【文章內(nèi)容簡介】 施。OP07同時具有輸入偏置電流低（OP07A為177。2nA）和開環(huán)增益高（對于OP07A為300V/mV）的特點(diǎn)，這種低失調(diào)、高開環(huán)增益的特性使得OP07特別適用于高增益的測量設(shè)備和放大傳感器的微弱信號等方面。特點(diǎn)：a) 超低偏移： 150μV最大 。b) 低輸入偏置電流： 。c) 低失調(diào)電壓漂移： ℃ 。d) 超穩(wěn)定，時間： 2μV/month最大e) 高電源電壓范圍： 177。3V至177。22V 輸出控制電路固態(tài)繼電器由三部分組成：輸入電路、隔離（耦合）和輸出電路組成，在輸入電路控制端加入信號后，IC1光電耦合器內(nèi)光敏三極管呈導(dǎo)通狀態(tài)，R1串接電阻對輸入信號進(jìn)行限流，以保證光耦合器不致?lián)p壞。LED發(fā)光二極管指示輸入端控制信號，VD1可防止當(dāng)輸入信號正負(fù)極性接反時以保護(hù)光耦I(lǐng)C1。 交流固態(tài)繼電器原理圖 V1 在線路中起到交流電壓檢測作用，使固態(tài)繼電器在電壓過零時開啟、負(fù)載電流過零時關(guān)斷。當(dāng)IC1光敏三極管截止時(控制端無信號輸入時)，V1通過R2獲得基極電流使之飽和導(dǎo)通,從而使 SCR可控硅門極觸發(fā)電壓UGT被箝在低電位而處于關(guān)斷狀態(tài)，最終導(dǎo)致BTA雙向可控硅在門極控制端R6上無觸發(fā)脈沖而處于關(guān)斷狀態(tài)。當(dāng)IC1光敏三極管導(dǎo)通時( 控制端有信號輸入時) ，SCR可控硅的工作狀態(tài)由交流電壓零點(diǎn)檢測三極管V1來確定其工作狀態(tài) 。如電源電壓經(jīng)R2與R3分壓，A處電壓大于過零電壓時(VA＞VBE1)，V1處飽和導(dǎo)通狀態(tài)，SCR、BTA可控硅都處于關(guān)斷狀態(tài)；如電源電壓經(jīng)R2與R3分壓，A處電壓小于過零電壓時（VA＞VBE1）V1處截止?fàn)顟B(tài)，SCR可控硅通過R4獲得觸發(fā)信號而導(dǎo)通 ,從而使 BTA在R6上也獲得觸發(fā)信號也呈導(dǎo)通狀態(tài),對負(fù)載電源進(jìn)行關(guān)斷控制。如此時控制端信號關(guān)斷后,負(fù)載電流也隨之減小至BTA雙向可控硅的維持電流IH時可自行關(guān)斷,切斷負(fù)載電源。交流過零型固態(tài)繼電器，因有其電壓過零時開啟，負(fù)載電流過零時關(guān)斷的特性。它的最大接通、關(guān)斷時間是半個電源周期，在負(fù)載上可得到一個完整的正弦波形。也相應(yīng)的減少了對負(fù)載的沖擊。而在相應(yīng)的控制回路中產(chǎn)生的射頻干擾也大大減少。 輸出控制電路。 其它輸入輸出口 串口通信電路單片機(jī)的串口通信接口電平為03V左右，而計算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)的串行通信接口的電平為15V+15V。所以需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換才能使二者正常通信，使用專用的串行通信接口電平轉(zhuǎn)換芯片MAX3232設(shè)計電路，MAX3232由二個線性驅(qū)動，二個接收器，帶177。15kV ESD保護(hù)的雙速電荷泵電路組成。該器件可以滿足TIA/EIA232要求，提供異步通信控制器和串口連接器之間的接口。數(shù)據(jù)信號速度可達(dá)120kbps。 串口通信電路 行列式鍵盤電路鍵盤主要由數(shù)字鍵0～９、確認(rèn)、設(shè)置鍵、返回鍵、沖壓鍵、+（或左移）鍵、（或右移）鍵等組成。按鍵識別時需進(jìn)行行掃描和列掃描才能得到鍵值。行掃描時將PC0～PC3置0，PC4～PC7設(shè)為上拉輸入。列掃描時則相反。 行列式鍵盤電路4 軟件設(shè)計 主程序設(shè)計 主程序框圖 主程序流程圖本系統(tǒng)程序相對較為復(fù)雜，所以采用模塊化設(shè)計程序。各模塊可能又由很多子模塊組成，每個模塊都設(shè)計成一個函數(shù)，并設(shè)計一個有意義的函數(shù)名，通過函數(shù)的調(diào)用實現(xiàn)整個程序的功能。這樣，只要閱讀函數(shù)名即可知道函數(shù)的功能，閱讀各個函數(shù)即可知道程序設(shè)計思路。不僅方便他人閱讀，也方便程序的移植和調(diào)試。本系統(tǒng)主程序包括系統(tǒng)配置程序化SysConfigInit，液晶初始化LcdInit、應(yīng)用程序初始化AppInit、鍵掃描KeyScan、鍵處理KeyDispose、顯示更新LcdUpdate等幾個模塊程序組成。所以主程序只有幾條語句。部分主程序源碼如下：… //文件包含等內(nèi)容Int main(void){ SysConfigInit()。 LcdInit()。 AppInit()。 while(1){ KeyDispose(KeyScan())。 LcdUpdate()。 }} 鍵掃描程序 鍵掃流程圖本系統(tǒng)使用的是4*4的行列式鍵盤，占用8根口線得到16個鍵。這里注意的是行掃描和列掃描時口線工作方式的變化。 鍵處理程序 鍵功能處理流程圖應(yīng)用程序初始化包括歡迎界面顯示2秒、進(jìn)入默認(rèn)的工作界面、配置默認(rèn)的參數(shù)等此時按下確認(rèn)鍵即可開始生產(chǎn)，或者按下設(shè)置鍵可進(jìn)入設(shè)置界面進(jìn)行相關(guān)參數(shù)設(shè)置。設(shè)置時可按一次設(shè)置鍵將光標(biāo)移到下一個要設(shè)置參數(shù)處，按下數(shù)字鍵設(shè)置數(shù)值。所有設(shè)置項設(shè)置完畢后按下確認(rèn)鍵將修改相關(guān)參數(shù)并進(jìn)入工作界面；若按下返回鍵則不修改參數(shù)并進(jìn)入工作界面。在按下沖壓鍵開始沖壓后，如有緊急情況需停止，可按下返回鍵結(jié)束本次工作回復(fù)為上次正常完成后的狀態(tài)。 沖壓生產(chǎn)程序設(shè)計 沖壓主流程 加熱流程圖 溫度測量程序設(shè)計 溫度測量主流程圖 熱電偶溫度測量流程圖考慮到生產(chǎn)車間里主要干擾來自50Hz的強(qiáng)電的正弦波干擾較大，單次采樣會引入不小干擾誤差。而采取50*4=200Hz采樣取平均值時可有效消除這種干擾。熱電偶測量溫度的電壓是非線性的，根據(jù)熱電偶溫度電壓轉(zhuǎn)換特性，在進(jìn)行冷端補(bǔ)償時要先將環(huán)境溫度轉(zhuǎn)換成對應(yīng)于熱電偶溫度電壓特性表中的電壓值。鍵測量的熱電偶電壓值減去該值，在通過熱電偶溫度電壓特性表求得熱電偶測量的溫度值。測量溫度采用中斷方式可方便描畫溫度曲線等技術(shù)。 模糊PID控制加熱程序 脈沖熱壓機(jī)工作是一次次進(jìn)行的，一次從冷卻溫度加熱到指定的穩(wěn)定度，這個過程的溫度變化較大，而且需要迅速達(dá)到，并且能恒定一段時間。由于受環(huán)境和機(jī)器性能的差異影響，加熱時很難建立精確地模型，一套固定PID參數(shù)在這種情況下無法滿足設(shè)計要求。所以本系統(tǒng)采用模糊自適應(yīng)整定PID控制算法進(jìn)行控制。應(yīng)用模糊控制的最大的優(yōu)勢是不依賴被控對象的精確模型，并且能克服非線性兇素的影響，達(dá)到很好的控制效果。 自適應(yīng)模糊PID控制器設(shè)計 本設(shè)計的模糊推理思想是：根據(jù)不同時刻的誤差值e和誤差變化率值△e，對PI控制器的參數(shù)KP、 KI和KD進(jìn)行在線整定。其原理結(jié)構(gòu)由兩個部分組成即常規(guī)PID控制器部分和模糊控制的參數(shù)校正部分。 所示。 自整定模糊PID控制器原理框圖由原理框圖可知，給定量是k時刻應(yīng)達(dá)到的溫度值，即設(shè)定的該段溫度值，c(k)是k時刻實際測量溫度值，e(k)是k時刻輸入誤差信號，其PID控制器離散表現(xiàn)形式： 41針對電阻爐溫度控制，將采樣得到的溫度信號與系統(tǒng)的溫度設(shè)定值進(jìn)行比較，得到溫度誤差e、溫度誤差變化ec，根據(jù)電阻爐溫度變化實際情況參考上一章的模糊自整定PID控制器設(shè)計方法，將它們變化到模糊論域。溫度誤差e、溫度誤差變化ec和KP、 KI、KD的修正系數(shù)的模糊子集為e=ec＝{負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大}＝{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}ΔKP=ΔKI =ΔKD = {負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大}＝{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}并將溫度誤差e、溫度誤差變化ec的大小量化為13個等級，分別表示為6，5，4，3，2，1，0，1，2，3，4，5，6，則論域E和EC為E=EC={6，5，4，3，2，1，0，1，2，3，4，5，6}將ΔKP、ΔKI、ΔKD的大小量化為11個等級，ΔKP的論域為{，，，0，，，}。ΔKI、ΔKD的論域為｛，，，0，，，｝。，隸屬度函數(shù)按三角分布，三角函數(shù)解析式如42公式。 隸屬函數(shù)曲線 42模糊變量E、EC的賦值表如下表所示。 模糊變量E、EC的賦值表 模糊變量ΔKP的賦值 模糊變量ΔKI、ΔKD的賦值PID參數(shù)的整定需要考慮在不同時刻3個參數(shù)的作用以及相互之間的關(guān)系。對于脈沖熱壓加熱溫度的控制，由PID控制器3個參數(shù)的控制特點(diǎn)，被控過程對參數(shù)的自整定要求建立模糊控制規(guī)則表。 模糊控制規(guī)則表的建立 (1) Kp控制規(guī)則設(shè)計在PID控制器中，Kp值的選取決定于系統(tǒng)的響應(yīng)速度。增大Kp能提高響應(yīng)速度，減小穩(wěn)態(tài)誤差；但是，Kp值過大會產(chǎn)生較大的超調(diào)，甚至使系統(tǒng)不穩(wěn)定減小Kp可以減小超調(diào)，提高穩(wěn)定性，但Kp過小會減慢響應(yīng)速度，延長調(diào)節(jié)時間。因此，調(diào)節(jié)初期應(yīng)適當(dāng)取較大的Kp值以提高響應(yīng)速度，而在調(diào)節(jié)中期，Kp則取較小值，以使系統(tǒng)具有較小的超調(diào)并保證一定的響應(yīng)速度；而在調(diào)節(jié)過程后期再將Kp值調(diào)到較大值來減小靜差，提高控制精度。 Kp的控制規(guī)則（2） Ki控制規(guī)則設(shè)計　　在系統(tǒng)控制中，積分控制主要是用來消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。由于某些原因(如飽和非線性等)，積分過程有可能在調(diào)節(jié)過程的初期產(chǎn)生積分飽和，從而引起調(diào)節(jié)過程的較大超調(diào)。因此，在調(diào)節(jié)過程的初期，為防止積分飽和，其積分作用應(yīng)當(dāng)弱一些，甚至可以取零；而在調(diào)節(jié)中期，為了避免影響穩(wěn)定性，其積分作用應(yīng)該比較適中；最后在過程的后期，則應(yīng)增強(qiáng)積分作用，以減小調(diào)節(jié)靜差。依據(jù)以上分析。 Ki的模糊規(guī)則表(3) Kd控制規(guī)則設(shè)計　　微分環(huán)節(jié)的調(diào)整主要是針對大慣性過程引入的，微分環(huán)節(jié)系數(shù)的作用在于改變系統(tǒng)的動態(tài)特性。系統(tǒng)的微分環(huán)節(jié)系數(shù)能反映信號變化的趨勢，并能在偏差信號變化太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快響應(yīng)速度，減少調(diào)整時間，消除振蕩．最終改變系統(tǒng)的動態(tài)性能。因此，Kd值的選取對調(diào)節(jié)動態(tài)特性影響很大。Kd值過大，調(diào)節(jié)過程制動就會超前，致使調(diào)節(jié)時間過長；Kd值過小，調(diào)節(jié)過程制動就會落后，從而導(dǎo)致超調(diào)增加。根據(jù)實際過程經(jīng)驗，在調(diào)節(jié)初期，應(yīng)加大微分作用，這樣可得到較小甚至避免超調(diào)；而在中期，由于調(diào)節(jié)特性對Kd值的變化比較敏感，因此，Kd值應(yīng)適當(dāng)小一些并應(yīng)保持固定不變；然后在調(diào)節(jié)后期，Kd值應(yīng)減小，以減小被控過程的制動作用，進(jìn)而補(bǔ)償在調(diào)節(jié)過程初期由于Kd值較大所造成的調(diào)節(jié)過程的時間延長。依據(jù)以上分析。 Kd的模糊規(guī)則表 逆模糊化處理及輸出量的計算　　對經(jīng)過模糊控制規(guī)則表求得的Kp、Ki、Kd采用重心法進(jìn)行逆模糊化處理(重心法在此就不做詳細(xì)介紹)的公式如下： 43式中，u(k)為k采樣周期時的輸出，e(k)為k采樣周期時的偏差，T為采樣周期，通過輸出u(k)乘以相應(yīng)的比例因子Ku就可得出精確的輸出量u。其公式如下： 44 模糊PID流程框圖 模糊PID控制加熱流程圖 抗干擾措施在實際的生產(chǎn)中，由于系統(tǒng)運(yùn)行的外界環(huán)境條件和系統(tǒng)內(nèi)部自身產(chǎn)生的故障，如環(huán)境溫度的異常、電磁干擾、機(jī)械的沖擊和振動、元器件的失效、短路等等，微機(jī)控制系統(tǒng)能否在工業(yè)現(xiàn)場穩(wěn)定可靠運(yùn)行，關(guān)鍵在于抗干擾能力強(qiáng)弱。本系統(tǒng)為了提高系統(tǒng)的可靠性采用了一系列的抗干擾措施：(1)接地技術(shù)計算機(jī)控制系統(tǒng)恰當(dāng)?shù)慕拥厥且种聘蓴_的有效措施之一，接地既可以抑制干擾，使計算機(jī)穩(wěn)定可靠，又可以保護(hù)計算機(jī)機(jī)器設(shè)備和操作人員的安全。(2)屏蔽技術(shù)屏蔽一般分為三種：靜電屏蔽、磁屏蔽和電磁屏蔽?？沟皖l電磁波干擾的最有效方法是選用高導(dǎo)磁材料的屏蔽體；屏蔽電場或輻射場時，選銅、鋁、鋼等電導(dǎo)率高的材料作屏蔽體；選用磁鋼、坡莫合金鐵等導(dǎo)磁率高的材料屏蔽低頻磁場；選用電導(dǎo)率高的銅、鋁屏蔽高頻磁場。(3)隔離技術(shù)隔離分為兩類：空間隔離和器件性隔離。空間隔離大多指屏蔽技術(shù)的延伸和功能部件之間的合理布局。器件性隔離中的光電耦合器是智能儀表中常用的器件，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。光電隔離可以切斷公共阻抗環(huán)路，避免長線感應(yīng)和共模干擾，較長的信號傳輸線可采用屏蔽與光電耦合配合使用的方法。(4)濾波技術(shù)以往大多是采用硬件進(jìn)行濾波，但隨著計算機(jī)處理技術(shù)的發(fā)展以及在測量儀表中的應(yīng)用，同時為了簡化硬件，逐漸采用了軟件算法的數(shù)字濾波方法。數(shù)字濾波可以抑制有效信號中的干擾成分，消除隨機(jī)誤差，同時對信號進(jìn)行必要的平滑處理，以保證測得的數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，由此，近年來數(shù)字濾波受到相當(dāng)?shù)闹匾?，得到了廣泛的應(yīng)用。除了采用上述一般抗干擾措施，本系統(tǒng)還采用了如下一些措施：(1) 使用固態(tài)繼電器，其內(nèi)部可控硅采用過零觸發(fā)導(dǎo)通非移相方式，輸出了完 整正弦波，這本身就減少了干擾。(2) 系統(tǒng)有硬件故障自診斷程序，并有上電自檢、定時自檢、鍵控自檢3種工作方式。它能自動診斷指令系統(tǒng)、片內(nèi)RAM、定時器、中斷系統(tǒng)、片外RAM/EPROM及I/O通道等故障。(3) 系統(tǒng)還能檢查溫度超限及升溫速度不符要求等故障。出現(xiàn)故障后，自動進(jìn)行聲光報警及自動/手動轉(zhuǎn)換。 結(jié)論 本系統(tǒng)主要提出了一種基于模糊的自適應(yīng)PID控制原理的脈沖熱壓機(jī)的溫度控制系統(tǒng)，設(shè)計了系統(tǒng)的硬件電路，給出了數(shù)據(jù)處理的方法、軟件流程。本課題主要完成了以下幾方面的工作：(1) 為了達(dá)到滿意的控制效果，研究具有在線學(xué)習(xí)功能的控制算法。(2) 根據(jù)脈沖熱壓的控制特點(diǎn)，提出模糊自整定PID控制原理，并以此為理論基礎(chǔ)結(jié)合應(yīng)用設(shè)計了靈活性較高的智能控制器。以此智能控制器為主體的脈沖熱壓溫度控制系統(tǒng)的控制精度可達(dá)5％，并在出現(xiàn)故障時可以保存數(shù)據(jù)發(fā)出報警信號。(3) 設(shè)計了熱電偶溫度檢測電路，兩路熱電偶檢測信號融合后由控制算法得到固態(tài)繼電器工作方式的可控硅過零觸發(fā)調(diào)功控溫方式的觸發(fā)電壓?？煽毓枋褂霉怆姼綦x過零觸發(fā)雙向晶閘管驅(qū)動器，消除了多方面的環(huán)境條件影響。(4) 單片機(jī)與上位機(jī)的串行通信，增強(qiáng)了檢測系統(tǒng)的智能性與交互性。(5) 研究熱處理件的透燒檢測判據(jù)，控制制件的奧氏體化及組織均勻化的程度和狀態(tài)。本課題將模糊、自適應(yīng)、PID控制三者結(jié)合起來，根據(jù)脈沖的實時特性在線調(diào)整整定PID參數(shù)，提高了系統(tǒng)的控制