（电力电子与电力传动专业论文）温度控制实验对象装置的设计.pdf

d e s i g no f a ne x p e r i m e n t a lt e m p e r a t u r ec o n t r o l l e do b j e c t a b s t r a c t i nt h eu n d e r g r a d u a t es t u d yo ft h ec o u r s e sa r o u n dc o n t r o lt e c h n o l o g y , i ti sn o t r e a l i s t i ct om a k ee x p e r i m e n t so i lr e a li n d u s t r yp r o c e s s ，b u tt h ep u r ed i g i t a ls i m u l a t i o n i sn o tq u i t ep e r c e p t u a la n di m p r e s s i v e t h e r e f o r ei ti sv a l u a b l et oh a v es o m er e a l c o n t r o lo b j e c t st h a tc a nb er u ni nt h el a b o r a t o r yt oi m p r o v et h et e a c h i n ge f f i c i e n c ya n d t h el a b sf a c i l i t y t h ew o r kd o n ei nw r i t i n gt h i st h e s i si sa na t t e m p tt od e s i g na n a p p a r a t u sw i t ht h ea t t r i b u t e so fat e m p e r a t u r ec o n t r o l l e do b j e c t ，a i m i n ga tt h eb e a e r u n d e r s t a n d i n go fk n o w l e d g ea n dp r a c t i c ea b i l i t yo ft h es t u d e n t sv i a t h ee x p e r i m e n t s b a s e do i lt h i sa p p a r a t u s t h i sa p p a r a t u s ，a sat e m p e r a t u r ec o n t r o l l e do b j e c t ，i sad e s i g nt h a ti sb a s e do na n o v dm i c r o c o n t r o l l e rm s p 4 3 0 f 1 4 9 ，a n di n c o r p o r a t e dw i t hp t l0 0t e m p e r a t u r e s e n s i n gc i r c u i t ，t h y r i s t o rh e a t e r ，p w mf a nd r i v e r ，a sw e l la st h ek e y p a da n dl c d t h e a p p a r a t u sp e r f o r m sd a t aa c q u i s i t i o n ，h e a t e rp o w e rc o n t r o l ，t h er e v i s i o no fm o d e l s p a r a m e t e r s a n dt h ea p p a r a t u si n t e r a c t sw i t ht h ec o n t r o l l e r ( e g ap c ) b y m e a n so f e i t h e ra n a l o gi oc h a n n e l so rd i g i t a lc o m m u n i c a t i o nl i n k a g e ，a n dt h u sf o r m sa t e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e m f r o mt h ev i e w p o i n t so nh a r d w a r e ，s o f t w a r ea n dc o n t r o ls t r a t e g y ，t h et h e s i s m a k e sad e t a i l e dd e s c r i p t i o no ft h em o d u l e st h a ta x ec o m p o n e n t so ft h ea p p a r a t u s t h e t h e s i si se n d e dw i t ht w oa p p r o a c h e st os e tu pl a b o r a t o r yt e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e m w i t ht h ed e s i g n e dc o n t r o lo b j e c t k e y w o r d s ：t e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e m ， t h y r i s t o r ，a n a l o gc o n t r o l ， o b j e c t m i c r o c o n t r o l l e r ，p l a t i n u mt h e r m a lr e s i s t o r ， d i g i t a lc o n t r o l ，t e m p e r a t u r e c o n t r o l l e d 插图清单 图1 1 温度控制系统框图2 图1 - 2 常规p i d 控制系统原理图4 图l _ 3 模糊控制系统的基本原理图6 图1 一模糊控制器( f l c ) 的原理图7 图l - 5 参数模糊自整定p i d 控制算法原理图8 图2 1 温度控制实验对象装置结构图1 0 图2 _ _ 2m s p 4 3 0 f 1 4 x 系列微控制器的结构1 2 图2 3m s p 4 3 0 f 1 4 x 系列微控制器的引脚图1 3 图2 一m s p 4 3 0 f 1 4 9 微控制器的最小系统一1 4 图2 5 复位电路l5 图2 一振荡器电路1 6 图3 1 温度检测电路一2 1 图3 _ 改进的温度检测电路2 3 图3 3a d c l 2 内部结构2 4 图3 4晶闸管在不同移相触发角时的导通情况2 5 图3 5 定周期过零触发工作原理2 6 图3 - - 6 双向晶闸管的加热控制电路2 7 图3 - - 7 风扇控制电路的设计2 8 图3 8 风扇手动调节电位器2 9 图3 9 键盘电路2 9 图3 1 1 液晶模块接口电路图3 1 图3 1 23 3 v 稳压电源电路3 2 图3 1 31 2 v 稳压电源电路3 2 图3 1 4s p 3 2 2 0 芯片的引脚。3 2 图3 15r s 2 3 2 接口电路设计3 3 图4 1项目的树状组织结构3 7 图4 2 装置主程序流程图3 8 图4 3 温度采样中断服务程序流程4 0 图4 4 中值滤波算法流程图4 1 图4 5 温度计算流程4 2 图4 6 滞后环节的实现4 3 表3 1 表牛一1 表 表5 1 表h 表5 3 表5 4 表格清单 p t l0 0 分度表2 0 a d c l 2 的4 种转换模式3 9 a d 值与温度对照表4 2 a d 转换器技术特性一4 4 d a 转换器技术特性4 4 p c 机下行数据帧4 5 下位机上传数据帧一4 6 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得 金日曼二1 ：些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名： 砩确 签字日期：孵1 月胡日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金巴工些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被奄阅和借阅。本人授权盟 王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 签字日期2 移藩 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字醐：蚶可日 电话： 邮编： 致谢 书山寻径，学海泛舟。转眼两年半的研究生生活即将结束，在这紧张而繁忙 的学习期间，时时感受到电气工程学院老师们无私耕耘的辛劳，深得教诲的同时， 也体会到知识给予的力量与快乐。这里向老师们表示深深的谢意。 本论文研究工作的顺利完成，是与许多人关心和帮助分不开的。在此，对关 心和支持本课题的所有人表示衷心的感谢。 首先，特别感谢我的导师张崇巍教授，本人在温度控制实验对象装置的设计 和开发过程中得到了他悉心的指导和帮助，使论文能得以顺利圆满完成，张老师 严谨的治学态度、深厚的学术功底以及平易近人的生活态度令我由衷的敬佩，是 我学习的榜样。张老师学术渊博，科研能力强，给我留下了深刻的印象。同时还 要感谢学院的许多老师，在我平时的学习和研究工作中，他们都给予了我不少的 支持和帮助。在此，谨致以诚挚的谢意。 还有感谢同实验室的肖坤同学，衷心的感谢他在我论文撰写期间给予我的帮 助，以及我的战友们共同度过一段令人难忘的研究生生活。 同时，我还要感谢我的亲人，朋友! 感谢你们对我的谆谆教导和关心支持! 最后，向审阅本论文的专家、教授致以深深的感谢! 作者：郑昌瑜 2 0 0 8 年1 月 第一章绪论 1 1 温度控制系统的一般描述 在自动化等专业的控制系统类课程的学习中，以真实的工业控制对象( 如 工业过程) 进行实验往往不切实际，而数字仿真并不能给学生对实际系统的认 识和感觉。因此真实的可在实验室运行控制对象对于提高实验室的装备水平和 教学能力具有很大的价值。 国内外教学仪器厂商均可提供各种实验室控制对象( 温度、压力、液位等) ， 但价格偏高，在实验室经费有限的情况下不能在台套数上满足大批学生的实验 配置。本选题意图以低廉的成本提供可覆盖控制理论与控制系统教学的温控对 象，让学生通过实验加深对有关知识的理解并提高动手能力。 1 1 1 温度控制系统 温度控制是工业控制中发展最早、最重要的分支之一，其应用已涉及社会 生活的各个领域。在钢铁、机械、石油化工、电力、工业炉等工业生产中，温 度是极为普遍又极为重要的热工参数之一。温度控制一般指对某一特定空间的 温度进行控制调节，使其达到并满足工艺过程的要求。而控制温度的对象也是 多种多样，大到炼钢炉，小到加热器。在工业控制领域，温度通常也是控制的 主要被控物理量之一，尤其一些对运行环境要求苛刻的场合，温度更是一个主 要的控制参数。为保证生产过程正常进行，提高产品的数量与质量，减轻工人 的劳动强度以及节约能源，常要求被控对象的工作环境温度按某种指定规律变 化。但温度控制是一种典型的非线性控制，其慢时变、大时滞的特性，可引起 系统的不稳定，或者降低系统的反馈性能。采用传统的经典控制方法就很难获 得良好的动态和静态性能。在工业过程控制系统中，有许多控制对象均具有这 种纯滞后的性质，对这种系统的理论介绍有很多，但在工程实践上有效的方法 并不多。一个主要原因就是我们很难获得一个精确的数学模型，而控制的理念 就是要达到一个准确的控制效果，囿于传统控制方式均需要明确的数学模型而 使其控制过程变的复杂。随着人工智能学科的发展，在传统的控制理论中加入 了人工智能的思想，模拟人的思维，从而在控制策略上实现了一次跨越，丰富 了类似于温度特性控制对象的控制方式。 温度比较难控制也是因为被控对象的一些特性决定的，如电加热器的特点 有： ( 1 ) 电加热器类似于熔炉、回转窑以及所有的热容量大的设备，温度回路 的响应都很缓慢，具有纯滞后、延时大的特性； ( 2 ) 电加热器系统温度跨度大，而且进行的是全程温度跟踪控制，整个系 统在各个温度段的控制模型差异较大，不利于建立准确的数学模型，传统的控 制方法已难满足控制要求； ( 3 ) 电加热器执行结构单一，只有加热装置，无冷却装置，设备的加热过 程通常要比放热过程快得多。因此，如果温度上下波动，过程对象的时间常数 将会有很大的变化。 温度控制系统由被控对象、测量装置、调节器和执行机构等部分构成，如 图1 1 所示。被控对象是一个装置或一个过程，它的温度是被控制量。测量装 置对被控温度进行测量，并将测量值与给定值比较，若存在偏差便由调节器对 偏差信号进行处理，再输送给执行机构来增加或减少供给被控对象的热量，使 被控温度调节到整定值。测量装置是温度控制系统的重要部件，包括温度传感 器和相应的辅助部分，如放大、变换电路等。测量装置的精度直接影响温度控 制系统的精度，因此在高精度温度控制系统中必须采用高精度的温度测量装置。 温度控制系统的执行机构大多采用可控热交换器。根据调节器送来的校正后的 偏差信号，调节流入热交换器的热载体( 液体或气体) 的流量，来改变供给( 或 吸收) 被控对象的热量，以达到调节温度的目的。也常采用电加热器作为执行 机构，对被控对象直接加热。通过调节电压( 或电流) 的大小可改变供出的热 量。 图1 1 温度控制系统框图 1 1 2 温控对象的数学模型 对于封闭的温控对象可用下式描述： c x d t d t = 由( 1 1 ) 其中q 一热量；c - 一热容；t 被控温度。 对于不封闭的温控对象，上式应修改为： c x d t d t = 由一k ( 卜疋) ( 1 - - 2 ) 其中：k 一散热常数，t e 一环境温度，这里认为热量的散发与环境温差成正比。 由电工理论得到： 由= 0 2 4 i u = 0 2 4 u 2 r ( 1 3 ) 其中：u 为加热器承受的电压，r 为加热器的电阻。 将( 1 - - 3 ) 式代入式( 1 - - 2 ) 可得： c d t d t + k r _ d = k t u 2( 1 4 ) 其中td = k t e ，k l = 0 2 4 r ，这里假定环境温度不变，加热器电阻不变。 2 系统的控制量是加热器的电压u ，式( 1 - - 4 ) 为一个非线性微分方程。以工 作点( t ，u ) 附近进行小增量( t ，u ) 线性化，可得： c s t ( s ) + kat ( s ) = k 2 a u ( s ) ( 1 - - 5 ) 其中，k 2 = 2 k l u 。这样可得n d , 偏差时的传递函数： a t ( s ) au ( s ) = k 2 ( c s + k ) ( 1 6 ) 式( 1 6 ) 表明在小增量控制时，可以把温控对象当作惯性环节进行控制。 实际的温度控制对象还存在一定的时滞，故一般可用如下的传递函数模型 来近似，即： 矿 g o ) = 三p 一曲 ( 1 7 ) 一 2 奢+ 1 式中：k 为过程稳态增益；t 为过程时间常数；秒表示为纯滞后时间。 1 2 温度控制系统及其控制策略的综述 1 2 1 开关控制 随着社会的发展，工业技术水平的提高，人们越来越发现温度控制领域涉 及面无限拓宽，不论在轻工业还是重工业中，温度检测和控制都显得越来越重 要。早期最原始的温度控制要属开关控制( 既b a n g - b a n g 控制) ，b a n g b a n g 控 制就是开关量控制，控制矢量的各个分量都在取控制域的边界值，而且不断从 一个边界值切换到另一个边界值，是一种最强的控制作用，其特点是输出或者 是最小或者是最大，继电器就是一种典型的输出元件，电磁阀或加热器作为 b a n g b a n g 控制器的执行机构，这类控制不适合于快速响应的过程，在工业控 制中多用于温度和液位等的控制。与其联系最多的控制理论是最优控制理论， 最优控制中常用其解决最短时间控制和最小能耗问题。在过程控制仪表中， b a n g b a n g 控制在一般的场合占有较重要的位置，如美国易达、英国欧陆、中 国香港上润、中国福建东辉公司等都有这种控制的二位式、三位式或时间比例 控制产品。时间比例控制是b a n g - b a n g 控制中较为先进的控制方式，在时间比 例控制中，当执行器接通时，输出是恒定值，例如加热功率是恒定的，而执行 器断开时，则无输出，其控制规律是比例特性，这是由于执行器通断时间的长 短受偏差输入信号的控制，因而输出信号的脉冲宽度正比于偏差输入信号。 在升温初始阶段，采用b a n g b a n g 控制作为引导控制，这样可使系统输出 上升或下降速度最快，也即使运行时间最短。 最短时间控制有如下特点： ( 1 ) 控制信号取该信号的极端值，使系统输出上升或下降速度最快； ( 2 ) 通过控制信号有限次数的切换来实现，切换次数与系统阶数n 有关，对 于系统矩阵实部为实数的情况，每个控制的切换最多不大于n 1 次； ( 3 ) 当系统是渐进稳定的，通过控制信号在极端值之间有限次的切换，总能 使系统达到平衡点； ( 4 ) 控制信号的切换发生在切换开关曲线( 曲面) 上，用状态反馈形式表示为： u 奉= _ 渺肪例 ( 1 8 ) 式中：j i l 似为开关函数；目俐= 0 为切换曲面或开关曲面。 1 2 。2p i d 控制 在温度控制策略中，最经典也最成熟的当属p i d 控制。常规的p i d 控制系 统原理框图如下。 图1 _ 2 常规p f d 控制系统原理图 p i d 控制是2 0 世纪3 0 年代提出来的并实现的控制机理。其控制规律是： “( f ) = k ，【p ( f ) + 1 互e p ( o a t + 乃掣】 ( 卜9 ) “ 其中：晦是比例系数；正是积分时间常数；殇是微分时间常数。“是控制器 的输出；p 例是控制器的输入，是偏差值，对于温度控制系统，e ( o 大多都是实 际温度值和设定温度值的差值，即给点值r ( o 与被控参数世纪输出y 的差值： p = r ( o y ( o ； ( 1 1 0 ) p i d 控制器的输出有三部分组成： 是比例输出部分，输出“。( t ) = k p e ( f ) 与输入偏差p ( t ) 成正比；只要偏差 p 一出现，控制器立即产生控制作用，使被控参数朝着减小偏差的方向变化， 具有及时的特点。控制作用的强弱取决于k e 的大小。如果只用比例控制，系统 稳定时要使控制器仍维持一定控制量输出，必然存在静差；加大k p 可以使得静 差减小，k p 过大会使系统的动态品质变坏，引起被控量振荡导致系统不稳定。 二是积分控制部分，输出为 “2 ( f ) = k p r , 【e ( t ) d t ， 它的作用是消除系统的累积误差。积分作用加入可以消除系统静差。积分 时间乃小，则积分速度快，积分作用强。增大刀将减慢消除静差的过程( 降低 响应速度) ，从而可以减少超调、提高稳定性。对温度参量等滞后较大的对象， 宜选乃大一些。 三是微分控制部分，输出为 4 删瑙p 警， 输出与偏差信号e ( o 的变化速度成正比，即使偏差很小，只要出现变化趋势， 便马上产生控制作用，以调整系统的输出，阻止偏差的变化。这是一种“超前 控制作用，在偏差出现或变化的瞬间作用明显。偏差变化越快，u s ( t ) 越大，反 馈校正量越大。微分控制将有助于减小超调、克服振荡、使系统趋于稳定。此 外，微分反应的是变化率，而当输入没有变化时，微分作用输出为零。微分作 用不能单独使用，需要与另外两种调节规律相结合，组成p d 或p i d 控制器。 采用p i d 控制进行温度控制，从静态和动态方面改善了控制器的品质。p i d 控制是迄今为止最通用的控制方法。大多数反馈控制用该方法或其较小的变形 来控制。p i d 调节器及其改进型是在工业过程控制中最常见的控制器( 至今在全 世界过程控制中用的8 4 仍是纯p i d 调节器，若改进型包含在内则超过9 0 ) 。 我们所熟知的p i d 控制器产生并发展于1 9 1 5 1 9 4 0 年期间。尽管自1 9 4 0 年以来， 许多先进控制器方法不断推出，但p i d 控制器以其结构简单，及易于操作等优点， 仍被广泛应用于冶金、化工、电力、轻工和机械等工业过程控制中。 1 2 3 状态反馈控制 在5 0 年代蓬勃兴起的航天技术的推动下，在1 9 6 0 年前后开始了从经典控 制理论到现代控制理论的过渡，其中最重要标志就是卡尔曼系统地将状态空间 概念引入到控制理论中来。现代控制理论正是在引入状态和状态空间概念的基 础上发展起来。在现代控制理论的发展中，线性系统理论首先得到研究和发展， 已形成较为完整成熟的理论。线性控制理论运用状态空间法描述输入状态 输出诸变量的因果关系，不但反映了系统的输入输出的外部特性，而 且揭示了系统内部的结构特性，是一种既适用于单输入单输出系统又适用 于多输入多输出系统，既可用于线性定常系统又可用于线性时变系统的有 效分析和综合的方法。其中状态空间法是线性系统理论中最重要和影响最大的 分支。 状态反馈的基本特点是采用对状态向量的线性反馈来构成闭环控制系统， 由于控制作用是系统状态的函数，可使控制效果得到很大的改善，从而具有比 输出反馈更好的一系列控制特性。与传统的p i d 控制相比，采用状态反馈控制 能方便地通过配置闭环极点的方法，改变系统的特性，达到提高控制精度的目 的。这对控制类如加热器等具有大时滞、延时的温度工业对象来说，无疑是一 种良好的控制方案。但是，仅仅依靠状态反馈配置极点还难以满足复杂的工业 环境中对温度对象的控制，未能达到理想的控制指标，而p i d 控制恰好具有鲁 棒性好和抗高频干扰能力强的优点，二者的优势可以互补。 利用状态反馈改善系统的闭环特性，提高系统的响应速度，这是控制的第 一层次；将这个品质比较好的广义被控对象交由p i d 控制，改善系统的鲁棒性， 5 使系统的适应性提高，这是控制的第二个层次。对于大量具有迟延环节的工业 对象而言，采用这种状态反馈p i d 控制比传统的p i d 串级控制和仅仅由状态反 馈的控制更有效。 1 2 4 模糊控制 1 9 6 5 年，美国加利福尼亚大学电气工程系三a z a d e h 教授发表了模糊集合 论一文，标志着模糊数学的诞生。模糊自动控制是以模糊数学为理论基础， 即以模糊集合论，模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制， 属于智能控制方法。 模糊控制的诞生是和社会科学技术的发展和需要分不开的。随着科学技术 的迅速发展，各个领域对自动控制系统控制精度、响应速度、系统稳定性与适 应能力的要求越来越高，所研究的系统也日益复杂多变。然而由于一系列原因， 诸如被控对象或过程的非线性、时变性、多参数间的强烈藕合、较大的随机干 扰、过程机理错综复杂、各种不确定性以及现场测量手段不完善等，难以建立 被控对象的数学模型。虽然常规自适应控制技术可以解决一些问题，但范围是 有限的。对于那些难以建立数学模型的复杂被控对象，采用传统控制方法，包 括基于现代控制理论的控制方法，往往不如一个有实践经验的操作人员所进行 的手动控制效果好。因为人脑的重要特点之一就是有能力对模糊事物进行识别 和判决，看起来似乎不确切的模糊手段常常可以达到精确的目的。 在生产实践中，人们发现有经验的操作人员虽然不懂被控对象的数学模型， 但却能十分有效地对系统执行控制。模糊数学的创始人，著名的控制论专家扎 德教授举过停车的例子，正如一个汽车司机，不懂汽车的数学模型而能很好的 驾驶汽车一样。这是因为操作人员对系统的控制是建立在直观的经验上的，凭 借在实际中取得的经验采取相应的决策就可以很好的完成控制工作。人的经验 是一系列含有语言变量值的条件语句和规则，而模糊集合理论又能十分恰当地 表达具有模糊性的语言变量和条件语句。因此，模糊集合理论用于描述人的经 验就有着独特的优势。可以把人的经验用模糊条件语句表示，然后用模糊集合 理论对语言变量进行量化，再用模糊推理对系统的实时输入状态进行处理，产 生相应的控制决策。这也就是模糊控制器的工作过程。模糊控制的基本原理可 有图1 3 表示： 图1 _ 3 模糊控制系统的基本原理图 6 其中的核心部分为模糊控制器，由于模糊控制器的控制规则是根据操作人 员的控制经验取得的，所以它的作用就是模仿人工控制。模糊控制器的控制规 律由计算机的程序实现。其功能的实现是要先把计算机观测控制过程得到的精 确量转化为模糊输入信息，按照总结人的控制经验及策略取得的语言控制规则 进行模糊推理和模糊决策，求得输出控制量的模糊集，再经去模糊化处理得到 输出控制的精确量，作用于被控对象。因此，模糊控制器的结构通常是由它的 输入和输出变量的模糊化、模糊推理算法、模糊合成和模糊判决等部分组成。 这样就确定了模糊控制器( f l c ) 的基本原理，如图l _ 4 所示： 图l 叫模糊控制器( v l c ) 的原理图 由此可见，模糊控制器实际上是反映输入语言变量与输出语言变量及语言 控制规则的模糊定量关系算法结构，一般采用的是二维模糊控制器，即以偏差 和偏差率作为输入，工作过程课概括为以下几个步骤： ( 1 ) 将输入变量的精确值变为模糊量； ( 2 ) 根据输入变量( 模糊量) 及模糊控制规则，按模糊推理合成规则计算 控制量( 模糊量) ； ( 3 ) 上述得到的控制量( 模糊量) 清晰化计算得到精确的控制量。 模糊控制在实践应用中，具有许多传统控制无法与之比拟的优点，其中主 要是： ( 1 ) 使用语言方法，可不需要掌握过程的精确数学模型。因为对复杂的生 产过程很难获得过程的精确数学模型，而语言方法却是一种很方便的近似。 ( 2 ) 对于具有一定操作经验、但非控制专业的工作者，模糊控制方法易于 掌握。 ( 3 ) 操作人员易于通过人的自然语言进行人机界面联系，这些模糊条件语 句很容易加入到过程的控制环节上。 ( 4 ) 采用模糊控制，过程的动态响应品质优于常规p i d 控制，并对过程参 数的变化具有较强的适应性。 1 2 5 模糊p i d 控制 常规的二维模糊控制器是以偏差和偏差变化作为输入变量，因此，一般认 为这种控制器具有f u z z y 比例和微分控制作用，而缺少f u z z y 积分控制作用。 众所周知，在线性控制理论中，积分控制作用能消除稳态误差，但动态响应慢； 比例控制作用动态响应快；而比例积分控制作用既能获得较高的稳态精度，又 能具有较快的动态响应。故把p i ( p i d ) 控制策略引入模糊控制器，构成f u z z 广 7 p i ( 或p i d ) 复合控制，使动静态性能都得到很好的改善，即达到动态响应快，超 调小、稳态误差小。 模糊控制和p i d 控制结合的形式有多种： ( 1 ) 模糊_ p i d 复合控制 控制策略是：在大偏差范围内，即偏差e 在某个阈值之外时采用模糊控制， 以获得良好的瞬态性能：在小偏差范围内，即e 落到阈值之内时转换成p i d ( 或p i ) 控制，以获得良好的稳态性能。二者的转换阈值由微机程序根据事先给定的偏 差范围自动实现。常用的是模糊控制和p i 控制两种控制模式相结合的控制方法 称之为f u z z y _ 一p i 双模控制。 ( 2 ) 比例模糊p i 控制 当偏差e 大于某个阈值时，用比例控制，以提高系统响应速度，加快响应过 程；当偏差e 减小到阈值以下时，切换转入模糊控制，以提高系统的阻尼性能， 减小响应过程中的超调。在该方法中，模糊控制的论域仅是整个论域的一部分， 这就相当于模糊控制论域被压缩，等效于语言变量的语言值即分档数增加，提 高了灵敏度和控制精度。但是模糊控制没有积分环节，必然存在稳态误差，即 可能在平衡点附近出现小振幅的振荡现象。故在接近稳态点时切换成p i 控制， 一般都选在偏差语言变量的语言值为零时，( 这时绝对误差实际上并不一定为零) 切换至p i 控制。 ( 3 ) 模糊一积分混合控制 是将常规积分控制器和模糊控制器并联构成的。 ( 4 ) 参数模糊自整定p i d 控制 p i d 控制的关键是确定p i d 参数，该方法是用模糊控制来确定p i d 参数的， 也就是根据系统偏差e 和偏差变化率e c ，用模糊控制规则在线对p i d 参数进行修 改。其实现思想是先找出p i d 各个参数与偏差e 和偏差变化率e c 之间的模糊关系， 在运行中通过不断检测p 和e c ，在根据模糊控制原理来对各个参数进行在线修 改，以满足在不同e 和e c 时对控制参数的不同要求，使控制对象具有良好的动、 静态性能，且计算量小，易于用微控制器实现。其原理框图如图1 5 所示： 图l 一5 参数模糊自整定p i d 控制算法原理图 较常用的是模糊p i d 复合控制和参数模糊自整定p i d 控制两种方法。 1 3 温度控制对象实验装置的设计目标 提供一个可灵活设置的实验室温度控制对象，具体设计的目标如下： ( 1 ) 装置为一封闭空间加热系统，通过外壳散热。内置双向晶闸管驱动的 加热电路和温度检测电路，配置( 可调节转速的) 风扇来改变对象的参数或形 成扰动； ( 2 ) 基于微控制器设计，通过a f a o 通道或数字通信通道与上位机形成 温度控制系统；模拟量输入代表上位计算机的控制输出，控制实验装置内双向 晶闸管改变加热器功率；模拟量输出代表控制对象温度，由温度传感器通过变 送电路调理得到； ( 3 ) 通过开关切换可将装置设置于手动状态，以便对装置进行调试。 ( 4 ) 配备r s 2 3 2 接1 2 可与控制计算机通信，用于下传包括控制量在内的控 制参数和上传温度等状态参数，实现数字化温度控制系统。 ( 5 ) 键盘和液晶显示用于改变系统部分参数( 如滞后时间) 和显示信息。 9 第二章基于m s p 4 3 0 的总体设计 2 1 温度控制实验对象装置的总体设计 温度控制实验对象装置结构如图2 1 所示，该装置由控制器、电加热器及 其晶闸管控制电路、温度检测电路、干扰风扇、操作面板及键盘液晶显示、模 拟输入模拟输出通道和r s 2 3 2 串口等组成。该装置可以通过模拟输入输出通 道或r s 2 3 2 串口和与上位计算机进行模拟式或数字式信息交换，构成典型的计 算机控制系统。 图2 1 温度控制实验对象装置结构图 该装置可工作在闭环和手动两种状态。闭环时构成计算机温度控制系统。 控制计算机通过串口或模拟量输入获取当前的实际温度。经给定的控制算法计 算出控制量，再通过串口或模拟量输出至温度控制对象装置，此种运行方式又 可称为自动方式。手动时，计算机不参与控制，加热器功率由操作人员通过旋 钮进行控制。当装置处于调试阶段或出现故障时，可采用此方式。此两种运行 方式通过面板开关切换。 温度传感器采用p t l 0 0 铂电阻器，利用铂电阻自身阻值随温度变化的特性 测温，需设计调理电路将其转换为适当的电平供微控制器进行a d 转换。 采用微控制器的脉宽调制( p w m ) 输出控制运行于过零触发方式的晶闸管 电路，实现加热功率控制。 装置上安装了一个可同样通过p w m 方式进行转速调节的散热风扇，用于 改变系统参数或制造扰动。 键盘的目的是提供进一步改变装置参数的手段，例如在温控对象中增加一 个纯滞后环节。 1 0 2 2 装置的控制需求分析 1 实验装置的功能要求 ( 1 ) 工作方式：手动调节闭环控制方式； ( 2 ) 控制量：手动时，控制量通过面板调整；闭环时，控制量由模拟输入 或r s 2 3 2 数字输入； ( 3 ) 显示量：实际温度、设定温度等； ( 4 ) 数据采集和转换：采集被控对象p t l 0 0 的阻值，进而换算成温度值； ( 5 ) 功率控制：按输入控制量转换为占空比，控制过零触发方式的晶闸管 电路调节加热功率； ( 6 ) 数字通信：配备r s 2 3 2 串行通讯接口，接收下传控制量和上传实测温 度值。 2 实验装置的性能指标 ( 1 ) 温度测量( 控制) 范围0 - 2 0 0 ，分辨率o 1 ； ( 2 ) 温度显示刷新速度：1 次s ； ( 3 ) 过零触发控制周期：2 s 。 2 3 微控制器的选择 目前，微控制器( 即单片机) 作为嵌入式技术的核心，在机电产品中的应 用己经越来越广泛越来越普遍。 温度是很多工业生产过程中主要的被控参数之一。钢铁，机械，石油化工， 医药，电力及轻工各类工业中的很多生产环节都要求按照一定规律控制温度， 因此温度控制系统是应用最广泛的工业过程控制系统。 在与控制理论和控制技术有关的课程学习中，温度控制也是最容易实现的 课程实验之一。本实验装置的设计思想是形成一个真实的装置，它既不是不可 能在实验室设置的真正的工业系统，也不是由运算放大器组成的模拟环节，更 不是在电脑中运行的仿真程序，而是一个能体现一般温度控制对象基本特性的 具有真实参数的实体。 该装置的功能和性能如前节所述。为了实现这些功能和性能，该装置必须 是一个基于微控制器的设计。本设计根据对功能和性能的分析，在微控制器的 选择上采用了t i 公司的m s p 4 3 0 f 1 4 9 芯片。 m s p 4 3 0 是t i 公司近几年推出的1 6 位系列微控制器，其最早是面向于驱动 l e d 显示的应用设计，由于极好的应用效果和很大的市场潜力，t i 很快将其发 展为通用微控制器。现有m s p 4 3 0 x 1 x x ，m s p 4 3 0 x 3 x x ，m s p 4 3 0 x 4 x x 几个系 列，并且还在不断的发展。 作为一种新型的微控制器，m s p 4 3 0 可工作于1 8 3 6 v 电源电压。其运行具 有1 种正常工作模式( 蝴) 和4 种低功耗模式( l m p l ，l m p 2 ，l m p 3 和l m p 4 ) ，灵 活的时钟源和模式切换可以使器件达到最低的功率消耗，在众多的微控制器中 独树一帜。 图2 2m s p 4 3 0 f 1 4 x 系列微控制器的结构 m s p 4 3 0 系列微控制器为1 6 位r s i c 结构，具有丰富的寻址方式( 7 种源操作数 寻址、4 种目的操作数寻址) 、简洁的2 7 条内核指令以及大量的模拟指令；大量 的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算；还有高效的查表处理方法； 有较高的处理速度，在8 m h z 晶体驱动下，指令周期为1 2 5 u s 。这些特点保证了 可编程出高效率的源程序。 m s p 4 3 0 系列微控制器具有片上存储器和片内外设，一片芯片即可以满足应 用设计的大多数的需要。 m s p 4 3 0 系列微控制器工作稳定。上电复位后，首先由d c o c l k 启动c p u ， 以保证程序从正确的位置开始执行，保证晶体振荡器有足够的起振及稳定时间。 然后软件可设置适当的寄存器的控制位来确定最后的系统时钟频率。如果晶体 振荡器在用作c p u 时钟m c l k 时发生故障，d c o 会自动启动，以保证系统正常 工作；如果程序跑飞，可用看门狗将其复位，使系统重新启动，保证系统运行 的稳定性。 1 2 图2 3m s p 4 3 0 f 1 4 x 系列微控制器的引脚图 m s p 4 3 0 系列微控制器的应用开发可采用f l a s h 型芯片，因为器件片内有 j t a g 调试接口，还有可电擦写的f l a s h 存储器，可以得到十分方便有效的开发 调试环境。 本实验装置使用的m s p 4 3 f 1 4 9 具有如下特性： 工作电压：1 8 v 3 6 v 。 基本时钟配置： 高速晶体( 最高8 m h z ) ；低速晶体( 3 2 7 6 8 h z ) ；d c o 功耗( 电源2 2 v 、时钟1 m h z ) ： 工作模式( a m ) ：2 8 0 r t a ； 5 种低功耗模式：等待模式0 7 衅，r a m 保持的节电方式0 1 衅； 从等待方式唤醒时间：6 p s 。 1 6 位r i s c 结构，1 5 0 n s 指令周期。 6 0 k bf l a s hr o m 和2 k _ br a m 。 硬件乘法器。 3 个捕获比较寄存器的1 6 位定时器t i m e r _ a ，t i m e r b 。 两通道串行通信接口可用于异步或同步( 软件选择u a r t s p i 模 式) 。 1 2 位2 0 0 k b p s 的a d 转换器，自带有采样保持。配合外部器件可构成 单斜边a d 转换器。 内部温度传感器。 串行在线系统编程。 安全熔丝的程序代码保护。 m s p 4 3 f 1 4 9 i 为部结构如图2 2 所示，其引脚如图2 3 所示。 m s p 4 3 0 有丰富的端口可供用户使用。在m s p 4 3 0 f 1 4 9 产品中有p 1 、p2 、p 3 、 p 4 、p 5 、p 6 口。各个端口都有丰富的功能及大量的控制寄存器供用户操作。其 中：p 1 和p 2 各有7 个寄存器用于引脚控制，这两个8 位端口都能用做输入和输出， 同时都具有中断能力，每个信号都可作为一个中断源。p 3 、p 4 、p 5 和p 6 端口没 有中断能力，其余功能与p 1 和p 2 一样，能实现输入、输出功能和外围模块功能。 这4 个端口各有4 个寄存器供用户使用。 m s p 4 3 0 f 1 4 9 i 作方式支持多种超低功率和超低功耗的高级需求。这是由于 在不同的模块和c p u 状态工作方式期间工作的智能管理所取得的。在中断事件 处理时，也是完全支持这些高级需求的。一个中断时间使监控器从各种工作方 式中唤醒，并使用r e t i 指令返回到中断事件以前所选择的状态。c p u 和模块的 不同需求，受系统价格和电流消耗因素所驱使，需要使用不同的时钟信号： 辅助时钟a c l k ( 来自l f x t i c l k 晶体的频率) ，用于外围模块； 主系统时钟m c l k ，用于c p u 和系统； 子系统时钟s m c l k ，用于外围模块。 这些时钟的任一种( l f x t i x l k 、x t 2 c l k 、d c o c l k ) 都可以驱动m s p 4 3 0 系统。 l f x t i c l k 是将一个低功耗、低频率的晶体接到振荡器，一个高频率的晶 体接到振荡器或者加一个外部时钟源而构成的。如果控制位x t s 被置位则使用 高频率的晶体振荡器。如果当前工作方式不需要l f x t i c l k ，则晶体振荡器可 以被关断。x t 2 c l k 是由于将一个高频率的晶体接到振荡器或是加一个外部时 钟源而构成。如果当前工作方式不要晶体振荡器x t 2 ，则可以用x t 2 0 啦将其 关断。当d c o c l k 激活时它的频率由软件选择或调整。当d c o c l k 未被c p u 或 外围模块使用时，d c o c l k 不激活或停止。 2 4m s p 4 3 0 f 1 4 9 的最小系统 m s p 4 3 0 f 1 4 9 微控制器的最小系统电路如图2 4 所示： 图2 - 4m s p 4 3 0 f 1 4 9 微控制器的最小系统 1 4 v 2 4 1 系统的复位 系统复位电路的设计一定要使系统能够得到充分复位，在各种复杂情况下 稳定可靠地工作。复位性能不好会影响系统的正常运行。在m s p 4 3 0 微控制器中 有一r s t n m i 复位管脚，它与不可屏蔽中断功能管脚复用，可由软件选择其功 能，正常情况下为复位功 能，只要有低电平输入， 系统就将复位，复位电路 正是基于此原理设计并保 证有充分的低电平时间。 复位电路可以采用 r - c 复位电路，也可以采 用复位芯片实现的复位电 路，r - c 复位电路具有经 u 5 l l 卜l g n d 、配c 3 0 3 v c c 蟊丽2 - c 9 r e s e t 0 1 f m a x 8 0 9 s t r 图2 5 复位电路 济性，但是可靠性不是很高，用复位芯片实现的复位电路具有很高的可靠性， 因此为了保证复位电路的可靠性，本设计采用复位芯片实现复位电路的设计， 复位芯片为m a x 8 0 9 。复位电路具体如图2 - 5 所示。 2 4 2m s p 4 3 0 芯片的j t a g 接口 m s p 4