摘 要： 針對水溫控制系統(tǒng)的控制對象具有熱存儲能力大、慣性大、時變的特點，使用常規(guī)的PID調(diào)節(jié)器難以實現(xiàn)水溫穩(wěn)定的自動控制。設計一種以STC89C52單片機為核心、采用模糊控制算法的水溫控制系統(tǒng)，并闡述模糊控制理論的思想和系統(tǒng)的硬、軟件設計。實驗表明，該系統(tǒng)具有良好的控制性能，能夠?qū)崿F(xiàn)溫度的準確測量及穩(wěn)定自動控制，能夠推廣應用于工業(yè)控制系統(tǒng)以及熱帶魚養(yǎng)殖的恒溫環(huán)境中。
關鍵詞： 水溫控制；模糊控制；STC89C52單片機；LCD1602；DS18B20
溫度控制系統(tǒng)屬于純滯后系統(tǒng)，采用經(jīng)典控制理論設計的控制器會因?qū)嶋H的工業(yè)生產(chǎn)當中有許多系統(tǒng)難以建立準確的數(shù)學模型而難以實現(xiàn)溫度穩(wěn)定的自動控制[1-2]。模糊控制應用在具有明顯的非線性系統(tǒng)以及滯后環(huán)節(jié)（如水溫控制系統(tǒng)）中可以獲得很好的控制性能。
由于水在加熱過程中難以獲得精確的數(shù)學模型，控制參數(shù)變化范圍大，采用傳統(tǒng)PID控制難以解決系統(tǒng)穩(wěn)定性和準確性的問題[3]。本系統(tǒng)充分發(fā)揮模糊控制的魯棒性好、動態(tài)響應好、上升時間快和超調(diào)小的特點，在實際應用中取得了較好的效果。系統(tǒng)還具有成本低、可移植性強等特點。
1系統(tǒng)硬件設計
系統(tǒng)選用與MCS-51系列兼容的STC89C52單片機，它是一種低功耗、高性能、CMOS 8位微處理器[4]。本文就通過STC89C52單片機來實現(xiàn)自動控制水溫系統(tǒng)的設計，使水溫能夠在30℃~90℃實現(xiàn)恒定溫度調(diào)節(jié)。該自動控制水溫系統(tǒng)能及時反映當前系統(tǒng)工作區(qū)的溫度信息，溫度信息通過液晶屏直觀地顯示給用戶，用戶可根據(jù)自己對水溫的實用要求，通過鍵盤自行設定溫度，還設置了溫度超限報警，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1。
1.1 電源模塊
本次設計涉及的電壓有直流5 V、12 V及交流220 V三種電壓。為節(jié)約硬件資源，簡化電路，利用變壓器降壓經(jīng)過橋式整流后通過三端穩(wěn)壓管得到5 V和12 V的電壓。采用L7805穩(wěn)壓模塊進行穩(wěn)壓，經(jīng)過L7805降壓至5 V直接為單片機供電，線路簡單，如圖2所示，單片機工作穩(wěn)定，不會因電壓不穩(wěn)定而出現(xiàn)反復復位的情況。
1.2 系統(tǒng)電路設計
系統(tǒng)采用按鍵輸入設定溫度，液晶顯示屏LCD1602上實時顯示預設溫度和由DS18B20測得的實時水溫。通過測取溫度誤差，經(jīng)過模糊算法來控制執(zhí)行器件的具體操作。當控制溫度低于30℃或是高于90℃時，系統(tǒng)會通過蜂鳴器報警。系統(tǒng)控制電路設計如圖3所示。
2 系統(tǒng)軟件設計
2.1 模糊控制的原理
模糊控制理論的基礎是模糊集合理論，由美國加尼亞大學ZADEH L A教授于1965年首先提出，1973年他給出了模糊控制的定義及相關定理[5]。1974年，英國MAMDANI E H首先用模糊控制語句設計模糊控制器，并成功用于鍋爐和蒸汽機的控制，這一工作標志著模糊控制理論的誕生[6]。模糊控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖4所示。
由于人的經(jīng)驗一般是用自然語言來描述的，因此，基于經(jīng)驗的規(guī)則也只能是語言化的、模糊的。運用模糊理論、模糊語言變量和模糊邏輯推理的知識，就可以把這些模糊的語言規(guī)則上升為數(shù)值運算，從而能夠利用計算機來完成對這些規(guī)則的具體實現(xiàn)，達到以機器代替人對某些對象進行自動控制的目的[7]。
在整個模糊控制系統(tǒng)中，其控制步驟為:計算機中斷采樣獲取被控制量的精確值，然后將此量與給定值比較得到誤差信號e。一般選取誤差e作為模糊控制器的一個輸入量。把誤差信號e的精確量進行模糊化得到模糊量，誤差的模糊量可用相應的模糊語言來表示。至此，得到了誤差e的模糊語言集合的一個子集E，再由E和模糊控制規(guī)則R(模糊關系)，根據(jù)推理的合成規(guī)則進行模糊決策，得到模糊控制量U為：
其中，U為一個模糊量。為了對被控對象施加精確的控制，還需將模糊量U轉(zhuǎn)化為精確量，這一步稱為去模糊化處理。得到了精確的數(shù)字控制量后，經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換為精確的模擬量送給執(zhí)行機構(gòu)，對被控對象進行控制。然后，不斷中斷對被控量進行采集和控制，就實現(xiàn)了對被控對象的模糊控制。
2.2 模糊控制器的設計
容器內(nèi)水的溫度通過脈寬調(diào)制PWM(Pulse-Width Modulation)技術調(diào)節(jié)電熱絲上的發(fā)熱功率，從而實現(xiàn)溫度的自動控制[8]。模糊控制器的輸入和輸出均為精確的物理量。對于輸入量，其變化范圍一般為（-x,x）, 
。通常直接測取值為（a，b），并非完全對稱，但總可經(jīng)過式（2）轉(zhuǎn)換成（-n，n）的連續(xù)變化量，其中
（采用四舍五入取整處理），對于輸出量也可作同樣處理[9]。
根據(jù)水箱水溫變化特點，設當前測量溫度值為Ti、設定溫度值為Ts、當前偏差為e(e=Ti-Ts)，將e的結(jié)果劃分為負大（記為NLe）、負中（記為NMe）、負小（負小NSe）、相等（記為Oe）、正小（記為PSe）、正中（記為PMe）、正大（記為PLe）7個等級，將所得的偏差范圍按照式（2）進行論域規(guī)范化，得到X={-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4}共9個等級。
整個水箱的模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。
模糊集合完全由隸屬函數(shù)所表征，不同的隸屬函數(shù)決定不同的隸屬度，隸屬度的大小能夠比較正確、直觀地反映事物的本質(zhì)特征。本文采用正態(tài)形隸屬函數(shù)分布，如圖6所示。
建立當前偏差e的模糊集合，如表1所示。
將模糊控制輸出量記為u，同理將輸出u的變化范圍進行規(guī)范化分為
共9個等級，則U的模糊集合如表2所示。
模糊語言控制規(guī)則可歸納為：
將模糊關系集合記為R，為多段型[8]，則R為：
采用四舍五入取整后的結(jié)果u'=-2，即在當前溫度測量值Ti遠高于溫度設定值Ts時，采用PWM控制技術能比較大幅度地減小電熱絲的發(fā)熱功率，甚至開通制冷設備。
3 系統(tǒng)測試及結(jié)果分析
校驗溫度計：采用YAOHUA QUANQIN紅色酒精液柱溫度計，精度為±1℃,測溫范圍0℃~100℃，插入到水中與DS18B20處于相同水深。表3為系統(tǒng)測量溫度與標準酒精溫度計測量溫度的對比。
對比表3中的實測溫度與系統(tǒng)顯示值數(shù)據(jù)可知，該系統(tǒng)的誤差均控制在0.5 ℃以內(nèi)。在對于存在干擾的狀況，如突然加入冷水或熱水，由于熱量交換而導致的大延時情況下，控制系統(tǒng)具有較好的抗干擾能力，抑制非線性變化帶來的影響。綜合以上數(shù)據(jù)，此測溫方法能夠滿足系統(tǒng)的需要，系統(tǒng)總體穩(wěn)態(tài)性能良好。測試實物圖如圖7所示。
本文針對水溫控制系統(tǒng)的控制對象具有熱存儲能力大、慣性大、時變的特點，使用常規(guī)的PID調(diào)節(jié)器難以實現(xiàn)水溫穩(wěn)定的自動控制。設計了一種以STC89C52單片機為核心、采用模糊控制算法的水溫控制系統(tǒng)，建立并實現(xiàn)了簡單易行、適合在單片機系統(tǒng)運行的模糊控制算法，系統(tǒng)可移植性強，硬件電路簡單。經(jīng)實驗表明，算法水箱水溫的控制精度、響應速度以及穩(wěn)定性能等表現(xiàn)良好，可廣泛推廣和移植到工業(yè)以及熱帶魚養(yǎng)殖恒溫系統(tǒng)中。
參考文獻
[1] 黎惠成，曾碧，吳清泉，等. 一種基于模糊控制的溫度控制系統(tǒng)設計[J].計算機技術與發(fā)展，2009（19）：236-239.
[2] 于光普，黎東升，尤傳富. 智能水溫控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].長春工業(yè)大學學報，2011（32）:30-32.
[3] 張小娟. 一種基于模糊控制的溫度控制系統(tǒng)設計[J].儀表技術與傳感器，2010（11）:76-78.
[4] 余永權(quán)，曾碧. 單片機模糊邏輯控制[M].北京：北京航空航天大學出版社，1995.
[5] 張恩勤，施頌椒，高衛(wèi)華，等. 模糊控制系統(tǒng)近年來的研究與發(fā)展[J].控制理論與應用，2001（18）：7-11.
[6] 鄭亞林，黃德隆，郭健. Fuzzy推理的Mamdani算法[J].寶雞文理學院學報（自然科學版）,2001（21）：168-173.
[7] 王春林，任洪波. 煙葉烤房溫度模糊控制[J].控制工程，2012（19）：1157-1160.
[8] 王兆安，劉進軍. 電力電子技術(第五版)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009.
[9] 曹謝東. 模糊信息處理及應用[J].北京：科學出版社，2003：137-149.