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多点温度控制系统的研究与实现 学校：东南大学自动控制院 中文摘要 随着自动控制、计算机、通信、网络等技术的迅猛发展，给自动控制系统结构带来了重大变革， 使研究组建工业生产网络具有较高的理论意义和实用价值。本课题主要设计了一个多点温度控制系 统，用于产生一个恒温热面，并从硬件构成与软件实现两个方面进行了必要的阐述。 硬件的设计主要包括输入通道和输出通道两个方面：输入通道是利用热敏元件检测温度，然后 进行信号转换并放大，再由v f 转换器把模拟信号转变为数字信号并送至单片机进行计数，单片机 再通过串口把数据传输给上位机进行处理；输出通道主要是利用5 1 系列单片机作为执行机构，根据 上位机输出的信号来决定是否开启加热器。 软件的设计主要是针对上位机，设计的工作主要有设计上位机工作界面和对输入的信号进行处 理。界面的设计主要包括主界面、实时曲线显示界面以及参数设置界面，采用v i s u a lb a s i c a l6 0 软件进行设计，界面具有良好的交互性，同时还具有打印、曲线显示以及存储等功能；上位机信号 处理就是利用p i d 算法根据输入的数值与给定值，计算出输出控制量。 关键词：p i d 控制自动控制单片机 a b s t r a c t t h er a p i dd e v e l o p m e n to fa u t o m a t i cc o n t r o l ，c o m p u t e r ，c o m m u n i c a t i o n ，a n dn e t w o r k t e c h n o l o g i e sb r i n g sg r e a t s t r u c t u r a lc h a n g e st oa u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e ma n de n a b l e s r e s e a r c h e r st os e tu pan e t w o r ko fi n d u s t r i a lp r o d u c t i o nw i t hh i g h e rt h e o r e t i c a la n d p r a c t i c a lv a l u e t h em a i nt o p i ch a sd e s i g n e dam u l t i p o i n tt e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e mf o r g e n e r a ti n gac o n s t a n tt e m p e r a t u r et h e r m a lf a c e ，a n dm a d en e c e s s a r ye x p o siti o nf r o mt w o a s p e c t s ，h a r d w a r ea n ds o f t w a r e h a r d w a r ed e s i g ni n c l u d e sc h a n n e i sa n dt w oo u t p u tc h a n n e l s ：i n p u tc h a n n e lm a k e su s eo f t h e r m a lt e m p e r a t u r ed e t e c t i o nd e v i c e s ，c o n v e r ts i g n a la n dt h e ne n l a r g ei t t h e nt h r o u g h v fc o n v e r t e rc h a n g et h ea n a l o gs i g n a lt od i g i t a ls i g n a la n ds e n di tt ot h es i n g l e 。c h i p m a c h i n et oc o u n t ，s c m ，t h r o u g h t h es e r i a lp o r t ，t r a n s f e r st h ed a t at op cf o rp r o c e s s i n g ； o u t p u tc h a n n e l sm a i n l yu s e5 1s e r i e sm c ua st h ei m p l e m e n t i n ga g e n c y ，a n dd e c i d ew h e t h e r t oo p e nt h eh e a t e ra c c o r d i n gt op co u t p u ts i s a l s o f t w a r ed e s i g ni sm a i n l yd i r e c t e df o rt h ep c t h em a i n l yd e s i g n i n gw o r ki su n d e r t o o k b yw o r k i n gp ci n t e r f a c ea n dt h ei n p u ts i g n a lf o rp r o c e s s i n g i n t e r f a c ed e s i g n ，i n c l u d i n g t h em a i ni n t e r f a c e ，r e a l t i m ec u r v ed i s p l a yi n t e r f a c ea n dp a r a m e t e rs e t t i n g si n t e r f a c ei s d e s i g n e db yv i s u a lb a s i c6 0s o f t w a r e t h ei n t e r f a c eh a sg o o di n t e r a c t i v e ，a n da l s oh a s p r i n t i n g ，c u r v ed i s p l a ya n ds t o r a g ef u n c t i o n s t h ep cs i g n a lp r o c e s s i n gu s e sp i da l g o r i t h m b a s e do nt h ei n p u tv a l u e s a n dg i v e nv a l u e st oc a l c u l a t et h eo u t p u to fc o n t r 0 1 k e yw o r d s ：p i dc o n t r o l a u t o m a ti o n m c u 玎 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个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，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他入已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表 示了谢意。 研究生签名：日期： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅或借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：导师签名：日期： 第一章绪论 第一章绪论 随着计算机技术的发展，工业计算机控制系统的应用越来越广泛工业现场的仪器仪器仪表由于 采用了单片机技术的设计使得智能化程度越来越高。目前采用p c 机和单片机构成的分布式系统、工 业控制系统以及数据传输系统越来越受到更广泛的应用。它既利用了单片机价格低廉、功能强大、 抗干扰能力强等优点，构建适宜分布于工业现场的、使用方便灵活的下位机，又结合了工业控制计 算机越来越丰富的软、硬件资源，提供管理功能强大、人机界面良好的操控平台，从而达到p c 机、 小型机优势互补的目的。 1 1 计算机控制系统概况 随着现代化工业生产过程复杂性与集成度的提高，计算机控制系统得到了迅速的发展。计算机 控制系统是自动控制系统发展中的高级阶段，是自动控制系统中非常重要的一个分支。技术控制系 统利用计算机的软件和硬件代替自动控制系统中控制器和计算器，它以自动控制理论系统和计算机 技术为基础，综合计算机、自动控制和生产过程等多方面的知识。由于计算机控制系统的应用，许 多传统的控制结构和方法被代替工厂的信号利用率被大大提高，控制质量更加趋于稳定，对改善人 们的劳动条件起着重要的好用。因此，计算机控制系统受到越来越广泛的重视。当前，计算机控制 系统已经成为许多大型自动化生产线不可缺少的重要组成部分。 计算机控制的应用领域是非常广泛，涉及到工业国防和民用的各个领域。温度是工业对象中主 要的被控参数之一。冶金、机械加工、食品、化工等各类行业中，广泛使用的各种加热炉、热处理 炉、反应炉等，对工件的处理温度要求严格的控制，主要是保证炉温度按规定的温度工艺曲线变化， 超调小或者无超调，稳定性好，不振荡，对系统的实时性要求较高。计算机温度控制系统使温度控 制指标得到了大幅提高。 1 2 本课题的研究背景及其意义 材料热加工是制造业重要的加工工序，材料经热加工才能成为零件或毛坯，它赋予材料最终的 成分、组织与性能。由于热加工兼有成型和改性两个功能，因而其过程质量控制具有更大的难度。 本课题为。多点温度控制系统的研究与实现”，用于材料加工的热面温度测量与控制，可以根据 设定的不同升温工艺曲线对热面温度进行测量和控制。在这里，对整个热面进行温度控制，采用多 点温度测量与控制。这种方式与单点p i d 控制相比，实现多点，尤其是点数相当多的温度控制，实 现起来要复杂得多。需要做如下几个方面的考虑： 东南大学硕士学位论文 l 、采样间隔。一方面，由于是多点测量控制，因此必须考虑使受控点采样时间尽可能的接近， 选择具有较高转换速率的a d 转换器和在编制采样软件时尽可能地缩短采样时间；另一方面，为了 保证实际的温度控制工艺曲线与理想的一致性，同一点连续两次采样的时间也要尽可能的短。 2 、每一点控制对象特性的差异的最小化。多点控制的对象是相同的，但是，由于每一个对象在 制作和按照时不可能完全避免地存在差异，同样的处理方法势必会影响控制的精度。那么在参数设 置的过程中，如果用一种方式设定的参数已能满足要求，则不必对每个点作单独修正，否则可通过 对不能满足控制要求的点作适当的修正后，使整个系统均能满足控制要求。 3 、抑制串扰。各个受控对象之问的相互影响，会对对象的特性产生干扰，有时甚至影响到系统 的稳定性。 热面温度场的温度控制受到多种因素的影响，若控制不当，会对材料的质量有较大的威胁；若 温度控制精度不高，产品很不稳定，既浪费社会及企业资源，又增加了企业的生产成本。面对复杂 的生产、工艺要求，以及生产技术的快速发展，集中控制、管理日益成为迫切的要求。对此，模拟 控制系统从其控制功能、调控指标上都难以满足。随着计算机技术的发展和成熟，利用计算机对生 产和实验进行实时远程监控是现代自动化发展的主流方向。 本课题针对上述情况，设计了硬件处理系统，该系统包括：信号采集部分( 采用热敏元件) 、信 号转换及放大部分、a d 转换部分以及执行部分( 用单片机控制可控硅) 。同时利用上位机实现控制 算法、当前温度显示、温度曲线显示、多段温度值设定、参数调节以及报警等功能。 1 3 论文研究的主要内容 本文研究的主要对象为，构建一个热面温度控制系统，系统内由八个加热器和八个温度传感器 组成，其中加热器和传感器一一对应，示意图为图1 1 。 图i 1 热面控制系统的示意图 热面温度控制系统主要分为两大部分：硬件控制系统和上位机。硬件控制系统主要包括输入通 道和输出通道，输入通道主要实现温度信号的采集、信号的转换和放大、模拟信号到数字信号的转 2 第一章绪论 换；输出通道主要实现对可控硅的控制；上位机主要对送来的信号进行分析、与理想的温度控制曲 线进行比对、通过计算得出控制量并输出给硬件系统的执行部分。在输入通道中，信号的转换采用 单臂电桥，通过电桥把电阻信号转变为电压信号；信号的放大电路采用多级集成运算放大器；a d 转换器采用v f 转换器：输出通道采用单片机控制，利用p o 口控制可控硅，以增加系统的稳定性。 在电路的调节过程中，输入通道比较繁琐，但是其调节好坏对系统的精度有一定的影响。 1 4 论文的结构 论文的总体章节安排如下：首先介绍相关论文的研究背景以及的论文的主要内容；第二章介绍 系统硬件的实现；第三章控制算法基本理论的研究；第四章系统软件的实现。 3 东南大学硕：l 学位论文 第二章系统硬件的实现 总体设想：该系统由热敏元件感知温度的变化，然后通过电桥把电阻信号转变成电压信号，并通 过一个固定放大倍数的放大器进行适当放大，接着进行a d 转换，把模拟信号变成数字信号，最后 送至计算机串1 2 1 ；由计算机对输入的信号进行处理，然后把结果输送给m c s 一5 1 ，由单片机作为执行 控制机构，以确保系统的稳定运行。 2 1 系统硬件实现整机原理图 控制电路如图2 1 所示，上位机与采集、执行机构的连接如图2 2 所示。 + 吖 i k f 2 x 81 b c r 3 , q j l - 1 0 x 8 l + 孵 l o 、一 嗡 珊c s 一 而 1 2 3 4 5 6 7 r s t 3 0 3 1 3 2 3 3 3 4 3 5 3 6 3 7 p 2 0 p 2 1 p 2 2 p 2 3 p 2 5 p 2 6 p 2 7 p 2 8 电 隔 放大ll v f 转换l 电路r 1 电路r p 3 卫电路ii 电路i 一 0 u t3 儿 1 0 9 6 1 3 准 1 2 l 5 2 4 c i ) 4 0 5i b c 8 t d 0 d 2 加热 电源 加热器1 加热嚣2 加热器3 加热器4 加热器5 加热器6 加热器7 加热器8 图2 1 系统硬件实现整机原理图 图中信号的采集有八路，由p 2 0 、p 2 1 、p 2 2 控制八路信号分别送入放大电路；m c s 一5 1 单片 机与c d 4 0 s 1 b c 之间的连接采用光电隔离，增强系统的稳定性。在这个电路中，单片机m c s 一5 1 的作 用主要一是对数模转换后的信号进行计数，然后把计数结果通过串行口输送给上位机；二是是接收 计算机发送过来的数据，并进行分析，然后通过p o 口控制是加热还是停止加热，控制器件是 b c r 3 a m - i o 型双向晶闸管( 直插封装，反向重复峰值电压u 融为5 0 0 v ，正向平均电流i r 为3 a ) 。单片 4 一m二j石厢j吼百加阳加如阳如即阳 l一23456一t一8 件一件一件一件一件一件一件一件一兀11兀11兀|1兀11兀11兀11兀11兀敏一敏一敏一敏一敏一敏一敏一敏执=执竺执尘执竺轨竺轨竺执i执 第- 二章系统硬件的实现 机的时钟采用1 2 m h z ，具有上电复位和手动复位两种功能。另外剩下的接口，可用于进一步扩展。 c s - 5 1 2 2 电源电路 电源电路如图2 3 所示。 图2 2 上位机与单片机的连接 图2 3 电源电路 在电路中，1 5 v 电压主要供给v f 转换器，+ 5 v 电压主要供给单片机。 2 3 热敏元件 热敏元件使用热电阻- - p t l 0 0 ，又叫铂电阻、热电阻，是一种温度传感器。它是将0 0 5 - - , 0 0 7 咖 的铂丝绕在线圈骨架上，采用不锈钢外壳封装，内部填充导热材料和密封材料灌封而成，尺寸小巧， 适用于精密仪器、恒温设备、流体管道等温度的测量，非常经济实用，产品图形如图2 4 所示。它 的命名规则见图2 5 ，“p t ”表示该材料为铂金属，“1 0 0 ”表示o c 时电阻为1 0 0 q ，。0 5 ”表示 该器件的探头长度为5 c m ，它的具体尺寸图如图2 6 所示，探头长度l ：5 0 r a m 1 0 0 m m 1 5 0 m 2 0 0 m 可选，探头直径： = s m m ，安装方式：标准m s x o 7 5 螺纹固定，引线长度：标准2 m ( 需要延长时 需加专用屏蔽线) 。 5 东南大学硕士学位论文 。 图2 4p t l 0 0 外形图 为5 c m 0 0 0 为铂金属 图2 5p t l 0 0 的命名规则 l - - 5 0 1 0 0 1 舐2 0 0 单位：m 图2 6p t l 0 0 尺寸图 p t l 0 0 该材料的电阻温度系数小，为0 0 0 3 9 6 8 4 ，稳定性好，电阻率高，电阻与温度之间有 一定的函数关系，在0 6 5 0 内，它的电阻r 。与温度t 之间的关系为：r t _ ( 1 + h t + b t 2 ) 。式中， 是温度为o 。c 时的电阻值( p t l 0 0 的r 0 = 1 0 0q ) ，系数h = 3 9 6 8 4 1 0 3 ，b ：一5 8 4 7x1 0 。c 。 铂电阻一般是三线制的，其中一端接一根引线，另一端接两根引线，这三根导线截面积和长度 均相同，这样制作的目的主要是为了远距离测量时消除引线电阻对测量的影响( 近距离测量可用二 线制，导线电阻忽略不计) 。测量铂电阻随温度变化的电路一般采用电桥。 2 4 电阻一电压转换及其放大 p t l 0 0 的电阻值随温度的变化而发生变化，把电阻的变化转换为电压变化的电路及其放大电路 如图2 7 所示。 一、电路简介 实际电路连接时，先用万用表欧姆挡测出p t l 0 0 三根引线中其中短接的两根引线( 通常是同种 颜色的两根线) ，设为、，剩下一根为，同时也可以在室温下测出、之间的大致阻值。然 后按照图2 7 进行接线，这样就可以构成一种单臂电桥的工作方式，其中，r t 为一桥臂，如各为第 二桥臂( 用可调电阻目的是为了可以改变电桥的灵敏度，如接入电桥的电阻值越大，电桥的灵敏度 越低，但接入的电阻值不能低于2 k q ) ，r 4 和r - - 的下半部分的串联为第三桥臂，r - - 的上半部分为第 四桥臂。电阻的变化转化为电压信号后，还要经过一定的放大，为了保证信号放大的倍数一定( 放 大器的线性良好) ，采用如图2 7 所示的放大器，电路中集成运算放大器采用o p 0 7 c 。 6 第二章系统硬件的实现 1 0 k u i 倚 l k r z1 0 k卜 一l 至n 。i 胁i 。二i 1li c 3 + 阻拦刍一i r i r w 2 墨生磐kf j l 二 i 地一+ 上l 4 十广 蛔一咎jr 。却致 ! 舢1 0 r k i , 2 0 2 0 k j。时出昌工 图2 7 电阻一电压转换及其放大电路 二、电路的调整 在电路中有五个可调电位器，r - 。为电桥平衡调节电位器，为放大器增益调节电位器，l i - 3 为放 大器调零电位器，r 。为电桥灵敏度调节电位器，r t 。为放大器增益调节辅助电位器。 1 、电桥的调整 电桥电路搭建好之后，通常将r 3 电位器调节好之后接入电路，一般情况接入电路的阻值在4 k q 左右较为适宜。 常温下，可用灵敏电流计检测或用晶体管毫伏表测量u 调节r - 使u - 为o ，这时电桥就平衡 了，在以后的使用中，一般情况下就不再调节如了，可根据要求适当调节岛。 若用灵敏电流计检测u 一，为了保护电流计，可以用一个较大阻值的可变电阻器与电流计串联使 用。第一次调节，让可变电阻器接入的电阻值最大，调节r - t 使电桥平衡；然后调小电阻器接入电阻 值，再调节r 。使电桥平衡；如此反复，当可变电阻器接入电阻值为零时，电桥也达到了平衡，此时 电桥电路的灵敏度最高。若使用晶体管毫伏表，则刚开始使用最大挡，在电桥平衡时逐渐减小量程， 直至最小挡。 2 、放大器的调整 放大的调整主要调整两个方面：一是调整系统，使其零输入零输出，二是调节系统的放大倍数， 使其放大倍数为2 0 倍( 好让所有的信号放大倍数都是2 0 倍，保证其线性) 。 ( 1 ) 放大器调零 在图2 7 中，把逆时针旋到底( 使其接入电路的电阻值为零) ，然后调节，使放大器输出 为零，输出电压可用晶体管毫伏表检测。这里需要注意的是放大器调零结束，就不能再旋转了。 ( 2 ) 调节放大倍数 7 东南大学硕士学位论文 放大器放大倍数的调仃时需要接入一个已知信号( 可暂时用已知信号代替电桥) ，可以用直流稳 压电源输出一个幅度为2 0 m v 的电压，并把该电压接入放大器。接入时，a 接直流电压，b 接地。调 节r 记，使放大器的输出电压为4 0 0 m v ，这时放大器的放大倍数就为2 0 倍。注意：放大倍数一经调好， r 船就不能再碰了。 铂电阻阻值随温度变化而变化，单臂电桥把电阻信号转变成电压信号，该电压信号又经过放大 器的放大，最后把放大了的电压信号送入a d 转换器进行转换。 2 5a d 转换 经过放大器处理后的信号仍然是模拟信号，而计算机处理的是数字信号，因此要在放大器和计 算机之间加入一个模拟信号到数字信号的转换电路，即a d 转换器。 根据a d 转换的原理可将a d 转换器分成两大类：一类是直接型a d 转换器，另一类是间接型 a d 转换器。直接型a d 转换器中，输入的模拟电压被直接转换成数字代码，不经过任何中间变量， 根据原理不同分成：电荷在分配型a d 转换器、反馈比较型和非反馈比较型，其中反馈比较型又分 为逐次逼近式a d 转换器和跟踪计数式a d 转换器，非反馈比较型也分为串联方式a d 转换器、并 联方式a d 转换器和串并联方式a d 转换器；在间接型a d 转换转换器中，首先把输入的模拟电压 转换成某种中间变量( 时间、频率或脉冲宽度等) ，然后再把这个中间变量传换成数字代码输出，根 据原理不同分成电压一时间变换型a d 转换器、电压一频率变换型a d 转换器( v f 转换器) 和一 式a d 转换器，其中电压一时间变换型a d 转换器又分为单积分型a d 转换器、双积分型a d 转换器、 多重积分型a d 转换器和脉冲调制积分型a d 转换器。 尽管a d 转换器的种类很多，但目前使用较为广泛的主要有：逐次逼近式a d 转换器、双积分 a d 转换器、一式a d 转换器和v f 转换器。在这些a d 转换器中，逐次逼近式a d 转换器在精 度、速度和价格上都较为适中，是最常用的a d 转换器件；双积分a d 转换器具有精度高、抗干扰 性好、价格低廉等优点，但转换速度慢，在单片机应用领域中得到广泛应用；e 一式a d 转换器具 有逐次逼近式a d 转换器和双积分a d 转换器的双重优点，它对工业现场的串模干扰具有较强的抑 制能力，不亚于双积分a d 转换器，且它比双积分a d 转换器有较高的转换速度，而与逐次逼近式 a d 转换器相比有较高的信噪比、分辨率高、线性度好，不需要采样保持电路；v f 转换器是把电压 信号转变为频率信号的器件，有良好的精度、线性和积分输入特点，此外，它的应用电路简单，外 围元件性能要求不高，适应环境能力强，转换速度不低于一般的双积分型a d 器件，且价格较低抗 干扰能力强，便于远距离传输，特殊情况下可通过调制进行无线传输或光传输。 8 第二章系统硬件的实现 鉴于以上的比较，a d 转换器选用间接型a d 转换方式中的v f 转换器，通过该a d 转换器把 电压信号转换为不同频率的信号，然后送至计算机的串口，可以通过计算机识别其频率的变化来确 定电压变化情况。 一、常用v f 转换器l m l 3 1 简介 l m l 3 1 是通用型的v f 变换器。适用于a d 转换器、高精度v f 变换、长时间积分器、线性频 率调制或解调器等电路。双列直插式封装见图2 4 ，各管脚功能如表2 1 所示。 1 、主要特性 ( 1 ) 频率范围：i h z - - 一i k h z ； ( 2 ) 非线性：0 0 1 ( 3 ) 单电源或双电源供电； 图2 4l m l 3 1 封装图( d i p ) ( 4 ) 单电源供电电压为+ 5 v 时，可保证转换精度； ( 5 ) 温度特性：最大_ 5 0 p p m 。c ； ( 6 ) 低功耗：v 产5 v 时为1 5 m w 。 表2 1l m l 3 1 各管脚功能一览表 管脚 功能说明 1 输出电流i 。输出端。它是内部一个精密电流源的输出端。 基准电流i s 输出端。该脚对地电压的典型值为1 9 v 。在使用时，一般对地接一电阻 2 凡，其典型值取1 4 k q 。 脉冲频率输出端。该端子是内部一个三极管集电极，且集电极开路输出。在使用时， 3 一定要外接一上拉电阻。 4 接地端( 或负电源端) 。 5 外接定时电阻和定时电容端。该脚是内部单稳态触发器的外接定时元件端子。 阈值电压输入端。它是内部一个比较器的反相输入端，该端的电压与脚输入电压相 6 比较，并根据比较结果启动内部的单稳定时电路。 7 被转换的外部电压输入端。 8 正电源端。 2 、电特性参数 9 东南大学硕士学位论文 ( 1 ) 电源( v s ) 范围：4 - - 4 0 v ： ( 2 ) 输入电压范围：一2 v v 。； ( 3 ) 最大失调电压：1 4 m y ； ( 4 ) 电源电压对增益的影响： 4 5 v v s 1 0 r0 1 v i o v v s 4 0 v 0 0 6 v ( 5 ) 工作电流：8 o m a 。 二、l m l 3 1 的v l f 转换外部接线图 电路如图2 5 所示。该电路的电特性为：电源, - g 压：v s = + 1 5 v ；输入电压范围：0 一l o v ；输出频 率：1 。h z 1 l k h z ；非线性失真：。3 ；输出频率：= 差岳乏i ：l _ 。 r ： l 葺 r i n c - i n - - l o o k o 再0 i p f = 三 t5 1 i 1 3 1 + v s 耐二2 ： q 1 0 k q ! ：罂当f 4 7 0 啪故上1 ：兰知 飚 目皑 l o k q _ 二= h + s v _ of 0 u t 图2 5l w l 3 1 外部接线图 输入电阻r i h 为l o o k q ，使7 脚偏流抵消6 脚偏流的影响，从而减小频率偏差。凡应为1 4 k o ， 这里用一只1 2 k q 的固定电阻和一只5 kq 的可调电阻串联组成，它的作用是调整l m l 3 1 的增益偏差 和由艮、r t 和c 。引起的偏差。c m 为滤波电容，一般c - 。在0 0 1uf - - 一o 1i if 之间较为合适，在滤波效 果较好的情况下，可使用luf 的电容。当6 脚、7 脚的r c 之间常数匹配时，输入电压的阶跃变化 将引起输出频率的阶跃变化，如果c 。比q 小得多，那么输入电压的阶跃变化可能会使输出频率瞬间 停止。6 脚的4 7q 电阻和li if 电容器串联可产生滞后效应，以获得良好的线性度。 为了提高精度及稳定性，阻容元件要用低温度系数的器件，最好是金属膜电阻和聚苯乙烯或聚 丙烯电容器。 信号转换为标准的数字信号后，e p - 送入计算机的串行接口。 该系统在应用的过程中，不同于打印机拆装比较方便，一经安装后，若无故障，基本上就 1 0 第二章系统硬件的实现 不要在动它。于是，接口的设置可以使用固定下来，例如：使用c o m l ，波特率设置为1 9 2 0 0 b p s 。 三、l m l 3 1 系列的其它v v 电路 如图2 6 所示的电路为高精度v f 电路，电路分析如下。 引起v f 转换产生非线性误差的原因是脚l 的输出电阻，它使输出电流随输入电压的变化而变 化，因而影响转换精度，为克服此缺点，高精度v f 转换器在l 脚和7 脚之间加入了一个积分器。 这个积分器是由运放和积分电容c f 构成的反积分器。当运放输出电压超过l m l 3 1 的6 脚阈值时，启 动定时器开始定时，注入运放求和结点( 运放的2 脚) 的平均电流等于v 。r 。使两者平衡。此电路 中l m l 3 1 输入比较器的失调电压不影响v f 转换器的偏差利精度。v f 转换器对小信号的反应能力 取决于运放的失调电压和失调电流。低成本运放的失调电压一般低于l m v ，失调电流一般低于2 n a ， 因此本电路对小信号有很好的转换精度。此外本电路还具有快速响应的特点。由于电流源( l m l 3 1 的1 脚) 总是保持地点位，( 虚地点) 电压不随v i n 或变化，因此有很高的线性度。 l o k q ? + 1 5 v 蝣-1(；85 - - - l , o k o 气 亡= 】- 二= 卜d 卜三! - l l 丝q i 上 r s 一 虹lc t l l o 0 0 5 p 啪砼翔 3 1 4 。i 捌t j 。, 故o o m 1 m q 2 - 2 k q 1 聪0 0 2 l o u t l o k ql o k q 茫1 0 2 岳 l 一 一l l 一6 + 1 5 v 雪2n222 127 l l l l 3 13 r l 耳盂 1 0 2 一卜 c ，1 1 4 7 0 p f 聊 l 瓶q u 1 0 0 姣 d 挪。砼 岛圭ov 岫 l o k o 工 z 2 k q l 0 0 2 图2 6l m l 3 1 系列高精度v f 电路图2 7l m l 3 1 系列高速v f 电路 在电路中，所选元件必须是低温度系数的，其中，g 选用聚酯薄膜电容。运放选用低失调电压 和低失调电流的l f 4 11 a 。 电路特性： l 、误差0 0 2 ： 2 、非线性0 0 0 3 ； 东南大学硕上学位论文 3 、稳定度- ) - 5 0 p p m 。c ； 4 、输入电压范围一1 0 v o v ； 5 、输出解f o u r = 嘉乏x 击。 另外，若要提高v f 转换的速度，可以按照图2 7 对电路加以变化即可。此电路的输出最大频 率为l o o k h z ，非线性失真度为4 - 0 0 3 。 四、v f 转换器与其它电路的连接 被测电压转换为与其成比例的频率信号后，即可送入其它电路进行下一步处理。 1 、v f 转换器可以直接与m c s 一5 1 单片机连接。这种接口方式比较简单，把频率信号接入单片 机的定时计数器输入端即可。 2 、在一些电源干扰大、模拟电路部分容易对单片机产生干扰等恶劣环境中，可采用光电隔离 的方法使v f 转换器与单片机之间无电信号联系，电路如图2 8 所示。 图2 8 使用光电隔离器的接口 2 6m c s - 5 1 的功能及其实现 在系统硬件设计原理图2 2 中，m c s 一5 1 单片机的作用为：信号采集时，利用p 2 口的o 、1 、2 三 个管脚控制c d 4 0 5 1 b c 的8 个输入端，让外围的几个温度信号分别进入方法、a d 转换电路，并送至 计算机；命令执行时，根据计算机传输下来的信号，确定对应的加热器是否工作。 根据原理图所示，m c s 一5 l 单片机所用引脚分别如下：p 2 口的0 、1 、2 接c d 4 0 5 1 b c ，则p 2 口的 地址为xxx 0 0 0 - xx xx 1 1 1 ，要让热敏元件2 的信号进入放大电路，则可采用语句： m o vp 2 。# 0 1 h p o 口接可控硅，用于控制加热器是否工作，若要v 2 导通，使得加热器2 工作可用语句： s e t bp o 1 另外，m c s 一5 1 的程序下载口使用p 1 口的5 ，6 、7 管脚。其它没有使用的管脚均可用于外围设 备的扩展。 1 2 第三章控制算法基本理论的研究 3 1 概述 第三章控制算法基本理论的研究 一、什么叫p i d 控制算法 p i d 控制作为一种最基本、最常用的控制方式，在各种生产领域被广泛运用，例如：冶金、机 械加工以及化工。 常规的p i d 控制系统原理框图如图3 1 所示，系统由模拟p i d 控制器和被控对象组成。 图3 1 模拟p l d 控制系统原理框图 p i d 控制器是一种线性控制器，它根据给定值r ( t ) 与实际输出值c ( t ) 构成控制偏差： e ( t ) = r ( t ) 一c ( t )( 3 1 ) 将偏差的比例( p ) 、积分( i ) 和微分( d ) 通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，故称 p i d 控制器。其控制规律为： u ( t ) - k 艄) + 百ii e ( t ) i t + t d 警】 ( 3 2 ) 传递函数的形式为： g ( s ) = 器“p ( 1 + 去+ t d s ) ( 3 3 ) 式中：b 为比例系数； t 。为积分时间常数； t n 为微分时间常数。 在p i d 控制中，存在着比例、积分和微分三种控制作用。各自都有自己的优、缺点。 1 、比例控制的优点是：误差一旦产生，控制器立即就有作用，使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l ( p 。 缺点是：对于具有自平衡性( 系统阶跃响应的终值为一有限值) 的被控对象存在静差：加大l ( p 可以加快调节、减小静差，但l ( p 过大时，会导致动态性能变坏甚至会使闭环系统不稳定。 2 、积分控制的优点：它能对误差进行记忆并积分，有利于消除静差，提高系统的无差度，积分 作用的强弱取决于积分时间常数t h 1 3 东南人学硕士学位论文 缺点是：积分作用具有滞后特性，积分控制作用太强会使控制的动态特性变差，以至于也会使 系统不稳定。 3 、微分作用的优点是：它能对误差进行微分，敏感地反映出误差变化的趋势( 变化速率) ，增 大微分控制的作用可以加快系统响应( 动作速度) ，使超调量减小，增加系统的稳定性，微分作用的 强弱取决于微分时间常数t d 。 缺点是：它对于干扰同样敏感，使系统抑制干扰的能力降低。实际使用中，根据不同的被控对 象适当的整定p i d 的三个参数，可以获得比较满意的控制效果，以上就是p i d 控制的基本思想。实 践证明，p i d 这种整定参数的过程，实际上是对这三部分控制作用的折中。 对目前己占据多数的工业被控对象来说，由于它本身固有的惯性和滞后特性，以及控制系统中 被控对象动力学特性的内部步确定性和外部环境扰动的不确定性，所有这些因数都给系统控制带来 困难，使控制问题复杂化。p i d 控制的效果不能很好的满足工业控制不断追求高性能指标的现状， 它的根本问题在于p i d 控制规律自身的缺陷：因为比例控制实际是线性放大或缩小作用，缺乏人的 想象力的非线性和时变性：积分控制不加选择的记忆了误差的存在以及误差变化的信息，其中包括 了对控制不利的改变趋势，缺乏智能性；微分作用的“预见性”缺乏人的远见卓识，因为它对变化 快的信号敏感，而不善于预见变化缓慢信号的变化趋势，所以p i d 控制是获得良好控制的必要而非 充分条件。 由于在系统动态过程及暂态过程中，对于比例、积分和微分三种控制的要求是不同的，所以单 纯采用线性控制方式是不够的，要根据系统的动态特性和行为引进一些非线性控制方式，实现的重 要方式是借助于经验、启发式直观判断和直觉推理规则，这样的控制决策有利于解决控制系统中的 稳定性和准确性的矛盾，又能增强系统对不确定因素的适应性，即鲁棒性，这样的p i d 控制已成为 智能控制的一个研究方向。 二、智能控制的算法 经典控制理论和现代控制理论是建立在被控制对象精确模型基础上的控制理论，实际上，许多 工业对象过过程常常具有非线性、时变性、变结构、多层次、多因素以及各种不确定性等，难于尽 力精确的数学模型。即使对一些复杂对象建立数学模型，模型也往往过于复杂而既不利于设计也难 于实现有效控制，虽然自适应、自校正控制理论可以对缺乏数学模型的被控对象进行在线辨识但是 这种递推算法比较复杂、实时性差，使得应用范围受到很大限制。 智能控制是目前正在迅速发展的一个领域，各种形式的智能控制系统、智能控制器不断的被开 发和应用，智能控制的几种类型可以大致归纳如下： l 、多级递阶控制 1 4 第三章控制算法基本理论的研究 多级递阶控制是指具有按智能程度高低分为智能组织级、协调级和运行控制级结构的控制形式。 这种控制系统遵循级别随“智能增加而相应精度降低”的原则。处于最低级的运行控制必须以满足 的精度执行子系统的控制任务，满足某一局部的性能指标要求，作为次高级的协调级用于协调各子 系统的控制关系，只要求较低的运算精度，但要求有较高的决策能力，甚至要具有一定的学习功能； 最高级的智能组织级作为语言的组织者，具有相应的组织、学习和综合决策能力。智能程度的高低 主要体现在智能组织级上。 2 、专家控制系统 专家控制系统是专家系统和实时控制系统相结合的产物，它是基于人类控制专家的专业知识和 熟练操作工人的实践经验而设计的控制系统。专家控制系统不同于一般的专家系统，它具有长期运 行的连续性、在线控制的实时性及运行的高度可靠性等特点。 3 、仿人智能控制器 仿人智能控制器是根据人脑的宏观结构功能模拟与对人的控制行为功能模拟相结合的原理，直 接从人的控制经验、决策行为和各种直觉推理机制出发而设计的一种智能控制器。从模仿人的不能 控制策略的角度出发，仿人智能控制器可以分为：放入智能开关控制器、仿人比例控制器、仿人智 能积分控制器、仿人智能采样控制器等。 4 、模糊控制算法 在工业控制过程中经常会碰到大滞后、时变、非线性的复杂系统，其中有的参数未知或缓慢变 化，有的存在滞后和随机干扰，有的无法获得精确的数学模型，模糊控制器应运而生。模糊控制器 是一种今年来发展起来的新型控制器，其有点是不要求掌握受控的精确数学模型，而根据人工控制 规则组织控制决策表，然后由该表决定控制量的大小。模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量及 模糊逻辑推理为基础的计算机智能控制。将模糊控制和p i d 控制两者结合起来，扬长避短，既具有 模糊控制灵活而适应性强的优点，又具有p i d 控制精度高的特点。这种控制器对复杂控制系统和高 精度伺服系统具有良好的控制效果，也是近年来十分热门的研究课题。 5 、基于遗传算法优化的模糊控制算法 遗传算法和模糊逻辑集成计数是使模糊推理规则根据实际情况做出相应的变化，从而赋予模糊 控制器自动获取模糊推理知识的能力。基于遗传算法寻优的模糊推理控制器主要是将新进发展的遗 传算法和神经元网络与模糊控制计数相结合，即利用多层神经网络构筑一类模糊控制器，有遗传算 - 法优化网络中隐藏节点的激发函数，从而实现模糊控制器的在线自寻优。 6 、模糊神经网络 神经网络具有并行计算、分布式信号储存、容错能力强以及具备自适应学习功能的优点，其缺 1 5 东南大学硕- = 学位论文 点是它不适应表达规则的知识，训练时不能很好的利用已有的经验知识，常常只能将初始值取为零 或随机数，从而增加网络的训练时间或者陷入非要求的局部极值。模糊控制优点是处理不确定性、 非线性和其它不适应问题的有力工具，其推理方式类似于人的思维模式，缺点是缺乏自学习和自适 应能力。 三、本文控制算法的研究内容 常规p i d 控制原理简单，容易实现，稳态无静差，因此长期以来广泛应用与工业过程控制，并 取得了很好的控制效果，即使在控制飞速发展的今天，使用最多的控制方式还是p i d 控制。传统的 p i d 控制主要是控制具有确切模型的线性过程，而实际上，大多数工业控制过程都不同程度地存在 非线性、参数时变性和模糊不确定性问题，因而一般的p i d 控制无法实现对这样一种过程的精确控 制。设计一个自动控制系统时，若被控对象是比较复杂的非线性、时变、大滞后系统，往往难以获 得其精确的数学模型，而采用传统的经典控制方法很难获得良好的动态和静态性能。 模糊控制是一种仿人智能控制方法，它不依赖于对象的数学模型，通过对模糊信息的处理可以 对复杂对象实施良好的控制，而且模糊控制具有很好的鲁棒性，即当对象的参数或结构有一定程度 变化时仍然可以保持较好的控制性能。当模糊控制对数学模型的依赖较弱，不需要建立过程的精确 数学模型，这个优点非常特出，所以如果把模糊推理的方法与p i d 相结合，不仅保持了常规p i d 控 制系统的原理简单、使用方便、鲁棒性好的优点，而且具有更大的灵活性、适应性、精确性等特性， 是目前很适用的一种控制算法，也是本章讨论的重点。本文采用的算法为“在线实时模糊自整定p i d 控制器”，为了更好的了解该控制器，下面就p i d 的分类和发展做一定的介绍。 3 2p i d 控制算法的改进 一、数字p i d 控制算法 数字p i d 算法通常分为位置式p i d 控制算法和增量式p i d 控制算法。 1 、位置式p i d 控制算法 由于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，因此式( 3 1 2 ) 中的积分和微分项不能直流使用，需要进行离散化处理。按模拟p i d 控制算法的算式( 3 1 2 ) ，现 以一系列的采用时刻点k t 代表连续性时间t ，以和式代替积分，以增量代替微分，则可作如下变换： 1 6 第三章控制算法基本理论的研究 tzk t ( k = 0 ，1 ，2 ，) f e ( t ) 驴kt m 善k e c 。 d e ( t ) 。e ( k t ) - e ( k - 1 ) t d tt ：e ( k ) - e ( k - l ，) t 其中，t 是控制器的采样周期。 显然，上述离散化过程中，采样周期t 必须足够短，才能保证有足够的精度。若把e ( k t ) 简化 表示成e ( k ) ，则把( 3 1 4 ) 带入( 3 1 2 ) ，可得离散的p i