【正文】 推理算法 ...................................................32 模糊自適應(yīng) PID 控制器的解模糊化 ...........................................................334 爐溫測控系統(tǒng)上位機 軟件實現(xiàn)技術(shù) .....................................................................36 MATLAB 軟件與 VC 軟件通信的實現(xiàn) ...............................................................36 可視化上位機監(jiān)控界面的實現(xiàn) ..........................................................................37總結(jié)與展望 .....................................................................................................................38 總結(jié) ......................................................................................................................38 展望 ......................................................................................................................39致謝 .................................................................................................................................40參考文獻 .........................................................................................................................41附 錄 .............................................................................................................................43附錄 A： 英文文獻 ...................................................................................................43附錄 B： 中文譯文 ...................................................................................................46 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 1 頁1 緒論 研究背景和研究意義隨著世界各國經(jīng)濟的快速發(fā)展，對能源的消耗與日俱增，怎樣降低功耗提高經(jīng)濟效益，已經(jīng)成為世界人們所關(guān)注的問題。我國經(jīng)過20多年的改革開放，經(jīng)濟的發(fā)展更是迅猛，但是也帶來了許多問題，例如煤炭，石油緊缺短缺的問題，這是一個國家發(fā)展的經(jīng)濟命脈，經(jīng)濟強國都競相開發(fā)上述資源的替代品。電加熱爐技術(shù)可以廣泛應(yīng)用于石油冶煉，軋鋼等工業(yè)行業(yè)上，并且加熱爐的能源消耗優(yōu)勢可以占一個工廠能源消耗的60%以上，所以說，怎樣有效的降低加熱爐的能源消耗，提高經(jīng)濟效益，已經(jīng)擺在人們的面前，加熱爐技術(shù)已經(jīng)有幾十年的發(fā)展歷史了，各個時期有不同的產(chǎn)品，它們都代表各個時期的發(fā)展水平。但是，縱觀加熱爐的發(fā)展史，它們都普遍存在的問題是加熱爐的控制精度不高，能源損失比較大的特點，隨著計算機控制技術(shù)的發(fā)展，用計算機來控制加熱爐已經(jīng)成為當前的發(fā)展趨勢，本次畢業(yè)設(shè)計就是在這個背景下提出來的。隨著新技術(shù)的不斷開發(fā)與應(yīng)用，近年來用單片機進行控制的技術(shù)革命浪潮正在蓬勃興起，單片機的應(yīng)用已經(jīng)滲透到電力、冶金、化工、建材機械、食品、石油等各個行業(yè)，尤其在工業(yè)控制、自動化儀器儀表、計算機系統(tǒng)接口、智能化外設(shè)等應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展很快，它的應(yīng)用對于產(chǎn)品升級換代、機電一體化都具有重要的意義。在工業(yè)生產(chǎn)中，電流、電壓、溫度、壓力、流量、速度和開關(guān)量都是常用的主要被控參數(shù)。其中，溫度控制也越來越重要。在工業(yè)生產(chǎn)的很多領(lǐng)域中，人們都需要對各類電熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐和鍋爐中的溫度進行檢測和控制。采用單片機對溫度進行控制不僅具有控制方便、簡單和靈活性大等優(yōu)點，而且可以大幅度提高被控溫度的技術(shù)指標，從而能夠大大的提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。 所要解決的主要問題在對溫度控制發(fā)展現(xiàn)狀、系統(tǒng)控制要求進行研究的基礎(chǔ)上，選擇了整個控制系統(tǒng)的控制方案；完成系統(tǒng)的硬件設(shè)計，包括采樣電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、主控制電路、保護電路 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 2 頁等等的設(shè)計；完成該系統(tǒng)的軟件設(shè)計，包括要程序模塊、控制運算模塊、數(shù)據(jù)輸入輸出及處理模塊等一些子功能模塊的設(shè)計；研究了該系統(tǒng)的控制策略。在建立溫度控制系統(tǒng)數(shù)學模型的基礎(chǔ)之上，通過對PID控制、PID模糊自整定算法的分析設(shè)計了系統(tǒng)控制器；完成了系統(tǒng)的軟、硬件調(diào)試工作；立足于提高國家電加熱企業(yè)競爭力，節(jié)能環(huán)保，低碳高效。通過對加熱爐算法的研究可以更快的控制溫度達到穩(wěn)定值的時間更小的減小誤差值。為提高企業(yè)競爭力提出有效策略。 研究方法和創(chuàng)新之處研究方法：通過書店 、圖書館、網(wǎng)絡(luò)等途徑進行資料的收集和整理，并對加熱爐進行實地溫度的測量，采集數(shù)據(jù)，用 matlab 軟件模擬出數(shù)學模型，為 PID 算法提供數(shù)學模型。同時用實驗室實驗箱調(diào)試下位機編寫好的軟件，達到理想效果。創(chuàng)新點：本文是在通過對國家提倡低碳環(huán)保，節(jié)能減排的大環(huán)境下提出的，用電加熱爐可以有效減小碳排放，采用上位機和下位機對溫度進行控制不僅具有控制方便、簡單和靈活性大等優(yōu)點，而且可以大幅度提高被控溫度的技術(shù)指標，從而能夠大大的提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。本文初步研究了MATLAB與VC的接口通信問題。本文對不同加熱算法進行了研究，并用MATLAB進行仿真觀察對比了不同控制算法的特點和不同控制特性，最后選擇編程簡單、調(diào)試可針對對象的PID算法燒寫入單片機，另外還設(shè)置了單片機與上位機的通信，根據(jù)不同的需要可以通過上位機對加熱爐選擇不同的復(fù)雜控制算法。其中有大多數(shù)控制系統(tǒng)都適用的普通PID的算法，以及不需要建立模型的模糊算法等。 電加熱爐的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀最近幾年來，隨著工業(yè)的快速發(fā)展，需要消耗大量的能源，并且環(huán)境污染問題越來越突出，節(jié)省能源、保護環(huán)境已被人們所接受，成為今后科學技術(shù)發(fā)展的方向。因此，通過國內(nèi)加熱技術(shù)在工業(yè)行業(yè)的應(yīng)用情況的總結(jié)對比分析，可以預(yù)見出國內(nèi)加熱爐的發(fā)展方向及趨勢。低碳、節(jié)能、環(huán)保、高效的加熱爐越來越得到認可。 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 3 頁對于現(xiàn)在講品質(zhì)、講效率的時代，一個加熱爐的自動化水平的高低和加熱形式的多樣性，決定了該加熱爐適應(yīng)的生產(chǎn)行業(yè)的發(fā)展水平。 但是隨著計算機技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展，用計算機來控制加熱爐的智能控制系統(tǒng)進行加熱已成為一個新的發(fā)展方向。目前，國外已研究出多種加熱爐控制模式，實際應(yīng)用各有所長，我國加熱爐微機自動控制起步較晚，但也取得了很大的進展，但迄今為止，國內(nèi)加熱爐的控制（常規(guī)儀表控制或計算機控制）大多還處于人工經(jīng)驗、單值設(shè)定控制階段。為此鞍山市戴維冶金科技開發(fā)有限公司經(jīng)過長期的現(xiàn)場實踐，通過對加熱爐加熱過程的分析，組成了一支由熱工、計算機自動控制工程師和專家為主體的攻關(guān)隊伍，并與清華大學，哈爾濱工業(yè)大學計算機與自動控制方面的教授、專家合作，開發(fā)出了“軋鋼加熱爐過程優(yōu)化與自動控制系統(tǒng)”，該系統(tǒng)在鞍鋼新扎線材廠、天鋼高速線材廠和唐鋼線材廠的生產(chǎn)實踐中得到了應(yīng)用，經(jīng)過長期的現(xiàn)場生產(chǎn)實踐的檢驗與考核，通過企業(yè)的驗收與鑒定，給企業(yè)帶來了巨大的經(jīng)濟效益，受到有關(guān)企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)，冶金加熱工、冶金自動化、計算機、軋鋼專業(yè)專家及加熱工人的好評。國內(nèi)各種形式的加熱爐發(fā)展到現(xiàn)在，還不能講哪一種形式是最先進、最成熟的，都多多少少存在一些問題，還有待我們?nèi)ヌ剿?，如各熱工參?shù)之間和設(shè)計結(jié)構(gòu)之間的定量關(guān)系，控制系統(tǒng)和調(diào)節(jié)系統(tǒng)的最優(yōu)化，但計算機控制加熱爐系統(tǒng)是一種發(fā)展方向。從工業(yè)控制器的發(fā)展過程來看，溫度控制技術(shù)大致可分為一下幾種： 定值開關(guān)控溫法所謂定值開關(guān)控溫法，就是通過硬件電路或軟件計算判別當時溫度值與設(shè)定目標溫度值之間的關(guān)系，進行對系統(tǒng)加熱裝置（或冷卻裝置）進行通斷控制。若當前溫度值比設(shè)定溫度值高，則關(guān)斷加熱器，或者開動制冷裝置；若當前溫度值比設(shè)定溫度值低，則開啟加熱器并同時關(guān)斷制冷器，這種開關(guān)控溫方法比較簡單，在沒有計算機參與的情況下，用很簡單的模擬電路就能夠?qū)崿F(xiàn)。目前，采用這種控制方法的溫度控制器在我國許多工廠的老式工業(yè)電爐中仍被使用。由于這種控制方式是當系統(tǒng)溫度上升至設(shè)定點時關(guān)斷電源，當系統(tǒng)溫度下降至設(shè)定點時開通電源，因而無法克服溫度變化過程的滯后性，致使別控對象溫度波動較大， 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 4 頁控制精度低，完全不適用于高精度的溫度控制。 PID 線性控溫法這種控溫方法是基于經(jīng)典控制理論中的PID調(diào)節(jié)器控制原理，PID控制是最早發(fā)展起來的控制策略之一，由于其算法簡單、魯棒性好、可靠性高等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用工業(yè)過程控制中。尤其適用于可建立精確數(shù)學模型的確定性控制系統(tǒng)。由于PID調(diào)節(jié)器模型中考慮了系統(tǒng)的誤差，誤差變化及誤差積累三個因素，因此，其控制性能大大地優(yōu)越于定值開關(guān)控溫。其具體控制電路可以采用模擬電路或計算機軟件方法來實現(xiàn)PID調(diào)節(jié)功能。前者稱為模擬PID控制器，后者稱為數(shù)字PID控制器。其中數(shù)字PID控制器的參數(shù)可以在現(xiàn)場實現(xiàn)在線整定，因此具有較大的靈活性，可以得到較好的控制效果。采用這種方法實現(xiàn)的溫度控制器，其控制品質(zhì)的好壞主要取決于三個PID參數(shù)（比例值、積分值、微分值）。只要PID參數(shù)選取的正確，對于一個確定的受控系統(tǒng)來說，其控制精度是比較令人滿意的。但是，它的不足也恰恰在于此，當對象特性一旦發(fā)生改變，三個控制參數(shù)也必須相應(yīng)地跟著改變，否則其控制品質(zhì)就難以得到保證。 智能溫度控制法為了克服PID線性控溫法的弱點，人們相繼提出了一系列自動調(diào)整PID參數(shù)的方法，如PID參數(shù)的自學習，自整定等等。并通過將智能控制與PID控制相結(jié)合，從而實現(xiàn)溫度的智能控制。智能控溫法以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊數(shù)學為理論基礎(chǔ)，并適當加專家系統(tǒng)來實現(xiàn)智能化。其中應(yīng)用較多帶有模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制以及專家系統(tǒng)等。尤其是模糊控溫法在實際工程技術(shù)中得到了極為廣泛的應(yīng)用。目前已出現(xiàn)一種高精度模糊控制器，可以很好的模擬人的操作經(jīng)驗來改善控制性能，從理論上講，可以完全消除穩(wěn)態(tài)誤差。所謂第三代只能溫控儀表，就是指基于智能控溫技術(shù)而研制的具有自適應(yīng)PID算法的溫度控制儀表。目前國內(nèi)溫控儀表的發(fā)展，相對國外而言在性能發(fā)面還存在一定的差距，他們之間最大的差別主要還是在控制算法方面，具體表現(xiàn)為國內(nèi)溫控儀在全量程范圍內(nèi)溫度控制精度比較低，自適應(yīng)性較差。這種不足的原因是多方面造成的，如針對不同的被控對象，由于控制算法的不足而導(dǎo)致控制精度不穩(wěn)定。 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 5 頁 系統(tǒng)總體設(shè)計方案本論文所討論的基于單片機的溫度控制系統(tǒng)是某型號氣相色譜儀的溫度控制子系統(tǒng)，其目的是對兩個溫控箱的溫度進行恒值溫度控制 ， 范圍在室溫與攝氏1600度之間，溫度控制的精度要求為177。2攝氏度。下面討論系統(tǒng)的總體設(shè)計方案，包括：系統(tǒng)的性能要求及特點及系統(tǒng)的軟、硬件方案分析。 系統(tǒng)性能要求及特點系統(tǒng)性能要求：（1）可以人為方便地通過控制面板或PC機設(shè)定控制期望的溫度值，系統(tǒng)應(yīng)能自動將溫控箱加熱至此設(shè)定溫度值并能保持，直至重新設(shè)定為另一溫度值，即能實現(xiàn)溫度的自動控制；（2）能夠?qū)崿F(xiàn)對溫控箱溫度的測量并且通過控制面板上的液晶顯示實時的顯示出來；（3）具有加熱保護功能的安全保護功能的安全性要求。如果實際測得的溫控箱溫度值超過了系統(tǒng)規(guī)定的安全溫度，保護電路就會做出反應(yīng)，從而對溫控箱實現(xiàn)超溫保護；（4）模塊化設(shè)計，安裝拆卸簡單，維修方便；（5）系統(tǒng)可靠性高，不易出故障；（6）盡量采用典型、通用的器件，一旦損壞，易于在市場上買到相同零部件進行替換。系統(tǒng)特點：鑒于上述系統(tǒng)功能要求以及智能儀表應(yīng)具有的體積小、功能強、抗干擾并盡可能達到更高精度的要求。本系統(tǒng)在硬件設(shè)計方面具有如下特點：控制主板采用C8051F020為核心芯片。作為與MCS51 系列兼容的單片機，無論在運算速度，還是在內(nèi)部資源上均可勝任本系統(tǒng)的性能要求。根據(jù)溫控箱測溫范圍的要求，本系統(tǒng)適合采用鎢錸熱電偶作為溫度傳感器，而鎢錸熱電偶在大溫度范圍內(nèi)測溫時表現(xiàn)出的不可忽視的非線性不容忽視，因此在溫度測量的過程中必須對鎢錸熱電偶溫度傳感器的非線性進行優(yōu)化，從而提高系統(tǒng)溫度測量的精確度。為了簡化系統(tǒng)硬件。本文采用雙向可控硅輸出，這 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 6 頁樣就省去了D/A轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)。