开题报告(李娟)

湖北汽车工业学院Hubei Automotive Industries Institute毕业设计开题报告题目基于CAN总线的Fuzzy-PID温度控制系统设计班号T583-1 专业电子信息科学与技术学号20050830130学生姓名李娟指导教师黄晓林在冶金、化工、工业炉窑等工业生产中，温度控制是较普遍且较关键的控制系统，它具有非线性、强耦合、时变、时滞等特性．采用常规的PID 控制器，一般很难实现对其快速有效地精确控制．而作为非线性经制的一个分支一模糊控制，在温度控制系统中得到了较好的应用．而本文所研究的正是模糊控制在温度控制系统中的应用。

一、课题来源课题《基于CAN总线的Fuzzy-PID温度控制系统设计》来源于工程。

因为工程中普遍使用到温度控制系统，又由于温度控制具有非线性、大滞后、大惯性、时变性、升温单向性等特点，很难用数学方法建立精确的数学模型，因此用传统的控制理论和方法很难达到好的控制效果。

模糊控制技术不依赖于精确的数学模型，对参数的变化不敏感，适应性强，具有很好的鲁棒性。

因此本文根据模糊控制原理，设计了一种FUZZY— PID控制器，把人的判断技巧与推理能力参与到控制系统设计中去。

并通过MATLAN仿真软件来实现在温度控制中的结果。

这样得到的控制系统在理论上具有超调小、稳态控制精度高等特点。

CAN总线是现场总线的一种，它具有结构简单、实时性好、可靠性高、抗干扰能力强和成本低等显著优点，是具有国际标准的现场总线。

采用数字温度传感器，将现场温度信号直接转换成数字信号供微处理器处理，将处理信息通过CAN总线上传，此方式简化了系统的电路设计，系统可靠性高、扩展容易。

二、国内外现状模糊逻辑是人工智能的重要组成部分，自从1965年美国经制理论专家I ．A．Zadeh提出了用“Fuzzy Sets"(模糊集合)描述Fuzzy(模糊)事物以来，Fuzzy技术获得了广泛的应用．而模糊控制取得的最早应用成果之一，是1975年英国P．J．King和E．H．Mamdani将模糊控制系统应用于工业反应过程的温度控制中。

随后模糊控制成为自动化技术中一个非常活跃的领域．著名的自动控制权威Austrom曾经指出：模糊逻辑控制、神经网络控制与专家系统控制是三种典型的智能控制方法。

90年代初，模糊家电风靡日本，给日本企业带来了巨大的商业利润，同时也推动欧美和其他国家，进一步促进了模糊技术的发展。

1985年世界上第一块模糊逻辑芯片在美国著名的贝尔实验室问世，这是模糊技术走向实用化的又一里程碑。

日本、美国、德国等许多著名公司都在积极从事这方面的研究，相继开发出许多商业化的模糊逻辑芯片，1986年日本建立了模糊控制器硬件系统（模糊控制专用器件）。

上个世纪80年代末到90年代中期先后提出了模糊近似推理、模糊自适应控制、模糊神经元网络和模糊自适应推理系统等。

给模糊技术的应用注入了新的活力，开辟了十分诱人的光明前景。

我国的模糊控制在温度等非线性系统的控制中取得了一些成果，但在工程应用上我国和发达国家相比还存在着较大的差距，以钢铁企业为例，国内企业大多数只是做一些较简单的PID控制，而国外钢铁企业，智能控制发展极快，特别是在与温度有关的控制系统中，模糊逻辑控制的应用已相当广泛。

三、综合分析在工业生产过程中温度是重要的控制参数之一，对温度的有效控制对于保证生产质量具有重大的现实意义和理论价值。

温度具有非线性、时变性和滞后性等特性。

在控制算法方面，考虑到由于控制的电烙铁实际中具有非线性的特点，相当于一个时间常数很大的惯性环节，升降温缓慢，而且由于系统中没有专门的降温环节，在控制过程中当温度超过给定值时无法施加“负影响”(即无法降温)，只能让电烙铁自然散热，速度非常缓慢，单纯地采用PID控制往往会造成过渡过程时间长，超调大．所以为了达到良好的控制效果，根据实际控制对象的情况，基于一种多模式的复合控制思想，采用“多模控制”的控制方法．通过分析电烙铁的升降温过程，将其划分为几个阶段，在各个阶段，针对不同的特点和控制要求采用相应的控制方法．电烙铁的温度控制主要包括升温、恒温和降温．在升温环节初期，为了使电烙铁升温迅速，尽快达到所需温度要求，可以采取直接输出最大控制电压的方法，即开关控制．在升温后期和恒温环节，为了控制系统的超调，叉不影响系统的响应速度，可采用模糊控制．但是采用单纯的模糊控制，难于消除系统静差，为了提高控制精度，可采用FUZZY—PID控制，即在误差较大时采用模糊控制，误差降低到一定范围后转入PID控制．在降温阶段，只能通过自然散热，所以通过施加小于维护温度所需的控制量来实现散热．虽然控制量可能为负值，但实际上只是关断了控制电压．以上是实现系统温度控制的“多模控制”算法，它是一种无须建模的无模型控制算法，由于采用了PID和模糊控制，系统的抗扰性能良好，鲁棒性强．本文针对温度控制的特点，采用模糊控制的方法，研究和开发了基于控制规则自调整模糊控制方法的温度控制器。

CAN是一种多主方式的串行数控通讯总线．具有实时性、高可靠性和灵活性等优点，现已广泛应用到汽车工业、航空工业、工业控制、自动控制、智能大厦、电力系统、安全防护等各个自动化控制领域，成为应用最广泛的现场总线之一。

其优点突出表现在：①多主方式和面向事件的信息传输：②短帧结构；③非破坏性位仲裁；④可靠的错误检测和处理机制。

CAN通信协议主要描述设备之间的信息传递方式。

CAN总线的信息传输通过报文进行，报文有数据帧、远程帧、错误帧和超载帧4种类型。

其中数据帧用于传输数据：远程帧用于向某节点请求数据。

任何一个节点检测到总线上有错误．就向总线发送错误帧，使其它节点放弃该信息帧，迫使发送节点重发该信息帧。

超载帧用于延迟下一个数据帧或远程帧的到来。

CAN总线可以区分位错误、填充错误、RC错误、形式错误以及应答错误等多种错误类型．具有很强的错误处理能力。

CAN总线是一种面向内容的编址方案，因此很容易建立高水准的控制系统并进行灵活配置．很容易在CAN总线中加进一些新节点或者去掉一些节点而无需修改硬件或软件，因此可以方便地实现热插拔。

CAN总线上各节点可按照多种网络拓扑实现互连，其中总线形拓扑仅由一条传输信道组成．它连接了网络中所有的节点．使网络上的节点共享总线的全部带宽。

由于这种结构的网络易于实现，组建成本较低，而且增减节点方便，因此设计中采用了这种总线形拓扑结构。

四、方案论证1 . 系统硬件组成利用AT89C52作为现场主控单元，利用CAN总线实现模块间的通信，兼有外围电路实现对温度实时控制，主要由电源、接口电路、键盘、温度传感器、温度显示等部分组成，如下图所示：2. 模糊PID控制器的结构及工作原理基于增量型PID的参数模糊自整定算法，综合模糊控制与PID控制的优点，对系统参数进行优化，实现在线调整，为系统的非线性，参数变化及扰动提供了快速鲁棒性，达到快速调节，稳定性与精度得到提高。

2.1 模糊PID控制器的结构模糊PID控制将人的丰富操作经验与PID控制的良好适应性和稳定性结合，既能实现较快的升温速度，又可获得良好的恒温效果。

它不仅可用于高精度定值恒温控制，也可用于解决其它控制问题，具有良好的应用前景。

常用的模糊控制器有单输入单输出型和两输入单输出型，为了提高控制精度和速度，拟采用两个输入为偏差和偏差变化率、控制对象输出的两输入单输出控制方式。

模糊控制器的实现由实测值的模糊化、模糊关系矩阵的求取和模糊决策三部分组成。

模糊控制和PID控制的优点，使得在复杂的控制系统中，得到理想的控制效果。

使用经典的PID控制器直接对被控对象进行闭环控制，并且PID的三个参数KP、KI和KD通过模糊控制器来在线整定，使其稳定状态对应于PID控制器最优的参数。

控制系统设计方框示意图如图1所示。

2.2.1 模糊化模糊控制器采用以温度偏差e和温度偏差变化ec作为模糊控制器的两个输入量，以PID三个参数为输出控制量K。

根据调试过程，取PID模糊控制器输入变量e的基本论域为[一10，10](可以根据实际需要设定)，模糊子集为：{负大、负中、负小、零、正小、正中、正大}，记为T(e)={NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}；ec的基本论域为[一20，20]，模糊子集记为T(ec)={NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}。

e、ec的状态论域为[一6，6]。

对于模糊控制器的输出变量C的论域的模糊集合标记作为：T(K)={NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}。

模糊控制规则通常采用的方法为min—max合成运算来实现。

2.2.2 规则库建立在温度的模糊控制系统中，采用IF e and ec THEN K，形式为模糊控制规则的编程模式。

其中，：1，2⋯，7；u表示为比例、积分和微分，K为输出整定的PID参数。

规则的知识是基于熟练行家的经验，当规则太少时，会出现推理盲区，而规则太多，则即使经验十分丰富的专家也难以保证规则的质量。

在这里根据PID控制器的参数KP、Kl对系统响应速度，超调量、稳定精度等方面的影响，归纳出不同的e和ec时被控过程对参数KP、KI的自整定要求，按照这些要求和隶属度函数，得到的模糊推理矩阵表。

2.2.3 反模糊化处理根据模糊控制规则表，可以求出每一条规则的模糊关系，进而求出系统的总模糊关系，通过给定温度变化和变化率，采用合成推理规则求出对应的输出量，KP、KI的语言变量的论域因素采用重心法即加权平均法可实现模糊判决。

3. 网络化结构设计本设计采用CAN作为现场总线系统，CAN总线是一种高性能，高可靠性，易开发和低成本的现场总线，现已广泛应用在汽车、工业控制、机械制造、楼宇自动化等。

硬件采用SJAllX幻型CAN总线通信控制器与82C250型总线驱动器。

由于CAN总线为多主工作方式，网络上任意节点均可任一时刻和网络上其他节点进行信息传输与交换，不分主从，均是并列关系，通信方式灵活。

而总线上的任一节点可利用查询的方式，使单片机处理得到的数据通SJAI(X 心与82C250传到CAN总线上。

采用济南伦渠公司的通讯适配器，本通讯适配器包括三个通讯网络接口分别是RS一232、RS一422/485 和CAN接口，而本设计主要利用RS一232接口的主机(如户C操作站、过程站等)或从机(如现场控制单元智能网络节点等)可以通过现场总线适配器的CAN接口连入CAN网，实现基于CAN网的网络数据和命令的传输。

4.系统软件设计为便于程序的使用与维护，系统程序采用模块化结构，由主程序和若干子程序组成，这里采用数据融合的思想。

数据融合在多传感器信息融合领域占有重要地位，本设计在软件设计过程中，对现场控制对象的多点温度同时采集出的信息综合到一起，通过算法使现场温度检测更精确。