【正文】 為自動化領(lǐng)域和其他測控領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用的器件，在工業(yè)生產(chǎn)中成為必不可少的器件。在溫度控制系統(tǒng)中，單片機(jī)更是起到了不可替代的核心作用。采用單片機(jī)對溫度進(jìn)行控制不僅具有控制方便、簡單和靈活性 好 等優(yōu)點(diǎn)，而且可以大幅度提高溫度控制系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)，從而能夠大大的提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。 在這一背景下，本課題提出利用智能控制技術(shù)、計算機(jī)控制技術(shù)、傳感器與檢測技術(shù)等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)手段設(shè)計一套電 阻 爐 溫度測控系統(tǒng)，采用應(yīng)用最廣泛的PID 調(diào)節(jié)器，引入模糊控制算法，通過單片機(jī)對溫度進(jìn)行控制，構(gòu)成一個能處理復(fù)雜數(shù)據(jù)和控制功能的智能控制器，具有較高的靈活性和可靠性。 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 3 第 2 章 溫度控制系統(tǒng)的整體設(shè)計 本設(shè)計的選用的被控對象為電阻爐。 電阻爐是熱處理生產(chǎn)中應(yīng)用最廣 泛 的加熱設(shè)備， 以電能為熱源， 通過布置在爐內(nèi)的電熱元件將電能轉(zhuǎn)化為熱能借助輻射與對流的傳熱方式加熱工件。 加熱功率從不足一千瓦到數(shù)千千瓦。工作溫度在 650℃ 以下的為低溫爐； 650～ 1000℃ 為中溫爐 ； 1000℃ 以上為 高溫爐 。 工業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中經(jīng)常使用電阻爐對產(chǎn)品或過程加熱，通常對電阻爐的控制精度提出較高的要求。電阻爐是一種具有純滯后的大慣性系統(tǒng)，開關(guān)爐門、加熱材料、環(huán)境溫度以及電網(wǎng)電壓等都影響控制過程，傳統(tǒng)的加熱爐控制系統(tǒng)大多建立在一定的模型基礎(chǔ)上，難以保證加熱工藝要求。 假定電阻爐的傳遞函數(shù)為： sessG 301364 )( ??? （ 21） 傳統(tǒng)的模糊 PID 控制 對于以上的不足之處，我們引入模糊控制，采用模糊 PID 算法，以單片機(jī)為核心對電阻爐實(shí)現(xiàn)智能的溫度控制，可以解決問題，從而實(shí)現(xiàn)高精度控制。 圖21 為傳統(tǒng)的 PID 控制框圖。 P I D 調(diào) 節(jié) 器被 控 對 象測 量 變 送設(shè) 定 值輸 出 值圖 21 傳統(tǒng)的 PID控制 傳統(tǒng)的 PID 控制器比例環(huán)節(jié)實(shí)時地按照一定比例反映系統(tǒng)的偏差量 ，即一旦偏差出現(xiàn)，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減小偏差 ； 比例系數(shù) pK 越大，系統(tǒng)的調(diào)整時間就越短，穩(wěn)態(tài)誤差也越小，但 pK 過大，會造成超調(diào)量過大，引起系統(tǒng)不穩(wěn)定 ； 積分環(huán)節(jié)消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的無差度。積分系數(shù) iK 越大，積分作用越強(qiáng)，穩(wěn)態(tài)誤差越小，調(diào)整時間越短，但 iK 大，會造成穩(wěn)定性變常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 4 差 ； 微分環(huán)節(jié)能及時地反映偏差量的變化趨勢和變化率，有效改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。通常，微分系數(shù) dK 大，系統(tǒng)超調(diào)量減小，但 dK 大，也會造 成系統(tǒng)穩(wěn)定性下降。 電阻爐溫度控制系統(tǒng) 在本文 中，由于在一般的模糊控制系統(tǒng)中，考慮到模糊控制器實(shí)現(xiàn)的簡易性和快速性，通常采用二維模糊控制器結(jié)構(gòu)形式。但此類及控制器都是以系統(tǒng)誤差E和誤差變化 EC作為輸入語句變量，因此它具有類似于常規(guī) PD控制器的作用，由線性控制理論可知，采用該類模糊控制器的系統(tǒng)具有良好的動態(tài)特性，但無法消除靜態(tài)誤差。為了解決這一問題，在此控制系統(tǒng)中引入模糊積分，這樣不僅可消除極限環(huán)振蕩，而且可以消除系統(tǒng)余差，使得系統(tǒng)成為無差模糊控制系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)框圖如 圖 22所示 ： d e / d t模 糊 推 理 P I D 調(diào) 節(jié) 器 電 阻 爐K pK iK d溫 度 檢 測給 定 值e r r o r輸 出 溫 度 圖 22 模糊 PID爐溫控 制系統(tǒng) 原理圖 在這類模糊控制系統(tǒng)中，其核心的部分是 模糊控制器。也就是說，模糊控制器的性能將決定著該系統(tǒng)性能的好壞， 而模糊控制器自身性能又取決于模糊語言規(guī)則和合成推理。一般來說，一條模糊控制規(guī)則就是用模糊表達(dá)式來表示的一種模糊關(guān)系。在模糊邏輯中，我們可以選用模糊推理函數(shù)表示，它不僅表示了推理的直覺判據(jù)。目前模糊推理的方法很多，但是在模糊控制中考慮到推理時間，通常采用運(yùn)算較簡單的推理方法。最基本的有 Zadeh 近似推理，它 包含有正向推理和逆向推理。但 是模糊控制中的推理與知識工程中的模糊推理不一樣，模糊控制中的推理其前提（模糊控制器的實(shí)際輸入）不是模糊值，多為確切的數(shù)值。需要經(jīng)過模糊化。在此控制系統(tǒng)中，使得給定值經(jīng)過模糊控制與 PID處理后，將信號傳給電阻爐，最終實(shí)現(xiàn)溫度的控制。 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 5 第 3 章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計 系統(tǒng)的總體構(gòu)成 本系統(tǒng)以電阻爐為被控對象，由熱電偶測量被控對象的溫度，通過濾波， 放大，送至 A/D 轉(zhuǎn)換器，這樣通過采樣和 A/D 轉(zhuǎn)換，就將所檢測的爐溫對應(yīng)的電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送入計算機(jī)模糊控制器，計算出該電壓信號對應(yīng)的溫度值與給定值進(jìn)行比較，得出溫 差。其結(jié)構(gòu)圖如圖 31所示： 電 阻 爐溫 度傳 感 器放 大 器A / D D / A鍵 盤顯 示單 片 機(jī)系 統(tǒng)執(zhí) 行 機(jī) 構(gòu) 圖 31 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 外界的各種非電量通過傳感器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏?。 若電信號太小，可用放大器進(jìn)行放大。 濾波器將信號中的噪音濾除，得到平滑的輸入信號。這種輸入信號還是連續(xù)變 化的模擬量 ， 要通過采樣和保持電路進(jìn)行離散化，在通過 A/D 轉(zhuǎn)換器對離散的輸入信號進(jìn)行量化 得到幅度和時間均為離散的數(shù)字信號 ， 送入單片機(jī)中進(jìn) 行處理。如果輸入模擬信號的變化速度比 A/D 轉(zhuǎn)換速度慢的多，則可以不采用采樣保持器， 直接通過 A/D 轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送入單片機(jī)， 單片機(jī)對這些從外部獲取的 數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后 ， 再由 D/A 轉(zhuǎn)換器變?yōu)槟M信號并且輸出到外部進(jìn)行各種控制，并將數(shù)字信號進(jìn)行顯示記錄等。 單片機(jī)的選取 本系統(tǒng)的智能儀表選用 AT80C51 作為微控制器， 這類單片機(jī)在存儲器的配置上采用程序存儲器與數(shù)據(jù)存儲器分開的結(jié)構(gòu)，利用不同的指令和尋址方式進(jìn)行訪問，可分別尋址 64KB 的程序存儲器空間和 64KB 的數(shù)據(jù)存儲器空間，充分滿常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 6 足 了工業(yè)測量控制的需要。 80C51 系列單片機(jī)共有 111 條指令，包括乘除指令和位操作指令。中斷源有 5 個，分為 2 個優(yōu)先級，每個中斷源的優(yōu)先級是可編程的，在 80c51 系列單片機(jī)的內(nèi)部 RAM 區(qū)中開辟了 4 個通用工作寄存區(qū)，共有 32 個通用寄存器，可以適用于多種中斷或子程序嵌套的情況。另外，還在內(nèi)部 RAM中開辟了 1 個位尋址區(qū)，利用位操作指令可以對其中各個單元的每一位直接進(jìn)行操作，特別適合解決各種控制和邏輯問題。 ROM 型 80C51 在單芯片應(yīng)用方式下其 4 個并行 I/O 口都可以作為輸入 /輸出使用，在擴(kuò)展應(yīng)用方式下需要采用 P0 和P2 口作為片外擴(kuò)展地址總線使用。 其引腳圖與功能圖如圖 32 所示 ： 圖 32 引腳圖與功能圖 單片機(jī)的 40 個引腳大致可分為 4 類：電源、時鐘、控制和 I/O 引腳。 1. 電源 VCC ： 芯片電源，接 +5V。 VSS ： 接地端 。 2. 時鐘 XTAL XTAL2 ： 晶體振蕩電路反相輸入端和輸出端。 3. 控制線 ： 控制線共有 4 根 (1) ALE/PROG： 地址鎖存允許 /片內(nèi) EPROM 編程脈沖 。 ALE 功能：用來鎖存 P0 口送出的低 8 位地址 。 PROG 功能：片內(nèi)有 EPROM 芯片，在 EPROM 編程期間，此引腳輸入編程脈沖。 (2) PSEN： 外 ROM 讀選通信號。 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 7 (3) RST/VPD： 復(fù)位 /備用電源。 RST（ Reset）功能：復(fù)位信號輸入端。 VPD 功 能：在 Vcc 掉電情況下，接備用電源。 (4) EA/Vpp： 內(nèi)外 ROM 選擇 /片內(nèi) EPROM 編程電源。 EA 功能：內(nèi)外 ROM 選擇端。 Vpp 功能：片內(nèi)有 EPROM 的芯片，在 EPROM 編程期間，施加編程電源 Vpp。 4. I/O 線 80C51 共有 4 個 8 位并行 I/O 端口： P0、 P P P3 口，共 32 個引腳。 P3口還具有第二功能，用于特殊信號輸入輸出和控制信號（屬控制總線）。 傳感器的選取 傳感器是一種人機(jī)接口，能感受或響應(yīng)規(guī)定的被測量，如各種物理量、化學(xué)量、生物量或者狀態(tài)量，并且能夠按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換 成有用信號，便于遠(yuǎn)距離傳輸、處理、存儲和控制。通過傳感器，我們可以實(shí)現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)。傳感器的種類有很多，按照工作原理 來分，可以分為應(yīng)變式、壓阻式等，而按照測量來分類的話，可以有力、位移、 溫度等傳感器。在電阻爐溫度控制系統(tǒng)中，我們需采用的是溫度傳感器 。 溫度傳感器 溫度傳感器是一種 利用物質(zhì) 的 各種物理性質(zhì)隨溫度變化的規(guī)律 ，而 把溫度轉(zhuǎn)換為電量的 傳感器 。按測 量方式可分為接觸式和非接觸式兩大類，按照 傳感器材料 及電子元件特性分為熱電阻和 熱電偶 兩類。 接觸式測溫的特點(diǎn)是感溫原件直接與被測對象相接觸，兩者之間進(jìn)行充分的熱交換 以達(dá)到熱平衡，這時通過對感溫原件的某個物理參數(shù)的測量和轉(zhuǎn)換環(huán)，從而得到與之對應(yīng)的 溫度值，接觸式測溫的主要優(yōu)點(diǎn)在于直觀可靠，但是其缺點(diǎn)在于被測溫度場的分布易受感溫元件的影響，接觸不良時，會帶來測量誤差。由于需要一定的時間才能達(dá)到熱平衡，所以存在測溫的延遲現(xiàn)象。此外溫度太高或腐蝕性介質(zhì)對感溫元件的性能和壽命會產(chǎn)生不利影響。而非接觸式測溫的特點(diǎn)是感溫元件不直接與被測對象相接觸，而是通過熱輻射進(jìn)行熱交換，故可以避免接觸式測溫法的特點(diǎn)。具有較高的測溫上限而非接觸式測溫法的熱慣性小，可以達(dá)到 1ms，故便于測量運(yùn)動物體的溫度和快速變化的溫度。在本文中我們采取的接觸式測溫法。接觸式測溫常用測溫元件常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 8 如 圖 33 所示 ： 測溫元件 測溫原理 測溫范圍 /℃ 主要特點(diǎn) 熱電偶 熱電效應(yīng) 0～ 1600 測溫范圍廣，測量精度高，便于遠(yuǎn)距離、多點(diǎn)、集中檢測和自動控制，應(yīng)用廣泛；需進(jìn)行冷端溫度補(bǔ)償，低溫測量精度低 鉑電阻 熱 阻 效 應(yīng) － 200～ 600 測溫范圍廣，測量精度高，便于遠(yuǎn)距離、多點(diǎn)、集中檢測和自動控制，應(yīng)用廣泛；不能測高溫。 銅電阻 － 50～ 150 半導(dǎo)體熱敏電阻 － 50～ 150 靈敏度高，體積小，結(jié)構(gòu)簡單，使用方便；互換性較差，測量范圍有一定限制。 圖 33 接觸式測溫常用測 溫元件 由于在電阻爐中溫度上限很高，并不像日常生活中那樣，所以我們采用的是熱電偶測溫傳感器，不僅由于其構(gòu)造簡單，使用方便，還具有較高的準(zhǔn)確度，溫度測量范圍寬等。常用的熱電偶可測量范圍為 50~1600C。若配用特殊材料其可測溫度范圍可擴(kuò)大為 180~2021C。 目前， 國際電工委員會 （ IEC）推薦了 8 種類型的熱電偶作為標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶，即為 T 型、 E 型、 J 型、 K 型、 N 型、 B 型、 R 型 和 S 型 。 熱電偶的工作原理 熱電偶的基本工作原理是基于物體的熱電效應(yīng)。由 A,B 兩種不同的導(dǎo)體兩端相互緊密地連接在一起，組成一個閉環(huán)回路，如圖 34 所示，當(dāng)兩接點(diǎn)溫度不同時（ TT0）時，回路就會產(chǎn)生電勢，從而形成電流，這一現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)，該電動勢稱為熱動勢。在熱電偶回路中 電極材料相同，總電勢為零，冷、熱端溫度相同，總電勢為零，電極材料不同，溫度相同，常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 9 熱電勢不同。 圖 34 熱電偶的基本工作原理 A/D 轉(zhuǎn)換電路設(shè)計 在本文的控 制系統(tǒng)中關(guān)于 A/D 我們采用的是 ADC 轉(zhuǎn)換器，將輸入模擬量轉(zhuǎn)換為與其成比例的數(shù)字量，按其工作原理，有比較式 ADC 積分式。不同的芯片具有不同的連接方式，其中最主要的是輸入、輸出以及控制信號的連接方式。在這我們可以選擇 ICL7135。 ICL7135 是一種常用的 4 位半 BCD碼雙積分型單片集成 ADC芯片，其分辨率相當(dāng)于 14 位二進(jìn)制數(shù)。他的轉(zhuǎn)換精度高，轉(zhuǎn)換誤差為 1LSB,并且能在繼續(xù)參考電壓下對雙極性輸入模擬電壓進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換，模擬輸入電壓范圍0~。芯片采用了自動較零技術(shù)，可保證零點(diǎn)在常溫下的長期穩(wěn)定性 ，模擬輸入可以是差動信號，輸入阻抗極高。其芯片引腳排列如圖 35 所示 : 圖 35 ICL7135 芯片引腳圖 其各引腳的功能如下 ： V： ICL7135 負(fù)電源引入端，典型值 5V，極限值 9V。 +V： ICL7135 正電源引入端，典型值 +5V，極限值 +6V。 DGND：數(shù)字地， ICL7135 正、負(fù)電源的低電平基準(zhǔn) 。 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 10 REF： 參考電壓輸入， REF的地為 AGND 引腳，典型值 1V，輸出數(shù)字量=10000(VIN/VREF) 。 AC： 模擬地，典型應(yīng)用中，與 DGND(數(shù)字地 )“ 一點(diǎn)接地 ” 。 INHI： 模擬輸入正 。 INLO：模擬輸入負(fù)，當(dāng)模擬信號輸入為單端對地時，直接與 AC 相連。 CLKIN： 時鐘信號輸入。當(dāng) msT 80? 時， kHzfcp 125? ，轉(zhuǎn)換速度為 3次/s。極限值 MHzfcp 1? 時，轉(zhuǎn)換速度為 25次 /s。 REF