基于单片机的模糊PID温度控制系统设计【含CAD图纸优秀毕业课程设计论文】

购买设计文档后加 费领取图纸 购买设计文档后加 费领取图纸 浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文） I 摘 要 温度控制在热处理工艺过程中 ,是一个非常重要的环节。控制精度直接影响着产品质量的好坏。 本文研究的 电炉是一种具有纯滞后的大惯性系统，传统的加热炉控制系统大多建立在一定的模型基础上，难以保证加热工艺要求。因此本文将模糊控制算法引入传统的加热炉控制系统构成智能模糊控制系统。 本文以模糊自整定 制算法为基础，设计以 8031单片机为主体的控制系统控制电炉 ,构成一个能进行较复杂的数据处理和复杂控制功能的智能控制器，使其既可与微机配合构成控制系统，又可作为一个独立的单片机控制系统，具有较高的灵活 性和可靠性。单片机根据输入的各种命令，进行智能算法得到控制值，输出脉冲触发信号，通过过零触发电路驱动双向可控硅，从而加热电炉。 本文提出的基于模糊的自整定 制算法的控制系统具有真正的智能化和灵活性，有自动检测、数据实时采集、处理 及控制结果显示等功能，对提高电炉温度的控制精度具有较好的意义。 关键词： 电炉；单片机；模糊 浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文） in is of is a is on so is to to a In we ID to a on 031 a is as an CM CM to to in to to to in to ID so do in 浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文） 录 第 1章 绪论 . 1 引言 . 1 控制器发展现状 . 1 制器的发展现状 . 1 模糊 制 . 2 模糊自整定 制 . 2 电炉采用模糊自整定 制的可行性 . 2 第 2章 模糊自整定 制器的设计 . 4 模糊推理机的设计 . 4 模糊推理机的结构 . 4 模糊推理机的设计 . 4 确量的模糊化 . 5 立模糊控制规则和模糊关系 . 5 出信息的模糊决策 . 6 模糊自整定 制器 . 6 数对 制性能的影响 . 6 模糊自整定 制器 . 7 模糊自整定 制器性能的研究 . 8 真结构图 . 8 惯性时间常数的影响 . 9 仿真结果分析 . 10 第 3章 系统硬件和电路设计 . 11 . 11 系统的总体结构 . 11 温度检测电路 . 12 温度传感器 . 12 测量放大器的组成 . 12 热电偶冷端温度补偿方法 . 13 多路开关的选择 . 13 A/. 14 单片机系统的扩展 . 15 系统扩展概述 . 15 常用扩展器件简介 . 16 存储器的扩展 . 17 程序存储器的扩展 . 17 读存储器简介 . 17 介 . 17 浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文） 数据存储器的扩展 . 18 据存储器概述 . 18 态 介 . 19 据存储器扩展举例 . 19 单片机 I/O 口的扩展（ 8155扩展芯片） . 20 8155的结构和引脚 . 20 8155的控制字的及其工作方式 . 21 8155与 8031的连接 . 22 看门狗、报警、复位和时钟电路的设计 . 23 . 23 . 23 . 24 钟电路的设计 . 25 盘与显示电路的设计 . 25 . 25 . 26 模转换接口 . 27 离放大器的设计 . 28 控硅调功控温 . 29 . 29 . 30 片机开关稳压电源设计 . 31 第 4章 系统软件设计 . 32 主要程序的框图 . 32 . 32 . 33 . 34 . 35 模糊自整定 制算法 . 36 致谢 . 39 参考文献 . 40 附录 . 42 浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文） - 1 - 第 1 章 绪论 言 电炉是热处理生产中应用最广的加热设备，通 过布置在炉内的电热元件将电能转化为热能 ,借助辐射与对流的传热方式加热工件。通常可用以下模型定性描述 1 02 （ 1中 X 电炉内温升（指炉内温度与室温温差 ) K 放大系数 t 加热时间 T 时间系数 V 控制电压 0 纯滞后时间 但在实际热力过程中，由于被加热金属的导热率、装入量以及加热温度等因素的不同，直接影响着 K 、 T 、 0等参数的变化，因此电炉本身具有很大的不确定性 2 温度控制在热处理工艺过程中 ,是一个非常重要的环节。控制精度直接影响着产品质量的好坏。 根据不同的目的，将材料及其制件加热到适宜的温度。 制器发展现状 制器的发展现状 在过去的 50 年，调节 制器参数的方法获得了极大的发展。其中有利用开环阶跃响应信息，如 应曲线法；还有使用 线法的，如续响应法。然而这些调节方法只识别了系统动态信息的 一小部分，不能理想的调节参数。随着计算机技术的发展，人们利用人工智能的方法将操作人员的调整经验作为知识存入计算机中，根据现场实际情况，计算机能自动调整 数。这样能实现自动调整、短的整定时间、简便的操作，改善响应特性而推动了自整定 自整定技术可追溯到 50 年代自适应控制处于萌芽时期， 60 年代国外有人设计了一种自动调节式的过程控制器，因其价格高、体积大、可靠性差而未能商品化。 80 年代由于适用的控制理论的完善以及高性能微机的使用，才使得自整定控制器得以开发，制器参 数的自动整定技术设想已慢慢实现。 电炉温度控制技术发展日新月异，从模拟 字 最优控制、自适应控制，再发展到智能控制，每一步都使控制的性能得到了改善。在现有的电加热炉温度控制方案中， 制和模糊控制应用最多，也最具代表性。 浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文） - 2 - 糊 制 模糊控制的概念是由美国加利福尼亚大学著名教授 先提出的，经过20多年的发展，模糊控制取得了瞩目的成就。模糊控制适用于非线性、数学模型不确定的控制对象，对被控对象的时滞非线性和时变性具有一定的适应能力，同时对噪 声也有较强的抑制作用，即鲁棒性较好。但模糊控制器本身消除系统稳态误差的性能比较差，难以达到较高的控制精度。而 制正好可以弥补其不足，近年来已有不少将模糊技术与传统技术结合起来设计模糊逻辑控制的先例。在文献中介绍了多种能提高 合控制方案，例如：引入积分因子的模糊 制器；混合型模糊 制器；另外将其与其它先进控制技术结合又有模糊自适应 制、神经网络模糊 制等。 6 糊自整定 制 模糊自整定 制是 在一般 制系统的基础 ，加上一个模糊控制规则环节，利用模糊控制规则在线对 数进行修改的一种自适应控制系统。它以误差 以满足不同时刻的 e和 将模糊控制和 制器两者结合起来，扬长避短，既具有模糊控制灵活而适应性强，调节速度快的优点，又具有 制无静差、稳定性好、精度高的特点，对复杂控制系统和高精度伺服系统具有良好的控制效果。 图 1糊自整定 制 炉采用模糊自整定 制的可行性 在工 业生产过程中，电炉随着负荷变化或干扰因素的影响，其对象特性或结构发生改变。电炉温控具有升温单向性、大时滞和时变的特点，如升温靠电阻丝加热，降温依靠自然冷却，温度超调后调整慢，因此用传统的控制方法难以得到更好的控制效果。另外对于 制，若条件稍有变化，则控制参数也需调整。 自适应控制运 用现代控制理论在线辨识对象特征参数，实时改变其控制策略，使控制系统指标保持在最佳范围内。但由于操作者经验不易精确描述，控制过程中各种信号量以及评价指标不易定量表示，而模糊理论正是解决这一问题的有效途径。 人们运用模糊数学的 基本理论和方法，把规则的条件操作用模糊集表示并把这些模糊控制规则及有关信息 (如评价指标、初始 数等 )作为知识存入计算机知识库中，然后计算机根据控制系统的实际响应情况运用模糊推理，实现自动对 数的最佳浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文） - 3 - 调整。 从以上的分析可知模糊自整定 制应用在具有明显的纯滞后、非线性、参数时变类似于电炉这样特点的控制对象可以获得很好的控制性能。大量的理论研究和实践也充分证明了用模糊自整定 制电炉温度是一非常好的解决方法。它不仅能发挥模糊控制的鲁棒性好、动态响应好、上升时间快和超调小的特 点，又具有 制器的动态跟踪品质和稳态精度。因此在温度控制器设计中，采用 数模糊自整定复合控制，实现 数的在线自调整功能，可以进一步完善 制的自适应性能，在实际应用中也取得了较好的效果。 8 浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文） - 4 - 第 2 章 自整定 制器的设计 模糊自整定 制是在一般 制系统的基础上，加上一个模糊控制规则环节，利用模糊控制规则在线对 数进行修改的一种自适应控制系统。它以误差 以满足不同时刻的 e和 它将模糊控制和 制器两者结合起来，扬长避短，既具有模糊控制灵活而适应性强的优点，又具有 制精度高的特点，对复杂控制系统和高精度伺服系统具有良好的控制效果。 9 糊推理机的设计 模糊控制器是应用模糊数学知识，模拟人的思维方法，把人用自然语言描述的控制策略改造成模糊控制规则，由模糊控制规则构造出模糊关系，而把模糊关系作为模拟变换器，把输入、输出的模糊向量按模糊推理方法处理，进而确定控制量。 糊推理机的结构 在一般的模糊控制系统中，考虑到模糊控制器实现的简易性 和快速性，通常采用二维模糊控制器结构形式。这类控制器都是以系统误差 本模糊控制器构成原理图如图 2 图 2基本模糊控制器结构原理图 图中： 量因子；E、U差 e、误差变化率 控制量 u 的模糊语言变量；E、 U 分别是与 e、 u 成比例的变量，其中 E = e， U =u/ 糊推理机的设计 依据模糊控制的基本原理，基本模糊控制器设计概括起来包括如下内容： (1) 精确量的模糊化； (2) 建立模糊控制规则和模糊关系； (3) 输出信息的决策。 浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文） - 5 - 确量的模糊化 过程参数的变化范围即模糊控制器输入量的实际范围称为基本论域，它是一个连续域，在模糊控制中需要将语言变量的基本论域转换成指定的有限整数的离散论域。假设某一语言变量的实际变化范围为 经过量化因子 k 变换后的范围为a,b=设论域 取为离散论域 n之间变化的变量 22 按 Y 值大小，查隶属度赋值表，将其归类于某一模糊子集 (如正大、负小等 )。模糊子集通常可作如下划分：负大、负中、负小、零、正小、正中、正大。 模糊变量的模糊集和论域确定后，需对模糊语言变量确定隶属函数，即所谓对模糊变量赋值，就是确定论域内元素对模糊语言变量的隶属度。对于同一个模糊概念，确定隶属函数的方 法多种多样，没有统一的模式。尽管形式上不完全相同，只要反映同一模糊概念，在解决和处理模糊问题中仍然殊途同归。隶属函数形式有多种，可根据实际要求来确定。在实际应用中为方便起见，常采用三角形、正态形、梯形。隶属度赋值表是先根据实际问题人为确定，再通过“学习”和实践检验逐步加以修正和完善的。在给定论域上确定模糊子集的隶属函数要注意下面 3 个问题： (1) 任意两个相邻模糊子集的交集的最大隶属度在 间。这个值取的较小时控制作用比较灵敏；较大时，对被控对象参数变化的适应性较强。 (2) 若 A 是 一个模糊子集，如果 U1 较大，则控制特性比较平缓，系统较为稳定；若 U1 较小，则控制作用的灵敏度较高。 (3) 为了保证控制作用的隶属函数是单峰的，诸模糊子集必须正规突。 立模糊控制规则和模糊关系 模糊控制规则设计原则是：当误差较大时，控制量的变化应尽力使误差迅速减小；当误差较小时，除了要消除误差外，还要考虑系统的稳定性，防止系统产生不必要的超调，甚至振荡。 20 模糊控制规则的一般形式为 is cEis jCi =1,2, 1m ;j =1,2, 2m ) 其中：模糊子集；其实际值 Y 的偏差 f 所对应的模糊子集； 和 U 表示偏差变化率 别是模糊子集划分数目。 11 上述模糊条件语句可归结为一个模糊关系 R，即 (2式中 符号“”表示“ 如果偏差、偏差变化率分别取为 ，根据模糊推理合成规则，输出的控制量是模糊子集 U，那么 浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文） - 6 - (2即 , (2式中 X， Y， ZE，“ ”和“ ” “取大”和“取小”运算 出信息的模糊决策 模糊控制器的输出是模糊子集，它反映控制语言的不同取值的一种组合。但被控对象只能接受一个精确的控制量，因此需要从输出的模糊子集中判决出一个控制量，将模糊量转化为精确量，也就是说推导出一个由模糊子集到普通集合的映射，这个映射称之为判决。现在的解模糊判决方法通常有以下三种 ：最大隶属度法、取中位数法、隶属度加权平均法等。最大隶属度法是直接选择模糊子集中隶属度最大的元素 (或该模糊子集隶属度最大处的真值 )作为控制量。它能突出主要信息，计算简单，但丢失了很多次要的信息，比较粗糙，适应于控制性能要求一般的控制系统。 论域 U 上把隶属函数曲线与横坐标围成的面积平分为两部分的元素 Z*称为模糊集的中位数。中位数法就是把模糊集中位数作为系统控制量。与最大隶属度法相比教，中位数法概括了更多的信息，但计算复杂，特别是在连续隶属函数时，需求解积分方程，因此应用场合比加权平均法少。 加权平均法是糊 模控制系统中应用极为广泛的一种判决方法。这一方法有三种形式，即普通加权平均法，权系数加权平均法和 10 本设计采用普通加权平均法 设 rr , 2211 模糊集，取各隶属度为加权系数，则控制量 U 由下式决定 (2糊自整定 制器 这种智能 糊控制器分两步整定 数。 第一步，初始 数的整定：先测定被控对象参数的粗略值，应用初值整定规则确定 初始值；第二步， 数的在线整定：监测控制系的响应过程，将其模糊化，综合用户期望、控制目标类型、对象参数等，运用模糊推理自动进行 数的在线整定。 9 数对 制性能的影响 制器时域内的控制模型为 011 p (2计算机控制是一种采样控制，它只 能根据采样时刻的偏差值计算控制量， 制作用浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文） - 7 - 的离散化形式一般表示为 111 增量形式为 2p (2式中 比例系数 积分系数， I 微分系数， ， T 为采样周期 积分时间 微分时间 e(k)第 k 次采样时刻输入的偏 差值 由于 制器在控制过程中的比例、积分、微分作用的程度，因此从系统稳定性、响应速度、超调量和控制精度等各方面特性来考虑 制器三个参数对 制品质的影响。 比例控制的特点是：误差一旦产生，控制器立即就有控制作用，使被控制量朝着减小误差的方向变化，控制作用的强弱取决于比例系数 例系数 高系统的调节精度。 统的响应速度越快，系统的调节精度越高，但易产生超调，甚至会导致系统不稳定； 会降低调节精度，使系 统动作缓慢，延长调节时间，使系统静、动态特性变坏。 积分作用系数 它的不足之处在于积分作用具有滞后特性。 态误差消除越快，但 响应初期会产生积分过饱和现象，从而引起响应过程的较大超调，系统将不稳定。若 统静态误差难以消除，影响系统的调节精度。 微分作用系数 要在响应过程中抑制偏差向任何方向的变化，对偏差变化进行提前预报。但 引起较大的超调，使被调量激烈振荡，系统不稳定，延长调节时间，降低系统的抗干扰性能；若 微分作用太弱，调节质量改善不大。 综上所述， 个参数取值大小，对控制系统的静态特性和动态性能影响很大，(s)的参数来确定。对于非线性负载和时延、时变负载，以及难以用 G(s)描述的负载，这三个参数的整定就很困难，因此我们在基于其它方法 (例如 等 )整定出来的 用模糊自调整机构在线调整 数，从而达到抑制大范围的扰动，改进系统动态响应性能的目的。 糊自整定 制器 模糊自整定 制器原理图如图 2示。 10 图 2糊自整定 制 浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文） - 8 - 模糊自整定 制是在一般 制系统的基础上，加上一个模糊控制规则环节，利用模糊控制规则在线对 数进行修改的一种自适应控制系统。它以误差 以满足不同时刻的 e和 将模糊控制和 制器两者结合起来，扬长避短，既具有模糊控制灵活而适应性强，调节速度快的优点，又具有 制无静差、稳定性好、精度高的特点，对复杂控制系统和高精度伺服系统具有 良好的控制效果。 糊自整定 制器性能的研究 为了便于比较模糊自整定 制器与常规 制器的性能差别，选择典型二阶纯滞后对象作为模型，改变模型参数，利用 真，观察分析二种控制方式的阶跃响应曲线及二者之间差异。 二阶纯滞后惯性环节的模型为 11 21 d (2其中，增益系数 K=4。分别改变模型的惯性时间常数和纯滞后时间， 分析在三种控制方式下，它们对系统特性的影响。取设定值 0 ， 组调节系数是在常规 制方式下，被控对象的惯性时间常数 1、 4，纯滞后时间 0时系统的整定参数。 真结构图 在 立 将它封装为 图 2利用模糊控制工具箱中的 块，将它和 起来可以封装成为 构如图 2 浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文） - 9 - 图 2真结构图 将 对其运用 估器进行补 偿校正，从而得到整个控制系统的模型，如图 2后就可以根据输出结果 来判断控制器的性能。通过对输出结果的分析，可以对系统参数和模糊控制器的控 制规则进行适当的调整，使控制系统的性能达到最佳。 图 2数自整定模糊 制系统和传统 在 境中运行该系统进行仿真，可以利用示波器观察输出的情况，也可以将数据存储到利用绘图命令将曲线输出到单独的 窗口中。 19 性时间常数的影响 保持对象增益和纯滞后时间不变，分别取三组惯性时间常数作特性比较，观察系统对被控对象惯性时间变化的能力。 浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文） - 10 - 纯滞后时间 图 2规 图 2糊自整定 图中，曲线 1、 2、 3 分别为被控对象惯性时间常数 ， ； ， ； ，2的特性曲线 对比图 2以看出： 模糊自整定 制特性曲线的超调很小，控制精度和动态特性优于常规 上升时间改善不多。 对于对象的性时间常数的变化，模糊自整定 惯性时间常数 ， 的被控对象的特性曲线不理想。 真结果分析 根据前面的仿真实验和仿真分析，可以总结出以下几点结论： (1) 模糊自整定 制对惯性时间常数变化的适应能力比常规 制强； (2) 模糊自整定 制的动态特性、控制精度比常规 (3) 模糊自整定 制系统比常规 制系统的稳定性好。 浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文） - 11 - 第 3 章 系统硬件和电路设计 言 电炉是热处理生产中应用最广的加热设备，其本身是一个较为复杂的被控对象，虽然可用以下模型定性描述它 1s （ 3 式中 K 放大系数 T 时间系数 纯滞后时间 但在实际热力过程中，由于实际工况的复杂性 (加工工件的材质、初温、升温、幅度规格、装炉量以及电气环境等因素 )，使得上述数学模型偏离实际情况相当严重，本文将在具有在线自调整功能模糊自整定 期较理想地解决被加热物件透烧过程的测量与控制。 统的总体结构 控制系统组成框图如图 3 图 3炉温度控制系统 浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文） - 12 - 度检测电路 温度检测是温度控 制系统的一个重要的环节，直接关系到系统性能。在微机温度控制系统中，温度的检测不仅要完成温度到模拟电压量的转换，还要将电压转换为数值量送计算机。其一般结构如图 3 图 3度数字检测的一般结构 度传感器 温度传感器将测温点的温度变换为模拟电压，其值一般为 ，需要放大为满足模 /数转换要求的电压值。微机通过控制把电路电压送到模 /数转换器进行模 /数转换，得到表示温度的电压数字量，再用软件进行标度变换与误差补偿，得到测温点的实际温度值。 温度传感器种类繁多，但在微机温度控制系统中 使用得传感器，必须是能够将非电量变换成电量得传感器，此次设计中选用的是热电偶传感器，热电偶传感器是工业温度测量中应用最广泛得一种传感器，具有精确度高、测量范围广、构造简单、使用方便等优点。热电偶是由两种不同材料得导体 连接在一起构成得感温元件，如图 3A 和 B 得两个接点 1 和 2 之间穿在温度差时，回路中便产生电动势，形成一定大小得电流，这种现象称为热电效应，也叫温差效应。热电偶就是利用这个原理测量 温度的 5。 图 3电偶测温原理图 量放大器的组成 测量放大器的基本电 路如图 3 图 3量放大器的原理图 浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文） - 13 - 测量放大器由三个运算放大器组成，其中 个同相放大器组成前级，为对称结构，输入信号加在 动放大器 它不仅切断共模干扰的传输 ,还将双端输入方式变换成单端输出方式 ,适应对地负载的需要。 测量放大器的放大倍数用下面公式计算 11230 1 （ 3 式中 ，常靠近组件，若距离较远，应将联线胶合在一起，改变 1000范围内调节。 电偶冷端温度补偿方法 用热电偶测量温度时，热电偶的工作端（热端）被放置在待测温场中，而自由端（冷端）通常被放在 0的环境中。若冷端温度不是 0，则会产生测量误差，此时要进行冷端补偿。冷端补偿方法较多，在本次的设计中我们 采用的冷端温度补偿为电桥式冷端补偿。 35 对与冷端温度补偿器，在工业上采用如图 3 图 3电偶冷端温度补偿电桥 图中所示的补偿电桥桥臂电阻 1321 锰铜线绕成； 的限流电阻， 电桥在 20时处于平衡状态。当冷端温度升高时， 电桥 a、 时热电偶温差电势却随冷端温度升高而降如果 增加量等于热电偶温差电势的减小量，则热电偶输出电势 而达到冷端补偿的目的。 36 路开关的选择 在本次的设计中，我们的温度传感器有 5个，因此，我们采用了一种 16的多路开关，以实现对 5个温度传感器的巡回检测。 单片 . 道 电路包括 16 选 1 的译码器和译码器的输出分别控制的 16 个 向开关， 浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文） - 14 - 用模拟信号或数字信号去控制模拟开关的接通或断开，具有低的导通电阻和高的断开电阻，所控制的模拟信号最大峰值为 15V，而数字信号的幅度 3 禁止时， ，这时所有的双向开关均不接通，在公共端呈现高阻抗。 1、主要性能 接驱动 路、 16选 1模拟多路转换器；具有双向转换功能；单电源供电；标准 24引脚 装；功耗： 关接通电阻：180欧（ ;开关接通时间： 开 关断开时间： 1us( 2、 2423222120191817161514133、 图 3，是目前市场上广泛流行的最典型的双积分模 /数变换器。该芯片具有抗干扰性能好、转换精度高、自动校零、自动极性输出、自动量程控制信号输出、外接元件少、价格便宜等特点。因此广泛应用在低速微控制器应用系统，智能仪表和数字三用表等领域。 5容。 5外部连接电路，尽管 5部连接元件很少，但