【JP063】MCS-51单片机智能温度控制系统设计[KT+RW+FY]
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【JP063】MCS-51单片机智能温度控制系统设计[KT+RW+FY],jp063,mcs,51,单片机,智能,温度,控制系统,设计,kt,rw,fy
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毕业设计 (论文 )开题报告 信 电 系 工业电气自动化 专业 04 级 1 班 课题名称： 片机智能温度控制系统设计 毕业设计 (论文 )起止时间： 2006 年 2月 10日 6月 8日 (共 17 周 ) 学生姓名： 林晋斌 学号： 10 指导教师： 黄云龙 廖东进 朱秋琴 报告日期： 2007年 3 月 1 日 信息与电子工程系毕业设计（开题报告） 1 一、本课题所涉及的问题在国内 (外 )的研究现状综述 （模糊控制） 1. 模糊控制理论概述 传统的自动控制，包括经典理论和现代控制理论都有一个共同的特点，即控制器的综合设计都要建立在被控对象准确的数学模型 (如微分方程，传递函数或状态方程 )的基础上。但是在实际工业生产中，建立精确的数学模型特别困难， 甚至是不可能的。特别是对于具有非线性、时变、纯滞后等特点的温度控制系统，常规 不到较好的动态控制性能。这种情况下，模糊控制的诞生就显得意义重大。 2、 制的原理及特点 在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称 称 制器问世至今已有近 70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用 制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用际中也有 用比例、积分、微分计算出控制量进行控制 的。 3、模糊控制国内外发展动态 国外最早取得应用成果的是 1974年英国伦敦大学教授 先利用模糊控制语句组的模糊控制器，应用于锅炉和气轮机的运行控制，在实验室获得成功，标志着模糊控制的诞生。随后， 1975 年，英国的 E. H. 模糊控制系统应用于工业发酵过程的温度控制中； 1979 年，英国的 究了一种自组织的模糊控制器，它在控制过程中不断修改和调整控制规则，使得控制系统的性能不断完善 ;1983年，日 本学者 M. 基于语言真值推理的模糊逻辑控制器，应用于汽车速度的控制，并且取得成功。 模糊控制技术与传统 早提出了一般模糊控制器和 制器的相似性 ;制角度，提出了 种形式的模糊控制器，随后各种模糊 明了各类 糊控制器是可变增益的非线性 制器， 刘向杰等还采用信息与电子工程系毕业设计（开题报告） 2 器，并用于退火炉燃烧过程中 ;1988 年，河北廊纺市工具厂李利民、王金奎研制的高温盐浴炉微机控制系统以磁性调压器作为执行元件，采用 炉温在 11001300范围内任意调节，误差小于土 20 ; 1989 年，武汉铝厂郑恭恒、沈协和用单片机实现炉温控制，采用 结合的控制算法，达到了升温速度快，超调量小的控温效果 ;1997年，吉林工业大学吕俊伟、王文成、黄海东研制的模糊一 控制器用于渗炭炉温度控制系统，缩短了升温时间，大大提高了控制精度，最大超调量小于 1 。 4、模糊控制的发展趋势 当代模糊控制技术己经进入新的发展阶段。 1984年美国推出“模糊决策支持系统” ;日本则进入模糊控制实用化时期： (1)过去将大型机械设备和生产过程作为对象，而目前已经面向大众，如电视摄像机自动调焦等家用电气设备。 (2)向复杂系统、智能系统、人类与社会系统以及自然系统等方向扩展。 (3)在硬件方面进一步研制模糊控制器、模糊推理等专用芯片，并且开发“模糊控制用的 通用系统”。 模糊控制技术发展至今，仍然存在以下主要问题 : (1)模糊控制在非线性复杂系统应用中的模糊建模、模糊规则的建立和模糊推理算法的深入研究。 (2)由于复杂模糊规则的相互作用，使得到的合成推理算法具有相当程度的非线性性能，致使模糊控制效果不够理想。 (3)模糊控制系统的稳定性理论探讨。 (4)自学习模糊控制策略和智能化系统结构及其实现。 (5)简单、适用且具有模糊推理功能的模糊集成芯片和模糊控制装置、通用模糊控制系统的开发和推广应用。 今后控制 理论面临的突出问题是既要继续发展自身的理论，又要在应用方面留下实实在在的成果。模糊控制模糊专家系统模糊控制工程将是构成未来系统的重要途径。 信息与电子工程系毕业设计（开题报告） 3 二、设计 (论文 )要解决的问题和拟采用的研究方法 本设计的主要解决的问题是通过单片机控制系统 ,实现对温度的智能控制。具体设计方案如下：采用温度传感器完成对温度的数据采集，并把温度值转换为电压值，经过放大、A/单片机中预置的参量进行比较后，得到误差量，并与上一次采集的误差量进行比较，得到误差的变化量，把误差量和误差的变化量作为模糊 制器的输入，经过软件进行处理，输出控制量，经过 D/A 转换后控制驱动电路，得到加在电炉上的平均电压。从而控制电炉的温度，实现温度的自动调节，使得温度稳定在设定值附近。 解决问题过程中我们引路了模糊控制的概念。回顾了模糊控制理论的发展历史，指明了模糊控制在自动化控制领域的重要地位和作用 ;介绍模糊控制在国外的应用情况及国内模糊控制技术与 制技术在炉温控制系统中的成功应用 ;阐述模糊控制在应用中存在的问题及今后的发展趋势 ;提出了电炉模糊 着重阐述温度控制系统的工作原理。在分 析传统数字 制和模糊控制策略的基础上，结合两者的优点，提出模糊控制与 制相结合的控制策略。下面简单介绍模糊控制和 1、模糊控制理论 模糊数学和模糊控制的概念是由美国加利福尼亚大学著名教授查德 (他的 , A 著名论著中首先提出。 1972年 2月，日本以东京工业大学为中心，发起成立“模糊系统研究会”，1973年公开使用“模糊控制工程”这一 概念； 1974 年在加利福尼亚大学的美日研究班上，开始了有关“模糊集合及其应用”的国际学术交流。 1978年国际上开始发行 业杂志。 1984年，在夏威夷首次召开国际会议，商讨成立国际学会事宜，同年年底“国际模糊系统学会” (立，学会下设“智能系统” (“经营与生产中的模糊系统” (首届 际学术会议于 1985 年在西班牙召开 ;1987 年在日本东京召开了第二届 际会议。 1992 年， 际会议开始举办，每年一次 ; 1993年， 始出版。 尽管 模糊控制理论的提出至今只有 30多年，但其发展迅速。在模糊控制理论与算法、 信息与电子工程系毕业设计（开题报告） 4 模糊推理、工业控制应用、模户硬件与系统集成，以及稳定性理论研究等方面都取得了重 大进展。应用范围日益广泛，并且不断与计算机技 术、半导体技术相互融合 。 3、模糊控制的地位和作用 80 年代以来，自动控制系统被控对象日益复杂，它不仅表现在控制系统具有多输入一多输出的强藕合性、参数时变性和严重的非线性特征，更突出的是从系统对象所能获得的知识信息量相对地减少，以及与此相反地对控制性能的要求却日益高度化。然而，正如授于 1973 年所指出的 :“当一个系统复杂性增大时，人们能使它精确化的能力将降低，当达到一定的闭值时，复杂性和精确性将相互排斥” (即“不相容原理” )。 也就是说，在多变量、非线性、时变的大系统中，要想精确地描述复杂对象与系 统的任何物理现象和运动状态，实际上是不可能的。关键的是如何使准确和简明之间取得平衡，而使问题的描述具有意义。 模糊控制理论的研究和应用在现代自动控制领域中的地位和意义，可以用图来表示。图 糊控制在控制领域中的重要地位和作用 信息与电子工程系毕业设计（开题报告） 5 图中表示了经典控制理论首先使用于线性小规模系统的自动化领域 ;而随着计算机技术的发展，现代控制理论在大规模线性多变量系统中得到广泛应用 ;但是，对于非线性复杂系统，这些控制策略却难以适用，它不仅算法及其复杂，而且无望获得满意的结果。近年来，采用专家知识的人工智能 (智能信息处理技术，虽然引起了人们的重视，但它却不能作为模拟控制，而且其知识库十分庞大，设计也十分困难。模糊控制不仅适用于小规模线性单变量系统，而且渐渐向大规模、非线性复杂系统扩展，从己经实现的控制系统来 看，它具有易于熟悉、输出量连续、可靠性高、能发挥熟练专家操作的良好自动化效果等优点。 至今，研究“模糊”的学者越来越多，发表的论文上万篇，研究范围从单纯的模糊数学到模糊控制理论应用、模糊控制系统及其硬件集成，而与知识工程和控制方面有关的研究有模糊建模理论、模糊序列、模糊识别、模糊知识库、模糊语言规则、模糊近似推理等。近年来，针对复杂的系统的自学习与参数自调整模糊控制系统方面的研究，深受各国学者的重视。目前，已经将神经网络和模糊控制技术互相结合，取长补短，形成一种模糊神经网络 (术，由此组成更接近人脑的智能控制系统。 4、 制的原理及特点 在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称 称 制器问世至今已有近 70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用 制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象或不 能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用际中也有 用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。 1）比例（ P）控制 比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（ 信息与电子工程系毕业设计（开题报告） 6 2）积分（ I）控制 在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制 系统是有稳态误差的或简称有差系统（ 为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例 +积分 (制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。 3）微分（ D）控制 在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。 自动控制系统在克服误差 的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后 (件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例 +微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对 象，比例 +微分 (制器能改善系统在调节过程中的动态特性。 信息与电子工程系毕业设计（开题报告） 7 三本课题需要重点研究的、关键的问题及解决的思路 本课题需要重点研究的、关键的问题是模糊控制器的基本原理及特点 和 单片机温度控制系统组成： 1、模糊控制器的基本原理 模糊控制是以模糊集合论，模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的计算机智能控制，其基本概念是由美国加利福尼亚大学著名教授查德 (先提出的，经过近年的发展，模糊控制在模糊控制理论和应用研究方面均取得重大成功。 模糊控制的基本原理框图如下 : 图 的核心部分为模糊控制器，模糊控制器的控制规律由计算机的程序实现。实现一维模糊控制算法的过程描述如下 :微机采样获取被控制量的精确值，然后将此量与给定值比较得到误差 e，一般选误差信号 e 作为模糊控制器的一个输入量。把误差信号 e 的精确量进行模糊化变成模糊量。误差 e 的模糊量可用相应的模糊语言表示，得到误差 e 的模糊语言的一个子集 e(，再由 e 和模糊控制规则且 (模糊算子 )根据推理的合成规则进行模糊决策，得到模糊控制量 u。 u=为了对被控对象进行 R 精确的控制，还需要将模糊控制量 u 转化为精确量。这一步在图 称为去模糊化处理 (亦称非模糊化处理 )。得到了精确的数字控制量后，经数模转换变为精确的模拟量送给执行机构，对被控对象进行控制。然后，等待第二次采样，进行第二步控制。如此循环下去，就实现了被控制对象的模糊控制。 信息与电子工程系毕业设计（开题报告） 8 2、模糊控制的特点 模糊控制具有的突出特点包括 : (1)模糊控制是一种基于规则的控制，它直接采用语言型控制规则，出发点是现场操作人员的控制经验或相关专家的知识，在设计中不需要建 立被控对象的精确的数学模型，因而使得控制机理和策略易于接受与理解，设计简单，便于应用。 (2)由工业过程的定性出发，比较容易建立语言控制规则，因而模糊控制对那些数学模型难以获取，动态特性不易掌握或变化非常显著的对象非常适用。 (3)模糊控制是基于启发性的知识语言，这有利于模拟人工控制的过程和方法，增强控制系统的适用能力，使之具有一定的智力水平。 (4)模糊控制的鲁棒性强，尤其适合于非线性、时变及纯滞后系统的控制。 3、单片机温度控制系统组成 在温度控制中，用单片机取代常规控制主要是用单片机 代替控制仪表，用数字给定工艺参数，其一般组成如图下图所示。 单片机温度控制系统的组成 火炉的温度经温度传感器转换成 放大电路变换成 0 5 V 的电压信号，通过多路开关送到 A/D 转换器变换成数字量送单片机。单片机首先对它进行标度变换，得支它所示、表示的温度值。然后根据给定工艺参数和温度反馈值，按预定控制算法进行调节运算，确定输出控制量。控制量由 D/A 转换成模拟电压，经功率放大后驱动执行机构控制火炉的进气量，使炉子的温度按规定的工艺曲 线变化。 信息与电子工程系毕业设计（开题报告） 9 四、完成本课题所必须的工作条件 1、本课题运用到的了以下书籍： 1陈明荧 8051 单片机课程设计实训教材 北京清华大学出版社 2胡汉才 北京清华大学出版社 3徐淑华 等 单片机微型机原理及应用 哈尔滨工业大学出版社 4范风强等 单片机 北京电子工业出版社 5徐学峰主编 北京机械工业出版社 , 6谢 新民 ,丁锋编著 北京清华大学出版社 7李士勇 哈尔滨工业大学出版社 , 8高东杰等编著 应用先进控制技术 北京国防工业出版社 9陶永华 新型 制及其应用第二版 北京机械工业出版社 10戴伏生 基础电子电路设计与实践 国防工业出版社 11顾明文 可控硅温控器的工作原理及故障维修 实验室
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