开题报告示例.doc

分布式温度控制系统中下位机设计开题报告1 选题意义和可行性分析温度在工业控制中是个很重要的参数，特别在冶金、机械、食品、化工等工业中，对工件的处理温度都要求严格控制，对于温度的精确度和稳定性均有较高的要求。随着电子技术和微型计算机的迅速发展，微机测量和控制技术得到了迅速的发展和广泛的应用。单片机具有处理能强、运行速度快、功耗低等优点，应用在温度测量与控制方面，控制简单方便，测量范围广，精度较高1。温度水温控制系统的控制对象具有热贮存能力大，惯性较大的特点，水在容器内的流动或热量传递都存在一定的阻力，因而可以归于具有纯滞后的一阶大惯性环节2。一般来说，热过程大多具有较大的滞后，它对任何信号的响应都会推迟一些时间，使输出与输入之间产生相移，因此也对温度控制系统的设计提出了严格的要求。本系统采用了PID控制方法。该系统利用单片机可以方使地实现对PID参数的选择与设定。它是用数字温度传感器将检测到的实际温度，送入计算机中，与设定值进行比较，得出偏差。对此偏差按PID算法进行修正，求得对应的控制量控制可控硅驱动器，调节电炉的加热功率，从而实现对水温的控制。利用AT89C51单片机实现温度智能控制，能自动完成数据采集、处理、缓冲、转换、并进行PID实施控制和键盘终端处理及显示，因个人设计的重点不同，我将在软件上有详细的论述，由于实验条件和器材的限制，本系统只能实现对单点温度控制。2 国内外研究现状 自上世纪70年代以来，由于工业过程控制的需要，特别是在微电子技术和计算机技术的迅猛发展以及自动控制理论和设计方法发展的推动下，国外温度控制系统发展迅速，并在智能化、自适应、参数自整定等方面取得成果，在这方面，以日本、美国、德国、瑞典等国技术领先，都生产出了一批商品化的、性能优异的温度控制器及仪器仪表，并在各行业广泛应用.它们主要具有如下的特点: 适应于大惯性、大滞后等复杂温度控制系统的控制。 能够适应于受控系统数学模型难以建立的温度控制系统的控制。 能够适应于受控系统过程复杂、参数时变的温度控制系统的控制。 这些温度控制系统普遍采用自适应控制、自校正控制、模糊控制、人工智能等理论及计算机技术，运用先进的算法，适应的范围广泛。 普遍温控器具有参数自整定功能。借助计算机软件技术，温控器具有对控制对象控制参数及特性进行自动整定的功能。有的还具有自学习功能，它能够根据历史经验及控制对象的变化情况，自动调整相关控制参数，以保证控制效果的最优。目前，国外温度控制系统及仪表正朝着高精度、智能化、小型化等方面快速发展。发达国家各种窑炉自动化水平较高，装备有完善的检测仪表和计算机控制系统3。我国温度控制系统的发展大致经历了三个阶段。第一阶段:基地式仪表。上世纪四十年代初，当时由于石油、化工、电力等工业对自动化的需要，出现了将测量、记录、调节仪表组装在一个表壳里的基地式仪表。如自力式温度调节器。基地式仪表一般结构简单，价格低廉，它们的功能仅限于单回路控制且控制精度低。第二阶段:单元组合式仪表。随着大型工业企业的出现，生产向综合自动化和集中控制的方向发展，人们发现基地式仪表的结构不够灵活，不如将仪表按功能划分，制定若干种能独立完成一定功能的标准单元，各单元之间以规定的标准信号相互联系，这样仪表的精度可以提高4。在使用中可根据需要，选择一定的单元，积木式地把仪表组合起来，构成各种复杂程度不同的自动控制系统，这种积木式的仪表就称为单元组合式仪表。以上两个阶段，无论是基地式仪表阶段，还是单元组合式仪表阶段，都是利用各种仪表对温度进行检测、调节、控制。对于较复杂的系统，难以实现复杂的控制规律，控制精度不高。第三阶段:微机控制阶段。随着微电子技术的发展、大规模集成电路制造的成功和微处理器的问世、计算机性能价格比的明显提高以及微型计算机在工业控制领域中的应用，使得温度控制系统发展到微机控制阶段。微机控制系统取代模拟控制系统，克服了其调节精度差、可靠性不高的缺点5。由于计算机具有高速的数据运算处理功能和大容里存贮信息的能力，使得此类系统稳定可靠、维护方便、抗干扰能力强，而且可以采用先进的控制算法以进一步提高控制性能6。3 研究的基本内容本课题要求设计一个分布式温度控制系统的下位机系统，下位机主要进行对被测对象温度的检测，并对所得数据进行处理，发送给上位机同时接受上位机的指令，按照要求对被测对象进行加热或降温，同时数码显示当前温度，该系统实现的主要功能有：（1）温度设定范围4090，最小区分度1；（2）控制精度为静态误差1；（3）用十进制数码显示实际水温；（4）与上位机进行通信由于对于温度控制系统的性能要求很高，所以设计时应该注意系统具体参数的选择，以求可以尽量提高系统测量的精度。4 研究的总体思路该系统主要由五大部分组成:数字温度传感器，数据转换和处理，PWM输出控制电路，数码管显示和与上位机通信，由于本次是采用数字温度传感器读取温度值，所以外围电路比较简单，主要工作围绕以AT89C51单片机进行的。这里充分利用了单片机的数据处理及实时检测能力；对水温系统的温度检测利用DS18B20数字温度传感器，这里省去了信号放大电路、AD转换电路，从而大大提高了读取温度值的准确度，也简化了外围电路，可以提高系统的稳定性和精确度；与上位机进行通信，向上位机发送当前温度值，同时接受来自上位机的控制信号；电炉控制采用可控硅来实现，双向可控硅和电炉电阻丝串接在交流220V市电回路中。输出控制采用可控硅来实现，双向可控硅和电炉电阻丝串接在交流220V市电回路中，同时采用PWM输出，有效的控制升温和降温的速度7。本系统采用的控制算法为PID控制算法，PID（比例-积分-微分）控制方法是目前应用最广泛的工业控制方法。PID控制由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成，公式如下：该算法在温度控制系统中可以较好的满足系统控制要求，减少系统误差，提高系统的稳定度。 系统的硬件电路包括主机（AT89C51单片机）、温度检测、温度控制、与上位机通信 4个主要部分。图1为系统的结构图。 图 1 系统结构框图下面对对各模块描述如下： 1）主机主机作为整个系统的核心，需要完成大量的数据处理工作，负责控制、协调其他各个模块的工作。这部分主要是通过软件编程完成，任务比较繁重，也是系统最核心的部分。 2）温度检测温度检测主要是通过数字温度传感器DS18B20完成，该数字温度传感器具有3引脚TO-92小体积封装形式，温度测量范围为-55+150 ；可编程为9位12位A/D转换精度，测温分辨率可达0.0625 ；该传感器的输出为16位数字量方式串行输出；其工作电源既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生；多个DS18B20可以并联到3根或2根线上，单片机只需要一根端口线就能与诸多DS18B20通信，占用处理器的端口少，可以节省大量的引线和逻辑电路，DS18B20非常适用于远距离多点温度测量系统8。 3）与上位机通信这部分包括向上位机发送数据和接受来自上位机的指令。该部分主要完成接受上位机的指令，包括设定温度、温度控制，同时在加热过程中定时的向上位机发送当前温度值。4）温度显示温度显示模块采用3个数码管显示，系统开始时显示来自上位机发来的需要加热的温度值，开始加热后显示当前的温度值。5）温度控制执行输出通道 电炉控制采用可控硅来实现，双向可控硅和电炉电阻丝串接在交流220v市电回路中。为了简化通道的硬件结构，考虑到加热系统具有较大的热惯性，本系统采用脉冲宽度调制的控制方法。单片机的P1口某一位通过光电隔离器和驱动器送到可控硅的控制端，输出高电平时，使双向可控硅导通，电热丝通电；输出低电平时，双向可控硅截止，电热丝断电6)其它可扩展电路对于要求更高的系统，在现有电路的基础上，我们还可以视需要自行扩展以下接口电路：时钟电路：连接实时时钟芯片DS12887可以获得长的采样周期，显示年、日、时、分、秒，而起片内带有的114B非易失性RAM，可以来存入需长期保存但有时也需变更的数据。如采样周期、PID控制算法的系数KP、KI、KD等。“看门狗” 电路：连接集成监控芯片MAX705可实现对主电源VCC的监控，提高系统的可靠性。报警功能由蜂鸣器实现：当由于意外原因导致加热炉温度高于设置温度时，P1口某一位送出的低电平经反向器驱动蜂鸣器鸣叫报警5 预期的研究成果本次设计是分布式温度控制系统中下位机的设计。在以单片机为控制核心的前提对一定容积的水温进行采集、处理，显示当前温度值，并与上位机进行实时的通信，接受来自上位机的控制指令，采用PWM输出，按要求有效的控制水温的上升与下降，最终达到一个相对恒温的状态。6 研究工作计划起止时间内容2007.12选题2008.01.152008.02.03下达任务书，与指导教师共同确定文献阅读、开题报告、外文资料翻译方案。2008.02.232008.02.24完成文献综述报告、开题报告、完成外文资料翻译。并准备交流。2008.03.112008.03.25给出设计总体实施方案2008.03.262008.04.10设计电路，组装电路2008.04.112008.04.25结合电路开展软件模块调试2008.04.262008.05.15利用电路调试，获得调试数据2008.05.162008.05.24撰写毕业论文2008.05.27提交毕业论文2008.05.302008.05.31指导教师、答辩组评审毕业论文，同学准备成果演示与毕业论文答辨2008.06.062008.06.07论文答辩参考文献1 韩大平. 模糊PID算法在回转窑温度控制中的应用研究J. 钢铁冶金. 1(2), 2005.1-52 黄惟一, 胡生清. 控制技术与系统J. 机械工业出版社.1（7），20023 都玉杰. 用8039单片机微处理机研制的模糊控制器J. 第五届微计算机学术会议论文集. 19864 王如明, 杨建刚. 自适应模糊控制器在液压电梯中的应用J. 计算机工程25(6), 2000.23-245 范永胜, 徐治皋, 陈来九. 基于动态机理分析的锅炉过热气温自适应模糊控制J. 中国电机工程学报. 17(1), 1997.23-286 王晓哗, 李少远.神经网络自学习模糊控制及其在合成氨生产中的应用J. 控制与决策. 14(Supp.) 1999. 611-6167 王建华, 俞孟麒, 李众. 智能控制基础M. 北京:科学出版社. 8(7)，1998 8 Astrom K J, Hagglund T. PID Controllers：Theory，Design and TuningJ. Reseach Triangle Park, NC: Instrument Society of America.19959 R Layne. Fuzzy Model Reference Learning Control for Cargo Sh