论文总字数：30127字

摘 要

过程控制在当前社会的工业过程当中有着非常广泛的应用，但相对的在实验室当中，学生能够进行过程控制实验的机会非常少。本次课题旨在开发一种给学生提供过程控制实验机会的操作平台。本平台具有键盘接口、液晶显示器等部件。可以通过键盘给定我们期望系统最终达到的目标值，与测量得到的实际值进行比较，通过平台MCU里面的控制算法，处理后得到控制值。通过D/A把控制量输出到被控对象上，对被控对象进行控制。实现利用单片机对被控对象进行自动控制。

本系统采用功能更加强大、运行速度更快的C8051F020单片机代替标准的8051单片机。本文将会对C8051F020芯片的一些基本功能和使用方法，初始化和调试方法进行阐述。本次课题选用了模糊控制算法作为控制算法，与PID控制算法相比，它不需要事先建立精确的数学模型，对于具有纯滞后、非线性的系统非常适合。在论文中将会对模糊控制算法的数学原理和设计原则以及模糊控制器设计时有哪些具体的步骤进行详细的说明。

本系统通过keil4软件编写程序代码，并用该软件进行软件仿真调试工作。通过U-EC5仿真器将程序下载到单片机中进行硬件调试。本次毕业设计的目标基本完成，制作出了符合要求的控制平台，并且可以通过平台对液位进行有效的控制，使其最后稳定在给定值，但是系统的超调量略大，调节时间也较长，存在一些瑕疵。

关键词：过程控制；C8051F020单片机；模糊控制算法；模糊控制器；keil4软件

Simulation and control platform of process control object Fuzzy Controller Based on C8051 MCU

Abstract

In current society, process control has been used very much in the industry process. But at the same time, students have a little chance to carry out the experiment about process control on the laboratory. So the purpose of this project is to develop a platform of process controller for students to do the experiment about process control.The platform has a keyboard interface, liquid crystal display and other parts.Through the keyboard input we give an expectd value, and the measure the actual value. Then we compare the two values on the platform, the algorithm obtains the control value, control of the controlled object, using the computer to realize the automatic control of the single chip microcomputer.

This system uses the C8051F020 single chip microcomputer replaces the standard 8051 single chip microcomputer,which’s function is more powerful and he running speed is quicker.This paper will clarify some of the basic use of C8051F020,initialization and debugging methods.This topic selects the fuzzy control algorithm.Compared with the usual PID control algorithm, it doesn’t need to establish accurate mathematical model in advancefor the system with pure lag, nonlinear is very suitable.This paper will explain the principle of fuzzy control algorithm and the design steps of fuzzy controller.

We write program through the keil4 software in this system and use the software to do the simulation and debugging.We download the program to do the microcontroller hardware debugging through the U-EC5.I have got a good control result by the platform,but it also exists some shortcomings,such as overshoot volume is too big.

KEYWORDS: C8051F020 singlechip: process control；fuzzy control algorithm；fuzzy controller； keil4 software

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 项目背景和意义 1

1.2 本控制平台的优点 1

1.3 本文概述 2

第2章 模糊控制 3

2.1 模糊控制原理简介 3

2.2 模糊控制器的设计步骤 4

2.2.1 模糊控制器的结构设计 4

2.2.2 模糊规则的选择 5

2.2.3 模糊推理 5

2.2.4 解模糊 5

2.2.5 解模糊 6

2.2.6 编写模糊控制器的算法程序 6

2.3 本章小结 6

第3章 C8051F020单片机 7

3.1 单片机结构和功能简介 7

3.2 掌握C8051F020的使用方法 11

3.2.1 熟悉了解系统的时钟源 11

3.2.2 了解和掌握系统的复位机制 12

3.2.3 掌握单片机的初始化设置 14

3.3 掌握交叉开关的配置 14

3.4 本章小结 16

第4章 系统设计 17

4.1 系统硬件设计 17

4.2 系统软件设计 18

4.2.1 模糊控制器的设计 18

4.2.2 系统的人机界面功能设计 23

4.3 本章小结 23

第5章 实施和调试 24

5.1 平台制作 24

5.2 实验调试 28

5.3 本章小结 33

第6章 总结和优化 34

6.1 研究工作总结 34

6.2 平台优化 34

参考文献 36

致谢 37

绪论

项目背景和意义

在工业过程当中，过程控制是指控制变量是压力P、流量Q、温度T、液位L等工业参量的自动控制系统。过程控制是基于实时数据和检测的数据，根据最优值对控制对象很快地进行控制的自动控制，所以我们也被称为实时控制。过程控制是一个连续的，而不是瞬间的控制过程。在工业生产过程当中过程控制有着非常广泛的实际应用，如化学工艺，石油开发，电力控制，冶炼金属，水利发电，制造药物，纺织工业，建筑材料，核能利用，环境保护工程等许多运用到自动控制系统的控制领域的都可以算过程控制系统。虽然过程控制在工业生产中应用如此之广，但是我们在学习过程当中对过程控制进行实验的机会却少之有少。相对而言，同样在工业生产过程中广泛应用的运动控制，我们就做了较多的实验，包括设计并连接常开常闭开关的相关电路，了解并熟悉触电器的使用，控制电机的正反转等实验。所以我们希望能够研制一种能够作为学生进行过程控制实验的平台，以便学生能够对过程控制的控制过程有更加全面的了解，增强学生的动手能力，这就是本课题的意义所在。

本控制平台的优点

实验室原本的控制器主体CPU采用的51型号的单片机，51型号的单片机引入日常的教学实验，时间已经长达十年之久，我国大部分大学和及其院系都将51型号的单片机作为实验室的教学演示工具，但随着科学技术的发展，伴随着一些高度集成，高性能，功能更加强大的微控制器的诞生，传统的以标准8051作为核心控制内核的单片机已经不能满足我们得一些需要，如果不进行改进的话将不得不遗憾的退出市场。而本次课题采用设计的过程控制实验平台是全面优化后的C8051F020芯片。C8051F020芯片内核的操作系统是由“芯科”实验室有限公司生产，并申请专利的CIP-51操作系统。而且CIP-51的指令系统与51型号单片机的指令系统完美兼容，可以直接使用标准803x/805x 的汇编软件和编译软件进行软件语言程序编写工作，并且标准8052单片机具有的外部设备，CIP-51的内核系统当中全部都有。CIP-51系统采用的是流水线型工作方式的结构模式，所以它与传统的8051单片机结构相比较起来，它的运行速度得到极大的提高。除了这些特点之外，它还具有许许多多新增的功能，例如标准的8051型号单片机仅仅 只有7 个中断源，而C8051F020型号单片机大大扩大了它的中断控制系统，可以向CIP-51系统提供了22 个中断源，允许大量的数字和模拟外部设备中断微控制器的工作在同一时间。实验室原本的控制器采用的是PID算法。以PID算法作为控制核心的控制器，结构比较简单，使用起来较为方便，被控对象非常广泛，是一种在理论方面具有足够的稳定性设计方法和参数整定的方法。但是PID控制算法不适用于非线性系统和具有大延迟的系统。而且PID控制算法需要先建立数学模型，但是在工业过程控制的实践当中，有很多难以解决的控制问题，尤其是在涉及到传质，化学反应和传热的过程更为普遍，例如锅炉工作，冶炼钢材，冶金等实际工业生产过程，因为机理复杂，具有大时滞和检测有很大难度等一系列因素，很难建立准确的数学模型，就不能用PID算法控制而本平台采用的模糊控制算法它不需要预先建立精确的数学模型，就能对着这些建模非常困难的对象,进行较好的控制，并且具有良好的"鲁棒性”。

该平台采用keil4软件用C语言编写的算法程序，通过模拟U-EC5下载程序到单片机，所以它不仅只能模糊控制的过程控制实验法。无论是其他的什么算法，包括模型预测控制，内膜控制，预测函数控制等等，只要编写好相应的控制算法程序，就能通过U-EC5仿真器下载到单片机上，调试完毕后就可以在平台上进行利用相应的控制算法对过程对象进行控制的实验，具有较好的应用性。当然PLC也具备这种优点，不过PLC的价格十分昂贵，用其生产大量的实验平台提供学生实验显然不适合。

本文概述

模糊控制算法对我来说是一种较为陌生的算法，所以事先查阅了大量模糊控制算法的相关文献。在本文第二章中对模糊控制的基本原理，模糊控制系统的基本结构，模糊控制器的设计方法和步骤进行了详细的说明。本文第三章罗列了C8051单片机的一些相关资料包括它的数据手册，引脚功能原理图等。阐述了它的初始化方法，交叉开关的配置和编程语言的使用方法。根据过程控制系统的系统构成和本次所要实现的控制目标，设计出了平台应具备的各种器件和功能。这些在第四章硬件电路设计中进行了说明。在第四章的软件设计部分，阐述了针对液位这一控制量如何设计具体的模糊控制算法的步骤和人机界面功能的设计。

剩余内容已隐藏，请支付后下载全文，论文总字数：30127字