【正文】 具體研究?jī)?nèi)容如下： 第一章：論述智能溫度測(cè)控系統(tǒng)課題的背景和意義，溫度測(cè)控系統(tǒng)控制方案，課題的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及本論文的主要內(nèi)容。 第四章：智能溫度測(cè)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，給出了各 主控模塊的子程序流程圖 ,對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了調(diào)試和實(shí)驗(yàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析。實(shí)驗(yàn)建模把被研究的對(duì)象看作一個(gè)黑箱，通過(guò)輸入信號(hào)，研究對(duì)象的輸出響應(yīng)信號(hào)與輸入激勵(lì)信號(hào)之間 的關(guān)系，估計(jì)出系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，這種方法簡(jiǎn)單實(shí)用，尤其對(duì)一些不易了解內(nèi)部結(jié)構(gòu)和機(jī)理不明的 “黑箱 ”系統(tǒng)更是如此。 電烤箱模型參數(shù)的辨識(shí)常用的方法是階躍響應(yīng)法。 圖 21 一階慣性純滯后對(duì)象飛升曲線(xiàn) CohnCoon 公式如下： 長(zhǎng)春理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 inout???K （ 22） ）（ tT ?? （ 23） ）（ t??? （ 24） 式中 和 分別是飛升曲線(xiàn)為 和 時(shí)對(duì)應(yīng)的時(shí)間。因此本文被控對(duì)象的傳遞函數(shù)為： sSG 30e11 7 )s( ??? （ 25） 控制策略研究 PID 控制的基本理論 PID 控制在生產(chǎn)過(guò)程中是一種被普遍采用的控制方法，是一種建立在經(jīng)典控制理論基礎(chǔ)上的控制策略，對(duì)于線(xiàn)性定常系統(tǒng)的控制是非常有效的，其調(diào)節(jié)品質(zhì)取決于 PID 控制 器的各個(gè)參數(shù)的確定?？刂谱饔玫膹?qiáng)弱取決于比例系數(shù) PK ，隨著 PK 的增大，穩(wěn)態(tài)誤差逐漸減小，但同時(shí)動(dòng)態(tài)性能變差，超調(diào)量也增大，容易產(chǎn)生振蕩，甚至?xí)归]環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。反之隨著 iT 減小，靜差也減小，但過(guò)小的 iT 會(huì)加劇系統(tǒng)振蕩，甚至使系統(tǒng)失去穩(wěn)定。它對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性有很大的影響。概括地講， PID 控制的優(yōu)點(diǎn)主要有以下兩點(diǎn)： （ 1）原理簡(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)方便，是一種能夠滿(mǎn)足大多數(shù)實(shí)際需要的基本控制器。 （ 3） PID 控制比較適用于單輸入單輸出最小相位系統(tǒng)，對(duì)于大時(shí)滯、大慣性等難控對(duì)象時(shí)，需要通過(guò)多個(gè) PID 控制器或與其它控制器組合，才能 得到較好的長(zhǎng)春理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 控制 . 仿真分析 PID 控制 以下是在 SIMULINK 中創(chuàng)建的用 PID 算法控制電烤箱溫度的仿真模型： 圖 24 電烤箱 PID 控制系統(tǒng)仿真模型 在圖中的 PID 模塊中對(duì)三個(gè)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，在 Transport Delay 模塊中設(shè)定滯后時(shí)間 30 秒。 本章小結(jié) 本章通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立了 以電烤箱為對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，分析了 PID 控制、和模糊自整定 PID 控制的原理及優(yōu)缺點(diǎn)，確定了模糊自整定 PID 控制為電烤箱的控制策略。 首先介紹了測(cè)控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)方案，然后具體介紹了系統(tǒng)各部分外圍硬件的設(shè)計(jì)。 K 型熱電偶的穩(wěn)定性較高，可在氧化性和中性介質(zhì)中長(zhǎng)期測(cè) 900 度以下溫度，其回復(fù)性較好，產(chǎn)生熱電勢(shì)較大，線(xiàn)性好，價(jià)格便宜，測(cè)量精度較高，是工業(yè)中最常用的一種熱電偶。 （ 3）非線(xiàn)性：熱電偶輸出熱電勢(shì)與溫度之間的關(guān)系為非線(xiàn)性關(guān)系，因此在應(yīng)用 時(shí)必須進(jìn)行線(xiàn)性化 處理。 本文設(shè)計(jì)中選用了由 Maxim 公司生產(chǎn)的 K 型熱電偶專(zhuān)用模數(shù)轉(zhuǎn)換器 MAX6675，來(lái)完成熱電偶電勢(shì)至溫度的轉(zhuǎn)換。 MAX6675 的輸出數(shù)據(jù)為 16 位，輸出時(shí)高位在前。 圖 34 MAX6675 SPI 接口時(shí)序圖 MAX6675 與單片機(jī)的接口電路 MAX6675 與單片機(jī)的接口電路如圖 35 所示，單片機(jī)的 、 、 口分別接到 MAX6675 的 SCK、 CS 、 SO 端。當(dāng) 為高電平時(shí)， MAX6675 開(kāi)始進(jìn)行新的溫度轉(zhuǎn)換。只有當(dāng)熱電偶的長(zhǎng)春理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 14 冷端和芯片溫度相等時(shí)，才可獲得最佳的測(cè)量精度，所以在進(jìn)行 PCB 設(shè)計(jì)時(shí)，要盡量避免在 MAX6675 附近放置易發(fā)熱元件或器件 。 AT89S52 單片機(jī)及其最小系統(tǒng) 單片機(jī)又稱(chēng)微處理器，具有體積小、功耗低、價(jià)格低廉、抗干擾能力強(qiáng)且可靠性高等特點(diǎn)，適用于工業(yè)過(guò)程控制、智能儀器儀表和 測(cè)控系統(tǒng)的前端裝置。為了提高單片機(jī)系統(tǒng)的可靠性，在本課題采用專(zhuān)門(mén)的監(jiān)控芯片 MAX813L。 圖 36 AT89S52 單片機(jī)及其最小系統(tǒng) 圖中 MAX8l3L 的 1 腳與 8 腳相連， 7 腳與單片機(jī)的 9 腳 RESET 相連，6 腳與單片機(jī)的 腳相連。通過(guò)調(diào)節(jié)電阻值，合理地選擇分壓比，電源正常時(shí)，確保 R2 上的電壓高于 V，即保證 MAX813L 的 PFI 輸入端電平高于 V。 本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用 4 4 行列式矩陣鍵盤(pán)接口，其電路如圖 39 所示，行線(xiàn)由 口 控制，列線(xiàn)由 口控制，采用查詢(xún)掃描的方式進(jìn)行工作。在判斷電路是否有鍵按下時(shí)，讀 端口值 ，若值不是 00001111，則說(shuō)明電路中有鍵按下，然后根據(jù)程序進(jìn)行去抖動(dòng)處理和計(jì)算鍵值。 LED 驅(qū)動(dòng)方式有多種形式，在采用并行顯示方式時(shí)，顯示電路的段碼 與位控碼要占用單片機(jī)的較多口線(xiàn)，盡管可以采用 8255 等接口芯片進(jìn)行擴(kuò)展，但口線(xiàn)利用率仍較低。 MAX7219 與單片機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳送最快最有效的方法是串行外設(shè)接口 SPI，對(duì)不帶 SPI 接口能力的單片機(jī)，需要軟件合成 SPI 操作與 MAX7219 接口。顯示數(shù)據(jù)串行輸入 MAX7219，移位存入數(shù)據(jù)寄存器，片內(nèi)多路掃 描電路順序掃描，分別選通各字，被選通字的引腳置為低電平， LED 發(fā)光顯示數(shù)字，未選通的字引腳保持高電平。 圖 38 MAX7219 與 AT89S52 的接口電路 在 MAX7219 的電源 (V+)與地 (GND)間并接一個(gè) 去耦電容和一個(gè) 10uF/16V電解電容，可以有效提高其工作可靠性。本設(shè)計(jì)采用簡(jiǎn)單實(shí)用的喇叭報(bào)警，由三極管驅(qū)動(dòng)一個(gè)蜂鳴器構(gòu)成，由 AT89S52 的 P0． 0 口控制， 口的高低電平輸出在中斷服務(wù)程序中完成的。移相觸發(fā)方式調(diào)功實(shí)際上是通過(guò)改變交流電壓每周期內(nèi)電壓波形的導(dǎo) 通角，使負(fù)載端電壓有效值得以調(diào)節(jié)，達(dá)到調(diào)節(jié)功率的目的，又稱(chēng)相位控制調(diào)功；過(guò)零觸發(fā)方式調(diào)功實(shí)際上是電壓波形不變，通過(guò)改變電壓周波在控制周期內(nèi)出現(xiàn)的次數(shù)達(dá)到調(diào)功的目的，又稱(chēng)通斷控制調(diào)功。這些諧波分量引起電網(wǎng)電壓波形畸變，功率因數(shù)下降，給其它用電設(shè)備和通訊系統(tǒng)的工作帶來(lái)不良影響。 具體調(diào)節(jié)過(guò)程為 ：在給定周期內(nèi)控制可控硅的導(dǎo)通時(shí)間，從而改變加熱功率，來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)。經(jīng)軟件分析所得的控制脈沖經(jīng)單片機(jī)的 口送至 MOC3061，直接形成驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制可控硅的導(dǎo)通與關(guān)斷，改變平均電壓的大小值，形成最佳加熱方式，從而控制溫度的超調(diào)。 圖 312 單片機(jī)與 PC 機(jī)串口通信電路 硬件抗干擾設(shè)計(jì) 溫度測(cè)控系統(tǒng)中含有微弱的模擬信號(hào)、高精度的 A/D 轉(zhuǎn)換、大功率驅(qū)動(dòng)電路，抗 干擾是必須考慮的問(wèn)題，否則會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)采集信號(hào)誤差大、輸出誤差大、系統(tǒng)失控、硬件損壞等狀況。本文設(shè)計(jì)的智能溫度測(cè)控系統(tǒng)采取了以下抗干擾措施 : 電網(wǎng)的抗干擾措施 對(duì)儀器儀表正常工作危害最嚴(yán)重的 是電網(wǎng)尖峰脈沖干擾。為解決這一問(wèn) 題，設(shè)計(jì)時(shí)在芯片的電源線(xiàn)端和地線(xiàn)端加接去耦電容，并且使這些電容的引線(xiàn)盡可能短。由于光電耦合器的輸入端和輸出端在電氣上是絕緣的，因而有較強(qiáng)的電氣隔離和抗干擾能力。在本課題設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，外圍硬件設(shè)備主要有 K 型熱電偶、模數(shù)變換器 MAX667 AT89S52 單片機(jī)、MAX7219 驅(qū)動(dòng) LED 顯示、控制電路等，詳細(xì)介紹了各硬件選型的依據(jù)、結(jié)構(gòu)原理及相關(guān)注意事項(xiàng)，給出了電路圖，并對(duì)系統(tǒng)的可靠性方面的設(shè)計(jì)進(jìn)行了討 論，給出了一些常用的抗干擾措施。與匯編語(yǔ)言相比， C 語(yǔ)言中關(guān)鍵字及運(yùn)算函數(shù)近似人的思維方式，程序有規(guī)范的結(jié)構(gòu)，編程相對(duì)容易，有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力，C 語(yǔ)言程序本身不依賴(lài)于機(jī)器硬件系統(tǒng)， 基本上不做修改就可以根據(jù)單片機(jī)的不同進(jìn)行較快的移植。由于系統(tǒng)程 序比較復(fù)雜，為了便于編寫(xiě)、調(diào)試、修改，系統(tǒng)程序的編寫(xiě)采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，將控制單元中需要的一系列功能編成相應(yīng)的子模塊，整個(gè)系統(tǒng)包括主控模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、鍵盤(pán)輸入模塊、 LED 顯示模塊、中斷服務(wù)模塊、控制算法模塊、輸出控制模塊等部分組成。數(shù)據(jù)采集程序流程圖如圖 42 所示。 表 51 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表 時(shí)間 /s 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 330 溫度 /度 20 時(shí)間 /s 330 360 390 420 450 480 510 540 570 600 630 溫度 /度 85 84 時(shí)間 /s 660 690 720 750 780 810 840 870 900 930 960 溫度 /度 85 圖 52 溫度實(shí)時(shí)變化曲線(xiàn)圖 從表 51 的數(shù)據(jù)和圖 52 的曲線(xiàn)圖上可以得知：系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間較短，約 200S 左右；系統(tǒng)超調(diào)量 %；靜態(tài)誤差小于 2℃。 全文的內(nèi)容和本文的主要工作概況： （ 1）根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到電烤箱的階躍響應(yīng)曲線(xiàn)，通過(guò)階躍響應(yīng)曲線(xiàn)法對(duì)電烤箱 溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，最終確定了電烤箱的傳遞函數(shù)。 這次設(shè)計(jì)綜合了我們大學(xué)四年的知識(shí)，也是我們的一次演習(xí)。但是，在設(shè) 計(jì)中也存在很多的問(wèn)題，尤其是放大器的各項(xiàng)性能和軟件的仿真，還存在著一些的問(wèn)題。劉教授是一位難得的良師益友。謝謝你們，讓我們的本科時(shí)代演繹得絢麗多彩！ 最后 ,對(duì)所有關(guān)心和幫助過(guò)我的老師和同學(xué)都致以我最深深的謝意 ! 長(zhǎng)春理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 28 參考文獻(xiàn) [1]姜忠良 ,陳秀云 .溫度的測(cè)量與控制 [M].北京 :清華出版社 ,2020. [2]覃強(qiáng) .模糊 PID 溫度控制方案的仿真優(yōu)選及其實(shí)現(xiàn)［碩士論文］ .北京 :中國(guó)科學(xué)院電 工研究所 ,2020． [3]吳為民 ,王仁麗 .溫度控制系統(tǒng)的發(fā)展概況 [J].工業(yè)爐 ,2020,24(20):1820. [4]馮勇 .現(xiàn)代計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) [M].哈爾濱 :哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社 ,1997. [5]Isidro Sanchez, Julio R Banga, Antonio A Alonso. Temperature control in microware bination ovens[J]. Journal of Food Engineering,2020,46:2129． [6]戴鵬飛等 .測(cè)試工程與 LabVIEW 應(yīng)用 [M].北京 :電子工業(yè)出版社 ,2020. [7]劉君華 ,賈惠芹 .虛擬 儀器圖形化編程語(yǔ)言 LabVIEW 教程 [M]．西安 :電子科技大學(xué) 出版社 ,2020． [8]王順晃 ,舒迪前 .智能控制系統(tǒng)及其應(yīng)用 [M].北京 :機(jī)械工業(yè)出版社 ,2020. [9]楊濤 ,高偉 ,黃樹(shù)紅 .基于 Matlab 的鍋爐過(guò)熱汽溫模糊控制系統(tǒng)仿真 [J]．華中科技大 學(xué)學(xué)報(bào) ,2020,31(4):6365． [10]Cho HyunJoon,Cho KwangBo,Wang BoHyeun. FuzzyPID Hybrid Control:Automatic Rule Generation Using Geic Algorithms[J]. Fuzzy SetsandSystems,1997,92(3): 305316. [11], , , [J]. Neural Networks for Control Systems A Survey. Automatica,1992,28(6):10831112. [12] 向文圓 , 蔡寧生 . 基于 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的蒸汽溫度控制 [J]. 自動(dòng)化儀表 ,2020,12 (4):1314． [13]蘇紹興 .基于變速積分 PID 的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) [J]．機(jī)電工程 ,2020,19(6)： 2829． [14]閻樹(shù)田 ,劉鵬軍 ,蘇玉瑞 ,喬偉峰 .一種基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法的智能 PID 控制 器 [J].蘭州理工大學(xué)學(xué)報(bào) ,2020,32(4):4245. [15]趙國(guó)強(qiáng) ,李新春 ,賈樹(shù)良 .電阻爐溫控系統(tǒng)模糊控制器 [J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào) , 2020,23(3):370371.