【正文】 以及日常生活中需要普遍進(jìn)行測(cè)量和控制的一個(gè)非常重要的物理量，如：在冶金、機(jī)械、石油化工、電力等工業(yè)生產(chǎn)中的溫度控制；在溫室花房、蔬果大棚、糧倉等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的溫度測(cè)控；與我們生活息息相關(guān)的微波爐、電熱水器、電烤箱、空調(diào)等家用電器的溫度控制；高等院校實(shí)驗(yàn)室微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)中將溫度作為被測(cè) 參數(shù)，供學(xué)生做綜合實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)或課程設(shè)計(jì)等。溫度控制對(duì)于小到人民的日常生活、大到鋼鐵等大型工業(yè)生產(chǎn)工程都具有廣闊的應(yīng)用前景。準(zhǔn)確地測(cè)量和有效地控制溫度是優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低耗和安全生產(chǎn)的重要條件，所以對(duì)溫度進(jìn)行控制是非常必要且有意義的。 目前，溫度測(cè)控系統(tǒng)一般使用的還是傳統(tǒng)儀器，以單臺(tái)儀器獨(dú)立工作、手工操作、人工記錄和分析判斷信息為主要設(shè)計(jì)思想，其功能和規(guī)格一般被廠家所固定，使用時(shí)需要通過硬件或者固化的軟件來實(shí)現(xiàn)，用戶無法隨意改變其結(jié)構(gòu)和功能，不具有通用性。而當(dāng)前的發(fā)展對(duì)測(cè)控儀器提出了越來越高的要求，不僅要求能完成 實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，還希望具有更強(qiáng)的通用性，能適應(yīng)多種多樣的使用要求，隨時(shí)可改變檢測(cè)對(duì)象、完成不同測(cè)試任務(wù)或升級(jí)換代，能建立起一個(gè)可掌握生產(chǎn)過程的信息資料，并能以監(jiān)測(cè)、分析、控制和優(yōu)化等手段為及時(shí)的人工決策和控制提供依據(jù)的測(cè)控系統(tǒng)。顯然，傳統(tǒng)儀器已經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)代檢測(cè)系統(tǒng)的要求。一些智能儀器構(gòu)成的溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，也往往需要人干預(yù)，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而利用高級(jí)編程語言進(jìn)行軟件開發(fā)又讓人感到力不從心?？傮w而言，測(cè)控領(lǐng)域主要面臨了以下幾大問題 ： (l)產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度太快，彼此之間的兼容性較差； (2)難以滿足用戶不同層次和不斷 變化的要求； (3)對(duì)測(cè)控系統(tǒng)集成入網(wǎng)、并能通過網(wǎng)絡(luò)訪問和交互的需求日益迫切。 智能溫度控制器正朝著高精度、多功能、總線標(biāo)準(zhǔn)化、高可靠性及安全性、開發(fā)虛擬溫度控制器和網(wǎng)絡(luò)溫度控制器、研制單片測(cè)溫控溫系統(tǒng)等高科技的方向迅速發(fā)展。上述差距，是我們必須努力克服的。 隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，虛擬儀器開啟了測(cè)控儀器的新紀(jì)元。虛擬儀器為人們建立檢測(cè)系統(tǒng)、自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)、過程監(jiān)控系統(tǒng)等提供了一個(gè)理想的軟件開發(fā)環(huán)境。它含有種類豐富的函數(shù)庫，科學(xué)家和工程師們利用它可以方便靈活地搭建功能強(qiáng)大的測(cè)控系統(tǒng)。同時(shí)，現(xiàn) 代控制理論的發(fā)展，人工智能技術(shù)的深入研究，也為控制系統(tǒng)的理論領(lǐng)域增加了新的內(nèi)容。常用的溫度控制電路除了傳統(tǒng)的 PID 控制方法，近幾年來快速發(fā)展的是將模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等智能控制方法應(yīng)用于溫控系統(tǒng)，包括智能控制與 PID 控制相結(jié)合及長春理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 2 這些智能控制之間的結(jié)合。利用現(xiàn)代控制理論與虛擬儀器技術(shù)，將智能控制與傳統(tǒng)控制有機(jī)綜合應(yīng)用，提高測(cè)量精度，設(shè)計(jì)出適用于不同加熱條件和要求的智能型溫度測(cè)控系統(tǒng)是當(dāng)今測(cè)溫研究的一個(gè)重點(diǎn)。 本文的研究對(duì)象 —— 電烤箱，是一種非線性、時(shí)變性、大時(shí)滯的被控對(duì)象，用精確的數(shù)學(xué)模型表示 其特性是十分困難的，用常規(guī)的 PID 控制難以達(dá)到較高的控制精度，只有在參數(shù)整定準(zhǔn)確且系統(tǒng)不發(fā)生劇烈變化的情況下才能實(shí)現(xiàn)，然而這對(duì)一般的電烤箱溫度控制系統(tǒng)來說都難以滿足，在關(guān)于溫度控制的絕大部分文獻(xiàn)資料中，控制結(jié)果都有較大的超調(diào)，本論文基于這一特點(diǎn)進(jìn)行研究，提出一種控制方案，把虛擬儀器與智能溫度控制相結(jié)合，開發(fā)一套基于模糊自整定 PID 參數(shù)算法的控制系統(tǒng)，使其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、響應(yīng)速度快、控制精度高、魯棒性強(qiáng)的特點(diǎn)。另一方面基于控制實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的要求，目前在國內(nèi)高校，虛擬儀器正逐步走進(jìn)理工科課堂和實(shí)驗(yàn)室，用虛擬 儀器技術(shù)來實(shí)現(xiàn)智能溫度測(cè)控實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，將其用于實(shí)驗(yàn)室電烤箱的溫度控制，使其達(dá)到相應(yīng)的技術(shù)要求，來滿足自動(dòng)控制技術(shù)、單片機(jī)、虛擬儀器技術(shù)、傳感器與檢測(cè)技術(shù)等多門課程的教學(xué)與實(shí)驗(yàn)，并能用作學(xué)生綜合實(shí)訓(xùn)或課程設(shè)計(jì) ,系統(tǒng)的使用和維護(hù)費(fèi)用低。 課題的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1967 年 Leondes 等人在他們的技術(shù)匯報(bào)中首次正式使用 “智能控制 ”一詞。1974 年， Mamdani 首次將模糊邏輯和模糊推理用于鍋爐和蒸汽機(jī)的控制，標(biāo)志著人們用模糊邏輯進(jìn)行工業(yè)控制的開始。 1976 年， P． J． King 和 Mamdani 等人合作，采用模糊模型的預(yù)估方案，用模糊控制對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行溫度控制，成功解決了系統(tǒng)不穩(wěn)定的問題，這也是控制史上首次利用模糊控制來進(jìn)行溫度控制。 20 世紀(jì) 90 年代，美國、英國相繼發(fā)表《智能控制專輯》，德國、日本等國家也連續(xù)發(fā)表多篇智能溫度控制在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用方面的論文?，F(xiàn)今 Simens 和 Inform 公司聯(lián)合研制了性能優(yōu)良的模糊控制開發(fā)軟件工具及第三代模糊微處理器，可利用軟件或硬件的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的模糊控制。 早在 1965 年我國著名科學(xué)家傅京孫首先提出把人工智能啟發(fā)式推理規(guī)則引入學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)，并于 1971 年提出人工智能和自動(dòng)控制交叉學(xué)科，奠定了國內(nèi)智能控制發(fā)展的基礎(chǔ)。隨后越來越多的學(xué)者開始關(guān)注智能控制技術(shù)，國家也越來越重視智能控制理論的研究和應(yīng)用， 1993～ 1995 連續(xù)三年國內(nèi)都召開了與智能控制有關(guān)的學(xué)術(shù)會(huì)議。由于溫度控制涉及到工業(yè)、農(nóng)業(yè)和日常生活等眾多領(lǐng)域，智能溫度控制技術(shù)成為國內(nèi)學(xué)者研究的重要內(nèi)容，在科技刊物上發(fā)表的與智能溫度控制有關(guān)的論文也相繼增多。 總體而言，智能控制在溫度控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。目前，國外已研制出智能化、精度高、小型化的智能溫度控制器，開發(fā)出成熟的智能控制算法和控 制軟件。相比較而言，國內(nèi)智能控制技術(shù)與日本、美國、瑞典、德國等先進(jìn)國長春理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 家相比，仍存在較大差距。目前國內(nèi)成熟的溫控產(chǎn)品主要以 “點(diǎn)位 ”控制及常規(guī)的 PID 控制為主，商品化的智能控制系統(tǒng)少，在智能控制技術(shù)研究方面投入的人力、物力還不夠。 課題研究的主要內(nèi)容 本課題以電烤箱為研究對(duì)象，針對(duì)電烤箱升溫單向性、大慣性、大滯后的特點(diǎn)，在比較常規(guī) PID 控制、模糊控制及參數(shù)模糊自整定 PID 控制策略的基礎(chǔ)上，主要對(duì)參數(shù)模糊自整定 PID 控制的應(yīng)用進(jìn)行了研究，并結(jié)合虛擬儀器巨大的優(yōu)越性，設(shè)計(jì)出響應(yīng)速度快、超調(diào)量 小、穩(wěn)態(tài)誤差小的溫度測(cè)控系統(tǒng)。本課題的具體研究?jī)?nèi)容如下： 第一章：論述智能溫度測(cè)控系統(tǒng)課題的背景和意義，溫度測(cè)控系統(tǒng)控制方案，課題的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及本論文的主要內(nèi)容。 第二章：系統(tǒng)模型的建立及控制策略的選擇與設(shè)計(jì)，利用 Matlab 對(duì) PID 控制 、 模糊自整定 PID 控制進(jìn)行仿真比較 。 第三章：智能溫度測(cè)控系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則，給出整體設(shè)計(jì)方案，詳細(xì)介紹以單片機(jī)為核心的溫控系統(tǒng)各部分器件的功能與原理，給出電路原理圖，并對(duì)硬件采取各種抗干擾措施。 第四章：智能溫度測(cè)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，給出了各 主控模塊的子程序流程圖 ,對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了調(diào)試和實(shí)驗(yàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析。 長春理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 第二章 被控對(duì)象及控制策略 系統(tǒng)模型的建立 控制系統(tǒng)建模方法分為兩大類：機(jī)理建模和實(shí)驗(yàn)建模。機(jī)理建模理論上可以很精確，但實(shí)際上受客觀條件的限制很難做到，對(duì)于復(fù)雜的系統(tǒng)必須事先做許多簡(jiǎn)化和理想化才能建立模型。這種方法存在數(shù)學(xué)方程不易準(zhǔn)確建立、實(shí)驗(yàn)工藝較復(fù)雜、運(yùn)行工況變化較大等缺點(diǎn)，最終會(huì)造成對(duì)象模型的不準(zhǔn)確。實(shí)驗(yàn)建模把被研究的對(duì)象看作一個(gè)黑箱，通過輸入信號(hào)，研究對(duì)象的輸出響應(yīng)信號(hào)與輸入激勵(lì)信號(hào)之間 的關(guān)系，估計(jì)出系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，這種方法簡(jiǎn)單實(shí)用，尤其對(duì)一些不易了解內(nèi)部結(jié)構(gòu)和機(jī)理不明的 “黑箱 ”系統(tǒng)更是如此?？紤]到電烤箱結(jié)構(gòu)復(fù)雜，許多變量間只存在相關(guān)關(guān)系，而這種關(guān)系往往不能直接用數(shù)學(xué)式來精確描述，所以本文選擇實(shí)驗(yàn)建模來獲取系統(tǒng)模型。 電烤箱是一個(gè)具有熱容量的對(duì)象，當(dāng)系統(tǒng)上電以后，箱內(nèi)的溫度是一個(gè)隨時(shí)間逐漸上升的過程。加熱絲的溫度逐漸升高，通過箱壁熱傳遞和熱輻射使箱體內(nèi)溫度也逐漸升高，溫箱有一定的容量滯后，其余環(huán)節(jié)可視為比例環(huán)節(jié)，因而一般可用一階慣性環(huán)節(jié)加一個(gè)滯后環(huán)節(jié)來描述溫控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，其傳遞函數(shù)表示為： se1)( ???TSKsG (21) 式中 K 是對(duì)象的靜態(tài)增益； T 是對(duì)象的時(shí)間常數(shù)； τ 是對(duì)象的純滯后時(shí)間。 電烤箱模型參數(shù)的辨識(shí)常用的方法是階躍響應(yīng)法。電烤箱在不同功率下的階躍響應(yīng)曲線基本相同，所以可由某一功率下的系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線來取得系統(tǒng)的近似特征參數(shù)。在獲得對(duì)象的飛升曲線后可用 CohnCoon 公式求對(duì)象參數(shù)。一階慣性純滯后對(duì)象飛升曲線如圖 21 所示 。 圖 21 一階慣性純滯后對(duì)象飛升曲線 CohnCoon 公式如下： 長春理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 inout???K （ 22） ）（ tT ?? （ 23） ）（ t??? （ 24） 式中 和 分別是飛升曲線為 和 時(shí)對(duì)應(yīng)的時(shí)間。 本文的被控對(duì)象是深圳市偉科達(dá)電熱設(shè)備有限公司生產(chǎn)的型號(hào)為 WKD298 的電烤箱，工作頻率 50Hz，溫度范圍 0250 度 ，總功率 2020W。在實(shí)驗(yàn)過程中對(duì)其給定輸入 180 度 ，每 30S 采樣一次，得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表 21 所示： 表 21 實(shí)驗(yàn)測(cè)得 的電烤箱溫度數(shù)據(jù) 將表 21 中的數(shù)據(jù)輸入 MATLAB 進(jìn)行仿真得到圖 22。 圖 22 系統(tǒng)階躍響應(yīng)響應(yīng)曲線 根據(jù) CohnCoon 公式可得到系統(tǒng)模型的各參數(shù)： k =， T = 178s， 時(shí)間 /s 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 溫度 /℃ 20 30 37 50 63 75 94 106 120 131 141 時(shí)間 /s 330 360 390 420 450 480 510 540 570 600 溫度 /℃ 152 161 168 171 175 177 178 179 180 180 長春理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 τ =30s。因此本文被控對(duì)象的傳遞函數(shù)為： sSG 30e11 7 )s( ??? （ 25） 控制策略研究 PID 控制的基本理論 PID 控制在生產(chǎn)過程中是一種被普遍采用的控制方法，是一種建立在經(jīng)典控制理論基礎(chǔ)上的控制策略，對(duì)于線性定常系統(tǒng)的控制是非常有效的，其調(diào)節(jié)品質(zhì)取決于 PID 控制 器的各個(gè)參數(shù)的確定。常規(guī) PID 控制系統(tǒng)原理框圖如圖 23 所示。 比 例 P微 分 D被 控 對(duì) 象++r （ t ）y （ t ）積 分 I 圖 23 常規(guī) PID 控制系統(tǒng)原理圖 理想的 PID 控制器根據(jù)給定值 r (t)與實(shí)際輸出值 c (t)構(gòu)成的控制偏差 e(t） e (t)= r(t)c(t) （ 26） 將控制偏差的比例、積分和微分通過線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控其 連續(xù)形式為： ?????? ??? ?t Dip dt tdeTdtteTteKt 0 )()(1)()(u （ 27） 其中， e (t)為系統(tǒng)誤差， PK iT DT 分別為比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間。在圖 23 的基礎(chǔ)上簡(jiǎn)單分析一下 PID 控制器各校正環(huán)節(jié)的作用 : (l)比例環(huán)節(jié)的引入是為了及時(shí)成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào) e (t)，以最快速度產(chǎn)生控制作用，使偏差向減小的方向變化。控制作用的強(qiáng)弱取決于比例系數(shù) PK ，隨著 PK 的增大，穩(wěn)態(tài)誤差逐漸減小，但同時(shí)動(dòng)態(tài)性能變差，超調(diào)量也增大，容易產(chǎn)生振蕩，甚至?xí)归]環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。因此 PK 選擇必須適當(dāng)，才能取得過渡時(shí)間少、穩(wěn)態(tài)誤差小而又穩(wěn)定的效果。 (2)積分環(huán)節(jié)的引入主要用于消除靜差，即當(dāng)閉環(huán)系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，此時(shí)控制輸出量和控制偏差量都將保持在某一個(gè)常值上。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù) iT , iT 越大積分作用越弱，有利于系統(tǒng)減小超調(diào)，過渡過程不易產(chǎn)生振蕩，但消除靜差所需的時(shí)間較長。反之隨著 iT 減小，靜差也減小，但過小的 iT 會(huì)加劇系統(tǒng)振蕩，甚至使系統(tǒng)失去穩(wěn)定。 (3)微分環(huán)節(jié)的引入是為了改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，微分控制能感應(yīng)出偏差的變化趨勢(shì)，增大微分控制作用可加快系統(tǒng)響應(yīng)，減小超調(diào)量，克服振蕩，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但使系統(tǒng)抑制干擾的能力降低。微分部分的作用強(qiáng)弱由