【正文】 算法和單神經(jīng)元自適 PSD 智能控制算法，由于算法簡(jiǎn)單、控制效果好，因而受到了人們廣泛的關(guān)注，受到工程上廣泛應(yīng)用且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的常規(guī) PID 控制器的啟發(fā)，利用具有自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)能力的單神經(jīng)元來(lái)構(gòu)成單神經(jīng)元自適應(yīng)智能控制器。PID 和 PSD 控制算法比較結(jié)果：(1)單神經(jīng)元自適應(yīng) PID 智能控制算法和單神經(jīng)元自適應(yīng) PSD 智能控制算法都比傳統(tǒng) PID 控制算法超調(diào)量小、速度快、實(shí)時(shí)控制效果好。(2)采用不同學(xué)習(xí)速率η的單神經(jīng)元自適應(yīng)PID智能控制算法較采用相同學(xué)習(xí)速率η的有較好的快速性、較小的超調(diào)量和較強(qiáng)的魯棒性。(3)改進(jìn)后的單神經(jīng)元自適應(yīng)PID智能控制算法較改進(jìn)前的具有較小的超調(diào)量和較好的實(shí)時(shí)控制效果。(4)與單神經(jīng)元自適應(yīng) PID 智能控制算法相比，單神經(jīng)元自適應(yīng) PSD智能控制算法具有可調(diào)參數(shù)范圍大、自適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可用于控制過(guò)程時(shí)變、有大滯后的復(fù)雜對(duì)象，是一種價(jià)值較高的智能控制算法。總之，在上述兩種算法中，學(xué)習(xí)速率η不同的單神經(jīng)元自適應(yīng) PSD智能控制算法具有較滿意的實(shí)時(shí)控制效果，實(shí)用價(jià)值較高。[5]但是考慮到本人目前的學(xué)識(shí)所限，有許多技術(shù)上的問(wèn)題需要解決，這就需要在以后的工作和學(xué)習(xí)中加以改進(jìn)，因此本次畢業(yè)設(shè)計(jì)將采用算法簡(jiǎn)單、實(shí)用價(jià)值較高的PID 控制算法，資料表明，采用該算法也可以取得良好的控制效果。電加熱爐隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)水平的提高，己經(jīng)在冶金、化工、機(jī)械等各類工業(yè)控制中得到了廣泛應(yīng)用，并且在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中，占有舉足輕重的地位。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)能源的消耗與日俱增，怎樣降低功耗提高經(jīng)濟(jì)效益，已成為人們關(guān)注的問(wèn)題。例如在冶金行業(yè)軋鋼生產(chǎn)過(guò)程中，加熱爐能耗約占全廠總能耗的60%左右，是軋鋼工序的能耗大戶，尤其是近二十年來(lái)，加熱爐的硬件設(shè)備裝備水平有了很大的提高，因此提高加熱爐操作水平，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)全自動(dòng)燒鋼，降低加熱爐能耗意義很大。對(duì)于這樣一個(gè)具有非線性、大滯后、大慣性、時(shí)變性、升溫單向性等特點(diǎn)的控制對(duì)象，很難用數(shù)學(xué)方法建立精確的數(shù)學(xué)模型，因此用傳統(tǒng)的控制理論和方法很難達(dá)到好的控制效果。單片機(jī)以其高可靠性、高性能價(jià)格比、控制方便簡(jiǎn)單和靈活性大等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)控制系統(tǒng)、智能化儀器儀表等諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。采用單片機(jī)進(jìn)行爐溫控制可以提高控制質(zhì)量和自動(dòng)化水平。由于計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，高校的專業(yè)合并與滲透使工業(yè)控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、自動(dòng)化、信息技術(shù)改造了傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)。機(jī)電一體化、數(shù)控、先進(jìn)制造技術(shù)、CIMS 之間的技術(shù)、專業(yè)、學(xué)科之間的界限越來(lái)越模糊，這是實(shí)際發(fā)展的需要，也是技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。第二章 電加熱爐智能溫度控制系統(tǒng)電加熱爐廣泛用于冶金、石油化工、紡織印染等工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程。因此對(duì)加熱爐溫度的控制是必不可少的。作為被控對(duì)象，電加熱爐具有非線性、時(shí)變性、分布參數(shù)等特點(diǎn)。要實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱爐的控制，必須建立被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，然后求取相應(yīng)的控制器方程，例如自適應(yīng)控制、隨機(jī)最優(yōu)控制、預(yù)測(cè)控制、解耦控制和變結(jié)構(gòu)控制等。這類控制方法由于數(shù)學(xué)工具深?yuàn)W，算法復(fù)雜，現(xiàn)場(chǎng)工程師難以理解和接受，因而這些先進(jìn)控制算法的推廣受到制約。人們?cè)趯?shí)踐中知道，許多復(fù)雜的生產(chǎn)過(guò)程難以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)控制，但是熟練的操作工、技術(shù)人員和專家操作自如，而不要建立什么數(shù)學(xué)模型，就可以得到比較滿意的控制效果。設(shè)想把這些專家的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)總結(jié)起來(lái)賦予計(jì)算機(jī)，讓計(jì)算機(jī)參與生產(chǎn)過(guò)程控制，這類系統(tǒng)一般稱為智能控制系統(tǒng)，它包含專家控制、模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制。本文就沒(méi)有建立電加熱爐的數(shù)學(xué)模型，而是在設(shè)計(jì)出加熱爐硬件原理圖的基礎(chǔ)上，直接采用算法簡(jiǎn)單、效果好的PID 智能控制算法。 智能溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖電加熱爐爐膛溫度是由多組爐絲的供電能量來(lái)調(diào)節(jié)的，它們分別由多套晶閘管調(diào)功器供電。調(diào)功器的輸出功率由改變過(guò)零觸發(fā)器的給定電壓來(lái)調(diào)節(jié)。為了控制爐溫，設(shè)計(jì)了一套電加熱爐計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，包括A/D 轉(zhuǎn)換電路、鍵盤電路、LED顯示電路、D/A轉(zhuǎn)換電路等幾部分組成。電加熱爐計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是一多輸入、多輸出的多變量系統(tǒng)，但本次設(shè)計(jì)僅以一組為例，即輸入信號(hào)有八組，經(jīng)過(guò)放大后再經(jīng)過(guò)多路選擇，之后在經(jīng)控制電路處理。電加熱爐爐溫的控制過(guò)程如下：測(cè)溫元件將檢測(cè)到的溫度信號(hào)經(jīng)過(guò)放大、隔斷處理后，在某一時(shí)刻被選擇的信號(hào)送到 A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送給單片機(jī)，單片機(jī)對(duì) A/D 結(jié)果處理（包括冷端補(bǔ)償計(jì)算），得出加熱爐溫度測(cè)量值，一路信號(hào)經(jīng)74LS164驅(qū)動(dòng)LED顯示，一路信號(hào)將溫度測(cè)量值與給定溫度值進(jìn)行 PID運(yùn)算（可通過(guò)鍵盤調(diào)節(jié)PID參數(shù)），運(yùn)算結(jié)果經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換，送給SCR調(diào)功器來(lái)控制加熱爐的加熱過(guò)程。電加熱爐智能溫度控制系統(tǒng)包括軟件和硬件兩大部分。硬件是整個(gè)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。硬件包括檢測(cè)變換部分，輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換部分，微處理部分，顯示部分，鍵盤部分及輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換部分等。溫度控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)是整個(gè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心，硬件要在軟件的配合下才能完成預(yù)先確定要實(shí)現(xiàn)的各種功能。硬件設(shè)計(jì)具有通用性，而軟件設(shè)計(jì)的大部分工作是針對(duì)某一特定對(duì)象，可以完成硬件不能完成的功能。軟件設(shè)計(jì)具有充分的靈活性，可以根據(jù)系統(tǒng)的要求而變化。單片機(jī)的智能功能要由軟件來(lái)完成，溫度控制系統(tǒng)軟件在程序設(shè)計(jì)時(shí)采用了模塊化設(shè)計(jì)方法，將控制器所要完成的功能分別編寫和調(diào)試，所有模塊調(diào)試成功以后，將各個(gè)模塊連接，構(gòu)成單片機(jī)軟件系統(tǒng)。這樣的設(shè)計(jì)有利于程序代碼的優(yōu)化，而且便于調(diào)試、維護(hù)和升級(jí)。整個(gè)系統(tǒng)由 3 部分組成：系統(tǒng)主程序、各功能子程序、中斷程序。系統(tǒng)主程序負(fù)責(zé)任務(wù)調(diào)度，子程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)各個(gè)子功能，中斷程序負(fù)責(zé)處理系統(tǒng)的中斷事件。主程序在完成系統(tǒng)初始化后，順序執(zhí)行各子模塊程序，而中斷發(fā)生時(shí)或預(yù)定義的時(shí)間到時(shí) (例如控制時(shí)間到) ，系統(tǒng)執(zhí)行中斷服務(wù)程序，處理完畢后程序回到中斷發(fā)生前的狀態(tài)，主程序繼續(xù)執(zhí)行。第三章 電加熱爐智能溫度控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)熱電偶測(cè)溫范圍廣、測(cè)量精度高、便于遠(yuǎn)距離、多點(diǎn)、集中檢測(cè)和自動(dòng)控制；需自由端溫度補(bǔ)償，在低溫段測(cè)量精度較低。熱電偶是工業(yè)上最常用的溫度檢測(cè)元件之一。其優(yōu)點(diǎn)是：測(cè)量精度高。因熱電偶直接與被測(cè)對(duì)象接觸，不受中間介質(zhì)的影響。測(cè)量范圍廣。常用的熱電偶從50~+1600℃均可持續(xù)測(cè)量，某些特殊熱電偶最低可測(cè)到269℃（如金鐵鎳鉻），最高可達(dá)+2800℃（如鎢錸）。構(gòu)造簡(jiǎn)單，使用方便。熱電偶通常是由兩種不同的金屬絲組成，而且不受大小和開(kāi)頭的限制，外有保護(hù)套管，用起來(lái)非常方便。[14] 熱電偶原理將兩種不同材料的導(dǎo)體或半導(dǎo)體A和B焊接起來(lái)，構(gòu)成一個(gè)閉合回路，如圖 。當(dāng)導(dǎo)體 A 和 B 的兩個(gè)執(zhí)著點(diǎn) 1 和 2 之間存在溫差時(shí)，兩者之間便產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì),因而在回路中形成一個(gè)大小的電流,這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。熱電偶就是利用這一效應(yīng)來(lái)工作的。常用熱電偶可分為標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶兩大類。所調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)熱電偶是指國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了其熱電勢(shì)與溫度的關(guān)系、允許誤差、并有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)分度表的熱電偶，它有與其配套的顯示儀表可供選用。非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶在使用范圍或數(shù)量級(jí)上均不及標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶，一般也沒(méi)有統(tǒng)一的分度表，主要用于某些特殊場(chǎng)合的測(cè)量。標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶 我國(guó)從 1988 年 1 月 1日起，熱電偶和熱電阻全部按 IEC 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)，并指定 S、B、E、K、R、J、T 七種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶為我國(guó)統(tǒng)一設(shè)計(jì)型熱電偶。為了保證熱電偶可靠、穩(wěn)定地工作，對(duì)它的結(jié)構(gòu)要求如下：組成熱電偶的兩個(gè)熱電極的焊接必須牢固；兩個(gè)熱電極彼此之間應(yīng)很好地絕緣，以防短路；補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶自由端的連接要方便可靠；保護(hù)套管應(yīng)能保證熱電極與有害介質(zhì)充分隔離。由于熱電偶的材料一般都比較貴重（特別是采用貴金屬時(shí)），而測(cè)溫點(diǎn)到儀表的距離都很遠(yuǎn)，為了節(jié)省熱電偶材料，降低成本，通常采用補(bǔ)償導(dǎo)線把熱電偶的冷端（自由端）延伸到溫度比較穩(wěn)定的控制室內(nèi)，連接到儀表端子上。必須指出，熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線的作用只起延伸熱電極，使熱電偶的冷端移動(dòng)到控制室的儀表端子上，它本身并不能消除冷端溫度變化對(duì)測(cè)溫的影響，不起補(bǔ)償作用。因此，還需采用其他修正方法來(lái)補(bǔ)償冷端溫度t0≠0℃時(shí)對(duì)測(cè)溫的影響。在使用熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線時(shí)必須注意型號(hào)相配，極性不能接錯(cuò)，補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶連接端的溫度不能超過(guò) 100℃。溫度測(cè)量?jī)x表按測(cè)溫方式可分為接觸式和非接觸式兩大類。通常來(lái)說(shuō)接觸式測(cè)溫儀表比較簡(jiǎn)單、可靠，測(cè)量精度較高；但因測(cè)溫元件與被測(cè)介質(zhì)需要進(jìn)行充分的熱交換，需要一定的時(shí)間才能達(dá)到熱平衡，所以存在測(cè)溫的延遲現(xiàn)象，同時(shí)受耐高溫材料的限制，不能應(yīng)用于很高的溫度測(cè)量。非接觸式儀表測(cè)溫是通過(guò)熱輻射原理來(lái)測(cè)量溫度的，測(cè)溫元件不需與被測(cè)介質(zhì)接觸，測(cè)溫范圍廣，不受測(cè)溫上限的限制，也不會(huì)破壞被測(cè)物體的溫度場(chǎng)，反應(yīng)速度一般也比較快；但受到物體的發(fā)射率、測(cè)量距離、煙塵和水氣等外界因素的影響，其測(cè)量誤差較大。從上面的介紹我們知道，本設(shè)計(jì)使用的是計(jì)算機(jī)控制，計(jì)算機(jī)只能接受數(shù)字信號(hào)，而熱電偶輸出的是模擬信號(hào)，所以必須把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，這就需要 A/D 轉(zhuǎn)換。模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)是現(xiàn)實(shí)各種模擬信號(hào)通向數(shù)字世界的橋梁，作為將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)主要有以下幾種。（1）積分型轉(zhuǎn)換 積分型模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)在低速、高精度測(cè)量領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，特別是在數(shù)字儀表領(lǐng)域。積分型模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)有單積分和雙積分兩種轉(zhuǎn)換方式，單積分模數(shù)轉(zhuǎn)換的工作原理是將被轉(zhuǎn)換的電信號(hào)先變成一段時(shí)間間隔，然后再對(duì)時(shí)間間隔記數(shù)，從而間接把模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的一種模數(shù)轉(zhuǎn)換方法，它的主要缺陷是轉(zhuǎn)換精度不高，主要受到斜坡電壓發(fā)生器、比較器精度以及時(shí)鐘脈沖穩(wěn)定性的影響。為了提高積分型轉(zhuǎn)換器在同樣條件下的轉(zhuǎn)換精度，可采用雙積分型轉(zhuǎn)換方式，雙積分型轉(zhuǎn)換器通過(guò)對(duì)模擬輸入信號(hào)的兩次積分，部分抵消了由于斜坡發(fā)生器所產(chǎn)生的誤差，提高了轉(zhuǎn)換精度。雙積分型轉(zhuǎn)換方式的特點(diǎn)表現(xiàn)在：精度較高，可以達(dá)到 22 位；抗干擾能力強(qiáng)，由于積分電容的作用，能夠大幅抑止高頻噪聲。但是，它的轉(zhuǎn)換速度太慢，轉(zhuǎn)換精度隨轉(zhuǎn)換速率的增加而降低，每秒 100～300 次（SPS）對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換精度為 12 位。所以這種轉(zhuǎn)換方式主要應(yīng)用在低速高精度的轉(zhuǎn)換領(lǐng)域。（2）逐次逼近型轉(zhuǎn)換 逐次逼近型轉(zhuǎn)換方式在當(dāng)今的模數(shù)轉(zhuǎn)換領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，它是按照二分搜索法的原理，類似于天平稱物的一種模數(shù)轉(zhuǎn)換過(guò)程。也就是將需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換的模擬信號(hào)與已知的不同的參考電壓進(jìn)行多次比較，使轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量在數(shù)值上逐次逼近輸入模擬量的對(duì)應(yīng)值。逐次逼近型轉(zhuǎn)換方式的特點(diǎn)是：轉(zhuǎn)換速度較高，可以達(dá)到 100 萬(wàn)次/秒（MPSP）；在低于 12 位分辨率的情況下，電路實(shí)現(xiàn)上較其他轉(zhuǎn)換方式成本低；轉(zhuǎn)換時(shí)間確定。但這種轉(zhuǎn)換方式需要數(shù)模轉(zhuǎn)換電路，由于高精度的數(shù)模轉(zhuǎn)換電路需要較高的電阻或電容匹配網(wǎng)絡(luò)，故精度不會(huì)很高。（3）并行轉(zhuǎn)換 并行轉(zhuǎn)換方式在所有的模數(shù)轉(zhuǎn)換中，轉(zhuǎn)換速度最快，并行轉(zhuǎn)換是一種直接的模數(shù)轉(zhuǎn)換方式。它大大減少了轉(zhuǎn)換過(guò)程的中間步驟，每一位數(shù)字代碼幾乎在同一時(shí)刻得到，因此，并行轉(zhuǎn)換又稱為閃爍型轉(zhuǎn)換方式。并行轉(zhuǎn)換的主要特點(diǎn)是它的轉(zhuǎn)換速度特別快，可達(dá) 50MPSP，特別適合高速轉(zhuǎn)換領(lǐng)域。缺點(diǎn)是分辨率不高，一般都在 10 位以下；精度較高時(shí)，功耗較大。這主要是受到了電路實(shí)現(xiàn)的影響，因?yàn)橐粋€(gè) N 位的并行轉(zhuǎn)換器，需要 2N－1 個(gè)比較器和分壓電阻，當(dāng) N＝10 時(shí)，比較器的數(shù)目就會(huì)超過(guò) 1000 個(gè)，精度越高，比較器的數(shù)目越多，制造越困難。[12]本設(shè)計(jì)采用逐次逼進(jìn)式A/D轉(zhuǎn)換器ADC0832。 ADC0832芯片介紹ADC0832 是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的一種8 位分辨率、雙通道A/D轉(zhuǎn)換芯片。由于它體積小，兼容性強(qiáng)，性價(jià)比高而深受單片機(jī)愛(ài)好者及企業(yè)歡迎，其目前已經(jīng)有很高的普及率。ADC0832 具有以下特點(diǎn)：8位分辨率；雙通道A/D轉(zhuǎn)換；輸入輸出電平與TTL/CMOS相兼容；5V電源供電時(shí)輸入電壓在0~5V之間；工作頻率為250KHZ，轉(zhuǎn)換時(shí)間為32μS；一般功耗僅為15mW；8P、14P—DIP（雙列直插）、PICC 多種封裝；商用級(jí)芯片溫寬為0176。C to~+70176。C，工業(yè)級(jí)芯片溫寬為。40176。C ~85176。C；芯片頂視圖：（）芯片接口說(shuō)明：CS_ 片選使能，低電平芯片使能。CH0 模擬輸入通道0，或作為IN+/使用。 CH1 模擬輸入通道1，或作為IN+/使用。GND 芯片參考0 電位（地）。DI 數(shù)據(jù)信號(hào)輸入，選擇通道控制。DO 數(shù)據(jù)信號(hào)輸出，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出。CLK 芯片時(shí)鐘輸入。Vcc/REF 電源輸入及參考電壓輸入（復(fù)用）。ADC0832 。ADC0832 為8位分辨率A/D轉(zhuǎn)換芯片，其最高分辨可達(dá)256級(jí)，可以適應(yīng)一般的模擬量轉(zhuǎn)換要求。其內(nèi)部電源輸入與參考電壓的復(fù)用，使得芯片的模擬電壓輸入在0~5V之間。芯片轉(zhuǎn)換時(shí)間僅為32μS，據(jù)有雙數(shù)據(jù)輸出可作為數(shù)據(jù)校驗(yàn)，以減少數(shù)據(jù)誤差，轉(zhuǎn)換速度快且穩(wěn)定性能強(qiáng)。獨(dú)立的芯片使能輸入，使多器件掛接和處理器控制變的更加方便。通過(guò)DI 數(shù)據(jù)輸入端，可以輕易的實(shí)現(xiàn)通道功能的選擇。單片機(jī)要完成的任務(wù)是：接收ADC0832發(fā)出的數(shù)字量，進(jìn)行標(biāo)度變換，線性化，進(jìn)行PID運(yùn)算，輸出數(shù)字量一路給DAC0832控制調(diào)功器，一路給74LS164驅(qū)動(dòng)顯示。市場(chǎng)上流行的單片機(jī)有很多種，基于各種因素，本次設(shè)計(jì)選用STC89C51單片機(jī)。STC89C51系列單片機(jī)是宏晶科技推出的新一代超強(qiáng)抗干擾、高速、低功耗、的單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機(jī)，12時(shí)鐘/機(jī)器周期和6時(shí)鐘機(jī)器周期可任意選擇，最新的D版內(nèi)部集成MAX810專業(yè)復(fù)位電路。 STC89C51特點(diǎn)l 增強(qiáng)型6時(shí)鐘/機(jī)器周期，12時(shí)鐘/機(jī)器周期8051CPUl 共組電壓：~(5V單片機(jī))l 工作頻率范圍：040MHz，相當(dāng)于普通8051的080 MHz,實(shí)際工作頻率可達(dá)48 MHzl 用戶應(yīng)用程序空間4K/8K/13K/16K/20K/32K