【正文】 算機(jī)只能處理數(shù)字信號(hào)，若采樣周期為 T， 第 n 次采樣點(diǎn)的輸入誤差為en,且 en=r(n)C(n),輸出為 u(n)， PID 算法用的微分 de/dt 由差分 (enen1)/T 代替，積分 ∫ e(t)dt 由 ∑ etT 代替，于是得到 可以得到遞推公式： △ un = unun1=Pp+P1+PD(其中 Pp=Kp(enen1), P1= KPT/T1 en= K1 en， PD= KPTD/T(en2en1+en2)= KD(en2en1+en2)) PID 計(jì)算 △ un 只需要保留現(xiàn)時(shí)刻 en 以及以前的兩個(gè)偏差量 en1 和 en2。本章將就上位機(jī)的軟件進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。處理后的數(shù)據(jù)在上位機(jī)軟件上顯示并存儲(chǔ)在上位機(jī)中?！?作為控制器控制溫度的目標(biāo)范圍；若控溫范圍為一個(gè)溫度范圍如 45℃ ~55℃ ，則取 ~ 作為控制器控制溫度的 目標(biāo)范圍。當(dāng)所測(cè)電壓量在節(jié)點(diǎn)上時(shí)，可以直接查表求出溫度值；當(dāng)電壓值在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間時(shí)，可以過(guò)這兩個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)做一條直線，并認(rèn)為此電壓值是直線上某點(diǎn)的函數(shù)值，通過(guò)求解函數(shù)曲線，進(jìn)而求解溫度值。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 27 這種方法的原理是將采集到的若干個(gè)周期的變量值進(jìn)行排序，然后取排好順序的值得中間的值，這種方法可以有效的防止受到突發(fā)性脈沖干擾的數(shù)據(jù)進(jìn)入?；瑒?dòng)濾波法的公式是： Yn=Q1Xn+Q2Xn1+Q3Xn2，其中 Q1 + Q2+ Q3 =1 且 Q1 Q2 Q3。近 20 多年來(lái)，模糊控制不論從理論上還是技術(shù)上都 有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，成為自動(dòng)控制領(lǐng)域中一個(gè)非?；钴S而又碩果累累的分支。若要提高精度則必然增加量化級(jí)數(shù)，從而導(dǎo)致規(guī)則搜索范圍擴(kuò)大，降低決策速度，甚至不能實(shí)時(shí)控制； 和魯棒性問(wèn)題。接著對(duì)控溫器軟件設(shè)計(jì)中的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)。 其原理圖如下圖 42 所示 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 28 知 識(shí) 庫(kù)模 糊 化去 模 糊 化A / D模 糊 推 理D / A調(diào) 節(jié) 環(huán) 節(jié)被 控 過(guò) 程敏 感 環(huán) 節(jié)設(shè) 定 值r測(cè) 量 值 feEUu 圖 42 模糊控制系統(tǒng)原理圖 模糊控制算法具有以下優(yōu)點(diǎn)： ，特別適用于非線性、時(shí)變、模型不完全的系統(tǒng)上。 1965 年，美國(guó)的 創(chuàng)立了模糊集合論； 1973 年他給出了模糊邏輯控制的定義和相關(guān)的定理。 公式為 Yk =QXk+(1Q)Yk1 截止頻率為 f=K/2πT。 利用以下兩個(gè)公式 (1) (2) 其中 NAt、 NBt 為材料 A、 B 的自由電子密度，它們都是溫度 t 的函數(shù)。 控溫器軟件總體方案如圖 41 所示。在上位機(jī)的顯示數(shù)據(jù)中亦可將超出范圍的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的顏色標(biāo)示，以方便工作人員發(fā)現(xiàn)異常。 軟件總體方案設(shè)計(jì) 對(duì)設(shè) 備供電后，系統(tǒng)進(jìn)行初始化設(shè)置。根據(jù)輸出控制增量△ un， 可求出本次控制輸出為 un= un1+ △ un= un1+ Pp+P1+PD。三極管的基極連接單片機(jī)的 P13， 當(dāng)單片機(jī)的 P13 為高點(diǎn)平時(shí) ,三極管驅(qū)動(dòng)固態(tài)繼電器工作接通加熱器工作 ,當(dāng)單片機(jī) 的 Pl3 為低電平時(shí)固態(tài)繼電器關(guān)斷 ,加熱器不工作 。 RS485 實(shí)體圖如下圖 38 所示 圖 38 RS485 實(shí)體圖 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 18 RS485 串口通信 及外圍 電路如下圖所示。而忽略了信號(hào)地的連接，這種連接方法在許多場(chǎng)合是能正常工作的，但卻埋下了很大的隱患，這有二個(gè)原因： ： RS485接口采用差分方式傳輸信號(hào)方式，并不需要相對(duì)于某個(gè)參照點(diǎn)來(lái)檢測(cè)信號(hào)，系統(tǒng)只需檢測(cè)兩線之間的電位差就可以了 。 RS422 的實(shí)體圖如下圖 37 所示 圖 37 RS422 實(shí)體圖 智能儀表是隨著 80 年代初單片機(jī) 技術(shù)的成熟而發(fā)展起來(lái)的，現(xiàn)在世界儀表市場(chǎng)基本被智能儀表所壟 斷。 RS422 的最大傳輸距離為 4000英尺（約 1219 米），最大傳輸速率為 10Mb/s。傳輸距離短的另一原因是 RS232 屬單端信號(hào)傳送，存在共地噪聲和不能抑制共模干擾等問(wèn) 題 因此一般用于 20m 以內(nèi)的 通信。 串行通信的結(jié)構(gòu)圖如下圖 35 所示 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 15 圖 35 串行數(shù)據(jù)通信結(jié)構(gòu)圖 到目前，串行通信標(biāo)準(zhǔn)有 RS232， RS422 和 RS485 三個(gè)標(biāo) 準(zhǔn)。另一時(shí)刻， B 作為發(fā)送器， A 作為接受器，數(shù)據(jù)流則由 B 流向 A。 串行通信中數(shù)據(jù)是在兩個(gè)站之間進(jìn)行傳送的，按照數(shù)據(jù)傳送方向，串行通信可分為單工、半雙工和全雙工 3 種形式： 它僅能進(jìn)行一個(gè)方向的數(shù)據(jù)傳送。 在 flash 編程和校驗(yàn)時(shí)， P2 口也接收高 8 位地址 字節(jié) 和一些 控制信號(hào) 。 程序 校驗(yàn)時(shí)，需要外部上拉電阻。掉電保護(hù)方式下， RAM 內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 13 作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。 AT89S52 是一種低功耗、高 性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲(chǔ)器。 在設(shè)計(jì) HI546 選通電路是要注意， HI546 為 16 路選通器，如果設(shè)計(jì)中的有用信號(hào)不足 16 路，例如只用到了 12 路 K 型熱電偶，則 HI546 的 16路輸入電路中只有 12 路選通輸入。 熱電偶控溫器電路結(jié)構(gòu)大致包括熱電偶傳感器、冷端補(bǔ)償與放大電路、信號(hào)選通電路、 A/D 轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)、電源電路、溫度控制電路以及實(shí)現(xiàn)具體控溫功能的相應(yīng)開(kāi)關(guān)電路等。構(gòu)造簡(jiǎn)單 ,使用方便 ,熱電偶通常是由兩種不同的金屬絲組成 ,而且不受大小 和開(kāi)頭的限制 ,外有保護(hù)套管 ,用起來(lái)非常方便。熱電偶的熱電勢(shì)隨溫度的升高而增大 ,其熱 電勢(shì)的大小與熱電偶的材料和熱電偶兩端的溫度值有關(guān) ,而與熱電極的長(zhǎng)度、直徑無(wú)關(guān)。熱電偶產(chǎn)生熱電勢(shì)的條件：一是要有接觸電位差，就是“庫(kù)伯爾貼”接觸點(diǎn)位要高，不能同一種材質(zhì)的的兩條金屬接觸在一起，這不叫偶，比如銅和鋁接觸電位就比銅和鐵接觸電位高；二是要有溫度差，溫差越高熱電勢(shì)越大。 其中 K 型熱電偶（鎳鉻 鎳硅熱電偶 ）是目前用量最大的廉金屬熱電偶，其用量為其他熱電偶的總和。兩種不同成份的均質(zhì)導(dǎo)體為熱電極，溫度較高的一端為工作端，溫度較低的一端為自由端。在系統(tǒng)的信號(hào)選通電路， A/D 轉(zhuǎn)換電路，單片機(jī) ,串行數(shù)據(jù)通信，溫度控制電路等方面做了詳細(xì)闡述和設(shè)計(jì)。 昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院的王清海等在鍋爐溫度控制研究中將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) PID 與 LabVIEW 人及交互結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)鍋爐溫度的數(shù)據(jù)采集、控制和現(xiàn)實(shí)，提高了鍋 爐溫控系統(tǒng)的效率。其中數(shù)字 PID 節(jié)器的參數(shù)可以在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)在線整定，因此具有較大的靈活性，可以得到較好的控制效果。 20 世紀(jì) 60 年代，基于最優(yōu)化技術(shù)的控制器設(shè)計(jì)方法在解決各種不同設(shè)計(jì)問(wèn)題上顯示出了其優(yōu)勢(shì)。 20 世紀(jì) 30～ 40 年代，經(jīng)典的頻域設(shè)計(jì)法得到了很快的發(fā)展。如鹽霧實(shí)驗(yàn)對(duì)傳感器的抗腐蝕性要求較高，交變濕熱實(shí)驗(yàn)對(duì)傳感器及其外圍電路的絕緣性要求較高，而力學(xué)實(shí)驗(yàn)則對(duì)傳感器結(jié)構(gòu)的堅(jiān)韌性提出要求。國(guó)際單位為 熱力學(xué)溫標(biāo) (K)。 本文研究開(kāi)發(fā)的抗干擾熱電偶控溫器，從電路設(shè)計(jì)、 PCB 電路板布局布線、到軟件設(shè)計(jì)等方面，對(duì)熱電偶工作的干擾信號(hào)進(jìn)行濾波處理，使這一熱電偶控溫器能夠在復(fù)雜的電磁環(huán)境下穩(wěn)定、可靠地工作。 Cold junction pensation。溫度是大量分子熱運(yùn)動(dòng)的集體表現(xiàn)，含有統(tǒng)計(jì)意義。具體表現(xiàn)在，當(dāng)測(cè)試設(shè)備工作在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境時(shí)，能較為準(zhǔn)確的測(cè)量實(shí)驗(yàn)室溫度；但到了工作現(xiàn)場(chǎng)，在數(shù)十臺(tái)電子設(shè)備同時(shí)工作的強(qiáng)干擾環(huán)境，熱電偶測(cè)溫設(shè) 備就會(huì)出現(xiàn)較大誤差甚至出現(xiàn)沒(méi)有數(shù)據(jù)的情況。 進(jìn)入 50 年代以后，發(fā)展較快的是解析法，并且定義了一些瞬態(tài)性能指標(biāo)。 從 20 世紀(jì) 80 年代開(kāi)始，在單回路 PID 控 制器中引入了參數(shù)整定和自適應(yīng)控制理論， PID 控制理論從此進(jìn)入了高速發(fā)展階段。 國(guó)內(nèi)外實(shí)例 甘肅大學(xué)的趙紫靜研究了一種基于 PID 溫度控制技術(shù)的 X 射線發(fā)生器。 日本 Komatsu Electronics 公司的 Kazuhiro Mimura 對(duì)基于 PID 控制與現(xiàn)代控制理論相結(jié)合的離子化熱水器溫度控制開(kāi)展了研究，結(jié)果證明這樣的溫度控制方法能夠使用比傳統(tǒng)控制系統(tǒng)更的溫度傳感器，進(jìn)而降低成本，提高了公司效益。構(gòu)建了熱電偶控溫器的測(cè)溫，控溫的總體軟件設(shè)計(jì)方案。 圖 21 熱電偶實(shí)體圖 熱電偶同時(shí)又分為標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶兩大類。 K 型熱電偶偶絲為鎳鉻 鎳硅，型號(hào)為 wrn，分度號(hào)為 K，基本誤差限為 ％ t（ t 是感溫元件實(shí)測(cè)溫度值） 。當(dāng)兩端溫度不同時(shí)就會(huì)有熱電勢(shì)產(chǎn)生，它是測(cè)量溫度的感溫元件，將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)再由儀表顯示出來(lái)。電橋的三個(gè)橋臂為三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電阻，另外一個(gè)橋臂是由（銅）熱電阻組成。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 9 第 3章 熱電偶溫度控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 上一章對(duì)熱電偶的分類，測(cè)量基本原理及冷端補(bǔ)償方法進(jìn)行了詳細(xì)的描述，本章則對(duì)熱電偶溫度控制 系統(tǒng)的硬件部分進(jìn)行詳細(xì)闡述與設(shè)計(jì)。 圖 31 熱電偶控溫器系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)的信號(hào)選通及 A/D 轉(zhuǎn)換電路 熱電偶測(cè)溫，控溫電路一般是多通道的，不可能對(duì)每一路分別處理顯 AT89S 52 上位機(jī) A/D 轉(zhuǎn)換器 液氮回路 電源電路 選通電路 加熱控制 加熱器 制冷控制 熱電偶 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 10 示。 表 31 HI546 真值表 A3 A2 A1 A0 EN “ ON ”CHANNEL X X X X L NONE 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 11 L L L L H 1 L L L H H 2 L L H L H 3 L L H H H 4 L H L H H 5 L H H L H 6 L H L L H 7 L H H H H 8 H L L L H 9 H L L H H 10 H L H L H 11 H L H H H 12 H H L L H 13 H H L H H 14 H H H L H 15 H H H H H 16 單片機(jī)以及上位機(jī)處理的信息必須為數(shù)字量，但是熱電勢(shì)信號(hào)為連續(xù)變化的模擬信號(hào)，因此必須對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU和在系統(tǒng)可編程 Flash，使得 AT89S52 為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。作為輸出口，每位能驅(qū)動(dòng)8 個(gè) TTL 邏 輯電平。對(duì) P2 端口寫(xiě) “1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入口使用。 串行數(shù)據(jù)通信 所謂串行通信是指數(shù)據(jù)一位一位地在一位寬的傳輸線上，一比特一比特的順序分時(shí)序傳送。 它能交替地進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)傳送，即 A 可以作為發(fā)送 器，也可以作為接收器，設(shè)備 B 也是如此。因此，它能在兩個(gè)方向上同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，即 A 向 B 發(fā)送的同時(shí)， B 也可以向 A 發(fā)送。 RS232C 總線 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)有 25 條信號(hào)線，包括一個(gè)主通道和一個(gè)輔助通道。實(shí)際上還有一根信號(hào)地線，共 5 根線。一般 100 米長(zhǎng)的雙絞線上所能獲得的最大傳輸速率僅為 1Mb/s。隨后出現(xiàn)的RS485 解決了這個(gè)問(wèn)題。 問(wèn)題：發(fā)送驅(qū)動(dòng)器輸出信號(hào)中的共模部分需要一個(gè)返回通路，如沒(méi)有一個(gè)低阻的返回通道（信號(hào)地），就會(huì)以輻射的形式返回源端，整個(gè) 總線 就會(huì)像一個(gè)巨大的天線向外輻射電磁波。 PID 是一種連續(xù)控制方式， PID 主要解決了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性和靜態(tài)精度的矛盾。 PID 控制器 的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容 ， 根據(jù)被控過(guò)程的特性確定 PID 控制器的比例系數(shù)、積分時(shí)間 和微分時(shí)間的大小。在系統(tǒng)的信號(hào)選通電路 ， A/D 轉(zhuǎn)換電路，單片機(jī) ,串行數(shù)據(jù)通信，溫度控制電路等方面做了詳細(xì)闡述和設(shè)計(jì)。等待中央處理器與上位機(jī)的定時(shí)通信，將存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)一并送入上位機(jī)，在上位機(jī)完成數(shù)字信號(hào)的處理?？紤]到測(cè)溫、控溫過(guò)程的滯后性，一般取控溫范圍變化幅度的一半作為目標(biāo)控溫范圍。在電路工作中，通過(guò)查表得出對(duì)應(yīng)熱電勢(shì)下的溫度值，這樣求解 溫度有一個(gè) 明顯的缺點(diǎn)，當(dāng)溫度范圍較大或者溫度分點(diǎn)較密時(shí)，將占用較大的內(nèi)存空間。 數(shù)字濾波器 可以分為兩大部分：即經(jīng)典濾波器和現(xiàn)代濾波器。實(shí)際使用時(shí)要選擇合理的 Q 值，過(guò)高過(guò)低都不能達(dá)到目的。 模糊控制實(shí)質(zhì)上是一種非線性控制，從屬于智能控制的范疇。 、掌握的較理想的非線性控制器，具有較佳的適應(yīng)性及強(qiáng)健性 (Robustness)、較佳的容錯(cuò)性 (Fault Tolerance)。 本論文的主要完成了以下工作： 第一章簡(jiǎn)要說(shuō)明了本課題的研究背景，以及在熱電偶測(cè)溫領(lǐng)域國(guó)內(nèi)外