基于模糊控制的无线温度控制系统设计

基于模糊控制的无线温控系统设计宗晓萍1，李燕2，刘巍1(1.河北大学电子信息工程学院河北保定071002；2.河北机电职业技术学院河北邢台054000)摘要：介绍了一种利用模糊控制器实现无线温度控制系统的设计方案。此方案以工业用电阻炉为控制对象，下位机将PT100测量温度反馈量无线传送给上位机，上位机采用模糊控制算法，将控制输出量以无线通信的方式传送给下位机，构成闭环控制系统。其中执行机构以PWM输出方式对电阻炉温度进行控制。关键词：模糊控制；PT100测温；无线通讯；PWM中图分类号：TP311文献标识码：ATheDesignforWirelesstemperaturecontrolsystemBasedonFuzzyControlXiao-PingZongYanLiWeiLiu（1.CollegeofElectronicandInformationalEngineering,HebeiUniversity,BaoDing071002;2.HebeiInstituteofElectricalandMechanicalTechnology,HebeiXingTai054000)Abstract:WirelesstemperaturecontrolsystemisdesignedbasedonFuzzycontrolinthispaper.Theclosed-loopsystemiscomposedofslavemachinesandmastermachines.PT100thermalresistancessensorsisusedfordetectingthetemperatureintheslavemachinesandfuzzycontrollogicisusedforcontrollingtemperatureinthemastermachines.Thecommunicationbetweenslavemachinesandmastermachinesisimplementedbywirelessmodules.Keywords:Fuzzycontrol;PT100;Wirelesscommunication;PWM1引言温度控制广泛用于生产生活当中，在粮食储存，数字农业，医疗监控等行业尤其重要。随着现代工业技术的发展,被控对象和生产过程日益复杂,系统的非线性、时滞性和环境的不稳定性导致难以建立精确的数学模型,这使传统控制技术受到了严峻的挑战。模糊控制技术的控制算法由控制规则和推理机构组成,能方便地描述控制操作人员的控制经验,不需要被控对象的数学模型,便可达到较好的控制效果,非常适用于温度控制系统。本系统以模糊控制器作为基础，由单片机配合Pt100铂电阻两线制测量电路和无线通信模块nRF24L01，构建了一个简单可行的无线温度控制系统，该系统有控制精度高，成本低，功耗低，无需布线和搭建网络等优点，在以电阻炉为控制对象的控制系统中，达到了满意的控制效果。2系统整体设计方案系统由一个上位机和一个下位机构成。系统结构如图1所示，下位机采集温度数据并通过nRF24L01无线模块将数据发送给主机，上位机通过USB接口将数据传送给PC机，由LabWindows/CVI设计模糊控制器计算输出控制量。3下位机系统的硬件和软件设计下位机硬件系统由C8051f330单片机，传感器测量电路，PWM输出模块和无线模块构成。如图2所示，传感器测量电路由pt100两线制测量电路构成，根据铂电阻阻值会随着温度的变化而改变的规律，在前置放大电路中采用电桥法将阻值变化转换为电压变化，产生随温度变化的模拟电压信号，经过C8051f330的内部AD转换器将模拟量转换为数字量，再根据前置电压放大倍数和铂电阻非线性计算公式推出当前温度值。PWM输出模块由光电耦合器和继电器构成，由C8051f330单片机控制PWM输出，正脉冲宽度由上位机模糊控制器计算后提供。PWM脉冲经过光电耦合器后控制220V继电器开关，可直接作用于执行机构。图2下位机测量电路Pt100测量电路NRF2401无线模块PWM输出C805f330单片机CY7C68013单片机NRF2401无线模块PC机模糊控制器(a)下位机(b)上位机图1系统结构组成广义对象下位机软件设计主要完成Pt100温度计算和PWM脉宽调制。其中PWM脉宽调制采用C51语言，在keil4编译器上调试编译通过。voidPCA_ISR(void)interrupt11{unsignedchara;bitPWM_PAC;CF=0;if(PWM_PAC==0)//占空比由00xfe{PCA0CPH0=a;a++;if(a==0xfe){PWM_PAC=1;}}else//占空比由0xfe0{PCA0CPH0=a;a--;if(a==0){PWM_PAC=0;}}}无线通信模块由全双工的nRF24L01构成，完成无线发射和接收数据的功能。nRF24L01是一款工作在2.4G-2.5GHz世界通用ISM频段的单片无线收发器芯片，包括频率收发器，增强型模式控制器，功率放大器，晶体振荡器，调制器，解调器。输出功率，频道选择和协议的设置可以通过SPI接口进行设置[3]。4上位机USB固件设计上位机采用Cypress公司EZUSBFX2(68013)系列芯片，是世界上第一个集成了USB2.0微处理器的USB接口芯片，它集成USB2.0收发器,SIE(串行接口引擎),增强型8051微控制器和可编程的外围接口。这种独创性结构可使数据传输率达到56Mb/s。在CY7C68013中,智能SIE可以硬件处理大多数USB2.0协议,从而大大减少了开发时间和确保了USB的兼容性[2]。接收PC机数据子程序采用C51语言，在keil4编译器上编译调试通过。//PC机下传数据EP1OUTBC=0x00;EP1OUTBC=0x00;while(EP01STAT&0x02);//查询端点2的EMPTY标志b=EP1OUTBUF[0];5上位机模糊控制器设计系统以工业用电阻炉为控制对象，应用二维模糊控制器，经过模糊化,模糊推理,模糊判决,去模糊化四个步骤后，把模糊判决后的结果由模糊量转化成为可以用于实际控制的精确量[1]。电阻炉温度模糊控制系统框图如图3所示。根据模糊控制器的设计原则,选择输入变量为误差ｅ和误差变化ｅｃ，输出变量为控制量ｕ，它们所对应的语言变量分别为Ｅ、ＥＣ和Ｕ。语言变量Ｅ、ＥＣ和Ｕ的论域取［－4，4］，语言值均取5个，分别为“负大NB”，“负小NS”，“零ZR”，“正小PS”和“正大PB”。隶属度函数，ZR取三角形隶属度函数如图4所示。根据经验，可以得到用“if…then…”形式表达的模糊控制规则，控制规则表如表1所示：计算机将采集到的温度与设定值相比较，得到温度误差e，并通过微分环节得到温度误差的变化量ec。对e和ec这两组数据进行模糊化处理，确定其隶属度，从而得到模糊推理的输入量E和EC。根据开发人员的经验,离线制定控制量查询表。该表以IF-THEN的规则形式存储于规则库中，用于在系统运行期间模糊推理过程中进行查询。推理所得到的输出量用加权平均判决法进行模糊判决，最终得到用于实际控制的精确值，并用来对控制固态继电器开合的脉冲宽度进行调节，从而作用于被控对象(即电阻炉)。此设计中，误差的量化因子Ke取32，误差变化的量化因子Kc取3，控制输出的比例因子Ku取4。根据上述隶属度函数和控制规则，利用上位机软件采用LabWindows/CVI做为模糊控制器设计软件，根据误差论域和模糊控制规则表得到输出控制量。/*******************************************************************************Function:fuzzy_engineDescription:实施规则表中的规则********************************************************************************/voidfuzzy_engine(unsignedcharinput){unsignedcharif_val,//保存当前规则中条件分支中的值clause,//规则基中当前的分支mu,//保存当前分支中的值label=0;//被条件使用的成员函数then=0;//设第一个分支是条件分支NBNSZRPSPBNBNSZRPSPBNBNSNSZRZRNSNSZRZRPSNSZRZRPSPSZRZRPSPSPBZRPSPSPBPB给定值模糊化接口模糊推理去模糊化规则库执行机构控制对象温度检测eecECecE-ddtUu图3模糊控制系统原理方框图EEC表1模糊控制规则表0-2-424ZRμ1图4隶属函数图PSPBNSNBif_val=MU_MAX;//maxoutmuforthefirstrulefor(clause=0;clauseRULE_TOT;clause++){//遍历每条规则clause_val=rules[clause];//读入当前的分支if(!clause_type){//当前的分支是不是条件分支if(then){//是否正在分析结果...then=0;if_val=MU_MAX;//复位mu}mu=compute_memval(input,label);//得到条件分支的值if_val=mu;label++;}else{//当前分支是结果then=1;//置位标志位,如果当前规则的mu比参考的值要大,保存这个值作为新的模糊输出if(outputs[clause_val&0x07]if_val){outputs[clause_val&0x07]=if_val;}}}}6结语构建的基于模糊控制器的温度控制系统，在电阻炉温度控制实验测试中效果良好，控制精度高，上位机因带有USB接口方便灵活，应用软件二次开发方便，可针对不同控制对象移植模糊控制表。实践表明，模糊控制方法提高了控制的实时性、稳定性，并且操作过程简单、快捷。参考文献：[1]黎惠成,曾碧,吴清泉.一种基于模糊控制的温度控制系统设计.计算机技术与发展.2009（19）:237~239[2]王军,何鹏举,杨杰.基于USB接口的无线温湿度监测系统.仪表技术与传感器.2009（12）:49~52[3]曾勇,杨涛冯.基于nRF24L01的超低功耗无线传感器网络节点设计.电子技术应用.2008（7）:45~48国家自然科学基金资助：混合动态系统解的性态分析及相关问题，编号：10971045作者简介：宗晓萍：女汉族1964年生人职称：教授学历：博士研究生学位：博士主要研究方向：混合动态系统及智能控制联系地址：河北大学电子信息工程学院邮政编码：071002联系电话：[phone]传真：5079575电子信箱：[e-mail]。