基于單片機(jī)的模糊PID溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)【含CAD圖紙優(yōu)秀畢業(yè)課程設(shè)計(jì)論文】

購買設(shè)計(jì)文檔后加 費(fèi)領(lǐng)取圖紙 購買設(shè)計(jì)文檔后加 費(fèi)領(lǐng)取圖紙 浙江工業(yè)大學(xué)浙西分校信息與電子工程系畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） I 摘 要 溫度控制在熱處理工藝過程中 ,是一個非常重要的環(huán)節(jié)?？刂凭戎苯佑绊懼a(chǎn)品質(zhì)量的好壞。 本文研究的 電爐是一種具有純滯后的大慣性系統(tǒng)，傳統(tǒng)的加熱爐控制系統(tǒng)大多建立在一定的模型基礎(chǔ)上，難以保證加熱工藝要求。因此本文將模糊控制算法引入傳統(tǒng)的加熱爐控制系統(tǒng)構(gòu)成智能模糊控制系統(tǒng)。 本文以模糊自整定 制算法為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)以 8031單片機(jī)為主體的控制系統(tǒng)控制電爐 ,構(gòu)成一個能進(jìn)行較復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理和復(fù)雜控制功能的智能控制器，使其既可與微機(jī)配合構(gòu)成控制系統(tǒng)，又可作為一個獨(dú)立的單片機(jī)控制系統(tǒng)，具有較高的靈活 性和可靠性。單片機(jī)根據(jù)輸入的各種命令，進(jìn)行智能算法得到控制值，輸出脈沖觸發(fā)信號，通過過零觸發(fā)電路驅(qū)動雙向可控硅，從而加熱電爐。 本文提出的基于模糊的自整定 制算法的控制系統(tǒng)具有真正的智能化和靈活性，有自動檢測、數(shù)據(jù)實(shí)時采集、處理 及控制結(jié)果顯示等功能，對提高電爐溫度的控制精度具有較好的意義。 關(guān)鍵詞： 電爐；單片機(jī)；模糊 浙江工業(yè)大學(xué)浙西分校信息與電子工程系畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） in is of is a is on so is to to a In we ID to a on 031 a is as an CM CM to to in to to to in to ID so do in 浙江工業(yè)大學(xué)浙西分校信息與電子工程系畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 錄 第 1章 緒論 . 1 引言 . 1 控制器發(fā)展現(xiàn)狀 . 1 制器的發(fā)展現(xiàn)狀 . 1 模糊 制 . 2 模糊自整定 制 . 2 電爐采用模糊自整定 制的可行性 . 2 第 2章 模糊自整定 制器的設(shè)計(jì) . 4 模糊推理機(jī)的設(shè)計(jì) . 4 模糊推理機(jī)的結(jié)構(gòu) . 4 模糊推理機(jī)的設(shè)計(jì) . 4 確量的模糊化 . 5 立模糊控制規(guī)則和模糊關(guān)系 . 5 出信息的模糊決策 . 6 模糊自整定 制器 . 6 數(shù)對 制性能的影響 . 6 模糊自整定 制器 . 7 模糊自整定 制器性能的研究 . 8 真結(jié)構(gòu)圖 . 8 慣性時間常數(shù)的影響 . 9 仿真結(jié)果分析 . 10 第 3章 系統(tǒng)硬件和電路設(shè)計(jì) . 11 . 11 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu) . 11 溫度檢測電路 . 12 溫度傳感器 . 12 測量放大器的組成 . 12 熱電偶冷端溫度補(bǔ)償方法 . 13 多路開關(guān)的選擇 . 13 A/. 14 單片機(jī)系統(tǒng)的擴(kuò)展 . 15 系統(tǒng)擴(kuò)展概述 . 15 常用擴(kuò)展器件簡介 . 16 存儲器的擴(kuò)展 . 17 程序存儲器的擴(kuò)展 . 17 讀存儲器簡介 . 17 介 . 17 浙江工業(yè)大學(xué)浙西分校信息與電子工程系畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 數(shù)據(jù)存儲器的擴(kuò)展 . 18 據(jù)存儲器概述 . 18 態(tài) 介 . 19 據(jù)存儲器擴(kuò)展舉例 . 19 單片機(jī) I/O 口的擴(kuò)展（ 8155擴(kuò)展芯片） . 20 8155的結(jié)構(gòu)和引腳 . 20 8155的控制字的及其工作方式 . 21 8155與 8031的連接 . 22 看門狗、報(bào)警、復(fù)位和時鐘電路的設(shè)計(jì) . 23 . 23 . 23 . 24 鐘電路的設(shè)計(jì) . 25 盤與顯示電路的設(shè)計(jì) . 25 . 25 . 26 模轉(zhuǎn)換接口 . 27 離放大器的設(shè)計(jì) . 28 控硅調(diào)功控溫 . 29 . 29 . 30 片機(jī)開關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì) . 31 第 4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) . 32 主要程序的框圖 . 32 . 32 . 33 . 34 . 35 模糊自整定 制算法 . 36 致謝 . 39 參考文獻(xiàn) . 40 附錄 . 42 浙江工業(yè)大學(xué)浙西分校信息與電子工程系畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） - 1 - 第 1 章 緒論 言 電爐是熱處理生產(chǎn)中應(yīng)用最廣的加熱設(shè)備，通 過布置在爐內(nèi)的電熱元件將電能轉(zhuǎn)化為熱能 ,借助輻射與對流的傳熱方式加熱工件。通?？捎靡韵履Ｐ投ㄐ悦枋?1 02 （ 1中 X 電爐內(nèi)溫升（指爐內(nèi)溫度與室溫溫差 ) K 放大系數(shù) t 加熱時間 T 時間系數(shù) V 控制電壓 0 純滯后時間 但在實(shí)際熱力過程中，由于被加熱金屬的導(dǎo)熱率、裝入量以及加熱溫度等因素的不同，直接影響著 K 、 T 、 0等參數(shù)的變化，因此電爐本身具有很大的不確定性 2 溫度控制在熱處理工藝過程中 ,是一個非常重要的環(huán)節(jié)?？刂凭戎苯佑绊懼a(chǎn)品質(zhì)量的好壞。 根據(jù)不同的目的，將材料及其制件加熱到適宜的溫度。 制器發(fā)展現(xiàn)狀 制器的發(fā)展現(xiàn)狀 在過去的 50 年，調(diào)節(jié) 制器參數(shù)的方法獲得了極大的發(fā)展。其中有利用開環(huán)階躍響應(yīng)信息，如 應(yīng)曲線法；還有使用 線法的，如續(xù)響應(yīng)法。然而這些調(diào)節(jié)方法只識別了系統(tǒng)動態(tài)信息的 一小部分，不能理想的調(diào)節(jié)參數(shù)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，人們利用人工智能的方法將操作人員的調(diào)整經(jīng)驗(yàn)作為知識存入計(jì)算機(jī)中，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，計(jì)算機(jī)能自動調(diào)整 數(shù)。這樣能實(shí)現(xiàn)自動調(diào)整、短的整定時間、簡便的操作，改善響應(yīng)特性而推動了自整定 自整定技術(shù)可追溯到 50 年代自適應(yīng)控制處于萌芽時期， 60 年代國外有人設(shè)計(jì)了一種自動調(diào)節(jié)式的過程控制器，因其價格高、體積大、可靠性差而未能商品化。 80 年代由于適用的控制理論的完善以及高性能微機(jī)的使用，才使得自整定控制器得以開發(fā)，制器參 數(shù)的自動整定技術(shù)設(shè)想已慢慢實(shí)現(xiàn)。 電爐溫度控制技術(shù)發(fā)展日新月異，從模擬 字 最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制，再發(fā)展到智能控制，每一步都使控制的性能得到了改善。在現(xiàn)有的電加熱爐溫度控制方案中， 制和模糊控制應(yīng)用最多，也最具代表性。 浙江工業(yè)大學(xué)浙西分校信息與電子工程系畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） - 2 - 糊 制 模糊控制的概念是由美國加利福尼亞大學(xué)著名教授 先提出的，經(jīng)過20多年的發(fā)展，模糊控制取得了矚目的成就。模糊控制適用于非線性、數(shù)學(xué)模型不確定的控制對象，對被控對象的時滯非線性和時變性具有一定的適應(yīng)能力，同時對噪 聲也有較強(qiáng)的抑制作用，即魯棒性較好。但模糊控制器本身消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的性能比較差，難以達(dá)到較高的控制精度。而 制正好可以彌補(bǔ)其不足，近年來已有不少將模糊技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)結(jié)合起來設(shè)計(jì)模糊邏輯控制的先例。在文獻(xiàn)中介紹了多種能提高 合控制方案，例如：引入積分因子的模糊 制器；混合型模糊 制器；另外將其與其它先進(jìn)控制技術(shù)結(jié)合又有模糊自適應(yīng) 制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊 制等。 6 糊自整定 制 模糊自整定 制是 在一般 制系統(tǒng)的基礎(chǔ) ，加上一個模糊控制規(guī)則環(huán)節(jié)，利用模糊控制規(guī)則在線對 數(shù)進(jìn)行修改的一種自適應(yīng)控制系統(tǒng)。它以誤差 以滿足不同時刻的 e和 將模糊控制和 制器兩者結(jié)合起來，揚(yáng)長避短，既具有模糊控制靈活而適應(yīng)性強(qiáng)，調(diào)節(jié)速度快的優(yōu)點(diǎn)，又具有 制無靜差、穩(wěn)定性好、精度高的特點(diǎn)，對復(fù)雜控制系統(tǒng)和高精度伺服系統(tǒng)具有良好的控制效果。 圖 1糊自整定 制 爐采用模糊自整定 制的可行性 在工 業(yè)生產(chǎn)過程中，電爐隨著負(fù)荷變化或干擾因素的影響，其對象特性或結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。電爐溫控具有升溫單向性、大時滯和時變的特點(diǎn)，如升溫靠電阻絲加熱，降溫依靠自然冷卻，溫度超調(diào)后調(diào)整慢，因此用傳統(tǒng)的控制方法難以得到更好的控制效果。另外對于 制，若條件稍有變化，則控制參數(shù)也需調(diào)整。 自適應(yīng)控制運(yùn) 用現(xiàn)代控制理論在線辨識對象特征參數(shù)，實(shí)時改變其控制策略，使控制系統(tǒng)指標(biāo)保持在最佳范圍內(nèi)。但由于操作者經(jīng)驗(yàn)不易精確描述，控制過程中各種信號量以及評價指標(biāo)不易定量表示，而模糊理論正是解決這一問題的有效途徑。 人們運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)的 基本理論和方法，把規(guī)則的條件操作用模糊集表示并把這些模糊控制規(guī)則及有關(guān)信息 (如評價指標(biāo)、初始 數(shù)等 )作為知識存入計(jì)算機(jī)知識庫中，然后計(jì)算機(jī)根據(jù)控制系統(tǒng)的實(shí)際響應(yīng)情況運(yùn)用模糊推理，實(shí)現(xiàn)自動對 數(shù)的最佳浙江工業(yè)大學(xué)浙西分校信息與電子工程系畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） - 3 - 調(diào)整。 從以上的分析可知模糊自整定 制應(yīng)用在具有明顯的純滯后、非線性、參數(shù)時變類似于電爐這樣特點(diǎn)的控制對象可以獲得很好的控制性能。大量的理論研究和實(shí)踐也充分證明了用模糊自整定 制電爐溫度是一非常好的解決方法。它不僅能發(fā)揮模糊控制的魯棒性好、動態(tài)響應(yīng)好、上升時間快和超調(diào)小的特 點(diǎn)，又具有 制器的動態(tài)跟蹤品質(zhì)和穩(wěn)態(tài)精度。因此在溫度控制器設(shè)計(jì)中，采用 數(shù)模糊自整定復(fù)合控制，實(shí)現(xiàn) 數(shù)的在線自調(diào)整功能，可以進(jìn)一步完善 制的自適應(yīng)性能，在實(shí)際應(yīng)用中也取得了較好的效果。 8 浙江工業(yè)大學(xué)浙西分校信息與電子工程系畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） - 4 - 第 2 章 自整定 制器的設(shè)計(jì) 模糊自整定 制是在一般 制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，加上一個模糊控制規(guī)則環(huán)節(jié)，利用模糊控制規(guī)則在線對 數(shù)進(jìn)行修改的一種自適應(yīng)控制系統(tǒng)。它以誤差 以滿足不同時刻的 e和 它將模糊控制和 制器兩者結(jié)合起來，揚(yáng)長避短，既具有模糊控制靈活而適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，又具有 制精度高的特點(diǎn)，對復(fù)雜控制系統(tǒng)和高精度伺服系統(tǒng)具有良好的控制效果。 9 糊推理機(jī)的設(shè)計(jì) 模糊控制器是應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)知識，模擬人的思維方法，把人用自然語言描述的控制策略改造成模糊控制規(guī)則，由模糊控制規(guī)則構(gòu)造出模糊關(guān)系，而把模糊關(guān)系作為模擬變換器，把輸入、輸出的模糊向量按模糊推理方法處理，進(jìn)而確定控制量。 糊推理機(jī)的結(jié)構(gòu) 在一般的模糊控制系統(tǒng)中，考慮到模糊控制器實(shí)現(xiàn)的簡易性 和快速性，通常采用二維模糊控制器結(jié)構(gòu)形式。這類控制器都是以系統(tǒng)誤差 本模糊控制器構(gòu)成原理圖如圖 2 圖 2基本模糊控制器結(jié)構(gòu)原理圖 圖中： 量因子；E、U差 e、誤差變化率 控制量 u 的模糊語言變量；E、 U 分別是與 e、 u 成比例的變量，其中 E = e， U =u/ 糊推理機(jī)的設(shè)計(jì) 依據(jù)模糊控制的基本原理，基本模糊控制器設(shè)計(jì)概括起來包括如下內(nèi)容： (1) 精確量的模糊化； (2) 建立模糊控制規(guī)則和模糊關(guān)系； (3) 輸出信息的決策。 浙江工業(yè)大學(xué)浙西分校信息與電子工程系畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） - 5 - 確量的模糊化 過程參數(shù)的變化范圍即模糊控制器輸入量的實(shí)際范圍稱為基本論域，它是一個連續(xù)域，在模糊控制中需要將語言變量的基本論域轉(zhuǎn)換成指定的有限整數(shù)的離散論域。假設(shè)某一語言變量的實(shí)際變化范圍為 經(jīng)過量化因子 k 變換后的范圍為a,b=設(shè)論域 取為離散論域 n之間變化的變量 22 按 Y 值大小，查隸屬度賦值表，將其歸類于某一模糊子集 (如正大、負(fù)小等 )。模糊子集通?？勺魅缦聞澐郑贺?fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大。 模糊變量的模糊集和論域確定后，需對模糊語言變量確定隸屬函數(shù)，即所謂對模糊變量賦值，就是確定論域內(nèi)元素對模糊語言變量的隸屬度。對于同一個模糊概念，確定隸屬函數(shù)的方 法多種多樣，沒有統(tǒng)一的模式。盡管形式上不完全相同，只要反映同一模糊概念，在解決和處理模糊問題中仍然殊途同歸。隸屬函數(shù)形式有多種，可根據(jù)實(shí)際要求來確定。在實(shí)際應(yīng)用中為方便起見，常采用三角形、正態(tài)形、梯形。隸屬度賦值表是先根據(jù)實(shí)際問題人為確定，再通過“學(xué)習(xí)”和實(shí)踐檢驗(yàn)逐步加以修正和完善的。在給定論域上確定模糊子集的隸屬函數(shù)要注意下面 3 個問題： (1) 任意兩個相鄰模糊子集的交集的最大隸屬度在 間。這個值取的較小時控制作用比較靈敏；較大時，對被控對象參數(shù)變化的適應(yīng)性較強(qiáng)。 (2) 若 A 是 一個模糊子集，如果 U1 較大，則控制特性比較平緩，系統(tǒng)較為穩(wěn)定；若 U1 較小，則控制作用的靈敏度較高。 (3) 為了保證控制作用的隸屬函數(shù)是單峰的，諸模糊子集必須正規(guī)突。 立模糊控制規(guī)則和模糊關(guān)系 模糊控制規(guī)則設(shè)計(jì)原則是：當(dāng)誤差較大時，控制量的變化應(yīng)盡力使誤差迅速減??；當(dāng)誤差較小時，除了要消除誤差外，還要考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性，防止系統(tǒng)產(chǎn)生不必要的超調(diào)，甚至振蕩。 20 模糊控制規(guī)則的一般形式為 is cEis jCi =1,2, 1m ;j =1,2, 2m ) 其中：模糊子集；其實(shí)際值 Y 的偏差 f 所對應(yīng)的模糊子集； 和 U 表示偏差變化率 別是模糊子集劃分?jǐn)?shù)目。 11 上述模糊條件語句可歸結(jié)為一個模糊關(guān)系 R，即 (2式中 符號“”表示“ 如果偏差、偏差變化率分別取為 ，根據(jù)模糊推理合成規(guī)則，輸出的控制量是模糊子集 U，那么 浙江工業(yè)大學(xué)浙西分校信息與電子工程系畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） - 6 - (2即 , (2式中 X， Y， ZE，“ ”和“ ” “取大”和“取小”運(yùn)算 出信息的模糊決策 模糊控制器的輸出是模糊子集，它反映控制語言的不同取值的一種組合。但被控對象只能接受一個精確的控制量，因此需要從輸出的模糊子集中判決出一個控制量，將模糊量轉(zhuǎn)化為精確量，也就是說推導(dǎo)出一個由模糊子集到普通集合的映射，這個映射稱之為判決?，F(xiàn)在的解模糊判決方法通常有以下三種 ：最大隸屬度法、取中位數(shù)法、隸屬度加權(quán)平均法等。最大隸屬度法是直接選擇模糊子集中隸屬度最大的元素 (或該模糊子集隸屬度最大處的真值 )作為控制量。它能突出主要信息，計(jì)算簡單，但丟失了很多次要的信息，比較粗糙，適應(yīng)于控制性能要求一般的控制系統(tǒng)。 論域 U 上把隸屬函數(shù)曲線與橫坐標(biāo)圍成的面積平分為兩部分的元素 Z*稱為模糊集的中位數(shù)。中位數(shù)法就是把模糊集中位數(shù)作為系統(tǒng)控制量。與最大隸屬度法相比教，中位數(shù)法概括了更多的信息，但計(jì)算復(fù)雜，特別是在連續(xù)隸屬函數(shù)時，需求解積分方程，因此應(yīng)用場合比加權(quán)平均法少。 加權(quán)平均法是糊 模控制系統(tǒng)中應(yīng)用極為廣泛的一種判決方法。這一方法有三種形式，即普通加權(quán)平均法，權(quán)系數(shù)加權(quán)平均法和 10 本設(shè)計(jì)采用普通加權(quán)平均法 設(shè) rr , 2211 模糊集，取各隸屬度為加權(quán)系數(shù)，則控制量 U 由下式?jīng)Q定 (2糊自整定 制器 這種智能 糊控制器分兩步整定 數(shù)。 第一步，初始 數(shù)的整定：先測定被控對象參數(shù)的粗略值，應(yīng)用初值整定規(guī)則確定 初始值；第二步， 數(shù)的在線整定：監(jiān)測控制系的響應(yīng)過程，將其模糊化，綜合用戶期望、控制目標(biāo)類型、對象參數(shù)等，運(yùn)用模糊推理自動進(jìn)行 數(shù)的在線整定。 9 數(shù)對 制性能的影響 制器時域內(nèi)的控制模型為 011 p (2計(jì)算機(jī)控制是一種采樣控制，它只 能根據(jù)采樣時刻的偏差值計(jì)算控制量， 制作用浙江工業(yè)大學(xué)浙西分校信息與電子工程系畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） - 7 - 的離散化形式一般表示為 111 增量形式為 2p (2式中 比例系數(shù) 積分系數(shù)， I 微分系數(shù)， ， T 為采樣周期 積分時間 微分時間 e(k)第 k 次采樣時刻輸入的偏 差值 由于 制器在控制過程中的比例、積分、微分作用的程度，因此從系統(tǒng)穩(wěn)定性、響應(yīng)速度、超調(diào)量和控制精度等各方面特性來考慮 制器三個參數(shù)對 制品質(zhì)的影響。 比例控制的特點(diǎn)是：誤差一旦產(chǎn)生，控制器立即就有控制作用，使被控制量朝著減小誤差的方向變化，控制作用的強(qiáng)弱取決于比例系數(shù) 例系數(shù) 高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。 統(tǒng)的響應(yīng)速度越快，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度越高，但易產(chǎn)生超調(diào)，甚至?xí)?dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定； 會降低調(diào)節(jié)精度，使系 統(tǒng)動作緩慢，延長調(diào)節(jié)時間，使系統(tǒng)靜、動態(tài)特性變壞。 積分作用系數(shù) 它的不足之處在于積分作用具有滯后特性。 態(tài)誤差消除越快，但 響應(yīng)初期會產(chǎn)生積分過飽和現(xiàn)象，從而引起響應(yīng)過程的較大超調(diào)，系統(tǒng)將不穩(wěn)定。若 統(tǒng)靜態(tài)誤差難以消除，影響系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。 微分作用系數(shù) 要在響應(yīng)過程中抑制偏差向任何方向的變化，對偏差變化進(jìn)行提前預(yù)報(bào)。但 引起較大的超調(diào)，使被調(diào)量激烈振蕩，系統(tǒng)不穩(wěn)定，延長調(diào)節(jié)時間，降低系統(tǒng)的抗干擾性能；若 微分作用太弱，調(diào)節(jié)質(zhì)量改善不大。 綜上所述， 個參數(shù)取值大小，對控制系統(tǒng)的靜態(tài)特性和動態(tài)性能影響很大，(s)的參數(shù)來確定。對于非線性負(fù)載和時延、時變負(fù)載，以及難以用 G(s)描述的負(fù)載，這三個參數(shù)的整定就很困難，因此我們在基于其它方法 (例如 等 )整定出來的 用模糊自調(diào)整機(jī)構(gòu)在線調(diào)整 數(shù)，從而達(dá)到抑制大范圍的擾動，改進(jìn)系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)性能的目的。 糊自整定 制器 模糊自整定 制器原理圖如圖 2示。 10 圖 2糊自整定 制 浙江工業(yè)大學(xué)浙西分校信息與電子工程系畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） - 8 - 模糊自整定 制是在一般 制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，加上一個模糊控制規(guī)則環(huán)節(jié)，利用模糊控制規(guī)則在線對 數(shù)進(jìn)行修改的一種自適應(yīng)控制系統(tǒng)。它以誤差 以滿足不同時刻的 e和 將模糊控制和 制器兩者結(jié)合起來，揚(yáng)長避短，既具有模糊控制靈活而適應(yīng)性強(qiáng)，調(diào)節(jié)速度快的優(yōu)點(diǎn)，又具有 制無靜差、穩(wěn)定性好、精度高的特點(diǎn)，對復(fù)雜控制系統(tǒng)和高精度伺服系統(tǒng)具有 良好的控制效果。 糊自整定 制器性能的研究 為了便于比較模糊自整定 制器與常規(guī) 制器的性能差別，選擇典型二階純滯后對象作為模型，改變模型參數(shù)，利用 真，觀察分析二種控制方式的階躍響應(yīng)曲線及二者之間差異。 二階純滯后慣性環(huán)節(jié)的模型為 11 21 d (2其中，增益系數(shù) K=4。分別改變模型的慣性時間常數(shù)和純滯后時間， 分析在三種控制方式下，它們對系統(tǒng)特性的影響。取設(shè)定值 0 ， 組調(diào)節(jié)系數(shù)是在常規(guī) 制方式下，被控對象的慣性時間常數(shù) 1、 4，純滯后時間 0時系統(tǒng)的整定參數(shù)。 真結(jié)構(gòu)圖 在 立 將它封裝為 圖 2利用模糊控制工具箱中的 塊，將它和 起來可以封裝成為 構(gòu)如圖 2 浙江工業(yè)大學(xué)浙西分校信息與電子工程系畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） - 9 - 圖 2真結(jié)構(gòu)圖 將 對其運(yùn)用 估器進(jìn)行補(bǔ) 償校正，從而得到整個控制系統(tǒng)的模型，如圖 2后就可以根據(jù)輸出結(jié)果 來判斷控制器的性能。通過對輸出結(jié)果的分析，可以對系統(tǒng)參數(shù)和模糊控制器的控 制規(guī)則進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，使控制系統(tǒng)的性能達(dá)到最佳。 圖 2數(shù)自整定模糊 制系統(tǒng)和傳統(tǒng) 在 境中運(yùn)行該系統(tǒng)進(jìn)行仿真，可以利用示波器觀察輸出的情況，也可以將數(shù)據(jù)存儲到利用繪圖命令將曲線輸出到單獨(dú)的 窗口中。 19 性時間常數(shù)的影響 保持對象增益和純滯后時間不變，分別取三組慣性時間常數(shù)作特性比較，觀察系統(tǒng)對被控對象慣性時間變化的能力。 浙江工業(yè)大學(xué)浙西分校信息與電子工程系畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） - 10 - 純滯后時間 圖 2規(guī) 圖 2糊自整定 圖中，曲線 1、 2、 3 分別為被控對象慣性時間常數(shù) ， ； ， ； ，2的特性曲線 對比圖 2以看出： 模糊自整定 制特性曲線的超調(diào)很小，控制精度和動態(tài)特性優(yōu)于常規(guī) 上升時間改善不多。 對于對象的性時間常數(shù)的變化，模糊自整定 慣性時間常數(shù) ， 的被控對象的特性曲線不理想。 真結(jié)果分析 根據(jù)前面的仿真實(shí)驗(yàn)和仿真分析，可以總結(jié)出以下幾點(diǎn)結(jié)論： (1) 模糊自整定 制對慣性時間常數(shù)變化的適應(yīng)能力比常規(guī) 制強(qiáng)； (2) 模糊自整定 制的動態(tài)特性、控制精度比常規(guī) (3) 模糊自整定 制系統(tǒng)比常規(guī) 制系統(tǒng)的穩(wěn)定性好。 浙江工業(yè)大學(xué)浙西分校信息與電子工程系畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） - 11 - 第 3 章 系統(tǒng)硬件和電路設(shè)計(jì) 言 電爐是熱處理生產(chǎn)中應(yīng)用最廣的加熱設(shè)備，其本身是一個較為復(fù)雜的被控對象，雖然可用以下模型定性描述它 1s （ 3 式中 K 放大系數(shù) T 時間系數(shù) 純滯后時間 但在實(shí)際熱力過程中，由于實(shí)際工況的復(fù)雜性 (加工工件的材質(zhì)、初溫、升溫、幅度規(guī)格、裝爐量以及電氣環(huán)境等因素 )，使得上述數(shù)學(xué)模型偏離實(shí)際情況相當(dāng)嚴(yán)重，本文將在具有在線自調(diào)整功能模糊自整定 期較理想地解決被加熱物件透燒過程的測量與控制。 統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu) 控制系統(tǒng)組成框圖如圖 3 圖 3爐溫度控制系統(tǒng) 浙江工業(yè)大學(xué)浙西分校信息與電子工程系畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） - 12 - 度檢測電路 溫度檢測是溫度控 制系統(tǒng)的一個重要的環(huán)節(jié)，直接關(guān)系到系統(tǒng)性能。在微機(jī)溫度控制系統(tǒng)中，溫度的檢測不僅要完成溫度到模擬電壓量的轉(zhuǎn)換，還要將電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)值量送計(jì)算機(jī)。其一般結(jié)構(gòu)如圖 3 圖 3度數(shù)字檢測的一般結(jié)構(gòu) 度傳感器 溫度傳感器將測溫點(diǎn)的溫度變換為模擬電壓，其值一般為 ，需要放大為滿足模 /數(shù)轉(zhuǎn)換要求的電壓值。微機(jī)通過控制把電路電壓送到模 /數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模 /數(shù)轉(zhuǎn)換，得到表示溫度的電壓數(shù)字量，再用軟件進(jìn)行標(biāo)度變換與誤差補(bǔ)償，得到測溫點(diǎn)的實(shí)際溫度值。 溫度傳感器種類繁多，但在微機(jī)溫度控制系統(tǒng)中 使用得傳感器，必須是能夠?qū)⒎请娏孔儞Q成電量得傳感器，此次設(shè)計(jì)中選用的是熱電偶傳感器，熱電偶傳感器是工業(yè)溫度測量中應(yīng)用最廣泛得一種傳感器，具有精確度高、測量范圍廣、構(gòu)造簡單、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。熱電偶是由兩種不同材料得導(dǎo)體 連接在一起構(gòu)成得感溫元件，如圖 3A 和 B 得兩個接點(diǎn) 1 和 2 之間穿在溫度差時，回路中便產(chǎn)生電動勢，形成一定大小得電流，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)，也叫溫差效應(yīng)。熱電偶就是利用這個原理測量 溫度的 5。 圖 3電偶測溫原理圖 量放大器的組成 測量放大器的基本電 路如圖 3 圖 3量放大器的原理圖 浙江工業(yè)大學(xué)浙西分校信息與電子工程系畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） - 13 - 測量放大器由三個運(yùn)算放大器組成，其中 個同相放大器組成前級，為對稱結(jié)構(gòu)，輸入信號加在 動放大器 它不僅切斷共模干擾的傳輸 ,還將雙端輸入方式變換成單端輸出方式 ,適應(yīng)對地負(fù)載的需要。 測量放大器的放大倍數(shù)用下面公式計(jì)算 11230 1 （ 3 式中 ，常靠近組件，若距離較遠(yuǎn)，應(yīng)將聯(lián)線膠合在一起，改變 1000范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。 電偶冷端溫度補(bǔ)償方法 用熱電偶測量溫度時，熱電偶的工作端（熱端）被放置在待測溫場中，而自由端（冷端）通常被放在 0的環(huán)境中。若冷端溫度不是 0，則會產(chǎn)生測量誤差，此時要進(jìn)行冷端補(bǔ)償。冷端補(bǔ)償方法較多，在本次的設(shè)計(jì)中我們 采用的冷端溫度補(bǔ)償為電橋式冷端補(bǔ)償。 35 對與冷端溫度補(bǔ)償器，在工業(yè)上采用如圖 3 圖 3電偶冷端溫度補(bǔ)償電橋 圖中所示的補(bǔ)償電橋橋臂電阻 1321 錳銅線繞成； 的限流電阻， 電橋在 20時處于平衡狀態(tài)。當(dāng)冷端溫度升高時， 電橋 a、 時熱電偶溫差電勢卻隨冷端溫度升高而降如果 增加量等于熱電偶溫差電勢的減小量，則熱電偶輸出電勢 而達(dá)到冷端補(bǔ)償?shù)哪康摹?36 路開關(guān)的選擇 在本次的設(shè)計(jì)中，我們的溫度傳感器有 5個，因此，我們采用了一種 16的多路開關(guān)，以實(shí)現(xiàn)對 5個溫度傳感器的巡回檢測。 單片 . 道 電路包括 16 選 1 的譯碼器和譯碼器的輸出分別控制的 16 個 向開關(guān)， 浙江工業(yè)大學(xué)浙西分校信息與電子工程系畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） - 14 - 用模擬信號或數(shù)字信號去控制模擬開關(guān)的接通或斷開，具有低的導(dǎo)通電阻和高的斷開電阻，所控制的模擬信號最大峰值為 15V，而數(shù)字信號的幅度 3 禁止時， ，這時所有的雙向開關(guān)均不接通，在公共端呈現(xiàn)高阻抗。 1、主要性能 接驅(qū)動 路、 16選 1模擬多路轉(zhuǎn)換器；具有雙向轉(zhuǎn)換功能；單電源供電；標(biāo)準(zhǔn) 24引腳 裝；功耗： 關(guān)接通電阻：180歐（ ;開關(guān)接通時間： 開 關(guān)斷開時間： 1us( 2、 2423222120191817161514133、 圖 3，是目前市場上廣泛流行的最典型的雙積分模 /數(shù)變換器。該芯片具有抗干擾性能好、轉(zhuǎn)換精度高、自動校零、自動極性輸出、自動量程控制信號輸出、外接元件少、價格便宜等特點(diǎn)。因此廣泛應(yīng)用在低速微控制器應(yīng)用系統(tǒng)，智能儀表和數(shù)字三用表等領(lǐng)域。 5容。 5外部連接電路，盡管 5部連接元件很少，但