（控制理论与控制工程专业论文）电阻炉智能模糊控制系统的研制.pdf

浙江理 j 人学硕七论文 摘要 随着控制理论和电子技术的发展，工业控制器的强适应能力和高智能化正逐 步成为现实。其中以单片机为核心实现的数字控制器因其体积小、成本低、功能 强、简便易行等特点而得到广泛应用。 电阻炉是工业生产中常用的电加热设备，广泛应用于冶金、机械、建材等行 业。电阻炉是一个具有时滞的、非线性特点的的被控对象，且升温具有单向性， 很难建立精确的数学模型。采用常规的p i d 调节器，由于其参数固定，不能及时 跟踪对象特性的变化，控制效果往往不佳。 本课题的研究目的在于通过对实验室电阻炉特性的研究，以单片机为硬件平 台，结合模糊控制的思想，根据电阻炉特性的变化，设计一种基于自学习的p i d 参数能够自动整定、控制精度高的模糊自整定p i d 温度控制器，以满足工业生产 中对高性能温度控制器的需求。 本文详细地阐述了智能温度控制器的硬件组成、软件设计及相关接口电路。 在研制过程中充分考虑了系统的可靠性，并采取了一系列的措施予以保证。针对 控制对象的模型结构的不确定性和大时滞的特点，通过对常规p i d 控制算法存在 不足的分析，研制了基于智能控制理论的自学习模糊自整定p i d 控制算法，实现 了p i d 参数的在线自整定。与常规p i d 控制算法相比，该算法具有调节时间短、 超调量小、抗干扰性能好等优点。 智能温度控制器已成功运用于实验室的电阻炉温度控制系统，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：电阻炉温度控制单片机自学习模糊自整定p i d 浙江理t 大学硕寸：论文 a b s t r a c t w i t ht h ei m p r o v e m e n to fc o n t r o lt h e o r ya n de l e c t r i ct e c h n o l o g y ，t h ei n t e l l i g e n t c o n t r o l l e rf o ri n d u s t r yh a sb e e na 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 n s 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 dw i d e l y ， a si t sc 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 tf u n c t i o n ， s i m p l ea n dc o n v e n i e n t t h er e s i s t a n c es t o v ei saf r e q u e n t l y - u s e de l e c t r i ch e a t i n ge q u i p m e n ti nt h e i n d u s t r i a lp r o d u c t i o n ， w i d e l ya p p l i e di nm a n yp r o f e s s i o n ss u c ha sm e t a l l u r g y ， m a c h i n e r y ，b u i l d i n gm a t e r i a l s s i n c et h ec h a r a c t e r i s t i c so ft i m e - d e l a y ， n o n l i n e a r ， u n c e r t a i nm o d e ls t r u c t u r ea n dh e a t i n g - u pu n i d i r e c t i v i t y ，t h ec o n v e n t i o n a lp i d c o n t r o l l e rc a nn o t g e ts a t i s f a c t o r yc o n t r o l l i n ga c c u r a c ya sw h i c hc a n ta d j u s tt h e p a r a m e t e r sa c c o r d i n gt ot h ev a r i a t i o no fs y s t e mc h a r a c t e r i s t i c s t h i st h e s i sa i m sa td e v e l o p i n gah i g hp e r f o r m a n c ep i dt e m p e r a t u r ec o n t r o l l e r ， w h i c hb a s e do nt h es e l f - l e a r n i n gm o d u l e ，c o m b i n e st h ec o n v e n t i o n a lp i dc o n t r o l a l g o r i t h ma n df u z z yt h e o r y ， c a l lt u r np i dp a r a m e t e r sa u t o m a t i c a l l y ，t om e e tt h e r e q u i r e m e n t so ft h i sk i n do fd e v i c e si ni n d u s t r i a lc o n t r o lf i e l d s a n dt h er e s e a r c ht a k e s t h es i n g l e - c h i pc o m p u t e ra sh a r d w a r ep l a t f o r m t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h ei n t e l l i g e n tt e m p e r a t u r ec o n t r o lm e t e ra n dt h e d e s i g no fr e l e v a n ti n t e r f a c ec i r c u i ta r ed e s c r i b e di nt h i sp a p e r t h er e l i a b i l i t yo ft h e s y s t e mi ss p e c i a l l yc o n s i d e r e d ，a n das e r i e so fm e a s u r e sa r er e a l i z e d a c c o r d i n gt ot h e u n c e r t a i n t ya n dd i f f i c u l t yt o c o n t r o lo ft h es y s t e m ，m e t h o d so fs y s t e mc o n t r o la r e a n a l y z e d t h ec o n t r o lm e t h o do ff u z z ys e l f - t u n i n gp i dc o m b i n i n gi n t e l l i g e n tc o n t r o l a r i t h m e t i ci su s e d a n dt h ep i dp a r a m e t e r s a u t o t m n i n gi sa c t u a l i z e d f i n a l l y c o m p a r i n gt h ec o m m o np i d ，t h ef u z z ys e l f - t u r n i n gp i d h a sl o t so f s t r o n gp o i n t ss u c h a st h es h o r ta d j u s tt i m e ，t h es m o o t hi n t e r g r a d a t i o n s ，a n dt h ew e l la n t i - i n t e r f e r e n c e t h ei n t e l l i g e n c e t e m p e r a t u r e c o n t r o l l e rh a sb e e nu t i l i z e di nt h el a b o r a t o r y r e s i s t a n c ef u r n a c et e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e m ，a n dt h er e s u l t so fs i m u l a t i o na n d a p p l i c a t i o ns h o wt h a tt h ec o n t r o lp l a ni sr e a s o n a b l e ，t h ec o n t r o la r i t h m e t i ci sa v a i l a b l e ， t h es y s t e mp e r f o r m a n c ei si m p r o v e df u r t h e ra n dt h ea n t i c i p a t e dg o a lh a sa c h i e v e d k e yw o r d s ：r e s i s t a n c es t o v e ；t e m p e r a t u r ec o n t r o l ；s i n g l e c h i pc o m p u t e r ；s e l f - l e a r n i n g ； f u z z ys e l f - t u r n i n gp i d i i 浙江理 人学硕十学位论文 浙江理工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是本 人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中己明确注明和引用 的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的 内容。论文为本人亲自撰写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期：卵万年飞月矾同 浙江理1 ：入学硕十论文 浙江理工大学学位论文版权使用授权书 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 学位论文作者签名： 保密口，在 不保密一 日期矿年夕月训日 年解密后使用本版权书。 瞎幺耋 吼彳咯；月必 日 浙江理j f 入学硕七论文 l - 1 本课题的研究背景和意义 第1 章绪论 温度是生产过程和科学实验中非常普遍而又十分重要的物理参数。在工业生 产过程中，为了高效地进行生产，必须对生产工艺过程中的主要参数，如温度、 压力、流量、速度等进行有效的控制，其中温度控制在生产过程中占有相当大的 比例。准确地测量和有效地控制温度是优质、高产、低耗和安全生产的重要条件1 1 甜。 如冶金工业的加热炉、电力工业的锅炉、化学工业的反应炉等设备，通过对温度 的监控，保证产品的质量；即使日常生活中的微波炉、电烤箱、电热水器、空调 等家用电器也同样需要温度监控。可见温度控制电路广泛应用于社会生活的各个 领域，所以对温度进行控制是非常有必要和有意义的。 但由于温控设备自身的一些特点，如惯性大、滞后现象严重、难以建立精确 的数学模型等，传统的p i d 控制由于其参数恒定，不能及时跟踪对象特性变化， 造成控制系统性能不佳1 3 胡。本文基于这一特点，研究了一种智能控制方案，把常 规p i d 控制、模糊控制及自学习功能结合起来，构成一个基于自学习的模糊自整 定p i d 控制器。并将此控制方案成功运用于对实验室电阻炉温度进行控制，达到 了调节时间短、响应速度快、超调量几乎为零且稳态误差在l 内的技术要求。 由此可见，本课题的设计方案具有可行性和一定的推广性，若能应用与实际生产 中，将对提高企业自动化水平、降低生产成本、减轻工人劳动强度等方面起到积 极的促进作用。 1 2 国内外炉温控制技术的发展及现状 电阻炉是热处理生产中应用最广泛的加热设备，它在机械、冶金等行业的生 产中占有十分重要的地位1 7 堋。对电阻炉温度控制的好坏直接影响工艺要求的温度 水平和加热质量，以致直接影响产品的质量、产量和生产消耗指标，所以国内外 关于电阻炉自动控制的研究一直备受重视，发展比较快，也取得了较为丰硕的成 果。总的来说，电阻炉温度控制技术的发展可分为以下几个阶段： ( 1 ) 经典控制技术阶段。 第一阶段时间为2 0 世纪4 0 一6 0 年代，称之为“经典控制”时期。在6 0 年代 以前，一些设备齐全的大型工业电阻炉除了配置一些监测仪表外，还设置p i d 调 浙江理t 大学硕+ 论文 节器，以经典控制理论为依据，实现单个参量的自动调节1 9 l 。 ( 2 ) 现代控制技术阶段。 第二阶段时间为2 0 世纪6 0 一7 0 年代，称之“现代控制技术”时期。国际上， 主要采用系统辨识、最优控制、自适应控制等控制技术对炉温进行控制，如美国 c o n s h o h o c h e n 厂在六七十年代曾在轧机控制中，引入在线参数估计机制和离散化 模型，通过运用广义最小方差控制策略建立相应的冶金加热炉自适应控制系统1 1 0 l 。 ( 3 ) 智能控制技术阶段。 第三阶段时间为2 0 世纪7 0 年代末至今。七十年代末，电阻炉温度控制技术 已经基本成熟，逐渐向“智能控制 和“复杂系统控制”的方向发展。近2 0 年来， 模糊控制技术、神经网络控制、遗传算法等智能控制技术发展较快，并且在炉温 控制系统中都有所应用1 1 l 。1 1 3 i 。如日本三菱电机公司在1 9 9 8 年开发了m a c t u s2 1 0 系列的模糊p i d 自校正调节器。这类控制器用模糊控制规则和推理，去优化p i d 控制器的参数，有较强的适应性，但调节过程复杂。日本山武、霍尼韦尔公司在 1 9 9 5 年开发出了商品化的s d c 3 0 系列智能型数字调节器，由人工神经元和模糊 控制来整定p i d 控制器参数1 4 i 。 由于我国改革开放的发展，国内引进和生产了一些比较先进的控制设备，但 是从整体上讲，我们的电阻炉温度控制技术比国外发达国家要落后四、五十年， 一些中小型企业的控制技术仍以模拟仪表系统控制为主导地位，这种系统的控制 参数由人工选择，需要配置专门的仪表调试人员，费时、费力且不准确，一旦生 产环境发生变化就需要重新设置。控制不方便，控制精度不高，从而造成产品质 量低、废品率真高、工作人员的劳动强度大、劳动效率低等，这些都缩减了企业 的效益。 随着微机控制技术的发展，用微机构成构成计算机控制系统，具有较高的可 行性和经济价值。但是，目前国内的一些生产企业和研究机构主要开发一些大型 微机控制系统，且大多硬件均是国外进口的，投资成本很高。 因此，本课题以实验室电阻炉为研究对象，以单片机为主要硬件平台，编制 基于智能化的温控软件，开发一种适合我国国情的、面向广大中小型企业、低成 本、高性能的电阻炉温度控制系统，以提高控制精度，达到控制要求，从而提高 企业效益。 2 浙江理工人学硕士论文 1 3 本课题研究的主要内容 本文以电阻炉为研究对象，针对电阻炉的温度，主要对常规p i d 控制、模糊 控制以及模糊自整定p i d 控制在电阻炉温度控制中的应用进行了研究，选取了一 种最佳的控制方案基于自学习功能的模糊自整定p i d 控制，以改善电阻炉温 度的控制品质，提高控制效果。本文主要进行了以下几方面的工作： ( 1 ) 论述了电阻炉温度控制系统的课题目的、研究意义，炉温控制系统的国内外 发展与现状及电阻炉温度控制特点； ( 2 ) 详细介绍了系统的硬件设计，包括硬件的组成及各功能子模块电路的设计。 ( 3 ) 介绍了电阻炉温度控制系统软件整体设计方案，及各个子模块的软件实现。 ( 4 ) 研究了适合于该温度控制系统的几种控制算法。通过对常规p i d 控制、模 糊控制与自学习控制算法的原理进行定性分析，设计了一种基于自学习的模 糊自整定p i d 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；运用p r o t e u s 与m u l t i s i m 软件验证了系统硬件的可行性。 ( 6 ) 完成了系统的软硬件调试及运行工作。 1 4 论文结构 本课题根据电阻炉实际生产过程对温度控制的要求及其所具有的时滞性、非 线性、模型结构不确定的特点，针对常规p i d 控制器不能在线调整参数、控制效 果不佳的缺陷，提出了一种基于自学习的模糊自整定p i d 控制方案，设计了一套 电阻炉智能模糊控制系统。既能满足系统鲁棒性、稳定性、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。 根据该智能模糊控制系统的组成以及控制器的设计方法，本论文由以下几部 分构成： 第一章：绪论。对课题的研究意义、控制器的发展现状及总体方案分析以及 本课题所完成的主要工作进行简要介绍。 第二章：系统的性能分析及硬件设计。主要介绍系统各部分的硬件组成和特 点，包括温度检测电路，输出电路，按键显示电路，接口电路及其他外围电路。 第三章：系统的软件设计。介绍了用c 语言实现的主要功能模块及监控程序 的设计。 浙江理工人学硕士论文 第四章：系统控制算法的研究。着重介绍温度控制的算法原理及设计方法。 第五章：系统仿真与实验。介绍了本系统的仿真的实施方法和结果分析以及 实验运行效果。 第六章：结论与展望。介绍本论文研究过程中得出的重要结论及对本课题的 展望。 4 浙江理一r 大学硕十论文 第2 章系统硬件设计 2 1 系统的性能要求及设计思路 电阻炉智能模糊控制系统应具备温度测量、显示、记录、闭环自动控制、过 热保护等功能，并要求具有可靠性高、通用性强、控制精度佳等优点，以满足控 制需求。 基于上述性能要求，本系统采用a v r 系列中的h t m e g a l 6 单片机作为c p u ， m e g a l 6 功能强大，价格低廉，是a v r 系列的主流产品中性价比最高的芯片之一。 无论在运算速度，还是在内部资源上均可完全胜任本系统的性能要求。 根据电阻炉测温范围的要求，该系统适合采用p t l 0 0 铂热电阻作为温度传感 器，而p t l 0 0 铂热电阻在大范围内测温时体现出的不可忽视的非线性，因此需要 进行线性化处理，减少误差，并且要把采样的信号进行二级放大成o - - 一5 v 的标准 信号传输。 由于系统的被控对象是电阻炉，其功率调节可以采用相控调压法和通断调功 法两种方式，但考虑到相控调压法对电网性能的破坏较大，因此输出通道采用双 向可控硅，根据脉冲宽度调制法控制输出信号占空比的大小，从而实现系统对输 出量的控制。 本智能控制器的面板设计遵循简洁实用的原则，为便于使用人员的操作，系 统采用了非固定键值意义的状态键盘，一键多用。系统软件可根据当前所处状态， 自动确定键值的具体含义。 整个系统遵循了冗余原则及“以软代硬”的原则，并尽可能选用典型、常用、 易于替换的芯片和电路，为系统的开放性、标准化和模块化打下良好基础；系统 扩展和配置在满足功能要求的基础上留有适当裕量，以利于扩充和修改。 2 2 系统的硬件结构 本系统的硬件部分主要由单片机主控模块、前向通道模块、后向通道模块、 人机接口模块和接口扩展模块等组成。其硬件总体结构框图如图2 1 所示。 电阻炉的温度由p t l 0 0 铂电阻温度传感器检测并转换成微弱的电压信号，放 大电路将此弱信号进行非线性校正及放大成o 5 v 的标准信号，再经低通滤波后， 由a d 转换器转换成数字量。此数字量经数字滤波、标度变换后，一方面将电阻 5 浙江理j f 人学硕十论文 人机接u 模块 主控模块前向通道模块 接口扩展模块 图2 1 系统硬件结构框图 炉温度经人机面板上的l c d 显示出来；另一方面将该温度值与被控制值( 由键盘 输入的设定温度值) 进行比较，根据其偏差值的大小，采用基于自学习的模糊自 整定p i d 控制算法进行运算，最后通过d a 转换电路( 这里采用p w m 调功方式， 相当于d a 转换器) 控制双向可控硅在控制周期内的通断占空比( 即控制电阻炉 平均功率的大小) ，进而达到对电阻炉温度进行控制的目的。若实际测得的温度值 超过了系统要求的温度范围，单片机就会向报警装置发出指令，从而进行超温报 警。s p i 下载接口与j t a g 调试接口是为了实现系统的软件升级和在线功能调试而 扩展的接口电路，上位机通讯接口的设计则是为了便于系统的监控。 2 3 系统主控模块的设计 2 3 1c p u 的选型 目前，市面上的单片机不仅种类繁多，而且在性能方面也各有所长。一般来 说，选择单片机需要考虑以下几个方面：( 1 ) 单片机的基本性能参数；( 2 ) 单片 机的增强功能；( 3 ) 单片机的存储介质；( 4 ) 芯片的功耗；( 5 ) 供货渠道是否畅 通；( 6 ) 性价比；( 7 ) 抗干扰性1 1 5 1 7 l 。 a v r 单片机是a t m e l 公司于1 9 9 7 年研发的r i s c ( r e d u c e di n s t r u c t i o ns e t c p u ) 单片机。a v r 单片机吸取p i c 单片机及8 0 5 1 单片机的优点，并作了重大 改进1 1 引。 表2 - 1 是a v r ，c 5 1 ，m o t o r o l a 和p i c 四种单片机的性能比较表。其中a t 9 0 s 8 5 1 5 6 浙江理一i ：大学硕七论文 ( 8 m h z ) ，8 0 c 5 1 ( 2 4 m h z ) ，8 h c l l a 8 ( 1 2 m h z ) ，p i c l 6 c 7 4 ( 2 0 m h z ) 。 表2 - 1 四种单片机性能比较表 由上表可以得出结论： ( 1 ) 8 m h z 的a v r 等于2 4 m h z 的8 0 c 5 1 ； ( 2 ) 6 8 h c l l 代码效率高，但处理能力只有a v r 的1 1 0 ，功耗却高2 5 倍； ( 3 ) p i c 速度也比较快，但是在相同功耗下，a v r 的性能比其高3 5 倍1 1 9 i 。 通过比较发现，a v r 单片机无论在代码效率、执行效率，还是低功耗方面都 体现了其强大的性能优势。a t m e g a l 6 单片机是a v r 系列单片机中性价比最高的 芯片之一，货源充足，技术资料丰富，并且支持j t a g 在系统调试功能。综合上 述各方面因素，在本课题中选用a t m e g a l 6 单片机是比较理想的。 2 3 2a t m e g a l 6 单片机简介 h t m e g a l 6 是基于增强的a v rr i s c 结构的低功耗8 位c m o s 微控制器。由 于其先进的指令集以及单时钟周期的指令执行时间，使a t m e g a l 6 的数据吞吐率 高达1m i p s m h z ，从而可以减缓系统在功耗和处理速度之间的矛盾。 a v r 内核具有丰富的指令集和3 2 个通用工作寄存器。所有的寄存器都直接 与算术逻辑单元( a l u ，a r i t h m e t i cl o g i c a lu n i t ) 相连接，使得一条指令可以 在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。这种结构大大提高了代码效率， 并且具有比普通的c i s c 微控制器最高至1 0 倍的数据吞吐率。 该芯片是以a t m e l 高密度非易失性存储器技术生产的。片内i s pf l a s h 允 许程序存储器通过i s p 串行接口，或者通用编程器进行编程，也可以通过运行于 a v r 内核之中的引导程序b o o t l o a r d e r 进行编程。引导程序可以使用任意接口将 应用程序下载到应用f l a s h 存储区( a p p l i c a t i o nf l a s hm e m o r y ) 。在更新应用 7 浙江理_ 火学硕+ 论文 f l a s h 存储区时，引导f l a s h 区( b o o tf l a s hm e m o r y ) 的程序继续运行，实现 了r w w 操作。通过将8 位r i s ec p u 与系统内可编程的f l a s h 集成在一个芯片 内，使a t m e g a l 6 成为一个功能强大的单片机，为许多嵌入式控制应用提供了灵 活而低成本的解决方案1 2 0 i 。 2 3 3 主控电路设计 主控模块电路主要由a t m e g a l 6 单片机及晶振电路、复位电路组成。其原理 电路图如图2 2 所示。 图2 2 主控模块的原理电路图 a t m e g a l 6 单片机的时钟源包括：晶体振荡器、外部r c 振荡器、标定的内部 r c 振荡器及外部时钟等。本系统中采用频率为7 3 7 2 8 m h z 的无源晶体振荡器。频 率选为7 3 7 2 8 m h z 主要是考虑串行通讯时波特率的设置方便。 a t m e g a l 6 单片机具有内部上电复位电路，可以将低电平复位( r e s e t ) 引脚 直接接到v c c 端，当电源刚接通时，v e t 达到上电门限电压后触发内部延迟计数 器，在计数器溢出之前a t m e g a l 6 器件一直保持为复位状态。利用这种延时可以 使i o 端口稳定后再执行单片机应用程序，这样既可提高单片机工作可靠性，同 时也可节省外加复位延时电路。 但考虑到电阻炉温度控制器要在较大干扰的环境下工作，为了使芯片复位更 加可靠，故加入r c 上电复位延时电路。同时，考虑到系统工作时可能遇到种种 8 浙江理t 大学硕士论文 意想不到的情况，故在r c 上电复位的基础上扩展一个复位按钮，以实现外部的 手动复位功能。手动复位电路的基本原理是：上电后，由于电容充电作用，使r e s e t 引脚持续一段时间的高电平。当单片机已在运行当中时，按下复位按键后松开， 也能使复位脚为一段时间的高电平，从而实现上电或开关复位的目的。 2 4 前向通道模块设计 2 4 1 温度传感器的选择 温度传感器种类比较繁杂，各种不同的传感器由于构成材料、构成方式及测 温原理的不同，使得测量温度的范围、测量精度也不同。因此，在不同的应用场 合，应选择不同的温度传感器。p t l 0 0 型陶瓷铂热电阻，在- 2 0 0 8 5 0 c 范围内是 精度最高的测温传感器之一，与热电偶、热敏电阻相比较，铂的物理、化学性能 非常稳定，尤其是耐氧化能力很强，离散性很小，精度最高，灵敏度也较好2 1 i 。 这些特点使得铂热电阻温度传感器具有信号强、精度高、稳定性和复现性好 的特点。在本课题中，测温范围较大，且要求检测精度高、稳定性好，因此考虑 选用p t l 0 0 铂电阻传感器。 铂电阻温度传感器是利用其电阻值随温度的变化而变化这一特性进行温度测 量的，根据i e c ( i n t e r n a t i o n a le l e c t r i c i a nc o m m i t t e e ) 标准7 5 1 1 9 8 3 规定 1 2 2 1 ： r 。= r o 1 + a t + b t 2 + c ( t 一1 0 0 ) t 3 】( 2 0 0 。c t 0 。c ) ( 2 一1 ) r 。= r o 1 + a 什b t 2 】( 0 。c t 0 ，e c o ，且呈减小趋势，而e c o 且其绝对值呈减小趋势。为了获得较好 2 4 浙江理t 大学硕士论文 舅 、7。_ = 7 c 矿一一 f = ；，i 0 jl t e ，、 0 一_ 一， - 一 t ecl - _ ，、， u t 图3 6 二阶系统响应曲线 的控制性能，在o a 段应采用变增益控制。若采用固定比例控制，当输出达到稳 定值时，由于本身惯性所致，系统不会保持住稳态值而势必超调。为了使系统输 出既快又不出现较大超调，将0 a 段再分为三段，即o i ，i j 和j a 段。在0 i 段， e 较大，为加快响应速度并防止开始时，偏差e 瞬间过大，取较大的k p 和较小的 k d ，同时为了防止积分饱和，避免系统响应出现较大的超调，就去掉积分作用( 即 k i ：0 ) 或较小的积分作用。在i j 段，为了降低系统超调，k p 、k i 和k d 都不能太 大，应取较小的k i 值，k p $ 1 k d 值的大小要适中，以保证系统响应速度。在j a 段， 被调量变化有减小偏差的好趋势，应减d , k p 并增大k 1 的值，同时为避免系统在设定 值附近振荡，并考虑系统的抗干扰性能，适当选取k d 值，通常为中等大小。 a b 段( e o ，e c 0 ，e c o ) ，系统输出减小，误差有向相反方向变化的坏趋势， 并且在d 点达到正最大值。此种情况，应该以p i 控制为主。 d e 段( e 0 ，e c 1 时，若有l - e m 。i = i + e 。l ，则新论域取为卜瓤，+ e m 觚】； 若有 i p 。ii + e m 。l ，设勺= m a x i - e m 。1 ，l + p m 甜1 ) ，则新的论域取为：卜白，+ 勺】。当e m a x 因此，从系统的动态特征可以总结出：当p ( 七) e c ( k ) 0 ，系统有减少偏差的 好趋势；当e ( | ) e c ( k ) 0 且e ( k ) 0 ，e c ( k ) 0 时的奖励情况为例加以说明。其它情况 的证明与此种情况类似。 e ( k ) o ，e c ( k ) o 时( 如图3 6o a 段) ，有o 克。 毒7 谨一2 7 s t 。 那么，下面三式总会有一个成立。 o ) i + 屯+ e m 川a x 吖 ( 3 研) l ( 3 - 1 2 ) 1 陬尼) l + 忐+ 慧7 ( 3 研) 2 ( 3 - 1 3 ) f ( k ) f ( k - l - r ) ( 3 1 4 ) 上三式表明，当设定值y ( k ) 离设定值r ( k ) 较远时( 如图3 6 的0 i 段) ， 即e ( k ) 较大，则控制器的较强输出不会引起e ( k ) 的符号改变而导致系统超 调和振荡的现象，反而使被调量( 温度) 对设定值的跟踪能力得到加强；当e ( k ) 中等或较小的情况下，e ( k ) 越来越小并趋近于0 时，奖励权值也越来越小。 根据系统的响应曲线可知，此时奖励函数的选取是合适的。 自学习算法步骤 本系统采用的变论域在线奖惩自学习算法的基本步骤如下： ( 1 ) 启动自学习环节； ( 2 ) 从数据库中读取e ( k ) 、e c ( k ) 和e ( k - l - f ) ； ( 3 ) 从数据库中读取模糊控制器的控制输出量“( 七) ( 分别为从p 、峨和 掣d ) 、u ( k 一1 - r ) 所使用规则的序号，2 ( 七) 、n ( k - l - r ) ； ( 4 ) 根据门( 七一1 一r ) 从数据库中读取相应规则的奖惩因子( 权系数) i - , ( k 一1 一f ) ； ( 5 ) 从数据库中读取忐、毒7 ； ( 6 ) 若彘o 1 ，则转至( 8 ) ，否则转( 7 ) ； ( 7 ) 计算评价函数c ( 七) = p ( 七) e c ( k ) ，若c ( k ) = o ，转( 8 ) ；若c ( k ) ( o ， 转( 9 ) ；若c ( k ) ) 0 ，则转( 1 0 ) ； ( 8 ) 若奖惩函数厂( 七) = 1 转( 1 0 ) 浙江理 人学硕十论文 ( 9 ) 奖惩函数厂( 尼) = 1 i p ( 后) i + k 从+ p 笔，7 ( 3 s 丁) ( 1 0 ) 若缈 门( 七一1 一f ) = ”( 七一1 一f ) ( 尼) ，转( 1 1 ) ； ( 1 1 ) 结束。 3 5 系统控制算法实现 在实际应用中，温度控制过程是非线性的，调节器参数与系统所处的稳态工 况有关，更为重要的是，大多数生产过程的对象特征随时问而变化。当被控对象 特征发生变化而需要调节器参数作相应调整时，由于调节器参数是根据过程参数 的公称值整定的，没有这种“自适应 能力，因此只能靠人工重新整定参数。但 生产过程的连续性以及参数整定所需的时间，使得这种重新整定在实际应用中很 难执行，有时甚至不可能的。一般来说，过程特性的变化将导致控制效果的恶化。 基于以上几种原因考虑，在此采用基于自学习功能的模糊推理方法对调节器的p i d 参数进行在线自整定。 该算法把常规p i d 控制算法、模糊控制算法和自学习算法结合起来，具有较 高的智能性。 3 2 浙江理，j ：人学硕十论文 4 1 系统软件的设计思想 第4 章系统软件设计 系统的目标是设计一个智能温度控制器，用于电阻炉温度控制。它应该具备： 精确的温度控制以及友好的操作界面，报警功能等。基于系统的设计要求，我们 完成了系统各个子功能模块的程序编写，实现系统的各个功能。 4 1 1 软件的设计任务 控制系统的软件设计主要包括：信号的采样及对采集结果进行软件数字滤波、 标度变换，计算e 和e c ，控制算法，控制输出，显示模块处理，键盘处理等。 4 1 2 软件构成 系统软件主要由主模块、数据处理模块、控制算法模块、运行管理模块、输 入输出处理模块等构成。主模块的任务是识别命令、解释命令并获得完成该命令 的模块入口地址，并引导系统进入正常运行，协调其他模块的软、硬件有条不紊 地工作；数据处理模块主要完成采样处理、标度变换、数字滤波等功能；控制算 法模块包括p i d 运算模块和参数自整定模块两部分，主要是相应控制算法的运算 程序。运行管理模块包括中断服务、错误处理两部分，负责完成系统运行时各部 分的调度及容错处理。输入输出处理模块主要负责输入控制及输出控制的信号处 理及运算功能。人机接口模块主要完成人机交互功能，包括显示模块和键盘模块。 4 2 内存地址分配 a t m e g a l 6 的资源包括f l a s h 、e e p r o m 、s r a m 、定时计数器及各种外围设备 中断等。其中f l a s h 用来存放系统软件的监控程序和运行管理程序，e e p r o m 用来 在系统掉电时对数据进行保护。定时计数器1 用来产生定时中断，作为采样周 期的时钟信号基准，同时也是作为固态继电器脉宽调制信号的控制周期，供输出 控制模块使用。程序中用到的中断源有四个：定时器计数器1 溢出中断、定时 器计数器l 比较匹配a 中断、定时器计数器1 比较匹配b 中断、键盘触发 的外部中断请求o 。片内s r a m 主要存放程序运行时的动态数据，为提高软件抗 干扰能力，采用地址分散安排，总体上按地址从低到高依次为通用寄存器区、i o 寄存器区、标志区、采样值存放区、p i d 运算值存放区、中间值存放区、自整定 运算值存放区、显示缓冲区、堆栈区等( 详见表4 - 1 ) 。 浙江理1 ：人学硕士论文 表4 1s r a m 地址分配表 浙江理_ 1 ：人学硕十论文 4 3 主程序的设计 系统的主程序如图4 1 所示。 图4 1 系统主程序框图 系统上电或复位后，首先进行系统自检，诊断正常后各功能模块进行初始化， 包括初始化堆栈指针、端口设置、p w m 周期设定、p i d 运算及自整定运算初始化 浙江理j ：人学硕七论文 等；接着进行数据采集，经过数字滤波、标度变换后，计算温度偏差及偏差变化 率的大小，再由控制算法模块得到输出控制量。系统丌放定时器及外部中断，一 旦发生中断或其他外部响应，首先判断是哪个响应源，然后调用相应的功能模块 完成执行程序。 4 4 监控模块设计 对一个单片机控制系统的软件来说，监控程序是其最重要的部分。系统监控 程序是控制单片机系统按预定操作方式运转的程序。它完成人机会话及各种作业 调度功能，使系统按操作者意图或遥控命令完成指定作业，是单片机系统控制的 框架6 2 i 。 当用户操作键盘或按钮开关时，监控程序必须对键盘操作进行解释，并调用 相应功能模块，完成预定任务，并通过显示等方式给出执行结果。在系统运行的 最初时刻应对系统进行初始化，其中包括软件初始化和硬件初始化。单片机系统 在运行时也可能被某些预定的条件触发，而完成规定的作业，如定时信号、外部 触发信号等。因此监控程序应能完成以下功能：系统初始化、处理键盘命令、处 理接口命令、处理条件触发并完成显示功能，在适当的时候完成调用控制算法程 序及调度其它执行模块的任务。 4 5 数据处理模块的软件实现 数据处理模块主要实现数据处理编程，主要包括采样处理模块，数字滤波， 标度变换。 4 5 1 采样处理模块 采样处理模块负责将电阻炉温度的模拟信号进行采样保持和模数转换。为防 止环境干扰对数据采样的影响，在采样时进行多次采样，且每次采样均延迟一定 时间，以减少采样的偶然性。采样处理的流程如图4 2 所示。 a t m e g a l 6 有一个带采样保持电路的逐次逼近型a d c ，当参考电压源为+ 5 v 时，其转换精度可达到1 0 位。采样开始前首先要对a d c 进行初始化，包括a d c 工 作时钟的设定，以及模拟输入通道的选择等。然后将采样值存放区的首地址赋于 指针，设置采样次数，启动一次a d 转换并查询等待转换完毕，转换完毕后将采 样值存入s r a m 的采样值存放区。延时5 m s 后，采样次数计数器减1 ，判断次数 是否为0 ，不为0 继续循环采样，直到采样次数完成后退出。 3 6 浙江理。r 人学硕士论文 图4 2 采样处理程序框图 4 5 2 数字滤波 所谓数字滤波，就是通过程序计算或判断以减少干扰在有用信号中的比重， 故实际上它是一种程序滤波。随着单片机运算速度的提高，数字滤波法在实时数 据采集系统中的应用也越来越广，常用方法有算术平均值法，比较取舍法，中位 值滤波法及一阶递推数字滤波法0 6 3 1 。 针对温控系统的控制对象的特点以及干扰的随机性，中值滤波和一阶惯性滤 波器比较合适。然而，考虑到一阶惯性滤波存在相位滞后及灵敏度低，并且从编 程的角度看不如中位值滤波方便。所以在本温控系统中采用多次采样取其中值的 滤波方法。其流程如图4 3 所示。 其中：y i j ，y i - 2 ，y i 一3 为三个连续采样值，并将它们进行两两比对，若存 在两个值相等则以相等值为中值，将另个值视为干扰；若三个值都不等则排序 取中值。目的是通过采取这种中值滤波的方法，以克服偶然因素引起的波动或采 样器不稳定引起的误码等脉冲干扰。 3 7 浙江理j r ：人学硕七论文 图4 3 中值滤波流程图 4 5 3 标度变换 单片机控制系统在读入被测模拟信号并转换成数字量后，往往要转换成操作 人员所熟悉的工程值，这是因为被测对象的各种数据的量纲和数值与a d 转换的 输入值是不同的。如压力的单位为p a ，流量的单位为m 3 h ，温度的单位为等。 又如测温元件用热电偶或热电阻，输出的信号也不尽相同。因此，所有这些信号 都得经过变换电路转换成a d 所能接收的0 5 v 信号，再由a d 转换成数字 量。这些数字量并不一定等于原来带有量纲的参数值，它仅仅对应于参数值的大 小，故必须把它转换成带有量纲的数值后才能进行运算、显示或打印输出，这种 转换就是标度变换6 4 1 。 标度变换的过程是由算法软件程序来完成的。标度变换有多种不同的算法， 它取决于被测参数的工程量与转换后的无量纲数字量之间的函数关系。主要的方 法有：线性式变换、非线性变换、多项式变换及查表法。 线性变换是最常用的标度变换方式，其前提条件是传感器的输出信号与被测 参数之间是线性关系。数字量n x 对应的工程量a x 的线性标度变换式为： 4 = ( 彳册一a o ) 瓮- n 。_ + , 4 0 ( 4 一) 式中：a o 为一次测量仪表的下限( 测量范围最小值) 浙江理t 人学硕士论文 a m 为一次测量仪表的上限( 测量范围最大值) a x 为实际测量值 n o 为仪表下限所对应的数字量 n m 为仪表上限所对应的数字量 n x 为实际测量值所对应的数字量 式( 4 - 1 ) 为线性标度变换的通用公式。其中a o 、a m 、n o 、n m 对某一个具体 的被测参数与输入通道来说都是常数，不同的参数取不同的值。为使程序设计简 单，一般把一次测量仪表下限a o 所对应的a d 转换值置为0 ，即n o = 0 ，这样就 可将式4 - i 写成式4 2 的形式。 4 出，一如) 瓮+ 4 ( 4 - 2 ) 在很多测量系统中，仪表的下限值a o = 0 ，此时可以进一步简化为： 以啮爰 3 ) 由此可得出三个对应式