基于C8051F340的温控仪表设计.pdf

自 动 化技 术 与 应 用 2 0 1 0 年 第2 9 卷 第1 2 期 仪 器 仪 表 与 检 测 技 术 I n s t r ume nt a t io n a nd Mea s u r m e n t 基于 C 8 0 5 1 F 3 4 0的温控仪表设计 程 鹏 刘金雷 吴嘉澍 江南大学物联网学院 江苏 无锡2 l 4 1 2 2 摘要 针对一类温控对象的特点 采用改进型单神经元P I D算法 设计 一种以C8 0 5 1 F 3 4 0为核心的温度控制仪表 得到 在仿真环 境下的的测试数据和图形 经实验证实该温控仪表对加热炉等温控对象具有很好的控制效果 关键词 智能温度控制器 大滞后 改进型单神经元P I D 温度采集 C 8 0 5 I F 3 4 0 中图分类号 TP 2 1 6 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 3 7 2 4 1 2 0 1 0 1 2 0 0 5 8 0 4 De s i g n o f T e mp e r a t u r e Co n t r o l Me t e r B a s e d o n C8 0 5 1 F 3 4 0 CHENG Pe n g LI U J in l e i W U J ia s hu I n t e r n e t o f T i n g s J ia n g n a n U n iv e r s it y Wu x i 2 1 4 1 2 2 C h in a Ab s t r a ct I n a l l u s io n t o o n e o f ch a r a ct e r is t ics f o r t e r n p e r a t u r e co n t r o l o b j e ct t h e t h e s i s a d o p t s mo d if i e d s in g l e n e u r o n P I D a l g o r it h m d e s ig n s a n e w t y p e t e mp e r a t u r e co n t r o l in s t r u n l e n t u s in g C8 0 5 1 F 3 4 0 a s t h e c o r e a n d p l o v id e s t h e t e s t d a t a a n d g r a p hi cs i n t h e s imu l a t i o n e n v i r o n me n t Th e e x p m i me n t co n f ir ms t h a t t i ffs n e w me t e r h a s a g o o d co n t r o l e f f e ct o n t h e t e mp e r a t u r e co n t r o l o b j e ct s u ch a s f u r n a ce Ke y wo r ds in t e l l i g e n t t e mp e r a t u r e c o n t r o l l e r l o n g t i me d e l a y s in g l e n e u r o n P I D t e mp e r a t u r e a cq u is i t i on C8 0 5 1 F3 4 0 1 引言 在 化工 塑 料 制药 等行业 中 由于大 部分 温度对 象的大滞后性 时变性以及 非线性影响 对他们的温 度进行精确控制非常困难 通常情况下 要控制到理 想效果 或者是用温度仪表 再由经验丰富的老师傅专 门调试和操作 或者是用计算机编制专 门的软件进行 控 制 现有 设 备 中 缺少 一 种 操 作方 便 性 价 比高 的 专用温度控制仪表 针对此类对象 进行控制 本文在 s O c 技术的基础上 设计了一种具有智能控制效果的 温控仪表 2 系统 原 理框 图 被测温度 由 P t i 0 0接入放大电路 放大 电路对输 入信号进行放大后 接入 C8 0 5 1 f 3 4 0中的 A D转换电 路 转 换结 果经 智能 控制 算法计 算后 输 出到 4 2 0 mA输出电路或开关量输出电路去控制相应的阀动 收稿 E l 期 2 0 l 0 1 0 2 1 作 以此 来 调 节 温 控 对象 的 温度 键 盘 和 显示 电路提 供 温 控对 象 的 温度 显 示和 设 定 温度 的修 改 4 8 5通信 电路与上位机相连 上传 测量参数 和下传设定参数 组 态 信 息 等 隹 3 系统 的硬 件设计 本设 计采 用 S il ico n L a b s 公 司 的 C 8 0 5 iF 3 4 0作为 CPU l l 结合测量桥路和信号调理放大 电路 键盘和 显示 电路 以及输 出量转换 电路等 完成整个系统 的硬 件 设 计 匡 翌 仪 器 仪 表 与 检 测 技 术 I n s t r u men t a t io n an d Me as u r men t 自动化技术与应 用 2 0 1 0年第 2 9卷第 1 2期 3 1 测试电桥和调理运算放大 电路 对温度测量的铂电阻采用三线制桥式接法 可以有 效避 免导线 电阻对测 温的影 响 这也是 工业现 场的常用 接法 放大 电路采用运放 L M2 9 0 2接成 差动输入 单端 输出的放大电路型式 这样可以避免采用专门的仪用放 大器 芯片 从 而 降低成本 图 2 测量桥路和信号调理放大 电路 图中 R5 R6 R7与 X1 l X1 2之 问连接 的铂 电 阻组 成 一 个 测 量 桥 路 其 输 出信 号 经 过 滤 波 接 人 U 3 A和 U 3 B构成的跟随器 跟随器的输出信号输入 比 较器 U 3 C来进行信号的放大 R1 8是调节放大倍数的 电位器 3 2 键盘和显示电路 键盘和显示 电路采用专用芯片 Z L G 7 2 9 0作为 键盘 接口及L E D驱动 引 以减轻 C P U的开销 仪表屏上设置 了二排各 4位数码管分别显示测量值和给定值 3 3 输出量转换电路 设计 中4 2 0 ma转换电路用运放组成 避免采用专 用芯片 降低 成本 图3 4 2 0 ma 输出电路 单片机输出 0 5 V 电压 通过电压跟随器 U5 A后接 入放大器 U5 B 在 U5 B的 7 脚输 出电压 该 电压 与 R5的 上 的 1 2 V 电压 构成 回路 通过 R5 R6取均值 电压信号 将其输出给 U5 C的 9脚 与 U5 C的 1 0脚比较后 由 U5 C 的8 脚输出 然后调节 Rl 5 来校正输出电流的下限4 ma 调节 R3 校正输出电流的上限2 0 ma 4 系统 的软件设计 4 1 软件流程 系统 的软件是在 k e il u v is io n 2 开 发环境 下 用 C语 言编写 采用模块化设计 整个软件程序包括 数据采 集模块 L E D显示模块 按键模块 数据处理及输出模 块l 3 主程序流程图如下图所示 系统初始化后 默认 采用上 次正 常工作 时的温控 值和控 制参数 用户可 以根 据 温控对 象 对其 进 行修 改 图4 主程序流程图 4 2 改进型的单神经元 自适应P I D 控制器及学 习算法 控 制 算 法 在 整 个 软 件 设 计 中 占有 重 要 地 位 本 自 动 化技 术 与 应 用 2 0 1 0 年 第2 9 卷 第l 2 期 仪 器 仪 表 与 检 测 技 术 I n s t r ume n t a t ion an d Mea s u r men f 仪表设计 中采用单神经元 自适应 PI D控制 引 如图 5所 示 图5 单神经元自适应 P I D控制器 4 2 1 有监督的He b b 学习规则 设计中采用有监督的 He b b学习规则 该算法中 权值系统 与神经元的输入 输 出和误差信号有 关 其学习规则为 其中 七 w i k 1 w i k I 1 2 3 是为了保证该 学 习算法 的收敛而 进行 的规 范化处 理 4 2 2 系数K自调整方法 由于 温度对 象本身的大滞 后 大惯性对学 习速 度和抗干扰能力要求高 在采用上述算法时 比例系 数 对神经元系统品质起着十分重要的作用 其取 值 与系统动态响应和稳定性都有密切 的联系 较 小时 系统响应慢 超调量减小 较大时 系统响应 快 但超调 量 增大 调 整 时 间长 所 以 不 能 取得 太 小 否则响应过慢 同时 也不能取得过大 否则容 易振 荡 为使系统具有在线自调整功能 提出了一种比例系 数 K 自调整方法 引入调整 因子 S 同 S k 采用 S ig mo id 函数 加入调整因子之后 K 的取值可表示为 K S 足 足一1 2 M 忌 南 3 式 3 中 M为调整因子取值上限 为一常量 其值可 由现场实验确定 根据偏差 e K 的大小来确定调整因子 S 的取值 偏差e 越大 调整因子的值也越大 以使 响应加快 但调整因子不会超过 M 由于比例系数 K具 有在线自适应调整作用 很好地避免了较大超调的出 现 同时增强了单神经元 自适应 P I D控制的鲁棒性和学 习速 率 4 2 3 算法的嵌入与简化 单神经元 自适应 P I D控制算法相对来讲是一种较 为复杂的运算 直接要在单片机中实现该算法 由于单 片机硬件结构的限制 比较困难 所以我们在实际应用 中除了对硬件电路进行规划外 还要对其算法进行适当 修改 首先将算法 中的 S ig mo id函数 进行多项式函数 拟合 例如在调整因子 中 由于 e 指的就是偏差 当M 取值为 1时 函数等同与S 对其进行多 14 e i x 1 项式拟合 则可得 嘶 2 2删 4 鬻 6 I 0 其拟合后的与 的数据存在一定的误 差 该误 差是在 允许范 围 内 当 C 8 0 5 1 F 3 4 0单片机 采取 系统 频率为 内部 晶振 2 4 M 时 表 1 函数数据对比表 S iB o id函数 1 1 酣 鞑 式 南 运 算 结 果 j D J j 运算结果 x 1 0 6 单步运算时间4 7 0 8 多项式 拟舍 函数 0 O 0 4 1 x 一0 0 6 0 3 x 0 2 9 9 2 x 0 4 8 8 4 从表中可以看出 简化传递函数后 运算时间得到 减少 减轻了单片机的运算负担 同时我们从随机的一 个运算结果 x 2 0 1 3 可以看出 计算的精确度出现了一 定偏差 两种计算结果存在一定的差别 但是从工业控 制的要求上来讲 这样的差别在一定范围内是不影响控 制效果的 是符合实际需要的 5 仿真结果及其分析 对 1 2 0 0 W 的电烤箱加一个 2 V电压的的阶跃输入其 响应曲线如图 6 从响应曲线可以看出电烤箱的数学模 一 一 仪 器 仪 表 与 检 测 技 术 I n s t r u men t a t io n a nd Me as u r men l 自动化技 术与应用 2 01 0年第 2 9卷第 1 2期 型可以近似为一阶惯性滞后模型 G e 根 据科恩 一库恩 C o h n C o o n 公式计算受控对象特征参数 K 和 从阶跃响应提取对象特征参数的 C o h n C o o n公式如式 5 K A y A R y 一 A R 1 5 0 6 3 2 t 0 2 8 3 1 t f 5 5 28 0 632 3 j 一 式中 y t o 2 8 0 2 8 A y t o 6 3 2 0 6 3 2 A y可以 参照图6 的标识 通过计算得到K 5 5 T 4 8 0 s 2 0 0 s 即电烤箱的近似数学模型是 G 4 8 0 s 1 P 2 I4O 1舶 姜 4 O O 图 6 1 2 0 0 W 电烤箱的阶跃响应曲线 同一阶跃 信号下 对改进 后的 单神经 元 自适应 PI D 控制器与传统 的 P I D控 制器在 MATL AB上 进行仿真 将得到 的控 制 曲线进行对 比 对 比图如 下图 7所示 1 4 0 1 2 0 1 0 0 已B o 6 o 4 0 2 0 f T 厂 营标值 带 D 教进豹尊摊经元P l8 0 5 D 0 1 0 0 0 1 S 2 O 础 3 O O O fi mMs 图 7 仿真曲线 上 图中 实线为传统 P I D 测试 曲线 虚线为采用 多项式拟合改进的单神经元 PI D曲线 从图中可以看 出 改进后 的单神经元 自适应 P I D控制效果在上升时 间 调 节 时 间和超 调 量 都优 于 P I D控 制 器 其 中改进 的 单神 经 元 PI D 的上 升 时 间 t 为 2 5 0 s左 右 调 节 时 间 5 误差范围 t 为 5 0 0 s 左右 超调量 不足 5 并且 改 进 后 的 单 神 经 元 自适 应 PI D 可 以避 免 单 神 经 元 的复杂计算 易于在单片机这样的嵌入式系统 中得 到 应 用 6 结