摘 要：本文介紹了一種采用模糊邏輯控制和多點溫度設(shè)定的新型數(shù)字溫控系統(tǒng)。該系統(tǒng)硬件主要由單片機、熱電阻和A/D轉(zhuǎn)換芯片等構(gòu)成，其特點是通過軟件編程實現(xiàn)模糊邏輯控制和多點式線性逼近的方法，使得升溫過程更加均勻、，升溫曲線更接近線性。
關(guān)鍵詞：數(shù)字溫控系統(tǒng)；模糊邏輯控制；線性逼近

引言
溫度控制對于很多實驗或生產(chǎn)過程有著十分重要的作用。本文所介紹的系統(tǒng)是利用單片機、溫度傳感器、加熱絲、吹風機和A/D轉(zhuǎn)換芯片等來實現(xiàn)的數(shù)字溫度控制系統(tǒng)，其中主要的特點就是在升溫過程中采用了多點式線性逼近和模糊邏輯控制的方法。本文重點介紹這種系統(tǒng)采用的電路設(shè)計及軟件算法。

電路系統(tǒng)硬件設(shè)計
控溫系統(tǒng)通過熱電阻感測溫度變化，把溫度信號(熱電阻電壓信號)通過A/D轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換成頻率信號，反饋給單片機進行計算和判斷，計算出當前溫度。把當前溫度和初始設(shè)定溫度進行判斷比較，并利用模糊邏輯控制的原理，控制加熱絲的加熱進程，使加熱過程更趨于線性，從而使系統(tǒng)更加穩(wěn)定。
系統(tǒng)上電后需要設(shè)定五組溫度值和時間值，如果不輸入數(shù)據(jù)，系統(tǒng)將默認按照前輸入的數(shù)據(jù)進行工作。系統(tǒng)啟動后，將按照設(shè)定的每個點的時間和設(shè)定的加熱溫度進行工作，直到達到設(shè)定溫度上限并穩(wěn)定于上限。
根據(jù)控溫系統(tǒng)的功能，溫度控制系統(tǒng)由單片機、溫度傳感器、A/D轉(zhuǎn)換電路、顯示接口電路、按鍵接口電路、控溫電路、定溫超限報警電路及數(shù)據(jù)存儲電路等幾部分組成，其原理框圖如圖1所示。
其中測溫電路由溫度傳感器鉑熱電阻Pt100及外圍器件組成，實現(xiàn)溫度－電壓變換，經(jīng)補償放大至適當電壓送到A/D轉(zhuǎn)換芯片LM331N。顯示接口電路是由8只8段式數(shù)碼管及外圍器件組成，數(shù)碼管由串行－并行轉(zhuǎn)換芯片74LS164驅(qū)動，可以顯示2組0~9999數(shù)字。控溫電路由光控可控硅TLP666、可控硅BTA12、加熱絲等組成。單片機通過V/F轉(zhuǎn)換芯片LM331N感測到熱電阻上電壓隨溫度的變化，當溫度低于/高于設(shè)定值下，單片機控制可控硅導通/關(guān)斷對加熱絲進行控制，使溫度升高/降低。存儲電路是用來存儲溫控系統(tǒng)進行工作的溫度和時間，使得在系統(tǒng)掉電的情況下數(shù)據(jù)不會丟失，上電后不需要重新設(shè)置數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)存儲電路是使用串行EEPROM芯片AT24C01，它可以存儲128B數(shù)據(jù)，足夠滿足本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲需要。

溫度控制模糊算法
目前大部分溫度控制器還是采用PID控制算法。這種算法對固定參數(shù)的線性定常系數(shù)系統(tǒng)非常有效，但是由于其調(diào)節(jié)品質(zhì)取決于PID控制器各個參數(shù)的整定，不同的溫度控制對象要用不同的PID參數(shù)，而且參數(shù)整定比較麻煩。另外，常規(guī)PID控制器對于非線性、時變的系統(tǒng)和模型不清楚的系統(tǒng)就不能很好的控制。而用模糊邏輯實現(xiàn)控制，只需要關(guān)心功能而不是系統(tǒng)的數(shù)學模型，研究的重點是控制器本身而不是被控現(xiàn)象。所以這種系統(tǒng)對系統(tǒng)參數(shù)變化不敏感，具有很強的魯棒性，適用于對不同對象的控制。本系統(tǒng)的模糊邏輯控制是調(diào)整控制加熱絲上的電壓脈寬來實現(xiàn)升溫并使溫度恒定。實時溫度和設(shè)置溫度的差值dT是可正可負的。為使模糊邏輯控制算法中回避有符號數(shù)的運算，需將dT固定一個偏移量，使其論域從0開始到某一個正數(shù)。這里設(shè)定dT的論域為±4℃，偏移后為0~8℃。
模糊邏輯控制器的工作過程分為三個階段。階段是“模糊化”，就是把的輸入量轉(zhuǎn)換成用模糊集合的隸屬函數(shù)來表示的某一模糊變量的語言值，即模糊輸入；第二階段是“模糊推理”，即把模糊輸入加到一個“IF-THEN”控制規(guī)則庫中去，并把激活的各個規(guī)則所產(chǎn)生的結(jié)果“加”到一起去產(chǎn)生一個“模糊輸出”集合；第三階段是對這些模糊輸出進行解模糊判決，即在一個輸出范圍內(nèi)找到一個有代表性的、可直接驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)的、確切的輸出控制量。
該系統(tǒng)的輸入量為溫度偏差dT，它為本次實測溫度值與設(shè)定溫度值之間的差值。由于溫度場具有較大的慣性，溫度變化一般不可能很快，所以本設(shè)計取采樣時間間隔為250ms。
當dT在±4℃之間時，采用模糊邏輯控制算法實現(xiàn)控制。為便于操作，將該模糊控制區(qū)分為五個模糊子集：NB(負大溫度偏差)、NS(負小溫度偏差)、ZE(零溫度偏差)、PS(正小溫度偏差)、PB(正大溫度偏差)。模糊子集的隸屬函數(shù)采用如圖2所示的對稱三角形。這樣對在設(shè)定值附近±4℃范圍內(nèi)的每個溫度采樣量，都可以找到對應(yīng)不同模糊子集(隸屬函數(shù))的隸屬度，從而把采樣值轉(zhuǎn)換為模糊量，由此就可完成對溫度偏差輸入量的模糊化。
定義把模糊輸出論域0~4劃分為七2個模糊子集：S(關(guān))、SM(較弱)、M(中等)、MB(較大)、B(強)，其隸屬函數(shù)仍采用對稱三角形。模糊子集的隸屬函數(shù)如圖3所示。這是一種典型的一路輸入一路輸出的模糊邏輯控制器，其規(guī)則形式為：
如果(dT是A)那么(U是B)
因為模糊輸入變量溫度偏差dT有5個標稱，所以規(guī)則數(shù)為5個，由此構(gòu)成一個模糊邏輯控制規(guī)則知識庫，見表1。
根據(jù)模糊化后的輸入量dT，通過搜索模糊邏輯控制規(guī)則庫，采用瑪達尼推理法可以獲得模糊輸出量。

算法軟件實現(xiàn)
圖4是系統(tǒng)實現(xiàn)模糊邏輯控制部分的子程序流程圖。在實際電路系統(tǒng)中，為了控制溫度，進行脈寬調(diào)制(PWM)。模糊控制把每個溫度控制脈沖的占空比分為5檔，每個脈沖周期為10ms。其中檔為100%脈寬，即全速加熱；檔為0%脈寬，即關(guān)掉加熱絲；中間檔為重要，就是維持這個溫度的脈寬值。在不同的溫度，中間檔不同。如現(xiàn)在溫度為100℃，假如維持溫度100℃需要30%脈寬，則30%脈寬就是100℃的中間檔。中間檔是通過多次實驗測試的數(shù)據(jù)，經(jīng)過線性計算處理后得到的，溫度不斷變化，其中間檔也會隨之變化；較大值就是取中間值與值的平均數(shù)，即(30%＋100%)/2=65%脈寬；較小值就是15%脈寬。
在加熱過程中，由于加熱時間和需要加熱溫度已經(jīng)設(shè)定，所以在每個時間點需要達到一定溫度，也就是在每個時間點的加熱脈寬不同。所以根據(jù)時間變化，通過單片機進行計算后，輸出的脈寬也在不斷變化，當前溫度與設(shè)定溫度不同時，就會進行模糊控制。
本溫控系統(tǒng)除了采用模糊邏輯控制算法外，還采取了多點式線性逼近的方法。可以在當前溫度與終設(shè)定溫度之間任意設(shè)定5組數(shù)據(jù)(時間與溫度)，而且在每個溫度點都采用了模糊控制技術(shù)，這樣可以使升溫曲線更加趨于線性。

結(jié)語
根據(jù)試驗數(shù)據(jù)得到，與設(shè)定溫度值相比，在高溫段(>200℃)，溫度變化值<4℃，即相對誤差<2%；在低溫段(<200℃),溫度變化<2℃，相對誤差為1%左右。對于有較大慣性的溫度系統(tǒng)來說，已經(jīng)具有很高的穩(wěn)定性和度?！?BR>
參考文獻

  

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