【正文】 具體研究內(nèi)容如下： 第一章：論述智能溫度測控系統(tǒng)課題的背景和意義，溫度測控系統(tǒng)控制方案，課題的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及本論文的主要內(nèi)容。 第四章：智能溫度測控系統(tǒng)的軟件設(shè)計，給出了各 主控模塊的子程序流程圖 ,對整個系統(tǒng)進行了調(diào)試和實驗，對實驗結(jié)果進行了分析。實驗建模把被研究的對象看作一個黑箱，通過輸入信號，研究對象的輸出響應(yīng)信號與輸入激勵信號之間 的關(guān)系，估計出系統(tǒng)的數(shù)學模型，這種方法簡單實用，尤其對一些不易了解內(nèi)部結(jié)構(gòu)和機理不明的 “黑箱 ”系統(tǒng)更是如此。 電烤箱模型參數(shù)的辨識常用的方法是階躍響應(yīng)法。 圖 21 一階慣性純滯后對象飛升曲線 CohnCoon 公式如下： 長春理工大學畢業(yè)設(shè)計 5 inout???K （ 22） ）（ tT ?? （ 23） ）（ t??? （ 24） 式中 和 分別是飛升曲線為 和 時對應(yīng)的時間。因此本文被控對象的傳遞函數(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，對于線性定常系統(tǒng)的控制是非常有效的，其調(diào)節(jié)品質(zhì)取決于 PID 控制 器的各個參數(shù)的確定。控制作用的強弱取決于比例系數(shù) PK ，隨著 PK 的增大，穩(wěn)態(tài)誤差逐漸減小，但同時動態(tài)性能變差，超調(diào)量也增大，容易產(chǎn)生振蕩，甚至會使閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。反之隨著 iT 減小，靜差也減小，但過小的 iT 會加劇系統(tǒng)振蕩，甚至使系統(tǒng)失去穩(wěn)定。它對系統(tǒng)的穩(wěn)定性有很大的影響。概括地講， PID 控制的優(yōu)點主要有以下兩點： （ 1）原理簡單、實現(xiàn)方便，是一種能夠滿足大多數(shù)實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)，對于大時滯、大慣性等難控對象時，需要通過多個 PID 控制器或與其它控制器組合，才能 得到較好的長春理工大學畢業(yè)設(shè)計 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 模塊中對三個參數(shù)進行設(shè)定，在 Transport Delay 模塊中設(shè)定滯后時間 30 秒。 本章小結(jié) 本章通過實驗數(shù)據(jù)，建立了 以電烤箱為對象的數(shù)學模型，分析了 PID 控制、和模糊自整定 PID 控制的原理及優(yōu)缺點，確定了模糊自整定 PID 控制為電烤箱的控制策略。 首先介紹了測控系統(tǒng)的總體設(shè)計原則和設(shè)計方案，然后具體介紹了系統(tǒng)各部分外圍硬件的設(shè)計。 K 型熱電偶的穩(wěn)定性較高，可在氧化性和中性介質(zhì)中長期測 900 度以下溫度，其回復(fù)性較好，產(chǎn)生熱電勢較大，線性好，價格便宜，測量精度較高，是工業(yè)中最常用的一種熱電偶。 （ 3）非線性：熱電偶輸出熱電勢與溫度之間的關(guān)系為非線性關(guān)系，因此在應(yīng)用 時必須進行線性化 處理。 本文設(shè)計中選用了由 Maxim 公司生產(chǎn)的 K 型熱電偶專用模數(shù)轉(zhuǎn)換器 MAX6675，來完成熱電偶電勢至溫度的轉(zhuǎn)換。 MAX6675 的輸出數(shù)據(jù)為 16 位，輸出時高位在前。 圖 34 MAX6675 SPI 接口時序圖 MAX6675 與單片機的接口電路 MAX6675 與單片機的接口電路如圖 35 所示，單片機的 、 、 口分別接到 MAX6675 的 SCK、 CS 、 SO 端。當 為高電平時， MAX6675 開始進行新的溫度轉(zhuǎn)換。只有當熱電偶的長春理工大學畢業(yè)設(shè)計 14 冷端和芯片溫度相等時，才可獲得最佳的測量精度，所以在進行 PCB 設(shè)計時，要盡量避免在 MAX6675 附近放置易發(fā)熱元件或器件 。 AT89S52 單片機及其最小系統(tǒng) 單片機又稱微處理器，具有體積小、功耗低、價格低廉、抗干擾能力強且可靠性高等特點，適用于工業(yè)過程控制、智能儀器儀表和 測控系統(tǒng)的前端裝置。為了提高單片機系統(tǒng)的可靠性，在本課題采用專門的監(jiān)控芯片 MAX813L。 圖 36 AT89S52 單片機及其最小系統(tǒng) 圖中 MAX8l3L 的 1 腳與 8 腳相連， 7 腳與單片機的 9 腳 RESET 相連，6 腳與單片機的 腳相連。通過調(diào)節(jié)電阻值，合理地選擇分壓比，電源正常時，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)計中采用 4 4 行列式矩陣鍵盤接口，其電路如圖 39 所示，行線由 口 控制，列線由 口控制，采用查詢掃描的方式進行工作。在判斷電路是否有鍵按下時，讀 端口值 ，若值不是 00001111，則說明電路中有鍵按下，然后根據(jù)程序進行去抖動處理和計算鍵值。 LED 驅(qū)動方式有多種形式，在采用并行顯示方式時，顯示電路的段碼 與位控碼要占用單片機的較多口線，盡管可以采用 8255 等接口芯片進行擴展，但口線利用率仍較低。 MAX7219 與單片機之間的數(shù)據(jù)傳送最快最有效的方法是串行外設(shè)接口 SPI，對不帶 SPI 接口能力的單片機，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 去耦電容和一個 10uF/16V電解電容，可以有效提高其工作可靠性。本設(shè)計采用簡單實用的喇叭報警，由三極管驅(qū)動一個蜂鳴器構(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)功實際上是通過改變交流電壓每周期內(nèi)電壓波形的導 通角，使負載端電壓有效值得以調(diào)節(jié)，達到調(diào)節(jié)功率的目的，又稱相位控制調(diào)功；過零觸發(fā)方式調(diào)功實際上是電壓波形不變，通過改變電壓周波在控制周期內(nèi)出現(xiàn)的次數(shù)達到調(diào)功的目的，又稱通斷控制調(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)的工作帶來不良影響。 具體調(diào)節(jié)過程為 ：在給定周期內(nèi)控制可控硅的導通時間，從而改變加熱功率，來實現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)。經(jīng)軟件分析所得的控制脈沖經(jīng)單片機的 口送至 MOC3061，直接形成驅(qū)動信號，控制可控硅的導通與關(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 單片機與 PC 機串口通信電路 硬件抗干擾設(shè)計 溫度測控系統(tǒng)中含有微弱的模擬信號、高精度的 A/D 轉(zhuǎn)換、大功率驅(qū)動電路，抗 干擾是必須考慮的問題，否則會出現(xiàn)數(shù)據(jù)采集信號誤差大、輸出誤差大、系統(tǒng)失控、硬件損壞等狀況。本文設(shè)計的智能溫度測控系統(tǒng)采取了以下抗干擾措施 : 電網(wǎng)的抗干擾措施 對儀器儀表正常工作危害最嚴重的 是電網(wǎng)尖峰脈沖干擾。為解決這一問 題，設(shè)計時在芯片的電源線端和地線端加接去耦電容，并且使這些電容的引線盡可能短。由于光電耦合器的輸入端和輸出端在電氣上是絕緣的，因而有較強的電氣隔離和抗干擾能力。在本課題設(shè)計的系統(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、MAX7219 驅(qū)動 LED 顯示、控制電路等，詳細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，給出了電路圖，并對系統(tǒng)的可靠性方面的設(shè)計進行了討 論，給出了一些常用的抗干擾措施。與匯編語言相比， C 語言中關(guān)鍵字及運算函數(shù)近似人的思維方式，程序有規(guī)范的結(jié)構(gòu)，編程相對容易，有較強的數(shù)據(jù)處理能力，C 語言程序本身不依賴于機器硬件系統(tǒng)， 基本上不做修改就可以根據(jù)單片機的不同進行較快的移植。由于系統(tǒng)程 序比較復(fù)雜，為了便于編寫、調(diào)試、修改，系統(tǒng)程序的編寫采用模塊化的設(shè)計思想，將控制單元中需要的一系列功能編成相應(yīng)的子模塊，整個系統(tǒng)包括主控模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、鍵盤輸入模塊、 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 實驗數(shù)據(jù)記錄表 時間 /s 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 330 溫度 /度 20 時間 /s 330 360 390 420 450 480 510 540 570 600 630 溫度 /度 85 84 時間 /s 660 690 720 750 780 810 840 870 900 930 960 溫度 /度 85 圖 52 溫度實時變化曲線圖 從表 51 的數(shù)據(jù)和圖 52 的曲線圖上可以得知：系統(tǒng)調(diào)節(jié)時間較短，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)實驗數(shù)據(jù)得到電烤箱的階躍響應(yīng)曲線，通過階躍響應(yīng)曲線法對電烤箱 溫度控制系統(tǒng)進行數(shù)學建模，最終確定了電烤箱的傳遞函數(shù)。 這次設(shè)計綜合了我們大學四年的知識，也是我們的一次演習。但是，在設(shè) 計中也存在很多的問題，尤其是放大器的各項性能和軟件的仿真，還存在著一些的問題。劉教授是一位難得的良師益友。謝謝你們，讓我們的本科時代演繹得絢麗多彩！ 最后 ,對所有關(guān)心和幫助過我的老師和同學都致以我最深深的謝意 ! 長春理工大學畢業(yè)設(shè)計 28 參考文獻 [1]姜忠良 ,陳秀云 .溫度的測量與控制 [M].北京 :清華出版社 ,2020. [2]覃強 .模糊 PID 溫度控制方案的仿真優(yōu)選及其實現(xiàn)［碩士論文］ .北京 :中國科學院電 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)代計算機控制系統(tǒng) [M].哈爾濱 :哈爾濱工業(yè)大學出版社 ,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 儀器圖形化編程語言 LabVIEW 教程 [M]．西安 :電子科技大學 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 :機械工業(yè)出版社 ,2020. [9]楊濤 ,高偉 ,黃樹紅 .基于 Matlab 的鍋爐過熱汽溫模糊控制系統(tǒng)仿真 [J]．華中科技大 學學報 ,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 [J]．機電工程 ,2020,19(6)： 2829． [14]閻樹田 ,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].蘭州理工大學學報 ,2020,32(4):4245. [15]趙國強 ,李新春 ,賈樹良 .電阻爐溫控系統(tǒng)模糊控制器 [J].遼寧工程技術(shù)大學學報 , 2020,23(3):370371.