（控制理论与控制工程专业论文）基于补偿的模糊神经网络电阻炉控制系统设计与实现.pdf

浙江理工大学学位论文版权使用授权书 删 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。 本人授权浙江理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后使用本版权书。 不保密口。 学位论文作者签名：占痧红 日期：少f 口年夕月么日 指导籼签名：醐囊 日期：? 口fo 年；月f 日 浙江理工大学硕士学位论文 摘要 电阻炉是工业生产过程中常用的加热设备，其温度控制效果的好坏直接影响 到加热的效率和工件的质量，因而对温度控制系统提出了较高的要求。随着控制 理论和电力电子技术的发展，工业控制器的强大适应能力和高度智能化正逐步成 为现实。其中以单片机为核心的数字控制器因其体积小、成本低、功能强、简便 易行而得到广泛应用。但是工业电阻炉的温度控制具有非线性、大惯性、时滞、 时变等特点，难以对其建立精确的数学模型，采用p i d 控制又因其参数固定，不 能及时跟踪对象特性的变化，控制效果往往不佳。 模糊控制是用于模型结构不确定的复杂系统的有效算法，它通过总结专家经 验法建立控制规则，达到对被控对象控制的目的。但由于受认识程度的限制，建 立的控制规则常常十分粗糙，并且控制精度欠佳。虽然有学者将模糊系统与神经 网络进行结合提出了模糊神经网络控制方法，但当在线对规则进行调节控制时， 系统的上升时间仍然较慢。 、 本文在总结国内外研究现状的基础上，通过对电阻炉温度特性的分析，针对 模糊神经网络控制方法存在的调节时间长、实时性差等不足，：研究了产生这一现 象的原因，提出一种具有预测补偿作用的改进模糊神经网络控制算法，给出了确 定补偿量的方法，并通过仿真，验证了算法的有效性。建立了以a v r 系列单片机 a t m e g a l 6 为核心的电阻炉温度控制实验平台，设计了主控单元、v o 驱动、人机 接口等相关硬件电路，进行了数据采集、操作显示、控制算法等应用软件的模块 编程，并完成了软件与硬件调试。 目前，该电阻炉温度控制系统已在实验室投入运行，仿真与应用结果表明： 该智能模糊控制系统控制方案合理，控制算法可行，在很大程度上改善了电阻炉 控制系统的动、静态性能，达到了预期目的。 关键词：电阻炉；温度控制；模糊神经网络；补偿；单片机；上位机 浙江理工大学硕士论文 a b s t r a c t r e s i s t a n c ef u r n a c ei sc o m m o n l yu s e di ni n d u s t r y ，t e m p e r a t u r ec o n t r o lr e s u l t sw i l l d i r e c t l ya f f e c tq u a l i t yo ft h ew o r kp i e c e sa n dt h eh e a t i n ge f f i c i e n c y ，t h u sal l i 业c r d e m a n di sp r e s e n t e di nt e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e m w i t ht h ei m p r o v e m e n to fc o n t r o l t h e o r ya n dp o w e re l e c t r o n i c st e c h n o l o g y ，t h ei n t e l l i g e n tc o n t r o l l e ri ni n d u s u - yh a sb e e n a c c o m p l i s h i n g t h ed i g i t a lc o n t r o l l e rb a s e do ns i n g l e c h i pc o m p u t e rh a sb e e na p p l i e d w i d e l y ，b e c a u s eo fi t s c a b i n e tc u b a g e ，l o w - c o s t ，a b u n d a n t f u n c t i o n , s i m p l ea n d c o n v e n i e n t b u ti t sv e r y d i f f i c u l tt oe s t a b l i s ha c c u r a t em a t h e m a t i c a lm o d e lo f t h i sp l a n 0 ，e - - 0 ，e 0 ，d e = 0 ，d e 0 时，用开关模式进行控制；当 m 。i p ( r ) i m 2 时，采用神经网络控制；当i p ( ，) | m ：时，采用专家系统进行控 制。文献【3 4 】运用专家模糊控制算法对电阻炉进行控制，该算法的思想为：推理 机根据特征识别模块以及性能识别模块计算实际性能指标，并与期望性能指标比 7 浙江理工大学硕土学位论文 较，判断是否进行模糊逻辑参数的调整。另外，应用于电阻炉温度控制系统中的 其它算法还有模糊s m i t h 控制阁、内模p i e ) 鲁棒控制1 3 6 1 、遗传算法模糊p i d 控 制0 3 7 1 、模糊自组织控制1 3 8 i 等。 1 3 主要研究内容 本课题要完成的工作是设计电阻炉温度控制系统的硬件部分以及控制算法 的设计，硬件部分包括硬件的选型及电路板的制作。总上所述，本课题主要进行 以下几方面的研究： ( 1 ) 介绍电阻炉温度控制系统的课题目的与意义以及国内外发展现状和电 阻炉温度控制的特点。 ( 2 ) 介绍系统的硬件设计，包括硬件的组成以及各功能子模块电路的设计， 并对该硬件平台进行测试和功能验证。 ( 3 ) 介绍电阻炉温度控制系统软件的整体设计方案，以及各个功能子模块的 软件实现。 ( 4 ) 研究适合于温度控制系统的控制算法。通过对模糊控制和神经网络控制 算法原理进行分析，设计了一种基于预测补偿的模糊神经网络控制算法，并进行 了系统控制器的研制。 ( 5 ) 运用m a t l a b 软件对控制算法进行仿真，验证了系统控制方案的可行性和 可靠性。 ( 6 ) 设计基于m a t l a b 的系统上位机软件设计，利用上位机的高性能完成模糊 神经网络的控制算法。 ( 7 ) 对系统的软硬件进行调试以达到系统的可靠运行。 1 4 论文框架 本文在总结国内外研究现状的基础上，通过对电阻炉温度特性的分析，针对 模糊神经网络控制方法存在的调节时间长、实时性差等不足，研究了产生这一现 象的原因，提出一种具有预测补偿作用的改进模糊神经网络控制算法，给出了确 定补偿量的方法，并通过仿真，验证了算法的有效性。建立了以a v r 系列单片 机a t m e g a l 6 为核心的电阻炉温度控制实验平台，既能满足系统鲁棒性、稳定性、 8 浙江理工大学硕土学位论文 快速响应等性能要求，又集低成本、结构简单、易于操作等优点于一体。 本课题根据电阻炉温度控制系统的组成及设计方法，分为以下六个章节，各 章节的具体内容如下： 第一章为绪论，主要介绍电阻炉温度控制系统研究的意义、目的，以及当今 电阻炉的发展现状，并对本课题的总体设计思路进行说明与分析。 第二章为系统硬件设计，主要介绍各种接口电路的设计，包括主控制芯片的 选型、主控电路设计、l c d 串行接口电路设计、键盘接口电路设计、过零检测 电路设计、温度检测电路设计以及可控硅触发电路设计。 第三章为控制算法的实现，主要介绍用于本课题控制算法的理论基础以及设 计与实现。 第四章为系统软件设计，主要介绍各种接口电路在单片机统一控制下的实现 方法，并且介绍基于m a t l a b 的上位机设计与实现。 第五章为算法的仿真与实验调试结果与分析。介绍本系统的仿真方法和仿真 结果；并对该方法进行实验运行。 第六章为课题的总结与展望。介绍本论文研究过程中得出的结论以及对本课 题的展望。 。 ： 9 浙江理工大学硕土学位论文 第二章系统硬件电路研究与设计 电阻炉温度控制板的主要功能是对炉温进行采集、对调压电路进行控制、人 机交互的实现以及与上位机进行通讯等。因此，对于以上功能要求，该硬件电路 模块包括单片机系统最小电路、l c d 接口电路、键盘接口电路、过零检测电路、 温度检测电路以及可控硅触发电路等。 2 1 硬件设计思路与结构 本硬件系统是以a v r 系列单片机为核心，以铂电阻为采温元件，设计一个 人机接口良好、运行可靠、控制效果明显的电阻炉温度控制系统。该控制系统还 具有手自动切换、高温报警的功能，以提高系统的可靠性。另一方面，因为单片 机的计算能力以及存储空间有限，该控制板还应有与p c 机通信的功能。因此， 设计了一个与p c 机通信的接口，以便利用p c 机的计算能力与存储空间来提高 系统的控制效果，该系统的硬件结构框图如图2 1 所示。 2 2 控制芯片的选型 图2 1 电阻炉温度控制系统整体结构图 a v r 系列单片机是a t m e l 公司于1 9 9 7 年推出的融c ( 精简指令系统计算机) 单片机。r i s c 并非只是简单地去减少指令，而是通过使计算机的结构更加简单 合理从而提高运算速度。由于a v r 采用了r i s c 的这种结构，使a v r 系列单片 l o 浙江理工大学硕土学位论文 机具有比普通的c i s c 微控制器最高至1 0 倍的数据吞吐率。并且该单片机吸收 了d s p 双总线的特点，采用h a r v a r d 总线结构，因此单片机的程序存储器和数 据存储器是分离的，并且可对具有相同地址的程序存储器和数据存储器进行独立 的寻址。 结合本课题的特点，选择a t m e g a l 6 作为控制芯片，该系列单片机是a v r 系列中的高档产品，其数据吞吐率高达1 m i p s m h z ，具有1 6 k b 系统内可编程 f l a s h 的8 位微控制器，并具有如下特点：具备在线编程接口，具备j t a g 仿真 和下载功能；含有片内看门狗电路、片内程序f l a s h 、同步串行接口s p i ；内嵌 a d 转换器、e e p r o m 、摸拟比较器、p w m 定时计数器等多种功能；并且i o 接口具有很强的驱动能力，灌电流可直接驱动继电器、l e d 等器件，从而省去 驱动电路，节约系统成本。为许多嵌入式控制应用提供了灵活而低成本的解决方 案。另外，a v r 单片机还支持c 等高级语言编程。采用高级语言对单片机系统 进行开发是单片机应用的发展趋势。对单片机用高级语言编程可以很容易地实现 系统移植，并加快软件的开发过程| 3 9 l 。 2 3 主控电路设计 牛卜f i ；藩c l 品* y 9 二f 1 牛卜f p l 三f p p f f l m a t m e p l 6 _ a u 3 3 百 - _ _ ；一 3 1 3 0 ：9 可 二7 2 6 出障i 搬 图2 2 主控电路原理图 。 主控电路主要由a t m e g a l 6 单片机、晶振电路以及复位电路组成，其原理图 如图2 2 所示。a t m e g a l 6 单片机由多种时钟源可以供选择，如外部时钟、r c 振 1 l 浙江理工大学硕土学位论文 荡器、石英晶体和陶瓷振荡器。时钟源的选择可以通过配置熔丝位来实现，大多 数的i s p 和并行编程器均可以实现a v r 熔丝位的配置i 。本系统采用8 m h z 的 石英晶体为系统提供时钟，相应的电容c 5 和c 6 的推荐值为1 劲f 2 2 p f 。 a t m e g a l 6 单片机内置上电复位p o r ( p o w e r - o nr e s e t ) 电路，该电路确保 了只有当系统电源超过一个安全电平时，器件才开始工作。复位时，单片机c p u 以及其他内部功能模块都处于一个确定的初始状态，所有的i o 寄存器都设为初 值，程序计数器p c 置0 。因此，c p u 取出的第一条指令就是在f l a s h 中地址为 $ 0 0 0 0 的地方。对于a t m e g a l 6 单片机，共有5 个复位源，即上电复位、外部复 位、掉电检测( b o d ) 复位、看门狗复位以及j t a g 复位。复位引脚通过内部上 拉，但是当系统受到干扰时可能会引起误复位，为了提高系统的抗干扰能力，所 示需要外加复位电路。上拉电阻尺i 的阻值应大于4 7 k o h m ，当用仿真功能时， 上拉电路尺l 应大于l o k o h m 。为了进一步保护系统，在复位引脚和地之间接电容 c 4 ，在复位引脚和电源之间接二极管l 删。同时考虑到系统工作时可能遇到种种 意想不到的问题，所以在复位电路中加一个复位按钮，以实现外部手动复位。手 动复位的基本原理如下：系统正常工作时按键蜀处于弹起状态，电容c 4 充满电， 复位引脚为高电平；当按键被按下时电容c 4 通过按键& 和电阻灭2 放电，复位引 脚上的电压下降，如果电阻r 2 ：的阻远远小于r 1 时，复位引脚上的电压接近于零， 变成低电平，系统复位；当按键弹起后，电源对电容c 4 充电，充满后复位引脚 又变成高电平，系统正常工作。 2 4l c d 串行接口电路设计 本系统采用l c d 显示模块作为主显示器，该显示模块选用清达光电技术有 限公司的h g l 2 8 6 4 2 液晶模块。该液晶为1 2 8 列、6 4 行的单色点阵图形显示模 块，内嵌k s 0 1 0 8 b 及其兼容控制驱动器作为列驱动器，同时使用k s 0 1 0 7 b 及其 兼容驱动器作为行驱动器的液晶模块。 h g l 2 8 6 4 的管脚说明如表2 1 所示。该l c d 显示模块可能通过c s l 和c s 2 选择使能左半边l c d 或右半边l c d ，当c s i = 0 、c s 2 = 1 时选择左半边l c d ；当 c s i = i 、c s 2 = 0 时选择右半边l c d ；当c s l = c s 2 = 1 或c s i = c s 2 = 0 时禁用l c d 。 1 2 浙江理工大学硕土学位论文 表2 1h g l 2 8 6 4 管脚说明 序号管脚符合功能 1v s s信号地( 0 v ) 2v d d 电源( + 5 矿) 3v 0液晶显示驱动电源 4r s 数据指令选择信号 r s = 1 为数据操作 r s = 0 为写指令或读状态 5刚w 读写选择信号 r j w - - - 1 为读选通 r w = 0 为写选通 6e读写使能信号 在e 下降沿，数据被锁存( 写) 入k s 0 1 0 8 ；在 e 高电平期间，数据被读出。 7 1 4d b 0 d b 7数据总线 1 5c s l片选信号1 一 。1 6c s 2片选信号2 ： 1 7 i 汪s t复位信号 。 1 8v o u t负电压输出端 1 9l e d a背光电源( + 5 矿) 2 0l e d k背光电源( 0 v ) 从表2 1 可以看出，当用单片机对l c d 进行控制时若不加处理则最少需要 1 3 个i o 引脚对l c d 进控制，而a t m e g a l 6 单片机总共只有4 0 个引脚，在不考 虑引脚复用的情况下也只有3 2 个i o 引脚。因此，如果对l c d 进行直接控制时 则需要占用多个i o 引脚。目前，有多种方法对l c d 控制接口进行改进，由于 l c d 是反映较慢的器件，因此可以用一片7 4 h c l 6 4 将数据端口( d b ) 与7 4 h c l 6 4 的数据输出口相连1 4 1 1 ，这样可以大大减少i o 口。 7 4 h c l 6 4 的功能框图如图2 3 所示，由图可知该芯片是一个8 位的移位寄存 器，当引脚( c l r ) 为低电平时，输出引脚q a q h 都为低电平，当引脚( c l r ) 为高电平时，且引脚( c l k ) 出现上升沿时将a 与b 的值( a b ) 移入移位寄 1 3 浙江理工大学硕土学位论文 存器，同时原先的值向右移，即q h = q g ，q g = 妙，q b = q a ，q a = a b 。 图2 37 4 h c l 6 4 功能框图 考虑到i o 口的资源以及今后硬件电路的升级，本系统采用2 片7 4 h c l 6 4 移位寄存器进行级联对l c d 控制接口进行改进，将c s l 和c s 2 也放在移位寄存 器的输出端。经过实验发现将读写使能信号( e ) 、读写选择信号( 刚w ) 或数 据指令选择信号( r s ) 中的一个放到移位寄存器的输出端时，液晶模块将无法正 常显示。因而可以将控制接口减少为5 个，大大节约了单片机的i o 资源，接口 电路图如图2 4 所示。 2 5 键盘接口电路设计 图2 4l c d 串行接口电路原理图 键盘接口电路可以分为独立按键接口电路、矩阵按键接口电路以及用专用芯 片实现的按键接口电路。独立按键接1 3 电路是指直接用i o 口构建按键电路，每 个按键单独占有一个i o 口。这种按键电路相互独立，互不影响其它i o 口的工 作状态。并且不仅电路配置简单，而且软件结构也简单，适用于按键较少的场合。 但是当按键较多时，占用i o 口的资源较多。矩阵按键接口电路克服了独立按键 接口电路的不足，用较少的i o 口可以实现较多的按键功能，但这种方法软件结 1 4 浙江理工大学硕土学位论文 构复杂，并且需要不断扫描i o 口的状态。另一方面，在系统工作时，并不需要 经常对按键进行操作，因此c p u 常处于控扫描状态，降低了c p u 的工作效率。 而用专用芯片实现的按键接口电路结合了上述两种接口电路的优点，用较少的 i o 口可能实现多个按键功能，并且占用的c p u 资源较少。 野k 挺画p，鞋妄一趸型拉孙一 一璧- t 。墓鬟瑟：i f i j , 4 耋 一 静 ，i 器器嚣篓 冀 上 _ 手妻蓊1 瑟亡 ：一s 0 口 ；戳习 啦 甚 冉辟 地 l ，兰三广_ 昝 兆。 i i t 广 ，一 镰 置l j 裂 ” 影- 黝 譬已广矗，一 啦 翻f 一 穿! 。 e 爿 瑶k 广嚣? 一 贮 落 f 一兰。 丝l e _ 广o 一虫 宓：一贸 。 强 譬= _ 厂：，一 惩 落矿l 薯生 心。一 孽 烈孜，：。 蟹 譬二广：一 婚 萋扫 ，萋窍专萋扫：专萋扫尊 酗阍二面”0 审町；曲一珊嘟j 盛姊，；盛 图2 5 按键接口电路 考虑到本系统主要是对电阻炉温度的精确控制，尽量提高c p u 的工作效率， 因此采用专用芯片实现对按键的控制。z l g 7 2 8 9 可以连接多达成6 4 键的键盘矩 阵，同时还可驱动8 位共阴数码管，按键接口电路如图2 5 所示。z l g 7 2 8 9 采用 串行方式与微处理器通讯，串行数据从d i o 引脚送入芯片，并由c l k 引脚同步。 当片选信号( c s ) 变为低电平后，d i o 引脚上的数据在c l k 引脚的上升沿被写 入z l g 7 2 8 9 的缓冲寄存器。实际应用中，8 只下拉电阻和位选电阻r 8 应遵从一 定的比例关系，下拉电阻应大于位选电阻的5 倍而小于其5 0 倍。下拉电阻的取 值范围是1 0 k f l 1 0 0 k f 2 ，位选电阻的取值范围是1 k q 1 0 k q 。在不影响显示 的前提下，下拉电阻应尽可能取较小的值，这样可以提高键盘的抗干扰能力1 4 2 1 ， 浙江理工大学硕土学位论文 本实例中下拉电阻取1 0 k f 2 ，位选电阻取1 k f 2 。晶振y 2 一般取4 1 6 m h z ，但 是在电磁环境恶劣的情况下，应该降低晶振频率，般的取值在1 4 m h z 这间， 电容c 8 、c 1 1 通常取值在l o p f 左右。复位信号是低电平有效，一般只需外接简 单的r c 复位电路，也可以能过直接拉低复位引脚( r s t ) 的方法进行复位1 4 引。 键盘接口电路与单片机的连接通过p 1 来实现，只需占用4 个i o 口，当有 按键被按下时z l g 7 2 8 9 的i n t 引脚就从高电平变成低电平，当按键弹开时i n t 引脚又从低电平变成高电平。因此可以将i n t 引脚与a t m e g a l 6 单片机的外部中 断1 脚( i n t l ) 相连，当有按键被按下时触发外部中断1 事件，在中断服务子 程序中读取键值。 2 6r s 2 3 2 接口电路设计 在电阻炉温控制系统中，如果运行复杂的控制算法，则单片机将无法胜任， 因此借助p c 机来进行数据的处理显得较为重要。通过单片机与p c 机的串行接 口进行串行通信具有较重要实际意义。 r s 2 3 2 c 是美国电子工业协会( e i a ) 正式公布的，在异步串行通信中应用 最广的标准总线，该标准适用于d c e 和d t e 之间的串行二进制通信，最高数据 传输速率可达1 9 2 k b p s ，最长传送电缆可达1 5 米。r s 2 3 2 c 标准定义了2 5 根引 线，对于一般的双向通信，只需使用串行输入线( r x d ) 、串行输出线( t x d ) 以及地线( g n d ) 。r s 2 3 2 c 标的电平采用负逻辑，规定+ 3 v 与+ 1 5 v 之间的任意 电平为逻辑“0 ”，而3 v 与1 5 v 之间的任意电平为逻辑“1 ”1 4 训。 a t m e g a l 6 内部集成有一个通用同步和异步串行接收器和转发器 u s a r t ( u n i v e r s a ls y n c h r o n o u sa n da s y n c h r o n o u ss e r i a lr e c e i v e ra n dt r a n s m i t t e r ) ， 这是一个高度灵活的串行通讯设备。但是由于u s a r t 并不是一个标准的 r s 2 3 2 c 接口，因此在电路上需要有一定的改变，主要有以下两个方面： a t m e g a l 6 的u s a r t 本身只有r x d 和t x d 两根信号线；采用的是t t l c m o s 兼容的电平，采用的正逻辑。输入高电平最小2 v , 输出高电平最小2 4 v , 典型 值为3 4 v , 输入低电平最大0 8 v , 输出低电平最大0 4 v , 典型值0 2 v 。所以在 。 通信时，必须进行电平转换，以便与r s 2 3 2 c 标准电平匹配。m a x 2 3 2 芯片是 单电源双r s 2 3 2 发送接收器，该芯片在片内有一个电源电压变换器，可以把输 1 6 浙江理工大学硕土学位论文 入的+ 5 v 电源变换成r s 2 3 2 c 电平所需的电压范围。 另一方面，标准的r s 2 3 2 连接电缆内部通常还有其他用于握手和数据流控 制的信号线，在简易3 线的连接中由于不使用其他信号线，数据流的控制方式可 以通过采用软件的方式或硬件上的3 线“骗子”连接方式来实现i 钙i ，本文采用后者 来搭建r s 2 3 2 接口电路，如图2 6 所示，芯片的第1 1 脚与单片机的t x d 引脚 相连，第1 2 脚与单片机的r x d 引脚相连，并且将r s 2 3 2 接口的4 、6 和7 、8 引脚连接在一起，这样就在p c 机端设置了使用硬件控制数据流方式，当p c 机 由第7 脚发出请求发送数据的据手信号后，该信号直接由8 脚返回，表示已经准 备好接收数据，允许发送。 2 7 过零检测电路设计 图2 6r s 2 3 2 接口电路 过零检测电路用于检测电网压的过零点，若是移相方式触发双向可控硅，则 该电路决定双向可控硅的触发时刻；若是过零方式触发双向可控硅，则该电路用 于计算电网电压周波的个数。原理图如图2 7 所示，其工作原理如下：首先，将 2 2 0 v 的交流电通过d 8 、d 9 、d 1 1 和d 1 2 整流成脉动的直流电；然后通过一系列的 电阻限流，使流过光耦l 、2 两脚之间的电流在允许的范围内。当电网电压的瞬 时值为零时，光耦1 、2 两脚之间没有电流，光耦工作在截止状态，光耦第4 脚 为高电平；当电网电压的瞬时值不为零时，光耦1 、2 两脚之间有电流，光耦工 浙江理工大学硕土学位论文 作在导通状态，光耦第4 脚为低电平。图中反相器7 4 h c l 4 的作用是整形光耦第 4 脚的波形，7 4 h c l 4 的第1 脚和第2 脚的波形分别为如图2 8 和图2 9 所示。 】【( 曩翌 站i 啦：鼬j l 焱】t 藏l 诚i 诚 碰 嘻撬喜= 思氆s 一“幺j 繁k ，3 r d l 2 一l x 静旷 z 图2 7 过零检测电路 t e ；k r l _ s t o p f 她蛀y 器 “ 口 ；，；-! 圈 二 。琶黑衄 c h ls o o vm 1 0 0 m s s - o c t - 0 1 8 ：0 2 c h l 7 q o m v 1 0 h z 图2 8 过零检测电路中7 4 h c l 4 第1 脚的波形 t e k - r ls t o p 1 + 。_ m p o s ：0 0 0 0 s ，c h l 一 i 耦合 ，：，j 豳 带宽限制 c h 1s 一o 瞬确一1 筑嘶i s - o c t - o s1 8 ：0 1 鑫i o o m h z 优格 圃 ；探头 ： 1 x j v o l t a g e ! 反相 芒币77 4 0 m v d 0 h z 图2 9 过零检测电路中7 4 h c l 4 第2 脚的波形 1 8 浙江理工大学硕土学位论文 2 8 温度检测电路设计 温度检测是电阻炉温度控制系统的前向通道，是该系统的一个重要组成部 分。该系统采用铂电阻p t l 0 0 作为温度传感器，铂电阻的电阻值随温度变化而变 化，并且有很好的重现性和稳定性，并且它具有体积小、准确定高、测温范围宽、 正的温度系数等特点。本课题测温范围较大，且要求精度高、稳定性好，因此选 用p t l0 0 作为温度传感器，但是该器件在具有上述优点的同时也存在非线性的缺 点。根据i e c ( i n t e m a t i o n a le l e c t r i c i a nc o m m i t e e ) 标准7 5 1 1 9 8 3 规定1 4 6 j ，p t l 0 0 阻值与温度的关系如式2 ( 1 ) 、2 ( 2 ) 所示。 r ，= r o 【1 + a t + b t 2 + c o - 1 0 0 ) t 。】，( - 2 0 0 。c t 0 。c ) 2 一( 1 ) r = r 1 + a t + b t 2 ， ( 0 。c f 8 5 0 。c )2 - ( 2 ) 式中：月，为铂电阻f 。c 时所对应的电阻值；r o 为铂电阻0 。c 时的电阻值，对 于p t l 0 0 为1 0 0 q ；a 、b 、c 均为常数，分别为： a = 3 9 0 8 0 2 1 0 弓。c ，b = 一5 8 0 2 1 0 - 7 ( 。c ) 2 ，c = - - 4 2 7 3 5 1 0 1 2 ( 。c ) 4 ； 因此，用p t l 0 0 进行温度检测时需要对非线性进行处理，目前主要有硬件4 m 9 j 和软件陟5 1 l 两种方法。这两种方法各有优缺点，如硬件处理方法电路复杂、调试 不便；而软件处理方法电路简单、精度较高，但需要额外增加c p u 的开销。通 过综合考虑，本系统采用软件处理的方法对p t l 0 0 的非线性进行处理，原理图如 图2 1 0 所示。 图2 1 0 温度检测电路 由于a t m e g a l 6 单片机内部集成一个1 2 位a d 转换器，且参考电压可选择 1 9 浙江理工大学硕土学位论文 内部参考电压或外部参考电压。本系统选择内部2 5 6 v 的参考电压，这样省去了 一些外围电路，简化了硬件电路的设计。本系统要求的测温范围是0 - - - 2 5 0 。c ， 即当温度为o 。c 时，所对应的输出电压为0 n 当温度为2 5 0 。c 时，所对应的输 出电压为2 5 6 v 。实际上，由于电阻标称值的有级性，很难保证当温度为2 5 0 。c 时，所对应的输出电压正好为2 5 6 v ，若使用滑动变阻器虽然可以使电阻在一定 范围内的无级调节，但是这样带来的另一个问题是调试困难，可行性不大。因此 本系统设计的目标是保证当温度为2 5 0 。c 时，所对应的输出电压接近2 5 6 v , 且 不超过2 5 6 玑 图2 1 0 中r 4 1 、r 4 2 、凰、凰7 、职组成电桥检测电路，其中为铂电阻， r 4 1 = r 4 2 = 2 钺q ，r 4 ，= v r = 2 0 0 f 2 ，滑动变阻器凇用来调零。令艘的上半部分 电阻值为凇l ，下半部分电阻值为豫2 。 当温度为0 。c 时，氏= 1 0 0 k 2 ，此时要求u l = u 2 ，由分压原理可知： u ：一塑三垫一2 5 = v r 2 + 1 0 0 2 5 2 ( 3 ) 1 蜀l + 凇+ r 4 6 2 7 0 0 u 2 翌2 6 0 0 2 5 = 笙1 3 z0 1 9 2 3 1 2 一( 4 )、 ， 解得，v r ，= 1 0 7 6 9 4 8 。 当温度为2 5 0 。c 时，r 4 6 = 1 9 4 0 7 q ，此时要求输出接近2 5 6 v , 且不超过2 5 6 v , 图2 1 0 中，令r 4 3 = r 5 2 = r ，r 4 4 = r 5 3 镏，r 4 5 = r s o = r ，根据分析可得，此放大电 路的输出为： 州u 1 - u 2 ) 鲁( 1 + 砻 2 - ( 5 ) 且 u ：上型l 2 5 = 1 0 7 6 9 4 8 + 19 4 0 7 2 5 ：0 2 7 ( v ) 2 - ( 6 ) 1 r 4 l + 凇+ r 4 6 2 7 9 4 0 7 、7 所以，u l u 2 = o 2 7 0 1 9 2 3 1 = 0 0 7 7 6 9 ( v ) 。 即放大倍数为： 浙江理工大学硕土学位论文 4 丽a d o = 3 2 9 5 2 - ( 7 ) 取r = 3 k p z ，r f = 1 2 k f f z ，r = 6 8 k f l ，r 4 8 = 2 k f l 时，a v = 3 1 2 。 另外，图中r 4 9 ，c 3 7 构成一阶滤波电路，b a v 9 9 是两个二极串联起来的一 个器件，在这里它的作用是构成一个保护电路，原理为：当输出电压配超过， 时，上面的二极管导通，下面的二极管截止，进入a t m e g a l 6 单片机a d c 0 引脚 的电压钳在当输出电压u o 时小于零伏时，上面的二极管截止，下面的二 极管导通，进入a t m e g a l 6 单片机a d c 0 引脚的电压钳在零伏。从而起到保护单 片机的作用。 2 9 可控硅触发电路设计 本系统对电阻炉的温度控制是通过调节电阻炉的输入电功率来实现的，而实 现电功率的调节则是通过双向可控硅来实现。可控硅的控制方式通常有两种：相 位控制方式和过零控制方式。前者的缺点是产生“缺角”的正弦波，从而产生相当 大的谐波干扰，给电力系统造成“公害”。而过零控制方式在负载上得到的电压电 流是完整的正弦波，基本上不存在电网波形的畸变和高频干扰1 5 2 - 5 3 1 。考虑到这一 点，本系统采用过零控制方式以减小对电网的污染。 ，0 5 0 0 0 20 0 40 0 6o 0 8 o 1o 1 20 1 40 1 60 1 8 0 2 t i m e s s 图2 1 1 过零控制方式 过零控制方式的原理是在电源电压( 或电流) 零点附近触发双向可控硅使其 2 l 浙江理工大学硕士学位论文 导通，通过改变设定周期内双向可控硅导通的周波数来实现功率的调节，如图 2 1 l 。图2 1 2 是双向可控硅的驱动电路，图中m o c 3 0 4 1 是一种带过零触发功能 的光电耦合器，可以用来驱动双向可控硅。用该器件触发双向可控硅可以用直流 低电压、小电流来控制交流高电压、大电流，并且还具有结构简单、成本低、触 发可靠等优点。图2 1 1 中蚴为电网电压的波形，为m o c 3 0 4 1 产生的过零触 发信号，“7 _ 为负载上的电压波形。 专 卓| 去 ，” |l 。 ；：3 誊 厂1 = 。厂。 审 ；奉妇，r 嚣。，卜 ”m 钆1 “ l 每，i 一一娟 240l h 【】c 3 0 4 一 鼬 图2 1 2 过零控制方式 当流经m o c 3 0 4 1 红外发光二极管的正向电流为时己5 1 5 m a 时，能够发 出足够的红外光，触发输出部分。图中，尺6 为输入级的限流电阻，使输入的l e d 电流为1 5 m a ，因此电阻灭6 可按式2 - ( 8 ) 计算i r 6 - - 1 v c c 面- f v v 2 - ( 8 ) 式2 ( 8 ) 中v c c 为正5 伏，瞻为红外发光二极管的正向电压，可取1 2 1 4 伏， 麻r 6 南湍瑚哦 另外，电阻r 2 是触发功率双向可控硅的限流电阻，其值由交流电网电压峰 值及触发器输出端允许重复冲击电流峰值决定，可按式2 ( 9 ) 选取： 尺2 = 兰 2 ( 9 ) 删 式中，为交流电路中的峰值电压，而洲为峰值重复浪涌电流，对于m o c 3 0 4 1 该 一一 ，、， 值为1 4 ，所示，r ：为掣= 3 1 1q ，取3 3 0 f 2 。 在实际应用中，双向可控硅可能会出现过电压、过电流以及过热等情况，很 可能会烧坏器件，因此必需采取保护措施。对于过电压的保护本系统设计了能量 吸收回路，如图中的r 4 和c 2 1 ，对于持续时间较短，能量不大的过电压，一般采 用这种方法，吸收电容把过电压的电磁能量变成静电能量存贮，吸收电阻除可以 防止电路振荡外，还可限制可控硅导通时电容放大产生的开通损耗和别衍值， 浙江理工大学硕土学位论文 为了进一步保护器件，在双向可控硅两端并接了一个压敏电阻，该方法适用于持 续时间较长，能量较大的过电压，如雷击引起的过电压。考虑到电网波动以及安 全系数，一般3 8 0 v 电源采用1 0 0 0 v , , 2 2 0 v 电源采用6 3 0 v 的压敏电阻，并且压 敏电阻的通流容量应大于电路实际浪涌电流值，一般为3 1 5 k a i 5 4 1 。对于过流 保护，则采用串熔断丝的方法，当电流过大时，熔断保险丝使系统断电从而保护 设备。而对于器件过热时，将会使管子性能变差，乃致烧毁可控硅，因此必须采 用过热保护。过热保护的一种简单方法就是加散热片，将器件中的热量散去。 通过对以上各电路模块的原理进行分析，完成了电阻炉温度控制器的原理图 设计，同时也进行了p c b 板的设计与电路的制作，主控电路板如图2 1 3 所示。 图2 1 3 控制板实物图 浙江理工大学硕土学位论文 第三章基于预测补偿的模糊神经网络控制算法设计 电阻炉是一个非线性、滞后、大惯性、时变以及升温单向性的系统，因此很 难建立一个精确的数学模型。模糊神经网络控制结合了模糊逻辑与神经网络的特 点，利用神经网络的学习功能实时调整模糊逻辑的控制规则。由于这种在线学习 的模糊神经网络控制算法可以在不需要准确的模糊控制规则时就可以对系统进 行控制。并且在控制过程中自动地调整控制规则以适应被控对象的特性，因此， 具有一定的自适应功能，在一定程序上解决了模糊规则不易得到的问题，同时对 于控制时变对象时存在一定的优势。但是正是因为这种控制算法不需要准确的控 制规则，在带来便利的同时也存在不足，那就是上升时间缓慢。针对模糊神经网 络控制中的不足，本课题对糊神经网络控制进行改进，提出基于预测补偿的模糊 神经网络控制算法，该算法的理论基础是模糊控制和径向基神经网络。 3 1 模糊控制 模糊系统理论是由l o f f i a z a d e h 于1 9 6 5 年创立的，模糊控制正是以模糊系统 理论为基础而发展起来的，是一种应用模糊集合、模糊语言变量和模糊逻辑推理 知识、模拟人的模糊思维方法，对复杂系统实行控制的一种智能控制系统1 5 5 1 。 随着模糊系统理论在工业界的成功应用，越来越多的学者开始研究模糊系统理 论。模糊控制作为一种智能控制算法，可以将专家的知识应用于控制系统。简单 的模糊控制器是目前采用很广泛的二维模糊控制器，它的输入量是系统输出量 ( y ) 与设定值( ，) 的偏差( p ) 以及偏差变化率( d e ) ，其结构如图3 1 所示。 图3 1 模糊控制系统结构框图 模糊控制是基于语言变量、隶属度以及i f t h e n 规则的控制系统，因此可 以将人类的语言知识转化为控制量。知识库是由模糊i f t h e n 规则集合组成的， 浙江理工大学硕士学位论文 是模糊系统的核心。当模糊规则库由以下模糊i f t h e n 规则组成时： r ：d ：如果毛为纠且_ g x 。为“，贝j j y y - , j b 7 其中，彳和b 7 分别是u ，cr 和vcr 上的模糊集合，x = ( 而，x 2 ，x n ) r u 和 少v 分别是模糊系统的输入和输出语言变量，刀为输入语言变量个数，是第，条 模糊规则，文献 5 6 推导了几类模糊系统的公式，若把模糊系统选定为带有乘积 推理机、单值模糊器、中心平均解模糊器和高斯隶属度函数的模糊系统，则该模 糊系统的数学公式可以表示如式3 ( 1 ) 所示： f ( x ) = 牡冲( 一嘲 3 - ( 1 ) 式中，m 为模糊规则总数；刀为语言变量的个数；萝7 是模糊集b 7 的中心；一代 表，第条规则中第f 个输入语言变量薯的隶属函数的中心，也就是模糊集的中心； 一代表，第条规则中第f 个输入语言变量t 的隶属函数的宽度，也就是模糊集的 ： ：宽度。 3 2 径向基神经网络 径向基神经网络( r a d i a lb a s i sf u n c t i o nn e t w o r k s ，r b f n ) 最早由b r o o r n h e a d 和l o w e 提出的1 5 7 1 。这种神经网络的结构包括三层，其中每一层都有着完全不同 的作用，如图3 2 所示。输入层由一些感知单元组成，它们将网络与外界环境连 结起来。第二层是网络中仅有的一个隐层，它们的作用是从输入空间到隐层空间 进行非线性变换。输出层是线性的，它为作用于输入层的激活信号提供响应。对 于隐层来说，该层的维数越高，网络的逼近就越精确，但是同时带来的计算量将 增大。 浙江理工大学硕土学位论文 输入层隐层( r b f 节点) 输出层 图3 2 径向基神经网络结构图 一个具有n 个输入、m 个隐层神经元和一个输出的径向基神经网络可以看 成圪维空间到1 维空间的映射，网络的输出如式3 ( 2 ) 所示： ( x ) = 嘞+ m g ，q l x e l j ) 3 ( 2 ) 式中，xc r 。为输入向量；g ，( ) 为基函数；l | i 表示输入空间上的欧氏范数；鸱为 权值，其中，1 f m ；o ) o 为偏置量；e 尺”( 1 f m ) 为径向基函数的中心； m 为径向基函数的单元数，即隐层神经元个数。 如果不考虑偏置量绵，并且径向基函数采用式3 - ( 3 ) n 示的高斯函数： g ( x ) = e x p ( 一；) 仃 3 - ( 3 1 则，式3 - ( 3 ) 可以改写成： y ) ：m 璐e x p ( 一下i l x - c i l l 2 ) y ) = t = l 璐。e x p ( 一_ r ) u 若再将y 7 ( x ) 作归一化处理，则径向基网络的归一化输出为0 5 蹦9 i ： 3 3 模糊神经网络 舭，=一m “5 ， 模糊系统是一种试图在认知层面上获取人类知识和推理的方法，神经网络是 模仿人脑机制的一种方法，虽然两者的来源不同，但通过比较模糊系统的数学公 浙江理工大学硕土学位论文 式和经过归一化处理后的径向基神经网络，可以发现两者存在很大的相似性。因 此，模糊系统中的一些方法可以用于径向基神经网络，反之亦然。通过将两者相 结合，可以得到如图3 3 所示的模糊神经网络的结构1 5 9 - 6 1 1 ，这种模糊神经网络的 结构描述如下： ( 1 ) 第一层为输入层，每个节点代表一个语言变量，7 1 是语言变量个数。 ( 2 ) 第二层为隶属函数层，每个节点代表一个隶属函数，该层的作用是模糊 化输入变量，其隶属函数采用式3 ( 6 ) 所示的高斯函数： 俐一 一 3 邯， 式中i = 1 ，2 ，拧；，= 1 , 2 ，q ；a ，代表输入变量t 的隶属函数个数，即输入变量t 的模糊集个数；以为输入变量t 的第个隶属函数；勺为输入变量的第，个隶 属函数中心；吒为输入变量誓的第，个高斯函数的宽度。 图3 3 模糊神经网络结构 ( 3 ) 第三层称为t - 范数层，每个节点代表一个模糊规则的i f 部分。该层节 点数反映了模糊规则数。第，条规则r 7 的输出，即第，个神经元的输出如式3 ( 7 ) 所示： 咖= 酬一2 3 印