【正文】 長春理工大學畢業(yè)設計編號 本科生畢業(yè)設計基于PID的溫度控制與測量系統(tǒng)設計二〇一二年六月 畢業(yè)設計原創(chuàng)承諾書1．本人承諾：所呈交的畢業(yè)設計《溫度控制與測量系統(tǒng)》，是認真學習理解學校的《長春理工大學本科畢業(yè)設計工作條例》后，在教師的指導下，保質保量獨立地完成了任務書中規(guī)定的內容，不弄虛作假，不抄襲別人的工作內容。2．本人在畢業(yè)設計中引用他人的觀點和研究成果，均在文中加以注釋或以參考文獻形式列出，對本文的研究工作做出重要貢獻的個人和集體均已在文中注明。3．在畢業(yè)設計中對侵犯任何方面知識產權的行為，由本人承擔相應的法律責任。4．本人完全了解學校關于保存、使用畢業(yè)設計的規(guī)定，即：按照學校要求提交論文和相關材料的印刷本和電子版本；同意學校保留畢業(yè)設計的復印件和電子版本，允許被查閱和借閱；學?？梢圆捎糜坝?、縮印或其他復制手段保存畢業(yè)設計，可以公布其中的全部或部分內容。以上承諾的法律結果將完全由本人承擔！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，考慮將它們結合起來，實現(xiàn)優(yōu)勢互補，采用模糊規(guī)則在線整定 PID 的三個參數(shù)的模糊自適應 PID 控制方案。本論文設計了一種基于模糊自整定 PID 算法的控制器，詳細地介紹了系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)方法。下位機以 AT89S52 單片機為微處理器，K 型熱電偶為傳感器，由 MAX6675 熱電偶信號數(shù)字轉換芯片進行模數(shù)轉換，單片機根據(jù)輸入的各種命令，進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 驅動執(zhí)行單元。通過串口通信將下位機采集的數(shù)據(jù)送至上位機。關鍵詞：溫度測控 PID控制 單片機 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 課題的國內外研究現(xiàn)狀 2 課題研究的主要內容 3第二章 被控對象及控制策略 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 9第三章 溫度測控系統(tǒng)的硬件設計 10 10 溫度檢測電路的設計 10 AT89S52 單片機及其最小系統(tǒng) 14 人機交互接口電路設計 16 鍵盤電路 16 顯示電路 16 報警電路的設計 18 溫度控制電路的設計 18 串口通信電路 20 硬件抗干擾設計 20 本章小結 21第四章 溫度測控系統(tǒng)的軟件設計及實驗結果 22 系統(tǒng)下位機軟件設計 22 軟件設計概述 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 25結束語 26致 謝 27參考文獻 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)象和化學性質都與溫度有關，溫度是工農業(yè)生產、科學實驗研究以及日常生活中需要普遍進行測量和控制的一個非常重要的物理量，如：在冶金、機械、石油化工、電力等工業(yè)生產中的溫度控制；在溫室花房、蔬果大棚、糧倉等農業(yè)生產中的溫度測控；與我們生活息息相關的微波爐、電熱水器、電烤箱、空調等家用電器的溫度控制；高等院校實驗室微機測控系統(tǒng)中將溫度作為被測參數(shù)，供學生做綜合實驗、實訓或課程設計等。溫度控制對于小到人民的日常生活、大到鋼鐵等大型工業(yè)生產工程都具有廣闊的應用前景。準確地測量和有效地控制溫度是優(yōu)質、高產、低耗和安全生產的重要條件，所以對溫度進行控制是非常必要且有意義的。目前，溫度測控系統(tǒng)一般使用的還是傳統(tǒng)儀器，以單臺儀器獨立工作、手工操作、人工記錄和分析判斷信息為主要設計思想，其功能和規(guī)格一般被廠家所固定，使用時需要通過硬件或者固化的軟件來實現(xiàn)，用戶無法隨意改變其結構和功能，不具有通用性。而當前的發(fā)展對測控儀器提出了越來越高的要求，不僅要求能完成實時在線監(jiān)測，還希望具有更強的通用性，能適應多種多樣的使用要求，隨時可改變檢測對象、完成不同測試任務或升級換代，能建立起一個可掌握生產過程的信息資料，并能以監(jiān)測、分析、控制和優(yōu)化等手段為及時的人工決策和控制提供依據(jù)的測控系統(tǒng)。顯然，傳統(tǒng)儀器已經不能適應現(xiàn)代檢測系統(tǒng)的要求。一些智能儀器構成的溫度監(jiān)測系統(tǒng)，也往往需要人干預，費時費力，而利用高級編程語言進行軟件開發(fā)又讓人感到力不從心?？傮w而言，測控領域主要面臨了以下幾大問題：(l)產品更新?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)對測控系統(tǒng)集成入網(wǎng)、并能通過網(wǎng)絡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、總線標準化、高可靠性及安全性、開發(fā)虛擬溫度控制器和網(wǎng)絡溫度控制器、研制單片測溫控溫系統(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。隨著科學技術的進步和計算機技術的飛速發(fā)展，虛擬儀器開啟了測控儀器的新紀元。虛擬儀器為人們建立檢測系統(tǒng)、自動測量系統(tǒng)、過程監(jiān)控系統(tǒng)等提供了一個理想的軟件開發(fā)環(huán)境。它含有種類豐富的函數(shù)庫，科學家和工程師們利用它可以方便靈活地搭建功能強大的測控系統(tǒng)。同時，現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，人工智能技術的深入研究，也為控制系統(tǒng)的理論領域增加了新的內容。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、神經網(wǎng)絡、遺傳算法等智能控制方法應用于溫控系統(tǒng)，包括智能控制與 PID 控制相結合及這些智能控制之間的結合。利用現(xiàn)代控制理論與虛擬儀器技術，將智能控制與傳統(tǒng)控制有機綜合應用，提高測量精度，設計出適用于不同加熱條件和要求的智能型溫度測控系統(tǒng)是當今測溫研究的一個重點。本文的研究對象——電烤箱，是一種非線性、時變性、大時滯的被控對象，用精確的數(shù)學模型表示其特性是十分困難的，用常規(guī)的 PID 控制難以達到較高的控制精度，只有在參數(shù)整定準確且系統(tǒng)不發(fā)生劇烈變化的情況下才能實現(xiàn)，然而這對一般的電烤箱溫度控制系統(tǒng)來說都難以滿足，在關于溫度控制的絕大部分文獻資料中，控制結果都有較大的超調，本論文基于這一特點進行研究，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)，使其具有結構簡單、響應速度快、控制精度高、魯棒性強的特點。另一方面基于控制實驗室建設的要求，目前在國內高校，虛擬儀器正逐步走進理工科課堂和實驗室，用虛擬儀器技術來實現(xiàn)智能溫度測控實驗系統(tǒng)，將其用于實驗室電烤箱的溫度控制，使其達到相應的技術要求，來滿足自動控制技術、單片機、虛擬儀器技術、傳感器與檢測技術等多門課程的教學與實驗，并能用作學生綜合實訓或課程設計,系統(tǒng)的使用和維護費用低。 課題的國內外研究現(xiàn)狀1967 年 Leondes 等人在他們的技術匯報中首次正式使用“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的控制，標志著人們用模糊邏輯進行工業(yè)控制的開始。1976 年，P．J．King 和 Mamdani 等人合作，采用模糊模型的預估方案，用模糊控制對反應器進行溫度控制，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行溫度控制。20 世紀 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領域的應用方面的論文?，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現(xiàn)對系統(tǒng)的模糊控制。早在 1965 年我國著名科學家傅京孫首先提出把人工智能啟發(fā)式推理規(guī)