本科毕业论文pid温控系统的设计及仿真

CENTRALSOUTHUNIVERSITY本科生毕业论文题目PID温控系统的设计及仿真学生姓名指导教师学院信息科学与工程学院专业班级完成时间年月摘要温度是工业控制的主要被控参数之一。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，给控制过程带来了难题。要对温度进行控制，有很多方案可选。PID控制简单且容易实现，在大多数情况下能满足性能要求。模糊控制的鲁棒性好，无需知道被控对象的数学模型，且在快速性方面有着自己的优势。研究分析了PID控制和模糊控制的优缺点，把两者相互结合，采用了用模糊规则整定、两个参数的模糊自整定PID控制方法。本PKI研究以电烤箱为控制对象，用MATLAB软件对PID控制、模糊控制和参数模糊自整定PID控制的控制性能分别进行了仿真研究。仿真结果表明PID对于对象模型复杂和模型难以确定的控制系统具有很大的局限性，不能满足调节时间短、超调小的技术要求。由于模糊控制的理论（如量化因子和比例因子的确定问题）并不完善，其可能获得的控制性能无法把握，而且模糊控制易受模糊规则有限等级的限制而引起稳态误差。参数模糊自整定PID控制吸收前两种方法的长处，满足了调节时间短、超调量为零且稳态误差较小的控制要求。因此本论文最终确定采用参数模糊自整定PID控制方案。本系统硬件采用了以AT89C52单片机为核心的温度控制器，选用K型热电偶为温度传感器结合MAX6675芯片构成前向通道，同时双向晶闸管和SSR构成后向通道，由按键、LED数码显示器及报警单元等组成人机联系电路。关键词单片机，PID，模糊控制，仿真ABSTRACTTEMPERATUREISONEOFTHEMAINPARAMETERSINTHEINDUSTRIALPROCESSCONTROLYETTHEREAREDIFFICULTIESTOHAVEAGOODCONTROLOFTEMPERATUREBECAUSEOFTHECHARACTERISTICSOFTHETEMPERATUREITSELFTHETEMPERATUREINERTIAISGREAT,ITSTIMELAGISSERIOUSANDITISHARDTOESTABLISHANACCURATEMATHEMATICALMODELTHEREAREMANYMETHODSTOBESELECTEDINORDERTOCONTROLASYSTEMTHEPIDCONTROLISSIMPLE,EASILYREALIZEDANDINMOSTCASESITMEETSTHECONTROLDEMANDFUZZYCONTROLHASTHEADVANTAGEOFQUICKNESS,ITSROBUSTNESSISGOODANDTHEREISNONEEDTOKNOWTHEOBJECTSMATHEMATICALMODELTHISPAPERANALYSESTHEADVANTAGESANDDISADVANTAGESOFBOTHPIDCONTROLANDFUZZYCONTROLANDCOMESTOTHEMETHODOFCOMBININGTHEMTOGETHER,FUZZYSELFTUNINGPIDCONTROLINTHISMETHOD,ANDOFTHEPIDCONTROLLERAREPKIADJUSTEDBYFUZZYCONTROLRULESINTHEPAPERSIMULATIONSOFPIDCONTROL,FUZZYCONTROLANDFUZZYSELFTUNINGPIDCONTROLAREDONEBYMATLABTOCONTROLAELECTRICOVENCONCLUSIONSARETHATFORTHOSECONTROLOBJECTSOFWHICHMODELSARECOMPLICATEDORHARDTOESTABLISH,THEPIDMETHODHASLIMITATIONANDDOESNTMEETTHECONTROLDEMANDASTHEFUZZYCONTROLMETHODTHEORYISNOTPERFECT,AGOODCONTROLPERFORMANCECANNOTBEEXPECTEDANDITCOULDEASILYCAUSETHESTEADYSTATEERRORFORITISRESTRICTEDBYLIMITEDGRADESOFTHEFUZZYRULESFINALLYTHEFUZZYSELFTUNINGPIDCONTROLMETHODISSELECTED,SINCEITMEETSTHECONTROLDEMANDSINTHISPAPERAT89C52ISUSEDASCONTROLLER,TOWARDACCESSISCOMPOSEDOFKWHICHISUSEDASTHETEMPERATURESENSORANDMAX6675BACKWARDACCESSISCOMPOSEDOFBIDIRECTIONALTHYRISTORANDSSRMANMACHINECIRCUITISCOMPOSEDOFKEYBOARD,LEDANDWARNINGUNIT,ETCKEYWORDSMICROCONTROLLER,PIDCONTROL,FUZZYCONTROL,SIMULATION目录摘要IABSTRACTII第一章绪论111课题的提出及意义112控制系统背景介绍113当代温控系统及智能算法2第二章温控系统的设计521温控系统的总体设计5211温控系统设计的基本原则5212温控系统的结构及设计622温控系统的硬件设计7221前向通道设计7222后向通道设计10223人机通道设计11小结15第三章系统控制方案1631PID控制16311PID的概述16312PID控制的基本理论及特点1632模糊控制18321模糊控制的概述18322模糊控制的基本原理及特点1833模糊PID控制19小结21第四章仿真研究2241MATLAB及其模糊逻辑工具箱和仿真环境SIMULINK2242仿真和优选23421控制对象模型23422仿真和方案选择25小结32第五章总结与展望3351主要工作内容3352工作小结3353存在的问题及未来的方向34结束语35参考文献36第一章绪论11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较小的技术要求。12控制系统背景介绍随着计算机科学和自动化水平的不断提高，在各种应用领域都大量采用计算机控制系统。计算机控制系统的应用使得科学研究、工农业生产、工艺实践的效率大大提高，同时也大幅度提高了产品和成果的质量。计算机控制系统从结构上讲都是类同的，它包括计算机组成的控制器和被控对象，并且对象的输出通过反馈回路反馈给控制器，形成一个闭环的控制系统。也有部分计算机控制系统是开环系统，如线切割机等。从采用的部件角度讲，计算机控制系统所用的计算机往往有较大区别在大型管理控制系统中，采用大中型机；在一般控制系统中，采用微型机；而功能较专的控制系统采用单片机。由于大量的控制系统的任务较专业化，并且执行的是直接数字控制任务，故基本采用单片机。单片机是目前控制系统采用最多的器件和芯片，它在军事、航空、航天、交通、工业、农业等领域都有大量的应用1。13当代温控系统及智能算法智能控制算法广泛应用于各种温度控制器的设计之中，这里就最近几年快速发展的几种智能控制算法做一个综述2。1神经网络控制人工神经网络是当前主要的、也是重要的一种人工智能技术，它采用数学模型的方法模拟生物神经细胞结构及对信息的记忆和处理而构成的信息处理方法。它用大量简单的处理单元广泛连接形成各种复杂网络，拓扑结构算法各异，其中误差反向传播算法即BP算法应用最为广泛。温度控制系统由于负载的变化以及外界干扰因素复杂，而传统的PID控制对于外界环境的变化只能做近似的估算，因此系统控制精度不高。人工神经网络以其高度的非线性映射、自组织、自学习和联想记忆等功能，可对复杂的非线性系统建模。该方法抗干扰能力强，且易于用软件实现。训练方法实际是网络的自学习过程，即根据事先定义好的学习规则，按照提供的学习实例，调节网络系统各节点之间相互连接的权值大小，从而达到记忆、联想、归纳等目的。在温控系统中，将对温度影响的因素如气温、外加电压、被加热物体性质以及被加热物体温度等作为网络的输入，将其输出作为PID控制器的参数，以实验数据作为样本，在微机上反复迭代，自我完善与修正，直至系统收敛，得到网络权值，达到自整定PID控制器参数的目的。MNNMEMORYNEURONNETWORK在每个网络节点增加了记忆神经元，在学习动态非线性系统时，不需知道实际系统太多的结构知识，当系统滞后比较大时也不会造成网络庞大难以训练。2模糊控制模糊控制是基于模糊逻辑描述的一个过程控制算法，主要嵌入操作人员的经验和直觉知识。它适用于控制不易取得精确数学模型和数学模型不确定或经常变化的对象。温度控制系统的模型通常是不完善的，即使模型已知，也存在参数变化的问题。PID控制虽然简单、方便，但难以解决非线性和参数变化等问题。模糊控制不需要对象的精确模型，仅依赖于操作人员的经验和直观判断，非常容易应用。模糊控制对温度控制的实现一般分如下几步1将温控对象的偏差和偏差变化率以及输出量划分为不同的模糊值，建立规则，例如，IF温度太高OR温度正在上升，THEN减少控制量将这些模糊规则写成模糊条件语句，形成模糊模型。2根据控制查询表，形成模糊算法。3对温度误差采样的精确量模糊化，经过数学处理输入计算机中，计算机根据模糊规则推理做出模糊决策，求出相应的控制量，变成精确量去驱动执行机构，达到调节温度，使之稳定的目的。同传统的PID控制比较，模糊控制响应快、超调量小、对参数变化不敏感。3模糊控制与PID结合FUZZYPID模糊模型使用模糊语言和规则描述一个系统的动态特性及性能指标。其特点是不需知道被控对象的精确模型，易于控制不确定对象和非线性对象，对被控对象参数变化有强鲁棒性，对控制系统干扰有较强抑制能力。然而，模糊控制的局限性在于模糊规则库的建立缺乏完整性，没有明确的控制结构，存在较大稳态误差等。PID控制器结构简单、明确，能满足大量工业过程的控制要求。但PID本质是线性控制，而模糊控制具有智能性，属于非线性领域，因此，将模糊控制与PID结合将具备两者的优点。即用过程的运行状态温度偏差及温度变化率确定PID控制器参数，用PID控制算法确定控制作用。主要的问题是合理地获得PID参数的模糊校正规则，其实质是一种以模糊规则调节PID参数的自适应控制，即在一般PID控制系统基础上，加上一个模糊控制规则环节。文献3给出了不同实时状态下对PID参数的推理结果，当温差较大时采用FUZZY控制，响应速度快，动态性能好当温差较小时采用PID控制，使其静态性能好，满足系统精度要求。因此FUZZYPID复合控制，比单一的模糊控制或PID调节器有更好的控制性能。文献4采用模糊自适应PID设计方法，根据人们要求的温度曲线，由计算机系统进行监控，根据模糊推理判断，实现对任何一种模型参数的系统都能自动调节其PID参数，使系统的实际温度与要求的温度曲线趋于一致，实现快速响应特性与超调量小的统一。4模糊控制与神经网络结合温控系统由于被控过程常常具有严重的非线性时变性以及种类繁多的干扰，使得基于精确数学模型的传统控制方案很难获得满意的动静态控制效果。近些年来模糊逻辑控制取得了巨大成功，但是，模糊控制所基于的专家经验不易获得，一成不变的控制规则也很难适应被控制系统的非线性、时变性等问题，严重影响控制效果，因此应使模糊控制向着自适应方向发展，使模糊控制规则隶属函数模糊量化在控制过程自动地调整和完善。自适应模糊控制提供了一种新的有效途径，利用神经网络的学习能力来修正偏差和偏差变化的比例系数，达到优化模糊控制器作用，从而进一步改进实时控制效果，以便应用于温度过程控制中，其优点动态响应快，能达到高精度的快速控制，具有极强的鲁棒性和适应能力。文献5提出三层前向模糊BP神经网络，选择温度采样误差值、误差积分和变化值作为网络输入，用模糊控制理论赋予隐层含义，确定神经元个数，用高斯核函数作为节点激励函数，忽略远离中心的神经元输出，计算隐层输出，通过在线学习，以调整网络权值，使目标函数最小。5遗传算法遗传算法GENETICALGORITHMS简称GA是模拟达尔文的遗传选择和自然淘汰的生物进化过程的全局优化搜索算法。它将生物进化过程中适者生存规则与群体内部染色体的随机信息交换机制相结合，通过正确的编码机制和适应度函数的选择来操作称为染色体的二进制串L或0。引入了如繁殖交叉和变异等方法在所求解的问题空间上进行全局的并行的随机的搜索优化，朝全局最优方向收敛。基于遗传算法温控系统的设计就是将传感器得到的温度信号放大，数字化后送入计算机，计算机将其与给定温度进行比较，用遗传算法来优化3个PID参数，然后将控制量输出。具体实现将3个PID参数串接在一起构成一个完整的染色体，从而构成遗传空间中的个体，通过繁殖交叉和变异遗传操作生成新一代群体，经过多次搜索获得最大适应度值的个体即所求。在硬件上可采用单片机控制，具有调试方便，温控精度高，抗干扰性强等优点；在软件上可采用遗传算法对PID参数进行优化控制，具有很高的稳定度，温控精度高。6模糊控制、神经网络、遗传算法三者结合文献6提出基于神经网络的方法，将模式辨识、预测最优控制与神经网络结合，由神经元网络模型预估器辨识系统模型，并实时为控制器提供参考输入，由最优控制器对数据进行处理、决策，选定最优的控制量，达到温度最佳控制的目的。神经网络应用广泛的BP网络，由于其收敛慢和存在局部最小点，因此将遗传算法和BP算法结合得到的遗传BPGABP算法作为网络预估器的学习算法。该系统能使温度随外界干扰条件的变化，实时的调节网络和控制规律，具有良好的温度跟踪性能和抗干扰能力。近些年来，硬件电路设计的软件化也应用于温控系统中，文献7引入YHDL语言采用自顶向下的设计方法对系统逐步细化，优点是可提高系统的效率，达到资源共享。由于其屏蔽了具体工艺及器件差异，不会因工艺及器件变化而变化。综上所述，无论是神经网络、模糊控制还是遗传算法，都属于人工智能领域同PID结合以调节PID参数，适应温控系统非线性、干扰多、大时延、时变和热分布不均匀的特点。神经网络采用自适应的方法，具有很强的鲁棒性，动态响应快，缺点是容易陷入局部最优，采用遗传算法来训练神经网络可以实现结构与参数的快速全局寻优。模糊控制适应大惯性和纯延滞后系统，不需要知道系统的精确信息，神经网络结合，能向自适应的方向发展。总之，实现温控系统的参数自调整，将线控制与非线性相结合，使温度能满足用户的需要是温控系统的最终目的。在实际应用中，应该根据具体的应用场合、不同的加热对象和所要求的控制曲线和控制精度，选择不同的系统方法。第二章温控系统的设计21温控系统的总体设计单片机自20世纪70年代问世以来，已对人类社会产生了巨大的影响。尤其是美国INTEL公司生产的MCS51系列单片机，由于其具有集成度高、处理功能强、可靠性高、系统结构简单、价格低廉、易于使用等特点，在工业控制、智能仪器仪表、办公室自动化、家用电器等诸多领域得到广泛的应用。20世纪80年代中期以后，INTEL公司已把精力集中在CPU芯片的开发、研制上，并逐渐放弃了单片机芯片的生产，但是以MCS51内核技术为主导的单片机已经成为许多厂家及公司竞相选用的对象。因此，INTEL公司以专利转让或技术交换的形式把MCS51的内核技术转让给了许多国际上著名的半导体芯片生产厂家，如ATMEL、PHILIPS、CYGNAL等公司。这些厂家生产的与MCS51系列单片机兼容的各种增强型、扩展型单片机，已成为世界上8位单片机市场的主流产品。估计在今后若干年内，它们仍是我国8位单片机应用领域的主流机型。在本设计中，温度控制器以AT89C52单片机为核心。在进行系统设计之前，必须对要解决的问题进行调查研究、分析论证。如产品的应用场合、面向的客户类型等。在此基础上，根据实际应用中的问题提出具体的要求，确定系统所要完成的数据采集任务和技术指标，确定调试系统和开发软件的手段等。另外，还要对系统设计过程中可能遇到的技术难点做到心中有数，初步定出系统设计的技术路线。211温控系统设计的基本原则在系统总体设计阶段，一般来说，多采用硬件，可以简化软件设计工作，并使系统的速度性能得到改善，但成本会增加，同时，也因接点数增加而增加不可靠因素。若用软件代替硬件功能，可以增加系统的灵活性，降低成本，但系统的工作速度也降低。要根据系统的技术要求，在确定系统总体方案时进行合理的功能分配。1硬件设计的基本原则1良好的性价比。系统硬件设计中，一定要注意在满足性能指标的前提下，尽可能地降低价格，以便得到高的性能价格比，这是硬件设计中优先考虑的一个主要因素。因为系统在设计完成后，主要的成本便集中在硬件方面，当然也成为产品争取市场关键因素之一。2安全性和可靠性。选购设备要考虑环境的温度、湿度、压力、振动、粉尘等要求，以保证在规定的工作环境下，系统性能稳定、工作可靠。要有超量程和过载保护，保证输人、输出通道正常工作。要注意对交流市电以及电火花等的隔离。3较强抗干扰能力。有完善的抗干扰措施，是保证系统精度、工作正常和不产生错误的必要条件。例如强电与弱电之间的隔离措施，对电磁干扰的屏蔽，正确接地、高输人阻抗下的防止漏电等。2软件设计的基本原则1结构合理。程序应该采用结构模块化设计。这不仅有利于程序的进一步扩充或完善，而且也有利于程序的后期修改和维护。2操作性能好，使用方便，具备良好的人机界面。3具有一定的保护措施和容错功能。系统应设计一定的检测程序，例如状态检测和诊断程序，以便系统发生故障时，便于查找故障部位。对于重要的参数要定时存储，以防止因掉电而丢失数据。4提高程序的执行速度，尽量减小占用系统的内存。5给出必要的程序说明，便于后期程序维护。212温控系统的结构及设计整个系统的硬件组成相对简单，但较小的硬件需要相对复杂的软件进行补偿。本系统的软件采用结构化模块程序设计，应用程序主要由主程序、中断服务程序和各子程序组成。主程序中包括设置堆栈、进行初始化，并设置有关标志及各子程序的调用。温度信号的采集、数字滤波、标度变换、温度给定、温度显示、越限报警及参数模糊自整定PID控制算法等功能的实现均由各子程序完成。数字滤波可采用均值法、中间值法和一阶惯性法等方法，目的是滤除干扰信号的影响。电烤箱热电阻预处理A/D转换单片机双向晶闸管显示键盘报警图21电烤箱温度控制系统硬件结构框图22温控系统的硬件设计221前向通道设计前向通道是系统获取信息数据的组成部分，它的性能好坏直接决定了整个系统的精度，而且一旦产生较大误差，将无法消除。因此前向通道必须高精确度。1常用形式采用性能较好的热电偶测温装置，采用查表法处理热电偶电势与温度值间的非线性。辅加冷端温度补偿器，滤波的测量放大器、A/D转换通道等组成。2热电偶检测电路几种常见的热电偶有1铂铑10铂热电偶属贵金属热电偶，直径通常05毫米，它长期使用的最高温度可达1300，短期可达1600。2铂铑30铂铑6热电偶它也属贵金属热电偶，长期使用的最高温度可达1600，短期使用可达1800。3镍铬镍硅热电偶它是廉价金属，使用温度在2001300。基于本设计的要求，采用镍铬镍硅热电偶来测量温度。3冷端补偿电路在实际应用中，热电偶的冷端通常靠近被测对象，且受到周围环境温度的影响，其温度不是恒定不变的。从热电效应的原理可知，热电偶产生的热电动势与两端温度有关。只有将冷端的温度恒定，热电动势才是热端温度的单位函数。为此，必须采取一些相应的措施进行补偿或修正，常用的方法有一下几种1冷端恒温法2导线补偿法3电桥补偿法4计算修正法5显示仪表零位调整法在本设计中采用导线补偿法和电桥补偿法相结合的方式。4前置放大电路热电偶出来的毫伏级电压，无法直接进行A/D转换，必须进行放大处理。此电路是前向通道的主要部分之一，因为如果在放大级引入的干扰，被放大后进入到后级的A/D，转换出来的数值必定相差很远。为使系统具有极高的可靠性，所以前置放大电路一般都采用具有性能优异体积小、电路结构简单、成本低等优点的AD公司生产的高性能仪表专用运放AD521。而本设计中采用的芯片MAX6675具有热补偿，噪声补偿等，转换出来的数值提高了测量精度。5A/D转换电路前置放大器输出的信号是连续变化的模拟量，必须将此信号转换成数字量后才能输入单片机进行数据处理。实现模拟量转换成数字量的器件称为模数转换器ADC。根据A/D转换器实现A/D转换的原理不同，可以分为双积分型、逐次逼近型、电压频率型等。双积分型A/D转换器具有转换速度慢但抗干扰能力强的特点；逐次逼近型A/D转换器的特点正好相反，转换速度快，但抗干扰能力弱；电压频率型的缺点是精度不高。因为温度的变化比较大，滞后性大，设计中采用双积分型A/D转换器。综合以上条件，本设计采用集成芯片MAX6675作为前向通道进行测温，并且保证了较好的精度。6集成形式以往的热电偶测温电路比较复杂、成本高、精度低,而且容易遭受干扰。MAXIM公司新近开发出一种K型热电偶信号转换器ICMAX6675,该转换器集信号放大、冷端补偿、A/D转换于一体,直接输出温度的数字信号,使温度测量的前端电路变得十分简单。用K型热电偶对温度进行采集，经MAX6675送单片机AT89C52。1MAX6675的内部电路构成、性能与时序MAX6675的内部由精密运算放大器、基准电源、冷端补偿二极管、模拟开关、数字控制器及ADC电路构成,完成热电偶微弱信号的放大、冷端补偿和A/D转换功能。图23是MAX6675引脚排列图,采用8脚SO形式封装,T接K型热电偶的正极镍铬合金,T接K型热电偶的负极镍硅合金或镍铝合金，片选信号端CS为高电平时启动温度转换,低电平时允许数据输出SCK为时钟输入端SO为数据输出端,温度转换后的12位数据由该脚以SPI方式输出。D15是虚拟位,D14D3为温度转换的12位数据。图23MAX6675引脚图图24MAX6675输出时序图2MAX6675在单片机温度测控系统中的应用图25是以MAX6675处理K型热电偶信号的单片机温度测控系统原理图。MAX6675的片选线CS、时钟线SCK和数据线SO分别与单片机AT89C52的P10、P11和P12引脚相连,温度数据采用模拟SPI方式传送到单片机。单片机对温度信号处理后一方面送数码管显示,另一方面与设定的温度曲线进行比较以实施控制。键盘用于对控制参数进行设定。E2PROM24C02用于存储控制参数,以免掉电丢失。P10P11P12P13P14P15GNDAT89C52VCCK型热电偶TTMAX667524C02CSSCKSO图25MAX6675与AT89C52连接图222后向通道设计调功原理可以用来控制电烤箱的电功率从而调节温度，正弦交流电每秒钟有100个过零，通过调节每秒钟内正弦交流电半波的导通个数N，就可以达到调节电功率的目的。执行元件为带光电隔离的过零触发型双向晶闸管ACSSR，正脉冲出发双向晶闸管导通触发脉冲由过零检测电路产生。如果在1秒钟内P24口线总为高电平，双向晶闸管ACSSR被触发导通100次，此时电烤箱以最大电功率输出，如果在1秒钟内P24口线总为低电平，则ACSSR始终关断，输出功率为0，由PID算法计算出每秒钟应触发ACSSR的过零脉冲数N，即可对温度进行调温控制。1双向晶闸管当双向晶闸管阳极电流大于掣住电流，管子就导通；当阳极电流小于维持电LI流则管子关断。温控系统中常用的交流调压方式一般有相位控制和通断控制，相HI位控制技术是使晶闸管在电源电压每一周期中，在选定的时刻内将负载与电源接通，改变选定的时刻就可以达到调压的目的。这种方法在工作过程中会产生高次谐波，功率因素也较低。而通断控制是把晶闸管作为开关将负载与交流电源接通几个周期（工频1周期为20MS），然后再断开一定的周期，改变通断的时间比值达到调压的目的。这种控制方式与相位控制相比，电路简单，功率因素高，适用于有较大的时间常数的负载。在本系统中采用了通断控制方式。2固体继电器SSR固体继电器（SOLIDSTATERELAYSSR）是利用现代微电子技术与电力电子技术相结合而发展起来的一种新型无触点电子开关器件。它可以实现用微弱的控制信号几毫安到几十毫安控制01A直至几百A电流负载，进行无触点接通或分断。固体继电器是一种四端器件，两个输入端，两个输出端。输入端接控制信号，输出端与负载、电源串联，SSR实际是一个受控的电力电子开关，其等效电路如图26。输入信号负载输出信号图26SSR电路图固体继电器由输入电路、驱动电路和输出电路三部分组成。如图27所示。以应用较多的交流过零型固体继电器为例。该电路采用过零触发技术，具有电压过零时开启，负载电流过零时关断的特性，在负载上可以得到一个完整的正弦波形，因此电路的射频干扰很小。VINR1LED1VDGDR2R3R4VT1VTHR5TRR6C1R7VOUT图27输入电路、驱动电路和输出电路固体继电器与通常的电磁继电器不同无触点、输入电路与输出电路之间光电隔离、由分立元件半导体微电子电路芯片和电力电子器件组装而成，以阻燃型环氧树脂为原料，采用罐封技术持其封闭在外壳中、使与外界隔离，具有良好的耐压、防腐、防潮抗震动性能。广泛应用在电动机调速、家用电器、送变电电网的建设与改造、电力拖动、印染、塑料加工、煤矿、钢铁、化工和军用等方面。本设计中采用固体继电器SSR来控制脉冲个数，实现调节温度。223人机通道设计微机控制系统中除了与生产过程进行信息传递的过程输入、输出通道与接口处，还有与操作人员进行信息交换的输入、输出设备或器件，这种人机联系的设备或器件称为人机接口。由人机接口输入程序或数据，完成各种控制操作，显示生产过程的工艺状况与运行结果。这种人机接口的典型装置是一个操作显示台或操作显示面板。本系统的显示接口采用单片机控制对LED数码管进行动态扫描的方法。而键盘输入接口也采用扫描方式来进行按键处理，同时采用555报警器蜂鸣报警。1按键电路键盘是由若干个按键组成的开关矩阵，它是单片机最简单的信息输入装置，操作员通过键盘向单片机系统输入数据或命令，实现简单的人机通信。按键是以开关的状态来设置控制功能和输入数据。按键的作用只是简单地实现开关的接通或断开，但必须有一套相应的程序与之配合，来解决按键的识别，键值的产生以及防止抖动等工作。非编码键盘有独立式连接的和矩阵式连接的，一般矩阵式连接的非编码键盘只适合键盘数目多的情况，由于本系统的按键比较少，所以采用独立式非编码键盘。1独立式键盘独立式按键是指直接用I/O口线构成的单个按键电路，如图28所示。每个独立式按键单独占有一根I/O口线，每根I/O口线上的按键工作状态不会影响其他I/O口线上的工作状态。AT89C52P20P20P20INTOVCC（A）查询方式AT89C52P20P20P20VCC（B）中断方式图28独立式按键电路图28中（A）为查询方式的独立式键盘电路，通过I/O口线连接，将每个按键的一端接到单片机的I/O口，另一端接地，这是最简单的方法。图28中（B）为中断方式的独立式键盘电路。各个按键都连接到一个与门上，当有任何一个按键按下时，都会使与门输出为低电平，从而引起单片机的中断，它的优点在于不用在主程序中反复查询按键，而等到有键按下，单片机才去执行相应的键处理程序。本设计采用中断方式的独立式键盘电路。2按键去抖动为了让CPU能准确读出与按键相连的口线的状态，并对每一次按键只做一次键输入处理，就必须去抖动。常用去抖动的方法有两种，硬件去抖动，软件去抖动。本设计中采用软件去抖动。即在单片机获得口线为低的信息后，不是立即认定S已经被按下，而是延时1020MS时间后再次检查口线输入，如果仍为低，说明S键的确按下，避开了按键按下的抖动时间。并且在检测到按键释放后再延时1020MS，消除后沿的抖动，然后再对键值做处理。2数码管显示电路显示电路的显示器主要有发光二极管LED和液晶显示器LCD。由于本系统对节能要求不高，所以选用LED数码管显示器。LED显示器有两种显示方式，即静态显示和动态显示。静态显示只适合显示器数目较少的情况。所以本系统采用动态扫描显示。1数码管动态显示的工作原理所谓动态显示就是用扫描方式轮流点亮LED显示器的各个位。特点是将多个8段LED显示器同名端的段选线复接在一起，只用一个4位I/O控制各个LED显示器的公共阴极轮流接地，逐一扫描点亮，使每位LED显示该位应当显示的字符。恰当地选择点亮LED的时间间隔（1MS5MS），会给人一种视觉暂停效应，似乎多位LED都在“同时”显示。2数码管动态显示接口电路如图29所示，数码管动态显示接口电路是把所有的8个笔画段的同名端连在一起，而每个显示器的公共极COM是各自独立地接受IO线控制。本系统采用8155芯片作为单片机应用系统的IO扩展，8155的PA口作为LED的字型输出口，为提高亮度，由74LS244驱动段选码。8155的PC口作为LED的位选控制口，LED共阳极接法，由反向驱动器74LS06驱动LED显示器，提高驱动能力。动态显示的操作由软件完成。图294位LED动态显示接口电路3蜂鸣报警电路本设计中，蜂鸣报警电路采用一片时基电路555（如图210所示）R、C是定时元件；8155的PC5口是输入触发信号，下降沿有效，加在555的TR端（2脚）；U0是输出信号其中，输出脉冲宽度11RC。由图中参数可知，蜂鸣的时间为WT05S。电路的工作原理1没有触发信号时电路工作在稳态无触发信号即为高电平时，电路工作1U在稳定状态Q0，为低电平，TD饱和导通。0U2U1下降沿触发当下降沿到来时，电路被触发，立即由稳态翻转到暂稳1态Q1，、TD截止。因为，由高电平跳变到低电平时，比较器0TH1UC2的输出跳变为0，基本RS触发器立刻被置成1状态，即暂稳态。RTRIGCVOLTVCCGND555Q25104F1448376GND47F12BELL12410KU10图210蜂鸣报警电路原理图3暂稳态的维持时间在暂稳态期间，电路中有一个定时电容C充电的渐变过程，充电回路是VCCRC地，时间常数1RC。在电容上电压上升THU到2VCC/3以前，显然电路将保持暂稳态不变。4自动返回（暂稳态结束）时间随着C充电过程的进行，逐渐升C高，当上升到2VCC/3时，比较器C1输出0，立即将基本RS触发器复位到CTHU0状态，即Q0，TD饱和导通，暂稳态结束。0OLU5恢复过程当暂稳态结束后，定时电容C将通过饱和导通的晶体三极管TD放电，时间常数为2RCESC，（RCES是TD的饱和导通电阻，很小），经352后，C放电完毕，恢复过程结束。0CTH恢复过程结束后，电路返回到稳定状态，单稳态触发器又可接收新的输入触发信号。小结系统以AT89C52为控制核心。前向通道是系统获取信息数据的组成部分，它的性能好坏直接决定了整个系统的精度，而且一旦产生较大误差，将无法消除。因此前向通道必须高精确度。以带光电隔离的过零触发型双向晶闸管ACSSR为后项通道，通过正脉冲触发双向晶闸管导通，触发脉冲由过零检测电路产生。人机接口的典型装置是一个操作显示台或操作显示面板。本系统的显示接口采用单片机控制对LED数码管进行动态扫描的方法。而键盘输入接口也采用扫描方式来进行按键处理，同时采用555报警器蜂鸣报警。具体设计了以AT89C52单片机为核心，K型热电偶为温度传感器，MAX6675芯片为温度转换元件,由双向晶闸管ACSSR构成温度反馈信息给单片机，并由按键、LED数码显示器及报警电路等组成电烤箱温度控制闭环系统。第三章系统控制方案31PID控制311PID的概述PID的发展过程，很大程度上是它的参数整定方法和参数自适应方法的研究过程。自ZIEGLER和NICHOLS提出PID参数整定方法起，有许多技术已经被用于PID控制器的手动和自动整定。PID控制是迄今为止最通用的控制方法。大多数反馈控制用该方法或其较小的变形来控制。PID调节器及其改进型是在工业过程控制中最常见的控制器至今在全世界过程控制中用的84仍是纯PID调节器，若改进型包含在内则超过9019。312PID控制的基本理论及特点PID控制器是一种比例、积分、微分并联控制器。它是最广泛应用的一种控制器。PID控制器的数学模型可以用公式（31）表示8（31）1PDIETUTKETTT其中为控制器的输出UT为控制器输入，它是给定值和被控对象输出值的差，称偏差信号E为控制器的比例系数PK为控制器的积分时间IT为控制器的微分时间D在PID控制器中，它的数学模型由比例、积分、微分三部分组成。这三部分分别是1比例部分比例部分数学表达式为（32）PKET偏差一旦产生，控制器立即有控制作用，使控制量朝着减小偏差的方向变化，控制作用强弱取决于比例系数，越大，则过渡过程越短，控制结果的稳态误差也越小；但越大，超调量也越大，越容易产生振荡，导致动态性能变坏，甚PK至会使闭环系统不稳定。故而，比例系数，选择必须适当，才能取得过渡时间PK少、稳态误差小而又稳定的效果。2积分部分积分部分数学表达式为（33）PIETDT从积分部分的数学表达式可以知道，只要存在偏差，则它的控制作用就会不断地积累，输出控制量以消除偏差。可见，积分部分的作用可以消除系统的偏差。可是积分作用具有滞后特性，积分控制作用太强会使系统超调加大，控制的动态性能变差，甚至会使闭环系统不稳定。积分时间IT对积分部分的作用影响极大。当IT较大时，则积分作用较弱，这时，有利于系统减小超调，过渡过程不易产生振荡。但是消除误差所需时间较长。当I较小时，则积分作用较强。这时系统过渡过程中有可能产生振荡，消除误差所需的时间较短。3微分部分微分部分数学表达式为（34）/PDKTET微分控制得出偏差的变化趋势，增大微分控制作用可加快系统响应，减小超调量，克服振荡，提高系统的稳定性，但使系统抑制干扰的能力降低。微分部分的作用强弱由微分时间决定。越大，则它抑制ET变化的作用越强，越小，它反DTDDT抗变化的作用越弱。它对系统的稳定性有很大的影响。在计算机直接数字控制ET系统中，控制器是通过计算机PID控制算法程序实现的。PID计算机直接数字控制系统大多数是采样数据控制系统。进入计算机的连续时间信号，必须经过采样和整量化后，变成数字量，方能进入计算机的存贮器和寄存器，而在数字计算机中的计算和处理，不论是积分还是微分，只能用数值计算去逼近。在数字计算机中，PID控制规律的实现，也必须用数值逼近的方法。当采样周期相当短时，用求和代替积分，用差商代替微商，使PID算法离散化，将描述连续时间PID算法的微分方程，变为描述离散时间PID算法的差分方程，即为数字PID位置型控制算式，如下式（35）（35）01KSPDISTEKUKKET式中为K采样周期时的输出为K采样周期时的偏差E为采样周期TS即有DIPITKDDPSTK（36）01KIDIUKEEKKE其中、分别为比例、积分、微分系数。PID32模糊控制传统的PID类型控制器由于其在简易的控制结构被广泛应用于工业当中，这一点在目前是众人皆知的。根据1989年日本电子设备制造商联盟的一份国家过程控制系统调查，超过90的控制环类型是PID型。PID方程式简单而且能依据不同的控制对象轻易的被采用，但是如果控制系统是高阶和非线性的，它就不会有良好的控制表现9。321模糊控制的概述1965年，美国加里福尼亚大学ZADEH教授发表了模糊集合论一文，标志着模糊数学的诞生。模糊自动控制是以模糊数学为理论基础，即以模糊集合论，模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制，属于智能控制方法。随着科学技术的迅速发展，各个领域对自动控制系统控制精度、响应速度、系统稳定性与适应能力的要求越来越高，所研究的系统也日益复杂多变。模糊控制从1974年到现在，有三十多年的历史。在这段时间中模糊控制已经历了二个阶段，即简单模糊控制阶段和自我完善模糊控制阶段。模糊控制在实践应用中，具有许多传统控制无法与之比拟的优点，其中主要是1使用语言方法，可不需要掌握过程的精确数学模型。2对于具有一定操作经验、但非控制专业的工作者，模糊控制易于掌握。3操作人员易于通过人的自然语言进行人机界面联系，这些模糊条件语句很容易加入到过程的控制环节上。4采用模糊控制，过程的动态响应品质优于常规PID控制，并对过程参数的变化具有较强的适应性10。322模糊控制的基本原理及特点模糊控制系统的基本原理可由图31表示。其中的核心部分为模糊控制器，由于模糊控制器的控制规则是根据操作人员的控制经验取得的，所以它的作用就是模仿人工控制。模糊控制器的控制规律由计算机的程序实现。其功能的实现是要先把计算机观测控制过程得到的精确量转化为模糊输入信息，按照总结人的控制经验及策略取得的语言控制规则进行模糊推理和模糊决策，求得输出控制量的模糊集，再经去模糊化处理得到输出控制的精确量，作用于被控对象。因此，模糊控制器的结构通常是由它的输入和输出变量的模糊化、模糊推理算法、模糊合成和模糊判决等部分组成。这样就确定了模糊控制器FLC的基本原理，如图32所示1。由此可见，模糊控制器实质上是反映输入语言变量与输出语言变量及语言控制规则的模糊定量关系算法结构，一般常用的是二维模糊控制器，即以偏差和偏差变化率作为输入，工作过程可概括为下述几个步骤1将输入变量的精确值变为模糊量；2根据输入变量（模糊量）及模糊控制规则，按模糊推理合成规则计算控制量（模糊量）；3上述得到的控制量（模糊量）清晰化计算得到精确的控制量。A/D模糊控制器D/A执行机构控制对象传感器图31模糊控制系统的基本原理框图D/DT模糊化模糊控制规则清晰化图32模糊控制器FLC的原理图33模糊PID控制常规的二维模糊控制器是以偏差和偏差变化作为输入变量，因此，一般认为这种控制器具有FUZZY比例和微分控制作用，而缺少FUZZY积分控制作用，众所周知，在线性控制理论中，积分控制作用能消除稳态误差，但动态响应慢；比例控制作用动态响应快；而比例积分控制作用既能获得较高的稳态精度，又能具有较快的动态响应。故把PIPID控制策略引入模糊控制器，构成FUZZYPI或PID复合控制，使动静态性能都得到很好的改善，即达到动态响应快，超调小、稳态误差小。模糊控制和PID控制结合的形式有多种111模糊PID复合控制控制策略是在大偏差范围内，即偏差E在某个阈值之外时采用模糊控制，以获得良好的瞬态性能；在小偏差范围内，即E落到阈值之内时转换成PID（或PI）控制，以获得良好的稳态性能。二者的转换阈值由微机程序根据事先给定的偏差范围自动实现。常用的是模糊控制和PI控制两种控制模式相结合的控制方法称之为FUZZYPI双模控制。2比例模糊PI控制当偏差E大于某个阈值时，用比例控制，以提高系统响应速度，加快响应过程；当偏差E减小到阈值以下时，切换转入模糊控制，以提高系统的阻尼性能，减小响应过程中的超调。在该方法中，模糊控制的论域仅是整个论域的一部分，这就相当于模糊控制论域被压缩，等效于语言变量的语言值即分档数增加，提高了灵敏度和控制精度。但是模糊控制没有积分环节，必然存在稳态误差，即可能在平衡点附近出现小振幅的振荡现象。故在接近稳态点时切换成PI控制，一般都选在偏差语言变量的语言值为零时，（这时绝对误差实际上并不一定为零）切换至PI控制。3模糊积分混合控制将常规积分控制器和模糊控制器并联构成的。4参数模糊自整定PID控制PID控制的关键是确定PID参数，该方法是用模糊控制来确定PID参数的，也就是根据系统偏差E和偏差变化率EC，用模糊控制规则在线对PID参数进行修改。其实现思想是先找出PID各个参数与偏差E和偏差变化率EC之间的模糊关系，在运行中通过不断检测E和EC，在根据模糊控制原理来对各个参数进行在线修改，以满足在不同E和EC时对控制参数的不同要求，使控制对象具有良好的动、静态性能，且计算量小，易于用单片机实现。其原理框图如图33所示12。模糊化模糊推理常规PID调节器控制对象D/DT解模糊图33参数模糊自整定PID控制算法原理图小结PID调节器及其改进型是在工业过程控制中最常见的控制器，至今在全世界过程控制中用的84仍是纯PID调节器，若改进型包含在内则超过90。模糊控制是基于模糊逻辑描述的一个过程控制算法，主要嵌入操作人员的经验和直觉知识。它适用于控制不易取得精确数学模型和数学模型不确定或经常变化的对象。温度控制系统的模型通常是不完善的，即使模型已知，也存在参数变化的问题。而把PIPID控制策略引入模糊控制器，构成FUZZYPI或PID复合控制，可以使系统动静态性能都得到很好的改善，即达到动态响应快，超调小、稳态误差小。无论是模糊控制、模糊PID控制，都属于人工智能领域同PID结合以调节PID参数，从而适应温控系统非线性、干扰多、大时延、时变和热分布不均匀的特点。第四章仿真研究为了进行模糊系统的仿真设计，国内外的学者都开发了一些工具。其中一个是MATLAB的模糊控制工具箱（FUZZYLOGICTOOLBOX）。模糊控制工具箱是一个不针对具体硬件平台的模糊控制设计工具，它可以用图形界面的工作方式设计整个模糊控制器，如定义它的输入、输出变量的数目，各输入、输出变量的隶属函数的形状和数目，模糊规则的数目，模糊推理的方法，反模糊化的方法等等。在设计好这样一个纯粹的模糊控制器之后，可以利用MATLAB本身的SIMULINK仿真平台来构建整个模糊控制系统并进行仿真。它的优势在于它可以利用MATLAB软件本身丰富的资源，来构建不同结构的模糊系统，比如神经网络模糊系统，遗传算法模糊系统，模糊PID系统等等，并对这样的系统进行仿真、分析1314。41MATLAB及其模糊逻辑工具箱和仿真环境SIMULINKMATLAB是矩阵实验室（MATRIXLABORATORY）的简称，是美国MATHWORKS公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和SIMULINK两大部分。MATLAB和MATHEMATICA、MAPLE并称为三大数学软件。它在