摘 要：本文介绍了一种采用模糊逻辑控制和多点温度设定的新型数字温控系统。该系统硬件主要由单片机、热电阻和A/D转换芯片等构成，其特点是通过软件编程实现模糊逻辑控制和多点式线性逼近的方法，使得升温过程更加均匀、精确，升温曲线更接近线性。
关键词：数字温控系统；模糊逻辑控制；线性逼近
引言
温度控制对于很多实验或生产过程有着十分重要的作用。本文所介绍的系统是利用单片机、温度传感器、加热丝、吹风机和A/D转换芯片等来实现的数字温度控制系统，其中最主要的特点就是在升温过程中采用了多点式线性逼近和模糊逻辑控制的方法。本文重点介绍这种系统采用的电路设计及软件算法。
电路系统硬件设计
控温系统通过热电阻感测温度变化，把温度信号(热电阻电压信号)通过A/D转换芯片转换成频率信号，反馈给单片机进行计算和判断，计算出当前温度。把当前温度和初始设定温度进行判断比较，并利用模糊逻辑控制的原理，控制加热丝的加热进程，使加热过程更趋于线性，从而使系统更加稳定。
系统上电后需要设定五组温度值和时间值，如果不输入数据，系统将默认按照前一次输入的数据进行工作。系统启动后，将按照设定的每个点的时间和设定的加热温度进行工作，直到最后达到设定温度上限并稳定于上限。
根据控温系统的功能，温度控制系统由单片机、温度传感器、A/D转换电路、显示接口电路、按键接口电路、控温电路、定温超限报警电路及数据存储电路等几部分组成，其原理框图如图1所示。
其中测温电路由温度传感器铂热电阻Pt100及外围器件组成，实现温度－电压变换，经补偿放大至适当电压送到A/D转换芯片LM331N。显示接口电路是由8只8段式数码管及外围器件组成，数码管由串行－并行转换芯片74LS164驱动，可以显示2组0~9999数字。控温电路由光控可控硅TLP666、可控硅BTA12、加热丝等组成。单片机通过V/F转换芯片LM331N感测到热电阻上电压随温度的变化，当温度低于/高于设定值下限时，单片机控制可控硅导通/关断对加热丝进行控制，使温度升高/降低。存储电路是用来存储温控系统进行工作的温度和时间，使得在系统掉电的情况下数据不会丢失，上电后不需要重新设置数据。数据存储电路是使用串行EEPROM芯片AT24C01，它可以存储128B数据，足够满足本系统的数据存储需要。
温度控制模糊算法
目前大部分温度控制器还是采用PID控制算法。这种算法对固定参数的线性定常系数系统非常有效，但是由于其调节品质取决于PID控制器各个参数的整定，不同的温度控制对象要用不同的PID参数，而且参数整定比较麻烦。另外，常规PID控制器对于非线性、时变的系统和模型不清楚的系统就不能很好的控制。而用模糊逻辑实现控制，只需要关心功能而不是系统的数学模型，研究的重点是控制器本身而不是被控现象。所以这种系统对系统参数变化不敏感，具有很强的鲁棒性，适用于对不同对象的控制。本系统的模糊逻辑控制是调整控制加热丝上的电压脉宽来实现升温并使温度恒定。实时温度和设置温度的差值dT是可正可负的。为使模糊逻辑控制算法中回避有符号数的运算，需将dT固定一个偏移量，使其论域从0开始到某一个正数。这里设定dT的论域为±4℃，偏移后为0~8℃。
模糊逻辑控制器的工作过程分为三个阶段。第一阶段是“模糊化”，就是把精确的输入量转换成用模糊集合的隶属函数来表示的某一模糊变量的语言值，即模糊输入；第二阶段是“模糊推理”，即把模糊输入加到一个“IF-THEN”控制规则库中去，并把激活的各个规则所产生的结果“加”到一起去产生一个“模糊输出”集合；第三阶段是对这些模糊输出进行解模糊判决，即在一个输出范围内找到一个最具有代表性的、可直接驱动执行机构的、确切的输出控制量。
该系统的输入量为温度偏差dT，它为本次实测温度值与设定温度值之间的差值。由于温度场具有较大的惯性，温度变化一般不可能很快，所以本设计取采样时间间隔为250ms。
当dT在±4℃之间时，采用模糊逻辑控制算法实现控制。为便于操作，将该模糊控制区分为五个模糊子集：NB(负大温度偏差)、NS(负小温度偏差)、ZE(零温度偏差)、PS(正小温度偏差)、PB(正大温度偏差)。模糊子集的隶属函数采用如图2所示的对称三角形。这样对在设定值附近±4℃范围内的每个温度采样量，都可以找到对应不同模糊子集(隶属函数)的隶属度，从而把采样值转换为模糊量，由此就可完成对温度偏差精确输入量的模糊化。
定义把模糊输出论域0~4划分为七2个模糊子集：S(关)、SM(较弱)、M(中等)、MB(较大)、B(强)，其隶属函数仍采用对称三角形。模糊子集的隶属函数如图3所示。这是一种典型的一路输入一路输出的模糊逻辑控制器，其规则形式为：
如果(dT是A)那么(U是B)
因为模糊输入变量温度偏差dT有5个标称，所以规则数为5个，由此构成一个模糊逻辑控制规则知识库，见表1。
根据模糊化后的输入量dT，通过搜索模糊逻辑控制规则库，采用玛达尼推理法可以获得模糊输出量。
算法软件实现
图4是系统实现模糊逻辑控制部分的子程序流程图。在实际电路系统中，为了精确控制温度，进行脉宽调制(PWM)。模糊控制把每个温度控制脉冲的占空比分为5档，每个脉冲周期为10ms。其中最大档为100%脉宽，即全速加热；最小档为0%脉宽，即关掉加热丝；中间档最为重要，就是维持这个温度的脉宽值。在不同的温度，中间档不同。如现在温度为100℃，假如维持温度100℃需要30%脉宽，则30%脉宽就是100℃的中间档。中间档是通过多次实验测试的数据，经过线性计算处理后得到的，温度不断变化，其中间档也会随之变化；较大值就是取中间值与最大值的平均数，即(30%＋100%)/2=65%脉宽；较小值就是15%脉宽。
在加热过程中，由于加热时间和需要加热温度已经设定，所以在每个时间点需要达到一定温度，也就是在每个时间点的加热脉宽不同。所以根据时间变化，通过单片机进行计算后，输出的脉宽也在不断变化，当前温度与设定温度不同时，就会进行模糊控制。
本温控系统除了采用模糊逻辑控制算法外，还采取了多点式线性逼近的方法。可以在当前温度与最终设定温度之间任意设定5组数据(时间与温度)，而且在每个温度点都采用了模糊控制技术，这样可以使升温曲线更加趋于线性。
结语
根据试验数据得到，与设定温度值相比，在高温段(>200℃)，温度变化值<4℃，即相对误差<2%；在低温段(<200℃),温度变化<2℃，相对误差为1%左右。对于有较大惯性的温度系统来说，已经具有很高的稳定性和精确度。■
参考文献
1 Watkins, F.A. The representation problem for additive fuzzy systems. Fuzzy Systems, 1995. International Joint Conference of the Fourth IEEE International Conference on Fuzzy Systems and The Second International Fuzzy Engineering Symposium., Proceedings of 1995 IEEE International Conference on , Volume: 1 , 20-24 Mar 1995 :117 -122 vol.1
2 李潮青. 单片机原理及接口技术. 北京：北京航空航天大学出版社，1996
3 林国庆，张冠生，费鸿俊. 新颖实用的数字温度显示控制装置. 电器开关. 1998，6