渤海大学
毕业设计（论文）
PID温度控制
摘要
模糊PID的温度控制系统具有真正的智能化和灵活性，越来越多的温度控制系统都基于模糊PID算法而设计。随着控制对象变得复杂，应用常规PID温度控制精度和鲁棒性降低。当控制对象很复杂的情况下，常规PID温度控制器已经不再适用了，为了提高对复杂系统的控制性能，要使用模糊PID温度控制器。一种将PID控制与模糊控制的简便性、灵活性、以及鲁棒性融为一体，构造了一个模糊PID温度控制器。
本文设计了一种基于模糊PID的温度控制系统，以AT89C51单片机为核心，主要做了如下几方面的工作：首先介绍了模糊PID控制理论基础，其次进行系统的硬件设计以及硬件选择，最后进行系统的软件设计以及仿真。 关键词：模糊PID；AT89C51单片机；温度控制；仿真
Abstract
Fuzzy PID temperature control system with real intelligence and flexibility, more and more temperature control systems are designed based on fuzzy PID algorithm.With the control object becomes complicated, using conventional PID temperature control accuracy and robustness of the lower.When the control object is a complex situation, conventional PID temperature controller is no longer applied, in order to improve the control performance of complex systems, to use the fuzzy PID temperature controller.A way to PID control and fuzzy control of simplicity, flexibility, and robustness of the integration, we constructed a fuzzy PID temperature controller.
This design presents a fuzzy-based PID temperature control system to AT89C51 SCM,made the following main areas of work:first introduce the theory of fuzzy PID control,second for the hardware design and hardware design,and finally to the system software design and simulation.
Keywords: Fuzzy PID; AT89C51 SCM; temperature control; simulation
目 录
第一章 绪论............................................................................................................ 1
1.1选题背景及其意义........................................................................................... 1 1.2概述................................................................................................................... 1 1.3温度测控技术的发展与现状........................................................................... 1
1.3.1定值开关控温法..................................................................................... 2 1.3.2PID线性控温法 ...................................................................................... 2 1.3.3智能温度控制法..................................................................................... 2
第二章 模糊PID控制理论 ............................................................................... 4
2.1PID控制器 ........................................................................................................ 4
2.1.1PID控制的发展 ...................................................................................... 4 2.1.2PID控制理论 .......................................................................................... 4 2.1.3PID控制算法 .......................................................................................... 5 2.2模糊控制原理................................................................................................... 7
2.2.1模糊控制系统的基本概念..................................................................... 7 2.2.2模糊控制系统的组成............................................................................. 7 2.2.3模糊控制的基本原理............................................................................. 8 2.3模糊PID复合控制算法 .................................................................................. 9
2.3.1模糊PID复合算法 ................................................................................ 9 2.3.2模糊PID算法运用 .............................................................................. 10
第三章 模糊PID温度控制系统硬件设计 ................................................. 14
3.1系统硬件电路构成......................................................................................... 14 3.2系统设计原则及系统总电路图..................................................................... 14
3.2.1系统设计原则....................................................................................... 14 3.2.2系统总电路图....................................................................................... 15 3.3 单片机的选择................................................................................................ 15 3.4温度传感器的选择......................................................................................... 19
3.4.1DS18B20简介 ....................................................................................... 19 3.4.2DS18B20的性能特点 ........................................................................... 20 3.4.3DS18B20的管脚排列 ........................................................................... 21 3.4.4DS18B20的内部结构 ........................................................................... 21 3.4.5DS18B20的测温原理 ........................................................................... 22 3.5数码管输出..................................................................................................... 22 3.6键盘接口电路................................................................................................. 23 3.7蜂鸣电路......................................................................................................... 24 3.8外部存储模块................................................................................................. 24 3.9电机驱动模块................................................................................................. 25
第四章 系统软件设计 ....................................................................................... 27
4.1主程序模块..................................................................................................... 27 4.2温度传感器DS18B20模块 ........................................................................... 27 4.3LED显示模块 ................................................................................................. 29 4.4键盘控制模块................................................................................................. 29
第五章 系统的仿真............................................................................................ 31
5.1仿真工具......................................................................................................... 31 5.2 MATLAB及其模糊逻辑工具箱和仿真环境 ............................................... 31
5.2.1MATLAB概况 ...................................................................................... 31 5.2.2模糊逻辑工具箱................................................................................... 31 5.3模糊PID的仿真 ............................................................................................ 32
5.3.1控制对象模型....................................................................................... 32 5.3.2MATLAB仿真 ...................................................................................... 33 5.4仿真结果与分析............................................................................................. 35
结论 ............................................................................................................................ 37 参考文献 ................................................................................................................... 38 附 录........................................................................................................................ 39
附件一:部分源程序 ............................................................................................. 39
1.DS18B20相关子程序 ................................................................................ 39 2.LED相关子程序 ........................................................................................ 39 3.按键相关子程序......................................................................................... 40 附件二：英文文献............................................................................................... 43 附件三：系统总电路图....................................................................................... 51
谢 辞........................................................................................................................ 51
天津工业大学2010届本科毕业设计论文 第一章 绪论
1.1选题背景及其意义
在人类的生活环境中，温度扮演着极其重要的角色。无论你生活在哪里，从事什么工作，无时无刻不在与温度打着交道。自18世纪工业革命以来，工业发展与是否能掌握温度有着密切的联系。在冶金、钢铁、石化、水泥、玻璃、医药等行业，可以说几乎80%的工业部门都不得不考虑着温度的因素。温度不但对于工业如此重要，在农业生产中温度的监测与控制也有着十分重要的意义[1]。
1.2概述
温度是生活及生产中最基本的物理量，它表征的是物体的冷热程度。自然界中任何物理、化学过程都紧密的与温度相联系。在很多生产过程中，温度的测量和控制都直接和安全生产、提高生产效率、保证产品质量、节约能源等重大技术经济指标相联系。因此，温度的测量与控制在国民经济各个领域中均受到了相当程度的重视。
今天，我们的生活环境和工作环境有越来越多称之为单片机的小电脑在为我们服务。单片机在工业控制、尖端武器、通信设备、信息处理、家用电器等各测控领域的应用中独占鳌头。时下，家用电器和办公设备的智能化、遥控化、基于单片机的温度测控系统在温室大棚中的设计与实现模糊控制化己成为世界潮流，而这些高性能无一不是靠单片机来实现的。
1.3温度测控技术的发展与现状
近年来，温度的检测在理论上发展比较成熟，但在实际测量和控制中，如何保证快速实时地对温度进行采样，确保数据的正确传输，并能对所测温度场进行较精确的控制，仍然是目前需要解决的问题。温度测控技术包括温度测量技术和温度控制技术两个方面。
在温度的测量技术中，接触式测温发展较早，这种测量方法的优点是：简单、可靠、低廉、测量精度较高，一般能够测得真实温度；但由于检测元件热惯性的影响，响应时间较长，对热容量小的物体难以实现精确的测量，并且该方法不适宜于对腐蚀性介质测温，不能用于超高温测量，难于测量运动物体的温度。另外的非接触式测温方法是通过对辐射能量的检测来实现温度测量的方法，其优点是：不破坏被测温场，可以测量热容量小的物体，适于测量运动物体的温度，还可以测量区域的温度分布，响应速度较快。但也存在测量误差较大，仪表指示值一般仅代表物体表观温度，测温装置结构复杂，价格昂贵等缺点。因此，在实际的温度测量中，要根据具体的测量对象选择合适的测量方法，在满足测量精度要求的前提下尽量减少投入[1]。
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