【正文】 ............................ 25 結(jié)束語(yǔ) .................................................................................................................. 26 致 謝 .............................................................................................................. 27 參考文獻(xiàn) .............................................................................................................. 28 長(zhǎng)春理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 1 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(cāng)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。 智能溫度控制器正朝著高精度、多功能、總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、高可靠性及安全性、開(kāi)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。 本文的研究對(duì)象 —— 電烤箱，是一種非線(xiàn)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(lái)說(shuō)都難以滿(mǎn)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(kāi)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)。隨后越來(lái)越多的學(xué)者開(kāi)始關(guān)注智能控制技術(shù)，國(guó)家也越來(lái)越重視智能控制理論的研究和應(yīng)用， 1993～ 1995 連續(xù)三年國(guó)內(nèi)都召開(kāi)了與智能控制有關(guān)的學(xué)術(shù)會(huì)議。 第二章：系統(tǒng)模型的建立及控制策略的選擇與設(shè)計(jì)，利用 Matlab 對(duì) PID 控制 、 模糊自整定 PID 控制進(jìn)行仿真比較 ?？紤]到電烤箱結(jié)構(gòu)復(fù)雜，許多變量間只存在相關(guān)關(guān)系，而這種關(guān)系往往不能直接用數(shù)學(xué)式來(lái)精確描述，所以本文選擇實(shí)驗(yàn)建模來(lái)獲取系統(tǒng)模型。 本文的被控對(duì)象是深圳市偉科達(dá)電熱設(shè)備有限公司生產(chǎn)的型號(hào)為 WKD298 的電烤箱，工作頻率 50Hz，溫度范圍 0250 度 ，總功率 2020W。因此 PK 選擇必須適當(dāng)，才能取得過(guò)渡時(shí)間少、穩(wěn)態(tài)誤差小而又穩(wěn)定的效果。 在以微處理器為硬件核心的控制系統(tǒng)中，由于是以采樣周期對(duì)輸入和輸出狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，故它是離散時(shí)間控制系統(tǒng)。通過(guò)不斷調(diào)整 PID 三參數(shù)，得到最佳仿真曲線(xiàn)，其中 Kp＝ 2，Ki＝ ， Kd＝ 。 圖 31 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖 溫度測(cè)控系統(tǒng)的硬件組成 系統(tǒng)硬件框圖如圖 32 所示，由以下幾部分組成： AT89S52 單片機(jī)及其最小系統(tǒng)模塊、溫度檢測(cè)模塊、鍵盤(pán)模塊、 LED 顯示模塊、輸出控制模塊等。 （ 4）數(shù)字化輸出：與單片機(jī)系統(tǒng)接口要采用數(shù)字化輸出及數(shù)字化接口 ,而作為 模擬小信號(hào)測(cè)溫元件的熱電偶顯然無(wú)法直接滿(mǎn)足這個(gè)要求 ,需要進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換。D15 位是偽標(biāo)志位，始終為 0； D14～ D3 是由高位到低位順序排列的轉(zhuǎn)換溫度值； D2 用于檢測(cè)熱電偶是否斷線(xiàn)，當(dāng) D2 為 1 時(shí)表明熱電偶斷開(kāi)； D1 為MAX6675 的標(biāo)識(shí)符，始終為 0； D0 位為三態(tài)。 圖 35 MAX6675 與單片機(jī)的接口電路 為了正確使用 MAX6675 芯片，在進(jìn)行電路硬件設(shè)計(jì)時(shí)，還應(yīng)該注意以下幾點(diǎn)： (1)MAX6675 的測(cè)量精度對(duì)電源 耦合噪聲比較敏感，設(shè)計(jì)時(shí)需要在 MAX6675 的電源引腳與地線(xiàn)之間接一個(gè) 0． 1μ F 的陶瓷旁路電容，同時(shí)盡量將 MAX6675 布置在遠(yuǎn)離其他 I/O 芯片的地方，以降低電源噪聲的影響。本課題中運(yùn)用單片機(jī)的目的是構(gòu)成一個(gè)具有一定判斷、運(yùn)算、存儲(chǔ)、顯示和控制等功能的智能溫度測(cè)控儀表，單片機(jī)型號(hào)的選擇主要從有較強(qiáng)的抗干擾能力和較高的性?xún)r(jià)比兩方面考慮。在軟件設(shè)計(jì)中， 不斷輸出脈沖信號(hào)，如果因某種原因單片機(jī)進(jìn)入死循環(huán)，則 無(wú)脈沖輸出，于是 后在 MAX8l3L 的第 8 腳輸出低電平，該低電平加到第 1 腳，使 MAX8l3L 產(chǎn)生復(fù)位輸出，使單片機(jī)有效復(fù)位，擺脫程序“跑飛”或死循環(huán)的困境。鍵盤(pán)有 16 個(gè)鍵，其中有 0～ 9 共 10 數(shù)字鍵， 1 個(gè)功能鍵， 1 個(gè)確認(rèn)鍵，1 個(gè)取消鍵， 1 個(gè)左移鍵， 1 個(gè)右移鍵和 1 個(gè)停機(jī)鍵。采用串行顯示方式只需占用 2 至 3 根口線(xiàn)，節(jié)約單片機(jī)大量的 I/O 口，為單片機(jī)擴(kuò)展其它的功能提供了方便。 MAX7219 允許一個(gè)外部電阻控制顯示亮度，外部電阻接于電源輸入 V+和段電流 Iset 端。 溫度控制電路的設(shè)計(jì) 電烤箱的溫度控制是通過(guò)調(diào)節(jié)電烤箱的輸入電功率來(lái)實(shí)現(xiàn)的。輸出的線(xiàn)性范圍窄而線(xiàn)性度又不好，只能靠反饋來(lái)改善。外接 39Ω電阻和 電容組成浪涌吸收電路，防止浪涌電 壓損壞雙向可控硅。儀表在使用時(shí)，如果附近有大型電力設(shè)備與其接于同一個(gè)交流電源上，那么電力設(shè)備的啟?；蚶纂姼袘?yīng)都將產(chǎn)生頻率很高的浪涌電壓疊加在 50Hz 的電網(wǎng)電壓上，這些干擾信號(hào)長(zhǎng)春理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 21 沿著交流電源線(xiàn)進(jìn)入電子系統(tǒng)，可干擾電路。 采用程序監(jiān)視器 系統(tǒng)局部硬件故障、現(xiàn)場(chǎng)干擾、堆棧溢出或程序“跑飛”都可能造成系統(tǒng)“死機(jī)” ,本設(shè)計(jì)中加入了程序監(jiān)控芯片 MAX813L，在系統(tǒng)工作過(guò)程中監(jiān)視 CPU 的運(yùn)行，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)電源過(guò)低、掉電或程序運(yùn)行“死機(jī)”時(shí)，能及時(shí)保存數(shù)據(jù)并使單片機(jī)復(fù)位，保證整個(gè)系統(tǒng)正常工作。 Keil C51 是美國(guó) Keil Software 公司出品的 51 系列兼容單片機(jī) C 語(yǔ)言軟開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，是用戶(hù)開(kāi)發(fā)和調(diào)試單片機(jī) C 語(yǔ)言源代碼的最理想的工具之一。 長(zhǎng)春理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 24 開(kāi) 始 溫 度 轉(zhuǎn) 換初 始 化啟 動(dòng) 新 的 溫 度 轉(zhuǎn) 換保 存 溫 度 數(shù) 據(jù)計(jì) 算 溫 度 并 顯 示讀 M A X 6 6 7 5 的 1 6 位 轉(zhuǎn) 換 數(shù) 據(jù)延 時(shí)結(jié) 束 圖 42 數(shù)據(jù)采集程序流程圖 控制算法子模塊 本文采用的是參數(shù)模糊自整定 PID 控制算法，由于模糊控制本身比較復(fù)雜，目前在單片機(jī)上實(shí)現(xiàn)的模糊控制大多數(shù)采用查表法，即對(duì)不同的輸 入量，采用模糊控制算法，離線(xiàn)算出輸出量，做成一張控制表存儲(chǔ)在單片機(jī)中，單片機(jī)讀取溫度值后，一方面通過(guò) LED 顯示出當(dāng)前溫度，另一方面將該值作為反饋信號(hào)，求取當(dāng)前溫度偏差和偏差變化率并進(jìn)行模糊量化處理，然后根據(jù)處理后的溫度偏差和偏差變化率查尋控制表，獲取控制輸出量量化值，再經(jīng)反模糊化后進(jìn)入控制算法中的 PID 控制部分，最終將運(yùn)算結(jié)果送到執(zhí)行機(jī)構(gòu)中去。 （ 2）以單片機(jī) AT89S52 為核心控制芯片，設(shè)計(jì)了智能溫度測(cè)控系統(tǒng)，對(duì)其外圍電路做了詳細(xì)說(shuō)明，其中包括 K 型熱電偶及其模數(shù)變換器 MAX667 LED 的顯示驅(qū)動(dòng) MAX721看門(mén)狗與電源監(jiān)控芯片 MAX813L 和可控硅的驅(qū)動(dòng)器 MOC3061 等。由于本人水平有限，在設(shè)計(jì)中可能還存在一些問(wèn)題和錯(cuò)誤，希望各位老師和同學(xué)們批評(píng)指正。在這里也表達(dá)我對(duì)他們深深的謝意！ 感謝教研室的各位老師。我們不但復(fù)習(xí)了以前的知識(shí)，也重新學(xué)習(xí)了一些新的東西，為我今后的研究生學(xué)習(xí)，奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 長(zhǎng)春理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 26 結(jié)束語(yǔ) 本文以電烤箱為控制對(duì)象，針對(duì)傳統(tǒng) PID 控制應(yīng)用在時(shí)滯性和非線(xiàn)性控制對(duì)象上難以取得很好的控制效果的現(xiàn)象，探討了如何將單片機(jī)與虛擬儀器相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)電烤箱的參 數(shù)模糊自整定 PID 控制，給出了整個(gè)系統(tǒng)的軟硬件具體實(shí)現(xiàn)流程，并通過(guò)仿真比較，驗(yàn)證了模糊自整定 PID 控制器設(shè)計(jì)的實(shí)用性和合理性。 長(zhǎng)春理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 23 系 統(tǒng) 初 始 化有 鍵 按 下 ？開(kāi) 始溫 度 采 樣計(jì) 算 控 制 量 并 輸 出調(diào) 用 模 糊 控 制 算 法溫 度 值 顯 示調(diào) 用 溫 度 設(shè) 定 程 序串 口 定 時(shí) 器 設(shè) 置 開(kāi) 中 斷設(shè) 置 堆 棧 指 針溫 度 超 出 ？調(diào) 用 報(bào) 警 程 序YNYN 圖 41 主程序流程圖 數(shù)據(jù)采集子模塊 數(shù)據(jù)采集部分采用 K 型熱電偶轉(zhuǎn)換器 MAX6675 完成， MAX6675 集冷端補(bǔ)償、非線(xiàn)性校正、斷線(xiàn)檢測(cè)電路于一體，其內(nèi)部元器件的參數(shù)進(jìn)行過(guò)激光修正，保證了 MAX6675 的轉(zhuǎn)換結(jié)果與對(duì)應(yīng)溫度值具有較好的線(xiàn)性關(guān)系。 軟件設(shè)計(jì)概述 單片機(jī)控制系統(tǒng)軟件的功能是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的模塊化編程與控制，常用的單片機(jī)編程語(yǔ)言有匯編和 C 語(yǔ)言?xún)煞N。典型的信號(hào)隔離是光電隔離，通過(guò)光電耦合器件，不但能實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳遞，而且能有效地抑制尖峰脈沖及各種噪聲干擾。常用的硬件抗干擾措施主要有：布線(xiàn)技術(shù)、接地技術(shù)、屏蔽技術(shù)、濾波技術(shù)、去耦技術(shù)和優(yōu)化電路等。具體溫度控制電路組成如圖 313 所示。其最大的缺點(diǎn)是：大電流的切入造成對(duì)電網(wǎng)的沖擊，不規(guī)則的脈沖負(fù)載電流引起電網(wǎng)波形的畸變，當(dāng) 控制角為 90 度時(shí)，產(chǎn)生的三次諧波電流為基波電流的 50%，五次諧波也可達(dá)到基波的 1/6。 報(bào)警電路的設(shè)計(jì) 在電 烤箱溫度控制系統(tǒng)中，為保證安全，當(dāng)系統(tǒng)由于調(diào)功設(shè)備等損壞，溫度達(dá)到設(shè)定溫度報(bào)警值時(shí)，系統(tǒng)中需要有報(bào)警信號(hào)以引起操作人員的警覺(jué)。 DIG7～DIG0 分別接 8 個(gè) LED 顯示器的共陰極，以實(shí)現(xiàn)位選。 常用的專(zhuān)用數(shù)碼管顯示驅(qū)動(dòng)芯片有 8279 和 MAX7219 兩種， 8279 由于近長(zhǎng)春理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 17 年停產(chǎn)而很少有人使用； MAX7219 因使用起來(lái)方便靈活，連線(xiàn)簡(jiǎn)單，不占用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間，使用的人越來(lái)越多。將以上各種方式組合可構(gòu)成很多不同的鍵盤(pán)接口方式。另外 MAX813L 具有電源監(jiān)控功能，內(nèi)置 門(mén)限值檢測(cè)器，用于電源故障報(bào)警。 (5)盡量采用大截面積的熱電偶導(dǎo)線(xiàn)，長(zhǎng)距離傳輸時(shí)，可采用雙絞線(xiàn)作為信號(hào)傳輸線(xiàn)。溫度值與數(shù)字量的對(duì)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。 表 33 MAX6675 引腳功能 引腳 名稱(chēng) 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(shí)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(xiàn)與單片機(jī)接口，通信過(guò)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(shí)， 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(shí)， MAX6675 將停止任何信號(hào)的轉(zhuǎn)換 ,同時(shí)在 SCK 時(shí)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(gè)完整的數(shù)據(jù)輸出過(guò)程需要 16 個(gè) SCK 時(shí)鐘周期，數(shù)據(jù)的讀取約定在 SCK 的下降沿完成。 （ 2）冷端補(bǔ)償：熱電偶輸出的熱電勢(shì)為冷端保持為 0 度時(shí)與測(cè)量端的電勢(shì)差值， 而在實(shí)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。因此電烤箱的 溫度控制是一項(xiàng)關(guān)鍵性的技術(shù)，本章主要討論電烤箱溫度測(cè)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。 （ 2）常規(guī) PID 控制器無(wú)法同時(shí)滿(mǎn)足跟蹤設(shè)定值和抑制擾動(dòng)的不同性能要求。 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。在圖 23 的基礎(chǔ)上簡(jiǎn)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(shí)成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào) 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。一階慣性純滯后對(duì)象飛升曲線(xiàn)如圖 21 所示 。這種方法存在數(shù)學(xué)方程不易準(zhǔn)確建立、實(shí)驗(yàn)工藝較復(fù)雜、運(yùn)行工況變化較大等缺點(diǎn)，最終會(huì)造成對(duì)象模型的不準(zhǔn)確。 課題研究的主要內(nèi)容 本課題以電烤箱為研究對(duì)象，針對(duì)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(duì)參數(shù)模糊自整定 PI