（材料学专业论文）多路模糊控制系统的研制.pdf

摘要 摘要 温度控制，在工业自动化控制中占有非常重要的地位。本文阐述了 国内外温度控制系统的研究现状，在此基础上分析了这些系统的控制功 能需求和特点，并给出了具体的设计技术指标。我们知道温度由低到高， 高分子经历三个不同的力学状态：玻璃态、高弹态和粘流态。其中玻璃 化转变是高分子的主转变，玻璃化转变温度( t g ) 是高分子的重要特征 温度之一。因此，精确测温和线性升温对研究高分子材料的玻璃化转变 具有重要的意义。 本文是将模糊控制方法运用到温度控制系统中，可以克服温度控制 系统中存在的严重滞后现象，同时在提高采样频率的基础上可以很大程 度的提高控制效果和控制精度。 分析比较了目前常用的几种温度控制系统的优缺点，得出了模糊控 制技术更具有优势的结论，并构建了一种基于模糊控制技术的温度自动 调节算法。设计出了一种采用单片机来控制，并带有r s 一2 3 2 总线接口 的低成本、智能化温度控制系统，并完成了系统的硬、软件的详细设计； 研发的控制系统结构紧凑、所用芯片少、控制精度高，在键盘、显示电 路上都采用了串行方式，从而减小了单片机口线的使用，减小了成本开 支。 本文密切结合实际科研课题进行研究，针对温度自动控制系统的开 发需求，提出并设计了一个基于模糊控制技术的温度控制系统，实验调 试和结果验证了本系统的可行性，满足设计误差要求，其中温度控制精 度达1 。 关键词：模糊控制；温度控制；单片机； 青岛大学工学学位论文 a b s t r a c t t e m p e r a t u r ec o n t r o li ni n d u s t r i a 卜a u t o m a t i o nc o n t r o lo c c u p i e sav e r y i m p o r t a n tp o s i t i o n i nt h i sp a p e r b o t hi n s i d ea n do u t s i d et h et e m p e r a t u r e c o n t r o ls y s t e mo ft h es t a t u sq u o ，o nt h eb a s i so fa na n a l y s i so ft h ec o n t r o l f u n c t i o n so ft h e s es y s t e m sn e e d sa n dc h a r a c t e r i s t i c s ，a n dg i v eac o n c r e t e d e s i g nt e c h n o l o g yi n d i c a t o r s w ek n o wt h a tt h et e m p e r a t u r ef r o ml o wt o h i g h ，g o i n gt h r o u g h t h r e ed i f f e r e n t p o l y m e rm e c h a n i c ss t a t u s ：g l a s s ， h i g h e l a s t i cs t a t ea n dt h ev i s c o u sf l o ws t a t e g l a s st r a n s i t i o ni so n eo ft h e m a i n c h a n g e si np o l y m e r ，g l a s st r a n s i t i o nt e m p e r a t u r e ( t g ) p o l y m e r s a r eo n e o f i m p o r t a n t c h a r a c t e r i s t i c so ft h e t e m p e r a t u r e t h e r e f o r e a c c u r a t e t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n ta n dh e a t i n gu pt h es t u d yo fl i n e a rp o l y m e r m a t e r i a l st h eg l a s st r a n s i t i o ni so fg r e a ts i g n i f i c a n c e i nt h i sp a p e r f u z z yc o n t r o lm e t h o di sa p p l i e dt ot e m p e r a t u r ec o n t r o l s y s t e m t e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e mc a no v e r c o m et h es e r i o u sl a gi nt h e s i t u a t i o n ，a tt h es a m et i m ei m p r o v eo nt h eb a s i so ft h es a m p l i n gf r e q u e n c y c a nb eal a r g em e a s u r eo fc o n t r o le f f e c t i v e n e s sa n di m p r o v et h ec o n t r o l a c c u r a c y a n a l y s i sa n dc o m p a r i s o no ft h ec u r r e n tc o m m o n l yu s e di ns e v e r a lo f t h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h et e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e m ，f u z z y c o n t r o lt e c h n o l o g yt od r a wm o r ea d v a n t a g eo ft h ec o n c l u s i o n s ，a n db u i l da t e c h n o l o g yb a s e do nf u z z yc o n t r o la l g o r i t h mf o ra u t o m a t i ca d i u s t m e n to f t e m p e r a t u r e d e s i g nas i n g l e c h i pc o m p u t e rt oc o n t r o l ，a n dw i t hr s 2 3 2b u s i n t e r f a c eo ft h el o w c o s t i 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 ls y s t e ma n da c h i e v e t h e s y s t e m s h a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e t a i l e d d e s i g n ； r e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n to fc o n t r o ls y s t e m sc o m p a c ts t r u c t u r e ，c h i p su s e di ns m a l l ， c o n t r o l l e dh i g hp r e c i s i o n ，a tt h ek e y b o a r d ，d i s p l a yc i r c u i tu s e do nas e r i a l m a n n e r ，t h e r e b yr e d u c i n gt h eu s eo fs i n g l e c h i pm o u t hl i n e s r e d u c e sc o s t s t h i sp a p e rc l o s e l yi nl i g h to ft h ea c t u a lr e s e a r c hc o n d u c t e dr e s e a r c hi n t o t h es u b j e c t ，f o ra u t o m a t i ct e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e md e v e l o p m e n tn e e d s ， p r o p o s e da n dd e s i g n e dat e c h n i q u eb a s e do nf u z z yc o n t r o lo ft e m p e r a t u r e c o n t r o ls y s t e m s d e b u g g i n ga n de x p e r i m e n t a lr e s u l t sv a l i d a t et h ef e a s i b i l i t y o ft h es y s t e mt om e e tt h er e q u i r e m e n t so fd e s i g ne r r o r s ，o n eo ft e m p e r a t u r e c o n t r o la c c u r a c y 1 k e yw o r d s ：f u z z yc o n t r o l ；t e m p e r a t u r ec o n t r o l ；s i n g l ec h i p ； 致谢 学位论文独创性声明 本人声明，所呈交的学彼论文系本人在导师指导下独立完成的研究成果。文中 依法引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法律意义上 已属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人己用于其他学位申请的论文或成 果。 本人如违反上述声明，愿意承担由此引发的一切责任和后果。 论文作者签名嘲教反日期：少年占月f 明 学位论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的学使论文及相关的职务作品，知识产权归属学校。 学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校 后发表或使用学位论文或与该论文童接相关的学术论文或成采时，署名单位仍然为 青岛大学。 本学位论文属于： 保密墨，在年解密藤适用于本声明。 不保密彤 ( 请在以上方框内打“4 ) 论文作者签名：礅磷日期：净苦月z g 日 导师签名：铂铅 嘲砰年? 嚣咖 ( 本声明舱版权归青d 大学所有，未经许可，任蜒单位及任何个人不褥擅自使照 引言 引言 温度是一种最基本的环境参数，人民的生活与环境的温度息息相关，在工业生 产过程中需要实时测量温度，在农业生产中也离不开温度的测量，因此研究温度的 测量方法和装置具有重要的意义。 目前，温度控制滞后问题仍然是公认的难题，近年来，国内温度控制水平主要 表现在算法简单、粗糙，造成温度控制效果不佳，易产生输出控制量的振荡，系统 压力不稳定的现象，而且自动化程度不高。对于时变的大滞后过程，对象参数随着 工况和环境变化而发生变化，这更增加了控制的难度。 经过长期研究和实践形成的经典控制理论，对于解决线性定常系统的控制问题 是很有效的。然而，经典控制理论对于非线性时变系统难以奏效。 随着计算机的发展和应用，自动控制理论和技术获得了飞跃的发展。基于状态 变量描述的现代控制理论对于解决线性或非线性定常或时变的多输入多输出系统问 题，获得了广泛的应用。其中模糊控制、神经网络等智能控制法的兴起，为人们对 温度控制滞后问题的解决提供了极大的发挥空间。其中s m i t h 预估控制和模型预测 控制都具有内模控制的结构，应用比较广泛，但是次控制对模型的匹配程度比较敏 感。鲁棒控制在大滞后过程中的研究近年来也非常活跃，主要是理论上取得了一些 进展，而在应用上由于其计算的复杂性还有待进一步发展。 无论使用经典控制理论还是现代控制理论设计一个控制系统，都需要事先知道 被控对象( 或生产过程) 精确的数学模型，然后根据数学模型以及给定的性能指标， 选择适当的控制规律，进行控制系统设计。然而，在许多情况下被控对象( 或生产过 程) 的精确数学模型很难建立。有些对象难以有一般的物理和化学方面的规律来描 述，有的影响因素很多，而且相互间又有交叉祸合，使其模型十分复杂，难于求解 以至于没有使用价值，一些生产过程缺乏。 模糊集合的引入可将人的判断、思维过程用比较简单的数学形式直接表达出来， 从而使对复杂系统做出符合实际的、符合人类思维方式的处理成为可能，为经典模 糊控制器的形成奠定了基础i 。 本文就是采用模糊控制的算法是在单片机中实现的，通过r s 2 3 2 与上位机进行 通信，利用v b 语言建立监控画面和趋势图，实时监控被控对象的变化趋势 本系统在硬件设计方面，主要的控制参数就是温度在选择好温度传感器的前 提下，需要把模拟量转变为数字量送到单片机中，可以采用a d c 0 8 0 9 八位模数转换 器，将采集到的温度送到单片机，单片机通过数据处理，将把温度送到上位机界面 或l 正d 。 系统的核心控制器采用的是单片机来控制，单片机作为核心控制器，为了使硬 青岛大学硕士学位论文 件更为简单，可以在软件方面设置更多的控制子程序，如温度采集、温度转换、滤 波、与上位机建立通信、显示子程序【列。 单片机可以选用a t 8 9 系列，大容量的存储空间可以使电路更为简单，操作更 方便。多路温度控制器主要是采集外部温度数据，从而达到控制温度的目的，此时 就要用到传感器，在选用温度传感器时可以选用热电式温度传感器，电动势信号便 于传送。单片机数据采集，可以通过传感器向a d 转换器传输数据f 采集数据的时间 间隔可以由上位机为设定) ，当单片机接收到数据后，可以根据软件中的温度采集子程 序将数据进行整理，根据预期值的要求向执行机构发出控制指令，达到控制温度的 目的。 在d 转换过程中，由于被测对象工作环境的原因，输入信号中常含有各种噪 声和干扰，如电场、磁场以及温湿度场待的辐射引起的干扰，影响了系统的稳定的 和精度。为了减少对采样值的干扰，提高信噪比，提高系统精度以及系统稳定性和 可靠性，在模拟系统中往往采用r c 滤波电路。而在微机组成的测控系统中则常采 用数字滤波的方法，它与模拟滤波器相比较有以下优点f 3 叫： 1 、用程序实现数字滤波，无需增加任何硬设备，不存在阻抗匹配问题，可实现 多通道共享，降低系统成本。 2 、可以对频率很低的信号实现滤波，而r c 滤波由于受电容容量的影响，频率 不能太低。 3 、可根据需要编制不同的滤波程序，以选择不同的滤波方式，使用灵活方便。 由于数字滤波具有上述优点，因而在一些测控系统中被广泛应用，数字滤波的方法 很多。通常运用算术平均值滤波和换热中值法滤波。 本文密切结合实际科研课题进行研究，针对温度自动控制系统的开发需求，提 出并设计了一个基于模糊控制技术的温度控制系统，实验调试和结果验证了本系统 的可行性。 2 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题背景 温度控制，在工业自动化控制中占有非常重要的地位。我们知道温度由低到高j 高分子经历三个不同的力学状态：玻璃态、高弹态和粘流态。其中玻璃化转变是高 分子的主转变，玻璃化转变温度( t g ) 是高分子的重要特征温度之一。在玻璃化转 变温度范围内，聚合物的比容、比热、导热系数、折光指数等都发生突变。因此研 究高分子材料的玻璃化转变具有重要的意义。必须要做的是在测试高分子材料的玻 璃化转变时，需要精确测温和线性升温。 研究玻璃化转变有多种方法，其中膨胀计法是重要的方法之一。膨胀计利用线 性升温过程中高分子材料比容的突变来测定t g 。线性升温的好坏直接影响测量精 度。然而，现有的程序温度控制器要么价格昂贵，要么精度差，要么使用不方便。 一些教学实验还采用调压变压器凭经验控制升温速率，不仅费时，精度也很差。因 此迫切需要研制一种低价、多路、高精度、界面友好的程序温度控制器。此类控制 器既可用于科研，也可用于教掣孓丌。 本文是将模糊控制方法运用到温度控制系统中，密切结合高分子材料玻璃化转 变温度测量的实际研究课题，本文针对温度自动控制系统的开发需求，提出并设计 了一个基于模糊控制技术的温度控制系统，可以克服温度控制系统中存在的严重滞 后现象，同时在提高采样频率的基础上可以很大程度的提高控制效果和控制精度。 1 2 温度控制系统常用算法 在工业生产过程中，对于带滞后环节的温度控制系统，常用的控制算法有p i d 控制、s m i t h 算法、d a h l i n 控制和模糊控制方法等【1 0 j 。 1 2 1p i d 算法 p i d 是一种负反馈控制，用设定的控制目标值与受控对象的输出反馈值相比 较，对其差作比例、微分、积分后用来控制受控对剩引。结构如图1 1 所示： 图1 1p i d 控制结构图 3 青岛大学硕士学位论文 p i d 控制规n t 3 j ： 口- 扣尊e d t + t d d e _ 1 _ ( 1 ) 式中6 为比例系数，1 1 为积分时间，t d 为微分时间。传递函数为： g o ) 一言( 1 + 去+ 驯 卜( 2 ) 6 、t i 、t d 的改变对控制作用影响很大；6 越大，比例调节的残差越大，从这 一点说，6 越小能使残差越小。但6d , n 使调节系统的开环增益加大，从而可能导 致系统激烈振荡甚至不稳定，系统首先要稳定，所以比例带的设定必须保证一定的 稳定裕度。ti 越大即积分速度越小，积分作用越弱，使过度时间变长，达到稳定的 速度越慢。ti 越小积分速度越快，而增大积分速度会降低控制系统的稳定程度，直 至出现发散的振荡过程；t d 则主要改善系统的动态性能，t d 增大会加快系统的响应， 降低超调，增大系统稳定性，但td 过大，会使系统的抗干扰能力减弱，而且微分 环节对纯滞后过程无效。 由z i e g l e r 与n i c h o l s 提出，针对受控对象有自平衡的情况，根据动态特性法整 定p i d 控制器参数的经验公式如表1 1 所示1 1 。 表1 1 控制器参数的经验公式 控制器幽模裂躞定 类型 k pl死 p k r t p i 1 1 k r t 3r p i d 12 r k r 2r r 2 表中，k 、t 、，c 与式卜( 2 ) 模型参数对应。 对于计算机中p i d 算法的数字实现，应先将调节模型离散化， 从上述的各种参数整定法看出，根据不同被控对象适当整定p i d 的三个参数， 可以获得比较满意的控制效果。但实践证明，这些整定参数的过程，实际上是对比 例、积分、微分三部分控制作用的折中，虽然存在上述诸多p i d 参数的整定方法及 经验公式，但是这些整定过程不仅费时，且参数间相互影响，往往难于调节到最佳 4 第1 章绪论 效果。剖析常规p i d 控制可以发现，这种控制无法解决稳定性和精确性的矛盾，加 大控制作用可减小误差，提高精确性，但稳定性降低。反之，为保证稳定性，限制 控制作用，这样一来又降低了控制的精确性。即使对被控对象整定了一组满意的p i d 参数，对象特性发生变化时，。也难保证良好的控制性能【1 2 i 。 从上述的p i d 控制中可得到一些启发：对多数工业被控对象来说，由于本身固有 的惯性和( 或) 滞后特性，以及控制系统中被控对象( 或过程) 动力学特性的内部不确定 性和外部环境扰动的不确定性，所有这些因素都给控制带来困难，使控制问题复杂 化从物理本质上看，控制过程是一种信息及能量转移过程。因此，提高信息处理能 力，以最短的时间和( 或) 最小的代价实现系统按预定的规律进行能量转移，是控制 系统设计所要解决的中心问题。 分析p i d 控制的三种基本控制作用的实质以及其功能与人的某种智能的差异， 从而可看出控制规律的智能化发展趋势。比例作用，实际上是一种线性放大( 或缩小) 的作用，有些类似于人脑的想象功能，人可以把一个量( 或物体、事物) 想象的大一 些或小一些，但人的想象力具有非线性和时变性，这一点是常规的比例控制作用所 不具备的。积分作用，实际上是对误差信号的记忆功能人脑的记忆功能是人类的一 种基本智能，但是人的记忆力功能具有某种选择性，人总是有选择地记忆某些有用 的信息，而遗忘无用的信息。而常规p i d 中的积分作用，不加选择地“记忆”了误 差的存在及误差变化的信息，其中也包含了对控制不利的信息，因此，这种积分作 用缺乏智能性。微分作用，体现了某种信号的改变趋势，这种作用类似于人类的预 见性，但常规p i d 控制中微分作用的“预见性”远远不如人具有远见卓识的预见性， 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改变趋势【1 3 。1 5 j 。 从上述分析可以看出，常规p i d 控制中的比例、积分、微分三种控制作用，对 于获得良好控制来说都是必要的，但还不是充分条件。应该指出，为了获得满意的 控制系统性能，一般来说，单纯线性控制方式还是不够的，还必须引进一些非线性 的控制方式。因为在系统动态过程及静态过程中，对于比例控制、积分控制和微分 控制作用的要求是不同的。所以，在控制过程中要根据系统的动态特性和行为，采 取“灵活机动的有效控制方式，如采取变增量( 增益适应) 、智能积分( 非线性积分) 、 智能采样等多种途径。实现这些途径的重要方式是借助专家的经验、启发式直观判 断和推理规则。这样的控制决策有利于解决控制系统中稳定性和精确性的矛盾，又 能增强系统对不确定性因素的适应性，即鲁棒性。这样的p i d 控制器，己经同常规 p i d 控制器有了质的区别，这一类型p i d 控制己成为智能控制的一个方向，即智能 或专家自适应p i d 控制。 1 2 1s m i t h 预估算法 s m i t h 预估补偿控制器是建立在模型基础上的一种控制算法，它能使具有大纯滞 5 青岛大学硕士学位论文 后的系统具有更好的控制性能。它的特点是预先估计出过程在基本扰动下的动态特 性，然后由预估器进行补偿，力图使被延迟了c 的被调量超前反映到控制量，使控 制提前动f 乍，从而明显地减小超调量并加速调节过程1 1 4 】。研究一阶惯性加纯滞后环 节的传递函数为： 啪) - g 如矿7 。南e 1 ) 卜( 3 ) g p ( s ) 为被控对象中不含纯滞后的部分。 事 兰! 竺：兰， 图1 2 晋通的温度控制系统 一般的温控系统如图1 - 3 所示。图中g c ( s ) 表示设计的控制器，f 为控制器直流分 量等干扰。其闭环传递函数为： g 咖蒜) 1 - ( 4 ) 由于特征方程里含有e 4 项，这对控制系统稳定性极其不利，若t 足够大，系统 就很难稳定。而且由于系统中含有纯滞后环节，使控制器设计变得复杂。s m i t h 预估 器是克服纯滞后影响的有效方法之一，在常规校正环节基础上引入了s m i t h 预估器 补偿，其控制结构如图1 3 所示，图中虚线框内为s m i t h 预估算控制的原理框图。 s m i t h 预估控制的实质就是与实际对象并联一个模型gp ( s ) e 以( 1 - e 4 ) s 因此，控制器的gc ( s ) 等效控制对象变为gp ( s ) ，也就是说，设计控制器gc ( s ) 时不必考虑纯滞后环节的影响。此时系统的闭环传递函数为： g o ) ；鐾望紧) 1 一( 5 ) 1 + g c ( 5 ) g 。o ) 7 一 _ 匝丑t 匝固j - ，二t 三= = = ：= = 一_ j ：- 一 ：坠竺耋堑堡= 竺竺兰i 6 第1 章绪论 从式卜( 5 ) 中可以看出，在理想情况下，s m i t h 预估补偿控制能完全消除延时对 控制的影响。 1 3 1d a h l i n 算法 工业热过程中含有纯滞后环节，容易引起系统超调，甚至振荡【1 6 1 。但这些过程 对系统的稳定性和较小超调的要求恰恰是主要的参数要求! i b m 公司的d a h l i n 针对 这一要求提出一种z 域下的控制算法。其结构图如图1 4 ： 旦裂_ 、- 面一，丽! ! s ) 1 f 一； 图1 4d a h i i n 算法结构图 d a h l i n 算法的设计目标是使整个闭环系统所期望的传递函数巾( s ) 相当于一个延迟环 节和一个惯性环节相串联，即： 郇) 4 南p 1 卜( 6 ) 并期望整个闭环系统的纯滞后时间和被控对象g 吖s ) 的滞后时间c 相同。式卜( 6 ) 中的t t 为闭环系统的时间常数，纯滞后时间t 与采样时间t 为整数倍关系：t = nt 。 用d a h l i n 算法实现的系统一般是调节系统，即输入为阶跃，所以对式2 9 表示的对 象可用阶跃响应不变法可离散化为： 1一土 二n p 砟) s 一一1 g ( s ) ；鱼二1 0 一 卜( 7 ) 1 一e 昂s 一一1 从d a h l i n 算法的设计思想看，它是根据设计者的要求先假定一个期望达到的闭 环系统，再反推出控制器的传递函数。但由于工业过程中受控对象的不确定性及时 变性，很难确定对象的特征参数，这样就很难确定d a h l i n 算法的参数，不能对受控 对象实施有效的控制。但对于对象模型确定的系统，d a h l i n 可以进行有效的控制。 1 4 1 模糊控制算法 模糊控制是一种以模糊集合论、模糊语言变量及模糊推理为基础的一种计算机 数字控制。从应用的角度看，模糊控制具有以下优点： ( 1 ) 方便易懂由于传统的控制理论所用的数学工具越来越复杂，应用工程师们 倾向于采用一些易懂的方法，模糊控制就是其中之一。由于模糊控制模仿人脑的控 制策略，因此即使对非专业人员，其控制原理也不难理解。 ( 2 ) 执行简便模糊逻辑系统作为模糊控制的主体，其具有高度的并行处理能力。 7 青岛大学硕士学位论文 模糊超大规模集成电路侧v l s i 芯片的出现，使得模糊控制器的执行快速简便。 ( 3 ) 成本低廉从实用的角度来看，产品的开发成本是产品成功与否的重要指标 之一。由于模糊控制方法简便易懂，缩短了培训时间，即“软件成本 降低。同时： 模糊控制执行简便，“硬件成本”也较低。另外，模糊控制器的设计已有商品化的软 件工具。 这样，模糊控制就成为一种高性能价格比的方法。模糊控制模仿人的思维通过 把精确量模糊化，通过模糊推理，以满足复杂的、不确定的过程控制的需要【肌1 8 1 。 其控制方框图如图1 5 所示： 由图可知，模糊控制器可划分为模糊输入接口，模糊推理判决机构和模糊输出 接口三大部分。 模糊输入接口的功能是实现精确量的模糊化，即将偏差e 和偏差变化率? e 的精 控i ui 涮ly ，1 薹旷 象ll 图1 5 模糊控制系统原理图 确值转化为模糊量，以便进行模糊推理和决策。模糊推理决策机构的主要功能 是模仿人的思维特征，根据总结人工控制策略取得的语言控制规则进行模糊推理， 并决策出模糊输出控制量。 模糊输出接口的主要功能是对经模糊推理决策后得到的模糊控制量进行模糊判 决，把输出模糊量转化为清晰的控制量施于被控对象 1 3 各种算法的比较 本节给出了工业过程控制中的常用的控制算法，它们各有优缺点，下面分别 对它们进行分析1 1 9 】： 1 p i d 算法 在生产过程自动化控制的发展过程中，p i d 控制是历史最久、生命力最强的基 本控制方法。它原理简单、使用方便、适应性强、鲁棒性也较强，对于绝大部分生 产过程都可利用p i d 控制解决。但对于静态与动态性能之间的矛盾、鲁棒性与控制 性能之间的矛盾及跟踪设定值与抑制干扰之间的矛盾不能得到很好地解决，且当受 控对象存在较大的延迟时间环节时，用p i d 控制方法的效果不是很理想。 2 s i m t h 预估算法 8 第1 章绪论 s m i t h 预估补偿方法对于解决具有时延的工业控制问题是非常有效的。但是 s m i t h 补偿方法存在着几个很难解决的问题：对于无自平衡对象会产生稳态调节偏 差；。对过程动态特性的精度要求很高，但在实际过程中很难建立起精度很高的模型，。 模型误差越大，补偿效果越差，对于干扰信号适应能力较差。 3 d a h l i n 算法 d a h l i n 算法虽然能通过设计d ( z ) 使闭环系统的传递达到理想的设定传递函数， 但当受控对象发生变化时，如果d ( z ) 不变是无法达到较好的控制效果的。此外， d a h l i n 算法在t tt 时会出现振铃现象，现振铃现象还可能影响到系统的稳定性。 4 模糊控制算法 由于模糊控制算法是一种仿照人的模糊思维的控制方法，对受控对象模型精度 的要求不高，且能兼顾系统的快速性及稳态特性。模糊控制是一种以模糊集合论、 模糊语言变量及模糊推理为基础的一种计算机数字控制。模糊控制模仿人的思维通 过把精确量模糊化，通过模糊推理，以满足复杂的、不确定的过程控制的需要。但 由于模糊算法中不包含积分环节，则系统中一定存在误差，不利于高精度控制的实 现。 综上所述，本控制系统具有明显的纯滞后和较大的时间常数，为了满足常规给 定的升温、保温曲线的条件，不但要求其稳定性好，不产生超调，而且要求跟踪性 能和抗干扰性能也好。显然，采用常规p i d 控制、s m i t h 预算法等都无法满足其性 能要求；d a h l i n 控制器是一种有效的离散控制算法，它的优点是控制器的设计过程 容易理解，控制系统具有较好的鲁棒性，不产生超调，且抗干扰能力强。所以能够 有效的应用于纯滞后过程控制，但其快速跟踪性能差。因此，本系统采用了模糊控 制方法。 1 4 本章研究意义及主要工作 在实际工作和科研中，温度是一个很重要的基本物理量，在很多领域都要涉及 到，例如：冶金工业、化工生产、造纸行业、机械制造、电加热炉及家用电器等，均 需要用加热器来加热实验对象，并对其进行测量和控制，使被控对象达到并保持在 某一设定的温度范围内( 即恒温控制) ，而且在设计的过程中，被测对象的温度有时 候要求稳定性很高，因此要进行恒温控制。文中的控制对象具有很大的滞后性，是 比较具有代表性的温度控制系统。模糊温度控制器很好地针对此控制对象进行了恒 温控制，对于以后研究各种温度控制系统具有重要意义。 本文是结合高分子材料玻璃化转变温度测量的实际研究课题，针对温度自动控制 系统的开发需求，提出并设计了一个基于模糊控制技术的温度控制系统，主要完成 的工作如下 ( 1 ) 分析模糊控制原理，研究模糊控制器的设计，模糊温度控制器的研究。 o 青岛大学硕士学位论文 ( 2 ) 完成控制系统的硬件设计。 ( 3 ) 深入研究了适合于该系统的各种控制策略。原理进行定性分析，进行了系 统控制器的设计 ( 4 ) 完成该系统的软件设计。温度测试电路，l c d 显示电路。 1 0 第2 章系统硬件设计 第2 章系统硬件设计 系统硬件电路主要分为两个部分，即单片机和温度传感器的反馈控制部分和固 态继电器控制加热炉执行部分。d s l 8 8 2 0 将采集到的温度信息直接输出送给8 9 c 5 1 单片机处理，8 9 c 5 1 单片机将d s l 8 8 2 0 送至的温度信号送至1 6 0 2 l c d 显示输出。 控制温度控制系统的工作与否，控制温度显示，控制系统开关，及其他按键无设置 控制功能。8 9 c 5 1 则将d s l 8 8 2 0 送至的温度值与设定值比较，经由单片机的输出口 控制继电器来控制温度的变化【2 1 1 。 2 1 温度传感器设计 工业过程控制中温度测量的方法主要采用的是热电偶与热电阻，热电偶测量温 度测温度的原理是，将被测温度转化为热电动势后输出，热电阻测温时将温度转化 为电阻输出，但输出的信号均不能被计算机直接使用，需将信号转化为数字量后才 能送到处理器，造成硬件电路相对复杂。 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 选择同的温度传感器。p t l 0 0 型陶瓷铂热电阻，在一定范围内是精度最高的测温传 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 化力很强，离散性很小，精度最高，灵敏度也较好。这些特点使得铂热电阻温度传 感器有信号强、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，下面介绍此型号 的传感器。 2 1 1 胛1 0 0 传感器技术参数 p t l 0 0 温度传感器为正温度系数热敏电阻传感器，主要技术参数如下1 2 2 2 4 l ： 1 ) 测量范围：一2 0 0 - + 8 5 0 ； 2 ) 允许偏差值：a 级( o 1 5 + 0 0 0 2 ：t ：) ，b 级( 0 3 0 + 0 0 0 5it1 ) 3 ) 最小置入深度：热电阻的最小置入深度2 0 0 m m ； 允通电流= 5 m a 。 另外，p t l 0 0 温度传感器还具有抗振动、稳定性好、准确度高、耐高压等优点。 电阻的线性较好，在0 1 0 0 摄氏度之间变化时，最大非线性偏差小于0 5 摄氏度。 2 1 2p t l 0 0 传感器温度性能 铂热电阻阻值与温度关系为： ( 1 ) 一2 0 0 t ，娄溢度变墨 ：1 摄氏度，p t l 0 0 黼毽近似变能0 。3 9 敢。 2 1 3p t l 0 0 传感器常用电路图 设计出了n 重传感器测温静电路原理圈，如霞2 1 新示 鼗 髓翱 ， 图2 1p t l 0 0 传感器测漱电路圈 2 0 核心控制器的设诗 p i c 系列攀片抵是美鋈m i c r o c h i p 公司推出豹耪新型高性能豹8 链系列单背樾 徽控制器，体现了现代单片微控制器发展的新趋势，目前深受糟户欢迎，藤在逐渐 成为攀片凝爨界的一种錾灌流。p i c 鳆名称是p e h p h e r a l i n t e ri n t e r f a c ec o n t r o l l e r ( 磬溷 接口控制器) 的缩写旧。由此可以清楚地知道p i c 单片机的市场定位。从p i c 单片机 韵阏趁裂快速普及，广隽鼗界广为采耀，最主要的蒙霾是它其商亮整麓摹片撬系捌 1 2 第2 章系统硬件设计 芯片，可以让使用者根据不同需求选择最合适的单片机芯片；通常无需再外扩程序存 储器、数据存储器和a 转换器等乡 部芯片，这真正体现7 单片机的“单片特性， 并具有实用、低价、省电、高速、体积小、驱动强等特点，因此目前在国内市场上， p i c 系列单片机得到了广泛的应用。控制模块需要弓l 脚不多，僵性麓要求高，所以 选用p i c l 8 8 2 0 t 弱。3 0 l 。 a t 8 9 c 5 1 是美国a t m e l 公司生产的低电压，高性能c m o s s 位单片机，是m c s 一5 1 单片机的改造型。具有高速度，低价格，低功耗，低电压工侔，抗干扰能力强 等特点。 a t 8 9 c 5 1 的广泛使用，使单片机的价格大大下降。尽前，a t 8 9 c 5 1 的市场是美 国a t m e l 公司生产的低电压，高性能c m o s s 位单片机，a t 8 9 c 5 1 架构的芯片种 类很多，因它的开发应焉是不可与硬件脱节的，所以我们先要来初步认识一下 a t 8 9 c 5 1 芯片的结构和引脚功能。a t 8 9 c 5 1 单片机引脚如图2 2 所示： 图2 2a t 8 9 c 5 1 单冀视弓| 脚及功能图 具体特点和功能不尽相同核心控制芯片a t 8 9 c 5 1 具有以下主要性能： ( 1 ) 4 k b 可编程f l a s h 存储器( 可擦写1 0 0 0 次) ( 2 ) 三级程序存储器保密 ( 3 ) 静态工作频率：0 h z 2 4 m h z ( 4 ) 1 2 8 字节内部r a m ( 5 ) 2 个1 6 位定时计数器 ( 6 ) 一个串行通讯翻 ( 7 ) 6 个中断源 ( 8 ) 3 2 条的引线 1 3 青岛大学工学学位论文 ( 9 ) 片内时种振荡器 以上可以看出：由于a t 8 9 c 2 0 5 1 的i 细线很少，导致它无法外加r a m 和程序 r o m ，片内f l a s h 存储器也少，但它的体积小，根据实际需选用很方便。 下面就来看看a t 8 9 c 5 1 的引脚具体功能： 1 电源引脚 v e t4 0 电源端 g n d2 0 接地端 气耶9 c 2 0 5 1 工作电压为5 v 。 2 外接晶体引脚 外接晶体引脚图如图2 3 所示： x r a l 2 x t a l l 外部振 信号 g n d 2 外 x 砌 t 虬1 g n 0 图2 3 外接晶体引脚图 x t a l l1 9 x t a l 21 8 x t a l l 是片内振荡器的反相放大器输入端，x t a l 2 则是输出端，使用外部振荡 器时，外部振荡信号应直接加到x t a l l ，而x t a l 2 悬空。内部方式时，时钟发生 器对振荡脉冲二分频，如晶振为1 2 m h z ，时钟频率就为6 m h z 。晶振的频率可以在 1 m h z 2 4 m h z 内选择。电容取3 0 p f 左右。 型号同样为a t 8 9 c 5 1 的芯片，在其后面还有频率编号，有1 2 ，1 6 ，2 0 ，2 4 m h z 可选。大家在购买和选用时要注意了。如a t 8 9 c 5 1 最高振荡频率为2 4 m h z ，4 0 p 6 封装的普通商用芯片。 3 复位r s t 9 1 4 第2 章系统硬件设计 v c c 亡： o r r 3l _ 一 吨= = = j 8 2 k g i 图2 4 常用复位电路 在振荡器运行时，有两个机器周期( 2 4 个振荡周期) 以上的高电平出现在此引 腿时，将使单片机复位只要这个脚保持高电平，5 1 芯片便循环复位。复位后p 0 一p 3 口均置1 引脚表现为高电平，程序计数器和特殊功能寄存器s f r 全部清零。当复位 脚由高电平变为低电平时，芯片为r o m 的0 0 h 处开始运行程序。常用的复位电路如 图2 4 所示：复位操作不会对内部r a m 有所影响。 4 输入输出引脚 ( 1 ) p 0 端口f p o o p 0 7 】p o 是一个8 位漏极开路型双向i o 端口，端口置l ( 对 端口写1 ) 时作高阻抗输入端。作为输出口时能驱动8 个t t l 。 对内部f l a s h 程序存储器编程时，接收指令字节；校验程序时输出指令字节，要 求外接上拉电阻。 在访问外部程序和外部数据存储器时，p 0 口是分时转换的地址( 低8 位) 数据总 线，访问期间内部的上拉电阻起作用。 ( 2 ) p 1 端口f p l o p 1 7 1p 1 是一个带有内部上拉电阻的8 位双向i 0 端口。输 出时可驱动4 个1 r l 。端口置1 时，内部上拉电阻将端口拉到高电平，作输入用。对 内部f l a s h 程序存储器编程时，接收低8 位地址信息。 ( 3 ) p 2 端口 p 2 o p 2 7 p 2 是_ 个带有内部上拉电阻的8 位双向i 0 端口。 输出时可驱动4 个t t l 。端口置1 时，内部上拉电阻将端口拉到高电平，作输入用。 对内部f l a s h 程序存储器编程时j 接收高8 位地址和控制信息。在访问外部程序和 1 6 位外部数据存储器时，p 2 口送出高8 位地址。而在访问8 位地址的外部数据存储 器时其引脚上的内容在此期间不会改变。 ( 4 ) p 3 端口 p 3 0 一p 3 7 p 2 是一个带有内部上拉电阻的8 位双向i 0 端口。 输出时可驱动4 个t t l 。端口置1 时，内部上拉电阻将端口拉到高电平，作输入用。 1 5 青岛大学工学学位论文 对内部f l a s h 程序存储器编程时，接控制信息。除此之外p 3 端口还用于一些专门功 能： ： p 3 0 串行通讯输入( r x d ) ；p 3 1 串行通讯输出( d ) ；p 3 2 外部中断0 ( 斟仰) p 3 3 外部中断1 ( i n t l ) ：p 3 4 定时器0 输入( t o ) ；p 3 5 定时器1 输入( t 1 ) p 3 6 外部数据存储器写选通w r ；p 3 7 外部数据存储器写选通r d 。 p 1 3 端口在做输入使用时，因内部有上接电阻，被外部拉低的引脚会输出一定 的电流。 5 其它的控制或复用引脚 ( 1 ) a l e p r o g3 0 访问外部存储器时，剐慢( 地址锁存允许) 的输出用于锁存 地址的低位字节。即使不访问外部存储器，a l e 端仍以不变的频率输出脉冲信号f 此 频率是振荡器频率的1 阃。在访问外部数据存储器时，出现一个剐r e 脉冲。对f l a s h 存储器编程时，这个引脚用于输入编程脉冲p r o g ( 2 ) p s e n2 9 该引是外部程序存储器的选通信号输出端。当a t 8 9 c 5 1 由外部程 序存储器取指令或常数时，每个机器周期输出2 个脉冲即两次有效。但访问外部数 据存储器时，将不会有脉冲输出。 ( 3 ) e a v p p3 1 外部访问允许端。当该引脚访问外部程序存储器时，应输入低电 平。要使a t 8 9 c 5 1 只访问外部程序存储器( 地址为0 0 0 0 h f f f f h ) ，这时该引脚 必须保持低电平。对f l a s h 存储器编程时，用于施加v p p 编程电压。v p p 电压有两 种，类似芯片最大频率值要根据附加的编号或芯片内的特征字决定。 2 3 本章小结 本章介绍了电路系统中两个主要硬件部分，温度传感器和单片机的设计，详细 介绍了温度传感器的参数、性能、和常用的电路图，要大家对p t l 0 0 传感器有一个 详细的认识。同时把核心控制器a t 8 9 c 5 1 芯片的结构以及引