一种基于模糊控制的可配置温度控制器设计方法

技术领域

本发明涉及芯片设计，尤其涉及温度控制芯片设计领域。

背景技术

温度控制在工业领域被广泛应用，用于自动控制大型系统的温度，以确保产品质量和效率。温度控制的精度对操作安全性和产品质量至关重要。

传统的PID控制器因其简单、透明、可靠和高效而在工业过程控制系统中得到广泛应用。模糊PID控制算法结合了模糊逻辑和传统PID控制算法，能更好地处理系统中的不确定性和模糊性，提高控制系统的稳健性和可靠性。传统PID控制器对非线性系统的适应性较弱，而模糊PID控制器可以更好地处理非线性系统的控制问题。相较于传统PID控制器，模糊PID控制器在鲁棒性、适应性和调节性能方面具有优势，特别适用于复杂、非线性和具有不确定性的控制系统。

不同应用场景对温度控制系统的精度要求差异很大。在工业制造中，温度对生产的有效性和安全性至关重要，因此对温度控制的精度要求更高。而在消费市场，对温度控制设备的精度要求相对较低。由于不同场景下对温控精度要求的差异很大，因此需要在不同场景下使用不同的温度控制器进行控温。且当前大多数温度控制系统采用单片机加外围电路来实现，但单片机可能出现死机现象，且其外围驱动电路复杂，成本高，可靠性较差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是传统温度控制系统在不同应用场景下精度要求差异大、可靠性不高的问题。通过把单片机所实现的控制功能以状态机取代，其它控制电路集成到一颗芯片内，提高了可靠性。采用基于模糊控制的可配置温度控制器以解决在不同应用场景下精度要求差异大的问题，提高了温度控制精度。同时该控制器也支持作为MCU的外设使用，可被MCU用于读取当前温度。

本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，基于模糊控制的可配置温度控制器，其特征在于，包括：

温度采集模块，其输入为控制器外部的温度传感器输出的电压，输出转化后的数字信息到总控模块；

总控模块，其输入端包括来自控制器外部的MCU的使能信号、EEROM使能信号，输入端包括来自温度采集模块温度数字信息、来自IIC模块的数据信号，输出包括输出到模糊PID模块的模糊控制使能信号、PID参数、目标温度、当前温度的数值，包括输出到IIC模块的数据信号，包括输出到PWM的周期设置值；

模糊PID模块，其输入端包括来自总控模块的模糊控制使能信号、PID参数、目标温度、当前温度的数值，其输出的计算值连接到PWM驱动模块；

PWM驱动模块，其输入端包括来自模糊PID模块计算值和来自总控模块PWM的周期设置值，其输出端为输出到控制器外部的PWM信号；

IIC模块，包括来自总控模块的数据信号的输入、输出，来自控制器外部的可选输入、输出的数据信号。

使用者根据需求选择是否包含MCU以及EEROM。该方案具有不同的工作模式，分别是EEROM模式、MCU模式、EEROM+MCU模式，并提供相应接口用于对应的模式。使用者需自行设计外围传感器电路，用于温度采集模块采集外部温度传感器的电压信号。

本发明提供一种基于模糊控制的可配置温度控制器在不同应用场景下通过配置实现较高的温控精度及可靠性，包括下述步骤：

(1)温度控制器读取配置信息，配置信息根据用户选择可来自EEROM或者MCU，配置信息包括：工作模式、目标温度、PWM周期、PID参数、是否使用模糊控制进行参数校正以及温度信息对应的数值。总控模块将温度信息对应的数值保存到内部的配置表供温度信息的数字信号查表使用；

(2)完成配置后进入工作模式；

(3)温度采集模块采集温度的模拟信号并转化为对应的数字信号，将数字信号传输至总控模块，温度信息转化的数字信号用于查询配置表得到对应的温度值；

(4)温度值输入到模糊PID模块进行计算，输出值到PWM驱动模块产生不同占空比的PWM信号驱动进行温度控制。

本发明的有益效果是，采用本发明的技术，可以在不同应用场景下通过配置实现较高的温控精度，具有高的灵活性，且使用状态机进行控制不会出现死机状况。

附图说明

图1是本发明的架构示意图。

图2是本发明模糊PID模块的结构示意图。

图3是本发明总控模块的结构示意图。

图4是本发明工作的流程图。

具体实施方式

本发明提供一种基于模糊控制的可配置温度控制器在不同应用场景下通过配置实现较高的温控精度及可靠性的方法。

整体架构如图1所示。在芯片初次启动或需要修改配置时，总控模块进入配置状态，首先需通过IIC接口输入配置信息，配置信息根据用户选择可来自EEROM或者MCU。配置信息包括：工作模式、目标温度、PWM周期、PID参数、是否使用模糊控制进行参数校正以及温度信息对应的数值。在完成配置后，芯片进入工作模式，模糊控制器开始工作，根据目标温度和实际温度差值，输出不同占空比的PWM信号进行温度控制。各模块的作用如下，

IIC模块：包含IIC主从机，用于进行配置信息的读取以及温度的输出。

总控模块如图三所示。该模块由配置信息存储区域、控制逻辑组成。控制逻辑对整个系统进行控制，控制各个模块的状态。配置信息存储区域存储配置信息，工作模式、目标温度、PWM周期、PID参数、是否使用模糊控制进行参数校正以及温度信息对应的数值。总控模块接收到来自温度采集模块的数字化后的温度信息用于查询温度数值查找表以得到温度的数值。可配置的工作模式选择分别是EEROM模式、MCU模式、EEROM+MCU模式。EEROM模式为使用该控制器芯片、外界传感器和EEROM芯片，芯片启动后将自动从EEROM通过IIC模块读取配置信息；MCU模式为使用该控制器芯片、外界传感器和MCU芯片，芯片启动后等待MCU模块通过IIC模块输入配置信息；EEROM+MCU模式为使用该控制器芯片、外界传感器、EEROM和MCU芯片，芯片启动后将自动从EEROM通过IIC模块读取配置信息，配置完成后进入温控工作后MCU可通过IIC读出当前温度。

温度采集模块：将外部输入的代表温度电压信号转化为数字信号。

PWM驱动模块：PWM(Pulse Width Modulation，脉宽调制)是一种通过调整信号的脉冲宽度来控制设备输出的技术。PWM信号由一系列周期性的脉冲组成，每个脉冲的宽度表示信号的占空比，即高电平时间占总周期的比例。PWM驱动原理是将模糊PID模块的输出信号转换为PWM信号，通过PWM信号控制温控元件关断。

模糊PID模块如图二所示，模糊PID控制是一种结合了模糊逻辑和传统PID控制的方法。其原理是将模糊逻辑系统与PID控制器相结合，以实现对系统的精确控制。模糊PID控制器包括模糊化、规则库、模糊推理和解模糊四个主要部分。首先，输入信号经过模糊化处理，将其转化为模糊集合。然后，通过规则库中定义的一系列模糊规则，进行模糊推理，得出输出信号的模糊集合。最后，通过解模糊操作将模糊输出信号转化为具体的控制量，作为PID控制器的输出。本发明将解模糊化过程采用离线查询的方式，将模糊推理获得的数据库存在ROM中，通过温度的偏差值和偏差的变化量率求得对应的查询地址从而得到PID参数校正值。

正常工作流程如图4所示。该温度控制器会根据MCU使能信号和EEROM使能信号进入对应的工作模式，然后开始读取配置信息。EEROM模式和EEROM+MCU模式下，该控制器芯片开始工作后通过IIC模块从EEROM芯片读取配置信息；MCU模式下，芯片启动后等待MCU模块通过IIC模块输入配置信息。完成配置后，控制器会根据所输入的配置信息进入对应的工作状态，开始温控。EEROM+MCU模式与MCU模式下，MCU可通过控制器的IIC模块读出当前的温度。