基于模糊PID理论的单片机智能温度控制系统设计

摘 要： 本文采用MSP430F149作为控制器，运用模糊PID控制思想实现对电阻炉的温度控制。由电源、控制算法、温度检测、键盘输入和温度显示等模块组成。子程序对相关事件处理以中断和中断响应完成，主程序通过调用子程序实现温度控制器功能。经过测试，能达到设计要求。

关键词： 单片机； MSP430F149； 模糊PID控制； 电阻炉

中图分类号： TP273.4 文献标识码： A 文章编号： 1009-8631（2011）05-0056-02

电阻炉是一种具有纯滞后的大惯性系统，开关炉门、加热材料、环境温度以及电网电压等都影响控制过程，传统的加热炉控制系统大多建立在一定的模型基础上，难以保证加热工艺要求。故引入模糊控制，采用模糊PID算法，运用MSP430F149单片机对电阻炉实现智能的温度控制，可以解决上述种种不足，从而实现可靠的控制，达到生产实际的需要。

一、智能温度控制的硬件系统

智能温度控制系统利用MSP430F149单片机及其接口电路实现对电炉所加热的水或空气等介质温度进行控制，可以方便快捷地调节和控制所要设定的温度。此系统由电源、控制算法、温度检测、键盘输入、温度显示等几大部分组成，如图1。

用MSP430F149作为控制芯片，热电偶采集温度数据，由于控制芯片集成有外部8路A/D转换器，再者对温度信号又没有很高的要求，可以达到预期的效果。采用1602显示，显示两行，每行显示16个字符，上面一行显示设定值，下面一行显示当前值。4X4键盘用来输入0~9数字、“*”、“确定”和“小数点”。热电偶采集温度范围选择在400℃～1000℃范围。留些余量，实际采集范围500-900℃。如果温度范围不满足采集需要，可以用合适范围的热电偶替换，再对A/D转换部分程序做小的改动就可以了。报警模块：对超出设定值±10℃进行报警。

二、模糊PID控制算法设计

1.模糊控制原理

s：系统的设定值。

x1、x2：模糊控制的输入（精确量）。

X1、X2：模糊量化处理后的模糊量。

U:经过模糊控制规则和近似推理后得出的模糊控制量。

u：经模糊判决后得到的ΔKp、Δki、ΔKd

v：经PID算法计算的PWM波占空比。

Y：对象的输出。

常规PID参数自调整的模糊控制器采用二输入三输出的形式，该控制器是以e和Δe即上图的x1、x2，以ΔKp、Δki、ΔKd作为输出。

2.模糊化设计

电阻炉温度控制系统将采样得到的温度信号与系统温度设定值进行比较，得到系统的输入语言变量温度误差e、温度误差变化Δe，输出语言变量为PID的调节系统的变化ΔKp、Δki、ΔKd。将温度误差e、温度误差变化Δe定义为模糊集上的论域：E，ΔE={-10，-5，0，5，10}。

其模糊子集为：E，ΔE={NB，NS，ZO，PS，PB}，子集中的元素风别为负大、负小、零、正小、正大。

3.模糊推理及模糊决策

（1）根据控制规则表编写对应的模糊推理语句，例如：

If e is NB and Δe is NB then ΔK is PB[0]

If e is NS and Δe is NS then ΔK is PS[0]

……….

（2）模糊推理

模糊推理是不确定性推理方法的一种，其基础是模糊逻辑。这里为了程序的简单，给这二十五条规则分别对应一组ΔKp、Δki、ΔKd值，计算输出时加在系统的基础PID值上，作为修正。

3.精确化计算

由于模糊推理机得出的控制量是一个经过修正的PID量，经过计算也不能对系统进行控制。因此，接了常规的PID控制器，让其控制输出有一定占空比的PWM波，来控制电阻炉的加热功率，从而控制温度。

三、系统软件设计

为便于程序的使用和维护，系统全部程序采用模块化结构，由一个主程序和若干中断响应子程序组成，这里给出主程序流程图如图4所示。

增量型PID控制器计算程序流程图如图5所示

采用模糊PID控制，系统响应速度加快，调节精度提高，稳态性能变好；无超调和振荡，具有较强的鲁棒性；在同样的精度要求下，系统过渡时间变短。在电阻炉的温度控制中，避开了对电阻炉建立精确的数学模型这一难题，取得了较好的控制效果。

参考文献：

[1] 潘笑，高玉玲等.基于模糊PID的AT89C2051单片机智能温度控制系统[EB/OLD].兵工自动化网，2006.

[2] 刘金锟.智能控制[M].北京：电子工业出版社，2008.

[3] 谢宋和,甘永等.单片机模糊控制系统设计[M].北京：电子工业出版社，1999.

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