摘 要

随着智能化控制在生产化建设中的日益普及，传统的温度控制系统在工业化生产中发挥的作用逐渐弱化，想要满足智能化、高效率的生产需求难度较大，因此越来越多的温度控制系统逐步开始使用模糊PID算法作为系统的控制算法，使系统具备智能化、一体化的特性。与传统的乒乓算法和PID算法不同，模糊控制算法在控制对象较为复杂的情况下，有更好的控制性能，结合PID算法良好的鲁棒性，本文拟在传统乒乓控制和PID控制的基础上进行改进，采用一种结合模糊控制理论和PID控制理论的模糊PID控制算法进行温度控制。

本文改进设计了一种基于模糊控制理论的温度控制系统，系统以AT89C51单片机为处理芯片，DS18B20为温度传感器模糊，51单片机的数码管显示模块、矩阵键盘模块作为功能模块和升温和降温模块。主要开展了以下几项工作：完成模糊控制的理论学习、完成系统的设计与仿真、完成报告的撰写。

关键词：工业化生产；模糊PID控制；算法；系统设计；

Abstract

With the growing popularity of intelligent control in the production of construction, the role of traditional temperature control systems play in industrial production gradually weakened, want to meet intelligent, high-efficiency production demands greater difficulty, so more and more temperature control system gradually began to use fuzzy PID algorithm as the control algorithm of the system, make the system intelligent, integrated features. Bang-bang with the traditional algorithm and PID algorithms, fuzzy control algorithm in the case of the control object is more complex, there is better control performance, combined with PID algorithm is robust, this paper based on the traditional Bang-bang on the control and PID control improvements, fuzzy-PID fuzzy control theory and PID control theory control algorithm for temperature control.

In this paper, to improve the design of a temperature control system based on fuzzy control theory, system AT89C51 microcontroller chip, DS18B20 temperature sensor blur, 51 single digital display module, matrix keyboard module as a function modules and the heating and cooling module. Mainly carried out the following tasks: complete theoretical study of fuzzy control, complete system design and simulation, the completion of writing the report.

Key words: Industrial Production, Fuzzy PID Control, Algorithm, System Design

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1课题研究背景、目的及意义 1

1.2相关领域国内外研究现状 1

1.3本文的主要研究内容和组织结构 2

1.3.1本文研究的主要内容 2

1.3.2本文结构安排 2

第2章 经典PID控制理论与模糊控制理论 4

2.1传统PID算法 4

2.2模糊控制算法 6

2.2.1模糊控制系统的基本概念 6

2.2.2模糊控制系统的构成 6

2.2.3模糊控制系统的工作原理 7

2.3仿真对比经典PID与模糊PID 8

2.3.1算法环境模拟演示 8

2.3.2模糊控制工具箱及仿真环境介绍 8

2.3.3建立控制对象模型 9

2.3.4基于Simulink 环境的算法实验 9

2.3.5仿真结果与分析 12

2.4本章小结 13

第3章 模糊PID控制算法研究 14

3.1模糊PID复合算法理论 14

3.2模糊PID算法运用 15

3.3模糊PID仿真结果分析 18

3.3本章小结 18

第4章 温度控制系统设计与实现 19

4.1系统原理设计框图与设计原则 19

4.1.1系统原理框图 19

4.1.2系统设计原则 20

4.2系统电路设计 20

4.2.1温度传感器模块 20

4.2.2数码管显示电路 22

4.2.3矩阵键盘输入电路 23

4.2.4蜂鸣器报警电路 23

4.2.5执行机构电路 24

4.3系统实物调试 25

4.3.1温度的模糊PID控制结果分析 27

4.4本章小结 27

第五章 总结与展望 28

5.1全文工作总结 28

5.2未来工作展望 28

致 谢 29

参考文献 30

附录一 本科生期间的研究成果 32

第1章 绪论

1.1课题研究背景、目的及意义

科技发展的脚步从未停歇，自动控制系统作为广泛应用于工业生产中的核心控制模块，其在稳定性、精密性、响应率方面有着出色的表现，与之俱来的是发展中不断加强的需求，不仅在性能上有了更好的要求，对系统的自适应能力同样有了更高的要求。本文主要致力于研究将电炉设定为被控对象，在此条件下传统温度控制算法被模糊控制算法取代以实现温度的控制，以尽力消除被控对象特性带来的影响，主要因素包括惯性强、滞后性大、鲁棒性弱等。为提高控制精度，最佳的方式就是本文所采用的模糊控制方式，对被控对象保持连续性控制。主要采用的手段是在单片机中实现模糊控制系统，利用其强大的外部扩展模块，实现对电炉的实时控制。

谈及控制理论领域中最为完备和成熟的理论体系，我们自然不难最先联想到模糊控制理论。与之相辅相成的是 PID控制算法，它是目前在工业生产最使用最为广泛的控制方式，因其在简单系统中非常稳定、有效，能满足一般的需求。但对于某些复杂的应用环境如非线性时变系统中，其控制性能则会大打折扣。如果变量分级较少，模糊控制理论的应用单元——模糊控制器会使控制系统出现振荡现象，致使静态误差无法消除，所以在系统设计中，常将模糊控制理论与PID控制理论结合起来作为控制算法，从而实现功能互补，性能得到最大保障^[1]。

1.2相关领域国内外研究现状

早在1965年，美国帕克利加州大学(University of California at Berkeley)的扎德教授(LA.Zadleh)发表了他在模糊理论上的著作《Fuzzy Sets》，在文中他不仅首次提及了模糊性问题，同时还给出了其定量描述方法，使得这一理论在控制理论领域广泛影响，很快得到了相关领域学者的一致认可，并吸引了大批学习者，由此，模糊数学理论从此诞生。10年后，英国的Mamdani通过在工业控制中尝试引入模糊控制理论，并使系统获得了良好的控制效果，使模糊控制理论得到了实际证明，并获得长远发展^[2]。