恒温箱温度控制系统的设计【采用STC12C5A60S2单片机-独家毕业课程设计带任务书+开题报告+外文翻译】
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恒温箱温度控制系统的设计【采用STC12C5A60S2单片机-独家毕业课程设计带任务书+开题报告+外文翻译】,恒温箱,温度,控制系统,设计,采用,采取,采纳,stc12c5a60s2,单片机,独家,毕业,课程设计,任务书,开题,报告,讲演,呈文,外文,翻译
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11223344D B 2016/6/1 E: .y:755300K,0K,00D)R)0)1)8)9)10)11)12)13)14)15)按键电路 02. 5过零检测04. 加热负载驱动电路05. 蜂鸣器驱动07. 热电偶信号处理电路 电池储能加强风力发电机在电力 系统集成 . . 要 风力发电，因其在电网的电网穿透率因而正在覆盖到世界各地。由于其随时间变化的性质和造成稳定性的问题，风力发电是一直波动的，这种弱的互联风在电网的发电来源会直接影响电能质量和它的可靠性，局部能源库应当赔偿波动功率和支持加强电力的风力发电机系统。在本文中提出了在电流控制模式下电压源逆变器 (能，即通过直流总线的电池。风力发电测量出风速的变化，并储存在蓄电池中，这个储能直流电压保持在整个刚性总线的电压源逆变器上，所提出来的方案提高了电力系统的可靠性和稳定性和维护单位功率因数，它也可以运行在电力系统的独立模式 下，在风力发电的功率交换和动态情况下的负载是可行的，在普通点耦合时能保持规范的电能质量。它加强了电力系统的薄弱电网部分，在这种控制策略评估动态条件使用测试模拟系统，结果通过比较，验证了控制器的性能。 关键词 ： 能质量； 风能发电系统。 在最近几年，风力发电已经作为一种干净的和取之不尽，用之不竭的新能源而备受关注的，风力发电的普及率已经在世界各地持续增加，电力发电可再生能源投资的增长速度也正在世界范围内增加，德国大约有 16%的电力来自风能， 丹麦也有 12%电力来自风能，美国正在计划产生 20%的来自风能的电力，印度是全球第五大风能生产国，其在 2009年总风电潜力估计为 45195兆瓦，装机容量为 10925兆瓦。然而，风电场输出功率是波动的，并且会影响到互联电网 。所以这就 需要一些措施来减少输出波动率并保持在网格的电能质量。 已经做了很多评估研究试图减轻风力发电系统的影响，在互联电网系统有一些基于氢，电容器，电池储能和超导磁储能的形成研究。在日本，电池储能被用于减缓风电场稳定短期波动输出的变化，提出了大量的能量储存为了提供所需设备去管理风电波动，加强风力吸收，实现节 省燃料成本，并减少 放的目的。提出的一种统计方法就是利用两节电池储能，其中风力是用于一个充电电池储存，而另一个是用于放电电池储存，该控制方法是为电池充电状态提出的，静态补偿器和储能电池固定速度的风力发电机为电力系统提高了电能质量和增加了稳定性。风力发电渗入到电力系统 将会增加对风力变速的进一步运用以容纳电力系统的最大功率，因此，它通过今天的电池储能促进了风力发电系统，电池储存能对充电放电快速反应，使它在电力系统中作为一个恒定电压源，当风速波动，特别是在高输出低于正常运行速度时，电池储存是有效的，因此，输出曲线平滑很大程度上取决于电池的储能能力。 在本文中，该系统在加强电力系统上是高效和经济。为了验证该系统的有效性，电池储存和风力发电系统提出了电流电压源逆变器的控制方式，位置控制器在模拟运行是基于瞬时建模的，提出电能储存的控制 系统有以下目标： *在公共耦合总线的单位功率因数 *风力发电机的无功功率支持和电池负载 *在电网故障情况下独自操作 本文结构如下：第 2部分介绍了广义薄弱网络系统，第 3部分给出了系统配置加强了电力系统，第 4 部分提出了数学模型，第 5 部分介绍了系统的性能，第 6 部分是结论总结。 广义风力发电机接口系统在电力系统中对各侧都有电压，风力发电机所连接的总线是电力系统中的一个薄弱节点，它可以通过阻抗连接到强大的网格上，如图 在广义电力系统中，三相电源被对称地发送，线电压与 3 倍相电压相等，并且总的三相功率恒定，电压降阻抗可以写成： 2= 3 （ 1） 其中 2是均方根 (压， 在公共连接点 （ ，风电场和本地负载也连接起来，风力连接的短路功率 Z/1k (2) 图 1 风力发电量的变化通过阻抗 Z 就会引起电流的变化，这些电流的变化又会引起电压变化。在实践中，使网络连接短路比小于 可以避免的，因为它增加了电压波动被称为弱网格。 阻抗 Z=R+遍存在的阻抗谐波为： Z h = R + (3) 其中 就是说，感应电抗随着频率线性变化。 风力发电量和负荷的组合表示为 P+中 P 是有功功率， Q 是无功功率。无功功率则依赖于电压和电流相位之间的移动，如式 （ 4） ： )PQ( (4) 风力的无功功率对电压 些影响依赖于本地负载和反馈的电网阻抗，因此，在风能产生电力系统中使用能量储存系统去强化弱电网是很有必要的。 3 该储能加强了风力产生的网格在电力系统上配置其工作原理和所述开关逆变器的控制策略，如图 2所示： 图 在这个系统中，电源电流的大小是通过瞬时电流源、功率变换器和负载来测定的，电池作为一种能源达到电压调节的目的，该风能发电系统被连接到不受控制的整流桥，其输出电压为可变直流，并且连接到电池储存充电。该电池还可以从低需求的电 网中带电，用于调峰需求，误差电流可以在公共耦合点的网格注入电流控制电压源逆变器。 利用该控制策略去加强风力发电系统，如图 3所示。 在实施控制策略并入电网系统过程中，直流环节需要通过功率变换器连接风能发电系统并入电网中，感应发电机的输出是通过整流器的第一轮转换，电池储能系统的（ 直流电压与参考值连接，它的误差会被送入比例积分器，比例积分控制器的输出被乘以一个基准正弦波发生器，因此，可以得到预期的参考电流 I*际电流可以通过电流传感器从所需的参考电流检测和削减出来，使误差发送到滞后电流模式控制器生成开关模式。因此，这种控 制策略在电网系统的开关逆变器中作为一种瞬时脉冲宽度调制的电流反馈控制方法（ 图 图 逆变器运行的电流控制模式表现为： )(L/i)R(（ 5） )(Li/i)R(（ 6） )(L/i)R( (7 ) C/) (8) 逆变器电压，和压，ii,i 和是逆变器电流，通过和参考电流i*i,*i 和的比较获得开关信号，是实际的源电流，误差电流ii,i 和被应用于滞后控制器，会对开关电源产生正确的信号，是开关进行开和关的操作，直到电流超过或者低于有效值。在这种技术中，一种独立的比较器用于驱动逆变器，一个三臂桥逆变器的导通状态用三变量逻辑开关函数表示，分别是S,S 和。滞后控制器相位 A 反转得到开关函数 )i(的特性，这一特性构成了所描述的磁滞回线。 2/S2/ （ 9） 其中， 1A 和 表示开关的状态。 由于这种开关函数，逆变器用电源电流无谐波的方式将电流注入电网中。 注入的电流将会抵消一部分有反应性的和高次谐波的负载电流，从而提高功率因数，为了实现这个目标，电网检测并产生电流同步逆变命令，一个三相平衡电压源在电网上被表示为： )120ts V)120ts V)ts （ 10） 因此，对于比较的参考电流必须来自源（电网）电压，这些电流可以表示为： )2 4 0ts 2 0ts Ii)ts （ 11） 其中 确保了控制电流源是为了看正弦波时电源电压是否平衡。 风力发电系统和储能电池系统是最合适的，因为它可以迅速注入或者吸收无功功率去稳定电网，它还以非常快的速度控制这些线路分布和传输系统。 风力电池发电系统的数学模型描述如下： 感应发单机已用风涡轮发电系统，因为它的优点就是从变速原动机发电，与同等级的其他机器相比，更适合高速运行，便于维护，降低成本，电压和频率控制的电网，风力发电系统输出功率表示为： 3 (12) )3 是空气密度， A(通过的涡轮叶片横扫的区域，利用所有的风能是不可能实现的，因而只能提取一部分的风能，被称为风力涡轮功率系数 下式表示： (13) 其中 (14) 这也被称为 这个系数可以表示包含速度 和倾角的函数 ，它是一个高度非线性的 和 的函数的功能，如果机械扭矩 应用，可以很方便地生成系统，其中 是计算涡轮转速的。 bi e c hm e c h / (15) 因此： )V,(fP w bi e c h (16) pw in m e c h (17) 其中， 位是 m/s。 图 在逆变器中，电容器作为中间元件，减弱了风力发电系统，电网系统系统如图 3所示，使用来建模的电容器比电 感更加有效和昂贵。 b)in v(dc)in v( （ 18） 其中 C 是电路电容， 形）是整流后的直流测电流， 是逆变器直流侧电流，如图 5所示。 电池存储连接到直流电网，由一个电压源 一个内部电阻 表，内部电压随着电池充电而变化，终端电压 （ 19） 保持足够的直流链接级以满足电压逆变器是很有必要的。 （ 20） 到线中性的电压逆变器电压，交换频率是 2输出频率是 50 是调制指数（ 因此，这个直流线性电路专门为 800V。 直流环节电容计算为： C （ 21） 在电池储存的分析系统中，电池的数学模型是依赖于系统研究的，电池模型的数据目前是作为终端的行为而言：相似的短期模型是将电压源 一个内部电阻 联起来研究的。电池的响应时间是依赖于它的电气参数，实际上的一般使用铅酸蓄电池。在电池存储的应用上，直流环节的设计上大量的电池串联产生所需要的操作电压。 在电压源逆变器上，转换器的每个开关都被表示为一个二进制开关，该电阻的值是无限的，如果开关是关闭或者零或者是开启的，那么该逆变器的输出电压方程可以如下书面表示过程： （ 22) 其中 对控制器的滞后型可以推导出逆变器的开关函数， B, 一 种从风能中提取的电池能量储存的风力发电机方案如图 2 所示，它是在统集成模块中模拟出来， 步发电机，负荷模型等，这是已经建成的模拟系统，对于给定的系统仿真参数如表 1 中列出： 表 系统参数 规格 电源电压 三相， 415V， 50源和线性电感 力发电机参数（感应参数） 15015V ， 50=4 ， ， ，均风速 5m/s 直流线性参数 直流线性电压 800v， C=5 F 整流桥参数 缓冲电阻 R=100 ， ， C=1 F 逆变器参数 备，三臂桥类型 额定电压： 1200V；正向电流： 50A；栅级电压 +/迟开启时间： 70迟关闭时间： 400耗 300W 电池存储 直流电压： 800v 接口变压器 415 / 荷参数 三相 415v，非线性负荷 负载被认为是一个非线性负载的系统仿真，该系统的性能是为了改善电能质量而进行观察，以及当电源不可用时可以支持负载。这个逆变器开关打开时间是 源电流是 载电流是 变器的电流测量和无逆变控制器电路也在单机运行模式中，从电源提供的电流是正弦，谐波等形式，该控制器系统如图 6（ a）所示，系统负载电流如图 6（ b） ，从逆变器注入的供电电流如图 6（ c），间隔时间，负载电流将会是电源电流和逆变器电流相加。电网故障时间在 t=源电压不可用，因此逆变器将会支持负载和利用风能发电机电池储能系统作为一个独立模式。 图 a），源电流（ b），负载电流（ c）逆变器电流 图 a），直流电压（ b），风力发电机的整流电流 （ c） 电池供应电流（ d），充电电容放电 驱动风力发电机产生能量和在直流线性电路上提供一个非控制接口，可变速感应输出发电机是速度依赖性的，将转换输出为直流电压是很有必要的，直流环节电压如图 7（ a）所示，为了从风力发电机的负荷转换成实用的电力，产生的电力供给电池充电整 流器，这种控制策略保持了恒定的直流电压的直流环节，风力发电机整流电流如图 7（ b）所示，电池电流提供的电流如图 7; （ c）显示，充电和直流放电电容器如图 7; （ d） 在模拟系统上放电深度是不考虑的。 力发电机的性能 感应发电机和汽轮机是通过直流环节来进行电力转移的，风力涡轮机是在 5m/s 风速时操作产生的，电流和电压分别显示在图 8的（ a）和（ b）中。 比例积分控制器应用于控制系统，并且它的响应速度时极快的，它纠正了测量变量和期望设定值之间的误差， 确定反应的电流误差， 确定反应的最近的误差之和， 制器用来增加超调量的变化，沉降时间消除了系统的稳态误差，模拟的传递函数为： （ 23） 控制器的性能如图 9 所示，这是用于稳定在分布式电网的电压，电源电流保持与电源电压同步，这表明了常见的耦合观点上的功率因数，它满足了电能质量规范，同相电流源和电压源的结果如图 10所示。 图 （ a） 三相电压（ b）三相电流 图 操作前后的电流波形可以分析电能质量测量，傅里叶表示的波形分析是无需系统控制器，电源电流信号的总的谐波失真（ 图 11（ a）所示，测量的 它的谐波顺序如图 11（ b）表示。 当控制器是在开启状态时，在常见耦合下可以观察电能质量改进，在操作中逆变器的放置和电源电流的波形如图 12（ a），快速的傅里叶变换如图 12（ b）所示。结果表明 标准范围内已经得到了大大的提高，无逆变控制器和国际电工学标准的比较如表 2所示。 图 图 a）源电流和电流源的 a）源电流和电流源的 表 电流源谐波阶 F 3 5 7 9 11 控制器 2 10 制器 际电工学标准 3 在电力系统中的加强风力能源储存方案不仅能改善电能质量还支持实际的无功功率负载。 本文提出了风能提取方案与接口的电池储能系统的有功和无功功率的交换电流控制模式去支持负载功率，滞环电流控制器是用来产生逆变器的开关信号的这样一种方式，它将注入电流分布系统。该方案保持的单位功率因数和谐波源电流是在分布式网络共同连接的，风力发电的交换是在直流母线的能量储存和提供的稳定状态下调节的，这也使得在负载的瞬时需求中得到实际的潮流，这些建议是控制系统适用于快速注射或者吸收无功 /实际电力系统的功率流，电池能量储存系统提供了快速的响应，提高了风电波动输出下的性能，并且也提高了电压稳定性，该方案提供了一个选择， 在可利用的风能中选择最经济的实际负载功率，电池、传统的资源和系统支持去加强电力系统电能质量的规范。 F 9, 1, 011 23in is to of in to in In it is to in dc be in dc of of It be in in is at of It in is on by by of 1. n as a of in 8, 2010; 8, 2011. S. W. is he is a ( M. V. is is 6% 0%. US is to 0% is 5,195 MW 0,925 MW 009. of is of of to to so as to in a of to of on A in on of -5. of in to of . . of in is to is to . of of 9. to 0,11. of to of to in it in s a or it as a in is at on In is . . F 9, 1, 011 24 to In to of of is is on at to in of is as to 2. he in on of is a in it is to , 1. In is as as is be 123Z= (1) 12I is r.m.s is of to At of is 1. (2) 2of L L+1. in in in . in 2. In .5 to be as it to it is as + is at in of )LZ + (3) h is is to of is , is is is on as 4): 1=. (4) in an on 2. is on on it is to in 3. he to in is on on as 2. 315 V,50 =LV ia,b,2. of to of 15 V, 50Hz of , R, b,c et n of is by is as an of is to is dc to be in in be is in at of of he to is 3. In of a dc is to a is a dc at is is of is by a be is by so is to to as an of in as 4. 3. of 4. of is as sa ( )ii v v + (5) sb ( )ii v v + (6) sc ( )ii v v + (7) ib iS + (8) , , by * of , , to to N FF or In a is to of a is by A, C. of A=() of a of a be , 21, 2(9) h of A=0 S =1 of to in a is of To in a is at as )120 )120 )= =+DD(10) be be 0 s) 6420246I (F 9, 1, 011 26 )120 )240 )iI = =DD(11) is to of of a. is to be of is or is it or to It at a 4. he of is as he is it of of by of is (12) (kgm3) is (is by It is to of it a of in it is (13) of m, = (14) is s be as a of . It is a . If it is to is . (15) )= (16) 23 (17) in m/s. dc(5. dc 4.2 n is as 3. of is it is as dc dc(dc( I (18) is is dc(is as 5. is to is by a in an b. of dc (19) It is to to dc (20) r.m.s of 0 dc is 00V. is as (21) of of n of of is on of as as is 2. in an of is on In a b b b et 7in in to as dc n of is as a of is if FF if it N. be 2 1311 2 = . (22) of a of A, 3-17. 5. he of a of is 2 it is of It . he is as a of of is as as to is is on s, L, in at of : is as as is in is 6 (a). in is 6 (b). is 6 (c). be of is at t=is as a 6. (a) (b) c) 7. (a) b) of (c) by d) of 3415V, 50.5 150415 V, 50P=4, 5m/s C= 5F. =100, C=1F 1200V Forward 光刻投影镜头多闭环温度控制系统 摘 要 图像质量是光学光刻工具的最重要指标之一， 尤其易 受温度 、 振动和投影镜头（ 染 的影响 。本地温度 控制的 传统方法更容易引入振动和污染， 因此研发 多闭环 温度控制系统来控制 部 温度，并隔离振动和污染 的影响 。一个新的远程间接温度 控制（ 案 ，提出了 利用 冷却水 循环完成对 间接温度控制 。嵌入温度 控制 单元（ 的 加热器和冷却器 用于控制 冷却水的温度 ，并且， 须远离 避免震动和污染的影响。 一种包 含 一个 内部 级联 控制 结构（ 一个外部 并行 串 联 控制 结构 （ 新 型 多 闭环 控制结构 被用来 防止大惯性， 多重迟滞 ， 和统的多重干扰。 一种非线性比例积分（ 算法应用，进一步提高收敛速度和控制过程 的 精度。不同的控制回路和算法的对比实验 被用来验证对控制性能的影响。结果表明，精度达到 规格 的 多闭环温度控制系统收敛 率 快 ，鲁棒性强 ，自我适应能力好。 该方法已成功地应用于光学光刻工具，制作了 临近尺寸 （ 100 纳米的模型 ，其 性能 令人满意。 关键词 ：投影镜头，远程间接温度串级控制结构，并行串 连 控制结构，非线性比例积分（ 算法 1 简 介 由于集 成电路缩小，更小的临界尺寸（ 求，生产 过程 的控制越来越严格。作为最重要的制造 工艺 设备，先进的光学光刻工具需要更 严格 的微控制环境， 如 严格控制其温度 、 洁净度 、 气压 、 湿度等 。 温度波动，特别是导致图像失真 和 平面图像转变，成为 了 光学光刻工具对图像质量影响的 一个 关键因素。投影镜头 (的 温度 精度要求一个光刻工具 在接近 制造 一个小于 100 模型 。另外 需要 部温度 收敛 率 快 以降低光刻技术的所有权（ 的成本 . 然而，实现这些目标 是 一个很大的挑战，因为加热器和冷却器 控制温度 要求操作远 离 否 则其性能 将被它们的 振动和污染 所破坏 。另一个原因是， 部结构复杂，它 包含数十个镜头 ， 会导致几个小时惯性，所以 部的温度反应相当缓慢， 并 需要 很长时间去调整适应 。 因此，一个 新的结构和控制算法 是 部 温度 控制的必要和重要部分。 许多温度控制结构 已经被提出了。 著名的经典 方法之一是被 广泛应用于 简单或低精度 温度控制 系统的 单闭环回路控制 结构 。当被控对象变得更加复 杂或 产生分布式干扰 时， 串级控制结构（ 的 提出改善 了 精度和收敛 率 。预测前馈控制结构已被证明具有更好的 滞后 系统性能。另一种有效的方法 ， 并行串级控制结构（ 也 开发了具有 延迟 分布 式干扰的系统 。但 是 上述使用方法，很难实现 部温度 控制的 高精确度和 快 收敛 率 。 在此， 本文 提出了一种新的方法，即多 闭 环温度控制 系统，含有一个内部 一个外部 文 大致分为四个 部分。 第一部分解释了一个 远程 间接温度控制 方法的应用。 第二部分 是一个 多 闭环回路 温度控制结构 的分析。 第三部分，一个双 进 双出非线性比例积分（ 法 的提出用来提高控制过程的收敛速度和精度。 在文章的最后一 部分 ，对比实验验证了系统的有效性 这种显示 ，最后，给出了 结论。 2 远程间接温度控制方法 为了防止 震动和污染影响 性能 ，一个 远程 间接温度控制 的方法被提出来 控制部温度 。 不同于传统 的 直接加热和冷却控制对象 的方法 ，它 借助于冷却水和冷却套间的热交换使 部温度恒定。 冷却水通过长距离管道由 送 至冷却外壳。水箱 、 温度传感器 、 温度控制器 、 加热器 、 冷却器 和 泵 组成。 它用于 调节冷却水的温度以达到需求值 。 光刻工具放置在不同的洁净室，如图 1 所示 。 理论上，这种方法属于开 环 结构 。 除了 他光刻技术 的部分 ，如晶圆 阶段 、 标线的阶段 、 标线交接 、 晶圆移交等， 都在操作时产生热量 。 的 冷却水还用于 冷却光刻技术的其他部 件 。 循环系统 回收冷却水 ， 节省最大能量 ， 是 很必要的。图 1 展示了 包括 离器、 冷却 套和管道 的循环系统。从 储水 中抽出冷却水 通过管道和 分离器进入冷却套 ，最后通过合成器 、 管道和 冷却 器流回储水箱 。 对冷却水循环系统的分析 表明了影响 部 温度的 三个 主要因素 ： 干扰多， 迟滞多， 还有 惯性 大 。干扰 多 ，包括冷却水 温度波动 ， 部热量散失 ， 外部 介质之间的热交换 。冷却水温度波动是多种因素造成的，其中包括 部 自 励 温度 震荡造成的 非线性 加热冷却 ， 管道和周围气体之间的热传递 ，以及光刻 工具其他地方产生的 热量 。 在这个循环系统中， 冷却水温度波动 达到 最差的情形 。 部热量散失有两个原因 ，一个是 当 激光穿过透镜 时，内部 辐射和 导 热 交换 ，另一个是在镜 头和内部净化氮 之间的导热和对流热交换。至于激光，它的散热量大概是 15W。 部介质之间热交换 来自两个方面 ， 一方面来自 其相邻零件之间的相互热交换，另一方面来自 部箱体和周围空气的导热和对流热交换。 但是， 外部介质之间交换的热量 由于其复杂性 ，故 难以计算 。迟滞多 主要包括 热和冷却 3秒迟滞，冷却水交换 3 分钟迟滞，还有 冷却套间热交换 10 分钟 迟滞。 此外， 杂结构导致不平衡热交换，而由于 其体积大导致惯性在和小体积物体相比时，温度波动较小。 上述分析表明， 仅仅通过开环结构使 部温度控制精度高和收敛速度快 是非常难以实 现的。 此外， 在开环结构中 还有 很大的稳态误差。在以下部分中，我们将介绍一个提高 部温度控制的控制结构， 并解释如何提高温度控制精度和收敛 率 。 3 多闭环控制 结构 多闭环温度控制结构由一个内部 一个外部 成。 连 控制结构 度控制的内部 图 2 所示。有两个分别带有两个控制器的反馈回路。主要回路 用来控制 部的温度 ( 箱中的冷却水温度控制 (成了第二条回路 . 分析这个系统的运作质量是很容易。如果 部 温度偏离 期望 值 ( 嵌入 主 控制器 中的 控制算法会 通过比较温度的测量值 算一个新的冷却水温度设定值 （ 。 然后，发送新的设定值 温度控制器 。 随后根据温度测量 值 新的设定值 的偏差 ， 的控制算法计算加热器和冷却器的输入值，并对 水箱里的冷却水进行加热或者降温，直到温度达到新的设定值。 部温度期望设定值通过一台机 器连续地给出。 制回路是一个慢控制回路。 制回路是一个快速控制回路，能快速跟随主回路设定值 当一个新的 设定值 送到 需要几分钟 时间去调整 箱中的水温至设定值。 二次回路具有很强的抗内部干扰的能力。 此外，还可以减少 对主回路 非线性和 迟滞的影响。 图 3 显示了 关于 上述 描述 串级控制系统的控制原理图。在下面的图表和方程式， Gt(s)表示加热器和冷却器传递函数 ,Gp(s)表示管道传递函数， Gl(s)表示 递函数。Gm(s) Gm(s)表示主控制回路传递函数， Gs(s)表示二次控制回路 传递函数。 Hm(s) 表示测量设备主回路传递函数， Hs(s)表示测量设备二次回路传递函数。 表示 箱中冷却水迟滞 ， 表示通过管道的冷却水迟滞 ， 表示 部热交换迟滞 ， Nt(s) 表示部扰动 ,Np(s)表示管道外扰动 ,Nc(s)表示 Nn(s)表示 Rl(s)表示 部输入温度， Rt(s)表示 箱中冷却水的输入温度， C1(s)表示 的输出温度， Ct(s)表示 箱中冷却水的输出温度。 二次回路中的输入输出函数如下所示： 根据二次回路的稳态，输出 Ct(s)近似等于输入 Rt(s)。因此，主回路的输入输出函数可表示如下： 在此 早期的研究表明， 时间常数约为 4h。传递函数 G1(s） 为 传递函数 Gp(s)为 对于简单的闭环系统 容易消除它的稳态误差。然而，根据方程式 (2)和（ 3)，温度的收敛率从开始到稳态变慢，因为 和 的延迟。而且，很难获得 精确的温度，因为 和 的扰动。在定态的状态之下，由于的作用， 当瞬时温度变动超过冷却水温度 ， 的温度变动超过 。需要几个控制周期才达到下一个稳定状态 。因此介绍 行串联控制结构 图 4是扩展的 个图省略了操作系统 ，在系统的框中确定了主要组成环。与 比较，也有两个控制环和两个控制器。一个是 一个是结合处冷却水温度的副环。它们之间的不同是主控制对象和副控制对象之间是并行的。 副控制对象的输出不是主控制对象的输入。在这个系统中， 控制运算法则是主要的控制器根据 和 之间的偏差决定一个新的冷却水的最佳温度值。然后辅助的控制器中的控制运算法则依照 和 之间的偏差计算 控制环 是一个慢的控制环。控制环 是一个快速控制环，它过去一直快速的预测结合处的冷却水最佳温度值。当合处冷却水的温度就是最佳温度。这个最佳温度将会保存为一个常数。从扰动抑制的观点看，根据前馈控制相同的原则来控制辅助环。他们之间的不同是扰动必须是可测量的前馈结构，而 图 5 显示了上面提到的并行串联控制系统的详细原理图。在下面的图表和方程式中， 代表结合处冷却水的传递函数， 代表副控制器的传递函数。代表辅助环测量装置的传递函数， 代表结合处冷却水的输入温度， 代表结合处冷却水的输出温度。 副环的输入输出的传递函数如下： 在副环的稳定状态下，输出 和输入 近似相等。所以主环的输入和输出的传递函数可以简化为： 比较方程（ 2）（ 3）和（ 7），我们可以得出扰动 和延迟时间常数 从主环分离，只有扰动 和延迟时间常数 仍在主环内。所以辅助环获得了物理结构中互相延迟和互相扰动的分离，且隔离了主控制对象的非线性，互相延迟和互相扰动的影响。这种结构也控制器设计的困难。即使冷却水有温度的变 动，他也能通过副控制器补偿。因此， 的温度控制可具有高精度和快收敛率。 4 非线性比例积分算法 为了进一步提高系统的收敛率和精确度，一种具有非线性 法的二重输入和二重输出智能控制器被设计出来，如图六所示。 的温度偏差 和结合处冷却水的温度偏差 都是控制器的输入端。控制器的输出端是 面冷却水温度值 和结合处最佳冷却水温度值 。 控制器里嵌有智能算法。它包括两级且根据理想的动态响应分为五个控制阶段。高级算法决定从我们先前介绍的五个阶段中选择 10。非线性 法在低级算法中使用，它将 在后面的段落中介绍。 考虑到温度控制系统的相互扰动特点， 法代替了不同比例积分算法（ 因为不同项目将引起高频率振动和增加系统稳定性误差。 图七显示了非线性 法的原理图，在接下来的图表和方程中， 代表 代表结合处最佳冷却水的温度值， 代表 制法 对 的 影响， 代表 制法 对 的影响， 代表 制法 对 的影响， 代表制法 对 的影响， 和 代表数据融合系数。 控制算法可以被描述如下： 其中 i=1， 2， j=1， 2， 是基本不相关的增加的 制算法 ： 其中， 代表比例系数， 代表积分系数， 代表取样结果，和 分别代表在 k 时刻的控制输出， e（ e（ k）分别代表（ k 时刻的信号偏差。 数据混合系数由已有的规则得出。详细规则如下： 其中 代表由 温度的的稳态误差决定的偏差值， 代表由 温度的暂态误差决定的扰动值， 代表由结合处冷却水温度的稳态误差决定的偏差值， 代表由结合处冷却水温度的暂态误差决定的扰动值。 根据已有的规则和控制过程的输入信息，可以获得十六种不同的算法。根据输入数据控制器可以灵活的选择任何一种 算法。这不仅能提高算法的适应性和收缩率，还能增强系统的稳定性和反干扰能力。 5 实验验证控制结构与算法 如图 8 所示，建立了一个实验平台来验证该方法的有效性，其中包括一个仿制 度传感器，温度测量系统， 程计算机，隔热室，光源等。仿制的 实 际的 有相同的温度特性。隔热室模仿光刻表面隔离热的作用。用一个 20W 的白炽灯作为暴露光源。三个温度传感器具有高精度的负温度系数， 的校准精度是用来检测 的温度，结合处冷却水的温度和热隔离室外环境的温度 。温度测量系统由 1590 模型超温度计和一个具 有 分辨率的扫描器组成。 置了的精确度。工程计算机上具有智能算法。 用四个实验来检测控制系统和算法：（ a）是用开环结构，（ b）使用具有 法的 c）使用具有 法的 d）使用具有非线性 法的 这些试验中理想的 度是 22，非线性 法的参数是： 是 是 是 是 实验结果如图 9 所示。图 9（ a）展示了开环结构的温度曲线。正如图 9 所示， 定且没有达到 2 系统中存在三个大的稳定性误差，使用闭环系统是非常必要的。图 9（ b）显示了使用闭环系统 20 小时后代到了稳定。图 9（ c）显示了温度收敛比图 9（ b）快，但 温度的精确度并没有得到很大的提高。图 9（ d）显示了具有非线性 法的 统的温度曲线。它只用了 时达到了 稳定。即使外部温度 在 内摆动， 的温度仍可以达到 的稳定性。很明显新的方法大大的增加了收敛率，精确性和抗干扰能力。 6 结论 通过使用闭环交互系统可以提高光刻 温度控制准确性。通过分析和实验揭示了具有 法的 统具有预测和滚动最优的能力。它在收敛率，控制精确性，抗干扰能力方面比开环结构和闭环 好。它用于光学领域生产 100过简单的改进，它也可以控制其他的需要远程遥控的非直接温度控制，尤其是侵入液体的侵入式光刻等复杂对象的温度控制。 第 I 页 摘 要 在此次设计中，主要是设计一套能够精确控制温度的恒温箱温度控制系统。该系统能够实时、自动、准确的测量恒温箱内的温度，然后通过加热和降温将温度控制在设定的误差范围内。 恒温箱在各个领域里都有很重要的意义，但其控制系统又较为复杂，基本上不可能用数学的方法建立准确的模型。当前是用经典控制和智能控制两种控制算法相结合的方式对温度进行高效的控制。 我们采用 片机作为核心控制器，温度测量采用数字温度传感器，使用 制，输出控制用量的调节用的是可控硅触发端的通断，从而实现对温度的控制。温度在一定范围内可以由人工调节，并能在环境温度降低时实现自动调整。这样将单片机结合使用，可以将整个控制系统的精度提高，将误差减小。 法是经典的控制算法，在实际的控制中有着很高的地位。 法相对简单，控制精度高。但是 节的参数无法适应系统很长时间，需要对参数不断的整定，以达到更好的控制效果。该算法最重要的是怎样合理有效的整定其参数，针对这种情况我们就要对 其进行仿真建模，通过 到更好的解决方法，以免浪费不必要的时间，有效的提高了设计效率，也使控制性能可以达到预期的效果。 关键词： 恒温箱；温度控制； 第 is to a of of is in in by a in to in it is to a is By an on is is as is by ID on of is by is be it of ID of is a It a in ID is of in to a ID a to in a is it a in we to In to a is 林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 目 录 目 录 摘 要 . I . 言 . 1 1 绪论 . 2 题背景，目的和意义 . 2 内外研究现状 . 2 展方向 . 3 章小结 . 3 2 恒温箱温度控制系统的总体设计 . 4 温箱温度控制系统设计的研究内容与基本要求 . 4 . 4 . 4 温箱温度控制系统的基本 工作原理 . 4 制方案的选择 . 5 P） . 5 . 6 . 6 . 7 . 8 . 8 . 8 章小结 . 9 3 恒温箱温度控制系统的硬件电路的设计 . 10 器件的选择 . 10 . 10 . 10 . 11 压器的选择 . 11 . 12 . 12 . 13 片机电路的设计 . 13 示电路的设计 . 14 键电路的设计 . 15 警电路的设计 . 16 压电路的设计 . 16 零检测电路 . 17 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 目 录 热器件驱动电路 . 18 . 18 控硅介绍 . 18 控硅驱动电路设计 . 19 电偶信号处理电 路 . 20 . 20 . 20 . 21 拟样机硬件的制作 . 22 . 22 4 温度控制系统的软件设计 . 23 测模块设计 . 23 . 23 . 24 制模块程序设计 . 24 示模块程序设计 . 25 . 26 统整体设计 . 26 拟样机的软件设计 . 27 章小结 . 27 5 恒温箱温度控制系统的建模与仿真 . 28 温箱温度控制系统的数学建模 . 28 制系统的仿真 . 28 . 28 . 29 . 29 章小结 . 31 6 总结 . 32 论 . 32 得体会 . 32 谢 辞 . 33 参考文献 . 34 附录一 模拟样机程序 . 35 附录二 元器件清单 . 38 附录三 模拟样机的温度控制系统的 . 39 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 1 页 共 38 页 引言 恒温箱的应用非常广泛。其工作就是保持温度的恒定，从琐碎的日常生活到精准的科学研究；从能源、化工到医用、军事；从工业生产到农牧业的需要。可见，恒温箱无处不在。 在当今社会，由于科技快速进步，国家经济水平的高速发展，以及大众对恒温箱的需求的增长，所以就对恒温箱提出了更高的要求。不仅要控制的精度越来越高，还要经济实惠，更希望恒温箱有一个温度控制的范围，可以让用户自己设置自己所需温度，以满足不同用户的不同需求。 一般的温度控制方法都是设定一个数值为温度的临界点，超过误差允许的范畴则要进行温度调控。本方法容易操作，价格适中，但结果不理想，控温精度不高，需要较长的时间才可以到达稳定点。因此，它只适用于对精度要求不高地方。 本次毕业设计中，该系统的作用就是实现对温度的控制与 监测。我们的核心控制器是单片机。用单片机进行 算，可以最大程度的展示软件的灵活性、且容易操作，可以让系统变得更稳定一些。 单片机是每个控制系统中不能缺少的重要组成部分，已广泛地应用于各个领域。能及时的处理数据，可以使系统在最佳状态下工作，并使控制精度整体提高。又因为单片机有功能强大，反应灵敏，尺寸小，能耗低，性价比高等优点，因此其市场占有率在日益增加。 制器原理相对容易一些，且适应性好，鲁棒性强。因为其 P、 I、 D 各自独立，研究工作者可以根据自己的需求来进行组合，整定 参数又相对简单。因此 在众多领域里都有广泛的应用。 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 2 页 共 38 页 1 绪论 题背景，目的和意义 随着社会不断发展，科技快速进步，以及恒温箱在诸多领域的应用，智能控制与经典控制相结合的控制方式已然成为温度控制系统的主流方向。温度在诸多领域里都是极为重要的参数，但对其实现高精度的控制是有一定难度的，但温度又是一个和生活密不可分的实际问题。鉴于这是实际状况，所以设计恒温箱温度控制系统是有广阔的前景和实际意义。 在日常生活中，可以用来保存食物；在工业中，可以保存工业原料以及对一些产品的测试，其控制效果的好坏会对产品有直接的影响；在农牧业中，可以育苗，可以饲养生物；在科研机构可以培养细胞；在生物研究中，可以为无菌试验创造有利的条件；某些高端电子设备的正常运行需要一定的温度环境。这些都是恒温箱在各个领域里发挥的作用。由此可见，恒温箱有着举足轻重的地位。 在当今大环境下，市场与技术息息相关，同时技术在开发产品方面又起着决定性的作用。如今有关恒温箱温度控制的产品，成为大家研究开发的热点。随着科技的日益发展，单片机技术越来越 成熟，覆盖范围也越来越广。并且以单片机为核心的控制系统可以克服控制系统的容量滞后问题，这就让控制系统的精度得到了的改善。其良好的控制效果也对安全高效的生产、环保事业、经济的稳步发展起到了十分显著的作用。因为温度控制系统的普遍性，温度传感器的种类也在随着它的发展而不停的增加，以此来满足越来越多元化的需求。 本设计的内容是恒温箱温度控制系统，温度是控制目标。无论在生活中还是工业中，温度控制系统都被广阔采用，例如在发酵箱、工业产品检测、无菌实验环境都需要温度控制。所以本次毕业设计的目的是设计一种恒温箱温度控制系统 ，在价格较低的前提下，争取实现控制精度高，实时性好等功能。 内外研究现状 随着 科学技术 的 不断 发展， 恒温箱温度 控制 被广泛应用到各个领域 ， 获得了社会各界的认可 。在不同的 情况下 ，由于 被控对象的差异 、 期望效果 、 经济 等因素，需要 根据实际状况 设计系统 的 结构和功能， 使系统达到最优控制 。其中， 恒温箱温度控制系统 在工 、商业 中是一个重要 的 研究 对象 。 从上世纪 70 年代开始，国外就已经开始研究温度控制系统了。到了 80 年代后期 ，因为工业发展的需求，尤其是微电子、计算机技术的快速成熟，还有设计方法的发展等一系列因素的推动下， 国外的温度控制系统发展迅猛。智能化等在科技中也有较大的成桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 3 页 共 38 页 就。当下，一些技术成熟的大国已经实现了自动化，可以生产出性能良好的商品。 现如今，国外的温度控制系统正在向着全自动，无人化方面前进。我国开始研究温度控制系统是在上世纪 80年代。对于控制有难度的温度控制系统的技术，国内的技术水平还不是很成熟。尽管在国内的诸多行业中都普遍的应用温度控制系统，但是从技术层面来讲，整体发展水平有限，与技术先进的国家比较，我们依旧存在着很大的差距。国内温度控制系统的发展水平距实现工厂化还有很长的一段路要走。在我们实际生产的过程中 ，还存在着很多问题，这需要我们更加努力的去研究。 温度是一个大家被所熟知且十分重要的过程变量，很多的物理，化学过程都会受到它的直接影响。恒温箱温度控制系统被广泛的应用到各个行业中，因为参数多变，滞后等问题，所以对调节器的要求比较高。如果温度控制的效果不好也许就会引起生产安全，产品产量等很多的问题。由此可见，温度控制十分重要，但在这过程中会碰到一些意料之外的困难。这就要求我们全身心的投入其中，解决所有的问题。 展方向 现如今，温度控制系统正在以一匹黑马的姿态在全球范围内快速的发展，在这方面的研究中， 国外的技术已经相当成熟了。但是，我国也是近几年才出现了一些精度比较高的温度控制系统的产品，但是价格偏高。所以如何生产出可靠性高，控制精度高，生产成本低的恒温箱是我们要重点研究的。 章小结 该章节是论文的开篇概述，详细的描述了此题目的背景、目的及意义；介绍了恒温箱温度控制系统国内外的现状以及发展方向。阐述了恒温箱温度控制系统市场的需求，利用 制和单片机可以将恒温箱温度控制系统的性能有所提高。对下文做研究提供了一定的方法。 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 4 页 共 38 页 2 恒温箱温度控制系统的总体设计 温箱温度控制系统设计的研究内容与基本要求 恒温箱在农牧业、医疗、科研和食品生产加工等领域有广泛的应用。这些领域对温度的稳定性要求很高。恒温箱温度控制系统的核心问题就是精准的控制温度。当下，测量装置普遍采用温度传感器采集温度，但是在一般的环境中，温度会被其他的外界因素影响，而且难以校准。由此可见，温度是一个很难准确测量的一个参数。用一般方法检测的话测量误差大、测量时滞长。目前，恒温箱温度的智能控制主要用单片机来实现。 设计恒温箱温度控制系统，规定一个误差所允许的范围，并能在环境温度下降时能够实现可以自动调整，以保持温度不变。具体要求如下： （ 1） 恒温箱 电热温度控制系统的输入电源为单相 220V，电加热额定功率 5 （ 2） 测温范围在室温至 200， 精度在 1以内。 （ 3） 恒温箱对加热电源电流的传递函数为 ，采用 节器设计恒温箱 电热温度控制系统；选择单片机作为控制器 。 温箱温度控制系统的基本工作原理 现对该系统的原理进行介绍，控制原理图如图 2示。 图 2统原理框图 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 5 页 共 38 页 温度控制系统是一个过程控制系统。对于该系统来说，单片机是其核心。开始时，我们会通过按键设置我们想要的温度值，并将其传送到单片机中，然后会在 温度的规定值设置完成后，单片机就会启动输出控制模块，使加热模块开始工作，与此同时， 同步显示温度传感器采集到的温度，一旦温度传感器采集到的温度达到了我们设定的温度上限，这时，声光报警开始工作：即发出声音。同时，加热模块停止工作。不加热的时候，温度值一定会变小，当温度值下降到超过误差所允许的范围时，单片机将会再一次启动加热模块，让它 继续加热到我们最初的设定值。这样的循环往复，便达到了恒温箱温度控制的目的 制方案的选择 虽然不同形式的控制器，它的结构和工作原理不同，但按照经典控制理论，基本的控制规则有且只有 3 种： P 调节、 I 调节、 D 调节。这些控制规则可单独使用，但是更多的地方采用的是组合的形式。例如： 比例调节、比例积分调节和比例积分微分调节 1。 不同的控制规则适应不用的生产要求。要选用合适的控制规则，就应该先了解控制规则的特点和适用条件。根据工艺指标的要求，结合具体对象特性，才可以做出最正确的选择。 P） 比例控制独自作用于系统时也可称该控制为“有差控制”。这时，只要输入的被调量偏离其给定值，调节 器便会立即做出相应的控制作用，偏差的大小决定着输出信号的大小。 在实际生产中，应根据具体的情况来确定比例度的大小。如果比例度取得过大，则系统的抗干扰性能就会变弱，所以会导致控制作用不明显，甚至系微乎 其微。系统的余差过大，控制效果不好，也就谈不上控制作用了。相反，比例度过小，控制作用会变强，这样就会使得系统的超调量变大，从而使控制系统稳定性变差，易引发振荡。 若遇到的被控对象反应迅速，放大倍数比较大的，选用的比例度就要小一些，这样可以增加系统的稳定性，提高控制精度。反之，就要选择比例度较大的，这样的话，不仅可以增加系统的灵敏度，而且还可以使得系统的余差减小。 由于比例控制单独作用时，存在着一些弊端，比如：抗干扰能力差、波动范围过大等缺陷，所以它只适合运用在一些特定的对象上，比如在扰动小、滞后较小、负荷变 化不明显、允许被控对象在某个范围中变化的场合使用。这种控制规律被广泛的应用在工业中。 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 6 页 共 38 页 如果某一系统单独使用比例调节时，只要系统有偏差出现，调节器便会立即做出反应，通过调节后使偏差减小。假如系统中不存在偏差，那么其的输出就为零。所以，如果只是用比例调节，就不可能实现无静差调节。 要消除静差，最好的方法就是采用积分控制器，因为它对偏差有积分作用 2。积分调节器的优势在于只要系统有偏差存在，其调节作用就不会间断，直到消除偏差为止。当偏差被消除后，由积分控制器的特点可知输出将会停留在新的位置，所以才能保持偏差为零。 虽然积分作用可以消除余差，但是其缺点是动作过于迟缓，因为它有着一定的积分时间，不能马上对被控量的细小变化做出反应。如果我们调节静态准确度，由于积分不能马上做出反应，就会让调节的动态品质变坏。所以一般情况下不会单独使用 积分调节，总是把它和比例结合在一起使用。这样就构成了比例 积分控制。这样二者兼容，取长补短，就可以把比例作用的及时性和积分作用消除静差的优点结合起来了。所以 制可以达到比较理想的控制效果。 比例 积分调节是当下应用范畴比较大的调节器。一般在液位、流量等系统中使用。因为积分作用可以消除静差，可以将比例控制的缺陷掩盖，达到良好的控制效果。但是在一些特定的情况下，积分作用可能会让系统的稳定性变差，就比如，如果某系统存在惯性滞后的现象，就尽可能的不要选择 制。 对于有时 间滞后控制系统来说，比例 积分控制也许无法达到预期的效果。对“时间滞后”作进一步的解释，也就是：当被控变量受到外界的干扰，被控变量没有马上做出反应，而是有一定的延时。例如容量滞后，此时的 制就表现的迟缓，不灵敏。由此，可以设想的是：能不能有一个按照偏差的变化走向，使其做出相对的控制动作呢 ?就好像经验丰富的工作人员，既可以按照偏差的大小来调整比例作用，又可以按照偏差变化的速度来估计可能会出现的状况，提前做控制工作。这就是微分控制的特点：即具有超前调节作用。输入误差的变化率决定了微分调节器输出的大小。 微分输出和偏差的变化速度是正比例关系，而且微分输出与偏差的其他因素均无关系。假如有一个固定不变的偏差，不管其数值的大小，只要没有变化，微分输出肯定为零。假如某系统中微分时间为零，则微分作用就没有存在的必要了。因此，我们要根据实际需要去选择微分时间。 除此之外，微分控制系统作为一种比较有效的控制，它有着自己一些优点：首先，微分控制执行的速度很快，比起其他的控制方法来，所花的时间都要少很多；其次，它桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 7 页 共 38 页 还具有超前的调节功能，所以，采用微分控制可以有效的改善被控制对象有比较大的时间延迟的作用。同时，微分控制也是有着自 己的局限性，比如，它不能有效的消除余差，而且更糟糕的是，它对于那种偏差是恒定的输入量来说，压根就没有控制作用。所以正是因为微分控制的这个致命的局限性，我们在选择控制方法的时候，不能单一的选择微分控制来使用。 正是因为微分控制有局限性，不能单一的运用，与之相比之下，比例控制和微分控制的结合，作用和效果就比较可观了。首先它们的运行速度是高速的，比之单独的比例或者微分作用都要快上很多，一般都能达到几倍以上，这样就可以使得系统执行的效率高上很多，特别是对于那些容量滞后的被控对象来说，就有着很大的改善作用，它可以很有 效的控制偏差，使之幅度减少，使得系统的实用性都得到很大的提高。同时，比例微分的结合，大大缩短了控制的时间，所以它更能精准快速的采集被控量的变化，以达到实时监控、精准控制的目的，使得控制系统的控制质量得到显著的提高。 比例积分微分控制是一种实用性很强、控制性能最为理想的控制规律。 制集合了比例、积分、微分控制这三者的优点，简单来说，就是 制既具备了比例控制的迅速和及时，还具有积分控制的
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