（交通信息工程及控制专业论文）基于嵌入式的温度控制系统与算法研究.pdf

摘要表面粘贴技术是一门涉及元器件、组装设备、焊接方法和组装辅助材料等内容，将电子元器件组装或贴装到印刷电路板( p c b ) 上的综合技术，被认为是电子组装技术的一次革命。随着国际信息产业无铅化的发展和i c 芯片的技术革新，对电子信息产品无铅化需要的技术回流焊接工艺提出了新的要求：利用更先进的控制方式在高温度、高温差、温度均匀、温度柔性化和垂直烘烤下进行无铅焊料的焊接，以达到提高生产质量，节约能量的目的。本文设计了基于嵌入式的温度控制系统，首先介绍温度控制的硬件结构，对主要电路进行设计，采用p h i l i p s 公司的l p c 2 2 1 2 做为温度控制系统的核心处理器，在回流焊上植入嵌入式实时操作系统g c o s i i ，搭建了一个任务管理平台，通过实时内核来对任务进行调度、管理，完成对回流焊工作任务的控制，采用g c o s i i 为基础操作平台的设计工业控制系统，可以克服传统的采用前后台控制和中断响应方式所难以很好解决的实时响应差、控制效率低的缺点。实际运行结果表明该系统稳定性好，可靠性高，人机界面友好，维护简单。参数优化是许多科学、工程问题以及社会经济活动中的重要研究内容。针对该系统的实际情况，提出了基于进化算法的p i d 整定策略，主要讲了遗传算法和微粒子群算法，其中遗传算法能通过自学习能力对模型的控制参数进行了优化，找到了较好的控制参数，本文借助积分分离算法在阶跃响应的仿真中的对比，实验表明遗传算法的p i d 整定策略要大大优于传统p i d 算法。最后通过采用p s o 算法对p i d 参数进行了优化，仿真结果表明该算法响应时间短，稳定收敛，精确度高，易于并行化，是一种效率很高的寻优方法，是p i d 参数优化的理想方法。关键词：嵌入式，g c o s i i ，任务，进化算法，微粒子群a b s t r a c ts u r f a c em o u n t i n gt e c h n o l o g y ( s m t ) i su s e dt om o u n tt h ee l e c t r o n i cc o m p o n e n t so n t h ep c b i tt r e a to ft h ec o m p o n e n t s 、m o u n t i n ge q u i p m e n t 、s o l d e r i n gm e a s u r ea n d m a t e r i a l s ，a n di ta l s oh a sb e e nc o n s i d e r e da sar e v o l u t i o ni ne l e c t r o n i cm o u n t i n gf i e l d s w i t hl e a d f r e ed e v e l o p m e n to fi n t e r n a t i o n a li ti n d u s t r ya n di cc h i pt e c h n i c a li m p r o v e m e n t ，t h en e wr e q u e s tt oe l e c t r o n i ci n f o r m a t i o np r o d u c t sl e a d f r e et e c h n o l o g yt h a ti sa v a i l a b i l i t yi nr e f l o wj o i n t i n gh a v eb r o u g h tf o r w a r d ：j o i n t i n gl e a d - f r e es o l d e r sm a k i n gu s eo fm o r ea d v a n c e dc o n t r o lm e t h o du n d e rt h ec o n d i t i o no fh i g ht e m p e r a t u r e ，h i g ht e m p e r a t u r ed i f f e r e n c e ，t e m p e r a t u r ee q u a t i o n ，t e m p e r a t u r ef l e x i b i l i t ya n dp e r p e n d i c u l a r i t yb a k e s ，t or e a l i z et h eg o a lo fe n h a n c i n gt h ep r o d u c t s q u a l i t ya n ds a v i n gt h ee n e r g yt h i sp a p e rd e s i g n e dt h et e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e mb a s e do ne m b e d d e d ，f i r s ti n t r o d u c e dt h eh a r d w a r es t r u c t u r eo ft h et e m p e r a t u r ec o n t r o l ，a n dd e s i g n e dt h em a i nc i r c u i t ，a d o p tt h el p c 2 212a st h ec o r ep r o c e s s o ro ft h et e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e m ，r u n n i n gs p e e da n dh a n d li n gc o m p l e xd a t ah a v em a n ys c mu n m a t c h e dp e r f o r m a n c e ，i nr e f l o wt r a n s p l a n tt h ee m b e d d e dr e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e mp c o s i i ，s e tu pat a s km a n a g e m e n tp l a t f o r m ，t h r o u g hr e a l t i m ek e r n e lt os c h e d u l ea n dm a n a g et h et a s k s ，t oc o m p l e t et h ec o n t r o lo ft h er e f l o ws o l d e r i n gt a s k s ，t h ed e s i g no fi n d u s t r i a lc o n t r o ls y s t e m su s ep c o s i ia so p e r a t i n gp l a t f o r m ，c a nb eo v e r c o m et r a d i t i o n a lt a i w a nb e f o r ea n da f t e rt h ei n t r o d u c t i o no fc o n t r o la n dd if f i c u l tt oi n t e r r u p tr e s p o n s eb yt h eg o o dw a yt or e s o l v et h er e a l t i m er e s p o n s ep o o ll o w e f f i c i e n c yc o n t r o lw e a k n e s s e s a c t u a lo p e r a t i n gr e s u l t ss h o wt h a tt h es y s t e mh a sg o o ds t a b i l i t y , h i g hr e l i a b i l i t y , f r i e n d l ym a n m a c h i n ei n t e r f a c e ，e a s ym a i n t e n a n c e t h ep r o b l e mo fp a r a m e t e r so p t i m i z a t i o ni si n v o l v e di nm a n ys c i e n t i f i c ，e n g i n e e r i n ga n de c o n o m i cf i e l d s f o u n d i n go nt h i st e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e m ，e v o l u t i o n a r ya l g o r i t h mi sp r o p o s e db a s e do nt h ep i dt u n i n gs t r a t e g y , f o c u s e do ng e n e t i ca l g o r i t h m sa n dp a r t i c l e ss w a r ma l g o r i t h m ，t h eg e n e t i ca l g o r i t h mp i dt u m i n gs t r a t e g yh a v eb e e nb r o u g h tf o r w a r d i tc a l lo p t i m i z et h es y s t e mm o d e ls t r u c t u r et h r o u g ht h eus e l f - l e a r n i n ga b i l i t y , a n dt u r nu pt h eo p t i m i z e dp a r a m e t e ro ft h em o d e l t h ep a p e ru t i l i z et h es t e pr e s p o n s es i m u l a t ec u r v e so ft h ei n t e g r a l - s e p a r a t e dp i da l g o r i t h mt oc o m p a r i n gt ot h ee f f e c t ，f i n a l l y ，p s oi su s e dt oo p t i m i z et h ep i dp a r a m e t e r s ，t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ea l g o r i t h ms h o r tr e s p o n s et i m e ，s t a b i l i t y ，c o a v e r g e n c e ，h i g ha c c u r a c y ，e a s yt oc o n c u r r e n t o p e r a t i o n i ti sa ni d e a lm e t h o df o ro p t i m i z i n gp i dp a r a m e t e r s k e yw o r d s ：e m b e d d e d ，i r l c o s - i i ，t a s k s ，e v o l u t i o n a r ya l g o r i t h m s ，p a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o ni原创性声明本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。作者签名：盘叁! 望日期：碰年月监日学位论文版权使用授权书本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。作者签名：差廛! 垫导师签名垃日期：丝年月堕日硕十学位论文第一章绪论1 1 工程背景及研究意义1 1 1 工程背景第一章绪论在当今社会，人们越来越重视高科技的发展，特别近十年来美国高科技的发展给人们树立了良好的榜样。电子信息产业是高科技的先导，是高科技发展的重要组成部分。而电路组装技术则是电子信息产业迅速壮大和突飞猛进的主要支柱。进入2 l 世纪，电子产品将向小型、高速、多功能和高可靠性方向发展。这样在电子制造业技术上，半导体产品的可靠性和电子产品集成装配的可靠性变成越来越备受关注的问题【lj ，贴片式元件的发展趋势还可再从i c 发展过程来看，其封装尺寸从最初的1 2 7 m m ，发展到o 5 m m o 4 m m 的引脚中心距。近几年来又出现了b g a 、c s p 以及裸芯片，从最近几年的实际应用趋势来看，其b g a 、c s p 将成为i c封装芯片的主流【2 】。而且随着电子产品竞争的同趋加剧，生产的不确定因素不断加大，需要经常调整产品的产量以及不同产品的类型。为此对电子元器件的贴装、焊接设备提出了更高的要求，即要求其能够实现各类精细元器件贴装、焊接的技术，又要具有良好的灵活性，以适应当前干变万化的生产制造要求【3 】。近年来表面组装技术( s m t ) 发生了巨大的变化，如生产标准、新型焊锡膏的使用、不同的封装材料和芯片本身的设计革新，都给回流焊工艺提出了新的要求，一个总的趋势就是要求采用更先进的热传递方式和控制方式，达到节约能源，均匀温度，适合双面板和新型器件封装方式的焊接要求【4 】。电子整机的无铅化发展是国际信息产业工业发展的必然趋势，我国信息产业部也要求在2 0 0 6 年7 月1 日自i ，全国实现电子信息产品的无铅化，在国外也基本在2 0 0 6 年或以前就实现了无铅焊接。无铅焊料相对一般焊料的熔点都比较高，高的焊接温度容易造成焊盘及合会粉颗粒氧化【5 】，因此，新的回流焊工艺中除了对温度控制有更严格要求外，都采用氮气保护，而且需要配备快速冷却装置；另外，连续柔性板回流焊、温度曲线优化技术、垂直烘炉技术等回流焊新技术的应用都使p c b 元器件焊接过程自动化控制提高了效率、同时也增加了控温难度【5 】。而热风再流焊是通过2 5 0以上的过热空气，对线路板上贴装的元器件进行加热，使焊挚上的锡球与引脚上预涂的焊锡熔化流动而连接。它的弊端是线路板及板上元件受高温空气烘烤，降低表层上导电图形与基板的粘贴结合力板上元器件、芯片因过热降低使用寿命，甚至造成线路板报废【6 】；能源利用率低下，在焊接的过程中容易出现桥连、曼哈硕十学位论文第一章绪论顿现象、而且8 0 以上能源转换热空气消耗掉【7 】：还污染工作环境。为此，s m t 的焊接工艺和温度控制策略需要改进! 需要对多温区回流焊系统进行改进，以满足温度更好控制的需要。1 1 2 研究意义随着s m t 技术的发展，传统的目检、镜检已经远远不能满足检验的要求，目前，国内大部分p c b 企业还是采用含铅过程的回流焊炉，炉内温度相对较低。回流焊炉的温度控制算法是传统的p i d 算法。业内使用的回流炉根据温区的划分可以分为多温区回流炉和单温区的回流炉【8 】。多温区的回流炉根据含铅焊膏的回流焊温度曲线及回流原理，焊炉被设计为分温区控制的炉体，p c b 放在b l e t 上，在规定时问内跑过炉内各个温区，这类焊炉的特点是分区控制、过程简单。如：有些企业使用的简易的四温区回流焊机，然而，由于温区少，各温区之间的温度跨度大，只通过对几个温度点进行控温来跟踪一条温度曲线，控制效果是粗糙的。因此引进s m t 检测设备也应该在考虑范围之内，所以对硬件要求越来越高，对处理器和实时性要求比较高，需要比较好的控制策略来控制温度【9 】。这样对s m t 技术的关键技术之一的热风回流焊机提出了更高的要求：在更高的焊接温度下保证焊盘及焊点的韧性和抗低周疲劳能力，温区内要求纵向温差小，但相邻两温区要求横向温差大，这样就要求我们设计更好的软硬件系统，采用3 2 位的处理器和实时多任务的操作系统，还有采用最新的进化算法对p i d 参数整定，完全能满足要求，还能做在某些方面做到领先，能够适应当前千变力化的生产制造要求。本次设计是回流焊炉控制系统改进的一次全新的尝试，通过设计该系统，一方面改进温度控制模式改善系统的控制精度将温度控制在l 度的精度范围内，同时该系统由于采用嵌入式系统平台搭建软件架构，使软件具有移植性好、功能多样的特点，稍做修改即可用于其他要求更高控制系统中。若对该设备改造成功，将大大降低生产成本、减少维护费用、提供产品的智能化水平，使产品具有更大的市场竞争力，并对同类型的温度控制系统产生有利的影响。1 2 温度控制器的国内外现状1 2 1 温度控制器发展现状当今市场中温度控制成型的产品一般以单片机为控制器，由于单片机处理速2硕十学位论文第一章绪论度慢，功耗低，功能少，更加重要的是其r o m 和r a m 空间比较小，不能运行较大的程序，而基于多任务的操作系统需要的任务堆栈很多，需要的r a m 空间很大，故其在发展上受到了很大的限制。前几年美国公司出了高性能的c 8 0 5 1 f 系列，该产品具有速度快，强大的模拟信号处理功能，先进的j t a g 调试功能，强大的控制功能，丰富的串行接口，r o m 和r a m 空间大等优点，与标准5 1 系列单片机相比，有很高的性能。a r m 提供一种嵌入式应用的有效的解决方案，以其成熟的结果标准，有效的3 2 位r i s c 结构，优秀的代码密度，可能的低成本，执行高度稳定等特性，成为市场所认可，现在国内外很多温度控制系统采用a r m 做为处理器，提供了有价值的参考【1 0 】。在回流焊上植入嵌入式实时操作系统uc o s - i i 1 1 l ，搭建了一个任务管理平台，通过实时内核来对任务进行调度、管理，完成对回流焊工作任务的控制，采用uc o s i i 为基础操作平台的设计工业控制系统可以克服传统的采用前后台控制和中断响应方式所难以很好解决的实时响应差、控制效率低的缺点。1 2 2 嵌入式系统i e e e 对于嵌入式系统的定义【l2 】是：a ne m b e d d e ds y s t e mi st h ed e v i c e su s e dt oc o n t r o l ，m o n i t o r , o ra s s i s tt h eo p e r m i o no fe q u i p m e n t ，m a c h i n e r yo rp l a n t s 嵌入式系统是“用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置”。在中国嵌入式系统领域，比较认同的嵌入式系统概念是：嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。嵌入式系统一般指非p c 系统，它包括硬件和软件两部分【l 引。硬件包括处理器微处理器、存储器及外设器件和i o 端口、图形控制器等。软件部分包括操作系统软件( o s ) ( 要求实时和多任务操作) 和应用程序编程。有时设计人员把这两种软件组合在一起。应用程序控制着系统的运作和行为；而操作系统控制着应用程序编程与硬件的交互作用。嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。嵌入式微处理器一般就具备以下4 个特点：1 ) 对实时多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应时间，从而使内部的代码和实时内核心的执行时间减少到最低限度。2 ) 具有功能很强的存储区保护功能。这是由于嵌入式系统的软件结构已模块化，而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保护功能，同时也有利于软件诊断。硕+ 学位论文第一章绪论3 ) 可扩展的处理器结构，以能最迅速地开展出满足应用的最高性能的嵌入式微处理器。4 ) 嵌入式微处理器必须功耗很低，尤其是用于便携式的无线及移动的计算和通信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此，如需要功耗只有m w 甚至1 tw级。嵌入式计算机系统同通用型计算机系统相比具有以下特点：1 嵌入式系统通常是面向特定应用的嵌入式c p u 与通用型的最大不同就是嵌入式c p u 大多工作在为特定用户群设计的系统中，它通常都具有低功耗、体积小、集成度高等特点，能够把通用c p u 中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化，移动能力大大增强，跟网络的耦合也越来越紧密。2 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具体应用相结合后的产物。这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。3 嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余，力争在同样的硅片面积上实现更高的性能，这样才能在具体应用中对处理器的选择更具有竞争力。4 嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体产品同步进行，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命周期。5 为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或单片机本身中，而不是存贮于磁盘等载体中。6 嵌入式系统本身不具备自举丌发能力，即使设计完成以后用户通常也是不能对其中的程序功能进行修改的，必须有一套开发工具和环境才能进行开发。i 上c o s i i ( m i r c o c o n t r o l l e ro p e r a t i n gs y s t e mv e r s i o n2 ) 是专为微控制器系统和软件开发而设计的公开源代码的抢占式实时多任务操作系统内核【i4 1 ，是一段微控制器启动后首先执行的背景程序，作为整个系统的框架贯穿系统运行的始终。一个完整的，可移植、固化、可裁剪的占先式实时多任务内核，是一个具备现代操作系统特点的r t o s ，同时它结构清晰、注解详尽，具有良好的可扩展性和可移植性，被广泛地应用于航空业、高端音响、医疗器械、电子乐器、网络设备、工业机器人等各个领域，各种架构的微处理器上。采用uc o s i i 为基础操作平台的设计工业控制系统可以克服传统的采用前后台控制和中断响应方式所难以很好解决的实时响应差、控制效率低的缺点。4硕十：学何论文第一章绪论1 2 3 温度控制策略的研究现状多温区加热动态炉控制策略方面的研究主要分为有模控制和无模控制两种，有模控制的控制模型是前人或自己推导的模型，或假设为一个一阶惯性加延时环节模型，或者建立出较为精确的数学模型，在此模型的基础上研究经典控制策略来控制温度；另外一种是根据现场采集到的温度数据，依据智能控制或统计过程控制等控制策略来控制温度【1 5 1 6 】，本文研究的控制策略将属于有模控制的一种。在模型的基础上研究控制策略是经典控制理论的研究重点之一，在很多方面发展比较成熟，在工程中发挥了巨大的作用，如：专家控制系统、积分分离控制算法、s i m t h 控制算法等。但针对大滞后，强耦合、多干扰、参数时变的温度控制系统来说可以研究一些p i d 参数自整定的算法，譬如：模糊自整定、b p 神经网络、遗传算法等【1 7 q 9 】。自整定的含义是控制器的参数可根据用户的需要自动整定，不再需要人为干预，只需用户发送一个命令来启动自整定过程。该技术是为了解决p i d 参数整定困难这个问题而产生的。将受控对象特性的确定和p i d 控制器参数的计算方法结合起来就可实现p i d 控制器的自整定。由于温度控制器要控制各种各样的受控对象，这些受控对象的特性千差万别、各不相同，甚至同一受控对象的特性由于环境的影响、器件的老化以及处于不同的工作状态，也会发生变化。这就使得p i d 自整定控制的难度越发加大。如何对不同控制对象实现理想的控制，是当今控制领域的一个难题和研究的热点。国内外关于p i d 参数整定方法已有一些综述文章【2 0 2 2 1 。a s t r o m 和h a g g l u n d于1 9 8 8 年还出版了专著p i d 控制器自整定【2 3 】。但是同其它控制方法一样，几十年来，p i d 控制的参数整定方法和技术也处于不断发展中，特别是近年来，国际自动控制领域对p i d 控制的参数整定方法的研究仍在继续，许多重要国际杂志不断发表新的研究成果。自z i e g l e r 和n i c h o l s 【2 4 】提出p i d 参数整定方法起，有许多技术己经被用于p i d 控制器的手动和自动整定。根据发展阶段的划分，可分为常规p i d 参数整定方法及智能p i d 参数整定方法：按照被控对象个数来划分，可分为单变量p i d 参数整定方法及多变量p i d 参数整定方法，前者包括现有大多数整定方法，后者是最近研究的热点及难点：按控制量的组合形式来划分，可分为线性p i d 参数整定方法及非线性p i d 参数整定方法，前者用于经典p i d 调节器，后者用于由非线性跟踪一微分器和非线性组合方式生成的非线性p i d 控制器。本文决定采用进化算法【2 5 埘】对p i d 参数进行优化，其中主要研究了基于遗传算、法【2 8 枷1 和微粒子群算法的p i d 参数优化。硕十学位论文第一章绪论遗传算法简称g a ( g e n e t i c a l g o r i t h m s ) ，是1 9 6 2 年由美国m i c h i g a n 大学的h o l l a n d 教授提出的模拟自然界遗传机制和生物进化论而形成的一种并行随机搜索最优化方法，从某种程度上说遗传算法是对生物进化过程进行的数学方式的仿真【3 1 3 5 1 。霍兰德( h o l l a n d ) 在他的著作( ( a d a p t a t i o ni nn a t u r a la n da r t i f i c i a ls y s t e m s ) )首次提出遗传算法，并主要由他和他的学生发展起来的。他将“优胜劣汰，适者生存”的生物进化论原理引入优化参数形成的编码串联群体中，按所选择的适配值函数并通过遗传中的复制、交叉和变异对个体进行筛选，使适配值高的个体被保留下来，组成新的群体，新的群体即继承了上一代的信息，又优于上一代。这样周而复始，群体中个体适应度不断提高，直到满足一定条件。本文同时也应用积分分离算法仿真该模型的阶跃响应曲线，比较积分分离和遗传算法两种不同的算法在该模型上的不同。粒子群优化算法【3 7 】( p a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o n ，p s o ) 是由美国社会心理学家j a m e sk e n n e d y 博士和电气工程师r u s s e l le b e r h a r t 博士在1 9 9 5 年共同提出的一种基于群智能方法的演化计算技术，来源于他们早期对鸟类群体行为研究结果的启发，并利用了生物学家f r a n kh e p p n e r 的生物群体模型【3 8 1 。在p s o 中，每个优化问题的潜在解都可以想象成为在d 维搜索空间中觅食的一只鸟。我们将之称为“粒子 ( p a r t i c l e ) 。所有的粒子都在搜索空间中以一定的速度飞行，这个速度根据它本身的飞行经验和同伴的飞行经验来动态调整，所有的粒子都有一个被目标函数决定的适应值，并且知道自己到目前为止发现的最好位置和自己当前的位置，这个可以看作是粒子自己的飞行经验。除此之外，每个粒子还知道到目前为止整个群体中所有粒子发现的最好位置，这个可以看作是粒子的同伴的经验。文中最后对比了微粒子群算法和遗传算法优化p i d 参数的m a t l a b 仿真，比较两者的不同。1 3 论文篇章结构安排第一章绪论，主要讲了论文的工程背景和研究意义，对温度控制器及控制策略的国内外现状进行了分析研究，并给出了回流焊温度控制系统用嵌入式处理器控制比传统的控制器的优势。第二章丌始介绍了回流焊温度控制系统的概况，接着给出了以l p c 2 2 1 2 为核心的硬件系统的总体结构和各模块的实现方法。对其中重要的组成部分进行详细的分析和解剖，有了一个完整的体系。第三章温控系统软件设计和实现，分下位机和上位机来设计。下位机主要负责与硬件的配合和控制，在回流焊上植入嵌入式实时操作系统uc o s i i ，搭建了一个任务管理平台，通过实时内核来对任务进行调度、管理，完成对回流焊工6硕十学位论文第一章绪论作任务的控制，上位机则开发了友好的人机界面，复杂的算法分析，数据的显示、处理、通信等，构成了操作简便、功能齐全、扩展容易的软件体系。第四章基于进化算法的p i d 参数自整定，针对温度控制系统的复杂性，进化算法在p i d 参数优化方面的有着优势，首先分析了遗传算法的原理和遗传步骤，并通过i d a t l a b 编写遗传算法和积分分离算法，对动态模型进行了阶跃响应的仿真，仿真结果表面遗传算法具有很好的控制效果，能够应用到工程中。接着研究了微粒子群算法，p s o 优化参数比遗传算法效果更好，而且编程简单。第五章总结回顾全文，并展望了今后的工作前景及方向。第二章同流焊控制系统概况及t n i ：系统殴i第二章回流焊控制系统概况及硬件系统设计2 1 多温区回流焊机结构特点和工作原理介绍2 1 1 热风回流焊机主要结构特点和技术参数本机型的热风回流焊机物理结构及尺寸如图2 - 1 3 9 】所示，共有八组十六个加热温区，每个温区都单独采用红外热辐射升温及自然降温方式，八组加热温区采用金属隔板进行热隔离，在外面覆f 二层较厚的热绝缘层，所以热隔离效果不是很好，各温区之问尤其是当温度设定值偏离较大时会有温度相互干扰现象，红外发热系统山3 8 0 v 交流供电，固态继电器来控制其通断比，温度采集器件热电偶安放在每个温区靠近输送链通道的表面上，它的温度采集点尽可能地靠近p c b ，这就更好地反应了温度控制效果。热风回流焊机的整体结构由加热系统，电路板传输系统，控制系统及其它辅助部分构成，后丽将分别对这儿个系统进行介绍。图2 - 1 热风回流焊机正面图硕十学位论文第二二章同流焊控制系统概况及硬什系统设计表2 - 1 热风回流焊机技术参数传送链速度：0 1 m m i n 口12 m r a i np c b ：3 0 m mx3 0 r a m 口2 0 0 m m 2 0 0 m m允许元件高度：m a x2 5 m m输送方式：链条式( 可变更为网带式)加热温区数：6 个预热区+ 1 个焊接加热区长度：3 0 0 0 m m区控温精度：2 。c温度均匀性：5 。c电源：3 相( 3 8 0 l o ) v5 0 h z重量：约6 0 0 k g功率：7 5 6 k w外形尺寸：4 4 9 0 r n m x l 2 6 0 r n m x l 4 4 0 m m2 1 2 热风回流焊机工作原理当各温区按设定的温度值达到恒温后，可将电路板按一定的传输速度置于传送链或传送带上，自动进入并经过各个温区。电路板在炉膛内运行过程中，在预热区，主要是通过热空气对流换热的方式加热。流动的热空气与p c b 及其上面的焊盘、焊膏、元器件引脚接触，在其上面发生对流换热。同时，由于热空气自身也存在着热传导作用，加上电路板与其上物体内部温度不同的各个部分之间也存在着热传导的能量交换，这样，综合的作用结果使电路板的温度上升，最终达到预热阶段的温度；在焊接区，电路板在吸收热空气强制对流换热的同时，还要吸收红外线辐射能量。当电路板及其上面的元器件引脚、焊盘、焊膏等在受到红外线的辐射时，先前处于基态下的质点中的一部分由于其振动频率与红外线的辐射频率相同而吸收红外线，从而转入激发态，并很快形成跃迁。这一跃迁过程伴有能量的释放，释放的方式就是将能量转化为热量，从而导致电路板、元器件引脚、焊膏、焊盘等温度迅速提高，这样，两者综合作用的结果，使得被焊件迅速达到焊接的温度【8 】。更加细化的过程为：p c b 进入预热时间可使焊膏中的水分、气体蒸发掉，同时，焊膏中的助焊剂润湿焊盘、元器件引脚，焊膏软化、塌落，覆盖了焊盘，将焊盘、元器件引脚与氧气隔离。p c b 在预热时得到充分预热。当p c b 进入焊接时间，温度迅速上升，使得焊膏达到熔化状态，对p c b 的焊盘、元器件引脚润湿、扩散、漫流或再流混合形成锡焊接头，实现再流焊【9 】。由于印制板在各温区的温度参数是随着印制板的吸收能量的多少而变化，吸收能量的多少又与热源和吸收时间有关，因此，在热源不变的情况下( 设定温度不变) ，改变印制板在各温区的经过时间( 吸收时间) ，也就是改变传送速度，可以改变印制板的温度参数m 】。总之，通过改变设定的温度或传输速度即可得到相应的工艺参数9硕士学位论文第二章同流焊控制系统概况及硬什系统设计或工艺曲线。2 1 3 系统组成1 加热系统根据工艺条件对回流焊炉的要求，加热系统应保证电路板在炉膛内受到充分，预热，电路板的温升要均匀，在焊接区能迅速达到使焊料充分润湿的峰值温度，尽可能使元器件内部保持低温以防止其分化，加热系统是为达到这些条件而提供热能的重要部分，它由加热元件、隧道式炉膛和热风循环装置组成。本论文所研究的热风回流焊机型加热元件为乳白石英管加热器，它是以电阻比为发热源，微孔石英玻璃外壳在热激发下晶格发生共振，形成远红外辐射、辐射的能量是由所加电压的变化来控制的，这种加热器重量轻，热容量小，对电源或负载变化的响应速度比较快，从室温升到工作温度仅需5 - 一6 分钟，降温速度也比较快。隧道式炉膛由不锈钢板焊接而成，在炉膛的上方和下方安装了多个加热板，形成长度各异的温度区。按照图示的温度曲线的要求，这些加热区在炉膛内形成预热段、保温段、焊接段、冷却段的焊接过程，可以实现快速预热寸快速焊接、缓慢预热j 快速焊接或等速预热一快速焊接的加热曲线以满足不同焊接的要求。一条典型的加热方案为：预热区为一、二温区，保温区为、三、四、五温区，回流区为六、七温区，最后八温区为冷却区，图2 - 2 所示一条常见的温度曲线。p e a k t e m p = 2 3 7 d e g c 。r a m pr a t e = l d e g c l s e c艿苞gi -量三雾兰姜蓁i 蓁；蓁i 蓁i 蓁；蓁i 蓁三量i 篓差兰；霎黍；三! 三堤里匡：三：i! ! 三墅匡三口1 0 ，口4 j眷口7 0鲫1 口0 z 口i j 毒1 3 口；e j1 0 l1 y 5z 1 口：盈毒z 4 uz 0 f uz 0 0 川uj l j ：j q ；4 ：魏ut i m e ( s e e )图2 - 2 热风回流焊温度曲线图热风循环装置作用是由设置在进口处的风机将空气从加热板的进气口输入，穿过发热体的小孔吸收热量以后，又从金属板小孔中均匀地缓和地输出，把热量送到电路板，然后由热风回流焊炉上方的强制抽风装置的排气管排出。这种热风装置保证加热区热量分布的均匀性。本文研究的热风回流焊炉还带有充氮机构，当采用免清洗工艺技术时，该机构向炉膛内进行充氮的功能可提高焊点的质量。1 0辜专磁强搬找犹雠雠优眦供雠优伫兰!雠虻兀鸵靶虻z托：硕士学位论文第二章同流焊控制系统概况及硬件系统设计2 电路板传输系统该热风回流焊炉采取由传输系统连续地将电路板从炉膛入口处送入，经过炉膛焊接后送出，再由下载线体上的热风整平，最后送入电路板储存装置中。工艺上对传输系统有两个主要的要求，那就是在空载或满载状态下，电路板在输送过程中，一是运行的平稳性高，二是应该避免传输带的抖动和爬行。为满足这个条件，采用了双链条式输送机构，电路板是在宽度方向卡在双链条的链爪上被输送的，因此焊接双面板时不需要专门托架，并且上、下来自加热板的辐射热源均无遮挡现象，热效率高。其缺点是：当加工不同宽度的电路板时，需调整链条的宽度并且电路板是串联方式输送的，生产效率相对要低一些( 主要是加工小块的电路板时) ，该机构是由调速电机来驱动的，为解决加工不同宽度电路板的需要，在链爪下方安装有不锈钢丝编织带，由于编织带钢丝间距有7 m m ( 三节距) ，对来自下方的辐射热源无遮挡面，在双面电路板两面需要加热时非常有利，它的动力也是由调速电机来驱动。另外，为了解决生产车间的电网发生突然停电或设备本身的传动系统发生故障时电路板停留在炉膛内的问题，有两种办法可采用：一是该设备设有应急手动传输装，操作者可摇动手把将电路板快速送出炉膛；二是在设备内部有u p s 自动延时关机装置，以保证电路板及时被送出炉膛使其免遭损坏。3 控制系统本系统选用p h i l i p s 公司的l p c 2 2 1 2 4 l 】做为温度控制系统的核心处理器。本系统主要由a r m 、热电偶测温器件、放大元器件和传送单元等组成。温控模块的结构框图如图2 - 3 所示：l p c 2 2 1 2 是这个模块的核心，按结构可分为六个部分：前向通道放大滤波电路、电压转换电路、中央处理器电路、外部看门狗电路、后向输出控制电路、通信电路。为了防止通道干扰，8 路a d 间隔使用，即通过程序设置按照0 2 4 6 1 3 5 7 通道进行采样，这样就避免通道切换时相邻通道之间的干扰；晶振采用2 2 1 1 8 4 m h z ，8 路k 型热电偶采得的温度信号值经过精密仪表放大器a d 6 2 0 首次放大，再经过t l p - 5 2 1 和l m 3 2 4 组合进行自i 向通道的信号隔离和再次放大，最后经过l m 3 2 4 跟随输入到l p c 2 2 1 2 的采样模块中；处理结果由输出控制电路控制8 路固态继电器、继而控制加热管的电流通断比来完成；r s 2 3 2 组成的通信电路完成下位机与上位机的通信。下面将对主要硬件设计进行介绍。硕士学何论文第二章同流焊控制系统概况及硬什系统设计!图2 3 控制系统硬件框架图2 2 温度控制系统的主要硬件设计2 2 1 嵌入式处理器与微控制器嵌入式系统的核心部件是各种类型的嵌入式处理器，目前据不完全统计，全世界嵌入式处理器的品种总量已经超过1 0 0 0 多种，流行体系结构有三十几个系列，主要有a r m ，m i p s ，p o w e rp c ，x 8 6 ，6 8 k c o l d f i r e 等几种嵌入式处理器架构，芯片生产厂商一般都是基于这些处理器核生产不同型号的芯片【4 2 1 。嵌入式微控制器( m i c r oc o n t r o l l e ru n i t ，m c u ) 又称为单片机，顾名思义，就是将整个计算机系统集成到一块芯片中。嵌入式微控制器一般以某一种微处理器内核为核心，芯片内部集成r o m e p r o m ，r a m 、总线、总线逻辑、定时器计数器、w a t c h d o g ，i o 、串行口、a d ，d a ，f l a s h ，e e p r o m 等各种必要功能和外设。为适应不同的应用需求，一般一个系列的单片机具有多种衍生产品，每种衍生产品的处理器内核都是一样的，不同的是存储器和外设的配置及封装【4 3 州】。这样可以使单片机最大限度地和应用需求相匹配，功能不多不少，从而减少功耗和成本。和嵌入式微处理器相比，微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小，从而使功耗和成本下降、可靠性提高。微控制器是目前嵌入式系统工业的主流。微控制器的片上外设资源一般比较丰富，适合控制，因此称为微控制器。2 2 2 系统硬件平台的选择嵌入式开发的硬件平台的选择主要是嵌入式处理器的选择。在一个系统中使硕士学位论文第二章同流焊控制系统概况及硬什系统设计用什么样的嵌入式处理器内核主要取决于应用的领域、用户的需求、成本问题、开发的难易程度等因素。在确定了使用哪种嵌入式处理器内核以后，接下来就是结合实际，考虑系统外围设备的需求情况。选择一款好的处理器对产品开发会起到事半功倍的作用。本嵌入式系统采用的是基于a r m 7 内核的微控制器l p c 2 2 1 2的嵌入式开发平台，主要基于以下原因：1 ) 处理速度快，采用3 级流水线，主频最高可达6 0 删z ；2 ) 超低功耗；3 ) a d 转换有8 路，符合本系统的8 路采集；5 )价格低廉；6 ) 片内外设资源丰富，可满足本系统所需；5 ) 寻址空间大，容易调试等诸多因裂4 。2 2 3 嵌入式微处理器a r ma r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) 公司是全球领先的1 6 3 2 位r i s c 微处理器知识产权设计供应商。a r m 公司通过转让高性能、低成本、低功耗的r i s c 微处理器、外围和系统芯片设计给技术合作伙伴，使他们能用这些技术来生产各具特色的芯片。a r m 处理器有三大特点：小体积、低功耗、低成本而高性能；1 6 3 2位双指令集；a r m 处理器目前有五个系列产品：a r m 7 ，a r m 9 ，a r m 9 e ，a r m l 0 和s e c u r c o r e 。其中a r m 7 是低功耗的3 2 位核，最适合应用于对价位和功耗敏感的产品，其中a r m 7 t d m i ，a r m 7 t d m i s 最适合应用于实时环境【4 8 1 。a r m 7 d m i s 处理器采用3 2 位a r m 指令集和1 6 位t h u m b 指令集，是a r m 7处理器系列成员之一，是目前应用最广的3 2 位高性能嵌入式r i sc 处理器。其具有以下性能特性：( 1 ) 指令流水线a r m 7 t d m i s 使用流水线以提高处理器指令的流动速度。流水线允许几个操作同时进行，以及处理和存储系统连续操作。a r m t t d m i s 使用3 级流水线，因此，指令的执行分为3 个阶段：取指、译码和执行。当正常操作时，在执行一条指令期间，其后续的一个指令进行译码，且第3 条指令从存储器中取指令。( 2 ) 存储器访问a r m 7 t d m i s 处理器使用了是冯诺依曼结构，指令和数据共用一条3 2 位总线。只有加载、存储和交换指令可以访问存储器中的数据。数据可以是8 位字节、1 6 位半字或3 2 位字。( 3 ) 存储器接口a r m 7 t d m i s 处理器的存储器接口可以使潜在的性能得到实现，这样减少了存储器的使用。对速度有严格要求的控制信号使用流水线，这样