【正文】 長(zhǎng)春理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)編號(hào) 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)基于PID的溫度控制與測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)二〇一二年六月 畢業(yè)設(shè)計(jì)原創(chuàng)承諾書1．本人承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)《溫度控制與測(cè)量系統(tǒng)》，是認(rèn)真學(xué)習(xí)理解學(xué)校的《長(zhǎng)春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)工作條例》后，在教師的指導(dǎo)下，保質(zhì)保量獨(dú)立地完成了任務(wù)書中規(guī)定的內(nèi)容，不弄虛作假，不抄襲別人的工作內(nèi)容。2．本人在畢業(yè)設(shè)計(jì)中引用他人的觀點(diǎn)和研究成果，均在文中加以注釋或以參考文獻(xiàn)形式列出，對(duì)本文的研究工作做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體均已在文中注明。3．在畢業(yè)設(shè)計(jì)中對(duì)侵犯任何方面知識(shí)產(chǎn)權(quán)的行為，由本人承擔(dān)相應(yīng)的法律責(zé)任。4．本人完全了解學(xué)校關(guān)于保存、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交論文和相關(guān)材料的印刷本和電子版本；同意學(xué)校保留畢業(yè)設(shè)計(jì)的復(fù)印件和電子版本，允許被查閱和借閱；學(xué)?？梢圆捎糜坝　⒖s印或其他復(fù)制手段保存畢業(yè)設(shè)計(jì)，可以公布其中的全部或部分內(nèi)容。以上承諾的法律結(jié)果將完全由本人承擔(dān)！作 者 簽 名： 年 月 日28摘 要本論文分析了PID控制和模糊控制的優(yōu)缺點(diǎn)，考慮將它們結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，采用模糊規(guī)則在線整定 PID 的三個(gè)參數(shù)的模糊自適應(yīng) PID 控制方案。本論文設(shè)計(jì)了一種基于模糊自整定 PID 算法的控制器，詳細(xì)地介紹了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法。下位機(jī)以 AT89S52 單片機(jī)為微處理器，K 型熱電偶為傳感器，由 MAX6675 熱電偶信號(hào)數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，單片機(jī)根據(jù)輸入的各種命令，進(jìn)行智能算法得到控制量，通過零觸發(fā)光電耦合器件 MOC3061 和晶閘管 BT136 驅(qū)動(dòng)執(zhí)行單元。通過串口通信將下位機(jī)采集的數(shù)據(jù)送至上位機(jī)。關(guān)鍵詞：溫度測(cè)控 PID控制 單片機(jī) Abstract In this paper the advantages and disadvantages of PID control andfuzzy control is analyzed and the method of bining them together is presented. Thefuzzy selftuning PID control method, which involves fuzzy control rules, is employed toachieve realtime adjustments to the threeparametersand of the PID. The simulation results show that the controller based on fuzzy selftuning PID control algorithm is the best one, because the regulating time is short, the overshoot and the steadyerror is very little. It can meet the control demands and it’s antiinterference ability is very strong. The designing method and realization of the system are discussed in detail. The MCU is the singlechip microprocessor AT89S52, Ktype thermocouple is used as temperature sensor, and MAX6675 is used as A/D converter. When getting the input orders, MCU works out the control value and gives pulse signal to drive the performance unit which is posed of photoelectrical coupler MOC3061 and TRIACS BT136. Host puter collects the data through serial munication and uses a modular design approach. Key words: Temperature Measurement and Control。PIDControl。MCU目 錄摘 要 IAbstract II第一章 緒 論 1 課題的研究背景及意義 1 課題的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 2 課題研究的主要內(nèi)容 3第二章 被控對(duì)象及控制策略 4 系統(tǒng)模型的建立 4 控制策略研究 6 仿真分析 8 本章小結(jié) 9第三章 溫度測(cè)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 10 10 溫度檢測(cè)電路的設(shè)計(jì) 10 AT89S52 單片機(jī)及其最小系統(tǒng) 14 人機(jī)交互接口電路設(shè)計(jì) 16 鍵盤電路 16 顯示電路 16 報(bào)警電路的設(shè)計(jì) 18 溫度控制電路的設(shè)計(jì) 18 串口通信電路 20 硬件抗干擾設(shè)計(jì) 20 本章小結(jié) 21第四章 溫度測(cè)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果 22 系統(tǒng)下位機(jī)軟件設(shè)計(jì) 22 軟件設(shè)計(jì)概述 22 主控模塊 22 數(shù)據(jù)采集子模塊 23 控制算法子模塊 24 25 本章小結(jié) 25結(jié)束語 26致 謝 27參考文獻(xiàn) 28第一章 緒 論 課題的研究背景及意義物體的許多物理現(xiàn)象和化學(xué)性質(zhì)都與溫度有關(guān)，溫度是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究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。總體而言，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(guó)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(guó)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(guó)、英國(guó)相繼發(fā)表《智能控制專輯》，德國(guó)、日本等國(guó)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。現(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(guó)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)