【正文】 ℃ 度以內(nèi)。通過應(yīng)用所學(xué)的控制理論對實際被控對象進(jìn)行控制，對原來頭腦中一些不清晰的、理解的不透徹的概念的物理意義有了清楚的認(rèn)識，使我對控制理論的理解更加深入。尤其是課題要求不僅僅停留在原理設(shè)計上，而要求研制出可以實際應(yīng)用到工業(yè)控制現(xiàn)場的溫度控制系統(tǒng)，對我來說更是一次挑戰(zhàn)。整個課題分為三個步驟完成：建立控制系統(tǒng)的硬件平臺；分析燙刀受熱溫度變化特性，然后選擇控制算法；完成控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計。 東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 結(jié)論 27 結(jié)論 溫度控制對于小到人們的日常生活、大到鋼鐵等大型工業(yè)生產(chǎn)過程都具有廣闊的應(yīng)用前景，目前我國的溫度控制主要以傳統(tǒng)的控制方式為主。在系統(tǒng)硬件設(shè)計時，充分發(fā)揮智能單片機 89C52 優(yōu)勢，利用其集成的外設(shè)裝置，簡化電路設(shè)計。系統(tǒng)設(shè)計時所選用的 89C52 單片機自帶監(jiān)視定時器，可以使單片機程 序在受到干擾而產(chǎn)生混亂時能夠自動復(fù)位。 對于地線干擾采取的措施是：低頻電路中接地電路形成的回路對干擾影響較大，所以低頻電路應(yīng)采用一點接地的方式；為在輸入和輸出之間不形成回路，采用光電隔離器件隔離輸入和輸出。 抗干擾措施 對于電源干擾采取的措施是：用低通濾波器抑制交流電源線上引入的高頻干擾；用隔離變壓器在其原副邊之間加靜電屏蔽層；數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片采用雙積分型，且時鐘頻率是工頻的整數(shù)倍，用以減小工頻干擾。良好的接地可以在很大程度上抑制內(nèi)部噪聲耦合，防止外部干擾的入侵，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。 3）接地干擾。如果電路板的結(jié)構(gòu)安排和元件布置的不合理，也會產(chǎn)生干擾問題。直流干擾一般是直流電源本身以及負(fù)載的變換引起 18 的，其形式為電源濾波性能不好，直流紋波較大，電源內(nèi)阻太大，電源動態(tài)響應(yīng)速度 低而使得負(fù)載變換時在各元件之間引起交叉干擾。這些干擾的頻帶一般為數(shù)百赫茲到兆赫茲以上，干擾電壓峰值可達(dá)到幾百伏到上千伏，當(dāng)這些干擾從電源系統(tǒng)進(jìn)入下位機后，可能會使智能終端工作產(chǎn)生錯誤甚至毀壞智能終端電路；另一種是引線所載的50HZ 工頻電壓在一定條件下成為電路的低頻干擾信號。交流干擾主要來自工頻交流電網(wǎng)，有兩種類型：一種是以交流電源引線作為介質(zhì)傳播電網(wǎng)中的高頻干擾信號。干擾主要來自空間及配電系統(tǒng)，常見的干擾： 1）電源干擾。 硬件抗干擾措施 干擾來源分類 在工業(yè)現(xiàn)場，生產(chǎn)環(huán)境往往比較惡劣，干擾比較多。該片功耗低、性能可靠 ，寫入次數(shù)可達(dá)百萬次，數(shù)據(jù)保存時間 100 年，工作電壓范圍很寬。電擦除可編程 E2PROM 能在計算機系統(tǒng)中進(jìn)行在線修改，并能在斷電的情況下保持修改結(jié)果，尤其是串行 E2PROM，硬件接口非常簡單，具有很大的靈活性，在被測數(shù)據(jù)需東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 控制系統(tǒng)硬件實現(xiàn) 25 要隨機保存而又頻繁掉電的場合已成為首選器件。該轉(zhuǎn)換器體積小，無需外部供電，自動數(shù)據(jù)流控制，具有隔離及故障自保護(hù)功能，當(dāng)某一下位機終端出現(xiàn)問題時不影響網(wǎng)絡(luò)其它節(jié)點正常通訊；只需 TXD、 RXD、 GND 三根信號線，完成數(shù)據(jù)收發(fā)功能。所以在實現(xiàn)上下位機串行通訊時，還要進(jìn)行 RS232/RS485 電平的轉(zhuǎn)換。6N137 光電隔離器在線路中還有隔離電壓沖擊及噪聲串?dāng)_的作用。如圖 45 所示， 6N137 將輸入和輸出兩部分間的地線分開，各自使用一套電源供電。圖中另外兩個芯片 B05051W和 6N137 在此的主要功能是抗干擾。 實際通訊電路 溫度控制系統(tǒng)的通訊接口電路如圖 44所示。利用 89C52 單片機本身所提供的簡單串行接口，加上總線驅(qū)動器 MAX485 可組合成簡單的 RS485 通訊網(wǎng)絡(luò)。 89C52 內(nèi)部有一個可編程的全雙工串行接口，利用它和 PC 機組成一個集散式控制系統(tǒng)，將現(xiàn)場的所有控制器統(tǒng)一管理起來。 RS485接口在總線上允許連接多達(dá) 128個收發(fā)器，即具有多站能力，這樣用戶可以利用單一的 RS485 接口方便地建立設(shè)備網(wǎng)絡(luò)，最大傳輸距離約為 1219 米。串行通訊要遵循一定的電氣和物理標(biāo)準(zhǔn)，目前廣泛使用的串行數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)有 RS23 RS422 與 RS485三種： 1） RS232 是為點對點 (即只用一對收、發(fā)設(shè)備 )通訊而設(shè)計的，其傳送距離最大為約 15 米最高速率為 20kb/s，因與 TTL 電平不兼容故需使用電平轉(zhuǎn)換電路方能與 TTL 電路連接。 性能說明 ⑴ 與 MCS51 兼容 ⑵ 8K 字節(jié)可編程閃爍存儲器 壽命： 1000 寫 /擦循環(huán) 數(shù)據(jù)保留時間： 10 年 ⑶ 全靜態(tài)工作： 0Hz24Hz ⑷ 三級 程序存儲器鎖定 ⑸ 256*8 位內(nèi)部 RAM ⑹ 32 可編程 I/O 線 ⑺ 兩個 16 位定時器 /計數(shù)器 東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 控制系統(tǒng)硬件實現(xiàn) 23 ⑻一個數(shù)據(jù)指針 DPTR ⑼ 8個中斷源 ⑽ 可編程 全雙工 串行通道 ⑾ 低功耗的閑置和掉電模式 ⑿ 片內(nèi)振蕩器和時鐘電路 通訊電路設(shè)計 通訊標(biāo)準(zhǔn)選擇 數(shù)據(jù)通訊是通過通訊接口來實現(xiàn)的，通訊接口按信息傳輸方式分為并行和串行兩種。 XTAL1:振蕩器反相放大器和內(nèi)部時鐘發(fā)生電路的輸入端。為了執(zhí)行內(nèi)部程序指令， EA 應(yīng)該接 VCC。 EA/VPP:訪問外部程序存儲器控制信號。 PSEN:外部程序存儲器選通信號（ PSEN）是外部程序存儲器選通信號。否則， ALE 將被微弱拉高。如果需要，通過將地址為 8EH 的 SFR 的第 0 位置 “ 1”， ALE 操作將無效。 在一般情況下， ALE 以晶振六分之一的固定頻率輸出脈沖，可用 來作為外部定時器或時鐘使用。 ALE/PROG：地址鎖存控制信號（ ALE）是訪問外部程序存儲器時，鎖存低 8 位地址的輸出脈沖。特殊寄存器 AUXR(地址 8EH)上的 DISRTO 位可以使此功能無效。晶振工作時， RST 腳持續(xù) 2 個機器周期高電平將使單片機復(fù)位。 在 flash 編程和校驗時， P3 口也接收一些控制信號。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（ IIL）。 P3 ： P3 口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， p2 輸出緩沖器能驅(qū)動 4 個 TTL 邏輯電平。在使用 8位地址（如 MOVX RI）訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時， P2口輸出 P2 鎖存器的內(nèi)容。在訪問外部程序存儲器或用 16 位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲器（例如執(zhí)行 MOVX DPTR）時， P2 口送出高八位地址。對 P2 端口寫“ 1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。 表 41 在 flash 編程和校驗時， P1 口接收低 8位地址字節(jié)。作 為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（ IIL）。 P1 ： P1 口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， p1 輸出緩沖器能驅(qū)動 4 個TTL 邏輯電平。在 flash編程時， P0口也用來接收指令字節(jié)；在程序校驗時，輸出指令字節(jié)。當(dāng)訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲器時， P0口也被作為低 8位地址 /數(shù)據(jù)復(fù)用。作為輸出口，每位能驅(qū)動 8個 TTL邏 輯電平。 單片機 AT89C52 圖 43 單片機 AT89C52 AT89C52 的主要工作特性； 8031CPU； 4KB 的快速擦寫 Flash 存儲器，用于程序存儲，可擦寫次數(shù) 1000 次； 258B 的 RAM，其中高 128B 字節(jié)地址被特殊功能寄存器 SFR 占用； 32條可編程 I/O 口線； 2個可編程 16 位定時器； 具有 6個中斷源、 5 個中斷矢量、 2級優(yōu)先權(quán)的中斷系統(tǒng)； 一個數(shù)據(jù)指針 DPTR； 1個可編程的全雙工串行通信口； 具有“空閑”和“掉電”兩種低功耗工作方式； 可編程的 3級程序鎖定位； 工作電源的電壓為（ 5177。例如：當(dāng)數(shù)據(jù)信號速率為 600Kbit/S 時，采用 24AWG 電纜，由圖可知最 大電纜長度是 200m，若采用 19AWG 電纜（線徑為 ）則電纜長 度將可以大于 200m； 若采用 28AWG 電纜（線徑為 0。 當(dāng)使用不同線徑的電纜。當(dāng)數(shù)據(jù)信 號速率降低到 90Kbit/S 以下時，假定最大允許的信號損失為6dBV 時， 則電纜長度被限制在 1200M。 采用 RS485 接口時，傳輸電纜的長度如何考慮？ 在使用 RS485 接口時，對于特定的傳輸線經(jīng)，從發(fā)生器到負(fù)載其數(shù)據(jù)信號傳輸所允許的最大電纜長度是數(shù)據(jù)信號速率的函數(shù)，這個長度數(shù)據(jù)主要是受信號失真及噪聲等影響所限制。 因為 RS485 接口組成的半雙工網(wǎng)絡(luò)，一般只需二根連線，所以 RS485 接口均采用屏蔽雙絞線傳輸。即具有多站能力 ,這樣用戶可以利用單一的 RS485 接口方便地建立起設(shè)備網(wǎng)絡(luò)。 ④ RS485 接口的最大傳輸距離標(biāo)準(zhǔn)值為 4000 英尺，實際上可達(dá) 3000 米，另外 RS232C 接口在總線上只允許連接 1 個收發(fā)器， 即單站能力。接口信號電平比 RS232C 降低了，就不易損壞接口電路的芯片， 且該電平與 TTL 電平兼容，可方便與 TTL 電路連接。 （ 4） 傳輸距離有限，最大傳輸距離標(biāo)準(zhǔn)值為 50 英尺，實際上也只能 用在 50米左右。 （ 2） 傳輸速率較低，在異步傳輸時，波特率為 20Kbps。當(dāng) OE 輸入高電平 時，輸出三態(tài)門打開，轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線上。下降沿啟動 A／ D轉(zhuǎn)換，之后 EOC 輸出信號變低，指示轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行。此地址經(jīng)譯碼 選通 8 路模擬輸入之一到比較器。 GND：地。 REF（ +）、 REF（ ）：基準(zhǔn)電壓。 CLK：時鐘脈沖輸入端。 OE：數(shù)據(jù)輸出允許信號，輸入，高電平有效。 START： A／ D 轉(zhuǎn)換啟動信號，輸入，高電平有效。 21～ 28： 8位數(shù)字量輸出端。 （ 2） 內(nèi)部結(jié)構(gòu) ADC0809 是 CMOS 單片型逐次逼近式 A／ D轉(zhuǎn)換器，它由 8 路模擬開關(guān)、地址鎖存與譯碼器、比較器、 8 位開關(guān)樹型 D／ A 轉(zhuǎn)換器、逐次逼近 （ 3） 外部特性（引腳功能） ADC0809 芯片有 28 條引腳，采用雙列直插式封裝，下面說明各引腳功能。 ③ 轉(zhuǎn)換時間為 100μs ④ 單個＋ 5V電源供電 ⑤ 模擬輸入電壓范圍 0～＋ 5V，不需零點和滿刻度校準(zhǔn)。 373 引出端符號： D1～ D8數(shù)據(jù)輸入端 OE三態(tài)允許控制端（低電平有效） LE鎖存允許端 Q1Q8輸出端 A/D 轉(zhuǎn)換 ADC0809 資料 （ 1） 主要特性 ① 8 路 8 位 A／ D轉(zhuǎn)換器，即分辨率 8 位。當(dāng) LE為低電平時， O 被鎖存在已建立的數(shù)據(jù)電平。當(dāng) OE 為高電平時， O0O7呈高阻態(tài)，即不驅(qū)動總線，也不為總線的負(fù)載，但鎖存器內(nèi)部的邏輯操作不受影響。 0373 的輸出端 O0O7 可直接與總線相連。模擬輸入通道共有 48 路，輸出控制信號也是 48路。下位機的參數(shù)存儲單元、 485 通信單元、處理器監(jiān)控單元與上位機的對應(yīng)單元功能一樣。將常規(guī) PID 算法與模糊 PID 算法的控制效果相比較，論證了論文所設(shè)計算法的優(yōu)越性能。 本章小結(jié) 本章先從理論上闡述了模糊控制原理和模糊控制的發(fā)展，并結(jié)合實際控制對象實現(xiàn)了模糊 PID 控制算法。例如：在溫度上升階段， e0 且 Δ e0，取 Kp1東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 模糊控制器的設(shè)計 15 ＝－ 1，則算法中 e 和 Kp1Δ e 的控制作用為同方向的控制量，加快了溫度的上升速度；而傳統(tǒng) PID 控制器，其比例項 Kp .e和微分控制項 e 在該階段的控制作用總是反方向的，阻礙了溫度的上升，使溫度上升時間變長。本文的模糊 PID 控制器采用了偏差、偏差微分、基本積分和智能積分四項合成控制器的輸出量，并且控制器比例系數(shù)、微分系數(shù)、基本積分系數(shù)以及智能積分系數(shù)都是可以在線調(diào)整的 ： 公式 （ 35） 公式 (35)式中， U(k)為模糊 PID 控制器的輸出控制量， e(k)和 Δ e (k)分別為實際偏差和偏差變化； KP、 KD、 KI分別是比例、微分、積分系數(shù)； i＝ 1， 2， 3， 4，分別指溫度變化的四個區(qū)域，即：（ 1） e . Δ e0， e0；（ 2） e . Δ e0， e0；（ 3）e . Δ e0， e0；（ 4） e . Δ e0， e0；α i為加權(quán)因子，α i∈（ 0， 1），它表明了在溫度變化的各個階段對 e 和 e. 的加權(quán)， Kp1為程序軟開關(guān)， Kp1＝＋ 1 或－ 1，它反應(yīng)了由 e 和 Δ e 產(chǎn)生的控制量是 同方向還是反方向，決定著控制量的大??；β（ KI??kj e0） 為基本積分控制項，主要用來消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的控制精度，β為基本積分系數(shù)，β≥ 0； Kp2λ i （ KI??kj e0） 為智能積