【正文】 不同加熱條件和要求的智能型溫度測控系統(tǒng)是當今測溫研究的一個重點。另一方面基于控制實驗室建設的要求，目前在國內(nèi)高校，虛擬儀器正逐步走進理工科課堂和實驗室，用虛擬 儀器技術來實現(xiàn)智能溫度測控實驗系統(tǒng)，將其用于實驗室電烤箱的溫度控制，使其達到相應的技術要求，來滿足自動控制技術、單片機、虛擬儀器技術、傳感器與檢測技術等多門課程的教學與實驗，并能用作學生綜合實訓或課程設計 ,系統(tǒng)的使用和維護費用低。1974 年， Mamdani 首次將模糊邏輯和模糊推理用于鍋爐和蒸汽機的控制，標志著人們用模糊邏輯進行工業(yè)控制的開始。 20 世紀 90 年代，美國、英國相繼發(fā)表《智能控制專輯》，德國、日本等國家也連續(xù)發(fā)表多篇智能溫度控制在各個領域的應用方面的論文。 早在 1965 年我國著名科學家傅京孫首先提出把人工智能啟發(fā)式推理規(guī)則引入學習控制系統(tǒng)，并于 1971 年提出人工智能和自動控制交叉學科，奠定了國內(nèi)智能控制發(fā)展的基礎。由于溫度控制涉及到工業(yè)、農(nóng)業(yè)和日常生活等眾多領域，智能溫度控制技術成為國內(nèi)學者研究的重要內(nèi)容，在科技刊物上發(fā)表的與智能溫度控制有關的論文也相繼增多。目前，國外已研制出智能化、精度高、小型化的智能溫度控制器，開發(fā)出成熟的智能控制算法和控 制軟件。目前國內(nèi)成熟的溫控產(chǎn)品主要以 “點位 ”控制及常規(guī)的 PID 控制為主，商品化的智能控制系統(tǒng)少，在智能控制技術研究方面投入的人力、物力還不夠。本課題的具體研究內(nèi)容如下： 第一章：論述智能溫度測控系統(tǒng)課題的背景和意義，溫度測控系統(tǒng)控制方案，課題的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及本論文的主要內(nèi)容。 第三章：智能溫度測控系統(tǒng)硬件電路的設計。 第四章：智能溫度測控系統(tǒng)的軟件設計，給出了各 主控模塊的子程序流程圖 ,對整個系統(tǒng)進行了調(diào)試和實驗，對實驗結(jié)果進行了分析。機理建模理論上可以很精確，但實際上受客觀條件的限制很難做到，對于復雜的系統(tǒng)必須事先做許多簡化和理想化才能建立模型。實驗建模把被研究的對象看作一個黑箱，通過輸入信號，研究對象的輸出響應信號與輸入激勵信號之間 的關系，估計出系統(tǒng)的數(shù)學模型，這種方法簡單實用，尤其對一些不易了解內(nèi)部結(jié)構和機理不明的 “黑箱 ”系統(tǒng)更是如此。 電烤箱是一個具有熱容量的對象，當系統(tǒng)上電以后，箱內(nèi)的溫度是一個隨時間逐漸上升的過程。 電烤箱模型參數(shù)的辨識常用的方法是階躍響應法。在獲得對象的飛升曲線后可用 CohnCoon 公式求對象參數(shù)。 圖 21 一階慣性純滯后對象飛升曲線 CohnCoon 公式如下： 長春理工大學畢業(yè)設計 5 inout???K （ 22） ）（ tT ?? （ 23） ）（ t??? （ 24） 式中 和 分別是飛升曲線為 和 時對應的時間。在實驗過程中對其給定輸入 180 度 ，每 30S 采樣一次，得到實驗數(shù)據(jù)如表 21 所示： 表 21 實驗測得 的電烤箱溫度數(shù)據(jù) 將表 21 中的數(shù)據(jù)輸入 MATLAB 進行仿真得到圖 22。因此本文被控對象的傳遞函數(shù)為： sSG 30e11 7 )s( ??? （ 25） 控制策略研究 PID 控制的基本理論 PID 控制在生產(chǎn)過程中是一種被普遍采用的控制方法，是一種建立在經(jīng)典控制理論基礎上的控制策略，對于線性定常系統(tǒng)的控制是非常有效的，其調(diào)節(jié)品質(zhì)取決于 PID 控制 器的各個參數(shù)的確定。 比 例 P微 分 D被 控 對 象++r （ t ）y （ t ）積 分 I 圖 23 常規(guī) PID 控制系統(tǒng)原理圖 理想的 PID 控制器根據(jù)給定值 r (t)與實際輸出值 c (t)構成的控制偏差 e(t） e (t)= r(t)c(t) （ 26） 將控制偏差的比例、積分和微分通過線性組合構成控制量，對被控對象進行控其 連續(xù)形式為： ?????? ??? ?t Dip dt tdeTdtteTteKt 0 )()(1)()(u （ 27） 其中， e (t)為系統(tǒng)誤差， PK iT DT 分別為比例系數(shù)、積分時間和微分時間?？刂谱饔玫膹娙跞Q于比例系數(shù) PK ，隨著 PK 的增大，穩(wěn)態(tài)誤差逐漸減小，但同時動態(tài)性能變差，超調(diào)量也增大，容易產(chǎn)生振蕩，甚至會使閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。 (2)積分環(huán)節(jié)的引入主要用于消除靜差，即當閉環(huán)系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)時，此時控制輸出量和控制偏差量都將保持在某一個常值上。反之隨著 iT 減小，靜差也減小，但過小的 iT 會加劇系統(tǒng)振蕩，甚至使系統(tǒng)失去穩(wěn)定。微分部分的作用強弱由長春理工大學畢業(yè)設計 7 微分時間 DT 決定。它對系統(tǒng)的穩(wěn)定性有很大的影響。在離散控制系統(tǒng)中， PID 控制采用差分方程表示： ? ??????? ????? ??ki dP kekeTTiTiTkKk 0 )1()()(e)(e)(u （ 28） 令 )1()()(e ???? kekek ，ip TTKK ?i ， TTKK dp?d 即有 )()()()(u 0 keKieKkeKk dkiiP ???? ?? （ 29） 其中 iK ， dK 分別為積分系數(shù)和微分系數(shù)。概括地講， PID 控制的優(yōu)點主要有以下兩點： （ 1）原理簡單、實現(xiàn)方便，是一種能夠滿足大多數(shù)實際需要的基本控制器。但從另一方面來講，控制算法的簡單性和普遍適用性也反映了 PID 控制器在控制品質(zhì)上的局限性，主要體現(xiàn)在以下幾方面： （ 1） PID 控制只能確定閉環(huán)系統(tǒng)的少數(shù)主要零極點，閉環(huán)特性從根本上是基于 動態(tài)特性的低階近似假定的。 （ 3） PID 控制比較適用于單輸入單輸出最小相位系統(tǒng)，對于大時滯、大慣性等難控對象時，需要通過多個 PID 控制器或與其它控制器組合，才能 得到較好的長春理工大學畢業(yè)設計 8 控制 . 仿真分析 PID 控制 以下是在 SIMULINK 中創(chuàng)建的用 PID 算法控制電烤箱溫度的仿真模型： 圖 24 電烤箱 PID 控制系統(tǒng)仿真模型 在圖中的 PID 模塊中對三個參數(shù)進行設定，在 Transport Delay 模塊中設定滯后時間 30 秒。當給定值為 150 時，仿真結(jié)果如圖 25 所示： 圖 25 PID 控制系統(tǒng)響應曲線 可見性能指標為 ：調(diào)節(jié)時間 ts 約為 750s，超調(diào)量σ約為 40％，穩(wěn)態(tài)誤差 ess=0。 本章小結(jié) 本章通過實驗數(shù)據(jù)，建立了 以電烤箱為對象的數(shù)學模型，分析了 PID 控制、和模糊自整定 PID 控制的原理及優(yōu)缺點，確定了模糊自整定 PID 控制為電烤箱的控制策略。 長春理工大學畢業(yè)設計 10 第三章 溫度測控系統(tǒng)的硬件設計 電烤箱是一種具有純滯后的大慣性系統(tǒng)，開關烤箱門、環(huán)境溫度、加熱材料以及電網(wǎng)等都影響控制過程，基于精確數(shù)學模型的常規(guī)控制難以保證加熱要求。 首先介紹了測控系統(tǒng)的總體設計原則和設計方案，然后具體介紹了系統(tǒng)各部分外圍硬件的設計。 圖 32 系統(tǒng)硬件框圖 工作原理：電烤箱的溫度由熱電偶進行采集，經(jīng)信號放大、冷端補償、線性化處理、 A/D 轉(zhuǎn)換后將所檢測的溫度信號轉(zhuǎn) 換成對應的數(shù)字量，通過 SPI 串口送入單片機，通過單片機軟件對數(shù)據(jù)進行處理，該溫度一方面經(jīng) LED 數(shù)碼顯示器顯示，另一方面與鍵盤輸入的給定值進行比較，計算其偏差，通過參數(shù)模糊自整定 PID 控制算法進行運算，運算結(jié)果形成以 PWM 形式輸出的溫度控制信號，通過過零觸發(fā)光電耦合器件進行光電耦合隔離后，通過控制晶閘管的通斷來調(diào)節(jié)電烤箱平均功率的大小，以達到控制烤箱溫度的目的。 K 型熱電偶的穩(wěn)定性較高，可在氧化性和中性介質(zhì)中長期測 900 度以下溫度，其回復性較好，產(chǎn)生熱電勢較大，線性好，價格便宜，測量精度較高，是工業(yè)中最常用的一種熱電偶。 圖 33 K 型熱電偶實物圖 K 型熱電偶是工業(yè)生產(chǎn)中被廣泛應用的廉價測溫組件，具有結(jié)構簡單、使用方便、測量溫度范圍寬，測量精度高、穩(wěn)定性好等特點，但將熱電偶應用于單片機系統(tǒng)時，存在以下幾個方面的問題： （ 1）信號弱：測溫時熱電偶產(chǎn)生的模擬信號很微弱，故需要對其進行放大處理。 （ 3）非線性：熱電偶輸出熱電勢與溫度之間的關系為非線性關系，因此在應用 時必須進行線性化 處理。 因而，通常將熱電偶應用于單片機系統(tǒng)時，都采用“傳感器 → 濾波器 → 放大器冷端補償 → 線性化處理 → A/D 轉(zhuǎn)換”的模式，該模式具有轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)多、電路復雜、抗干擾能力差、精度低、調(diào)試困難等缺點。 本文設計中選用了由 Maxim 公司生產(chǎn)的 K 型熱電偶專用模數(shù)轉(zhuǎn)換器 MAX6675，來完成熱電偶電勢至溫度的轉(zhuǎn)換。 MAX6675 的特性和引腳功能 MAX6675 的性能特點如下： (1)對 K 型熱電偶輸出直接 進行數(shù)字轉(zhuǎn)換； (2)內(nèi)部集成有冷端補償電路； (3)簡單的 SPI 串行口溫度值輸出； (4)0 度～ 度的測溫范圍，溫度分辨率為 度； (5)內(nèi)含熱電偶斷線檢測電路； (6)高阻抗差動輸入，低功耗； MAX6675 采用 SO8 封裝形式，長 ，寬 5mm，高 ，引腳功能如表 33 所列。 MAX6675 的輸出數(shù)據(jù)為 16 位，輸出時高位在前。 斷開； D1 為 MAX6675 的標識符，始終為 0； D0 位為三態(tài)。 圖 34 MAX6675 SPI 接口時序圖 MAX6675 與單片機的接口電路 MAX6675 與單片機的接口電路如圖 35 所示，單片機的 、 、 口分別接到 MAX6675 的 SCK、 CS 、 SO 端。由于 MAX6675 內(nèi)部經(jīng)過了激光修正，因此，其轉(zhuǎn)換結(jié)果對應溫度值具有較好的線性關系。當 為高電平時， MAX6675 開始進行新的溫度轉(zhuǎn)換。 (2)MAX6675 的 T端必須接地，并使接地點盡可能接近 GND 腳，否則讀出數(shù)據(jù)為無規(guī)律的亂碼。只有當熱電偶的長春理工大學畢業(yè)設計 14 冷端和芯片溫度相等時，才可獲得最佳的測量精度，所以在進行 PCB 設計時，要盡量避免在 MAX6675 附近放置易發(fā)熱元件或器件 。 (4)MAX6675 完成溫度的放大、濾波、 A/D 轉(zhuǎn)換以及 SIP 輸出等一系列過程要一個最小轉(zhuǎn)換時間，約 ～ 秒，所以一般應使系統(tǒng)的采樣周期大于 250 毫秒。 AT89S52 單片機及其最小系統(tǒng) 單片機又稱微處理器，具有體積小、功耗低、價格低廉、抗干擾能力強且可靠性高等特點，適用于工業(yè)過程控制、智能儀器儀表和 測控系統(tǒng)的前端裝置。由于 52 系列單片機在我國使用最廣，并且該系列單片機的資料和能夠兼容的外圍芯片也比較多，特別是美國 ATMEL 公司 2020 年推出的新一代 89S 系列單片機，其典型產(chǎn)品 AT89S52 單片機具有較高的性價比，因此本系統(tǒng)采用 ATMEL 公司生產(chǎn)的 8 位單片機 AT89S52 作為下位機的控制器。為了提高單片機系統(tǒng)的可靠性，在本課題采用專門的監(jiān)控芯片 MAX813L。 MAX813L 具有獨立的看門狗輸出，如果在 內(nèi) 6 腳沒有收到 MCU 的觸發(fā)信號，則 8 腳輸出一個低電平信號。 圖 36 AT89S52 單片機及其最小系統(tǒng) 圖中 MAX8l3L 的 1 腳與 8 腳相連， 7 腳與單片機的 9 腳 RESET 相連，6 腳與單片機的 腳相連。另外，當電源電壓低于復位門限值 時， MAX8l3L 也產(chǎn)生復位輸出，使單片機處于復位狀態(tài)，不執(zhí)行任何指令，直至電源電壓恢復正常，可有效防止單片機因電源電壓較低時而產(chǎn)生的誤動作。通過調(diào)節(jié)電阻值，合理地選擇分壓比，電源正常時，確保 R2 上的電壓高于 V，即保證 MAX813L 的 PFI 輸入端電平高于 V。 長春理工大學畢業(yè)設計 16 人機交互接口電路設計 鍵盤電路