溫控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及仿真論文.doc

浙江工業(yè)大學(xué)浙西分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-1-第1章引言1.1課題的提出及意義溫度是生產(chǎn)過程和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中非常普遍而又十分重要的物理參數(shù)。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，為了高效地進(jìn)行生產(chǎn)，必須對(duì)生產(chǎn)工藝過程中的主要參數(shù)，如溫度、壓力、流量、速度等進(jìn)行有效的控制，其中溫度控制在生產(chǎn)過程中占有相當(dāng)大的比例。準(zhǔn)確地測(cè)量和有效地控制溫度是優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低耗和安全生產(chǎn)的重要條件。而且在我們的日常生活中也使用微波爐、電烤箱、電熱水器、空調(diào)等家用電器，溫度與我們息息相關(guān)。另外在各高等院校的實(shí)驗(yàn)室中，無不將溫度作為被控參數(shù)，構(gòu)成微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)，供學(xué)生作綜合實(shí)驗(yàn)或課程設(shè)計(jì)?？梢姕囟瓤刂齐娐窂V泛應(yīng)用于社會(huì)生活的各個(gè)領(lǐng)域，所以對(duì)溫度進(jìn)行控制是非常有必要和有意義的?？墒怯捎跍囟茸陨淼囊恍┨攸c(diǎn),如慣性大、滯后現(xiàn)象嚴(yán)重、難以建立精確的數(shù)學(xué)模型等,使控制系統(tǒng)性能不佳。在關(guān)于溫度控制的絕大部分文獻(xiàn)資料中，控制結(jié)果都是有超調(diào)的，而且很多時(shí)候超調(diào)量較大，本論文是基于這一特點(diǎn)，研究一種控制方案，將其用于大部分溫控場(chǎng)合，都能達(dá)到零超調(diào)，且調(diào)節(jié)時(shí)間快，穩(wěn)態(tài)誤差也非常小的理想效果。另一方面也是基于控制實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的需求，將其用于對(duì)實(shí)驗(yàn)電烤箱溫度進(jìn)行控制，達(dá)到調(diào)節(jié)時(shí)間短、超調(diào)量為零且穩(wěn)態(tài)誤差在1內(nèi)的技術(shù)要求。1.2文獻(xiàn)綜述1.2.1工業(yè)溫度控制發(fā)展簡(jiǎn)介目前先進(jìn)國(guó)家各種爐窯自動(dòng)化水平較高，裝備有完善的檢測(cè)儀表和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。其計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)已采用集散系統(tǒng)和分布式系統(tǒng)的形式，大部分配有先進(jìn)的控制算法，能夠獲得較好的工藝性能指標(biāo)。而我國(guó)的溫度控制系統(tǒng)的發(fā)展大致經(jīng)歷了三個(gè)階段:第一階段:基地式儀表。第二階段:單元組合式儀表。第三階段:微機(jī)控制階段。溫度微機(jī)控制系統(tǒng)取代模擬控制系統(tǒng)，克服了其調(diào)節(jié)精度差、可靠性不高的缺點(diǎn)。由于計(jì)算機(jī)具有高速的數(shù)據(jù)運(yùn)算處理功能和大容量存貯信息的能力，使得此類系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、維護(hù)方便、抗干擾能力強(qiáng)，而且可以采用先進(jìn)的控制算法以進(jìn)一步提高控制性能。1.2.2溫度微機(jī)控制系統(tǒng)控制方案浙江工業(yè)大學(xué)浙西分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-2-計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展極大地推動(dòng)了工業(yè)控制系統(tǒng)的進(jìn)步，而現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，人工智能技術(shù)的深入研究，為控制系統(tǒng)的理論領(lǐng)域增加了新的內(nèi)容。計(jì)算機(jī)硬件與控制軟件的緊密結(jié)合必然導(dǎo)致新型的微機(jī)控制系統(tǒng)的出現(xiàn)。溫度微機(jī)控制系統(tǒng)常用的控制方案有以下三類:經(jīng)典控制方案、基于現(xiàn)代控制理論的設(shè)計(jì)方案和智能控制方案。智能控制方案是一類無需人的干預(yù)就能夠針對(duì)控制對(duì)象的狀態(tài)自動(dòng)地調(diào)節(jié)控制規(guī)律以實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)的控制策略。它避開了建立精確的數(shù)學(xué)模型和用常規(guī)控制理論進(jìn)行定量計(jì)算與分析的困難性。它實(shí)質(zhì)上是一種無模型控制方案，即在不需要知道對(duì)象精確模型的情況下，通過自身的調(diào)節(jié)作用，使實(shí)際響應(yīng)曲線逼近理想響應(yīng)曲線。智能控制系統(tǒng)有以下一些特點(diǎn):(l)智能控制系統(tǒng)一般具有以知識(shí)表示的非數(shù)學(xué)廣義模型和以數(shù)學(xué)模型表示的混合控制過程。它適用于含有復(fù)雜性、不完全性、模糊性、不確定性和不存在己知算法的生產(chǎn)過程。(2)智能控制具有信息處理和決策機(jī)構(gòu)，它實(shí)際上是對(duì)人神經(jīng)結(jié)構(gòu)或?qū)＜覜Q策機(jī)構(gòu)的一種模仿。(3)智能控制器具有非線性。(4)智能控制器具有變結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。(5)智能控制器具有總體自尋優(yōu)的特點(diǎn)。1.2.3目前快速發(fā)展的一些具體溫控方案常用的溫度控制電路根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合和要求的性能指標(biāo)的不同，除了傳統(tǒng)的PID控制方法，近幾年來快速發(fā)展的是將模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等智能控制方法應(yīng)用于溫控系統(tǒng)，以及包括智能控制與PID控制相結(jié)合及這些智能控制之間的結(jié)合。具體有如下一些方法：（1）模糊控制：（2）遺傳算法與PID的結(jié)合：（3）模糊控制與PID的結(jié)合：（4）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與PID的結(jié)合：（5）模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法三者的結(jié)合：1.3本文所做的工作基于以上所述目前國(guó)內(nèi)外的溫控方法的各自特點(diǎn)，以及溫度這一物理參數(shù)變化緩慢，大慣性和大滯后的特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)考慮采用模糊控制與PID控制相結(jié)合的參數(shù)模糊自整定PID控制方法來對(duì)溫度進(jìn)行控制。本文所做的工作是：對(duì)電烤箱這一控制對(duì)象，選擇了純PID控制、純模糊控制和參數(shù)模糊自整定PID控制三種控制方案，運(yùn)用Simulink軟件對(duì)它們的控制性能和抗干擾能力進(jìn)行了仿真研究比較，選出合乎響應(yīng)速度快、超調(diào)量為零、穩(wěn)態(tài)誤差在1內(nèi)的技術(shù)要求的解決方案。另外以AT89C52單片機(jī)為核心的電烤箱溫度控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)及相應(yīng)軟件程序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以及與此相關(guān)的前向通道、后向通道、人機(jī)通道的設(shè)計(jì)。浙江工業(yè)大學(xué)浙西分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-3-第2章硬件系統(tǒng)2.1單片機(jī)中央控制系統(tǒng)這是整個(gè)系統(tǒng)的核心控制部分，數(shù)據(jù)的分析利用等都是通過這個(gè)中央處理系統(tǒng)來完成的。它的硬件主要包括AT89C52單片機(jī)、8155擴(kuò)展芯片，MAX6675芯片，程序存儲(chǔ)芯片24C02，按鍵電路，顯示電路，報(bào)警電路，復(fù)位、晶振電路等。2.1.1單片機(jī)簡(jiǎn)介單片微型計(jì)算機(jī)（簡(jiǎn)稱單片機(jī)），自70年代問世以來，以其極高的性價(jià)比，受到人們的重視和關(guān)注，應(yīng)用很廣，發(fā)展也很快。單片機(jī)體積小，重量輕，抗干擾能力強(qiáng)，環(huán)境要求不高，價(jià)格低廉，可靠性高，靈活性好，開發(fā)較為容易。目前，世界上較為著名的8位單片機(jī)的生產(chǎn)廠家和主要機(jī)型有：Intel公司：MCS-51系列及其增強(qiáng)型系列ATMEL公司：AT89系列1.MCS-51系列單片機(jī)簡(jiǎn)介MCS-51片內(nèi)結(jié)構(gòu)如果按功能劃分，它由八個(gè)部件組成，即：數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）：片內(nèi)為128個(gè)字節(jié)，片外最多可以擴(kuò)至64K字節(jié)。程序存儲(chǔ)器（ROM/EPROM）：8031無此部件，8051為4KROM，8751為4KEPROM，片外最多可擴(kuò)至64K。I/O口（P0口、P1口、P2口、P3口）：為4個(gè)并行8位I/O口。串行口：一個(gè)全雙工的串行口，具有四種工作方式。定時(shí)器/計(jì)數(shù)器：2個(gè)或3個(gè)16位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，具有四種工作方式。中斷系統(tǒng)：具有5個(gè)或6個(gè)中斷源，2級(jí)中斷優(yōu)先權(quán)。特殊功能寄存器（SFR）：共有21個(gè)，用于對(duì)片內(nèi)各功能模塊進(jìn)行管理、控制、監(jiān)視。實(shí)際上是一些控制寄存器和狀態(tài)寄存器，是一個(gè)特殊功能的RAM區(qū)。微處理器（CPU）：為8位的CPU且內(nèi)含一個(gè)一位位處理器，不僅可以處理字節(jié)數(shù)據(jù)，還可以進(jìn)行變量的處理。運(yùn)算部件：包括算術(shù)邏輯部件ALU、位處理器、累加器A、寄存器B、暫存器以及程序狀態(tài)字PSW寄存器等。該模塊是功能是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的算術(shù)、邏輯運(yùn)算、位變量處理和數(shù)據(jù)傳送等操作。2.AT89系列單片機(jī)簡(jiǎn)介AT89系列單片機(jī)是美國(guó)ATMEL公司繼承Intel公司80C31的核心技術(shù)并和自身先進(jìn)浙江工業(yè)大學(xué)浙西分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-4-的閃電存儲(chǔ)器（FlashMemory）技術(shù)相結(jié)合而產(chǎn)生的Flash單片機(jī)系列。它是一種低功耗、高性能、內(nèi)含4K/8K字節(jié)閃存儲(chǔ)器、用CHMOS工藝制造的8位單片機(jī)。其代表產(chǎn)品是AT89C51。其基本結(jié)構(gòu)依然是CPU加上外圍芯片的結(jié)構(gòu)模式。一個(gè)8位的中央處理器（包括運(yùn)算部件和控制部件）；4KB/8KB的Flash存儲(chǔ)器；128B/256B的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）；32條I/O口線（四個(gè)8位口P0、P1、P2、P3）；2個(gè)或3個(gè)（對(duì)8032/8052是3個(gè)）定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；一個(gè)具有5個(gè)中斷源、2個(gè)優(yōu)先級(jí)的中斷嵌套結(jié)構(gòu)；用于多處理機(jī)通訊、I/O擴(kuò)展或全雙工UART（通用異步接收發(fā)器）的串行口；特殊功能寄存器（SFR）；以及一個(gè)片內(nèi)震蕩器和時(shí)鐘電路。這九個(gè)部件都是通過片內(nèi)單一總線連接而成的。既然AT89系列單片機(jī)的核心技術(shù)是80C31，并在80C31的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，因此兼容、改進(jìn)和增強(qiáng)將是我們對(duì)AT89系列單片機(jī)和MCS-51系列單片機(jī)進(jìn)行比較的主要內(nèi)容。（1）引腳和80C51完全兼容AT89C52是一種低功耗、高性能，內(nèi)含閃電存儲(chǔ)器的8位單片機(jī)。與MCS-51系列指令系統(tǒng)和引腳下完全兼容。（2）內(nèi)部含有閃電存儲(chǔ)器AT89系列單片機(jī)提供的程序存儲(chǔ)器是4KB/8KB的Flash存儲(chǔ)器而MCS-51提供的程序存儲(chǔ)器是4KB/8KB的只讀存儲(chǔ)器（ROM或EPROM）。這是二者最大的區(qū)別。AT89系列單片機(jī)由于內(nèi)部含有閃電存儲(chǔ)器，因而在系統(tǒng)開發(fā)過程中可以十分容易地進(jìn)行程序修改和反復(fù)實(shí)驗(yàn)。同時(shí)，在系統(tǒng)工作過程中，能有效地保存一些數(shù)據(jù)信息，即使外界電源損壞也不影響信息的保存。（3）靜態(tài)時(shí)鐘方式AT89系列單片機(jī)是用靜態(tài)邏輯來設(shè)計(jì)的，其工作頻率可下降到0Hz，并提供兩種可用軟件來選擇的省電方式空閑方式和掉電方式。而80C51不是用靜態(tài)邏輯來設(shè)計(jì)的。綜上所述，AT89系列單片機(jī)和MCS-51有相同的核心技術(shù)及總體結(jié)構(gòu)。指令系統(tǒng)和引腳完全兼容。不同的是AT89系列單片機(jī)內(nèi)部含有4KB/8KB的閃電存儲(chǔ)器，而且是有靜態(tài)邏輯來設(shè)計(jì)的。而MCS-51不是用靜態(tài)邏輯來設(shè)計(jì)的，而且片內(nèi)不含閃電存儲(chǔ)器，只有ROM或EPROM。因此在此次設(shè)計(jì)中采用AT89C52單片機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的核心控制部分。2.1.2時(shí)鐘電路AT89C52的時(shí)鐘可以由兩種方式產(chǎn)生，一種是內(nèi)部方式，利用芯片內(nèi)部的振動(dòng)電路；另一種方式為外部方式。1.內(nèi)部時(shí)鐘方式AT89C52內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器，引腳XTAL1和XTAL2分別構(gòu)成此反相放大器的輸入端和輸出端。這個(gè)放大器與作為反饋元件的片外晶體或陶瓷諧振一起構(gòu)成自激振蕩器。AT89C52雖然有內(nèi)部振蕩電路，但要形成時(shí)鐘，必須外接元件，圖2-1(a)是AT89C52