[信息与通信]反应釜温度智能控制系统设计——硬件部分.doc

毕业设计说明书 反应釜温度智能控制系统设计硬件 部分 学生姓名： 潘致堂学号： 0805054142 学 院： 信息与通信工程学院 专 业： 自动化 指导教师： 孟江 2019 年 3 月 中北大学 2019 届毕业设计说明书 反应釜温度智能控制系统设计反应釜温度智能控制系统设计硬件部分硬件部分 摘要：摘要：温度是生产过程和科学实验中普遍存在的物理参数 ，化学反应釜的温度 控制精度 、系统响应速度及稳定度是衡量温控系统性能指标的关键因素 ，准确控制 釜内温度对在不同温度下进行化学反应具有重要的意义。通常的反应釜容量大，其内 部化学反应机理复杂， 反应系统具有较大的时变性、非线性和时滞性，被控对象繁多， 经典控制理论和现代控制理论的最优控制难以应用在反应釜的控制上。 本文对反应釜的温度控制进行了分析，给出了冷剂流量对反应釜内温度的传递 函数，设计了对反应釜冷热剂控制来实现反应釜温度智能控制系统具体电路。在控制 方法上，通过单片机，采用了模糊控制的方法，并给出了详细的分析步骤和控制算法。 关键词：关键词：反应釜 单片机 温度控制 模糊控制 中北大学 2019 届毕业设计说明书 The reaction kettel temperature intelligent control system design- hardware parts Abstract: The temperature is the production process and scientific experiments are common in the physical parameters, chemical reaction kettle temperature control precision, system response speed and stability of temperature control system is the measure of the performance indexes of key factors, the accurate control of the temperature in different kettle for chemical reaction temperature is of great significance. Usually the reaction kettle capacity, its internal chemical reaction mechanism complex, reaction system has a larger time-varying, nonlinear and time lag, the controlled object is various, classical control theory and modern control theory, the optimal control can not be used in the reaction kettle control. In this paper, the reaction kettle temperature control are analyzed, the cold agent for the reaction kettle flow within the transfer function of temperature, the design of cold and heat reaction kettle agent control to achieve the reaction kettle temperature concrete circuit intelligent control system. In the control method, through the single-chip microcomputer, the fuzzy control method, and gives a detailed analysis of the steps and control algorithm. Key words: Reactor SingleChip Computer Temperature Control Fuzzy-Control 中北大学 2019 届毕业设计说明书 第 I 页 共 II 页 目目 录录 1 绪论绪论.1 1.1 反应釜温度智能控制器研究与开发的背景和意义 1 1.2 反应釜温度控制技术的现状 1 2 反应釜的过程分析反应釜的过程分析 3 2.1 反应釜的基本结构 3 2.2 反应釜的工作原理 4 2.3 反应釜的控制方案 4 2.4 反应釜的动态特性 6 2.4.1 基本方程基本方程6 2.4.2 基本方程的线性化基本方程的线性化7 2.5 论文的研究内容 8 3 控制方案的确定控制方案的确定 9 3.1 总体控制方案的确定 9 3.2 模糊控制器设计 10 3.2.1 模糊控制器简述模糊控制器简述10 3.2.2 模糊控制器的设计模糊控制器的设计11 4 硬件电路设计硬件电路设计 17 4.1 系统硬件构成 17 4.2 电源电路 18 4.3 过零检测电路 19 4.4 基于 DSL8820 的多传感器测温电路 .19 4.4.1 DSl8820 的性能特点的性能特点19 4.4.2 DSl8820 内部结构简介内部结构简介19 4.5 D/A 转换及输出电路 21 4.5.1 MAX518 与与 I2C 总线总线.21 4.5.2 电压放大电路电压放大电路13.21 4.5.3 V/I 转换电路转换电路.22 4.6 单片机人机交互 24 4.6.1 键盘接口电路键盘接口电路24 4.6.2 显示接口电路显示接口电路26 5 控制系统的软件设计控制系统的软件设计 28 中北大学 2019 届毕业设计说明书 第 II 页 共 II 页 5.1 主程序设计 28 5.2 键盘中断服务子程序 29 5.3 定时器 1 中断服务子程序 30 5.4 温度采集子程序 30 5.4.1 DSl8820 温度转换子程序温度转换子程序30 5.4.2 读读 DSl8820 温度子程序温度子程序.31 5.5 控制量输出子程序 32 5.6 模糊控制算法子程序2132 6 结论结论 35 参考文献参考文献.36 附录附录 A 反应釜温度智能控制系统设计总电路图反应釜温度智能控制系统设计总电路图.38 致致 谢谢.39 中北大学 2019 届毕业设计说明书 第 1 页 共 39 页 1 绪论绪论 1.1 反应釜温度智能控制器研究与开发的背景和意义反应釜温度智能控制器研究与开发的背景和意义 反应釜是化工生产过程中的关键设备之一，同时也是主要的能耗设备，它具有非 线性、时变、大滞后等特性，是一个涉及多种因素的复杂系统。产品的质量在很大程 度上取决于工艺参数(主要是温度、压力)的控制。因此，设计在线控制手段，保证物料 在加工过程中的温度和压力变化符合理想的工艺曲线，将大大提 高产品的质量和产量， 达到优质、稳定、可靠和节能降耗的目的。从而提高生产率，增加企业的经济效益。 在我国，由于大中城市科学技术和工业自动化的发展步伐较快，近年来一些生产 规模不大，技术相对落后，而具有一定危险性的化工生产项目转移到农村和小城市， 并常有反应釜爆炸、起火等安全事故发生，因此对反应釜智能化检测和控制装置的呼 声日益增高。 从长远来说，由于许多化学工业、生物制药工业又有规模小、产品更新换代快的 特点，使得多数小规模反应釜生产方式将长期存在下去。由于各种化学反应过程差异 大，对现在的多数的反应釜而言，缺少成熟、通用、制式化的智能控制设备。因此有 必要研制适合于小规模反应釜的低成本、控制简便的温度智能控制器。 1.2 反应釜温度控制技术的现状反应釜温度控制技术的现状 自上世纪 70 年代以来，由于工业过程控制的需要，特别是在微电子技术和计算机 技术的迅猛发展以及自动控制理论和设计方法发展的推动下，国外温度控制系统发展 迅速，并在智能化、自适应、参数自整定等方面取得成果，在这方面，以美国、德国、 瑞典等国技术领先，都生产出了一批商品化的、性能优异的温度控制器及仪器仪表， 并在各行业广泛应用1。它们主要具有如下的特点： (1)适应十大惯性、大滞后等复杂温度控制系统的控制。 (2)能够适应于受控系统数学模型难以建立的温度控制系统的控制。 (3)能够适应于受控系统过程复杂、参数时变的温度控制系统的控制。 (4)这些温度控制系统普遍采用自适应控制、自校正控制、模糊控制、人工智能等 理论及计算机技术，运用先进的算法，适应的范围广泛。 (5)普遍温控器具有参数自整定功能。借助计算机软件技术，温控器具有对控制对 象控制参数及特性进行自动整定的功能。有的还具有自学习功能，它能够根据历史经 中北大学 2019 届毕业设计说明书 第 2 页 共 39 页 验及控制对象的变化情况，自动调整相关控制参数，以保证控制效果的最优化。 6)温度控制系统具有控制精度高、抗干扰力强、鲁棒性好的特点。 目前国内外较先进的化工过程监控装置基本上是应用各类传感器为检测敏感元件， 以单片微处理器为控制器件，通过控制搅拌器、电磁阀等执行器件实现容器内的温度、 压强调节等目的2。 中北大学 2019 届毕业设计说明书 第 3 页 共 39 页 2 反应釜的过程分析反应釜的过程分析 所谓过程系统是指研究一类以物质和能量转变为基础(即过程工业)的生产过程，研 究这类过程的描述、模拟、仿真、设计、控制和管理，旨在进一步改善工艺操作，提 高自动化水平，优化生产过程，加强生产管理，最终显著地增加经济效益。过程控制 的任务是在了解掌握工艺流程和生产过程动态特性的基础上，根据生产对控制提出的 要求，应用控制制理论，设计出包括被控对象、调节器、检测装置和执行器在内的过 程控制系统，并对它进行分析和综合，最后采用合适的技术手段加以实现。也就是说， 过程控制的任务是由控制系统的设计和实现来完成的5 。 2.1 反应釜的基本结构反应釜的基本结构 反应釜有间歇式和连续式之分。间歇反应釜通常用于液相反应，如多品种、小批 量的制药、燃料等反应。连续反应釜用于均相和非均相的液相反应，如聚合反应等。 本文使用的是间歇式反应釜。 图 2.1 反应釜结构示意图 反应釜的基本结构如图 2.1 所示。反应釜由搅拌容器和搅拌机两人部分组成。搅拌 容器包括简体、换热元件及内构件。搅拌器、搅拌轴及其密封装置、传动装置等统称 为搅拌机。 简体为一个钢罐形容器，可以在罐内装入物料，使物料在其内部进行化学反应。 为了维持反应釜内的反应温度，需要设置换热元件。常用的换热元件为夹套，它包围 中北大学 2019 届毕业设计说明书 第 4 页 共 39 页 在筒体的外部，用焊接或法兰连接的方式装设各种形状的钢结构，使其与容器外壁形 成密闭的空间。在此空间通入冷却或加热介质，通过夹套内壁传热，可冷却或加热容 器内的物料，介质的每秒流量受电磁阀的控制。由于化学反应对反应物的纯度有一定 的要求，并且反应过程有可能产生剧毒、易燃、易爆的气体和物料，所以密封装置是 反应釜必不可少的一部分。传动装置包括电动机、减速机、连轴器及机架。通过电机 驱动搅拌轴，带动搅拌器旋转，为物料的循环提供动力。罐顶和罐底分别装有加料口 和出料口，分别用于往罐中加入物料和从罐中取走物料。为了测量釜内的温度，在罐 内装有钢制的温度计套管，可将温度计或温度传感器放入其中。为了满足工艺的需要， 还可以外接附件装置3。 2.2 反应釜的工作原理反应釜的工作原理 在进行化学反应之前，先将反应物按照一定的比例进行混合，然后与催化剂一同 投入反应釜内，在反应釜的夹套中通以一定的高压蒸汽，高压蒸汽通过反应釜的夹套 提高釜内物料的温度，通过搅拌器的搅拌使物料均匀并提高导热速度，使其温度均匀。 当釜内温度达到预定的温度时，保持一定时间的恒温以使化学反应正常进行，反应结 束后进行冷却。有时在恒温后还要进行二次升温和恒温。恒温段是整个工艺的关键， 如果温度偏高或偏低，会影响反应进行的深度和反应的转化率，从而影响了产品的质 量。化学反应过程中一般伴有强烈的放热效应，并且反应的放热速率与反应温度之间 是一种正反馈自激的关系。也就是说，若某种扰动使反应温度有所增加，反应的速率 就会增加，放热速率也会增加，会使反应温度进一步上升，甚至会引起“聚爆”现象 使釜内的产品变成废品，并且会影响安全生产。为了使釜温稳定，在夹套中通以一定 的冷却介质，来移走反应放出的多余热量。通过调节流入反应釜夹套中冷却介质的流 量，来控制反应釜内物料的温度使之符合工艺要求4。 2.3 反应釜的控制方案反应釜的控制方案 在设计反应釜智能控制器时有必要弄清反应釜的控制目标和可能的控制手段。关于 控制指标可以从下列几个方面考虑。 （1）控制指标 根据反应釜及其内在进行的反应的不同，其控制指标可以选择反心转化率、产品 的质量、产量等直接指标，或与它们有关的间接工艺指标，如温度、压力、粘度等。 （2）物料平衡 中北大学 2019 届毕业设计说明书 第 5 页 共 39 页 对于反应釜来说，从稳定角度出发，流入量等于流出量，如属可能需常常对主要 物料进行流量控制。另外，在有一部分物料循环系统内应定时排放或放空系统中的惰 性材料。 （3）能量平衡 要保持反应釜的热量平衡，应使进入反应器的热量与流出的热量及反应生成热之 间相互平衡。能量平衡控制对反应釜来说至关重要，他决定了反应釜的安全生产，也 间接保证反应釜的产品质量达到工艺要求。 （4）约束条件 与其它化工操作设备相比，反应釜操作的安全性具有更重要的意义，这样就构成 了反应釜控制中的一系列约束条件。例如，不少具有催化剂的反应中，一旦温度过高 或反应物中含有杂质，将会导致催化剂的破损和中毒：在有些氧化反应中，反应物的 配比不当会引起爆炸等等。因此，在设计中经常配置报警或自动选择性控制系统。 （5）质量控制 通过上述控制，保证反应过程平稳安全进行的同时，还应使反应达到规定的转化率， 或使产品达到规定的成分，因此必须对反应进行质量控制。质量指标的选取，即被控 变量的选择可分为两类：取出料的成分或反应的转化率等指标作为被控变量；取反应 过程的工艺状态参数（间接质量指标）作为被控产量6。 反应釜控制指标的选择是反应釜控制方案设计中的一个关键问题。反应釜的控制 指标主要是反应的转化率、产量、收率、主要产品的含量和产物分布等。如果直接把 这些指标作为被控对象，反应要求就得到了保证。但是，这些指标人多是综合性指标， 无法测量，有些是成分指标，但也缺少测量手段，或者测量滞后大，精度差，不宜作 为被控变量。在反应过程中，温度和上述指标密切相关，又便于测量。所以，本文将 温度作为被控量。 冷却剂的变化影响热量移走的大小，因此，常需稳定其流量或压力。由于冷却剂 往往作为温度控制的操纵变量，因此，一般对它们的流量进行控制。本文就是采用这 样的控制方案。 前面已提到了，在恒温过程中，通过在夹套中通以冷却介质来吸收多余的反应热， 冷却介质的流量是通过调节阀的开度来控制的，方案如图 2.1 所示。 由于冷却介质的流量相对较少，釜温与冷剂温差较大，当内部温度不均匀时，易 中北大学 2019 届毕业设计说明书 第 6 页 共 39 页 造成局部过热或过冷。为了解决这个问题，本文在反应釜内部不同位置放置多个数字 温度计来测量反应釜内部的温度，通过釜内各点温差来调节搅拌速度。在局部温差较 大时，通过提高搅拌速度来加快传热，以保证釜内温度的均匀。 本文设计了一个相对独立的控制回路。回路以釜内平均温度为输入量以冷却介 质阀门的开度为输出量。 2.4 反应釜的动态特性反应釜的动态特性 2.4.1 基本方程 对间歇式反应釜，化学反应中热量平衡关系为：(反应系统内累积热量)=(反应系统 内反应放出热量)+(通过间壁传入反应系统热量)。假设反应釜和夹套的容积和密度都保 持不变，忽略热交换过程中的热量损失，可得下列方程 反应釜内温度与热量平衡方程为6 TTUATCrHV dt dT MCCRARP),( (12) 式中， pC 反应釜内反应物比热； AC 反应釜内反应物浓度； M反应物总质量； RV 反应器容积； U反应釜间壁的总传热系数； RA 反应釜间壁的传热面积； T反应釜内温度； CT 冷却介质出口温度； H 摩尔反应热(吸热为正，放热为负)。 夹套内温度与热量平衡方程为8 )(TCTUATTCW dt dT CVRCHPCC C PCCC (13) 式中， CV 夹套内冷却介质的容积； C 夹套内冷却介质的密度； PCC 夹套内冷却介质的比热； W冷却介质的流量； 中北大学 2019 届毕业设计说明书 第 7 页 共 39 页 HT 冷却介质的入口温度。 化学反应速度 r(CA，T)为 AAAC RT E kkCTCr exp,0 （1.4） 将式(17)代入(15)，可得 TT MC UA C RT E k MC VH dt dT C P R A P R exp )( 0 (15) 由式(16)得 C PCCC CH C TT CV UAR TT V W dt dT (16) 2.4.2 基本方程的线性化 式(18)和式(19)是表示反应釜温度动态特性的基本方程，均为非线性方程。为 了便于应用线性控制理论来分析小扰动下的动态特性，对式(17)和式(18)进行线性 化(在写增量方程时，为简化写法,一律从简，各变量上方的“”表示稳态值)，可得以 下矩阵形式的线性方程 BuAxx (17) 式中， C T x T 1112 2122 aa A aa 2122 00 B bb (2.1) HT u W 其中， 11 2 P A R PCR H MC kEUA a MCV C RT 21 R P UA a MC 中北大学 2019 届毕业设计说明书 第 8 页 共 39 页 12 R CCPC UA a VC 22 R CCCPC WUA a VVC 21 C W b V 22 HC C TT b V 2.5 论文的研究内容论文的研究内容 反应釜的温度控制是化工生产过程的中心环节，目的是保证反应过程的产物达到 一定的质量和控制要求，并确保反应的安全进行。反应器的工艺指标多为转化率以及 产品的质量、产量等，其值主要取决于产品混合物中各组成部分的量的浓度，所以最 直接的控制系统是以产物浓度为被控变量。但由于无实用的在线分析仪和采样问题不 易解决，所以选用温度为间接参数是最有效的办法19。因此本课题的主要任务之一就 是要实现反应釜温度的智能控制。 要实现温度的精确控制，就要有精确的温度传感器，本文采用单线芯片 DSl8820 数字温度计实现多点温度采集，其测温精度可达到 0.0625。控制方法上采用模糊控 制。 反应釜内的温度有一定的限制，在开始阶段，由于温度低于设定的反应温度，需 要通过电磁阀给反应釜的夹套通以蒸汽，当温度接近给定值时，釜内的原料进行反应， 并释放出反应热，使釜内的温度上升较快。当温度超过给定值时，化学反应速度迅速 提高，釜内的温度急剧上升，此时，需要通过阀对反应釜的夹套通以冷却介质，对反 应釜进行降温，从而使釜内温度稳定存给定值，保证生产的顺利进行。 作为智能控制器，人机交互即人机界面是必不可少的。本控制器通过 LED 显示屏 来实现显示功能，同时可以通过键盘来实现工况、反应釜内要达到的温度和定时时间 的设定。 系统的软件设计采用了结构化的设计方法，主要有主程序模块、温度采集模块、 键盘中断处理模块、定时器中断处理模块、输出控制模块、控制算法模块以及相应的 显示模块，同时还运用了一些软件抗干扰措施。 中北大学 2019 届毕业设计说明书 第 9 页 共 39 页 3 控制方案的确定控制方案的确定 3.1 总体控制方案的确定总体控制方案的确定 根据对反应釜的特性分析可知，反应釜的温度对化学反应有很大的影响。我们在 分析对象特性时，做了很多的假设，对方程进行了近似处理。事实上，反应釜反应过 程复杂，控制难度大，系统中存在着随机性和时变性，求取其数学模型十分困难。本 文采用反应釜的温度作为被控对象，反应釜的温度控制与一般的过程工业相比，主要 有以下几个方面的特点： (1)时滞性和惯性很大。由于反应釜的热容量大，且反应釜与外界热交换主要靠反 应釜的夹套进行传热，釜内物料与夹套内的冷却介质的热交换也需要时问，导致系统 表现出很大的时滞性和惯性。 (2)时变性。反应釜内的温控特性主要取决于化学反应的激烈程度，而整个生产过 程从起始升温、中间恒温到最后的降温，对象具有明显的时变性。并且，就某一个具 体的阶段而苦，由于化学反应的速度不稳定，导致过程的增益、惯性时间和滞后也会 发生相应的变化。 (3)过程不稳定。本反应釜内的化学反应为放热反应，温度越高反应越剧烈，放热 也越多，存在正反馈，是不稳定过程。 (4)干扰因素很多，主要有： a总管蒸汽压力和冷却水压力不稳定，而不同压力时的加热或冷却效果相差很大， 给温度控制带来很大的扰动。 b每批物料的成分和质量不可能完全一样，在反应过程中表现出的特性也就有所 区别，有时甚至差别很大。 针对被控对象的上述特点，应选择合理的控制方案，针对被控对象的时变性和大 时滞性，应综合考虑系统的鲁棒性和快速性的要求，提高测量精度和测量稳定性，最 终设计和开发出可靠性、稳定性好、系统性价比高的控制器。 我们知道，无论是以传递函数为核心的经典控制理论，还是以最优控制理论为核 心的现代控制理论，应用它们解决自动控制的实际问题时，都先假设被控对象的特性 是线性的或近似线性的，并且己知描述被控对象特性的某种形式的数学模型，如微分 方程、传递函数、状态方程等9。由前述可知，本系统的传递函数是由反应釜内的物料、 中北大学 2019 届毕业设计说明书 第 10 页 共 39 页 状态以及反应釜的各个参数决定的，随着物料或者反应釜参数的变化，传递函数也会 发生变化，即其传递函数是多变的。所以经典控制理论和现代控制理论的最优控制难 以应用在反应釜内的化学反应上，而模糊控制的优点是不需要掌握受控对象的精确数 学模型，根据人工控制规则组织控制决策表，并且规则可以通过学习不断更新，对被 控对象参数的变化和干扰具有较强的鲁棒性，对噪声干扰具有较强的抑制能力，正适 合于这种模型未知或多变的控制系统。 本文采用了模糊控制方法，使系统具有模糊控制灵活而适应性强的优点，使被控 变量具有良好的动态特性和静态特性。 3.2 模糊控制器设计模糊控制器设计 3.2.1 模糊控制器简述 模糊自动控制是以模糊集合化，模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的一种计算 机数字控制。从线性控制与非线性控制的角度分类，模糊控制是一种非线性控制；从 控制器的智能性看，模糊控制属于智能控制的范畴，而且它已成为目前实现智能控制 的一种重要而有效的形式。本节主要研究模糊控制系统的组成，模糊控制基本原理和 设计方法。 模 糊 量 化 模 糊 推 理 清晰化执行器对象 de/dt 检测装置 E EC Uuy + - r e ec 语言规则 图 31 模糊控制原理框图 模糊控制原理框图如图 3.1 所示，它的核心部分为模糊控制器，如图中虚线框所示。 模糊控制器的控制规则由计算机的程序实现，微机通过采样获取被控量的精确值，然 后将此值与给定值比较得到偏差 e 和偏差变化 ec。然后把偏差 e 和偏差变化 ec 进行模 糊化变成模糊量 E 和 EC，E 和 EC 可用相应的模糊语言变量表示。至此，得到了偏差 e 和偏差变化 ec 的模糊语言集合的子集 E 和 EC。再由 E、EC、和模糊控制规则 R(模 中北大学 2019 届毕业设计说明书 第 11 页 共 39 页 糊关系)根据推理合成规则进行决策，得到输出量的模糊控制量 U。 为了对被控对象施加精确的控制，还需将模糊量 U 转换为精确量，这一步在图上 称为解模糊(亦称为去模糊化或清晰化)，得到精确的数字量。得到精确的数字量后，经 过数模转换(上图中未画出)，变为精确的模拟量后送给执行器，对被控对象进行控制。 综上所述，模糊控制器的设计包括以下几项内容： (1)确定模糊控制器的输入变量和输出变量(即控制量)。 (2)设计模糊控制器的控制规则。 (3)进行模糊化和去模糊化（又称清晰化的方法）。 (4)选择模糊控制器的输入变量及输出变量的论域并确定模糊控制器的参数（量化 因子，比例因子）。 (5)编制模糊控制算法的应用程序。 (6)合理选择模糊控制算法的采样时间。 下面将详细介绍一下本论文模糊控制器的设计10。 3.2.2 模糊控制器的设计 3221 模糊控制器的结构设计 模糊控制器的结构设计是指确定模糊控制器的输入变量和输出变量。模糊控制器 输入和输出变量的选择在很大程度上受手动控制的影响。根据输入变量的个数，模糊 控制器有一维、二维和多维之分。一维模糊控制器的输入变量只选一个误差，它的动 态控制性能不佳。从理论上讲，模糊控制器的维数越高，控制越精细。但是维数过高， 模糊控制规则变得过于复杂，控制算法的实现相当困难。因此，人们广泛设计和应用 一维模糊控制器。 本文也采用二维模糊控制器，将设定温度和实际温度的偏差 e 和偏差的变化 ec 作 为输入变量，e 和 ec 可按 F 式求得 n -yP nrH (21) ( )( )(1)ec ne ne n (22) 式中,r(n)设定温度; y(n)实际温度; e(n)第 n 次采样时刻温度偏差的精确值； 中北大学 2019 届毕业设计说明书 第 12 页 共 39 页 ec(n)第 n 次采样时刻偏差变化的精确值。 e 和 ec 经过模糊化后分别为模糊变量 E 和 EC。经模糊推理后的输出量为 u，解 模糊后对应的精确量为冷却介质阀门开度的变化量u。由此，本论文中的模糊控制器 设计可分为三个步骤：精确量的模糊化、模糊控制规则的设计和输出量的模糊判决11。 3222 精确量的模糊化 在确定了模糊控制器的结构之后，就需要对输入量进行采样、量化并模糊化。将 精确量转化为模糊量的过程称为模糊化(Fuzzification)，或称为模糊量化14。计算机输 出的控制量均为精确量，需经过模糊化处理，变为模糊量，以便实现模糊控制。 模糊控制器的输入变量 e、ec 的实际变化范围以及被控对象实际所要求的控制量 u 的变化范围称为这些变量的基本论域。而模糊控制器的输入变量 e、ec 以及输出控制 u 所取模糊子集的范围称为这些变量的论域。 设偏差 e 的基本论域为-xe, +xe，偏差变化 ec 的基本论域为-xec，+xec。设偏差变 量所取的模糊了集的论域为-n，-n+1，0，n-l，n，偏差变化所取的模糊了 集论域为-m，-m+1，0，m-l，m。 为了进行模糊化处理，必须将输入变量从基本论域转换到相应的模糊集的论域， 这需将输入变量乘以相应的量化因了。偏差的量化因子 K，及偏差变化的量化因子 Ke，分别由下面两个公式来确定 eeKn x (23) ececKm x (24) 量化因予 Ke及 Kec的大小对控制系统的动态性能影响很大。从理论上讲，Ke增大， 相当于缩小了偏差的基本论域，增大了偏差变量的控制作用，虽然能使上升时间变短， 但由于超调大，使得系统的过渡过程变长。Kec对超调的遏制作用十分明显，Kec 选择 越大系统超调越小，但系统的响应速度变慢。 n 和 m 的取值与控制精度有关，它们的值取得越大，意味着控制精度越高，但如 果取得过大，会增加控制器的复杂程度。经综合考虑后，本文取 n=6，m=6。偏差变化 采用限幅的办法，设定偏差 e 的变化范围为-15，+15，即偏筹绝对值超过 15 的按照 15 计算，即|xe|=15，取偏差变化 ec 的变化范围为-3，+3，即 xec=3。根据式(23)和 式(24)可得 Ke=0.4，Kec=2。 中北大学 2019 届毕业设计说明书 第 13 页 共 39 页 对于第 n 次采样时刻温度偏差的精确值 e(n)和第 n 次采样时刻偏差变化的精确值 ec(n)，分别乘以相应的量化因子即可转换为对应的模糊论域中，如果转化后的值不是 整数，采用四舍五入的办法就近取整12。 3223 模糊控制规则的设计 控制规则的设计一般包括三部分内容：选择描述输入输出变量的词集，定义各模 糊变量的模糊子集及建立模糊控制器的控制规则。 32231 输入输出变量的词集 模糊控制器的控制规则表现为一组模糊条件语句，在条件语句中描述输入输出变 量状态的一些词汇(如“正大”、“负小”等)的集合，称为这些变量的词集(也称变量 的模糊状态)。实际应用中，一般都选用“大、中、小”三个词汇来描述模糊控制器的 输入、输出变量的状态。 选择的较多的词汇描述输入.输出变量，可以是制定的控制规则方便，但是控制规 则相应变得复杂。相反，如果词汇选的过少，使得描述变量变得粗糙，导致控制器性 能变坏。本文把偏差 E、偏差变化量 EC 和输出量 U 的模糊状态选为以下七个词汇， 即 负大、负中、负小、零、正小、正中、正大 NB，NM，NS，O，PS，PM，PB 其中 N=Negative，B=Big，M=Middle，S=Small，0=0，P=Positive。 描述输入、输出的词汇都具有模糊性，可用模糊集合来表示，因此，模糊概念的 确定问题就直接转化为求取模糊集合隶属函数的问题。 3222 输出量的模糊判决 模糊控制器的输出是一个模糊集，他包含控制量的各种信息，但被控对象仅能接 受一个精确的控制量，应从中选择那一个控制量施加到被控对象中去呢？这就要进行 模糊判决，把模糊两转化为精确量。把模糊量转化为精确量的过程称为清晰化，又称 为去模糊化，或称为模糊判决。 模糊判决的方法有很多，常用的方法有重心法、最大隶属度法、系数加权平均 法、以及中位数法等。最大隶属度法简单易行，使用方便，算法实时性好，具体做法 是在推理结论的模糊集合中选取隶属度最大的元素作为精确控制量。 由前述己知，模糊关系 R 是一个庞大的矩阵。对于实时控制系统，要求实时性好， 中北大学 2019 届毕业设计说明书 第 14 页 共 39 页 不允许过长的计算时间。如果对于每一次输入，部按照 U=(E-EC)oR 计算输出量的模 糊子集，在实时控制系统中是不可行的。为了解决上述问题，可以采用查表的方法， 即事先把模糊关系矩阵 R 离线计算好，写成模糊控制表 3.1。在实际使用时，只要根据 输入量查表就可以得到精确的输出量。 表 3.1 模糊控制表 -6-5-4-3-2-10123456 -66666666442000 -56666666442000 -46666654433000 -36666555320-1-1-1 -24444432100-1-1-1 -14 444321000-2-2-2 04443320-1-1-1-3-3-3 1111100-1-1-3-3-3-3-3 21110-1-1-3-3-4-4-4-4-4 30000-2-2-2-6-6-6-6-6-6 4000-3-3-4-4-5-6-6-6-6-6 5000-2-4-4-5-5-6-6-6-6-6 6000-2-4-4-6-6-6-6-6-6-6 对于上述的模糊控制器的模糊控制表由输入输出变量及其论域和模糊变量的赋值 表决定,一旦模糊控制表确定之后，模糊控制器的控制规则就确定下来了。为了使本控 制器能适应不同控制系统的要求，本文在上述基础上采用了基于规则修改的自适应模 糊控制。 3223 基于规则修改的自适应模糊控制器 基于规则修改的自适应模糊控制器指的是，它的控制规则可以随它所控制的运行 和环境的变化而自动地修改。基于规则修改的自适应模糊控制器由多种类型，本文采 用的是带自调整函数的模糊控制器14。 首先引入一个算子，表示取一个与 n 同号且最接近于 n 的整数，即： EC U E 中北大学 2019 届毕业设计说明书 第 15 页 共 39 页 int( ) 1 int( ) 1 aa aaa aa 为大于零的非整数时 为整数时 为小于零的非整数时 (2.5) 基于规则修改的自适应模糊控制器是通过在控制中给偏差 E 和偏差变化 EC 加上 一定的权系数来对模糊控制规则进行修改的。但是，模糊控制系统在不同的状态下， 对控制规则中偏差 E 和偏差变化 EC 的加权程度有小同的要求。因此，如果想要取得 较理想的控制特性，就要在不同的控制阶段对偏差 E 和偏差变化 EC 加不同的权系数， 但这样控制起来就比较麻烦，并且加权系数的选择在很大程度上依赖于工作经验或需 要出实验调试确定。如果将调整因子变为多种形式的调整函数，就可以进一步改善模 糊控制的功能。带自调整函数的模糊控制器就是基于这种想法而产生的。 常用的带自调整函数的模糊控制器的调整方法有修正函数法、a(t)调整函数法和智 能权函数法。本文采用的是智能权函数的方法，它的突出特点是权函数仅是输入变量 的函数，具有仿人智能的控制策略。 对二维模糊控制系统而言，当系统偏差大时，控制系统的主要任务足消除偏差， 应对偏差的作用给予较大的加权，偏差越大，加权也越大；反之，当偏差变化相对较 小时，此时系统已接近稳定，控制系统的主要任务是使系统尽快稳定，需要对偏差变 化加权大些。根据上述，利用偏差及偏差变化本身的绝对值作为自身的加权是可取的， 同时在满足二者加权之和应等于 l 的条件下，偏差的权函数及偏差变化的权函数分别设 计为： e E a EEC ( 2.6) ec EC a EEC (2.7) 式中，E 及 EC 分别是偏差及偏差变化的模糊量，显然满足 1eecaa 的条件。 根据上述设计智能权函数分别对两个输入量加权，可得到如下模糊控制规则： 0UUU (2.8) EEC UEEC EECEEC (2.9) 控制量的精确量可通过式(28)和式(29)在线确定，可以减少存储器空间的占用。 中北大学 2019 届毕业设计说明书 第 16 页 共 39 页 并且对于不同的控制对象和控制系统，亦可应用本控制器的控制规则，即本控制器实 现了通用化。 每次采样模糊控制器给出的控制量(模糊集)经模糊判决，可得到控制量的精确量， 但还不能直接控制被控对象，必须将其转换到被控对象所能接受的基本论域中，一般 的做法是：经模糊判决后得到的控制量 u 乘以一个适当的系数，转换到被控对象的基 本论域中去，这个系数就称为比例因子。 设控制量的的基本论域为 , uuyy ，对应的模糊子集的论域为-p，-p+1,0,p- 1，P，则比例因子 Ku为： u u y K p (210) 本文使用一个字节单元存放阀门的开度值，即输出控制量(0，255)对应着冷却介 质阀门从关闭到开度最大的状态。阀门开度的变化设定为为-24，+24，即 yu=24，又 已知 p=6，由式(210)可得 Ku=4。若某一时刻模糊判决得到的输出量为 xn(n)，则对应 的控制量变化 u(n)为： ( )( )uuu nKx n (211) 因此，采样时刻的输出控制量 u1(n)为： 1( )(1)( )u nu nu n (212) 式(212)为增量式输出，在实际使用时，需将 u(n)转化到 0255 范围内，因此 输出： 11 256 ( )( )24 48 u nu n (2.13) 同时，需要对 u(n)作必要的限幅。本文模糊控制器的最终输出 u(n)为： ( )0( )255 ( ) 225( )255 0( )0 u nu n u nu n u n (214) 模糊控制器的控制算法是由计算机的程序实现的，具体流程图见本文的“控制系 统的软件设计”部分。 中北大学 2019 届毕业设计说明书 第 17 页 共 39 页 4 硬件电路设计硬件电路设计 4.1 系统硬件构成系统硬件构成 本文设计的控制系统硬件电路由主控制器、数字温度计、过零检测电路、输出控 制电路、键盘、LED 显示电路及电源等组成，系统的硬件组成如图 4.1 所示。 数字温度计 键盘及接口 过零检测 单 片 机 电源电路 D/A转换 电压放 大及V/I 转换 电动执行器流量阀 LED 图 4.1 系统硬件电路图 主控制器采用 AT89C2051 单片机，它是 ATMEL 公司生产的与 MCS 一 51 系列完 全兼容的 CMOS 型 8 位单片机，是 ATMEL 公司 AT89 系列中经济低价产品。它有 2KBFlash 程序存储器和 128 字节的内部 RAM，可以满足本论文中的系统要求。另有 15 条可编程 I/O 线，2 个 16 位定时/计数器，5 个可设定为两级优先级的中断源和一个 全双工串行 UART 接口。CMOS 型单片机比一般的单片机功耗更低，特别适合需要节 能的工业测控领域。 温度采集采用 DSl8B20 单线集成温度传感器，不需 A/D 转换电路，内含温度传感 器，并以 912 比特的分辨率数字化，测温速度快，精度高，互换性好，与单片机的 1 位 I/O 线相连，在一条 I/O 线上同时挂接 4 片 DSl8B20 以完成多点温度采集，极大的 节省了单片机的 I/O 口线，并且通信方便，传输距离远且抗干扰性好，很适合于远距 离的温度采集。与用传统温度传感器组成的多点测温系统相比可以节省 I/O 口线,，而 且系统得以简化，系统扩充维护十分方便。 模拟量的输出使用一片 8 位串行输入 D/A 转换器 MAX518 将控制信号送入电动 执行器。MAX518 可完成 2 路 D/A 转换，分别控制加热阀门和冷却阀门的开度，且只 占用两个 I/O 线。D/A 转换后的电压信号经 V/I 变换为电流信号，可实现远距离传输。 中北大学 2019 届毕业设计说明书 第 18 页 共 39 页 开关量输出通道采用双向可控硅控制交流电机，通过过零检测和软件延时来挖制 双向可控硅的导通角，从而控制电动机的导通时间，进而控制电动机的转速，实现电 动机的无级调速。 系统还设计了 8 个薄膜开关、4 个 8 位 LED 数码管和 5 个发光二极管以设定和显 示工作状况。 4.2 电源电路电源电路 考虑到工厂实际使用的方便性，整个系统采用 220V 工频电源供电，而单片机及其 外围电路的电源要求为+5V 或+15V 的直流电压，本文所设计的直流稳压电源如图 4.2 所示。 图 4.2 电源电路 整个电源电路由交流滤波电路、变压器、整流电路和稳压电路组成。变压器 T1 将 220V 交流电压转换为 24V 低压交流电压。4 个二极管构成的整流电路用于将低压交 流电压整流为全波直流脉动电压。该全波直流脉动电压经二极管 D5，与滤波电容 C5 相连，形成较平滑的直流电压。由于放大器 LM358 和 v/I 转换器 AD694 需要+ 15V 电 压，故在整流之后使用一片 MC7815T 和 MC7805T 串接得到两种不同的直流电压。稳 压器使用时需在输入和输出端各并接一个电容。输入端的电容用以抵消输入端较长接 线的电感效应，防止产生自激振荡。输出端的电容是为了瞬时增减负载电流时不致引 起输出电压有较大的波动。二极管 D5 的作用是隔离全波直流脉动电压和滤波后的直流 电压。但是 MC7815T 与 MC7805T 串连相接，MC7815T 功耗比较大，易发热，故采用 了大功率的 MC7815T 与 MC7805T，以提高电源的可靠性。 同时，由整流电路输出的全波脉动直流电压，也经电阻 Rl 送到过零检测电路，用 于产生过零脉冲信号。 4.3 过零检测电路过零检测电路 过零检测电路由 NPN 晶体管 Q1 和电阻 R1 和 R3 组成，用于检测电源电压波形的 中北大学 2019 届毕业设计说明书 第 19 页 共 39 页 过零点。电路如 4.2 所示。 由整流电路输出的全波脉动直流电压经电阻 R1 和 R3 分压后，送入晶体管的基极。 只要 R3 上的分压值大于 0.7V，就会使 NPN 晶体管饱和导通。因此当交流电压处于过 零点时，NPN 晶体管截止，输出正脉冲信号，经过一个非门变为负脉冲，这个脉冲信 号就是过零脉冲信号，作为中断请求信号，它被送到单片机的中断请求引脚 INT1。 4.4 基于基于 DSl8820 的多传感器测温电路的多传感器测温电路 4.4.1 DSl8820 的性能特点 DSl8820 是美国 Dallas Semiconductor 公司继 DSl820 之后推出的一种改进型单线芯 片数字温度计，能够直接读取被测物体的温度。它具有如下的特性： (1)供电电压范围宽，从+3V 到+5.5V，测温范围从一 55到+125，最高分辨率 达 0.0625，测量精度高； (2)具有可编程的温度分辨率。通过对便签式 RAM 中的配置寄存器的可编程温度 分辨力位 R0、R1 进行编程，可设计不同的分辨率： (3)转换时间较短，9 位分辨率转换时间仅需 9375ms，12 位的转换时间最大也只 需 750ms； (4)每一个 DSl8820 都有唯一的 64 位序列号，并且体积很小； (5)具有电源反接保护电路。当电源电压的极性接反时，能保护 DSl8820 不会因发 热而烧毁，但此时 DSl8820 无法正常工作15。 4.4.2 DSl8820 内部结构简介 DSl 8820 只有 3 个引脚，DQ 脚为数据输入/输出端，即为单线总线连接端，它属 于漏极开路输出，外接上拉电阻后，常态下呈高电平。UDD是可供选用的外部+5V 电 源端，若采用寄生电源供电，则该脚接地。 每个 DSl8820 在出厂时都己具有唯一的 64 位序列号，因此一条总线上可以同时挂 接多个 DSl8820。本文中多片 DSl8820 与 AT89C2051 的连接如图 4.3 所示。 中北大学 2019 届毕业设计说明书 第 20 页 共 39 页 图 4.3 多片 DSl8820 与 AT89C2051 的连接 DS18820 温度