【導(dǎo)讀】小、功能強、性價比高等特點，把單片機應(yīng)用于溫度控制中，采用單片機做主控單元，無觸點控制，可完成對溫度的采集和控制的要求。所以廣泛應(yīng)用于電子儀表、家用電。品的功能和質(zhì)量，又降低了成本，簡化了設(shè)計。本文主要介紹單片機在熱處理爐溫度?？刂浦械膽?yīng)用，對溫度控制模塊的組成及主要所選器件進行了詳細的介紹。體的要求本文編寫了適合本設(shè)計的軟件程序。溫度控制在熱處理工藝過程中,是一個非常重要的環(huán)節(jié)?？刂凭戎苯佑绊懼a(chǎn)。本文研究的電爐是一種具有純滯后的大慣性系統(tǒng)，傳統(tǒng)的加熱爐控制。系統(tǒng)大多建立在一定的模型基礎(chǔ)上，難以保證加熱工藝要求。因此本文將模糊控制算。法引入傳統(tǒng)的加熱爐控制系統(tǒng)構(gòu)成智能模糊控制系統(tǒng)。單片機系統(tǒng)包括89C51單片機、橋式冷端補償電路、并行。具體方法是使用鎳鉻/鎳鋁熱電偶進行溫度數(shù)據(jù)采集，經(jīng)過放大和濾波電。信號控制繼電器通斷。本設(shè)計適用于O-1000℃的溫度范圍并詳細闡述了具體的處理方

　　

【正文】 若 Vxmax=+200mV，則 R1=28KΩ。外接失調(diào)補償電容固定為 。外接時鐘電阻 Rc=470KΩ時， fLCK≈ 66KHz。當 Rc=200KΩ時， fLCK=140KHz。實際電路中一般取 Rc=300KΩ。 圖 49外部連接電路 溫度控制模塊設(shè)計 溫度控制系統(tǒng)我們采用模糊自整定 PID 控制系統(tǒng)。 模糊自整定 PID 控制是在一般 PID 控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，加上一個模糊控制規(guī)則環(huán)節(jié)，利用模糊控制規(guī)則在線對 PID 參數(shù)進行修改的一種自適應(yīng)控制系統(tǒng)。它以誤差 e 和誤差變化 ec 作為輸入，可以滿足不同時刻的 e 和 ec 對參數(shù)自整定的要求。它將模糊控制和 PID 控制器兩者結(jié)合起來，揚長避短，既具有模糊控制靈活而適應(yīng)性強的優(yōu)點，又具有 PID 控制精度東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 系統(tǒng)硬件電 路的模塊設(shè)計 18 高的特點，對復(fù)雜控制系統(tǒng)和高精度伺服系統(tǒng)具有良好的控制效果。 PID 控制器的發(fā)展現(xiàn)狀 在過去的 50 年，調(diào)節(jié) PID 控制器參數(shù)的方法獲得了極大的發(fā)展。其中有利用開環(huán)階躍響應(yīng)信息，如 CoonCohen 響應(yīng)曲線法；還有使用 Nyquist 曲線法的，如ZieglerNichols 連續(xù)響應(yīng)法。然而這些調(diào)節(jié)方法只識別了系統(tǒng)動態(tài)信息的一小部分，不能理想的調(diào)節(jié)參 數(shù)。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，人們利用人工智能的方法將操作人員的調(diào)整經(jīng)驗作為知識存入計算機中，根據(jù)現(xiàn)場實際情況，計算機能自動調(diào)整 PID 參數(shù)。這樣能實現(xiàn)自動調(diào)整、短的整定時間、簡便的操作，改善響應(yīng)特性而推動了自整定 PID 控制技術(shù)的發(fā)展。 自整定技術(shù)可追溯到 50 年代自適應(yīng)控制處于萌芽時期， 60 年代國外有人設(shè)計了一種自動調(diào)節(jié)式的過程控制器，因其價格高、體積大、可靠性差而未能商品化。 80 年代由于適用的控制理論的完善以及高性能微機的使用，才使得自整定控制器得以開發(fā)， PID 控制器參數(shù)的自動整定技術(shù)設(shè)想已慢慢 實現(xiàn)。 電爐溫度控制技術(shù)發(fā)展日新月異，從模擬 PID、數(shù)字 PID 到最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制，再發(fā)展到智能控制，每一步都使控制的性能得到了改善。在現(xiàn)有的電加熱爐溫度控制方案中， PID 控制和模糊控制應(yīng)用最多，也最具代表性。 PID 控制原理及特點 ，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為 :比例、積分、微分控制，簡稱 PID 控制，又稱 PID 調(diào)節(jié)。 PID 控制器問世至今已有近 70 年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得 不到精確的數(shù)學(xué)模型時，控制理論的其它技術(shù)難以采用時，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時應(yīng)用 PID 控制技術(shù)最為方便。即當我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象，或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時，最適合用 PID 控制技術(shù)。 PID 控制，實際中也有 PI 和 PD 控制。 PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制的。 ①比例 (P)控制。 比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系。 當僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差 (setdayastteemrr)。 ②積分 (I)控制。 在積分控 制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關(guān)系。對一個自動控系統(tǒng)，如果在進入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng) (Sysetmwihtsetdya 一 saettError)。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項”。積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。這樣，東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 系統(tǒng)硬件電 路的模塊設(shè)計 19 即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減小，直到等于零。因此，比例 +積分口 D 控制器，可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無 態(tài)誤差。 ③微分 (D)控制。 在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分 (即誤差的變化率 )成正比系。自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于在有較大慣性組件 (環(huán)節(jié) )或有滯后 d(el 動組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前方，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說，在控制器中僅引入， Lt 比例 ”項往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項”，它能預(yù)測誤差化的趨勢，這樣，具有比例 +微 分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負值，從而避免了被控量的嚴重超調(diào)。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，例 +微分 (PD)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)特性。 (441) ，可以根據(jù)受控對象的特性和控制的性能要求，控制組合，構(gòu)成 :比例 (P)控制器 (442) 比如十積分（ PI）控制器 (443) 比如十積分十微分（ PID）控制器 (444) 其中 —— 比例放大系數(shù)； —— 積分時間； —— 微分時間 PID 的三個參數(shù)中，比例控制 （ P） 能迅速反映誤差，從而減少誤差，但比例控制不能消除穩(wěn)態(tài)誤差， 的加大，會引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。積分控制（ I） 的作用是，要系統(tǒng)存在誤差，積分控制作用就不斷的累積，輸出控制量以消除誤差，因而，只要足夠的時間，積分控制將能完全消除誤差，積分作用太強會使系統(tǒng)超調(diào)過大，甚至使統(tǒng)出現(xiàn)震蕩。微分控制 (D)可以減少超調(diào)量，克服震蕩，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性提高，同時加快系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度，減少調(diào)整時間，從而改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。 東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 系統(tǒng)硬件電 路的模塊設(shè)計 20 PID 控制屬于常規(guī)的控制技術(shù)，在當今社會，隨著計算機技術(shù)的廣泛發(fā)展，許多復(fù)雜的控制技術(shù)正在研究當中。這些復(fù)雜的控制技術(shù)有純滯后控制技術(shù) :施密斯 (Smith)預(yù)估控制、達林 (Dahlni)算法 :串級控制技術(shù) :前饋一后饋控制技術(shù) :解禍控制技術(shù)和模糊控制技術(shù)等。實際運行的經(jīng)驗和理論分析都表明，運用這種控制規(guī)律對許多工業(yè)過程進行控制時，都能得到滿意的效果。不過，用計算機實現(xiàn) P 功控制，不是簡單的把模擬 P 功 控制規(guī)律數(shù)字化，而是進一步與計算機的邏輯判斷功能相結(jié)合，使 PID 控制更加靈活，更能滿足生產(chǎn)過程提出的要求。 控制器的參數(shù)整定。 PID 控制 器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計的核心內(nèi)容。它是根據(jù)被控過程的特性確定 PID 控制器的比例系數(shù)、積分時間和微分時間的大小。 PID 控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來有兩大類 :一是理論計算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過理論計算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過工程實際進行調(diào)整和修改。二是工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗，直接在控制系 統(tǒng)的試驗中進行，并且方法簡單、易于掌握，在工程實際中被廣泛采用。 PID 控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線法和衰減法。三種 方法各有其特點，其共同點都是通過試驗，然后按照工程經(jīng)驗公式對控制器參數(shù)進行整定。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需要在實際運行中進行最后調(diào)整與完善?，F(xiàn)在一般采用的是臨界比例法。利用該方法進行 PID 控制器參數(shù)的整定步驟如下 :(1)首先預(yù)選擇一個足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作 。(2)僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時的比例放大系數(shù)和臨 界振蕩周期 。(3)在一定的控制度下通過公式計算得到 PID 控制器的參數(shù) 模糊 PID 控制 模糊控制的概念是由美國加利福尼亞大學(xué)著名教授 首先提出的，經(jīng)過20 多年的發(fā)展，模糊控制取得了矚目的成就。模糊控制適用于非線性、數(shù)學(xué)模型不確定的控制對象，對被控對象的時滯非線性和時變性具有一定的適應(yīng)能力，同時對噪聲也有較強的抑制作用，即魯棒性較好。但模糊控制器本身消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的性能比較差，難以達到較高的控制精度。而 PID 控制正好可以彌補其不足，近年來已有不少將模糊技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)結(jié)合起 來設(shè)計模糊邏輯控制的先例。在文獻中介紹了多種能提高 PID 控制精度的模糊 PID 混合控制方案，例如：引入積分因子的模糊 PID 控制器；混合型模糊 PID 控制器；另外將其與其它先進控制技術(shù)結(jié)合又有模糊自適應(yīng) PID 控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊 PID 控制等。 東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 系統(tǒng)硬件電 路的模塊設(shè)計 21 圖 410 模糊自整定 PID 控制 電爐采用模糊自整定 PID 控制的可行性 在工業(yè)生產(chǎn)過程中，電爐隨著負荷變化或干擾因素的影響，其對象特性或結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。電爐溫控具有升溫單向性、大時滯和時變的特點，如升溫靠電阻絲加熱，降溫依靠自然冷卻， 溫度超調(diào)后調(diào)整慢，因此用傳統(tǒng)的控制方法難以得到更好的控制效果。另外對于 PID 控制，若條件稍有變化，則控制參數(shù)也需調(diào)整。自適應(yīng)控制運用現(xiàn)代控制理論在線辨識對象特征參數(shù)，實時改變其控制策略，使控制系統(tǒng)指標保持在最佳范圍內(nèi)。但由于操作者經(jīng)驗不易精確描述，控制過程中各種信號量以及評價指標不易定量表示，而模糊理論正是解決這一問題的有效途徑。 人們運用模糊數(shù)學(xué)的基本理論和方法，把規(guī)則的條件操作用模糊集表示并把這些模糊控制規(guī)則及有關(guān)信息 (如評價指標、初始 PID 參數(shù)等 )作為知識存入計算機知識庫中，然后計算機根據(jù)控制 系統(tǒng)的實際響應(yīng)情況運用模糊推理，實現(xiàn)自動對 PID 參數(shù)的最佳調(diào)整。 從以上的分析可知模糊自整定 PID 控制應(yīng)用在具有明顯的純滯后、非線性、參數(shù)時變類似于電爐這樣特點的控制對象可以獲得很好的控制性能。大量的理論研究和實踐也充分證明了用模糊自整定 PID 控制電爐溫度是一非常好的解決方法。它不僅能發(fā)揮模糊控制的魯棒性好、動態(tài)響應(yīng)好、上升時間快和超調(diào)小的特點，又具有 PID 控制器的動態(tài)跟蹤品質(zhì)和穩(wěn)態(tài)精度。因此在溫度控制器設(shè)計中，采用 PID 參數(shù)模糊自整定復(fù)合控制，實現(xiàn) PID 參數(shù)的在線自調(diào)整功能，可以進 一步完善 PID 控制的自適應(yīng)性能，在實際應(yīng)用中也取得了較好的效果 。 模糊推理機的結(jié)構(gòu) 在一般的模糊控制系統(tǒng)中，考慮到模糊控制器實現(xiàn)的簡易性和快速性，通常采用二維模糊控制器結(jié)構(gòu)形式。這類控制器都是以系統(tǒng)誤差 E 和誤差變化率 EC 為輸入語句變量，基本模糊控制器構(gòu)成原理圖如圖 411 所示。 東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 系統(tǒng)硬件電 路的模塊設(shè)計 22 圖 411 基本模糊控制器結(jié)構(gòu)原理圖 圖中： EK、 CEK、 UK 是量因子； ?E 、 ?EC 、 ?U 差 e、誤差變化率 ec 及控制量 u的模糊語言變量； E、 EC、 U 分別是與 e、 ec 及 u 成比例的變量，其中 E = EK e， EC= CEK ec ， U =u/ UK 。 模糊自整定 PID 控制算法 針對電爐溫度控制，將采樣得到的溫度信號與系統(tǒng)的溫度設(shè)定值進行比較，得到溫度誤差 E、溫度誤差變化 EC，根據(jù)電爐溫度變化實際情況參考前面的模糊自整定PID 控制器設(shè)計方法，將它們變化到模糊論域。 模糊變量 E 、 EC 的賦值表如下表所示。 表 43 模糊變量 E、 EC的賦值表 鍵盤與顯示電路 模塊 對于 AT89C51 型單片機來說，如果不再外擴程序存儲器的話，則可以利用 P0～P2 口中的任意兩個口構(gòu)成多 達 8*8 的鍵盤，其中 1 個作為輸出口， 1 個作為輸入口，既可以采用掃描法，也可以采用線反轉(zhuǎn)法。如果單片機本身的口線已被占用的話，則可以通過外擴 I/O 接口芯片來構(gòu)成鍵盤借口電路，較常用的是 815 8255A 等接口芯片 。 東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 系統(tǒng)硬件電 路的模塊設(shè)計 23 在本次的畢業(yè)設(shè)計中。其中顯示器 由 5 個 LED 數(shù)碼管組成，顯示當前溫度的前 5位， 8155 接口芯片構(gòu)成 2*2 鍵盤的接口電路，其中 B 口為輸入，作為行線； C 口為輸出，作為列線。 3 個按鍵的功能分別是 開機、復(fù)位，運行。 Intel 8155 是一種多功能的可編程的可編程接口芯片，它具有 3 個可編程 I/O（ A 口和 B 口是 8 位， C 口是 6位）、 1 個可編程定時器 /計數(shù)器和 256B 的 RAM，能方便地進行 I/O 擴展和 RAM 擴展 。 8155 的控制字 8155 的 I/O 接口的工作方式選擇是通過對 8155 內(nèi)部寄存器送命令來實現(xiàn)的，命令寄存器由 8 位鎖存器組成，只能寫入、不能讀出。命令字每位的定義如下所示： AINTR： A 口中斷請求信號 ABF： B 口緩沖器信號 ASTB： A 口選通信號 BINTR： B 口中斷請求信號 BBF： B 口緩沖滿信號 BSTB： B 口選通信號 8155 的狀態(tài)寄存器口地址和命令寄存器相同。與控制字相反，狀態(tài)字寄存器只能讀出、不能寫入，其格式及定義如圖 412， 413 所示：