溫控系統(tǒng)的設計及仿真論文.doc

浙江工業(yè)大學浙西分校畢業(yè)設計（論文）-1-第1章引言1.1課題的提出及意義溫度是生產(chǎn)過程和科學實驗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，為了高效地進行生產(chǎn)，必須對生產(chǎn)工藝過程中的主要參數(shù)，如溫度、壓力、流量、速度等進行有效的控制，其中溫度控制在生產(chǎn)過程中占有相當大的比例。準確地測量和有效地控制溫度是優(yōu)質、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、空調等家用電器，溫度與我們息息相關。另外在各高等院校的實驗室中，無不將溫度作為被控參數(shù)，構成微機測控系統(tǒng)，供學生作綜合實驗或課程設計。可見溫度控制電路廣泛應用于社會生活的各個領域，所以對溫度進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,如慣性大、滯后現(xiàn)象嚴重、難以建立精確的數(shù)學模型等,使控制系統(tǒng)性能不佳。在關于溫度控制的絕大部分文獻資料中，控制結果都是有超調的，而且很多時候超調量較大，本論文是基于這一特點，研究一種控制方案，將其用于大部分溫控場合，都能達到零超調，且調節(jié)時間快，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驗室建設的需求，將其用于對實驗電烤箱溫度進行控制，達到調節(jié)時間短、超調量為零且穩(wěn)態(tài)誤差在1內的技術要求。1.2文獻綜述1.2.1工業(yè)溫度控制發(fā)展簡介目前先進國家各種爐窯自動化水平較高，裝備有完善的檢測儀表和計算機控制系統(tǒng)。其計算機控制系統(tǒng)已采用集散系統(tǒng)和分布式系統(tǒng)的形式，大部分配有先進的控制算法，能夠獲得較好的工藝性能指標。而我國的溫度控制系統(tǒng)的發(fā)展大致經(jīng)歷了三個階段:第一階段:基地式儀表。第二階段:單元組合式儀表。第三階段:微機控制階段。溫度微機控制系統(tǒng)取代模擬控制系統(tǒng)，克服了其調節(jié)精度差、可靠性不高的缺點。由于計算機具有高速的數(shù)據(jù)運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、維護方便、抗干擾能力強，而且可以采用先進的控制算法以進一步提高控制性能。1.2.2溫度微機控制系統(tǒng)控制方案浙江工業(yè)大學浙西分校畢業(yè)設計（論文）-2-計算機技術的發(fā)展極大地推動了工業(yè)控制系統(tǒng)的進步，而現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，人工智能技術的深入研究，為控制系統(tǒng)的理論領域增加了新的內容。計算機硬件與控制軟件的緊密結合必然導致新型的微機控制系統(tǒng)的出現(xiàn)。溫度微機控制系統(tǒng)常用的控制方案有以下三類:經(jīng)典控制方案、基于現(xiàn)代控制理論的設計方案和智能控制方案。智能控制方案是一類無需人的干預就能夠針對控制對象的狀態(tài)自動地調節(jié)控制規(guī)律以實現(xiàn)控制目標的控制策略。它避開了建立精確的數(shù)學模型和用常規(guī)控制理論進行定量計算與分析的困難性。它實質上是一種無模型控制方案，即在不需要知道對象精確模型的情況下，通過自身的調節(jié)作用，使實際響應曲線逼近理想響應曲線。智能控制系統(tǒng)有以下一些特點:(l)智能控制系統(tǒng)一般具有以知識表示的非數(shù)學廣義模型和以數(shù)學模型表示的混合控制過程。它適用于含有復雜性、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構，它實際上是對人神經(jīng)結構或專家決策機構的一種模仿。(3)智能控制器具有非線性。(4)智能控制器具有變結構的特點。(5)智能控制器具有總體自尋優(yōu)的特點。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)應用場合和要求的性能指標的不同，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、遺傳算法等智能控制方法應用于溫控系統(tǒng)，以及包括智能控制與PID控制相結合及這些智能控制之間的結合。具體有如下一些方法：（1）模糊控制：（2）遺傳算法與PID的結合：（3）模糊控制與PID的結合：（4）神經(jīng)網(wǎng)絡與PID的結合：（5）模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡和遺傳算法三者的結合：1.3本文所做的工作基于以上所述目前國內外的溫控方法的各自特點，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，本設計考慮采用模糊控制與PID控制相結合的參數(shù)模糊自整定PID控制方法來對溫度進行控制。本文所做的工作是：對電烤箱這一控制對象，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，運用Simulink軟件對它們的控制性能和抗干擾能力進行了仿真研究比較，選出合乎響應速度快、超調量為零、穩(wěn)態(tài)誤差在1內的技術要求的解決方案。另外以AT89C52單片機為核心的電烤箱溫度控制系統(tǒng)的硬件電路設計及相應軟件程序結構設計，以及與此相關的前向通道、后向通道、人機通道的設計。浙江工業(yè)大學浙西分校畢業(yè)設計（論文）-3-第2章硬件系統(tǒng)2.1單片機中央控制系統(tǒng)這是整個系統(tǒng)的核心控制部分，數(shù)據(jù)的分析利用等都是通過這個中央處理系統(tǒng)來完成的。它的硬件主要包括AT89C52單片機、8155擴展芯片，MAX6675芯片，程序存儲芯片24C02，按鍵電路，顯示電路，報警電路，復位、晶振電路等。2.1.1單片機簡介單片微型計算機（簡稱單片機），自70年代問世以來，以其極高的性價比，受到人們的重視和關注，應用很廣，發(fā)展也很快。單片機體積小，重量輕，抗干擾能力強，環(huán)境要求不高，價格低廉，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位單片機的生產(chǎn)廠家和主要機型有：Intel公司：MCS-51系列及其增強型系列ATMEL公司：AT89系列1.MCS-51系列單片機簡介MCS-51片內結構如果按功能劃分，它由八個部件組成，即：數(shù)據(jù)存儲器（RAM）：片內為128個字節(jié)，片外最多可以擴至64K字節(jié)。程序存儲器（ROM/EPROM）：8031無此部件，8051為4KROM，8751為4KEPROM，片外最多可擴至64K。I/O口（P0口、P1口、P2口、P3口）：為4個并行8位I/O口。串行口：一個全雙工的串行口，具有四種工作方式。定時器/計數(shù)器：2個或3個16位的定時器/計數(shù)器，具有四種工作方式。中斷系統(tǒng)：具有5個或6個中斷源，2級中斷優(yōu)先權。特殊功能寄存器（SFR）：共有21個，用于對片內各功能模塊進行管理、控制、監(jiān)視。實際上是一些控制寄存器和狀態(tài)寄存器，是一個特殊功能的RAM區(qū)。微處理器（CPU）：為8位的CPU且內含一個一位位處理器，不僅可以處理字節(jié)數(shù)據(jù)，還可以進行變量的處理。運算部件：包括算術邏輯部件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。該模塊是功能是實現(xiàn)數(shù)據(jù)的算術、邏輯運算、位變量處理和數(shù)據(jù)傳送等操作。2.AT89系列單片機簡介AT89系列單片機是美國ATMEL公司繼承Intel公司80C31的核心技術并和自身先進浙江工業(yè)大學浙西分校畢業(yè)設計（論文）-4-的閃電存儲器（FlashMemory）技術相結合而產(chǎn)生的Flash單片機系列。它是一種低功耗、高性能、內含4K/8K字節(jié)閃存儲器、用CHMOS工藝制造的8位單片機。其代表產(chǎn)品是AT89C51。其基本結構依然是CPU加上外圍芯片的結構模式。一個8位的中央處理器（包括運算部件和控制部件）；4KB/8KB的Flash存儲器；128B/256B的數(shù)據(jù)存儲器（RAM）；32條I/O口線（四個8位口P0、P1、P2、P3）；2個或3個（對8032/8052是3個）定時器/計數(shù)器；一個具有5個中斷源、2個優(yōu)先級的中斷嵌套結構；用于多處理機通訊、I/O擴展或全雙工UART（通用異步接收發(fā)器）的串行口；特殊功能寄存器（SFR）；以及一個片內震蕩器和時鐘電路。這九個部件都是通過片內單一總線連接而成的。既然AT89系列單片機的核心技術是80C31，并在80C31的基礎上發(fā)展起來的，因此兼容、改進和增強將是我們對AT89系列單片機和MCS-51系列單片機進行比較的主要內容。（1）引腳和80C51完全兼容AT89C52是一種低功耗、高性能，內含閃電存儲器的8位單片機。與MCS-51系列指令系統(tǒng)和引腳下完全兼容。（2）內部含有閃電存儲器AT89系列單片機提供的程序存儲器是4KB/8KB的Flash存儲器而MCS-51提供的程序存儲器是4KB/8KB的只讀存儲器（ROM或EPROM）。這是二者最大的區(qū)別。AT89系列單片機由于內部含有閃電存儲器，因而在系統(tǒng)開發(fā)過程中可以十分容易地進行程序修改和反復實驗。同時，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)時鐘方式AT89系列單片機是用靜態(tài)邏輯來設計的，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)邏輯來設計的。綜上所述，AT89系列單片機和MCS-51有相同的核心技術及總體結構。指令系統(tǒng)和引腳完全兼容。不同的是AT89系列單片機內部含有4KB/8KB的閃電存儲器，而且是有靜態(tài)邏輯來設計的。而MCS-51不是用靜態(tài)邏輯來設計的，而且片內不含閃電存儲器，只有ROM或EPROM。因此在此次設計中采用AT89C52單片機作為整個系統(tǒng)的核心控制部分。2.1.2時鐘電路AT89C52的時鐘可以由兩種方式產(chǎn)生，一種是內部方式，利用芯片內部的振動電路；另一種方式為外部方式。1.內部時鐘方式AT89C52內部有一個用于構成振蕩器的高增益反相放大器，引腳XTAL1和XTAL2分別構成此反相放大器的輸入端和輸出端。這個放大器與作為反饋元件的片外晶體或陶瓷諧振一起構成自激振蕩器。AT89C52雖然有內部振蕩電路，但要形成時鐘，必須外接元件，圖2-1(a)是AT89C52