温控系统的设计及仿真论文.doc

浙江工业大学浙西分校毕业设计（论文）-1-第1章引言1.1课题的提出及意义温度是生产过程和科学实验中非常普遍而又十分重要的物理参数。在工业生产过程中，为了高效地进行生产，必须对生产工艺过程中的主要参数，如温度、压力、流量、速度等进行有效的控制，其中温度控制在生产过程中占有相当大的比例。准确地测量和有效地控制温度是优质、高产、低耗和安全生产的重要条件。而且在我们的日常生活中也使用微波炉、电烤箱、电热水器、空调等家用电器，温度与我们息息相关。另外在各高等院校的实验室中，无不将温度作为被控参数，构成微机测控系统，供学生作综合实验或课程设计。可见温度控制电路广泛应用于社会生活的各个领域，所以对温度进行控制是非常有必要和有意义的。可是由于温度自身的一些特点,如惯性大、滞后现象严重、难以建立精确的数学模型等,使控制系统性能不佳。在关于温度控制的绝大部分文献资料中，控制结果都是有超调的，而且很多时候超调量较大，本论文是基于这一特点，研究一种控制方案，将其用于大部分温控场合，都能达到零超调，且调节时间快，稳态误差也非常小的理想效果。另一方面也是基于控制实验室建设的需求，将其用于对实验电烤箱温度进行控制，达到调节时间短、超调量为零且稳态误差在±1内的技术要求。1.2文献综述1.2.1工业温度控制发展简介目前先进国家各种炉窑自动化水平较高，装备有完善的检测仪表和计算机控制系统。其计算机控制系统已采用集散系统和分布式系统的形式，大部分配有先进的控制算法，能够获得较好的工艺性能指标。而我国的温度控制系统的发展大致经历了三个阶段:第一阶段:基地式仪表。第二阶段:单元组合式仪表。第三阶段:微机控制阶段。温度微机控制系统取代模拟控制系统，克服了其调节精度差、可靠性不高的缺点。由于计算机具有高速的数据运算处理功能和大容量存贮信息的能力，使得此类系统稳定可靠、维护方便、抗干扰能力强，而且可以采用先进的控制算法以进一步提高控制性能。1.2.2温度微机控制系统控制方案浙江工业大学浙西分校毕业设计（论文）-2-计算机技术的发展极大地推动了工业控制系统的进步，而现代控制理论的发展，人工智能技术的深入研究，为控制系统的理论领域增加了新的内容。计算机硬件与控制软件的紧密结合必然导致新型的微机控制系统的出现。温度微机控制系统常用的控制方案有以下三类:经典控制方案、基于现代控制理论的设计方案和智能控制方案。智能控制方案是一类无需人的干预就能够针对控制对象的状态自动地调节控制规律以实现控制目标的控制策略。它避开了建立精确的数学模型和用常规控制理论进行定量计算与分析的困难性。它实质上是一种无模型控制方案，即在不需要知道对象精确模型的情况下，通过自身的调节作用，使实际响应曲线逼近理想响应曲线。智能控制系统有以下一些特点:(l)智能控制系统一般具有以知识表示的非数学广义模型和以数学模型表示的混合控制过程。它适用于含有复杂性、不完全性、模糊性、不确定性和不存在己知算法的生产过程。(2)智能控制具有信息处理和决策机构，它实际上是对人神经结构或专家决策机构的一种模仿。(3)智能控制器具有非线性。(4)智能控制器具有变结构的特点。(5)智能控制器具有总体自寻优的特点。1.2.3目前快速发展的一些具体温控方案常用的温度控制电路根据应用场合和要求的性能指标的不同，除了传统的PID控制方法，近几年来快速发展的是将模糊控制、神经网络、遗传算法等智能控制方法应用于温控系统，以及包括智能控制与PID控制相结合及这些智能控制之间的结合。具体有如下一些方法：（1）模糊控制：（2）遗传算法与PID的结合：（3）模糊控制与PID的结合：（4）神经网络与PID的结合：（5）模糊控制、神经网络和遗传算法三者的结合：1.3本文所做的工作基于以上所述目前国内外的温控方法的各自特点，以及温度这一物理参数变化缓慢，大惯性和大滞后的特点，本设计考虑采用模糊控制与PID控制相结合的参数模糊自整定PID控制方法来对温度进行控制。本文所做的工作是：对电烤箱这一控制对象，选择了纯PID控制、纯模糊控制和参数模糊自整定PID控制三种控制方案，运用Simulink软件对它们的控制性能和抗干扰能力进行了仿真研究比较，选出合乎响应速度快、超调量为零、稳态误差在±1内的技术要求的解决方案。另外以AT89C52单片机为核心的电烤箱温度控制系统的硬件电路设计及相应软件程序结构设计，以及与此相关的前向通道、后向通道、人机通道的设计。浙江工业大学浙西分校毕业设计（论文）-3-第2章硬件系统2.1单片机中央控制系统这是整个系统的核心控制部分，数据的分析利用等都是通过这个中央处理系统来完成的。它的硬件主要包括AT89C52单片机、8155扩展芯片，MAX6675芯片，程序存储芯片24C02，按键电路，显示电路，报警电路，复位、晶振电路等。2.1.1单片机简介单片微型计算机（简称单片机），自70年代问世以来，以其极高的性价比，受到人们的重视和关注，应用很广，发展也很快。单片机体积小，重量轻，抗干扰能力强，环境要求不高，价格低廉，可靠性高，灵活性好，开发较为容易。目前，世界上较为著名的8位单片机的生产厂家和主要机型有：Intel公司：MCS-51系列及其增强型系列ATMEL公司：AT89系列1.MCS-51系列单片机简介MCS-51片内结构如果按功能划分，它由八个部件组成，即：数据存储器（RAM）：片内为128个字节，片外最多可以扩至64K字节。程序存储器（ROM/EPROM）：8031无此部件，8051为4KROM，8751为4KEPROM，片外最多可扩至64K。I/O口（P0口、P1口、P2口、P3口）：为4个并行8位I/O口。串行口：一个全双工的串行口，具有四种工作方式。定时器/计数器：2个或3个16位的定时器/计数器，具有四种工作方式。中断系统：具有5个或6个中断源，2级中断优先权。特殊功能寄存器（SFR）：共有21个，用于对片内各功能模块进行管理、控制、监视。实际上是一些控制寄存器和状态寄存器，是一个特殊功能的RAM区。微处理器（CPU）：为8位的CPU且内含一个一位位处理器，不仅可以处理字节数据，还可以进行变量的处理。运算部件：包括算术逻辑部件ALU、位处理器、累加器A、寄存器B、暂存器以及程序状态字PSW寄存器等。该模块是功能是实现数据的算术、逻辑运算、位变量处理和数据传送等操作。2.AT89系列单片机简介AT89系列单片机是美国ATMEL公司继承Intel公司80C31的核心技术并和自身先进浙江工业大学浙西分校毕业设计（论文）-4-的闪电存储器（FlashMemory）技术相结合而产生的Flash单片机系列。它是一种低功耗、高性能、内含4K/8K字节闪存储器、用CHMOS工艺制造的8位单片机。其代表产品是AT89C51。其基本结构依然是CPU加上外围芯片的结构模式。一个8位的中央处理器（包括运算部件和控制部件）；4KB/8KB的Flash存储器；128B/256B的数据存储器（RAM）；32条I/O口线（四个8位口P0、P1、P2、P3）；2个或3个（对8032/8052是3个）定时器/计数器；一个具有5个中断源、2个优先级的中断嵌套结构；用于多处理机通讯、I/O扩展或全双工UART（通用异步接收发器）的串行口；特殊功能寄存器（SFR）；以及一个片内震荡器和时钟电路。这九个部件都是通过片内单一总线连接而成的。既然AT89系列单片机的核心技术是80C31，并在80C31的基础上发展起来的，因此兼容、改进和增强将是我们对AT89系列单片机和MCS-51系列单片机进行比较的主要内容。（1）引脚和80C51完全兼容AT89C52是一种低功耗、高性能，内含闪电存储器的8位单片机。与MCS-51系列指令系统和引脚下完全兼容。（2）内部含有闪电存储器AT89系列单片机提供的程序存储器是4KB/8KB的Flash存储器而MCS-51提供的程序存储器是4KB/8KB的只读存储器（ROM或EPROM）。这是二者最大的区别。AT89系列单片机由于内部含有闪电存储器，因而在系统开发过程中可以十分容易地进行程序修改和反复实验。同时，在系统工作过程中，能有效地保存一些数据信息，即使外界电源损坏也不影响信息的保存。（3）静态时钟方式AT89系列单片机是用静态逻辑来设计的，其工作频率可下降到0Hz，并提供两种可用软件来选择的省电方式空闲方式和掉电方式。而80C51不是用静态逻辑来设计的。综上所述，AT89系列单片机和MCS-51有相同的核心技术及总体结构。指令系统和引脚完全兼容。不同的是AT89系列单片机内部含有4KB/8KB的闪电存储器，而且是有静态逻辑来设计的。而MCS-51不是用静态逻辑来设计的，而且片内不含闪电存储器，只有ROM或EPROM。因此在此次设计中采用AT89C52单片机作为整个系统的核心控制部分。2.1.2时钟电路AT89C52的时钟可以由两种方式产生，一种是内部方式，利用芯片内部的振动电路；另一种方式为外部方式。1.内部时钟方式AT89C52内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别构成此反相放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外晶体或陶瓷谐振一起构成自激振荡器。AT89C52虽然有内部振荡电路，但要形成时钟，必须外接元件，图2-1(a)是AT89C52内部时钟电路。外接晶体以及电容CX1和CX2构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中。晶体可在1.2MHz12MHz之间任选，电容CX1和CX2的典型值通常选择为30pF左右（这时对应的时钟频率为12MHz）。2.外部时钟方式外部时钟方式是利用振荡器信号源（时钟源）直接接入XTAL1和XTAL2。通常XTAL1接地，XTAL2接外部时钟，电路见图2-1(b)。由于XTAL2的逻辑电平不是TTL的，故若使