单片机毕业设计—单片机的模糊温度控制器的设计(论文-程序-外文翻译).doc
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1、基于单片机的模糊温度控制器的设计摘要 模糊控制是以模糊集合理论为基础的一种新兴的控制手段,它是模糊系统理论和模糊技术与自动控制技术相结合的产物,是一种更为智能和节能的控制方式。本设计为模糊恒温控制器,传感器采集到环境温度后与设定温度比较,得到模糊控制所需的两个输入量。设计中对两个输入量模糊量化,并确定其隶属函数,建立模糊控制表,经单片机编程处理后得出结果,通过继电器控制加热器进行加热。最后达到的效果是使环境温度较稳定的保持恒定。该系统的应用表明,该控制精度对储层设计技术具有可靠稳定性,它已经达到更高的准确度,并能在短的工作时间确保过渡过程的温度的精确控制。首先介绍了该系统的整体构成,然后从硬件
2、和软件两方面进行介绍。在硬件部分,描述了系统的总体结构和之间的关系,并进一步讲述方式内部结构和外部特征的新编程的筹码;在软件部分,解释了模糊控制理论,又说明了该系统的应用程序;第三,从模糊控制的实现方面说明了该系统的流程图;本文最后对该系统作出一个总结:该软件设计模式可分为子模式的主要程序和在模式的合适位置对设计软件进行备份。此外,它适用于很多方面的符号选择和处理程序的应用,可消除因未预知条件的变化而产生的影响。该系统能高精度地有效控制其它的参数指标,值得推广和应用。它不仅具有其它领域那样良好功能,而且具有更低的价格成本。关键词:模糊控制 隶属函数 单片机编程 模糊控制规则AbstractFu
3、zzy control is a sort of newly arisen control way based on fuzzy sets theory. Its one result of fuzzy system theory and fuzzy technique and automatic control technique combined together. Its a sort of control way much more intelligent and saving. This design is a fuzzy controller of temperature. Com
4、paring the temperature collected transducer with the set temperature will give us two input variables. Then fuzzificate the two input variables in the design and ascertain their membership functions, afterwards, establish the fuzzy controlling graph. Next, get the result through the programming proc
5、ess by singlechip and heat by controlling the heater through controlling the relay on the basis of the result. Thus, finally we could come to the effect that the temperature could be kept constant steadily. The application of this system indicates that the precision reservoir designed on this contro
6、l technology has reliable stability. And it has attained higher accuracy, short working time in transitive course on the precision temperature control. In this thesis, I firstly introduced the whole component of this system, then the hardware and software. In the part of hardware, I depicted the rel
7、ation between the whole structure and modes, and further tells the inner structure and outer character of new programming chip. As for the part of software, I explained the theory of the fuzzy control firstly, and then showed its application in this system. Thirdly, I illustrated the flow chart of t
8、his system in which the fuzzy control is implied. At the end of this thesis I draw a conclusion about this system: The software designed on mode could be divided into sub modes in the main program. And on the suitable position of modes, was set software trap to redundancy design. In addition, it app
9、lies many ways in the program of symbol selection and processing to eliminate the effect of random shock. This system can also control others parameter quota with high accuracy. It deserves being spread and applied Furthermore, it not only has good function as the others country but also has lower p
10、rice.KEY WORDS: fuzzy control membership function singlechip programmefuzzy control rules目录摘要0绪论3第一章 模糊控制技术的发展概况41.1模糊控制技术的发展及应用概况41.2模糊控制的特点41.3模糊控制的应用6第二章 本设计的主要任务72.1 本设计的总体思路72.2 模糊控制的算法设计72.3 系统模糊化流程设计7第三章 硬件电路设计结构与工作原理103.1控制系统工作原理及硬件设计103.2 电源电路103.3 晶振与复位电路113.4 传感器电路113.5 蜂鸣器电路123.6 负载电路123
11、.7 数码管显示电路13第四章 模糊控制器和模糊数模型164.1算法设计164.1.1模糊控制器的控制规则164.1.2反映控制规则的模糊关系194.2模糊控制器194.2.1 查询表的建立194.2.2 恒温箱模糊控制器的参数设计204.3模糊数模型的建立204.4软件设计思路214.5软件流程图22第五章 系统的抗干扰措施及调试235. 1 系统的抗干扰措施235.1.1 硬件方面的抗干扰措施235.1.2 软件方面的抗干扰措施235.2 糊控制特性与传统PID控制特性的比较235.3 调试结果及结论245.4 软件编程25第六章 创新、意义及有待继续探索的问题28致谢:29参考文献30附
12、录:英文文献及翻译31绪论引言 模糊控制是以模糊集合理论为基础的一种新兴的控制手段,它是模糊系统理论和模糊技术与自动控制技术相结合的产物。自从这门科学诞生以来,它产生了许多探索性甚至是突破性的研究与应用成果,同时,这一方法也逐步成为了人们思考问题的重要方法。 我们都知道在现实生活中的一些概念是有着明确意义的,比如说“一个”,“男人”,“货币”等概念,对于这些明确的概念,在数学中常常用经典集合来表示。但是现实生活中不是每个概念都是很明确的,比如我们说“青年人”这个概念,你能在年龄轴上划两条线,表明在两条线内的就是青年人,而在其外的就截然不是青年人吗?显然这样做是不行的,因为人的生命是一个连续的过
13、程,一个人从少年走向青年是一日一日积累的,同样,一个人从青年步入中年也是一个渐变的过程,我们把这样的一类概念称之为模糊概念。模糊集合理论就是处理这些模糊概念的。将模糊集合理论运用于自动控制而形成的模糊控制理论,在近年来得到了迅速的发展,其原因在于对那些时变的非线性的复杂系统,当无法获得精确的数学模型的时候,利用具有智能的模糊控制器能给出有效的控制。例如,在炼钢,化工,人文系统,经济系统以及医学心理系统中,要得到正确而且精密的数学模型是相当困难的。对于这些系统却具有大量的以定性的形式表示的极其重要的先验信息,以及仅仅用语言规定的性能指标。同时,要求过程的操作人员是系统的基本组成部分等。所有这些都
14、是一种不精确性的,应用一般的控制理论是很难实现控制的,但是,这类系统由人来控制却往往容易做到。这是因为过程操作人员的控制方法是建立在直观的和经验的基础上,他们凭借实践积累的经验,采取适当的对策完成控制任务,于是,人们把操作人员的控制经验归纳成定性描述的一组条件语句,然后运用模糊集合理论将其定量化,使控制器得以接受人的经验,模仿人的操作策略,这样就产生了以模糊集合理论为基础的模糊控制器。模糊控制理论的提出是控制思想的一次深刻的变革,它标志着人工智能发展到了一个新的阶段。第一章 模糊控制技术的发展概况1.1模糊控制技术的发展及应用概况 自扎德1965年开创“模糊集”以来,模糊集合论及相应的模糊理论
15、有了飞跃的发展,但在模糊控制理论提出的年代,由于科学技术尤其是计算机技术发展的限制以及科技界对“模糊”含义的误解,使得模糊理论没有得到应有的发展。从1965年至80年代,在美国、欧洲、中国和日本,只有少数科学家研究模糊理论,尽管理论文章总数高达约5000篇,然而实际应用却寥寥无几。到上世纪80年代末,随着计算机技术的发展,日本科学家才成功的将模糊理论应用于工业控制和消费产品控制,在世界范围内掀起了模糊控制应用高潮。今天,模糊控制技术已经应用到相当广泛的领域中。例如,家用电器设备已成为其主攻市场,诸如智能洗衣机、微波炉、吸尘器、空调机、照相机和摄相机等。在工业闭环控制系统中有水进化处理、发酵控制
16、、化学反应堆、水泥窖炉等等。目前,各国都争先开发模糊新技术和新产品,将模糊技术作为本国技术发展的关键技术之一,日本还将模糊控制技术开发作为开发第五代计算机的日本式“革命”。模糊控制技术已成为自动控制技术领域一个重要分支。目前,模糊控制技术日趋成熟和完善,模糊芯片也已研制成功且功能不断加强,成本下降,直接采用模糊芯片开发产品已成为趋势。模糊技术除了在硬件、软件、简单模糊控制技术上发展以外,还将在自适应模糊控制、混合模糊控制以及神经模糊控制上取得较大发展。随着其它学科新理论新技术的建立和发展,模糊理论的应用变得更加广泛,模糊控制理论结合人工神经网络和遗传基因等其它学科的新兴技术形成的神经网络模糊技
17、术,可以用于解决单一技术所不能解决的问题。模糊理论在其它学科技术的推动下,正朝着更加广泛的方向发展。1.2模糊控制的特点 模糊控制理论是控制领域中非常有发展前途的一个分支,这是由于模糊控制具有许多传统控制无法比拟的优点,其主要有如下几点:(1)无需知道被控对象的数学模型使用语言方法,可不需要掌握过程的精确数学模型。对复杂的生产过程很难获取过程的精确数学模型,此语言方法却是一种很方便的近似。(2)是一种反映人类智慧思维的智能控制 对于具有一定操作经验非控制专业的操作者,模糊控制方法易于掌握。(3)易被人们所接受操作人员易于通过人的自然语言进行人机界面联系,这些模糊条件语句很容易加入到过程的控制环
18、节上。而且其适应性也较强,采用模糊控制,过程的动态响应品质优于常规的PID控制,并对过程参数的变化具有较强的适应性。另外模糊控制系统程序短,所需存储器少,一般只需要很短的程序和较短的存储器,它比采用查表法的控制系统所需的存储器少得多,比多数采用数学计算方法的控制系统所需的存储器也要少。(4)开发方便,迅速模糊控制系统可以在较短的时间内完成复杂的控制任务,而使用计算方法则需大量的数学计算工作。这样,可使用简单的8位单片机来完成可能需要32位或RISC处理机的控制功能。使用模糊逻辑控制不必要对被控对象了解的非常清楚就可以开始设计、调试系统,可先从近似的模糊子集和规则开始调试,再一步步调整参数以优化
19、系统。模糊推理过程中的各个部件在功能上是独立的,因而可以简单地修改控制系统。(5)可靠性高 常规的采用数学计算的模糊控制系统是一个有机的整体。如其中一个算子出问题,或物理系统的条件发生变化都会使数学模型不再成立,则整个控制过程将失败。但是,模糊逻辑由许多相互独立的规则组成,它的输出是有个条输出合并的结果。所以即使一条规则出问题,其他规则可经常对其进行补偿;因而,系统可能工作的不太优化,但仍能起作用。并且,即使系统的工作环境发生变化,模糊规则经常仍能保持正确。对于采用数学模型的控制系统,参数变化以后,必须重新调整计算公式。(6)性能优良 由于模糊控制系统对于外界环境的变化并不敏感,使它具有较高的
20、鲁棒性,而同时,仍能保持足够的灵敏度。以前,响应迅速、调整得好的系统,同时也对外界变化十分敏感。反过来,使一个系统不受外界变化的影响,也就意味着降低灵敏度。对于模糊逻辑,可以使一个系统既有非常高的鲁棒性,又有很高的灵敏度。1.3模糊控制的应用 鉴于模糊控制的独特优点,近年来模糊控制得到了广泛的应用。下面简单介绍一些可使用模糊控制逻辑的应用领域。1航天航空 模糊逻辑现已应用于各种导航系统,如美国的航空和宇航局(NASA)正在开发一种用于将引导航天飞机和空间站的自动系统。2工业过程控制 工业过程控制的需要是控制技术发展的主要动力,现在的许多控制理论都是为工业过程控制而发展的,因而它也是模糊控制的一
21、个主要应用场合。3家用电器 由于模糊控制逻辑能以极小的代价提高产品的性能,使它能在家用电器中得到广泛应用。4汽车和交通运输 汽车中使用了大量的单片机,其中有些已使用模糊逻辑来完成控制功能。如日本仙台的地铁使用模糊技术来控制地铁,使地铁机车启动和停车非常平稳,乘客不必抓扶手也能保持平衡。5其他模糊逻辑还广泛应用于其他控制场合,包括电梯控制器、工业机器人、核反应控制、各种医疗器械等。第二章 本设计的主要任务模糊控制技术已经越来越多的改变了我们的生活,为了更近一步的了解和研究模糊控制技术,这里我将进行一个简单模糊控制器模糊恒温控制器的设计。本文的主要工作包括以下几个方面:1) 硬件电路的设计(包括电
22、路各功能部分的简介)2) 模糊控制器的设计3) 基于单片机控制的软件设计4) 模糊恒温控制器的调试2.1 本设计的总体思路本设计研究的被控对象为某生产过程中用到的恒温箱,按工艺要求需保持箱温按设定(如20)恒定不变。当箱内的温度处在冷区时,控制器就控制单片机进行加热,当箱内的温度处在温区时,控制器就控制单片机停止加热,并在恒温箱温度高于热区的上限时对恒温箱进行适当的降温处理。2.2 模糊控制的算法设计模糊控制算法,或称为模糊控制规则,实质上是将操作者在控制工程中的实践经验(即动手控制策略)加以总结而得到的一条条模糊条件语句的集合,它是模糊控制的核心。在模糊控制中,常见的模糊控制器有以下几种:1
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