【正文】 縮印或其他復(fù)制手段保存畢業(yè)設(shè)計，可以公布其中的全部或部分內(nèi)容。 編號 本科生畢業(yè)設(shè)計 基于 PID 的 溫度 控制 與 測量 系統(tǒng) 設(shè)計 二〇一二年六月 畢業(yè)設(shè)計原創(chuàng)承諾書 長春理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 1 1．本人承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計《 溫度控制與測量系統(tǒng) 》，是認(rèn)真學(xué)習(xí)理解 學(xué)校的《長春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計工作條例 》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。 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 長春理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 I 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，實現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ) ，采用模糊規(guī)則在線整定 PID 的 kP kD kI 三個參數(shù)的模糊自適應(yīng) PID 控制方案。 關(guān)鍵詞：溫度測控 PID 控制 單片機(jī) 長春理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 II 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 threeparameters kP kD and kI 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。準(zhǔn)確地測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，所以對溫度進(jìn)行控制是非常必要且有意義的。一些智能儀器構(gòu)成的溫度監(jiān)測系統(tǒng)，也往往需要人干預(yù)，費(fèi)時費(fèi)力，而利用高級編程語言進(jìn)行軟件開發(fā)又讓人感到力不從心。 隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，虛擬儀器開啟了測控儀器的新紀(jì)元。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)合及長春理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 2 這些智能控制之間的結(jié)合。 課題的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1967 年 Leondes 等人在他們的技術(shù)匯報中首次正式使用 “智能控制 ”一詞?，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。 總體而言，智能控制在溫度控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。 課題研究的主要內(nèi)容 本課題以電烤箱為研究對象，針對電烤箱升溫單向性、大慣性、大滯后的特點(diǎn)，在比較常規(guī) PID 控制、模糊控制及參數(shù)模糊自整定 PID 控制策略的基礎(chǔ)上，主要對參數(shù)模糊自整定 PID 控制的應(yīng)用進(jìn)行了研究，并結(jié)合虛擬儀器巨大的優(yōu)越性，設(shè)計出響應(yīng)速度快、超調(diào)量 小、穩(wěn)態(tài)誤差小的溫度測控系統(tǒng)。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計原則，給出整體設(shè)計方案，詳細(xì)介紹以單片機(jī)為核心的溫控系統(tǒng)各部分器件的功能與原理，給出電路原理圖，并對硬件采取各種抗干擾措施。這種方法存在數(shù)學(xué)方程不易準(zhǔn)確建立、實驗工藝較復(fù)雜、運(yùn)行工況變化較大等缺點(diǎn)，最終會造成對象模型的不準(zhǔn)確。加熱絲的溫度逐漸升高，通過箱壁熱傳遞和熱輻射使箱體內(nèi)溫度也逐漸升高，溫箱有一定的容量滯后，其余環(huán)節(jié)可視為比例環(huán)節(jié)，因而一般可用一階慣性環(huán)節(jié)加一個滯后環(huán)節(jié)來描述溫控對象的數(shù)學(xué)模型，其傳遞函數(shù)表示為： se1)( ???TSKsG (21) 式中 K 是對象的靜態(tài)增益； T 是對象的時間常數(shù)； τ 是對象的純滯后時間。一階慣性純滯后對象飛升曲線如圖 21 所示 。 圖 22 系統(tǒng)階躍響應(yīng)響應(yīng)曲線 根據(jù) CohnCoon 公式可得到系統(tǒng)模型的各參數(shù)： k =， T = 178s， 時間 /s 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 溫度 /℃ 20 30 37 50 63 75 94 106 120 131 141 時間 /s 330 360 390 420 450 480 510 540 570 600 溫度 /℃ 152 161 168 171 175 177 178 179 180 180 長春理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 6 τ =30s。在圖 23 的基礎(chǔ)上簡單分析一下 PID 控制器各校正環(huán)節(jié)的作用 : (l)比例環(huán)節(jié)的引入是為了及時成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號 e (t)，以最快速度產(chǎn)生控制作用，使偏差向減小的方向變化。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時間常數(shù) iT , iT 越大積分作用越弱，有利于系統(tǒng)減小超調(diào)，過渡過程不易產(chǎn)生振蕩，但消除靜差所需的時間較長。 DT 越大，則它抑制 e (t)變化的作用越強(qiáng)， DT 越小，它抗 e (t)變化的作用越弱。 從式（ 29）可以看出，每次輸出均與過去的狀態(tài)有關(guān)，為了避免在求取計算機(jī)輸出值 u (k)時對 e (k)量進(jìn)行累加計算，在實際應(yīng)用中常采用增量式 PID 控制算法： 根據(jù)遞推原理可得： ? ? )1()(1)1(u 10 ??????? ??? keKieKkeKk dkiiP （ 210） 用式（ 29）減式（ 210）可得 )}1()({)()}1(e)({)(u i ?????????? kekeKkeKkkeKk dp （ 211） PID 控制器的優(yōu)缺點(diǎn) 現(xiàn)今在過程控制中接近 90％仍是采用純 PID 調(diào)節(jié)器， PID 控制器能夠適用于如此廣泛的工業(yè)與民用對象，充分反映了其良好品質(zhì)。 （ 2）常規(guī) PID 控制器無法同時滿足跟蹤設(shè)定值和抑制擾動的不同性能要求。 模糊自整定 PID 控制 以下是在 SIMULINK 中創(chuàng)建的用模糊自整定 PID 控制算法控制電烤箱溫度的仿真模型： 長春理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 9 圖 26 電烤箱模糊自整定 PID 控制系統(tǒng)仿真模型 當(dāng)給定值為 150 時，系統(tǒng)響應(yīng)曲線如圖 27 所示： 圖 27 模糊自整定 PID 控制系統(tǒng)響應(yīng)曲線 由圖可以看出性能指標(biāo)：調(diào)節(jié)時間 ts 約為 300s，超調(diào)量σ％＝ 0，穩(wěn)態(tài)誤差 ess=0。因此電烤箱的 溫度控制是一項關(guān)鍵性的技術(shù)，本章主要討論電烤箱溫度測控系統(tǒng)的硬件設(shè)計。 溫度檢測電路的設(shè)計 溫度檢測電路是溫度測控系統(tǒng)中的重要部分，承擔(dān)著檢測電烤箱溫度并將數(shù)長春理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 11 據(jù)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)的任務(wù)在溫度的采集測量過程中 ，熱電偶因具有體積小、使用方便、測溫范圍寬、測溫精度高、性能穩(wěn)定、動態(tài)響應(yīng)好、輸出直接是電壓信號，便于訊號的遠(yuǎn)傳和記錄，也有利于集中檢測和控制等優(yōu)點(diǎn)而成為工程上應(yīng)用最廣泛的溫度傳感器。 （ 2）冷端補(bǔ)償：熱電偶輸出的熱電勢為冷端保持為 0 度時與測量端的電勢差值， 而在實際應(yīng)用中冷端的溫度是隨著環(huán)境溫度變化而變化的，故需進(jìn)行冷端補(bǔ)償。如果能將上述的功能集成到一個集成電路芯片中，即采用單芯片來完成信號放大、冷端補(bǔ)償、線性化及數(shù)字化輸出功能，則將大大簡化熱電偶在單片機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用設(shè)計。 表 33 MAX6675 引腳功能 引腳 名稱 功能 1 GND 接地端 2 T K 型熱電偶負(fù)極 3 T+ K 型熱電偶正極 4 VCC 正 電源端 5 SCK 串行時鐘輸入 6 C\S\ 片選端 7 S0 串行數(shù)據(jù)輸出 8 NC 空腳 MAX6675 與單片機(jī)的通信 MAX6675 采用標(biāo)準(zhǔn)的 SPI 串行外設(shè)總線與單片機(jī)接口，通信過程如下：當(dāng)單片機(jī)使 MAX6675 的 CS 引腳從低電平變?yōu)楦唠娖綍r， MAX6675 將進(jìn)行新的轉(zhuǎn)換；當(dāng)單片機(jī)使 MAX6675 的 CS 引腳從高電平變?yōu)榈碗娖綍r， MAX6675 將停止任何信號的轉(zhuǎn)換 ,同時在 SCK 時鐘輸入脈沖的作用下，從 SO 端輸出串行轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，一個完整的數(shù)據(jù)輸出過程需要 16 個 SCK 時鐘周期，數(shù)據(jù)的讀取約定在 SCK 的下降沿完成。 MAX6675 的串長春理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 13 行接口時序圖如圖 34 所示。溫度值與數(shù)字量的對應(yīng)關(guān)系為：溫度值 =轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量 /4095=轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量 /4。 (3)由于 MAX6675 是通過冷端補(bǔ)償來校正周圍溫度變化的。 (5)盡量采用大截面積的熱電偶導(dǎo)線，長距離傳輸時，可采用雙絞線作為信號傳輸線。 AT89S52 單片機(jī) 具有以下特性： (1)與 MCS51 單片機(jī)產(chǎn)品兼容； (2)8K 字節(jié)在系統(tǒng)可編程 FLASH 存儲器； (3)256 字節(jié)內(nèi)部 RAM； (4)1000 次擦寫周期； (5)全靜態(tài)時鐘： 0HZ～ 33MHZ； (6)三級加密程序存儲器； (7)32 個可編程 I/O 口線； (8)3 個 16 位定時 /計數(shù)器； (9)8 個中斷源； (10)全雙工 UART 串行通道； (11)雙數(shù)據(jù)指針； (12)看門狗定時器； (13)低功耗空閑和掉電模式，掉電后中斷可喚醒；本系統(tǒng)中 AT89S52 單片機(jī)及其最小系統(tǒng)如圖 38 所示。另外 MAX813L 具有電源監(jiān)控功能，內(nèi)置 門限值檢測器，用于電源故障報警。 為了建立一個電源故障預(yù)警電路，可以在 4 腳電源故障輸入 PFI 上連接一個電阻分壓支路，該支路連接的監(jiān)視點(diǎn)通常是未經(jīng)穩(wěn)壓的直流電源。將以上各種方式組合可構(gòu)成很多不同的鍵盤接口方式。系統(tǒng)在程序初始化時控制鍵盤行線的 口輸出高電平，控制鍵盤列線的 口輸出低電平。 常用的專用數(shù)碼管顯示驅(qū)動芯片有 8279 和 MAX7219 兩種， 8279 由于近長春理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 17 年停產(chǎn)而很少有人使用； MAX7219 因使用起來方便靈活，連線簡單，不占用數(shù)據(jù)存儲器空間，使用的人越來越多。本課題采用一種基于 MAX7219 芯片的 LED 串行顯示技術(shù)。 DIG7～DIG0 分別接 8 個 LED 顯示器的共陰極，以實現(xiàn)位選。一般段電流為 37mA，允許最大段電流為 40mA，由于 LED 有 的電壓降，則