MCS-51单片机智能温度控制系统设计【电子】【优秀机械机电毕业设计论文】【A6240】
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单片机
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a6240
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说明书一份,56页,24000字左右.
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毕业设计 (论文 )中英文资料 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（中英文资料） 1 摘要 ： 本文根据模糊控制和 制的特点及其原理，把模糊控制和 制结合起来，形成模糊 制，有效的克服了它们的缺点而发挥了它们的优势。本文详细阐述了该系统中模糊 制器的实现方法、系统的各种控制、故障检测以及状态显示。 模糊 制器实际上跟传统的 制器有很大联系。区别在于传统的控制器的控制前提必须是熟悉控制对象的模型结构，而模糊控制器因为它的非线性特性，所以控制性能优于传统 制器。对于时变系统，如果能够很好地采用模糊控制器进行调节，其控制结果的稳定性和活力性都会有改善。但是，如果调节效果不好，执行器会因为周期振荡影响使用寿命，特别是调节器是阀门的场合，就必须考虑 这个问题。为了解决这个问题，出现了很多模糊控制的分析方法。本文提出的方法采用一个固定的初始域，这样相当程度上简化了模糊控制的设定问题以及实现。文中分析了振荡的原因并分析如何抑制这种振荡的各种方法，最后，还给出一种方案，通过减少隶属函数的数量以及改善解模糊化的方法缩短控制信号计算时间，有效的改善了控制的实时性。 模糊控制器的一个主要缺陷就是调整的参数太多。特别是参数设定的时候，因为没有相关的书参考，所以它的给定非常困难。众所周知，优化方法的收敛性跟它的初始化设定有很大关联，如果模糊控制器的初始域是固定的，那 么它的控制就明显的简化了。而且我们要控制的参数大多有其实际的物理意义，所以模糊控制器完全可以利用 法的控制规律进行近似的调整。也就是说最简单的模糊 制器就是同时采用几种基本模糊控制算法（ P+I+D 或者 ），控制过程中它会根据控制要求，做出适当的选择，保证在处理跟踪以抗阶跃干扰问题上，其控制性能接近于任何一种 制。假设模糊集的初始域是对称的，两个调节器的参数采用 法。 为了改善上述设计的模糊控制器，我们有必要考模糊控制器的参数问题，有两种方法可以采纳，一 种采用手动的方法改变，另一种就是采用一些相关的优化算法。其中遗传算法就是一种。控制器采用的参数不同，其收敛的优化值也会不一样。这些参数包括模糊集的分布，模糊集的个数，映射规则，基本模糊控制器的参数和不同的算法组合等。要注意的是在优化前必须选定模糊推理及解模糊的方法。很明显，优化过程很耗时，更有甚者，有些优化方法要已知系统的精确模型，但是实际过程中难以得到系统的精确模型，所以在大多数情况下，这些优化算法不能直接应用在实际过程。也就是说模型不精确直接影响优化成败。模糊控制的主要思想就是针对那些传递函数未知的或者 结构难以辨识的系统进行控制，这也是模糊控制的性能为什么优于传统方法的原因。同时，把模糊控制和传统的 制算法结合起来，更能体现这种算法的优点，因为它大大简化实际过程的调整。 参数集的启发式优化法也适用于模糊 制器，它采用固定的定义域，其参数的选取和传统的 制器都一样。我们采用的控制方法是结合模糊 法和 法并利用启发式优化法处理参数集，特别要注意这里的调节器出现了两个比例环节，所以它的控制可能不同于传统的 法。但是我们调整的参数它们本身具有实际的物理意义，值得一提的是前面所提到的 控制可以通过改变采样时间而不改变定义域的范围实现调整。 关键词：单片机；热处理温度控制；模糊 息与电子工程系 毕业设计（中英文资料） 2 ID ID at of in A ID to ID of on ID of be On is it of is is of be of to of it to to of by of by 1. ne of of is of to be It is to is no to do it is of is on of is a is to be be to ID is to it as a of P+I+D 4 I+D 5). of is to of ID to of To of it is to of or to do be be to of of be to It is of a of is on of of in of it is to of on to of of to it at is no of of be to it to be to it of of is I as of I of I D be of 息与电子工程系 毕业设计（中英文资料） 3 it be of of in of ID is of is in it is to to of 毕业设计 (论文 )任务书 学生姓名 林晋斌 指导教师 _黄云龙、廖东进、朱秋琴 职称 副教授、助教 、 助教 系别 _信息与电子工程系 _专业 04 工自 年级 _三 _班级 1 课题名称 片机智能温度控制系统设计 任务与要求： 一、 设计（论文）要求： 本课题 的主要任务是通过单片机控制 系统 ,实现对 温度的智能 控制。 本毕业设计课题引入智能控制（模糊控制），采用模糊 法，运用单片机对电阻加热炉实现智能的温度控制，从而实现高精度控制。 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/D 转换为数字量进入单片机控制系统，与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。 设计的主要内容和要求： 1、 根据所选的课题，参考一些优秀的学习网站，完成该课题的建设。 2、 参与该课题的 各位同学必须分工合作。在设计中既要有自己一定的工作量，同时具备良好的团队合作精神。 3、 毕业设计论文体现了毕业设计的质量，所以各位同学必须在论文中体现自己在毕业设计中所采用的方法、思想以及设计策略。论文的格式包括：（ 1）中英文摘要（ 2）目录（ 3）正文（ 4）参考文献 （ 5）致谢 （ 6）附录。论文书写要求语言精练、简洁，表达力求准确，字数 12000 以上，最后要求用 纸打印，并装订成册，形成书目结构。 4、 在整个设计当中要严格按照学校和系部的各种规章制度和要求，按时完成所要求完成的任务。 二、 设计（论文）条件 ： 提供 设计 所需的书籍 、 计算机 、 单片机 设计 所需的 设备 等 。 三、 设计（论文）资料： 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 用实战集锦 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 实验室研究 与探 索 12郑雪梅 ,姜成国 ,周广铭 制器结构 大庆石油学院 报 13张化光 ,何希勤 北京航空航天大学出版社 , 14刘金锟著 制及其 真 北京 电子工业出版 社 15张建民 ,王涛 ,王忠礼编著 北京冶金工业出版社 16刘豹主编 北京机械工业出版社 17徐科军 等 著 北京清华大学出版社 , 18丁玉美 ,高西全 ,彭学愚 西安电子科技大学出版 社 19孙传友等 测控电路及装置 北京航空航天大学出版社 四、 设计（论文）教学要求：（可以同一专业相同） 要求同学们有较强的学习和自学能力，能根据需要查找资料，独立思考和设计 。 要 求同学 熟悉 温度系统 并 具有一定的单片机 设计能力 。 五、 设计（论文）进度安排：（可以同一专业相同） 第 01 周至第 03 周：查阅相关网站及英文资料（并翻译一篇外文资料），收集有关单片机温度控制方面的资料。 第 04 周至第 04 周：根据设计任务书的要求， 完成毕业设计（论文）开题报告。 第 05 周至第 12 周：根据系统组成原理及给定工艺参数，进行单片机、存贮单元、传感器等的选型，设计 电阻加热炉温度控制 系统硬件原理系统，确定模糊控制规则，编制单片机控制程序 ， 进行 仿真 试验，并 分析仿真 结果。 第 13 周至第 15 周：整理相关资料，完成毕业设计（论文）手稿及最终电脑打印的毕业论文； 第 16 周至第 16 周：毕业设计（论文）小组答辩； 第 17 周至第 17 周：答辩。 六、 学生分组名单 林晋斌 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 实验室研究 与探 索 12郑雪梅 ,姜成国 ,周 广铭 大庆石油学院 报 13张化光 ,何希勤 北京航空航天大学出版社 2、所需的实验设备： 单片机实验设备等 3、所需的计算机辅助高计软件有： 片机程序编辑软件， 4、如果有条件本次毕业设计，本组同学想做一定的仿真实验或是实际实验。 五设计 (论文 )完成进度计划 第 01周至第 02周：查阅中英文资料，了解温度系统以及单片机设计内容，收集相关资料； 第 03周至第 03周：完成毕业设计（论文）开题报 告，并开始进行毕业设计； 第 04周至第 08周：完成控制系统的硬件设计； 第 09周至第 12周：完成控制系统的软件设计 ； 第 13周至第 13周：软件和硬件的调试； 第 14周至第 15周：整理相关资料，完 成毕业设计（论文）初稿 第 16周至第 16周： 对初稿进行格式等的改良 第 17周至第 17周： 毕业设计 答辩。 信息与电子工程系毕业设计（开题报告） 10 六、 指导教师审阅意见 该课题切合实际，具有实际的应用价值，同意开题。 指导教师 (签字 )： 年 月 日 七 、 教研室主任意见 教研室主任 (签字 )： 系 (签章 ) 年 月 日 说明： 1. 本报告必须由承担毕业设计 (论文 )课题任务的学生在接到“毕业设计 (论文 )任务书”、正式开始做毕业设计 (论文 )的第2 周或第 3 周末之前独立撰写完成，并交指导教师审阅。 论文 )课题撰写本报告一份，作为指导教师、教研室主任审查学生能否承担该毕业设计 (论文 )课题任务的依据，并接受学校的抽查。 毕业设计 (论文 )文 献 综述 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： 2007 年 2 月 15 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 6 月 8 日 信息与电子工程系毕业设计（文 献 综述） 1 文 献 综述 温度控制在热处理工艺过程中 ,是一个非常重要的环节。控制精度直接影响 着产品质量的好坏。实验室人员根据材料的烧成制度来调节电炉的输出电压以实现对电炉的温度控制。一般的有两种方法 :第一种就是手动调压法 ,第二种控制方法在主回路中采取双向可控硅装置 ,并结合一些简单的仪表 ,使得保温阶段能够自动 ,但这两种方法的升温过程都是依赖于试验者的调节 ,并不能精确的按照给定的升降温速度来调节。本文提出的以参数自整定 制为基础的温控系统简单、可靠 ,大大提高了控制质量及自动化水平 ,具有良好的经济效益。 电炉是热处理生产中应用最广的加热设备，通过布置在炉内的电热元件将电能转化为热能 ,借助辐射与对 流的传热方式加热工件。通常可用以下模型定性描述 02 式中 X 电炉内温升（指炉内温度与室温温差 ) K 放大系数 t 加热时间 T 时间系数 V 控制电压 0 纯滞后时间 但在实际热力过程中，由于被加热金属的导热率、装入量以及加热温度等因素的不同，直接影响着 K 、 T 、 0等参数的变化，因此电炉本身具有很大的不确定性。 温度控制在热处理工艺过程中 ,是一个非常重要的环节。控制精度直 接影响着产品质量的好坏。 根据不同的目的，将材料及其制件加热到适宜的温度。 在工业生产过程中，电炉随着负荷变化或干扰因素的影响，其对象特性或结构发生改变。电炉温控具有升温单向性、大时滞和时变的特点，如升温靠电阻丝加热，降温依靠自然冷却，温度超调后调整慢，因此用传统的控制方法难以得到更好的控制效果。另外对于 制，若条件稍有变化，则控制参数也需调整。 自适应控制运 用现代控制理论在线辨识对象特征参数，实时改变其控制策略，使控制系统指标保持在最佳范围内。但由于操作者经验不易精确描述，控制过程中各种信号量以及评 价指标不易定量表示，而模糊理论正是解决这一问题的有效途径。 人们运用模糊数学的基本理论和方法，把规则的条件操作用模糊集表示并把这些模糊控制规则及有关信息 (如评价指标、初始 数等 )作为知识存入计算机知识库中，然后计算机根据控制系统的实际响应情况运用模糊推理，实现自动对 数的最佳调整。 如图 2 1 为本次毕业设计课题 采用软件 制的热处理器系统的框图。其工作原理为：热处理器的有 14 个温度传感器和 14 个控制阀，温度传感器与控制阀是一一对应的对关，一个测温点对应一个控制阀。来至热处理器的 温度经温度传感器将现场信号传化为电信号，再经放大器将信号放大，经多路开关选择通过，经 A/D 转换器转化为数字量并送入单片机进行控制处理，单片机的控制信号由 出并由 8155 扩展，使其能满足 14 路输出的控制要求，控制信号控制固态继电器的输出，从而驱动电磁阀开 信息与电子工程系毕业设计（文 献 综述） 2 关，实现温度的控制。 本设计控制的是电炉的温度的系统，在此我们选用了 模糊自整定 制器，以提高控制的精度，灵活性，适应性。 模糊自整定 制应用在具有明显的纯滞后、非线性、参数时变类似于电炉这样特点的控制对象可以获得很好的控制性能。大 量的理论研究和实践也充分证明了用模糊自整定 制电炉温度是一非常好的解决方法。它不仅能发挥模糊控制的鲁棒性好、动态响应好、上升时间快和超调小的特点，又具有 制器的动态跟踪品质和稳态精度。因此在温度控制器设计中，采用 数模糊自整定复合控制，实现 数的在线自调整功能，可以进一步完善 制的自适应性能，在实际应用中也取得了较好的效果。 模糊自整定 制是在一般 制系统的基础，加上一个模糊控制规则环节，利用模糊控制规则在线对 数进行修改的一种自适应控制系统。它以误差 为输入，可以满足不同时刻的 e 和 参数自整定的要求。它将模糊控制和 制器两者结合起来，扬长避短，既具有模糊控制灵活而适应性强，调节速度快的优点，又具有 制无静差、稳定性好、精度高的特点，对复杂控制系统和高精度伺服系统具有良好的控制效果。如图。 模糊自整定 制是在一般 制系统的基础上，加 上一个模糊控制规则环节，利用模糊控制规则在线对 数进行修改的一种自适应控制系统。它以误差 以满足不同时刻的 e和 将模糊控制和 制器两者结合起来，扬长避短，既具有模糊控制灵活而适应性强的优点，又具有 制精度高的特点，对复杂控制系统和高精度伺服系统具有良好的控制效果。 信息与电子工程系毕业设计（文 献 综述） 3 参考文献 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 用实战集锦 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 实验室研究 与探 索 12郑雪梅 ,姜成国 ,周广铭 制器结构 大庆石油学院 报 13张化光 ,何希勤 北京航空航天大学出版社 , 14刘金锟著 制及其 真 北京 电子工业出版 社 15张建民 ,王涛 ,王忠礼编著 北京冶金工业出版社 16刘豹主编 北京机械工业出版社 17徐科军 等 著 北京清华大学出版社 , 18丁玉美 ,高西全 ,彭学愚 西安电子科技大学出版 社 19孙传友等 测控电路及装置 北京航空航天大学出版社 信息与电子工程系毕业设计（文 献 综述） 4 20 王学前 四川工业学院学 报 21 王学前 ,霍金山 四川工业学院学报 22 李家昌主编 武汉工业大学出版社 23 李明 煤炭科学技术 24 张庆玲 西北轻工业学院学报 25 王珏 ,王玉田编著 北京兵器工业出版社 26 夏国华 杨树蓉 现代热处理实用技术数据手册 国防工业出版社 27 赵负图主编 人民邮电出版社 浙江工业大学浙西分校 毕业设计（论文） 题 目： 片机智能温度控制 作 者： 林晋斌 系 （部）： 信息与电子工程系 专业班级： 工业电气自动化 指导教师： 黄云龙 朱秋琴 廖东进 职 称： 副教授 助 教 助 教 2007 年 6 月 8 日 浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文） - 1 - 摘 要 单片微型计算机是随着超大规模集成电路技术的发展而诞生的，由于它具有体积小、功能强、性价比高等特点，把单片机应用于温度控制中，采用单片机做主控单元，无触点控制，可完成对温度的采集和控制的要求。所以广泛应用于电子仪表、家用电器、节能装置、机器人、工业控制等诸多领域，使产品小型化、智能化，既提高了产品的功能和质量，又降低了成本，简化了设计。本文主要介绍单片机在热处理炉温度控制中的应用，对温度控制模块的组成及主要所选器件进行了详细的介绍。 并根据具体的要求本文编写了适合本设计的软件程序。 温度控 制在热处理工艺过程中 ,是一个非常重要的环节。控制精度直接影响着产品质量的好坏。本文研究的 电炉是一种具有纯滞后的大惯性系统，传统的加热炉控制系统大多建立在一定的模型基础上，难以保证加热工艺要求。因此本文将模糊控制算法引入传统的加热炉控制系统构成智能模糊控制系统。 关键词： 单片机； 热处理温度控制； 模糊 浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文） - 2 - he of of it is of to to do of So to a of as of of in of to of to in is of is a is on so is to to a 浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文） - 3 - 目 录 第 1 章 绪论 . 1 引言 . 1 控制器发展现状 . 1 制器的发展现状 . 1 模糊 制 . 2 模糊自整定 制 . 2 电炉采用模糊自整定 制的可行性 . 2 第 2 章 模糊自整定 制器的设计 . 4 模糊推理机的设计 . 4 模糊推理机的结构 . 4 模糊推理机的设计 . 4 确量的模糊化 . 5 立模糊控制规则和模糊关系 . 5 出信息的模糊决策 . 6 模糊自整定 制器 . 6 数对 制性能的影响 . 6 模糊自整定 制器 . 7 模糊自整定 制器性能的研究 . 8 真结构图 . 8 惯性时间常数的影响 . 9 仿真结果分析 . 10 第 3 章 系统硬件和电路设计 . 11 言 . 11 系统的总体结构 . 11 温度检测电路 . 12 温度传感器 . 12 测量放大器的组成 . 12 热电偶冷端温度补偿方法 . 13 多路开关的选择 . 13 A/D 转换器的选择及连接 . 14 单片机系统的扩展 . 15 系统扩展概述 . 15 常用扩展器件简介 . 16 存储器的扩展 . 17 程序存储器的扩展 . 17 读存储器简介 . 17 介 . 17 浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文） - 4 - 数据存储器的扩展 . 18 据存储器概述 . 18 态 介 . 19 据存储器扩展举例 . 19 单片机 I/O 口的扩展（ 8155 扩展芯片） . 20 8155 的结构和引脚 . 20 8155 的控制字的及其工作方式 . 21 8155 与 8031 的连接 . 22 看门狗、报警、复位和时钟电路的设计 . 23 门狗电路的设计 . 23 警电路的设计 . 23 位电路的设计 . 24 钟电路的设计 . 25 盘与显示电路的设计 . 25 码显示器的接口电路 . 25 盘接口电路 . 26 模转换接口 . 27 离放大器的设计 . 28 控硅调功控温 . 29 零触发调功器的组成 . 29 要电路介绍 . 30 片机开关稳压电源设计 . 31 第 4 章 系统软件设计 . 32 主要程序的框图 . 32 程序框图 . 32 盘中断服务子程序 . 33 温 及升温测控子程序 . 34 温测控子程序 . 35 模糊自整定 制算法 . 36 参考文献 . 39 致谢 . 41 附录 . 42 浙江工业大学浙西分校 毕业设计（论文） 题 目 ： 片机智能温度控制 作 者： 林晋斌 系 （部）： 信息与电子工程系 专业班级： 工业电气自动化 指导教师： 黄云龙 朱秋琴 廖 东进 职 称： 副教授 助 教 助 教 2007 年 6 月 8 日 浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系 毕业设计（论文） I 摘 要 单片微型计算机是随着超大规模集成电路技术的发展而诞生的，由于它具有体积小、功能强、性价比高等特点，把单片机应用于温度控制中，采用单片机做主控单元，无触点控制，可完成对温度的采集和控制的要求。所以广泛应用于电子仪表、家用电器、节能装置、机器人、工业控制等诸多领域，使产品小型化、智能化，既提高了产品的功能和质量，又降低了成本，简化了设计。本文主要介绍单片机在热处理炉温度控制中的应用，对温度控制模块的组成及主要所选器件进行了详细的介绍。 并根据具体的要求本文编写了适合本设计的软件程序。 温 度控制在热处理工艺过程中 ,是一个非常重要的环节。控制精度直接影响着产品质量的好坏。本文研究的 电炉是一种具有纯滞后的大惯性系统，传统的加热炉控制系统大多建立在一定的模型基础上，难以保证加热工艺要求。因此本文将模糊控制算法引入传统的加热炉控制系统构成智能模糊控制系统。 关键词： 单片机； 热处理温度控制； 模糊 浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系 毕业设计（论文） he of of it is of to to do of So to a of as of of in of to of to in is of is a is on so is to to a 浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系 毕业设计（论文） 录 第 1章 绪论 . 1 引言 . 1 控制器发展现状 . 1 制器的发展现状 . 1 模糊 制 . 2 模糊自整定 制 . 2 电炉采用模糊自整定 制的可行性 . 2 第 2章 模糊自整定 制器的设计 . 4 模糊推理机的设计 . 4 模糊推理机的结构 . 4 模糊推理机的设计 . 4 确量的模糊化 . 5 立模糊控制规则和模糊关系 . 5 出信息的模糊决策 . 6 模糊自整定 制器 . 6 数对 制性能的影响 . 6 模糊自整定 制器 . 7 模糊自整定 制器性能的研究 . 8 真结构图 . 8 惯性时间常数的影响 . 9 仿真结果分析 . 10 第 3章 系统硬件和电路设计 . 11 . 11 系统的总体结构 . 11 温度检测电路 . 12 温度传感器 . 12 测量放大器的组成 . 12 热电偶冷端温度补偿方法 . 13 多路开关的选择 . 13 A/. 14 单片机系统的扩展 . 15 系统扩展概述 . 15 常用扩展器件简介 . 16 存储器的扩展 . 17 程序存储器的扩展 . 17 读存储器简介 . 17 介 . 17 浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系 毕业设计（论文） 数据存储器的扩展 . 18 据存储器概述 . 18 态 . 19 据存储器扩展举例 . 19 单片机 I/O 口的扩展（ 8155扩展芯片） . 20 8155 的结构和引脚 . 20 8155 的控制字的及其工作方式 . 21 8155 与 8031的连接 . 22 看门狗、报警、复位和时钟电路的设计 . 23 . 23 . 23 . 24 钟电路的设计 . 25 盘与显示电路的设计 . 25 码显示器的接口电路 . 25 . 26 模转换接口 . 27 离放大器的设计 . 28 控硅调功控温 . 29 . 29 . 30 片机开关稳压电源设计 . 31 第 4章 系统软件设计 . 32 主要程序的框图 . 32 . 32 . 33 升温测控子程序 . 34 . 35 模糊自整定 制算法 . 36 参考文献 . 39 致谢 . 41 附录 . 42 浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系 毕业设计（论文） - 1 - 第 1 章 绪论 言 工业生产中使用的热处理设备种类繁多，如窖炉、鼓风炉、烘炉、退火炉、锅炉等。如果按加温方法分类，可将热处理设备分为两大类 (1) 电热炉 这类设备通过电热元件通电发热而升温，调节加入炉子的电功率则改变炉内的温度。电功率调节一般采用接触器通断控制、晶闸管移相触发或通断控制。这一类设备在工厂占有相当大的比例。 (2) 燃料炉 这类 设备通过燃烧燃料发热而升温，调节加入炉子的燃料量则改变炉内的温度。如锅炉、焦炉等。常用燃料有煤、煤气、重油等。燃料量的调节通常利用阀门、翻板等实现。这类设备在工厂中也占有较大比例 热处理设备虽然种类繁多，控制方法各有差异，但对他们采用微机控制时，控制原理和方法是基本相同的。 电炉是热处理生产中应用最广的加热设备，通过布置在炉内的电热元件将电能转化为热能 ,借助辐射与对流的传热方式加热工件。通常可用以下公式定性描述 02 （ 1 式中 X 电 炉内温升（指炉内温度与室温温差 ) K 放大系数 t 加热时间 T 时间系数 V 控制电压 0 纯滞后时间 但在实际热力过程中，由于被加热金属的导热率、装入量以及加热温度等因素的不同，直接影响着 K 、 T 、 0等参数的变化，因此电炉本身具有很大的不确定性 2 温度控制在热处理工艺过程中 ,是一个非常重要的环节。控制精度直接影响着产品质量的好坏。 根据不同的目的，将材料及其制件加热到适宜的温度。 制器发展现状 制器的发展现状 在过去的 50 年，调节 中有利用开环阶跃响应信息，如 应曲线法；还有使用 线法的，如续响应法。然而这些调节方法只识别了系统动态信息的一小部分，不能理想的调节参数。随着计算机技术的发展，人们利用人工智能的方法将操作人员的浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系 毕业设计（论文） - 2 - 调整经验作为知识存入计算机中，根据现场实际情况，计算机能自动调整 数。这样能实现自动调整、短的整定时间、简便的操作，改善响应特性而推动了自整定 自整定技术可追溯到 50 年代自适应控制处于萌芽时期， 60 年代国外有人设计了一种自动调节式的过程控制器，因其价格高、体积大、可靠性差而未能商品化。 80 年代由于适用的控制理论的完善以及高性能微机的使用，才使得自整定控制器得以开发，制器参数的自动整定技术设想已慢慢实现。 电炉温度控制技术发展日新月异，从模拟 字 最优控制、自适应控制，再发展到智能控制，每一步都使控制的性能得到了改善。在现有的电加热炉温度控制方案中， 制和模糊控制应用最多，也最具 代表性。 糊 制 模糊控制的概念是由美国加利福尼亚大学著名教授 先提出的，经过20多年的发展，模糊控制取得了瞩目的成就。模糊控制适用于非线性、数学模型不确定的控制对象，对被控对象的时滞非线性和时变性具有一定的适应能力，同时对噪声也有较强的抑制作用，即鲁棒性较好。但模糊控制器本身消除系统稳态误差的性能比较差，难以达到较高的控制精度。而 制正好可以弥补其不足，近年来已有不少将模糊技术与传统技术结合起来设计模糊逻辑控制的先例。在文献中介绍了多种能提高 合控制方案，例如：引入积分因子的模糊 制器；混合型模糊 制器；另外将其与其它先进控制技术结合又有模糊自适应 制、神经网络模糊 制等。 6 糊自整定 制 模糊自整定 制是在一般 制系统的基础 ，加上一个模糊控制规则环节，利用模糊控制规则在线对 数进行修改的一种自适应控制系统。它以误差 以满足不同时刻的 e和 将模糊控制和 制器两者 结合起来，扬长避短，既具有模糊控制灵活而适应性强，调节速度快的优点，又具有 制无静差、稳定性好、精度高的特点，对复杂控制系统和高精度伺服系统具有良好的控制效果。 图 1糊自整定 制 浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系 毕业设计（论文） - 3 - 炉采用模糊自整定 制的可行性 在工业生产过程中，电炉随着负荷变化或干扰因素的影响，其对象特性或结构发生改变。电炉温控具有升温单向性、大时滞和时变的特点，如升温靠电阻丝加热，降温依靠自然冷却，温度超调后调整慢，因此用传统的控制方法难以得到更好的控制效果。另外对于 制，若条件稍有变化，则控制参数也需调整。 自适应控制运 用现代控制理论在线辨识对象特征参数，实时改变其控制策略，使控制系统指标保持在最佳范围内。但由于操作者经验不易精确描述，控制过程中各种信号量以及评价指标不易定量表示，而模糊理论正是解决这一问题的有效途径。 人们运用模糊数学的基本理论和方法，把规则的条件操作用模糊集表示并把这些模糊控制规则及有关信息 (如评价指标、初始 数等 )作为知识存入计算机知识库中，然后计算机根据控制系统的实际响应情况运用模糊推理，实现自动对 数的最佳调整。 从以上的分 析可知模糊自整定 制应用在具有明显的纯滞后、非线性、参数时变类似于电炉这样特点的控制对象可以获得很好的控制性能。大量的理论研究和实践也充分证明了用模糊自整定 制电炉温度是一非常好的解决方法。它不仅能发挥模糊控制的鲁棒性好、动态响应好、上升时间快和超调小的特点，又具有 制器的动态跟踪品质和稳态精度。因此在温度控制器设计中，采用 数模糊自整定复合控制，实现 数的在线自调整功能，可以进一步完善 制的自适应性能，在实际应用中也取得了较好的效果。 8 浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系 毕业设计（论文） - 4 - 第 2 章 自整定 制器的设计 模糊自整定 制是在一般 制系统的基础上，加上一个模糊控制规则环节，利用模糊控制规则在线对 数进行修改的一种自适应控制系统。它以误差 以满足不同时刻的 e和 将模糊控制和 制器两者结合起来，扬长避短，既具有模糊控制灵活而适应性强的优点，又具有 制精度高的特点，对复杂控制系统和高精度伺服系统具有良好的控制效果。 9 糊推理机的设计 模糊控制器是应用模糊数 学知识，模拟人的思维方法，把人用自然语言描述的控制策略改造成模糊控制规则，由模糊控制规则构造出模糊关系，而把模糊关系作为模拟变换器，把输入、输出的模糊向量按模糊推理方法处理，进而确定控制量。 糊推理机的结构 在一般的模糊控制系统中，考虑到模糊控制器实现的简易性和快速性，通常采用二维模糊控制器结构形式。这类控制器都是以系统误差 本模糊控制器构成原理图如图 2 图 2基本模糊控制器结构原理图 图中： 量因子；E、U差 e、误差变化率 控制量 u 的模糊语言变量；E、 U 分别是与 e、 u 成比例的变量，其中 E = e， U =u/ 糊推理机的设计 依据模糊控制的基本原理，基本模糊控制器设计概括起来包括如下内容： (1) 精确量的模糊化； (2) 建立模糊控制规则和模糊关系； (3) 输出信息的决策。 浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系 毕业设计（论文） - 5 - 确量的模糊化 过程参数的变化范围即模糊控制器输入量的实际范围称为基本论域，它是一个连续域，在模糊控制中需要将语言变量的基本论域转换成指定的有限整数的离散论域。假设某一语言变量的实际变化范围为 经过量化因子 k 变换后的范围为a,b=设论域取为离散论域 n之间变化的变量 22 按 Y 值大小，查隶属度赋 值表，将其归类于某一模糊子集 (如正大、负小等 )。模糊子集通常可作如下划分：负大、负中、负小、零、正小、正中、正大。 模糊变量的模糊集和论域确定后，需对模糊语言变量确定隶属函数，即所谓对模糊变量赋值，就是确定论域内元素对模糊语言变量的隶属度。对于同一个模糊概念，确定隶属函数的方法多种多样，没有统一的模式。尽管形式上不完全相同，只要反映同一模糊概念，在解决和处理模糊问题中仍然殊途同归。隶属函数形式有多种，可根据实际要求来确定。在实际应用中为方便起见，常采用三角形、正态形、梯形。隶属度赋值表是先根据实际问题人为确 定，再通过“学习”和实践检验逐步加以修正和完善的。在给定论域上确定模糊子集的隶属函数要注意下面 3 个问题： (1) 任意两个相邻模糊子集的交集的最大隶属度在 间。这个值取的较小时控制作用比较灵敏；较大时，对被控对象参数变化的适应性较强。 (2) 若 A 是一个模糊子集，如果 U1 较大，则控制特性比较平缓，系统较为稳定；若 U1 较小，则控制作用的灵敏度较高。 (3) 为了保证控制作用的隶属函数是单峰的，诸模 糊子集必须正规突。 立模糊控制规则和模糊关系 模糊控制规则设计原则是：当误差较大时，控制量的变化应尽力使误差迅速减小；当误差较小时，除了要消除误差外，还要考虑系统的稳定性，防止系统产生不必要的超调，甚至振荡。 20 模糊控制规则的一般形式为 is cEis jCi =1,2, 1m ;j =1,2, 2m ) 其中：模糊子集；值 其实际值 Y 的偏差 f 所对应的模糊子集； 和 U 表示偏差变化率 别是模糊子集划分数目。 11 上述模糊条件语句可归结为一个模糊关系 R，即 (2式中 符号“”表示“ 如果偏差、偏差变化率分别取为 ，根据模糊推理合成规则，输出的控制量是模糊子集 U，那么 浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系 毕业设计（论文） - 6 - (2即 , (2式中 X， Y， ZE，“ ”和“ ” “取大”和“取小”运算 出信息的模糊决策 模糊控制器的输出是模糊子集，它反映控制语言的不同取值的一种组合。但被控对象只能接受一个精确的控制量，因此需要从输出的模糊子集中判决出一个控制量，将模糊量转化为精确量，也就是说推导出一个由模糊子集到普通集合的映射，这个映射称之为判决。现在的解模糊判决方法通常有以下三种：最大隶属度法、取中位数法、隶属度加权平均法等。最大隶属度法是直接选择模糊子集中隶属度最大的元素 (或该模糊子集隶属度最大处的真值 )作为控制量。它能突出主要信息，计算简单，但丢失了很多次要的信息，比较粗糙，适应于控制性能要求一 般的控制系统。 论域 U 上把隶属函数曲线与横坐标围成的面积平分为两部分的元素 Z*称为模糊集的中位数。中位数法就是把模糊集中位数作为系统控制量。与最大隶属度法相比教，中位数法概括了更多的信息，但计算复杂，特别是在连续隶属函数时，需求解积分方程，因此应用场合比加权平均法少。 加权平均法是糊模控制系统中应用极为广泛的一种判决方法。这一方法有三种形式，即普通加权平均法，权系数加权平均法和 10 本设计采用普通加权平均法 设 rr , 2211 模糊集，取各隶属 度为加权系数，则控制量 U 由下式决定 (2糊自整定 制器 这种智能 糊控制器分两步整定 数。第一步，初始 数的整定：先测定被控对象参数的粗略值，应用初值整定规则确定 初始值；第二步， 数的在线整定：监测控制系的响应过程，将其模糊化，综合用户期望、控制目标类型、对象参数等，运用模糊推理自动 进行 数的在线整定。 9 数对 制性能的影响 制器时域内的控制模型为 011 p (2计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量， 制作用浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系 毕业设计（论文） - 7 - 的离散化形式一般表示为 111 增量形式为 2p (2式中 比例系数 积分系数， I 微分系数， ， T 为采样周期 积分时间 微分时间 e(k)第 k 次采样时刻输入的偏差值 由于 制器在控制过程中的比例、积分、微分作用的程度，因此从系统稳定性、响应速度、超调量和控制精度等各方面特性来考虑 制器三个参数对 制品质的影响。 比例控制的特点是： 误差一旦产生，控制器立即就有控制作用，使被控制量朝着减小误差的方向变化，控制作用的强弱取决于比例系数 例系数 高系统的调节精度。 统的响应速度越快，系统的调节精度越高，但易产生超调，甚至会导致系统不稳定； 会降低调节精度，使系统动作缓慢，延长调节时间，使系统静、动态特性变坏。 积分作用系数 它的不足之处在于积分作用具有滞后特性。 态误差消除越快，但 响应初期会产生积分过饱和现象，从而引起响应过程的较大 超调，系统将不稳定。若 统静态误差难以消除，影响系统的调节精度。 微分作用系数 要在响应过程中抑制偏差向任何方向的变化，对偏差变化进行提前预报。但 引起较大的超调，使被调量激烈振荡，系统不稳定，延长调节时间，降低系统的抗干扰性能；若 分作用太弱，调节质量改善不大。 综上所述， 个参数取值大小，对控制系统的静态特性和动态性能影响很大，(s)的参数来确定。对于非线性负载和时延、时变负载，以及难 以用 G(s)描述的负载，这三个参数的整定就很困难，因此我们在基于其它方法 (例如 等 )整定出来的 用模糊自调整机构在线调整 数，从而达到抑制大范围的扰动，改进系统动态响应性能的目的。 糊自整定 制器 模糊自整定 制器原理图如图 2示。 10 图 2糊自整定 制 浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系 毕业设计（论文） - 8 - 模糊自整定 制是在一般 制系统的基础上，加上一个模糊控制规则环节，利用模糊控制规则在线对 数进行修改的 一种自适应控制系统。它以误差 以满足不同时刻的 e和 将模糊控制和 制器两者结合起来，扬长避短，既具有模糊控制灵活而适应性强，调节速度快的优点，又具有 制无静差、稳定性好、精度高的特点，对复杂控制系统和高精度伺服系统具有良好的控制效果。 糊自整定 制器性能的研究 为了便于比较模糊自整定 制器与常规 制器的性能差别，选择典型二阶纯滞后对象作为模型，改变模型参数，利用 真，观察分析二种 控制方式的阶跃响应曲线及二者之间差异。 二阶纯滞后惯性环节的模型为 11 21 d (2其中，增益系数 K=4。分别改变模型的惯性时间常数和纯滞后时间，分析在三种控制方式下，它们对系统特性的影响。取设定值 0 ， 组调节系数是在常规 制方式下，被控对象的惯性时间常数 1、 4，纯滞后时间 0时系统的整定参数。 真结构图 在 立 将它封装为 图 2利用模糊控制工具箱中的 块，将它和 起来可以封装成为 构如图 2 浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系 毕业设计（论文） - 9 - 图 2真结构图 将 对其运用 估器进行补 偿校正，从而得到整个控制系统的模型，如图 2后就可以根据输出结果 来判断控制器的性能。通过对输出结果的分析，可以对系统参数和模糊控制器的控 制规则进行适当的调整，使控制系统的性能达到最佳。 图 2数自整定模糊 制系统和传统 在 境中运行该系统进行仿真，可以利用示波器观察输出的情况，也可以将数据存储到利用绘图命令将曲线输出到单独的 窗口中。 19 性时间常数的影响 保持对象增益和纯 滞后时间不变，分别取三组惯性时间常数作特性比较，观察系统对被控对象惯性时间变化的能力。 浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系 毕业设计（论文） - 10 - 纯滞后时间 图 2规 图 2糊自整定 图中，曲线 1、 2、 3 分别为被控对象惯性时间常数 ， ； ， ； ，2的特性曲线 对比图 2以看出： 模糊自整定 制特性曲线的超调很小，控制精度和动态特性优于常规 上升时间改善不多。 对于对象的性时间常数的变化，模糊 自整定 惯性时间常数 ， 的被控对象的特性曲线不理想。 真结果分析 根据前面的仿真实验和仿真分析，可以总结出以下几点结论： (1) 模糊自整定 制对惯性时间常数变化的适应能力比常规 制强； (2) 模糊自整定 制的动态特性、控制精度比常规 (3) 模糊自整定 制系统比常规 制系统的稳定性好。 浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系 毕业设计（论文） - 11 - 第 3 章 系统硬件和电路设计 言 电炉是热处理生产中应用最广的加热设备， 其本身是一个较为复杂的被控对象，虽然可用以下模型定性描述它 1s （ 3 式中 K 放大系数 T 时间系数 纯滞后时间 但在实际热力过程中，由于实际工况的复杂性 (加工工件的材质、初温、升温、幅度规格、装炉量以及电气环境等因素 )，使得上述数学模型 偏离实际情况相当严重，本文将在具有在线自调整功能模糊自整定 期较理想地解决被加热物件透烧过程的测量与控制。 统的总体结构 控制系统组成框图如图 3 图 3炉温度控制系统 浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系 毕业设计（论文） - 12 - 度检测电路 温度检测是温度控制系统的一个重要的环节，直接关系到系统性能。在微机温度控制系统中，温度的检测不仅要完成温度到模拟电压量的转换，还要将电压转换为数值量送计算机。其一般结构如图 3 图 3度数字检测的一般结构 度传感器 温度传感器将测温点的温度变换为模拟电压，其值一般为 ，需要放大为满足模 /数转换要求的电压值。微机
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