基于单片机与模糊PID控制的热水器温度智能控制设计 基于单片机与模糊 控制的热水器温度智能控制设计 温度是工业生产过程中重要的物理量，尤其在冶金、机械、食品、化工等工业中，对工件的处理温度都要求严 格控制,对温度的精确度和稳定性均有较高要求，温度的测量与控制直接关系到企业的生产利益甚至存亡。本文 讨论基于单片机与模糊PID控制的热水器温度智能控制设计 目前在国内外很多温度控制系统都采用ARM 作为处理器，PID 作为温度控制方式[1]。该控制方式对大多数控制对象均可达到 满意的控制效果，但对于有特殊要求或具有复杂对象特性的系统，采用数字PID控制一般难以达到目的。基于温度变化的非线 性与模糊控制鲁棒性强、干扰和参数变化对控制效果的影响较小，尤其适合于非线性、时变及纯滞后系统的控制，将PID与模 糊控制相结合来实现对温度的控制。 因此,本文以热水器为对象，运用系统控制理论，以模糊控制与数字PID控制相结合方式进行温度控制系统的设计。 1 整体方案设计 系统采用晶控电子的STC系列单片机进行下位机温度控制，同时采用PC机进行上位机控制。上位机首先给下位机发出命令， 下位机再根据此命令解释成相应时序信号直接控制相应设备。下位机不时读取设备状态数据，转化成数字信号反馈给上位机。 下位机实现现场实时控制，上位机实现远程实时监控。 系统的实现采用模块化设计思想,分别从硬件、软件来设计并综合应用。硬件分为温度检测模块、输入输出模块、串口通信模 块及加热模块几个部分；软件由上下位机同时控制,包括温度采集子程序、液晶显示子程序、键盘输入子程序、模糊PID控制子 程序、串口通信子程序等。设计主要针对控制算法来实现，系统总体设计方案如图1所示。 2 硬件电路设计 2.1温度检测模块 DS18B20是DALLAS公司生产的数字温度传感器,温度测量范围为-55℃～+125℃,测温分辨率可达0.062 5 ℃，它集温度测量 与A/D转换于一体，直接输出数字量，传输距离远，可以实现多点检测，硬件结构简单，避免了传统热电偶、热电阻模拟信号 到数字信号转换、硬件结构复杂、成本高的缺点，其电路连接如图2所示。 2.2 串口通信模块 接口RS232是用正负电压来表示逻辑状态的，而单片机采用正逻辑TTL电平，因此必须在此分立元件实现电平和逻辑关系的变 换。通信电路中，下位机串口使用查询法接收和发送资料，上位机发出指定字符，下位机收到后返回给上位机原字符，其电路 连接如图3所示。 

2.4 加热模块 系统的加热过程通过单片机控制继电器的开关来实现，当检测温度与设定温度有差距时继电器处于接通状态，加热器持续加 热，当检测温度与设定温度一致时，继电器处于断开状态，加热器停止加热。继电器电路连接如图5所示[2]。 3 软件设计 3.1模糊PID控制算法 模糊PID控制是找出Kp、Ki、Kd与E、Ec之间的模糊关系，通过不断检测E和Ec，根据模糊推理对Kp、Ki、Kd进行在线修 改，满足了不断变化的E、Ec对控制参数的要求，从而使被控对象具有良好的动、静态性能。模糊PID结构图如图6所示。模 糊PID控制器的调整规则是[3]： (1)当E较大时，为加快系统响应速度，应取较大的Kp和较小的Kd，由于积分太强会使系统超调加大，因而要对积分作用加以 限制，通常取Ki=0或者较小值； (2)当E和Ec中等大小时，为减少系统超调并保证一定的响应速度，Kp应适当取小些，同时Kd的取值对系统影响很大，也应取 小些，Ki的取值要适当； 

(3)当E较小时，为减小稳态误差，Kp与Ki应取得大些，而Kd的取值要适当，取值不当会引起系统震荡。其原则是：当Ec较小 时，Kd取大些，当Ec较大时，Kd取较小的值，通常Kd为中等大小。 3.2 下位机程序流程图 下位机采用keil软件，C语言进行程序的编写，采用STC-ISP进行软件烧写，程序流程图如图7所示。 3.3 上位机界面显示 上位机采用VB6.0对温度监控界面进行编写，通过界面可以选择不同的串口进行通信，在不同时间可以通过多个温度检测器对 不同热水器进行温度检测并自行设定温度,界面可以实时显示温度变化曲线如图9所示。 本系统将单片机与模糊PID控制相结合，不仅单片机控制效果显著而且易于操作，还实现了智能控制与常规PID控制两者的优 点:它具备自学习、自适应、自组织的能力，能够自动识别被控过程参数，自动整定控制参数，能够适应被控过程参数的变 化；它又具备常规PID控制器结构简单、鲁棒性强、可靠性高、为现场设计人员所熟悉等特点，较易应用与推广。