集、處理，溫度智能控制，控制結(jié)果實時顯示等功能，進一步提高溫度控制系統(tǒng)運行效果，優(yōu)化系統(tǒng)工藝，簡化系統(tǒng)操作流程，增加經(jīng)濟效益。

參考文獻：

[1]劉家琪，劉嵩，韋亞萍，李坤，張齊松.基于單片機的PID溫度控制系統(tǒng)設(shè)計[J].湖北民族學院學報（自然科學版），2019，37（02）：219-222.

[2]王欣峰，任淑萍.基于模糊PID的AVR單片機智能溫度控制系統(tǒng)設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2018，41（15）：179-182+186.

[3]童宥維，孫歆鈺.基于模糊PID的通用中檔單片機溫度控制系統(tǒng)設(shè)計[J].信息通信，2016（08）：78-79.