（微电子学与固体电子学专业论文）基于fpga的智能温度控制器设计.pdf

中文摘要 中文摘要 在空间生命科学模拟地面生命培养实验中，温度对于生命的生长和存活有至 关重要的影响。同时由于空间、体积、电功率的限制，选择芯片级温度控制器就 变得至关重要。本设计采用数字温度传感器d s i s b 2 0 为温度采集器，采用f p g a 实现芯片化的智能温度控制器。根据p i d 算法具有并行运算的特点，运用f p g a 实现并行结构的p i d 温度控制器，这样不仅可以解决一般温度控制器的结构复杂、 控制性能差的缺点，还可以提高运行速度。使用m a t l a b 对p i d 的各种算法进行仿 真，选择一种适合本设计的控制方法，采用v e r i l o gv i - il 语言进行编程，生成控 制模块、温度采集器等。利用功率继电器的通断作为自动开关，控制设定值与控 制输入量的关系，通过串口模块和上位机进行通讯，进一步实现在用户操作界面 上进行在线修改，时间采样、图形显示、数据保存等功能。结果表明，该温度控 制系统，测温范围在5 5 + 1 2 5 ，其中1 0 - - + 1 0 0 时精度为：t o 5 c 。 关键词智能温度控制器；f p g a tp i d 算法；v e r i l o gv h d l 语言 黑龙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t a n a l o gg r o u n di n t h es p a c e l i f es c i e n c e ，l i f ea n dc u l t u r ee x p e r i m e n t s ，t h e t e m p e r a t u r ef o rt h eg r o w t ha n ds u r v i v a lo fl i f eh a v ea c r u c i a li m p a c t a tt h es a m et i m e d u et os p a c e ，v o l u m e ，e l e c t r i c a lp o w e rc o n s t r a i n t s ，s e l e c tt h ec h i p - l e v e lt e m p e r a t u r e c o n t r o lb e c o m e sc r u c i a l t os o l v et h ea b o v ep r o b l e m s , t h ed e s i g nw h i c ha n a l o g se l e c t r i c c u p a st h ec o n t r o l l e do b j e c t , u s ead i g i t a l t e m p e r a t u r e s e n s o rd s18 8 2 0a s t h e t e m p e r a t u r ea c q u i s i t i o n , a p p l i e st h ed e v e l o p m e n to ff p g at e c h n o l o g y , a c h i e v et h ec h i p o ft h es m a r tt e m p e r a t u r ec o n t r o l l e r , a p p l i e sp i da l g o r i t h mh a st h ef e a t u r eo fp a r a l l e l c o m p u t i n g t h e 墩o f p a r a u e ls t r u c t u r eo ff p g a p 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 hc a n n o to n l ys o l v et h ec o m p l e xs t r u c t u r eo ft h eg e n e r a lt e m p e r a t u r ec o n t r o l l e rt oc o n t r o lt h e s h o r t c o m i n g so fp o o rp e r f o r m a n c e ，b u ta l s oc a l li n c r e a s et h es p e e d o nt h ep i du s i n g t h em a u a bs i m u l a t i o no fv a r i o u sa l g o r i t h m st os e l e c tac o n t r o lm e t h o df o rt h ed e s i g n , u s i n gv e r i l o gh d lp r o g r a n n n i n gl a n g u a g et og e n e r a t ec o n t r o lm o d u l e ，t e m p e r a t u r e m e a s u r e m e n t , e t c p cv i at h es e r i a lc o m m u n i c a t i o nm o d u l ea n df u r t h e ri m p l e m e n tt h e u s e ri n t e r f a c eo n - l i n em o d i f i c a t i o n , t i m es a m p l i n g ，g r a p h i c a ld i s p l a y , d a ms t o r a g ea n d o t h e rf u n c t i o n s k e yw o r d si 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 l l e rf p g ap i da l g o r i t h m v e r i l o gv h d l t h er e s u l t ss h o wt h a tt h et e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e m , t e m p e r a t u r er a n g e 5 5 + 1 2 5 ，1 0 一+ 1 0 0 t h e m w h e n t h ea c c u r a c yo f 士0 5 k e yw o r d si 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 l l e r ：f p g a ：p i da l g o r i t h r a lv e r i l o gh d l n 30叭2帅0 49i-洲y 第1 章绪论 _ _ ii i i i i i 第1 章绪论 1 1 课题背景研究及意义 在空间生命科学试验中，生命培养模拟地面环境要求，主要研究宇宙空间环 境因素，如失重、宇宙辐射、真空、高温( 或低温) 等对生命过程的影响。 其中温度对空间生命的生存有直接作用，是空间生物学研究的主要对象i l 】。同时由 于空间、体积、电功率的限制，对电功率加热器和控制电路方面尽量做到节能、 低功耗、小体积f 2 】。假设模拟地面培养箱内的温度在1 8 。这样对控制精度和芯 片必须有更高的要求。传统的温度控制方法以设定温度为临界点，超出设定允许 范围即进行温度调控：低于设定值就加热，反之就停止或降温【3 1 。这种方法实现简 单、成本低，但控制效果不理想，控制温度精度不高、达到稳定点的时间也长， 因此，只能用在精度要求不高的场合。对于空间生命科学的温度控制，这样的控 制过程远远达不到控制要求【4 】。 f p g a 是通过硬件语言描述实现并行计算功能的硬件电路。应用f p g a 实现 p i d 控制可以提高p i d 运算的速度，避免了用单片机实现p i d 控制按顺序执行命 令对运行速度延时性，非线性的影响1 5 1 。同时f p g a 实现的p i d 控制的内在电路 可以根据现实需要进行修改，提高了系统的灵活性。采用智能p i d 控制温度则具 有测量控制精度高、成本低、体积小、功耗低的优点网。将传统的电路温度控制用 芯片取代，因此利用f p g a 实现p i d 的智能温度控制具有深远的意义。 1 2pid 控制的发展历程 p i d 控制在过程控制中应用的最为广泛 7 1 。p i d 控制技术可分为两个阶段： 第一阶段是发明阶段( 二十世纪，1 9 0 0 1 9 4 0 年前叶) ，p i d 控制理论逐渐清晰，当 p i d 控制主要是用于对实际的p i d 控制器结构设计的启动控制器，以仪表行业为 重点。第二阶段是创新阶段( 1 9 0 0 年以后) 在创新阶段p i d 控制器，已经成为一 黑龙江大学硕士学位论文 个强大，可靠，并以控制器的应用开发为重点【8 】。 现阶段p i d 的实现一般有两种方法：一种是以存储器和处理器为基础，基于 软件方法实现的p i d 控制器【9 】。存储器用于存储程序，处理器取指，译码，执行指 令。随着系统规模和复杂性的增加，a s i c 逐渐被采用【埘。 p i d 控制器是由比例、积分、微分组成，具有算法简单、易于实现、不依赖于 数学模型、鲁棒性强的特点，因此p i d 控制器被广泛应用于化学化工、冶金炼钢、 机械、轻工业等工业过程控制系统中【u 】。p i d 控制的最重要的优点有以下三个方 面： 1 原理简单，技术成熟； 2 应用广泛。可以广泛应用于各种生产部门。就算是目前科技含量最高新式 的过程控制计算机，p i d 控制也是应用在其中的基本的控制； 3 鲁棒性( r o b u s t n e s s ) 。即其控制品质对被控对象特性的变化不敏感。 正是因为这些优点使得p i d 控制在技术飞速发展的今天仍有近9 0 的应用【1 2 1 。 小到家庭常用的空调，冰箱，电饭煲；大到炼钢过程中氧压，氧气流量，以及冷 却氧枪的水流量控制，都不能离开p i d 控制【1 3 】。 1 3 智能温度控制器的国内外发展现状及发展趋势 1 3 1 智能温度控制器的国内发展现状 在国内，2 0 0 2 年大连理工大学韩雪等人，提出了将d s l8 8 2 0 应用在a t 8 9 c 5 1 以及各种环境因子检测传感器构成的温室环境检测系统中。用d s l 8 8 2 0 作为测温 探头，对温室内温度信号进行采集，进而实现温室内的温度检测和对其它传感器 进行温度补偿【1 4 1 ；2 0 0 3 年西南交通大学肖衡等人，通过温度控制p i d 电路和可控 硅触发电路结合，实现了对智能温度器的控制【1 5 1 ；2 0 0 4 年武汉理工大学陈文军等， 利用f p g a 来实现窑炉温度模糊控制软硬件方面的设计，在硬件方面将数据总线、 译码单元、大部分逻辑电路集成于一片f p g a 中，缩小了印制板的面积，并提高 了系统可靠性1 1 6 1 ；2 0 0 7 年大连理工大学李垂君，将一阶、纯滞后、大惯性电阻炉 第1 章绪论 温为被控对象，以f p g a 为核心，构建p 1 d 控制系统，采用温度传感器，达到无 超标的稳定控制器，控制分辨率达到2 c ，降低了f p g a 实现p i d 控制的难度【1 7 1 ； 2 0 0 8 年广西师范大学穆振海，通过数字化一线总线技术实现了基于f p g a 的智能 温度控制器，并且利用f p o a 的可重复变成和动态在系统重构的特点，提高了设 计的灵活性和通用性【1 研；2 0 0 9 年6 月武汉科技大学范小丰，通过差偏控制法实现 了基于f p o a 的p i d 算法的炉温控制器，解决了传统温度控制器系统建模复杂， 控制性能差的问趔1 9 】；2 0 0 9 年北京邮电大学于瑾等，以a t 8 9 c 5 2 单片机为控制中 心的温度控制系统，采用d s l 8 8 2 0 为测温单元。通过a t 8 9 c 5 2 的开关量输出固态 继电器的通断调节烤箱温度并采用p i d 算法，明显改善了系统的稳定性能和稳态 响应f 2 以。 1 3 2 智能温度控制器的国外发展现状 2 0 0 9 年美国丹纳赫公司研制了一种利用p i d 控制的智能温度控制器应用在塑 料行业，它的温控精度高，温度波动小( 通常可以控制在i - o 5 1 3 以内) ，能提升产 品质量，降低废品率，节省原材料。同时该公司还针对不同冷却方式提供一种专 用控制方法，使用于水冷或风冷等复杂控制【2 l 】。2 0 0 9 年韩国奥托尼克斯公司在韩 国三星洞s o e x 举办的，韩国最大规模的半导体工业设备展示会上推出四种高精 度的温度控制器：数字p i d 温度控制器、经济性温度控制器、多通道模块型温度 控制器、高精度标准型温度控制器。这些温度控制器都是利用p i d 控制技术提高 温度控制精度和效率1 2 2 。2 0 0 9 年日本欧姆龙公司推出第3 代e 5 m n 数字式温度控 制器，使用环境温度范围为1 0 - - - ，+ 5 5 c ( 无结冰凝露) ，它具有高性能、高可视性、 简单易用、具备简易，程序功能及逻辑运算功能、指示精度高、新增加p v s v 状 态显示功能、预防保全功能1 2 3 。 2 0 1 0 年德国k s wm i c r o t e c 公司推出优化温度跟踪标签，这种温度标签带有 r f i d 芯片和集成温度传感器。r f i d 芯片具有独有的识别码和一个可配置的读写 存储器，用户可以编辑自己的数据、产品信息和地址，同时可以在各地各个时间 点同步进行温度监视，跟踪、追溯易腐败的东西，如对温度敏感的食品、饮料以 黑龙江大学硕士学位论文 及药品疫苗 2 4 1 。美国b & k 公司开发了一种虚拟传感器，这种传感器每只都有单 独的标签，标签上标有唯一的序列号，每一只传感器都会带有一张存储有关传感 器数据的软盘。使用时，可以通过计算机将温度传感器的资料经过数据采集器获 得，首先输入唯一的序列号，再将所有相关数据通过读出，最后计算机会自动完 成传感器检查、读取和记录等工作 2 s l 。 1 3 3 智能温度控制器的未来发展趋势 近百年来，温度传感器的发展大致经历了以下三个阶段：第一个阶段是传统 的分立式温度传感器( 含敏感元件) ；第二个阶段是模拟集成的温度传感器，控制器； 第三个阶段是智能温度传感器陶。在近几年中，国际上的许多国家已经研发出关 于智能温度控制器的系列产品。智能温度控制器具有可以输出温度控制量以及与 温度数据相关的，适配各种微型控制器特点；并且它是在硬件的基础上通过软件 实现测试控制功能的，其智能化程度取决于软件的开发水平 2 7 1 。智能温度传感器 最大的有点就是能对现场测量到的温度值进行数据处理和传输，并与上位机进行 数据通信【2 明。二十世纪九十年代中期智能温度控制器问世了。智能温度控制器是 在微电子技术与计算机技术还有自动测试技术的结合产物 2 9 1 。二十一世纪以后， 智能温度传感器正朝着精度高、功能强、标准化总线、安全性、可靠性、进一步 开发虚拟网络温度控制器、研制温度测量还有温度控制系统，这些高科技的方向 迅速发展【3 0 1 。 未来的发展趋势大致分为以下的几个方面： ( 1 ) 改善低精度和低分辨率 过去生产的智能温度传感器存在着精度低和分辨力差的缺点，并且均采用最 常用的8 位数模转换器【3 1 1 。现在很多智能温度器的厂家都针对提升精度和提高分 辨力方面做足了工作，分辨力达到了0 5 - 4 ) 0 6 2 5 0 c ，测温精度达到士o 5 0 c ，数模转 换器也从8 位扩展到了9 到1 2 为。很多国外的公司在现有成就的基础上，又生产 出不需要数模转换的，1 3 位二进制数据传输精度为为士o 2 0 c 、分辨力最高可达到 0 0 312 5 。c 的智能温度传感器【3 2 1 。 第1 章绪论 ( 2 ) 增加多通道功能 为了给研制和开发多路温度测量控制系统提供良好条件，许多智能温度传感 器正从单通道向多通道发展。同时新型智能温度传感器的测试功能也在不断增强， 还在芯片中增加存储功能 3 3 1 。 ( 3 ) 总线技术的标准化和规范化 总线技术实现标准化和规范化，例如：一线总线、1 2 c 总线、s mb m 总线和 s p i 总线等总线方式【蚓。 ( 4 ) 安全性和可靠性 最新开发的智能温度传感器增加了故障检测功能，能够检测外部传感器的开 路等故障检测【3 5 1 。 1 4 论文完成的研究工作 本设计针对在以往的温度控制器，在工业控制中的一些不足之处，将模糊控 制与常规p i d 控制相结合，运用模糊p i d 控制方法对温度进行控制。以电热杯为 被控对象，应用d s l 8 8 2 0 进行温度采集，采用f p g a 的e p 2 c 8 q 2 0 8 c s n 作为核 心处理器进行设计，开发了一套稳定性强，使用范围广的智能温度控制器。 本文研究的主要内容是： ( 1 ) 详细介绍了国内外智能温度传感器的开发以及应用，对温度控制的基本原 理以及特点，设计了一套集合温度采集，温度控制，温度曲线显示为一体的正能 温度控制器。 ( 2 ) 在硬件设计中，应用p r o t e l2 0 0 4d s p 绘制硬件电路、生成版图，充分考虑 到温度控制器的性能指标选择芯片，详细介绍了调试配置电路、时钟电路、复位 电路重配置电路、系统电源电路、继电器等部分的作用和原理图。 ( 3 ) 在软件设计中，应用v e f i l o gv h d l 模块化编写控制算法，温度采集器， 液晶显示器，并且通过c 撑语言利用串口模块将温度采集、控制模块以及温度曲线 显示模块与上位机连接，通过在计算机上对参数、串口等设置选择温度测量模式， 黑龙江大学硕士学位论文 达到了人机合一的效果。 ( 4 ) 利用p i d 算法中的模拟p i d 、位置型p i d 、增量型p i d 对各参数进行调试 以及电热杯的温度进行实际测量测量，选择出最适合的一种控制方法，对温度进 行控制。 完成这些工作后，要达到系统总体性能指标： 1 、温度传感器的测量范围1 0 1 0 0 ； 2 、对传感器的准确度要求控制在士o 5 灵敏度高稳定性好。 3 、启控温度可根据用户需要自行设置。 1 5 本章小结 本章主要叙述了智能温度控制的背景，国内、外的发展现状，以及智能温度 控制器的研究近况，并且对本设计所要完成的主要内容进行简要介绍。 第2 章智能p i d 温度控制算法 i i i if l l i 第2 章智能p id 温度控制算法 2 1 温度控制系统特性研究 工程生产中，模型的建立应该尽量简化，我们将温度控制中的各个参数当作 置于温度有关的函数来处理。热量的传播方向总是从高温物体传向低温物体，就 算在同一个问题内部进行热传导，也是从高温部分传向低温部分【3 6 】。电热杯加热 系统中，主要是通过电热丝产生即通过气体的相互碰撞产生热量进行热传递。温 度在传递过程中一定会存在时间延时，这个延时时间可能是由于体积的大小产生 的【3 7 】。电热杯的传递函数写成 g ( j ) = 高p 哪( 2 - 1 ) 其中参数k ：系统的放大系数、t ：时间、f 延时时间、s ：复变量。 1 放大系数k 放大系数k ，是被控对象再次达到平衡状态时，变化输出量和变化输入量的 比值【3 8 1 。在输入变化作用相同的情况下，k 值越大，变化输出量就越大，被控对 象的自身稳定性也会越差；相反，k 值越小，被控对象的自身稳定性就越好。 2 时间常数t 时间常数t ，是指被控对象受到输入影响后，输出变量达到新稳态值的快慢。 时间常数t ，决定动态过程的时间快慢，是被控对象的动态特性参数【3 9 1 。 3 延时时间t 滞后时间t 是描述这种现象的动态参数。 2 2p i d 控制器的原理和分类 2 2 1 模拟pid 控制器 p i d 控制器原理图如图2 1 所示。p i d 调节器是将设定值r ( t ) 与实际输出值y ( o 黑龙江大学硕士学位论文 作差构成偏差值e c t ) 。 ec t ) = r m y ( 2 2 ) 图2 - 1p i d 控制器原理图 f i g 2 - 1s c h e m a t i co f p l dc o n t r o l l e r 控制量是由比例、积分、微分线性组合构成，简称为p 、i 、d 调节器。p i d 调节器公式为 啪= 玳( f ) + 砉西+ 争+ ( 2 - 3 ) 式中u ( 0 输出量； e c t ) 设定值k t ) 与反馈值y ( 0 的偏差； 乃陕分时间； 弓微分时间； 群增益。 在实践中，根据被控制对象的特性和控制要求，可以通过改变结构，构成另 一种控制规律1 4 0 。例如比例调节器，它对于偏差e 是即时反应的，偏差一旦产生， 调节器立即产生控制作用使被控量朝着减小偏差的方向变化；比例积分调节器， 是为了消除在比例调节中残存的静差：比例积分微分调节器，主要是能改善系统 的动态性能。 第2 章智能p i d 温度控制算法 2 2 2 数字pid 控制器 数字p i d 控制是从模拟p i d 控制转化而来的，在计算机上处理对采样时刻进 行采样，再对采样值进行处理。这样就需要将模拟量进行离散化处理，其中的积 分和微分量要运用近似逼近的方法处理，对模拟量调节的基础上，用求和代替积 分，用后向差分代替微分，使模拟p i d 离散化变为差分方程，保证控制的准确性。 可作以下近似： 甜o ) 矧甜( 七) e ( f ) e ( 七) 渺丢k 死( 力 d e c t ) 矧e ( k ) - e ( k - 1 ) 出 丁 式中丁采样周期：七采样序号。 ( 2 4 ) 用这种近似的方法可以得到两种p i d 控制算法，可以分为数字p 1 d 位置型控 制算法和数字p i d 增量型控制算法。 1 数字p i d 位置型控制算法 数字p k ) 位置型控制算法，公式： 七 ”( 七) = k p e ( k ) + k j e ( j ) + k d e ( k ) - e ( k - 1 ) + u o ( 2 - 5 ) 1 , o 其中，p ( 七) 输入端： p ( 力第k 时刻的偏差； “( 七) 第k 时刻的输出： k 积分系数，墨= 巧吾； 局叫分系数，局= 孕。 由式2 - 4 得到的结果为全值输出，也就是每个位置输出值与执行机构( 如阀门 黑龙江大学硕士学位论文 的开) 一一对应，因此它被称为基于位置的数字p i d 控制算法【4 1 1 。实现的位置型 p i d 的闭环系统模型如图2 - 2 所示 图2 - 2 位置型p m 的闭环系统模型 f i g 2 2c l o s e d - l o o ps y s t e mm o d e lo f p o s i t i o nt y p ep i d 2 数字p i d 增量型控制算法 增量型算法就是对位置型算法取增量，得到数字p i d 增量型控制算法为： a u ( k ) = u ( k ) - u ( k - 1 ) = k p 【p ( 七) 一p ( 七一1 ) 】+ k p ( 七) + j ，d 【p ( 七) 一2 e ( 七一1 ) + p ( 七一2 ) 】 ( 2 - 5 ) 式中巧比例增益； k = 巧争积分系数； ” _ l 个 局= 巧等微分系数。 增量式算法提供了控制量的增量形式，所以称为数字p i d 增量型控制算法。 增量型算法实现的闭环系统如图2 3 所示。 图2 - 3 增量型p i d 的闭环系统 f 培2 - 3c l o s e d - l o o ps y s t e mo fi n c r e m e n t a lp i d 利用数字p i d 增量型控制算法，可以得到数字p i d 位置型控制算法递推式： u ( k ) = 甜( 七一1 ) + l | ( 七) ( 2 - - 6 ) 第2 章智能p i d 温度控制算法 与位置型相比，增量型p i d 控制算法的优势是显而易见的 4 2 1 。第一，位置型 每次输出与整个过去状态有关，计算式中要用过去的偏差的累加值，容易产生较 大的计算误差。在增量型中消除了积分项，因此可以消除控制器的积分饱和，在 精度不足的情况下，计算误差对控制量的影响很小，容易取得较好的控制效果( 只 存在三个偏差值即可) 4 3 】。第二，增量型算法得到的是控制量的增量，例如阀门 控制中，只输出阀门开度变化的部分，如果计算机出现故障，误动作影响小，必 要时可以通过逻辑判断来限定本次操作的输出，不会影响系统的正常工作。基于 位置型算法的输出是控制量的全量输出，如果计算机出现故障，误动作影响大 4 4 1 。 第三，在实现手动自动切换时，采用增量型算法不会出现项，因此更易于实现 从手动到自动的无扰动切换。总言之，在实际控制中，增量型算法要比位置型算 法应用更为广泛【4 钉。 2 2 3 数字p id 控制算法的改进 人们在模拟p i d 调节器的长期使用中，总结了很多p i d 控制器应用方面的经 验，并针对不同的对象的要求，进一步对p i d 控制器进行了改良和完善，与计算 机应用相结合，使原来许多在模拟p i d 调节器中无法实现的问题，通过数字p i d 控制器中得到了解决，产生一系列改进型的p i d 算法湖。例如：积分分离式p i d 控制算法；不完全微分的p i d 控制算法；微分先行p i d 控制算法；时间最优的p i d 控制算法；带死区的p i d 控制算法和变速积分p i d 控制算法。从智能p i d 自整定 算法的角度来看，智能p i d 的自整定主要控制方法主要是由神经网络的p i d 自整 定、专家式智能自整定p i d 控制和模糊控制的p i d 自整定组成的。 1 神经网络的p i d 自整定 神经网络又被称为人工神经网络，它是用于模拟人脑思维活动过程的一种将 神经元按照某种规则连接组成的系统f 4 7 l 。神经网络的p i d 自整定是神经网络直接 通过权系数间接调节的控制器。神经网络的p i d 控制器是由三层神经网络、神经 网络识别器和被控对象组成。系统的两个输入是由系统设定值和系统输出值 黑龙江大学硕士学位论文 h y ( k ) 组成，通过三层神经网络送入神经网络识别器在线识别，而且在三层神经网络 里能够对p i d 控制中的三个参数进行优化。神经网络的p i d 自整定原理图，如图 2 4 所示 图2 _ 4 神经网络的p i d 自整定 f i g 2 - 4s e l f - t u n i n gp i do f n e u r a ln e t w o r k 2 专家式智能自整定p i d 控制 专家式控制是利用专家对某一领域大量的专家经验和水平，应用在对某一专 门任务的计算系统中，利用专家的水平解决这一领域的问题【4 阳。专家式智能自整 定p i d 控制是由模式识别器、特征值比较器、专家系统推理器和p i d 调节器组成， 其控制原理为，系统受n 多 l - 界干扰的情况下，将偏差e 的时问特性送入模式识别 器输出值为e i 、e 2 、e 3 ，然后将e l 、e 2 、e 3 送入特征值比较器与设定好的特征值进 行比较输出比较后的偏差值a e l 、a e 2 、a e 3 ，再将a e l 、a e 2 、a e 3 送入专家系统 推理器，专家系统在线推理出偏离特征值的校验值l 【p ，a k i ，k d ，最后将这三 个变量送入p i d 调节器，修正调节参数。专家式智能自整定p 1 d 控制原理图如图 2 5 所示。 第2 章智能p i d 温度控制算法 图2 5 专家式智能自整定p i d 控制 f i g 2 - 5 s e l f - t u n i n gp i dc o n t r o lo f e x p e r ti n t e l l i g e n t 3 模糊控制的p i d 自整定 模糊控制是以模糊数学为基础，借助硬件处理实现的。模糊控制是模仿人脑 思维方式，以计算机代替人脑的一种控制【4 9 】。为了能够更好的诠释人脑的思维过 程，将人脑产生的模糊控制语句编译成机器语言，将接收到的信号模糊化，再将 模糊后的信号转换成模糊控制语句j 完成模糊推理。模糊p i d 自整定控制器的基 本原理是应用模糊推理机实现p i d 参数的在线自整定，系统的偏差为e ，偏差变化 图2 - 6 模糊p i d 控制系统结构图 f i g 2 - 6s y s t e ms t r u c t u r eo ff u z z y p i dc o n t r o l 率为。首先确定控制器酶、k i 、k 与e 、的模糊关系，然后不断检测e 、e c ， 根据模糊控制的规则对k p 、k i 、进行在线修改。偏差e ，偏差变化率e c 是p i d 调节器的输入，k p 、k i 、k 是输出。控制器的整定好坏取决于参数整定的规则以 黑龙江大学硕士学位论文 及经验获得的参数整定规则是否有效。模糊p i d 控制系统结构图如图2 - 6 所示： 4 p i d 控制的局限性 p i d 控制是建立在数学模型上的一种控制系统，只要有效的调节好三个参数的 关系就能达到很好的控制效果，但是在实际应用中也存在着不足： ( 1 ) 由于被控对象的迟滞性、非线性和时变性的特点，因此有时很难得到确切 的状态方程和传递函数； ( 2 ) 在外界存在噪声和干扰的情况下，参数会明显变化，这样固定不变的参数 就很难实现理想的控制效果； 基于上面分析的原因和实际控温的要求，采用增量式p i d 控制器对温度进行 控制，增量式控制器是在传统的p i d 控制器上发展起来的，只是真对上一时刻的 增量进行控制，保证了系统误差，不会超出误差范围刚。 2 3 系统仿真分析 电热杯的工作范围一般在1 0 1 0 0 ，控制要求使系统达到设定值的调节时间 短、超调量小、稳态误差小。设定电热杯传递函数中的延时时间f 为3 0 、时间t 为2 0 0 k 的值为5 1 。通过s i m u l i n k 创建p i d 控制体统仿真图对不同参数进行仿真 得到理想的效果。电热杯p i d 控制系统仿真结构图如图2 7 所示。 图2 - 7电热杯p i d 控制系统仿真结构图 f i g 2 - 7s y s t e ms i m u l a t i o no f p i dc o n t r o lo f e l e c t r i cc u ps m l c t u r c 第2 章智能p i d 温度控制算法 m l l m l l l | ii i ii i i i i i | | 不同的设定值在电热杯p i d 控制系统仿真结构图中，对三个参数设定值，设 定的延时时间为3 0 秒，设定温度值为7 3 c 时，当p 、i 、d 三个参数设定为l = 1 2 、 k i = 0 0 0 3 、k d ：o 0 0 3 时，得到的曲线如图2 - 8 所示： 呻i i ； ， f l | | | j | l 黑龙江大学硕士学位论文 的超调量为1 。由此可以看出不同的参数值设定对温度曲线的影响效果不同。 2 4 本章小结 本章针对温度控制模型的特性，展开讨论有关p i d 控制的特点以及工作原理， 根据本设计的要求选择了增量式p i d 控制器作为控制基础，为后面的软件设计提 供了有力的支持。 第3 章智能温度控制系统的硬件设计 第3 章智能温度控制器系统的硬件设计 3 1 系统总体方案设计 3 1 1f p g a 与d s l8 8 2 0 结合的目的 温度，是一种具有惯性大、滞后性大、非线性和时变性强等特点，因此传统 的控制方法想达到很高的控制要求是很难实现的【5 1 1 。在控制过程中，在温度不断 变化的过程中，环境在不断的变化，同时随着加热和降温，加热器件的特性也会 变化，这些都是导致温度时变的原因；温度升高外界环境对加热系统吸收热量的 程度不同，直接导致了温度的非线性变化【5 2 1 。但是随着科学创新，工业发展的强 烈需求，各行各业对温度控制的适应性、精度、稳定性方面都提出了更高层次的 要求，同时使温度控制进入了智能化的阶段1 5 3 】。 d s l 8 8 2 0 温度传感器是数字型的温度传感器酬。在温度采集时，不需要通过 模数转换器对温度值进行转换，而且在使用时不需要温度校准，就可以直接连接 到电路中，因此为硬件电路搭建提供了很大的方便，可以使硬件电路结构简化。 同时，d s l 8 8 2 0 温度传感器还具有速度快，精度高，成本低的优点【5 引。 f p g a 有丰富的f o 引脚和触发器的资源，同时还具有动态重构、可反复编程 的特性，并且可以利用计算机对器件进行功能仿真嗣。仿真过程中如果出现问题， 可以及时调整设计方案，极大的提高了f p g a 的灵活性和通用性。f p g a 还具有体 积小、集成度高、结构标准化、可移植性好和并行运算的优点【5 7 】。 如果将f p g a 和d s i g b 2 0 结合，利用f p g a 控制器实现d s l 8 8 2 0 温度传感 器的温度采集和控制处理的工作再结合p i d 智能控制，不但可以提高温度控制的 速度、精度，而且还可以提高系统的稳定性。 黑龙江大学硕士学位论文 3 1 2 系统需求分析 本设计以电加热杯为例对加热设备进行模拟分析。由于电加热杯具有非线性、 时变性、滞后性、不对称性，因此对电加热杯温度进行控制是典型的过程控制。 p i d 控制必须同时满足参数整定准确和系统不发生剧烈变化的情况下，才能得到 理想的控制精度。然而对一般的电加热炉温度控制系统来说都难以满足为了避免 温度加热过高而造成的水烧干，温度加热过高的情况，对温度的检测、实现自动 恒温控制有着非常重要实际意义。针对功能需求，进行系统总体方案设计时首先 针对控制温度的要求，选择控制温度的方法，然后选择一种合适的温度传感器， 最后确定硬件电路，根据需要选择合适的主芯片和传感器，完成系统具体的软硬 件设计。 1 温度传感器的选择 过去，经常采用模拟温度传感器，比如a d 5 9 0 等。这样必须通过适当的放大 电路以及模数转换器才能将模拟信号转换成数字信号，再送入单片机中。这样就 需要对模数转换器进行设计，而且后续处理电路复杂、可靠性相对较差、测量准 确度低，导致后期制作成本增加同时还增加了工作量和温度传感器的接线程度姗。 本文采用数字类的温度传感器d s l 8 8 2 0 。d s l 8 8 2 0 为一线总线数字式温度传 感器，可以直接将温度信号转换为数字量，测温分辨率可达到0 0 6 2 5 ，被测温 度用符号扩展的1 6 位数字量串行输出【铡。大大提高了系统的抗干扰性，并降低了 制作成本，适合于恶劣环境的现场温度测量1 6 0 。 2 系统主芯片的选择 整个系统的主芯片采用f p g a 即现场可编程门阵列，f p g a 在结构上由逻辑功 能块排列为阵列，并且有可编程的内部连线连接功能块实现的一定的逻辑功能。 f p g a 由掩膜可编程门阵列和可编程逻辑器件演变而来，它具有门阵列的高逻辑密 度和通用性，还具有用户可编程的特性【6 。 本设计的f p g a 主芯片为采用a l t e r a 公司推出的c y c l o n e 系列的芯片 e p 2 c 8 q 2 0 8 c s n 作为核心处理器进行设计。c y c l o n e 系列芯片可以说是市场上 第3 章智能温度控制系统的硬件设计 宣i i i i i 葺萱i i i i i i i i i i i 宣墨i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 宣i i 暑i 宣宣宣i 置i i i i l 性价比最高的芯片，内部的逻辑资源达到4 2 万门，c y c l o n ei if p g a 比上一代成本 低3 0 ，芯片e p 2 c 8 q 2 0 8 c 8 有8 2 5 6 个逻辑单元( l e ) ，提供了全功能的锁相环 ( p l l ) ，同时还拥有1 3 8 个f o 口，这些接口用于连接标准的外部存储器器件以 及连接差分和单端i o 标准，适用于实现低成本数字信号处理( d s p ) 应用，还具有 成本低和方便的特点 6 2 1 。所以本设计考虑到以上特点，选择e p 2 c 8 q 2 0 8 c 8 n 芯片 作为本设计的主芯片。 3 1 3 系统需求分析 本设计应用f p g a 控制温度整体框图如图3 1 所示。硬件系统可以由两部分组 成，一部分是信号采集装置，主要是由温度传感器、u a r t ( * 行数据通讯电路) 组 成，另一部分是信号处理装置，主要由j t a g ( 联机测试的接口) 、液晶显示器、f p g a 、 上位机、继电器、报警器、电源管理。本章将对总体设计进行分块的说明。 图3 - 1 f p g a 控制温度整体框图 f i g3 - 1t h e o v e r a l lb l o c kd i a g r a mo f m e 同p g at e m p e r a t u r ec o n t r o l 本方案可以实现f p g a 对电热杯温度的控制。利用温度传感器d s l8 8 2 0 对温 度进行采集，将采集后的温度送入f p g a 中，f p g a 控制液晶屏实时显示温度曲线 变化，同时将温度值通过串口发送给上位机。上位机交互界面可设定温度值，经 由串口传到f p g a 中，如果没有到达设定值就控制加热装置继续加热，继电器导 通；加热温度超过设定值时，报警器报警，控制加热装置停止加热，继电器关断。 液晶显示器主要功能是显示温度的设定值和实际值。实际上，温度变化的快 黑龙江大学硕士学位论文 慢主要是通过改变通断的频率( p w m ) 来调节的，也就是通过调节p i d 参数调整 继电器输出频率即p w m 方波输出频率。 电源管理部分为整个系统提供了稳定的电源电压，下载与调试接口即t i a g 接口用于将程序下载到f p g a 中。在f p g a 和上位机之间通过c p 2 1 0 2 芯片连接进 行通信实现r x 2 3 2 通信。 3 2 系统结构 在整个设计系统的硬件中主要包括e p 2 c 8 q 2 0 8 c 8f p g a 、调试厩置电路、时 钟电路、复位电路重配置电路、系统电源电路、继电器、外存储器、l e d 、独立 按键和拨码开关等构成。 3 2 1 调试配置电路 下载调试接口电路图如图3 - 2 所示。一般的f p g a 有两个下载接口：j t a g 调 试接口和a s 模式下载接口【6 3 】。j - t a g ( j o i n tt e s ta c t i o ng r o u p ) 是一种国际标准测试 协议( 匝e e1 1 4 9 1 兼容) 。通常所说的y i a g 基本可以分为两类，一类用于测试芯 片的电气特性，检测芯片是否有问题：一类用于d e b u g ，即程序调试 6 4 1 。f p g a 是 s r a m 型结构，本身不能固化程序。所以在把程序固话到芯片上之前，先使用t i a g 模式调试程序，就是将程序下载到f p g a 芯片上运行，虽然j t a g 模式再断电后程 序将完全丢失，但是充分体现了f p g a 的无线可擦鞋性 6 5 1 。j t a g 接e l 由4 个必需 的信号t c k 、t d o 、t m s 和t d i ，以及1 个可选的信号t r s t 构成。其中：t c k ( 引脚1 ) 是测试时钟：t d o ( 引脚3 ) 用于测试数据的输出；t m s ( 引脚5 ) 是 模式控制管脚，决定j t a g 电路内部的t a p 状态机的跳变；t d i ( 引脚9 ) 用于测 试数据的输入；t r s t 是一个可选信号，如果y i a g 电路不用，可以将其连到g n d 。 为了避免j t a g 接口调试的不足，一般情况下f p g a 需要一片f l a s h 结构的配置芯 片来存储逻辑配置信息，用来进行上电配置。通常采用串行( e p c s x 系列) 的配 置芯片，因为串行e p c s x 系列芯片与并行e p c x 系列芯片相比具有体积小，价格 低的特点。a s 模式下载接口，就是先将程序下载到配置芯片上，然后再配置f p g a ， 第3 章智能温度控制系统的硬件设计 进而避免了断电后程序完全丢失的缺点。建议调试阶段采用j t a g 模式；调试结束 后，程序固化的时候才使用a s 模式【响。 豫 掣。卜一、_ ； 站聊。c 马p 1 j j t m sn c 坷cn c ： ： u i i ： 慧=千- 峨时， t d lg n d ：呦1 ， 砌 f c l c i ：；j - ：藏巧矿 。： ： t d o 二l 二 t d o ：? l l ，。： ；， 7 ：。 t c k 1 8 t 粥1 7 二 ，t 匹 i ：。： n b ： 名j ；t ：砖：；年妊：。 畔- d a t , i , o t 遮；鼯g 瑚旺； d c 噬u 一 一 ，i 笛一 m 舢 1 崛i c o n 玎g 5 节：c 4 ! 上 二 m 蚴、 d t o7 n蠢z 1 厂i t 1 啤一l 戚。蕾一 薯l o d t o 口t _ c s登i 哆上 z ： s d o n n 、b ： t-h