（材料加工工程专业论文）基于usb的电阻炉温度测控系统的设计与仿真.pdf

基于u s b 的电阻炉温度测控系统的设计与仿真 摘要 在工业领域中，学科技术的不断进步、试验方法的推陈出新，对测控技术 提出了更高的要求。 本文以提高工业测量与控制的精度为目的，主要完成了对测控系统的软、 硬件的设计以及对控制方案的改进。主要包括以下内容： 首先，将k 型热电偶转换器m a x 6 6 7 5 应用在单片机测控系统中。与传统 的测温电路相比，简化了外围电路的设计、提高抗干扰能力。测温程序通过在 p r o t u e s 仿真软件中仿真，证实了可行性。 然后，以通用u s b 串行总线取代了传统的r s 2 3 2 串行总线和p c i 总线技 术，通过对u s b l 1 协议和p d i u s b d l 2 内部架构的充分理解，完成以单片机 a t 8 9 s 5 1 和u s b 接口芯片p d i u s b d l 2 所构成的数据传输系统的硬件设计、固 件编程以及驱动和应用程序的开发。 其次，针对v c + + 在数值计算、图形处理等方面存在的不足，采用v c + + 与m a t l a b 混合编程的方法加以弥补，不仅利用了m a t l a b 强大的计算功能， 同时充分利用了v c + + 良好的应用界面开发能力、程序执行速度快以及稳定性 好的特点。 再次，通过对传统的p i d 参数整定所得的p i d 控制器仿真结果的分析，发 现其在整定过程中经验化和公式化的因素影响了整定结果的准确性，并介绍了 新的参数整定方法：满意p i d 参数整定方法。m a t l a b 仿真结果表明，该整定 方法所得的仿真结果在超调量、响应时间等方面优于传统p i d 控制器的控制效 果，可满足工业控制的需要。 最后，由于满意p i d 参数整定方法为离线整定，对实际控制过程中的突发 状况、干扰等因素缺乏实时应对能力，因此追加模糊自适应p i d 控制，对其p i d 参数实行在线整定，通过m a t l a b 的仿真结果可以看出，模糊自适应p i d 在 线整定的引入，使得控制效果更加理想。 关键词：u s b 接口、混合编程、满意控制、模糊控制 t h ed e s i g na n ds i m u l a t i o no fr e s i s t a n c ef u r n a c e t e m p e r a t u r ec 0 n t r o ls y s t e mb a s e do nu s b i n t e r f a c e a b s t r a c t a h i g h e rr e q u i r e m e n ti sr e q u i r e di nm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o lt e c h n o l o g y ，w h i l e s a t i s f a c t o r yp r o g r e s sh a sb e e ng a i n e di nd e f f e r e n t6 e l d so fi n d u s t r i a lt e c h n o l o g y ， a n dn e wt e s tm e t h o d sh a v eb e e nc r e a t e d i no r d e rt oi m p r o v et h ea c c u r a c yo fi n d u s t r i a lm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o l ，w e c o m p l e t et h ed e s i g no ft h es o f t w a r ea n dh a r d w a r eo ft h em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o l s y s t e m ，a n di m p r o v et h ec o n t r o lp r o 铲a m a sf o l l o w s ，i ti sm o s tc o n t e n ti n t h i s p a p e r ： f i r s t ，k t y p et h e r m o c o u p l ec o n v e r t e rm a x 6 6 7 5i su s e di nm i c r o c o m p u t e r m e a s u r e m e n ta n dc o n t r 0 1s y s t e m s c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a ls y s t e m ，i th a ss i m p l e p e r i p h e r a lc i r c u i t a n dh i g h e ra n t i i n t e r r u p t i o na b i l i t y t h ef e a s i b i l i t yo ft h e t e m p e r a t u r ec o d ei sc o n f i r m e dt h r o u g hs i m u l a t i o ni np r o t u e s s e c o n d ，i n s t e a do ft r a d i t i o n a lr s 2 3 2a n dp c ib u st e c h n o l o g y ，w ea d o p tu s b i n t e r f a c e t e c h n o l o g y t or e a l i z et h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nm i c r o c o m p u t e r a t 8 9 s 51a n dp c ，o nt h eb a s eo fw o n d e r f u lu n d e r s t a n d i n gt ou s b1 1p r o t o c o la n d i n t e r n a lt r u s so fp d i u s b d12 ，m e a n w h i l e ，w ew o r ko u tt h en r e w a r ec o d e ，d i v e ra n d c l i e n ta p p l i c a t i o no ft h es y s t e m t h i r d ，i nv i e wo ft h es h o r t a g e so fv c + + ，s u c ha sn u m e r i c a lc o m p u t a t i o n ， g r a p h i c sp r o c e s s i n gd e f i c i e n c i e si na r e a s ，w eu t i l i z eam i x e dp r o g r a n l m i n gm e t h o d t oo v e r c o m et h e m ，a sar e s u l t ，t h i sm e t h o dn o to n l yg a i nt h ep o w e r f u lc o m p u t i n g c a p a b i l i t i e so fm a t l a b ，b u ta l s os u c c e e dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fg o o da p p l i c a t i o n i n t e r f a c ed e v e l o p m e n tc a p a b i l i t i e s ，h i g hs p e e do fp r o g r a me x e c u t i o n ，a sw e l la s g o o ds t a b i l i t yo f v c + + f o u r t h ，a f t e ra n a l y s i n gt h es i m u l a “o nr e s u l to fp i dc o n t r o l l e rw h i c hi sg a i n e d t h r o u g ht r a d i t i o n a lp i dp a r a m e t e rt u n i n g ，w ef i n di t se x p e r i e n c ee l e m e n ta f f e c tt h e a c c u r a c yo fc o n t r o l r e s u l t i nt h i s p a p e r ， an e wp a r a m e t e rt u n i n gm e t h o d ， s a t i s f a c t o r yp i dp a r a m e t e rt u n i n gm e t h o d ，i si n t r o d u c e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t t h r o u g hm a t l a bs h o w st h i sm e t h o dh a sg o o de f f c to fc o n t r o la n ds a t i s f yt h e c o n t r o lr e q u i r e m e n to fi n d u s t r y f i f t h ，w ec o n s i d e rs a t i s f a c t o r yp i dp a r a m e t e rt u n i n g i ss h o no fr e a l t i m e r e s p o n s ec a p a b i l i t ya n da n t i i n t e r r u p t i o na b i l i t yi na c t u a lc o n t r o l ，a na d d i t i o n a l f h z z ya d a p t i v ep i dc o n t r o li si n t r o d u c e d a f t e rs i m u l a t i o n ，w ef i n di tw o r k sb e t t e r k e y w o r d s ：u s bi n t e r f a c e ；m i x e dp r o g r a m m i n g ；s a t i s f a c t o r yc o n t r o l ；f u z z yc o n t r o l 图表清单 图1 1 固件结构和数据流向图4 图2 1 系统硬件结构框图。8 图2 2 塞贝克效应示意图9 图2 3 具有线性校j 下和冷端补偿的电路图1 0 图2 4m a x 6 6 7 5 引脚图1 1 图2 5m a x 6 6 7 5 的内部结构1 1 图2 6m a x 6 6 7 5 工作时序图1 2 图2 7m a x 6 6 7 5 与a t 8 9 s 5l 连接示意图1 3 图2 8p d i u s b d l 2 引脚图1 4 图2 9p d r l j s b d l 2 连接示意图1 5 图2 1o 系统实物图1 6 图3 1 主循环流程图1 8 图3 2 数据采集程序流程图1 9 图3 3m a x 6 6 7 5 仿真结果2 0 图3 4m a t c o m 工具条2 4 图3 5 应用程序人机交互界面2 6 图3 6 应用程序工作流程图2 6 图3 7 不同热处理过程后p b l1 4 3 s n l 8 5 7 b i 7 0 合金的冷却曲线2 8 图3 8 不同热处理过程后s n 一4 2 s b 合金的冷却曲线2 8 图3 9 自制仪表p b l l4 3 s n l 8 5 7 b i 7 0 合金的冷却曲线2 9 图3 1 0 自制仪表s n 4 2 s b 合金的冷却曲线2 9 图4 1 控制系统结构框图3 0 图4 2p i d 控制系统模型3 4 图4 3p i d 控制系统仿真结果3 5 图4 4w k p 关系图3 6 图4 53 d 稳定域3 6 图4 62 d 稳定域3 7 图4 7 鲁棒性指标约束下k p 1 ( i 3 7 图4 8 控制代价约束指标下k p 1 ( i 3 8 图4 。9 扰动衰减约束指标下k p h 3 8 图4 1o 满意解集3 8 图4 1 1 满意p i d 控制仿真3 9 图5 1 三角形隶属度函数4 1 图5 2k p 随e 和e c 的变化图4 3 图5 3 妯随e 和e c 的变化图4 3 图5 4 模糊自适应控制系统模型。4 4 图5 5 模糊自适应仿真4 4 图5 6k p 自适应调整变化图4 4 图5 7b 自适应调整变化图4 5 表格清单 表2 1p d i u s b d l 2 引脚说明1 4 表3 1p b l l4 3 s n l 85 7 b i 7 0 合金的熔体热处理工艺参数2 7 表3 2s n - 4 2 s b 合金的熔体热处理工艺参数2 7 表5 1k p 模糊规则表4 2 表5 2b 模糊规则表。4 2 独创性声明 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。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金壁王些叁堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字： 日期：z 。厶年年月2 口日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金壁王些盍堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权 金壁工些太 兰l 可以将学位论文的全部或部分论文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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 名：彳涝新虢 签字日期：上d 厶年4 月2 口日 签字日期：少，- 律印月细日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 致谢 本文是在导师余瑾副教授的悉心指导和帮助下完成的。从课程的学习，论 文的选题，实验的进行，学术论文的发表，到毕业论文的顺利完成，都离不开 恩师的关心、鼓励和帮助。恩师渊博的学识和精益求精的科学态度使我受益匪 浅。恩师治学严谨、乐观豁达和诲人不倦的品格深深教育和激励着我。恩师一 丝不苟的工作作风一直是我学习的榜样；恩师循循善导的教导给了我巨大的启 迪。在此，谨向恩师表示深深的敬意和最衷心的感谢! 衷心感谢祖方道教授、李先芬老师、刘兰俊老师在学习和生活上给予的关 心和指导，你们勤奋求实的工作精神为我在科研中树立了榜样! 特别感谢师兄李成业、陈杰和刘明全，师姐毛琳、邹丽、毛丽娜和黄中月 在我两年半的研究生学习和实验中给予我的指导和帮助! 感谢同窗好友张先锋、宋荣武、张飞、韩严法、谢明义、肖超杰、陈忠华、 王知鸷等全班同学给予我的支持和帮助，你们的付出让我的课题能够顺利完成! 感谢我的师弟张敏，师妹雍文佳带给我的快乐和各种帮助! 特别感谢我最亲爱的家人，正是你们多年来对我的理解和支持，才能使我 静心地读书；正是你们的善良、朴实和不屈不饶的精神，才能使我在最艰难的 时候找回自己，坚持下来，完成自己的学业，也必将继续激励着我向更高的目 标奋进! 谨以此文献给你们! 作者：何宏宇 2 0 1 0 年3 月于合肥 第一章绪论 1 1 课题背景 随着智能化、数字化的广泛应用，高性能、高精度的数据采集也变得越来 越重要，因此，工业对仪表性能、采集和控制精度以及可扩展能力有了更高的 要求。如何解决这些问题显得非常必要。 一方面，传统的外围设备与主机的通信接口大多采用p c i 、i s a 、13 9 4 等标 准。而基于这些接口的外围设备，在实际应用中，不但安装过程繁琐、而且还 受到计算机外扩插槽数量和地址中断资源的制约，同时昂贵的价格和可扩展性 能差也限制了这类设备的应用范围。u s b 总线技术作为一种新型的串口通信标 准，具有较高的传输速率，良好的可扩展性能，能实现设备的总线供电，拥有 方便灵活的即插即用功能。它共有四种传输模式，分别为控制传输、同步传输、 中断传输和批量传输，以适应不同设备的需要。 另一方面，随着现代控制理论与智能控制理论的快速发展，对工业测控仪 表提出了更高的精度要求。由于工业生产的特点是大批量和标准化，因此要求 不同的系统在设计和运行时，其控制器的结构是相似的，控制者只需改变控制 参数即可得到需要的控制器，因此，p i d 控制器满足工业化大生产的需求并被 广泛应用。但是p i d 控制器也存在不足，即p i d 控制器的参数整定结果不佳。通 常情况下，p i d 参数整定往往遵循z n 法和实验试凑的方法，这样整定的结果往 往很难达到期望的控制效果，因为在整定过程中参杂了大量的人们的主观臆断 以及经验的因素。因此，采用新的参数整定方法是非常必要的。 1 2 课题的提出 尽管r s 2 3 2 是一种十分成熟且应用广泛的通讯方式，但是随着控制系统的 日益复杂，需要采集的数据量也会越来越多。因此，寻求一种高速、安全、方 便的通讯方式是十分必要的。u s b 技术虽然出现的时间并不长，但是由于它的 种种优点，被越来越多的厂商和用户所接受，出现了打印机、游戏手柄、摄像 头等一系列衍生产品。尽管目前u s b 接口的应用主要集中在电脑周边的外围设 备中，但是u s b 产品进入工业控制领域将是必然趋势。基于u s b 总线的数据采 集系统，具有可靠性高、采集数据不易丢失、抗干扰能力强、便于数据传输和 处理等优点，可在信号测试、信号采集场合广泛使用。 p i d 控制算法的不断改进，为仪表的精确控制提供了提升的空间。满意p i d 参数的离线整定和模糊p i d 参数的在线整定相结合，不但解决了以往参数整定 中凭借经验的带有主观色彩的整定方法对整定结果的影响，而且可以通过在线 调整过程，提高整个系统的抗干扰能力及相应速度。 u s b 总线技术以及先进的控制理论的引入，能够大大提高智能设备在工业 控制领域中的各项性能，具有一定的实用价值。 1 3u s b 的发展及应用现状 u s b 全称为u n i v e r s a ls e r i a lb u s ( 通用串行总线) ，于1 9 9 4 年底由i b m 、 i n t e l 、c o m p a q 、d e c 、m i c r o s o f t 、n e c 和n o r t h e mt e l e c o m 等多家公司联合开 发的p c 机外设接口标准，由于其具有连接方便以及价格低廉等优点，在电子 产品市场上迅速得到广泛的应用，目前，u s b 己经成为主流的总线标准之一， 2 0 0 1 年相关产品的出货量己超过三亿台。u s b 不但被广泛应用于传统的p c 外 围设备，如游戏手柄、鼠标、键盘、显示器等，移动存储设备如移动硬盘、u 盘等，以及新兴的电子类产品，如m p 3 m p 4 播放器、数码相机、扫描仪、打 印机、摄像机、移动电话、手机等。同时随着其应用范围的不断扩大，在工业 自动化仪器仪表中应用u s b 技术正在成为新型仪表设计的热点之一。 u s b 协议经过了几次版本的变更，其总线传输速度得到很大提高，满足了 目前大多数设备的应用要求，并进入大规模生产阶段。随着u s b 设备生产量的 急剧增加，对于设备与设备之间数据传输的需求变得越来越迫切，u s bo t g ( o nt h eg o ) 技术便随之产生了，该项技术于2 0 0 1 年1 2 月底被制定出来， 从此u s b 设备便具有了双重身份，它既可以作为主机，又可以作为设备，其实 质是在u s b 设备中增加了一个嵌入式的微处理器来代替p c 机执行任务。这一 技术使u s b 设备摆脱了对p c 机的依赖，极大扩展了u s b 的应用范围。 u s b 设备所具有的主要优点有： ( 1 ) 设备支持即插即用。u s b 设备的安装不必对机箱结构进行变更，加减 已安装过的设备不用关闭计算机。所有的u s b 设备可以随时插入和拔出系统， p c 机能够动态的识别u s b 设备的状态，并能自动为新插入的设备分配地址和 配置参数。 ( 2 ) 传输方式多样。u s b 有控制传输( c o n t r o n l ) 、同步传输( s y n c h r o n i z a t i o n ) 、 中断传输( i n t e r r u p t ) 、批量传输( b u l k ) 四种传输模式以及低速传输和全速传输两 种传输速率，可以适应不同设备的需要。 ( 3 ) 设备易于扩展。用户可以通过h u b 对外扩展1 2 7 个外围设备。标准 u s b 连接线长度为3 m ( 5 南低速) ，在特殊需要下，可以通过中继器使外围设备 的连接距离达到3 0 m 。 ( 4 ) 实行设备的总线供电。过去被我们广泛使用的串口、并口设备都需要 单独的供电系统，这增加了硬件设计的复杂程度。而u s b 设备则不需要对电源 电路进行设计，因为p c 机为每个u s b 接口均提供了最大5 v 、5 0 0 m a 的内置 电源，完全满足低压设备的需要，这大大降低了这些设备的设计成本。目前大 多数u s b 设备都采用总线供电方式。 ( 5 ) 数据传输速度快。u s b 数据传输方式有全速和低速，主模式为全速模 2 式，速率为1 2 m b p s ，从而使一些要求高速数据的外设，如：高速硬盘、摄像头 等，都能统一到同一个总线框架下。另外为了适应一些不需要很大传输量但是 有很高实时性要求的设备，如鼠标、键盘、游戏手柄等，u s b 还提供低速方式， 速率为1 5 m b p s 。 1 3 1 固件程序结构 1 3 1 1 固件程序 固件程序实际上是由烧录器写入单片机的、用以实现设备特定功能的程序文件。 其编写语言可以采用c 语言或是汇编语言。它的操作方式决定着硬件的相应功能，包 括u s b 设备的连接、命令接口函数、处理子程序、中断服务等，同时，固件程序还涉 及到对硬件接口的定义，因此，设计者需要对端口、中断和硬件结构非常熟悉。当把 烧录了固件程序的设备连接到主机上时，上位机可以发现新的设备接入，通过枚举建 立连接。因此，编写固件程序的一个最主要的目的就是让w 砌o w s 可以检测和识别设 备。 u s b 设备被正常使用以前，必须由主机对设备进行配置。主机一般会从u s b 设备 获取配置信息后再确定此设备的具体功能。配置操作过程中，主机首先会获取设备的 配置值，如果必要的话会选择合适的接口备选设备。在发出连接u s b 命令后，主机先 读取设备描述符，然后发出设置u s b 地址s 咖p 包，设置u s b 地址后，进行主机客户驱 动与设备初始化。其余端点依此类推。在其头文件里需定义u s b 规范中的各种描述符 格式，包括设备描述表、配置描述表、接口描述表、端点描述表、字符串描述表以及 描述表类型。这样，在发送配置联合描述表时，主机u s b d 可以根据描述类型标识区 分各种描述表。 1 3 1 2p d i u s b d l 2 固件编程的结构 p d i u s b d l2 【2 - 3 】固件结构如图1 1 所示图1 1 中箭头的方向表示数据传输的 方向。 由文献【2 】知u s b 固件程序主要由以下几部分组成。 ( 1 ) 主循环程序：主要完成对单片机和p d i u s b d l 2 的各项初始化任务，以及发送 u s b 请求、处理u s b 总线事件和用户自定义功能等 ( 2 ) 标准请求处理程序：主要是对u s b 的标准设备各种状态下发出的请求进行处 理。 ( 3 ) 厂商请求处理：用于对设计者添加的厂商请求进行处理。 ( 4 ) 中断服务程序：这部分代码主要处理由p d i u s b d l 2 产生的中断。在中断服务 程序中，当p d i u s b d l 2 向单片机发出中断请求时，读取p d i u s b d l 2 的中断传输来的 数据，并通知主循环进行处理，同时通过设定事件标志“e p p f l a g s ”和s e t u p 包数据 缓冲区“c o n r o lx f e r 传输给主循环程序。 ( 5 ) p d i s u b d l 2 命令接口：这部分是为了简化p d i u s b d l 2 的编程，由固件定义 的能访问p d i u s b d l 2 所有功能的命令接口，用于对p d i u s b d l 2 器件进行操作的模块 子程序集。 ( 6 ) 硬件提取层：完成对单片机的i o 口、数据总线等硬件接口进行定义和操作。 主循环：m a r n i 0 0 p c t + i i 中断服务程序标准请求处理厂商请求处 m j l 1r 1r 1r 1 r p d l u s b d l 2 命令接口d 1 2 c i c 工 硬件提取层e p p 乩u c 图1 1 固件结构和数据流向图 1 3 2 驱动程序基本概念及结构 设备的驱动程序是介于硬件与应用程序之间完成通信的媒介，它主要是为操作系 统与硬件设备提供接口，支持用户及其应用程序要求的信息流。目前随着w 1 1 1 d o w sx p 成为主流操作系统，w i l l d o w s 驱动程序模型( w d m ) 也随之成为编写外围设备驱动程序 的主要方式。w d m 以更灵活的方式对驱动程序的开发进行了简化，并能够充分支持 符合u s b 、i e e1 3 9 4 、p c i 等标准的硬件，同时增强了驱动程序的可靠性和可维护性。 w d m 模型特点如下：支持类驱动程序微驱动程序分层结构。支持w m i ( w i n d o w s m a i l a g e m e ml n s t 九曲e n t a t i o n 系统管理员报告管理信息的协议) 。提供系统总线驱动 程序。支持即插即用( p n p ) 和电源管理。 w d m 主要有两种运行模式，即所谓的内核模式和用户模式。在内核模式下，程 序的运行不受操作系统的限制，对所有的i o 设备有完全访问权，能够访问任何虚地 址和控制虚拟内存硬件；而在用户模式下，操作系统提供特定的管理机制以限制程序 对各种i o 的操作，同时也可以防止硬件执行某些特权指令，以及完成对内存和i o 空间的检查。 驱动程序p j 的五层模型如下。 ( 1 ) 用户应用程序：由设计者以其设计目的为基础编写的，通过驱动程序 与外围的硬件设备打交道的e x e 文件； 4 ( 2 ) i o 管理层：通过i r p ( i o 请求包) 完成用户应用程序和驱动程序之间 的数据交换； ( 3 ) 驱动程序：用户在安装了w i n d o w sd d k 之后，可以自行编写驱动程 序。通常情况下配合v c 和d r i v e r s t u d i o 进行编写，能提高工作效率，降低开 发难度。在驱动程序中，都是通过i r p 来交换数据的。当一个例程处理完一个 i r p 后，它也设置好事件标志，然后将此i r p 返回； ( 4 ) 硬件抽象层( h a l ) ：硬件抽象层属于操作系统内核与硬件间的接口层， 主要实现硬件抽象化的工作。并提供将同一驱动程序移植到不同平台的功能。 ( 5 ) 硬件设备：设计者出于设计的需要，按照合理的硬件电路布局方式， 用于完成某些特定功能的u s b 设备。 1 4 满意控制理论及其发展现状 满意控制【4 】是指控制结果达到或者超出控制决策过程中提出的控制要求。 满意是一个模糊的概念，它强调的不是最优而是次优，实际的工控系统所要达 到的控制目的，并不是使某一个性能指标最优而忽略了其他性能指标对控制系 统优略的影响，相反地，它要求控制系统能够同时满足多个约束性能指标。 满意控制属于优化控制的范畴，强调控制过程得到的控制效果能令人满意。 日本学者m e s a r o v i c 和t a k a h a r a 于1 9 7 2 年最先提出的“关于满意控制的定性理 论”，涉及了协同原则、满意控制和协同操作的选择等问题，其性能函数和容忍 函数映射为一个实数的值域集合，在某个不确定的范围内，如果一个控制系统 的属性函数小于或等于所给定的容忍函数时，则认为该控制结果是令人满意的。 1 9 7 8 年诺贝尔奖获得者s i m o n 从经济组织决策的角度提出了“令人满意准则” 概念，他认为如果一个问题用满意解取代最优解，就能大大简化复杂系统中的 很多问题。郭治教授从协方差配置理论出发，采用现代随机控制理论，提出融 合在多性能指标约束下随机系统的综合设计问题。本文讨论以电阻炉为被控对 象的一类时滞系统在满意控制下的控制效果。 1 4 1 时滞系统 时滞是指系统的状态变化率依赖于过去的状态，而具有这种特性的系统称 为时滞系统【5 】。从系统理论的观点看，任何实际系统的过去状态对当前的系统 状态都会产生一定的影响，即系统当前的状态依赖于前一状态存在。所以在实 际的工程系统中时滞现象是普遍存在的。时滞的存在往往是引起系统不稳定以 及导致系统性能恶化的重要原因之一，并且会给系统的稳定性和控制器的设计 带来很大的困难。因此，对时滞系统的研究在实际应用中显得尤为重要。 1 4 2 满意控制系统的期望指标集 目前满意控制中总结并运用到的期望指标集包括：采用稳态协方差表示的 系统精确度指标，随机穿越频率和随机滞留时间特性指标；以极点分布区域表 示的系统快速性指标；以h 。指标表示的系统输出对输入扰动量的抑制水平等。 在实际应用中，针对不同被控系统的特点，对能够满足该系统控制需要的其他 指标均可作为期望指标集哺。1 应用于满意控制中。 对于时滞系统的三类期望指标为：扰动衰减h 。指标、鲁棒性指标和控制 代价指标。 1 5 模糊自适应控制理论及其原理 在传统的控制领域里，控制系统动态模式的精确与否是影响控制优劣的最 主要因素，系统动态性能的参数信息越准确、详细，则所能达到的控制精度就 越高。然而，对于复杂的系统，由于系统的变量较多，很难准确的描述系统的 动态特性，而通过简化系统动态特性的方法所得到的控制结果都不是很理想。 换言之，传统的控制理论对于明确系统具有强有力的控制能力，但对于十分复 杂或难以精确描述的系统则缺乏实时响应的能力。因此工程师们便尝试着以模 糊数学理论来处理类似的控制问题。模糊控制理论就是建立在模糊数学的基础 上的，它是以模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算机 数字控制技术。 美国的l a z a d e h 在l9 6 5 年创立了模糊集合论，提供了处理模糊信息的工 具；1 9 7 3 年他给出了模糊逻辑控制的定义和相关的定理。最早的模糊控制器是 由英国科学家e h m a m d a n i 于1 9 7 4 年首先用模糊控制语句组成，并很快把这一 理论应用于现代工业中，最终在实验室里取得了成功。这一突破性的工作标志 着模糊控制理论的诞生。近4 0 年来，模糊控制无论是在理论、方法，还是在应 用等方面都取得了前所未有的发展，模糊理论的地位已经和六七十年代发生了 根本性的变化：基于模糊逻辑的数学基础已经比较好地建立起来，最基本的理 论也已经到位，模糊逻辑在基础学科，特别是在数学、物理以及化学等领域的 影响日益明显，模糊理论的应用范围也扩展到了家用电器、工业控制、生物以 及化学工程领域、决策分析和认识技术等各个方面。 模糊自适应控制【l 2 。1 3j 实质上是模糊控制与p i d 控制相结合的结果，它从属 于智能控制的范畴。最近2 0 年，随着模糊控制在理论上和技术上取得了长足的 进步，模糊自适应控制也得到相应的发展，为自动化控制领域提供了又一个开 阔的研究空间。模糊自适应控制的应用涉及工业生产和家庭生活的方方面面， 例如在家用电器中有电冰箱、洗衣机、吸尘器、空调、微波炉、加湿器、照相 机和摄影机等；在工业控制领域中有发酵过程、退火炉、步进电机、弧焊电源 软开关、锅炉控制、水泥窑炉等的模糊控制；在专用系统和其它方面诸如：地 6 铁靠站、汽车驾驶、电梯、蒸汽引擎以及机器人的模糊控制等。 模糊自适应控制器的原理：模糊自适应控制器是应用模糊数学的基本理论 和方法，把控制规则的条件、操作用模糊集来表示。并把这些模糊控制规则以 及有关信息存入计算机，然后计算机通过对被控对象的实时情况的采集和计算， 运用模糊推理，实现对p i d 参数的实时整定。 1 6 课题的主要研究内容 本文针对目前工业测控水平不断提高的现状，从硬件设计以及控制理论两 个方面作为出发点。一方面，针对传统的r s 2 3 2 串口总线以及p c i 总线等通信技 术在数据传输要求越来越高的今天，已经很难满足许多工控场合的需要，因此， 一种新的总线技术的引入成为发展的必然。u s b 总线技术以其传输速度快、支 持热插拔、易于扩展等诸多优点逐渐成为新型仪表的宠儿。本文详细介绍了以 模块化为设计核心的温度测控仪表的设计思路，力求以最简的结构完成核心设 计，这样既降低成本，又可缩减仪表体积。另一方面，通过对传统参数整定方 法进行分析，发现其在整定过程中存在的不足，运用新理论满意p i d 参数整定 方法代替传统的方法，以期获得更加合理的p i d 参数，从而提高控制系统的控 制精度。 本文的主要内容有以下几个方面： ( 1 ) 使用u s b 总线技术代替以往诸如串口总线技术和p c i 总线技术，以期提 供测控系统在数据传输过程中的传输速度、抗干扰能力等。同时使用新型的测 温元件，以降低硬件的繁杂程度，缩短开发时间。 ( 2 ) 运用v c 与m a t l a b 混合编程方法，降低上位机应用程序开发的复杂程 度，提高其可视化程度。 ( 3 ) 综合对比几种不同的控制方法对温度进行控制。通过仿真结果发现实 验试凑法及z n 法等传统参数整定方法的不足，提出新的参数整定方法并进行 仿真，通过比较和分析，得出一种更为合理的整定方案，使得实时控制过程更 加的精确。 第二章系统硬件设计 随着测控技术的发展，新型电子元器件的推出，对仪表设计提出了更高的要求。 模块化、集成化、高速成为了必然趋势。虽然现有的温度测控仪器能够满足一些温度 测量的实际需要，但在数据信息的快速采集和分析处理方面仍显不足，以及由于模块 化程度不高所导致的硬件结构繁杂、抗干扰能力弱等问题。本文在此基础上提出新的 设计方案，以期达到改善上述问题的目的。 2 1 硬件基本架构 本系统由被控对象、控制器、转换器、u s b 接口、以及控温电路五部分组成。其 硬件结构框图如图2 。l 所示。具体工作原理为：热电偶采集温度信号，通过转换器得 到数字信号，控制器通过u s b 接口将这些数字信号传送给上位机，上位机对这些信 号加以运算，给出对应的控制量，并将其通过u s b 接口发送给控制器，控制器最终 通过控温电路实现整个测控过程。 图2 1 系统硬件结构框图 为了使所设计的电路能方便的更换以及有更好的可扩展能力，整个系统采用模块 化设计思路。先将系统分为几个部分分别进行设计，并对相应程序进行编写，随后对 设计方案进行整合，形成最终的硬件电路。 2 2 数据采集模块设计 数据采集技术【1 4 1 5 1 是一种专门的技术，在工业领域得到了广泛的应用。数 据采集系统采用更先进的模块化结构，根据不同的应用要求，通过简单的增加 和更改模块，并结合系统编程，就可扩展或修改系统迅速地组成一个新的系统。 2 2 1 热电偶测温的基本原理 塞贝克效应：一对异质金属a 、b 组成的闭合回路中，如果对接点a 加热， 使得接点a 、b 的温度不同( 分别为t 和t o ) ，那么回路中就有电流产生，这一现 象称为热电效应。如图2 2 所示，温度t 端为感温端，称为工作端；温度t o 端 为连接仪表端，称为参比端或冷端。当导体a 和b 的两个接点t 和t o 之间存在 温差时，就在回路中产生电动势e a b ( t ，t o ) 。当热电偶的两种热电极材料确定时， 回路热电势可以用式2 2 表示： 8 图2 2 塞贝克效应不意图 ( ，) = ( f ) 一( ，o )( 2 1 ) 式中e a b ( t ，t o ) 热电偶的热电势； e a b ( t ) 温度为t 时工作端的接触电势； e a b ( t o ) 温度为t o 时冷端的接触电势。 从式2 1 中可以看出，当测量端的被测介质温度发生变化时，热电势随之 发生变化，因此，只要测出e a b ( t ，t o ) 和知道e a b ( t o ) 就可得到e a b ( t ) ，将热电势 送入显示仪表进行指示或记录，或送入微机进行处理，即可获得测量端温度t 值。热电偶就是通过这个原理来测量温度的。 2 2 2 数据采集部分设计方案 将热电偶测得的电压值转换成温度值，这就是数据采集部分的主要功能。 从电路设计的角度，要实现热电偶测温，必须解决两个问题【1 6 】： ( 1 ) 由分度表可知热电势与温度之间的关系是非线性的，因此测量电路应 当具有非线性校正功能。 ( 2 ) 分度表中的热电势是以热电偶的冷端温度为o 时测定的，通常情况下 热电偶的冷端温度为环境温度，测得的热电势与分度表中的热电势不同，必须 在电路中设置冷端补偿电路。因此，热电偶测温的电路主要由冷端补偿电路、 放大电路和非线性校正电路三部分组成。 2 1 2 1 采用二分法测温 ( 1 ) 非线性校正 采用多项式线性化的方法，设温度为t ，各项系数为a o ，a l ，a n ，则热 电偶的热电势e 可表示为式2 2 ： e = 口0 + 口1 丁+ + 丁” 通常从电路设计的角度将被测温度t 用等值的电压v t 表示， 巧= 口o + q e + + e ” 通常取到2 次幂即可，则采用最小二乘法得： 在0 6 0 0 时，热电势的近似表达式如下： = 一0 0 7 6 + 2 4 9 9 5 2 圪一o 0 3 4 7 3 3 2 2 在6 0 0 1 2 0 0 时，热电势的近似表达式如下： = 7 4 5 9 7 + 1 9 1 1 9 5 匕一o 0 8 0 2 6 0 7 圪2 9 ( 2 2 ) 则有式2 3 ： ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) 其中v m 是采集得到的热电偶电动势；v o 为经过非线性校正后的热电势值。 ( 2 ) 冷端补偿 实验表明，k 型热电偶对应的冷端补偿电路产生的补偿电压为： 4 0 4 4 m v 冷端温度 一个完整的带有分线性校正和冷端补偿的热电偶测温电路如图2 3 所示。 该电路的测温范围较广，但硬件设计非常繁杂，且不方便调试和维护，容易产 生干扰。 图2 3 具有线性校正和冷端补偿的电路图 2 2 2 2 采用m a x 6 6 7 5 测温 k 型热电偶是工业生产中最常用的温度传感器，具有结构简单、价格低廉、 使用方便、测温范围宽和测温精度高等诸多优点。目前，在以k 型热电偶为测 温元件的工业测温系统中，热电偶输出的热电势信号必须经过中间转换环节， 才能输入单片机系统。中间转换环节包括信号放大、冷端补偿、线性化及数字 化等几个部分。在实际应用中，由于中间处理环节繁多，调试较为困难，系统 的抗干扰性能往往也不理想。在本系统的设计中，我们采用了m a x l m 公司生 产的k 型热电偶转换器m a x 6 6 7 5 ，由文献【6 3 】知，m a x 6 6 7 5 是一个集成了热 电偶放大器、冷端补偿、a d 转换器及s p i 串口的k 型热电偶转换器，可以直 接与单片机连接，大大地简化了系统硬件电路的设计，保证了温度测量的快速、 准确。 ( 1 )