（交通信息工程及控制专业论文）热风回流焊机温控系统的研制与开发.pdf

摘要 随着电子器件微型化及s m t ( 表面贴装技术) 的发展，热风回流焊机 应用日益广泛。由于在热风回流焊机的控制过程中，被控参数具有非线性、 不确定性等因素，传统的p i d 控制器难以取得满意的控制效果。 本文实现了用下位机改进p i d 控制算法进行热风回流焊机的计算机 控制。同时，针对回流焊机温区多，人工参数整定效率低的问题，研究了 p i d 参数自整定的方法。并在下位机的基础上，提出了上位机插值模糊p i d 控制算法。本文所做主要工作如下所示： l 、针对热风回流焊机自身特点和生产现场需要，设计了一整套多c p u 嵌入式硬件系统，并在此基础上，编制了与硬件电路配套的各软件模块。 同时，采用了较为新颖的软硬结合、相互制约的系统抗干扰措施。 2 、提出了简化的单参数黄金分割法p i d 参数自整定方法，并根据现 场有可测扰动的情况，研究了将前馈和变速积分p i d 反馈控制相结合，运 用到温控对象上的方法。 3 、针对下位机控制方法的某些不足，提出了基于上位机的模糊p i d 参数在线自校正方法，同时为克服模糊控制对e 、e c 不易划分过细，而回 流焊机系统必须对扰动作出及时反应的矛盾，提出简化的插值法模糊p i d 参数在线自校正算法，并给出了m a t l a b 仿真实例。 4 、采用半图形化的虚拟仪器语言l a b w i n d 0 w s c v i 开发了界面友好， 功能完善的上位机监控程序。 目前，采用下位机控制方式的单片机监控系统己可完全取代p l c 监控 系统，并已投入试运行，稳态控制精度可达到3 。 关键词：热风回流焊机，p i d 参数自整定，黄金分割法，模糊自校正 a b s t r a c t t h e d e v e l o p i n g o f s m t ( s u r f a c e m o u n tt e c h n o l o g y ) a n de l e c t r o n i c c o m p o n e n t m i n i a t u r i z a t i o nh a sm a d er e n o ws o l d e r i n g s y s t e ma p p l i c a t i o n w i d e l y i nt h e p r o c e s s o f c o n t r o l l i n g t h e s y s t e m ， b e c a u s et h e p r o c e s s p a r a m e t e r s a r en o n l i n e a ra n dn o n f i x e d ，t h et r a d i t i o n a lp i dc o n t r 0 1 l e rw a s d i 埘c 1 1 l tt oa c q u i r et h es a t i s f y i n gc o n t r o l r e s u l t t h e p a p e ra c c o m p l i s h e d t h es i r o c c o c i r c u m n u e n c er e f l o w s o l d e r i n g s y s t e mc o n t r o lb yt h ea d v a n c e dp i da l g o r i t h mi ns l a v em a c h i n e t os 0 1 v et h e p r o b l e mo fi n e f f i c i e n tm a n u a lp a r a m e t e r st u n i n go ft h em u l t i c h a m b e ro v e n ， t h em e t h o d so fp i d p a r a m e t e r ss e l f _ t u n i n gw a s s t u d i e d o nb a s eo ft h es l a v e m a c h i n em e t h o d s ，t h ei n t e 叩o l a t i o nf u z z y p i dp a r a m e t e r so n l i n es e l f i t u n i n g a l g o r i t h mi nm a s t e rm a c h i n ew a sp u tf o r w a r d t h em a i nw o r kw a s l i s t e da s f “1 w ，s ： 1 7 1 1 0m e e tt h en e e do fi t st r a i ta n di t sp r a c t i c a lp r o d u c t i o n ，t h em u l t i c p u e m b e d d e dh a r d w a r ed e s i g na n dt h er e l e v a n ts o f t w a r e d e s i g nw a sf i n i s h e d f u n h e r m o r e ，t h en o v e la n t i j a m m i n gm e a s u r ew a sa d o p t e db yc o m b i n i n go f t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ew h i c hw e r eb o mr e s t r i c t e d 2 a n s i m p l i f i e d p i ds e l f 二t u n i n gm e t h o du s i n gg o l d e ns e c t i o n s i n g l e p a r a m e t e ro p t i m i z a t i o nw a sp u tf b r w a r d ，a n da c c o r d i n g t ot h ee x i s to fd e t e c t e d d i s t u r bi ns p o t ，f e e d f b r w a r da n da l t e r a b l e i n t e g r a lp i df 色e d b a c kc o m p o u n d c o n t r o la l g o r i t h mw h i c hw a s a p p l i e di nt h et e m p e r a t u r eo b j e c ti ss t u d i e d 3 a i m e da ts o m ed e f e c t so fc o n t r o la l g o r i t h mi ns l a v em a c h i n e ，t h e f u z z y - p i dp a r a m e t e ro n l i n es e l f - t u n i n ga l g o r i t h mb a s e do nm a s t e rm a c h i n ei s d e v e l o p e d b e c a u s et h ef u z z yc o n t r o l l e rc a n ts u b d i v i d et h ee ，e ct o od e n s e ly ， a n dt h er e n o ws 0 1 d e r i n 2s y s t e mm u s tr e s p o n s et ot h ed i s t u r bi nt i m e t bs o l v e t h i s c o n t r a d i c t i o n ，as i m p l i f i e di n t e r p o i a t i o nf h z z y p i dp a r a m e t e r s o n l i n e s e i f t u n i n ga l g o r i t h mi sp u tf o t w a r da n dt h em a t l a b s j m u l a t i o ne x a m p l e s a r e2 ，v e na tt h es a m et i m e 4 ，m o n i t o rp r o g r a mi nm a s t e rm a c h i n ew i t h f r i e n d l yh u m a n c o m p u t e r i n t e r f a c ea n d p e r f e c tf u n c t i o ni sp r o 伊a m m e db yv i n u a l i n s t r u m e n t 】a n g u a g e 一 i i l a b w i n d o w s c v i n o w ，t h es l a v em a c h i n ec o n t r o l l e rh a sr e p l a c e dt h ep l cm o n i t o r s y s t e m t o t a u ya n dp u t si n t ot h ep r a c t i c ef o rat e s t t h es t e a d yt e m p e r a t u r ep r e c i s i o n c a n b e u p t o 3 。 k e yw o r d s ：s i m c c o c i r c u m f l u e n c e r e n o w s o l d e r i n gs y s t e m ， p i d p a r a m e t e r ss e l f _ t u n i n g ，g o l d e ns e c t i o n ，f u z z ys e l f _ t u n i n g i i i 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： 翘垒型1 日期：型竺年上月上日 关于学位论文使用授权说明 木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，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： 学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：叠企蚓 导师签名日期：进兰年卫月尘日 硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 热风回流焊机温控系统简介 1 1 ，1 热风回流焊机简介 随着电子技术的发展，电子元件朝着小型化和高密集成化的方向发展。s m t ( 表 面贴装技术) 装配的难度也愈来愈大，工艺要求也愈来愈高。热风回流焊是s m t 大生 产中重要的工艺环节“1 ，它是一种自动群焊过程，成千上万个焊点在短短几分钟内一 次完成，其焊接质量的优劣直接影响到产品的质量和可靠性，对于数字化的电子产品， 产品的质量几乎就是焊接的质量。回流焊机的结构框架如图 一l 所示。p c b 板经过一 系列机构( 如加焊机、自动贴片机等) ，进入热风回流焊机。 p c b 板由输送链送到回流焊机后依次通过四个区域“1 ： l 、预热区( 室温升至1 5 0 左右的区域) ：在该区域s m a ( 表面贴装组件) 平稳升 温，焊膏中的部分溶剂能够及时挥发，元器件特别是i c 器件缓缓升温，以适应以后 的高温； 2 、活性保温区( 在1 5 0 1 0 的区域) ：此时锡膏处于熔化前夕，焊膏中的挥 发物进一步被去除，活化剂开始激活，并有效地去除焊接表面的氧化物： 3 、回流区( 板面温度瞬时达到2 1 5 一2 2 5 ( 此温度又称之为峰值温度) ) ：在该 区焊膏很快熔化，并迅速润湿焊盘，随着温度的进一步提高，焊料表面张力降低，焊 料爬至元件引脚的一定高度，形成一个”弯月面4 ： 4 、冷却区：s m a 运行到该区后，焊点迅速降温，焊料凝固。整个回流时间1 7 5 s 一2 9 5 s 即3 分钟一5 分钟左右( 不包括进入第一温区前的时自j ) 。 目前使用的红外回流炉，至少有四个温区，每个温区有上下2 个独立的红外发热管。 回流焊机的热风循环系统各不相同，但基本上能保持各温区独立循环。 1 # 上层2 h 上层3 # 上层d # l 层5 # l 层6 # i 层7 # r 层8 # 上层 l # 下层2 # 下层3 # 下层4 # 下层5 # 下层6 # 下层7 # 下层b # 下层 一 预热区- - 一 保温区 一回流区 冷却匦 图1 1 回流焊机结构图 在热风回流焊机中，各温区的温度控制精度将直接影响到p c b 板的焊接色质、焊 点光：i 气和有无虚焊点等焊接质量。该机具有独特先进的加热系统，对各温区采用强制 独立髓环，独立控制，使炉腔温度准确，均匀，且热容量大。此套加热系统共有8 个温 区，以输送链为界，每个温区又分上下两层，每层又配有一个红外加热管和一个热风 硕十学位论文第一章绪论 马达。加热系统就是要对该1 6 个加热管进行控制，从而完成温控任务。8 个温区分别 设置成8 个不同的温度，以满足实际焊接曲线需求，一般的焊接过程温度曲线如图1 2 所示。 在生产现场，安全永远是第一位的。为了保证设备和p c b 板的安全，该回流焊机配 有完善的监测设备： 1 进板电眼、出板电眼和链条测速电眼：用来进行输送链速度监测和p c b 板产量 统计及掉板检测： 2 三色灯和蜂鸣器：红灯为故障指示，绿灯为恒温指示，黄灯为加热指示，当 有故障发生时可实现声光同时报警； 3 ，市电停电检测：当市电停电式，配备的u p s 将自动供电，同时监控系统只允许 输送链运行，确保送出炉膛内所有p c b 板； 4 炉膛上限位、下限位检测：防止炉膛上升或下降时损坏丝杆； 5 应急运行、进板处急停、出板处急停按钮：当发生意外时，可不通过监控系 统，从硬件上直接操作相关机械部件。 ，、 一： f 预热i 正 保温暖旧沉区冷却区 图1 2 回流焊接温度曲线 1 1 2 回流焊机温控系统特点 浚温控系统一个最大的特点是同时控制的通道数目较多，温控精度高，回流区控 制精度要求达到2 ，其他区的温控精度为3 ，各温区的温度设定范围从l o o 到! i o ，每个温区的温度设定与p c b 板的大小、焊膏品种及板上i c 元件的排列密度有 关。该叫流焊机的另一特点是炉膛保温性能很好，炉体表面温度恒小于4 0 。 此外，回流焊机温控系统中，下列因素的存在导致温控对象数学模型的差异： 1 入炉膛的p c b 板面积以及板上的i c 密度因电子产品种类不同而差异较大。 2 p c b 板进入炉膛的频率由前几个工序的生产状况及产品的数量决定。 3 输送链速度根据p c b 板和焊膏种类设定。 硕十学位论文第一章绪论 4 各温区的红外加热管功率和对应热风马达的初始风速设置存在差异。 上述因素决定了固定的一组p i d 控制参数无法满足工业现场的生产需要和1 6 路温 控系统本身的个体差异，必须实现p i d 参数自整定。 1 。2 选题背景与意义 目前，常用的工控设备有可编程控制器( p l c ) 、单片机控制器等几种。 p l c 是以微处理器为主的工业控制器，它的主要功能有逻辑运算、定时控制、计 数控制、步进控制、a d 与d a 转换、数据处理等。p l c 的主要特点0 1 是： 1 ) 高度可靠性，适用于工业环境。p i 。c 产品的平均故障间隔时间可达到5 年以上， 而且p l c 不要求专用设施的机房，因此为工业现场的直接使用提供了方便。 2 ) 与工业现场信号直接连接。现代p l c 具有数字和模拟量输入输出，除了适用于 离散型开关量控制系统外，也能应用于连续的流程控制。 3 ) 操作容易，便于安装及维修。由于p l c 使用编程器进行编程和监控，使用人员 只需掌握梯形图语言就可进行程序的编制和调试。而且p l c 有完善的自诊断功能，可 很快找出故障原因，容易进行维修。 4 ) 控制程序可变，具有很好的柔性。在生产工艺流程改变或生产设备更新的情况 下，不必改变p l c 的硬设备，只需改变程序就可满足要求。 但使用p l c 及其配套的模块，其成本较高，以本文回流焊机监控系统为例，热风 回流焊机采用西门子的s 7 3 0 0 作为8 温区温度控制器，同时扩展了2 个8 路模拟量输入 模块采集1 6 路热电偶信号，2 个8 路模拟量输出模块控制热风马达，1 个4 8 5 通信模块与 上位机进行通信( 模块为台湾研华的产品) ，仅1 个模块的价格就要上干元，成本很高。 单片机在一块芯片上集成了c p u 、r a m 、r o m 、定时计数器和多种i o 接口，一块 芯片就是一台计算机。它具有体积小、功能强、价格便宜等优点，被广泛应用于产品 智能化和工业自动化。其具有以下优点“1 ： 1 ) 由于单片机是按照工业控制标准设计的，所以具有较高的可靠性和抗干扰性。 2 ) 控制功能强。为满足工业控制要求，在单片机指令系统中，有丰富的转移指 令、i o 口的逻辑操作、位处理指令。 3 ) 面向测控任务。单片机与通用微处理器具有不同的发展方向，使得它们具有 不同的技术特点。单片机是应工业测控系统数字化、智能化的要求而提出的，因此完 全从工业测控对象、环境、接口特点出发，不断增强其控制功能。 虽然单片机内无监控程序或系统通用管理软件，不具有自开发能力，但对于具有 专业水平的开发用户来说，其也提供了更灵活的设计开发空间。在通用机械产品中， 应用单片机开发智能化、经济型的机电一体化产品、对原控制系统进行技术改造，具 有花钱少、上马快等特点，很容易被用户接受，有事半功倍之效“1 。 硕+ 学位论文第一章绪论 基于单片机的上述特点，为进一步提高产品性价比，及时进行产品的升级更新， 使企业在激烈的市场竞争中立于不败之地。东莞公司与中南大学联合于2 0 0 2 年1 2 月开 始对现有热风回流焊机进行技术改造，用单片机系统取代p l c 和5 个亚当功能模块，同 时实现p i d 参数自整定。 本系统采用l a b w i n d o w n s c v l 虚拟仪器编程软件作为上位机的开发平台。开发出 界面友好、功能完善的上位机监控系统。操作员可通过直观的画面监视回流焊机的当 前工作状况，设定现场的各项工艺参数以及实时采集现场各项数据，并根据现场数据 对异常情况及时进行声光报警。浚系统的改造完成，不仅大大降低了成本，而且提高 了生产效率，有效降低了技术员的劳动强度。 1 3 温控系统的现状及未来发展方向 1 3 1 温控对象的一般模型及其特点 温度控制与人类息息相关，无论是在工农业生产，还是在日常生活中，温度控制 器或温度控制系统随处可见。温度控制电路广泛应用于社会生活的各个领域，如家电、 汽车、材料、电力电子等。在工业生产中，为了保证产品质量，需要对各类燃烧、加 热和反应过程进行控制；在农业种植和养殖中，也需对环境温度进行控制；在日常生 活| f 1 冰箱、空调、电暖器等都离不开温度控制。可以说，温度控制是自动化领域研 究最多的项目之一，从每年有关温度控制的成千上百篇论文和成果中，就可窥其一斑。 温度控制被广泛采用于工农业生产中，但不同的应用对温控系统的精度要求大相 径庭。如退火炉、陶瓷窑炉、化学反应炉、各类高精度试验炉等，对温度控制系统精 度要求都是相当高的。一旦温控系统有误，或者温度控制精度超过误差允许范围，可 能会导致产品质量不合格或者实验数据缺乏可靠性于科学性。理论分析和实验结果表 明”1 ，电加热装置是一个具有自平衡能力的对象，可用二阶系统加纯滞后环节来描述， 特别对于二阶不振荡系统可将模型简化为一阶系统加纯滞后环节，而对于滞后环节， 则采用泰勒级数展开法，取其一阶近似式，系统数学模型可表示为： g ；石矗丽= 丽可岳丽 q 1 ， 式( 1 1 ) 中，女为放大系数，是晶闸管、温度变换器、功率放大器及电加热器比例 系数乘积：r 为电加热器装嚣的纯滞后时间。n = c a 为电加热装置的时间常数，其 中c 是比热，a 是散热系数，因此，随着不同加热对象和环境条件，它的变化较大。 对于温度控制，不同的系统有不同的温控要求，有的是恒温控制，有的是按给定进行 跟踪控制。工业温控对象一般都认为它们含有纯滞后环节，容易引起系统超调和持续 振：“”1 。此外，温控对象参数根据工况会发生幅度较大的变化，例如，在对回流焊机 的温度控制中，出于不断的向回流焊炉送入冷的不同型号p c b 板，导致温度对象数学 硕十导位论文 第一章绪论 模型发生变化，又如化工行业的温度控制，由于化工原料在控制过程中会出现复杂的 吸热、放热等化学反应，而所有这些变化都会改变温控对象的参数。这些随机产生和 不可准确预计的变化，无疑增加了温度控制的难度。 1 3 2p i d 温度控制 p i d 控制是最早发展起来的控制策略之一，它按照实际温度和设定温度偏差的比 例、积分、微分产生控制作用，实际运行效果和理论分析表明这种控制规律在相当 多的工业生产过程中能得到比较满意的结果，在传统的温度控制技术中，大多采用模 拟型的p i d 调节器，它结构简单，在长期应用中积累了丰富的经验，是连续系统控制 中技术成熟，也是迄今为止使用最广泛的控制方法。1 ，至少有8 0 以上的过程控制采 用纯p i d 调节。包含改进型的则超过9 0 。我们今天所熟知的p i d 控制器产生并发展 于1 9 1 5 一1 9 4 0 年期问，尽管自1 9 4 0 年以来，推出了很多先进控制方法，但p i d 控制 器以其结构简单，各个控制器参数有着明显的物理意义，调整方便，对模型误差具有 鲁棒性及易于操作等优点，仍被广泛应用于冶金、化工、电力、轻工和机械等工业过 程控制中。 事实表明，对于p i d 这样简单的控制器，能够使用于如此广泛的工业与民用对象， 并以很高的性价比在市场中占据重要地位，充分反映了p i d 控制器的良好品质。概括 的讲，p i d 控制优点主要体现在以下两个方面： 1 ) 原理简单、实现方便，是一种能够满足大多数时间需要的基本控制器。 2 ) 控制器适用于多种截然不同的对象，算法在结构上具有较强的鲁棒性。即 在很多情况下，其控制品质对被控对象的结构或参数摄动不敏感。 现有的p i d 控制方式主要有模拟和数字两种，模拟型p i d 调节器的每一部分都由 电子元件组成，易受温度等外界条件影响。同时，每个电子元件的改变都会对整个系 统产生影响，且难以调整其精度。 数字p i d 控制将单片机应用在温控系统中，以发挥单片机功能强、灵活性好、成 本低、体积小的特点和优势，使温控水平达到高精度和智能化。在计算机控制系统中， p i d 控制规律用计算机程序来实现，灵活性很大。一些在模拟p i d 控制器中无法实现 的问题，在计算机控制系统中得到了很好的解决。于是出现了很多的改进p i d 控制算 法，以满足不同控制系统的需要，这些改进算法主要包括： 增量式p i d 积分分离p i d 预限削弱积分p i d 不完全微分p i d 微分先行p i d 带死区的p i d 控制算法等等，这些改进算法，在一定程度上改善了如超调量、 顶十学他论文第一章绪论 快速性、稳定性等控制指标。 1 3 3 传统p i d 参数整定方法 在p i d 控制中，一个关键问题是p i d 参数的整定。传统的p i d 控制器参数采用试 验加试凑的方法由人工整定。控制器整定的实质，就是通过设计调整控制器的某些参 数使其特征与被控特性相匹配，以达到最佳控制效果。工程上较实用的方法主要有： 1 ) z n 法则。1 ：又称临界比例度法，这种整定方法是在闭环的情况下进行的，首 先将控制器的积分作用和微分作用全部除去，按比例增益k 由小到大的变化规律， 对应于某一k ，值作小幅度的设定值阶跃扰动。以获得临界情况下的等幅振荡，此时 可获得临界振荡周期尸和临界比例增益七，如图1 3 所示。然后按照z i e g l e r 与n i c h o l s 在1 9 4 2 提出了调 节p i d 控制器参数的经验公式，求取控制器的最佳参数 值。这种整定方法是以得到4 ：l 衰减，并且有合适的超 调量( 或最大偏差) 为目标的。它早在1 9 4 2 年已提出， 而且在大多数控制回路中能得到良好的控制品质。 2 ) 响应曲线法“：根据广义对象的时间特性来整定 参数的方法，方法简单，应用非常普遍。将控制器处于 “手动”后，使控制器输出有个阶跃变化，由记录仪记 下被控变量的记录值z ( t ) ，如图1 4 所示。在反应曲 线拐点a 处作一切线，根据切线与初始值及稳态值的交 点，获得一阶加纯滞后的广义对象特性，然后按照给定 的经验公式，求出最佳参数值。 图1 3 临界振荡图 j i 。 乖州 7 图1 4 响应曲线图 1 3 4 p l d 在线参数自整定 卜面列举了几种常见的p i d 参数整定方法。从中可以看出这几种p l d 参数整定方 法都足基于被控过程的某些特征参数，诸如滞后时间r 、惯性时间r 等。然而，在实 际应用中，大多数生产过程是非线眭的，调节器参数与系统所处的稳态工况有关，因 此，这种整定工作不仅需要熟练的技巧，而且还相当费时。一般来说，过程特性的变 化将导致控制品质的恶化。基于以上原因，就需要研究行之有效的调节器参数自动整 定方法。下述方法可通过编制计算机程序自动进行p i d 参数自整定。 1 ) 继电反馈法：a s t r o m 和h a g g l u n d 在文 1 1 中提出一种继电反馈方法，该方法 是获得过程临界信息的最简便的方法之一。该方案的基本思想是在控制系统中设置两 种模态：测试模态和调节模态，在测试模态下，由一个继电非线性环节来测试系统的 振荡频率和增益，而在调节模态下，山系统的特征参数首先得到p i d 控制器，然后由 一6 一 硕士学位论文第一章绪论 此控制器对系统的动态性能进行调节。如果系统的参数发生变化。则需要重新进入测 试模念进行测试，测试完毕之后再回到调节模态进行控制 2 ) 基于i t a e 准则的p i d 参数寻优技术。文 1 2 提出了以时间乘误差的积分准则 ( i t a e ) 作为目标函数，选用多变量函数最优化方法中的单纯形法寻求p i d 调节器参 数k 。、k 。、髟的最优解，使给定的目标函数值为最小。 3 ) 基于给定相位裕度和幅值裕度的s p a m 法自整定公式：文 1 3 提出一种新的基 于给定幅值裕度和相角裕度的p i d 参数自整定s p a m 法，该方法利用较少的对象信息， 可独立整定p i d 调节器所有参数。使系统具有良好的控制性能和鲁棒性能。 4 ) 基于递推参数估计的p i d 参数自整定技术，文 1 4 提出的该种方法以参数估 计为手段，在满足闭环可辨识的条件下，辨识受控过程的开环非参数模型，在频域中 加以整定，为消除由于输入、输出数据病态影确，根据整定效果，在线修正整定参数， 在短时间内可获得较理想的p i d 控制参数。 1 3 5p l d 参数自整定的智能控制方法 自z i e g l e r 和n i c h o l s 提出p i d 参数整定方法起，许多技术已经被应用于p i d 控 制器的手动和自动整定“”。根据研究方法的划分，可分为基于频域的p i d 参数整定方 法和基于时域的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 数整定方法和多变量p i d 参数整定方法，按照控制量的组合形式划分，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。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。 尤其是近年来，随着人工智能技术的发展，智能控制得到迅速发展，而将智能技 术应用于参数整定，就产生“智能整定”这一新的p i d 参数整定方法“”1 。 1 ) 基于f u z z y 推理的p i d 参数自整定 一般的基于f u z z y 推理的自整定p i d 控制器是由一个标准p i d 控制器和一个 f u z z y 自调整机构组成。根据输入信号的大小、方向以及变化趋势等特征，通过f u z z y 推理作出相应决策，在线整定p i d 参数k 。、k 。和屹，以期获得满意的控制效果。 2 ) 专家系统p i d 参数自整定 专家系统应包括专家知识库、数据库和逻辑推理机三部分。专家系统可视为广义 调节器，专家知识库中已经把熟练操作工或专家的经验和知识构成p i d 参数选择手册， 这部手册记载了各种工况下被控对象所对应的p 、i 、d 参数，数据库根据被控对象的 输入与输出信号及给定信号提供给知识库和推理机。推理机能进行启发式推理，决定 控制策略。 3 ) 基于b p 神经网络的p i d 参数自整定 i j p 神经网络具有逼近任意非线性函数的能力，而且结构和学习算法简单明确。通 过神经网络自身的学习，可以找到某一最优控制律下的p 、i 、d 参数。基于b p 神经 硕士学位论文第一章绪论 网络的p i d 控制器由经典的p i d 控制器和神经网络组成。其中神经网络的输出状态对 应于p i d 控制器的三个可调参数k 。、k 。、k p 通过神经网络的自身学习、加权系数 调整，从而使其稳定状态对应于某种最优控制律下的p i d 控制器参数。 4 ) 基于遗传算法的p i d 参数自整定 遗传算法作为一种非确定的拟自然随机优化工具，具有并行计算、快速寻找全局 最有解的特点，它可以和其他技术混合使用，用于智能控制的参数、结构或环境的最 优控制。通过确定k 。、k i 、心的大致范围和编码长度：进行编码后，产生n 个个体 构成的初始种群；计算各个体对应的参数值后，求解目标函数j 和适应度函数f ：应 用复制、交叉、变异算子对种群操作，产生下一代种群，直到参数收敛或达到预定的 指标。 1 3 6p l d 参数自整定在本系统中的应用 在8 温区回流焊机温控系统中，如前1 1 2 节所述，正常工作时，1 6 个控制对象 的数学模型因其自身差异及受到外来二f 扰的不同而存在差异，同时1 6 路电加热器功 率及升温特性的离散性使p i d 控制参数的整定变得异常繁琐，出厂一台热风回流焊机， 往往需要对p i d 参数进行少则一周多则一月的整定。针对上述困难，不少温控器采用 了这样的办法：根据一定的积累经验将工作状态( 包括加热对象的性质、环境温度、 加热管的工作强度等) 人为地分为若干种，然后对各种的工作状态分别预制一组积分、 比例、微分系数，再根据实际的工作状态选择其中一组参数进行控制。当工作状态转 换后，需设定另外一组参数与变化后的状念相适应。这样做虽然也能达到控温要求， 但增加了操作难度且自动化程度不高。 综上所述，针对回流焊机温控系统的特点，最好的做法是系统能自动进行参数自 整定，同时能够抑制外来的干扰( 进不同种类、不同密度的p c b 板) 以使温控精度不 受工作状态的影响。这就要求系统能对不同的工作状态进行识别，以自动地调整其控 制参数，即能够在线实时地调整控制参数值，从而使系统在新的条件下也能达到较好 的控制效果。 本系统的硬件配置为单片机下位机系统以及上位机( 工控机) 系统，相应的控制 方式也设计为两种并行方式：下位机直接控制方式和上位机计算控制下位机执行方 式。针对单片机系统经过扩展后仍只有8 k r a m 空间、3 6 k r o m 空间和浮点运算效率低等 特点，下位机控制采用较简单的单参数整定和抗扰动的p i d 两者结合的方法，详见本 文第四章。由于本系统相邻各温区之间存在耦合，系统模型在正常工作时会随外部扰 动的不同而发生变化，系统模型很难精确测定，本文在第四章下位机的参数整定的基 础上，在上位机采用智能插值法模糊控制方法进行p i d 参数的实时在线自校正，详见 本文第五章。 硕士学位论文第一章绪论 1 4 本文的主要研究内容与篇章结构安排 本文所做工作是对原有由p l c 控制的8 温区热风回流焊机监控系统进行改造， 详见1 2 所述，达到其温控要求并实现p i d 参数的自整定。对此，我们设计了新的研 发系统的硬件电路，开发了该系统的上下位机监控程序，采用了新的虚拟仪器开发语 言l a b w l n d o w s c v i 及先进的p i d 参数自整定技术，并进行了现场实验和调试。全文 工作及安排如下： 第一章绪论，首先简要介绍了热风回流焊机及其温控特点，并由此引出本文选 题背景与意义。系统综述了p i d 温控系统的现状和未来发展前景及其在本系统中的应 用，最后给出了本文的研究内容和篇章结构安排。 第二章温控系统硬件实现，给出了系统硬件的组成及总体结构。并对重要的组 成部分进行详细的电路分析，最后给出了硬件抗干扰措施。 第三章温控系统软件实现，给出了与硬件结合紧密的各功能模块，并介绍上位 机监控软件开发语言l a b w i n d o w s c v t ，给出了各监控界面。 第四章下位机p i d 控制算法及其参数自整定，首先简述数字p i d 算法，同时与 前馈控制相结合，给出适合本系统的p i d 控制算法。并给出了下位机的p i d 参数自整 定算法，对记录的数据结果进行演示分析。 第五章基于模糊理论的p i d 参数自整定，首先简要介绍了模糊控制理论，并给 出插值法模糊p i d 参数自整定算法。对上下位机的两种控制算法进行阶跃响应仿真比 较和加入干扰后的阶跃响应的仿真比较。 第六章总结回顾全文，并展望了今后的工作前景及方向。 硕十学位论文第二章【亓1 流烬机监控系统的硬件实现 第二章回流焊机监控系统的硬件实现 本章阐述了8 温区热风回流焊机监控系统的硬件设计原理和总体结构框架，对温 控模块和监测模块部分关键电路的设计作了较为详细的说明，并在最后提出了增强温 控系统抗干扰能力的措施。 2 1 系统的组成、工作原理及总体结构 第一章8 温区回流焊机的结构特点说明了该监控系统具有采样及控制点数多、监 控任务重的特点。对此，我们把整个系统分成两个功能模块，即：温控模块和监测模 块，每一功能模块由一个c p u 单独进行控制和管理，并与上位机进行通信。其整体结 构框图如图2 1 所示。针对1 6 路的采样控制点，本文采用巡回检测控制方式，这就 要求控制器具有多路选择和多路数字输出的能力。电路上采用多路模拟开关芯片，进 图2 1 回流焊机温度监控结构框 硕士学位论文第二章同流焊机监控系统的硬件实现 行1 6 路k 型热电偶信号的采集。而1 6 路的数字输出则采用1 片8 2 5 5 进行i o 口的 扩展，之后利用功率放大元件将数字“o ”、“1 ”信号转换成控制加热管的电源开关信 号，采用调节固定周期的通断占空比，进行温度的调节控制。这点将在下面的小节中 详细介绍。单片机则完成通道的选择切换，温度的计算及与上位机的通信、数字输出、 开关量的检测与控制等功能。 温控模块硬件由看门狗电路、输入选通部分、信号调理部分、模数转换部分、2 3 2 接口芯片、中央处理部分、i 0 扩展部分、功率放大部分等组成。监控模块硬件由d a 输出部分、保持部分、i o 扩展部分、功率放大部分和2 3 2 接口部分等组成。 2 2 温控模块硬件电路设计 本系统的m c u 采用华邦的w 7 8 e 5 8 b 芯片，与a t m l 的5 1 系列相比它具有更大的r 伽 空间，共3 6 k 字节。这是由于在本系统中，c p u 要完成通信处理、p i d 运算以及p i d 参数自整定等复杂功能，主体程序比较长。同时我们采用c 5 l 而非汇编语言进行编程， 虽然c 5 l 大大提高了编程效率，但也需要更大的r o m 空间。 2 2 1x 2 5 0 4 5 电路 在本系统中，由于p i d 的参数自整定结果( 共1 6 组) 在断电以后应仍能保持，以 便在下一次上电时可直接使用，不必重新整定。而单片机应用系统中的数据存储器是 易失性的一旦电源去掉，内部信息均被破坏，同时，1 6 组数据所需的存储空间并不 大，因此我们采用x 2 5 0 4 5 电可操除芯片( e e p r o m ) 。 x 2 5 0 4 5 是二线制串行快擦写存储器，它的存贮器部分是c m o s 的4 0 9 6 位串行e e p r o m ， 并把看门狗定时器、电压监控组合在单个8 p i n 封装之内，降低了系统成本。并减少了 对电路板空自j 的要求。看门狗定时器对c p u 提供了安全运行的保护，一旦系统出现死 机，可在超时周期之后发出复位信号，强迫c p u 重 新启动。x 2 5 0 4 5 的电压监视器可保证系统免受掉电 影响，一旦v c c 降到2 7 v 以下时，系统复位，防止 c p u 误动作。x 2 5 0 4 5 具有简单的三线总线工作串行 外设接口( s p i ) 和软件协议，提供至少1 0 万次的 使用次数和最小1 0 0 年的数据保存期”。其与单片 机的接口电路如图2 2 所示。 图2 2x 2 5 0 4 5 电路图 2 2 2 热电偶冷端补偿电路 本系统的温度传感器采用k 型热电偶，其热电势u 是测量端温度t 和冷端温度t 之间的函数差，即“z ，( t ) 一，( t ) ，为便于分析，本文设定七型热电偶对温度与热 硕十学位论文第二章州流焊机监控系统的硬件实现 电势具有较好的线性关系“一4 ( t r ) 。 式中：e 为温度每变化一度时，热电偶热电势的变化量，称为赛贝克系数或热电 偶的灵敏度： 瓦为热电偶测量端( 热端) 温度； r 为热电偶参比端( 冷端) 温度，一般为环境温度； 进行冷端补偿的目的，就是在热电偶的输出端叠加一个电压阱n ，从而使热电 偶的输出热电势只与测量端温度有关。 对热电偶进行冷端补偿常用的有四种方式“：集成温度传感器芯片测温补偿；温 度补偿电桥；p n 结温度传感器；专用温度传感器调理芯片：应该说采用专用芯片精 度高，调试方便，但该种芯片价格往往较高。其余三种方式一般都需要相应较复杂的 外围电路。本系统采用p n 结温度传感器进行冷端补偿”。电路原理图如图2 3 所 不。 该电路具有以下特点： 1 ) p n 结温度传感器线性度较好。 2 ) 电路原理简单，价格低廉，有很多成功使用的先例。 3 ) 虽然p n 结的线性度较好，但不同的三极管由于其特性具有一定的离散性，电 路需调整。 图2 3 冷端补偿及运放电路图 下面对上述电路进行简单的原理分析。该电路实质是用三极管的p n 结对热电 偶的冷端进行补偿，己知三极管的u k = “，+ r + t ，其中：“，一o 6 y ；r 一一2 m y k ； t 为环境温度，可见u 。随着环境温度的变化而变化。 一1 2 一 硕 _ = 。# 位论文第章同流焊机监控系统的硬件件实现 一= 面淼 蜘篇急 u 。+ - u 。一+ e + ( l r ) 第一级运放为差动运放，得： 【，= + 一k 。 由式( 2 1 ) 至( 24 ) 可得： u ；兰! 兰王一+ + ( t r ) 一旦! ! 翼王鱼生盟 r l 3 + | r l 4 + r p 舰 一“ 魁7 + 魁6 由冷端补偿原理可知，【，只与热电偶测量端温度t 有关。故由式( 2 5 ) 可得： ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) 丝! ：!；丝! ：旦：鱼 ( 2 6 ) 肛3 + r l 4 + 即阢魁7 + 碰6 ：二丝z ：!( 2 7 ) 魁7 + 魁6 取魁7 。魁4 ：1 5 0 q ，r p h z 为4 7 2 高精度变阻器。 由( 2 7 ) 得，皿6 = 7 3 5 0 q ，实际取6 8 k q 。 调滑动变阻器至中点处r p 仉见= 2 3 5 0 ，由( 2 6 ) 得，肛3 = 6 0 k q ，实际取6 2 k q 。 同时，电路工作时，必须保证p n 结能e 常工作，并且通过p n 结的电流为 1 0 0 诅一3 0 0 以，取电流为2 0 0 以，可得下式： ( i i ：生鱼磊i + 2 0 0 “a ) + ( 砚5 + 2 3 5 0 q ) ：5 y o 6 y ( 2 8 ) 、胜6 + 碰7 7、7 解式( 2 8 ) 得：j r l 5 = 1 3 k q 。 所以上述电路从硬件上实现了热电偶的冷端补偿，此时“一e + r ，e 一0 0 4 m v k ， 热电偶信号经过冷端补偿后进入二级放大电路，放大5 0 0 倍后，r 一2 0 m v k 。o 一4 0 0 摄氏度的温度，其电压范围为o 8 v 。 孩电路去除三极管离散特性的具体调整方法如下： 1 ) 调零：在广口保温瓶内装入碎冰渣( 带水) ，保温瓶内温度为o ，将k 型热电 偶置入保温瓶内，调整电位器r p w l ，使运放输出约为o v 。 2 ) 调1 0 0 ：将k 型热电偶置入沸水中，调整电位器r p w l ，使运放输出约为2 v 。 调零调1 0 0 ，应反复进行多次。并与我国的k 型热电偶分度表“”( 参比端温度为0 ) 进行比较整定。 硕十学位论文第二章网流焊机监控系缆的硬件件实现 2 2 3 多路模拟开关与滤波电路 回流焊机监控系统共需采集1 6 路k 型热电偶信号，上小节详细讲解了热电偶信 号及其冷端补偿，对于热电偶小信号，通常有两种接入方式： l 、经过信号调理( 包括滤波、冷端补偿和放大) 电路，转换为a d 转换量程内的电 压信号后，通过多路模拟开关接入a d 转换芯片。为了滤除5 0 h z 的工频电源干扰及其 它高频噪声，