【導(dǎo)讀】測(cè)量溫度，并把溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成熱電動(dòng)勢(shì)信號(hào)。各種熱電偶的外形常因需。保護(hù)管和接線盒等主要部分組成。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。溫度值，最后用模糊算法實(shí)現(xiàn)控溫器對(duì)環(huán)境溫度的控制。

　　

【正文】 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。初始化程序初值 en1 =en2=0 通過(guò)采樣并根據(jù)參數(shù) Kp KD K1 以及 en， en1，en2 計(jì)算 △ un。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。 由于電阻爐一般是屬于一階對(duì)象和滯后的一階對(duì)象，式中 Kp KD K1 的選擇取決于電熱絲的階躍響應(yīng)曲線和實(shí)際經(jīng)驗(yàn) ， 設(shè)計(jì)采用 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 22 Ziegler— Nichols 提出的 PID 歸一調(diào)整法 ， 調(diào)整參數(shù) ， 主要是減少在線整定參數(shù)的數(shù)目，人為假定約束條件 ， 以減少獨(dú)立變量的個(gè)數(shù) ， 令 ：T1=， TD= 式中 TU 稱(chēng)為臨界周期。 PID 算法 的程序設(shè)計(jì) PID控制程序如下 : PI： MOV A， 29H ； e(n) CLR C SUBB A， 2AH ； e(n)e(n1) MOV B， 25H ； KP LCALL MULTS ； KP [e(n)e(n1)] MOV R4， A MOV R3， B ；暫存于 R3R4 MOV A， 29H ； e(n) MOV A， 26H ； KI LCALL MULTS ； KI e(n) ADD A， R4 MOV R4， A MOV A， B ADDC A， R3 MOV R3， A ； R3R4= KP [e(n)e(n1)]+ KI e(n) RET MULTS： CLR F0 ；置 e(n)符號(hào)標(biāo)志位 正 JNB ， MUL1 SETB F0 ；置 e(n)符號(hào)標(biāo) 志位 負(fù) CPL A INC A ；取絕對(duì)值 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 23 MUL1： MUL AB JNB F0， MUL2 CPL A ADD A， 1 MOV R2， A MOV A， B CPL A ADDC A， 0 MOV B， A MOV A， R2 ；還原為補(bǔ)碼 MUL2： RET 本章小結(jié) 本章首先描述了控溫器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，然都詳細(xì)設(shè)計(jì)了各主要部分的功能。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)。 此外，本章還對(duì)電磁干擾源的分類(lèi)做了簡(jiǎn)單說(shuō)明，最后討論并設(shè)計(jì)了幾種常用的抗電磁干擾的方法。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 24 第 4 章 熱電偶溫度控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 上位機(jī)作為整個(gè)控溫器的控制中心，其軟件設(shè)計(jì)也將是整個(gè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的核心。本章將就上位機(jī)的軟件進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。以實(shí)現(xiàn)精確控溫的目的。 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。確定了溫度控制范圍后，通過(guò)軟件控制選通電路，使第一路熱電信號(hào)處于選通狀態(tài)，即開(kāi)始對(duì)第一路采集到的溫度信號(hào)電壓值進(jìn)行信號(hào)調(diào)理放大處理。放大后的信號(hào)在 A/D 轉(zhuǎn)換芯片對(duì)模擬小信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后存入中央處理器。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。數(shù)字信號(hào)處理的內(nèi)容包括數(shù)字濾波和插值法求解溫度值。將求得的溫度值與控溫范圍進(jìn)行比較，判斷測(cè)量的環(huán)境溫度是否超出允許范圍，超出允許范圍則控制控溫電路對(duì)溫度進(jìn)行控制并控制報(bào)警電路進(jìn)行報(bào)警 。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。然后進(jìn)行下一循環(huán)溫度測(cè)量與控制，直至接到退出命令。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。 系統(tǒng)初始化后，即開(kāi)始確定控溫范圍?？販胤秶菧囟缺O(jiān)控必須要達(dá)到的溫度范圍?？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。例如，若控溫范圍為某一溫度值如 50℃177。1℃則取 50℃ 177?！?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。這樣，利用目標(biāo)控溫范圍與要求控溫范圍的差距來(lái)彌補(bǔ)溫度控制過(guò)程的滯后性，減小控溫誤差。 控溫器軟件總體方案如圖 41 所示。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 25 開(kāi) 始設(shè) 置 控 溫范 圍信 號(hào) 采 樣A / D 轉(zhuǎn) 換單 片 機(jī)數(shù) 字 濾 波求 解 溫 度值信 號(hào) 選 通是 否 超出 范 圍數(shù) 據(jù) 顯 示數(shù) 據(jù) 儲(chǔ) 存是 否 結(jié)束結(jié) 束模 糊 控 制下 一 循 環(huán)溫 度 測(cè) 量是是否否 圖 41 控溫器軟件總體結(jié)圖 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 26 查表法和插值法相結(jié)合求解溫度值 在工程實(shí)踐中，通常采用查表法和線性插值法相結(jié)合的方法求解溫值。所謂查表法是指事先根據(jù)熱電偶的溫度特性，制作相應(yīng)的溫度 — 熱電勢(shì)關(guān)系表格，在軟件設(shè)計(jì)時(shí)將該表格事先存入內(nèi)存中供實(shí)時(shí)查表使用。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。為此，本設(shè)計(jì)中采用線性插值法相結(jié)合的方法來(lái)求解溫度值。此方法同樣是采用查表法的工作原理，將整個(gè)溫度區(qū)間等分成若干段，每段端點(diǎn)的值查表求出，兩相鄰端點(diǎn)間的曲線用直線擬合。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。查表法采用對(duì)分查表法，既節(jié)省機(jī)時(shí)有無(wú)需太多要求。 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)。熱電勢(shì)是溫度函數(shù)的差，經(jīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在冷端溫度固定的情況下，熱電勢(shì)和工作端的溫度關(guān)系呈現(xiàn)一定的正比例關(guān)系，但并不是完全線性的，因此不能利用線性函數(shù)求解溫度值，必須進(jìn)行線性化處理 . 熱電勢(shì)是溫度函數(shù)的差，經(jīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在冷端溫度固定的情況下，熱電勢(shì)和工作端的溫度關(guān)系呈現(xiàn)一定的正比例關(guān)系，但并不是完全線性的，因此不能利用線性函數(shù)求解溫度值，必須進(jìn)行線性化處理。 數(shù)字濾波 數(shù)字 濾波 （ digital filtering） 是指 用數(shù)字設(shè)備，通過(guò)一定的算法，對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，將某個(gè)頻段的信號(hào)進(jìn)行濾除，得到新的信號(hào)的這一過(guò)程。 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。經(jīng)典濾波器就是假定輸入信號(hào) x(n)中的有用成分和希望濾除成分分別位于不同的頻帶，因而我們通過(guò)一個(gè)線性系統(tǒng)就可以對(duì)噪聲進(jìn)行濾除，如果噪聲和信號(hào)的頻 然后求其平均值，這種方法可以有效的消除 周期性的干擾。同樣，這種方法還可以推廣成為連續(xù)幾個(gè)周期進(jìn)行平均。 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。在實(shí)際使用時(shí)，排序的周期的數(shù)量要選擇適當(dāng)，如果選擇過(guò)小，可能起不到去除干擾的作用，選擇的數(shù)量過(guò)大，會(huì)造成 采樣數(shù)據(jù) 的時(shí)延過(guò)大，造成系統(tǒng)性能變差。 公式為 Yk =QXk+(1Q)Yk1 截止頻率為 f=K/2πT。這種濾波方式相當(dāng)于使采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)一次低通濾波器。來(lái)自線現(xiàn)場(chǎng)的的往往是 420mA信號(hào)，它的變化一般比較緩慢，而干擾一般帶有突發(fā)性的特點(diǎn)，變化頻率較高，而低通濾波器就可以濾除這種干擾，這就是低通濾波的原理。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。 滑動(dòng)濾波法是從一階低通濾波法推廣過(guò)來(lái)的，原理是信號(hào)不會(huì)出現(xiàn)突變，這種方法也有其局限性，所有的信號(hào)的突變都看作干擾。但這種方式可以應(yīng)用在一些比較特殊的場(chǎng)合，使用時(shí)相 應(yīng)的 數(shù)據(jù)處理 過(guò)程也要做變化，比如 PID 的參數(shù)。滑動(dòng)濾波法的公式是： Yn=Q1Xn+Q2Xn1+Q3Xn2，其中 Q1 + Q2+ Q3 =1 且 Q1 Q2 Q3。 模糊控制算法 模糊邏輯控制 (Fuzzy Logic Control)簡(jiǎn)稱(chēng)模糊控制 (Fuzzy Control)，是以模糊集合論、模糊語(yǔ)言變量和模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種計(jì)算機(jī)數(shù)字控制技術(shù)。 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。 1974 年，英國(guó)的 首先用模糊控制語(yǔ)句組成模糊控制器，并把它應(yīng)用于鍋爐和蒸汽機(jī)的控制，在實(shí)驗(yàn)室獲得成功。這一開(kāi)拓性的工作標(biāo)志著模糊控制論的誕生。 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。模糊控制的一大特點(diǎn)是既具有系統(tǒng)化的理論，又有著大量實(shí)際應(yīng)用背景。模糊控制的發(fā)展最初在西方遇到了較大的阻力；然而在東方尤其是在日本，卻得到了迅速而廣泛的推廣應(yīng)用。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。其典型應(yīng)用的例子涉及生產(chǎn)和生活的許多方面，例如在家用電器設(shè)備中有模糊洗衣機(jī)、空調(diào)、微波爐、吸塵器、照相機(jī)和攝錄機(jī)等；在工業(yè)控制領(lǐng)域中有水凈化處理、發(fā)酵過(guò)程、化學(xué)反應(yīng)釜、水泥窯爐等的模糊控制；在專(zhuān)用系統(tǒng)和其它方面有地鐵靠站停車(chē)、汽車(chē)駕駛、電梯、 自動(dòng)扶梯 、蒸汽引擎以及機(jī)器人的模糊控制等 。 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。 ，模糊控制器不必對(duì)被控制對(duì)象建立完整的數(shù)學(xué)模式。 ，使得操作人員易于使用自然語(yǔ)言自然語(yǔ)言進(jìn)行人機(jī)對(duì)話。 、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)。 而其缺點(diǎn)是： ，這對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的控制是難以奏效的。所以如何建立一套系統(tǒng)的模糊控制理論，以解決模糊控制的機(jī)理、穩(wěn)定性分析、系統(tǒng)化設(shè)計(jì)方法等一系列問(wèn)題； ，這完全憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行； 。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。 本章小結(jié) 本章首先構(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。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)。利用數(shù)字濾波技哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 29 術(shù)進(jìn)一步濾除濾波硬件電路沒(méi)有濾掉的干擾信號(hào)；利用查表法和插值法相結(jié)合的方法求解溫度值；利用模糊控制算法實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境溫度的控制。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 30 結(jié)論 本文通過(guò)對(duì)熱電偶測(cè)量溫度的基礎(chǔ)理論基礎(chǔ)原理出發(fā)，以單片機(jī)AT89S52 芯片為核心元件，設(shè)計(jì)了測(cè)溫控溫電路，討論了控溫系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)及流程，在抗電磁干擾方面，也做了 詳細(xì)的闡述與說(shuō)明。 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