自适应加热器

1、 自适应加热控制器题 目 自适应加热控制器 系 别 专 业 班 级 学生姓名 学 号 指导教师 2015年4月自适应加热控制器的设计摘要：在控制理论和技术飞跃发展的今天，自适应控制由于其结构简单、稳定性能好可靠性高等优点而被广泛应用。然而在实际的工业过程中，许多被控过程机理复杂，具有高度非线性。这就要求在自适应控制中，不仅自适应参数的整定不依赖于对象数学模型，并且自适应参数能在线调整，以满足实时控制的要求。自适应自适应自适应控制将是解决这一问题的有效途径。利用神经网络具有自学习、自组织、联想记忆和并行处理等功能和对于复杂系统控制可以达到满意效果的优势，提出了具有自学习和自适应能力的自适应来构成

2、自适应加热控制器的策略。这种自适应构成的控制器不仅结构简单，且能适应环境变化，有较强的鲁棒性。使自适应自适应控制达到最优。其仿真结果表明：该控制器与典型的自适应控制器相比，系统输出能够很好地跟踪参考模型的输出显著提高了系统的动态响应性能。关键词：自适应 自适应控制 自适应Single Neuron Adaptive PID Controller Design AbstractIn: the raPID development of control theory and technology nowaday, PID control has been widely used because of

3、 its simple structure, stable performance and high reliability. However, in actual industrial processes, many complex mechanism controlled process has highly nonlinear.This requires the PID control, PID parameter setting not only do not rely on mathematical models, and the PID parameters can be adju

4、sted on line to meet the requirements of real-time control. Single neuron adaptive PID control will be an effective way to solve this problem. Using neural network self-learning, self-organization, associative memory and parallel processing features and control of complex systems can achieve satisfa

5、ctory results, this paper proposed a self-learning and adaptive capacity of single neurons to form the single neuron adaptive PID control strategy. These neurons constitute the controller not only simple in structure, and can adapt to environmental changes, have stronger robustness. Adaptive PID con

6、trol to optimal. The simulation results show that the controller, compared with the typical PID controller, the system output can track the reference model very well, the output of the system significantly improved dynamic response.Keywords: adaptive PID control neurons目录前言1第一章 绪论31.1 课题研究背景31.2 课程设

7、计的内容51.3 课题设计的目的和意义6第二章 电路所需器件介绍62.1 运算放大器LM35862.1.1LM358介绍62.1.2 LM358引脚图62.1.3 LM358方框图72.2 电压比较器LM33972.2.1 LM339简介72.2.2 LM339特点72.2.3 LM339引脚82.3 AT89S5282.3.1 AT89S52简介82.3.2 AT89S52引脚82.3.3引脚功能说明92.4 6反相带施密特触发器CD40106112.4.1内部结构图管脚图112.4.2输入输出真值表112.5 MF58热敏电阻122.5.1 MF58特点122.5.2 MF58外形图122

8、.5.3 MF58电路符号122.5.4MF58温度-电阻对应值12第三章 装配及调试说明133.1 外部接线133.2 电路工作原理133.3单片机控制要求143.4 调试方法143.5 调试完成15结论16致谢17参考文献18附录19附录1 电路图 19附录2 元器件20III前言自适应控制器能修正自己的特性以适应对象和扰动的动态特性的变化。自适应控制的研究对象是具有一定程度不确定性的系统，这里所谓的“不确定性”是指描述被控对象及其环境的数学模型不是完全确定的，其中包含一些未知因素和随机因素。面对这些客观存在的各式各样的不确定性，如何设计适当的控制作用，使得某一指定的性能指标达到并保持最优

9、或者近似最优，这就是自适应控制所。 自适应控制和常规的反馈控制和最优控制一样，也是一种基于数学模型的控制方法，所不同的只是自适应控制所依据的关于模型和扰动的先验知识比较少，需要在系统的运行过程中去不断提取有关模型的信息，使模型逐步完善。具体地说，可以依据对象的输入、输出数据，不断辨识模型参数，这个过程称为系统的在线辩识。随着生产过程的不断进行，通过在线辩识，模型会变得越来越准确，越来越接近于实际。既然模型在不断地改进，显然，基于这种模型综合出来的控制作用也将随之不断改进。在这个意义下，控制系统具有一定的适应能力。比如说，当系统在设计阶段，由于对象特性的初始信息比较缺乏，系统在刚开始投

10、入运行时可能不理想，但是只要经过一段时间的运行，通过在线辩识和控制以后，控制系统逐渐适应，最终将自身调整到一个满意的工作状态。再比如某些控制对象，其特性可能在运行过程中要发生较大的变化，但通过在线辩识和改变控制。 常规的反馈控制系统对于系统内部特性的变化和外部扰动的影响都具有一定的抑制能力，但是由于控制器参数是固定的，所以当系统内部特性变化或者外部扰动的变化幅度很大时，系统的性能常常会大幅度下降，甚至是不稳定。所以对那些对象特性或扰动特性变化范围很大，同时又要求经常保持高性能指标的一类系统，采取自适应控制是合适的。但是同时也应当指出，自适应控制比常规反馈控制要复杂的多，成本也高的多，

11、因此只有在用常规反馈达不到所期望的性能时，才会考虑采用。 第一章 绪论1.1 课题研究背景 我国的加热控制器在10多年前问世，由于受到当时电力因素的制约，发展非常缓慢，只有几个非锅炉行业的厂家在生产。1998年以来，特别是2000年，自适应加热市场迅速发展。行业内许多厂家都已经或者正在准备生产自适应加热。由于起步晚 、规模小,加热控制器的控制水准很低，甚至很原始。加热控制器的控制与燃油（气）锅炉的控制有很大的不同。1 电流巨大，属大电流或超大电流控制； 2 没有现成的燃烧器及其程控器，锅炉的加热过程和控制品质完全由自己决定； 3 比燃

12、油（气）锅炉的自动化程度和蓄热要求更高，外观要求也更现代、更美观。 因此，自适应加热控制存在较大难度。1998年我们抓住了市场机遇，再次把工业控制技术应用于加热控制器控制领域 ，把大型电力 负荷控制的成功经验移植到加热控制器的大电流控制上来，率先提出了加热控制器的循环投切和分段模糊控制的控制模式，较好地解决了加热控制器控制的理论和实际问题。 国内电加热炉的加热形式主要有以下两个： 1 电阻加热式 国内绝大多数厂家采用该方式，并选用电阻式管状电热元件。电阻加热方式的电气特点是锅水不带电，但在电加热元件漏水或爆 裂时会

13、使锅水带电或称漏电。另外，受电热元件绝缘导热层的绝缘程度的影响，电热管存在一定的泄漏电流。泄漏电流的国家标准是<0.5ma。该方式在结构上易于叠加组合，控制灵活，更换方便。 2 电磁感应加热式 该方式的加热原理是：当电流通过加热线圈时，就会形成电磁场,把金属锅壳置于电磁场之中，就会使锅壳产生涡流，并导致其发热，从而完成对锅水加热的目的。其电流愈大，发热量愈大。电磁感应加热方式在工业上的应用较早，典型的应用就是中频加热炉。但是把它应用到锅炉上，确属首次，很有创意值得关注 。目前国内只有一家厂家生产这种自适应加热。 该方式的优点是，与水和锅炉

14、是非接触式加热，因此绝无漏电的可能性；另一个优点是该方式须用可控硅做驱动输出，因此具有无触点开关的独特优势；机械噪声小，可多级或无级调节，使用寿命长。 该方式的缺点是热效率比电阻加热方式要稍低，约96%:。这是因为后者是直接与锅水接触加热，而前者是间接加热，况且作为功率驱动元件的可控硅元件，其本身也要消耗一定功率。 1.2加热炉控制研究现状 国内电加热炉控制有四个发展阶段： 第一阶段：手动控制、温度仪表显示 处于发展初期的加热控制器控制采用温度仪表显示温度，由人工手动投切，以达到逐级投切和温度调节的目的。还有一种形式是无论功率多大，均分三个投切

15、组，二组为手动，一组用温控表控制。第一阶段手动控制方式自动化程度极低，控制效果较差。 第二阶段：顺序控制器或PLC程控器 ，温度仪表参与控制 人们把人工手动投切改为用顺序控制器或PLC程控器来完成逐级投切，使锅炉控制基本能够自动化。为了解决逐级投切的自动化，厂家在采用PLC作程控器，或开发了电子顺序控制器后，不但可以实现逐级投切自动化，还能定时启停锅炉。然而由于仍然使用温控表来进行全功率的温度控制，动作频繁，控制效果较差，甚至产生控制振荡。 第三阶段：全PLC控制 为了满足市场对加热控制器自动化的更高要求，有少数厂家开发了全PLC控制系统，全P

16、LC控制就是不但使用PLC主机，还配置了温度输入模块和显示单元（液晶显示或触摸屏显示），在硬件上组成了完整的控制系统 。通过厂家编制的控制程序，全PLC控制可以达到全部加热控制器的自动化要求，并具有良好的人机界面。它的缺点是成本很高，应用面很窄，控制程序的优劣直接与编程人员 的专业水准相关，还需要专业人员去现场改变现场设置。 第四阶段：专用电脑控制 用加热控制器专用电脑取代通用的PLC，更取代温控表。它具有全PLC控制的全部优点，并克服了全plc控制的全部缺点，可产品化，成本低，易与各种自适应加热配套，配备最先进和成熟的控制程序，现场参数可由一般操作人员

17、在现场进行设置和解决。因此加热控制器专用电脑控制器已被广泛采用。 加热控制器加热的调节方式和控制模型： 从电气角度上看，加热控制器就是一台大功率的电力调功设备，锅炉输出的热功率越高，电功率的输出也应越大。电功率的输出调节分有级功率调节和无级功率调节两种。无级功率调节用于调节精度要求较高的场合，有级功率调节用于调节精度要求较低的场合。由于对锅炉输出热功率的精度要求一般都不很高，因此国内绝大多数加热控制器均采用有级功率调节方式2。电功率输出的元件分为有机械触点和无机械触点两大类。前者是交流接触器，后者是可控硅，交流接触器只能用作有级功率调节，优点是主回路完全电气隔离，耐过流和过

18、压能力较强、自身耗电小、发热量也小、价格较低，缺点是有机械动作噪声，触点寿命较短。可控硅可以用作无级功率调节，也可用于有级功率调节，优点是无机械动作噪声，触点寿命较长，缺点是主回路不能完全关断，过电流和过电压能力差，自身耗电较大，需要强制散热，价格较高。因此国内绝大多数加热控制器采用交流接触器作电功率输出元件。而中频感应加热锅炉因为电路的需要，必须用可控硅作电功率输出元件。另外小功率家用锅炉也适合用可控硅元件。 1.3本设计的主要工作及技术路线    本设计基于PCT-型过程控制实验装置中的电加热炉被控对象，要求从工 程的角度完成电加热炉的PL

19、C系统的自控专业施工图设计，通过本次设计，掌 握控制系统设计的流程和方法。 已知：流体介质为水，相关数据：阀前压力1p250KPa=；压降p200KpaD=； 温度t = 20°C；液体体积流量3LQ6mh=；管道直径12D=D=15mm 。具体内 容及要求如下： 1. 熟悉电加热炉的工艺流程，掌握温度、流量、液位等被控对象的特性； 2. 完成控制对象的数学建模及控制系统仿真，确定控制方案，优先采用流 量变比值控制系统或串级控制系统； 3. 采用

20、PLC作为控制元件，并根据已知条件，进行相关仪器仪表的计算与 选型； 4. 绘制自控专业部分施工图图纸，完成毕业设计报告。   4 1.3.2本论文的技术路线 PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID 调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法6。大

21、中型PLC都有PID 模块，目前许多小型PLC 也具有此功能模块。PID 处理一般是运行专用的PID子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。本文研究的是电加热炉PLC 控制系统的总体方案，从技术上分析、研究设备的控制系统、温度控制器、加热用发热元件等的选择和确定。 本文提出一种适合电加热炉对象特点的控制算法，并以PLC 为核心，组成电加热炉自适应控制系统，其控制精度，可靠性，稳定性指标均远高于常规仪表组成的系统。为满足提高恒温控制精度的实际需要，针对温控过程的动态特点，由PLC进行非线性计算，采用变参数(

22、占空比）方式动态控制加热电功率，使控制系统具有自整定和自适应能力，达到了快速实现较高精度温度控制的目的。系统设计时考虑了不同控制温度对热电偶的要求，考虑了不同电加热功率对可控硅的要求，也考虑了PLC的通用接口，因此系统具有较好的通用性。第二章 电路所需器件介绍2.1 运算放大器LM3582.1.1LM358介绍LM358 内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。LM358 的封装形式有塑

23、封8引线双列直插式、贴片式和圆形金属壳封装等。LM358是二运放集成电路，它采用8脚双列直插塑料封装，其内部包含二组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，二组运算放大器相互独立。LM358具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等优点，因此被广泛应用于各种电路中。2.1.2 LM358引脚图2.1.3 LM358方框图2.2 电压比较器LM3392.2.1 LM339简介LM339集成块内部装有四个独立的电压比较器，它采用14脚双列直插封装，内部包含四组形式完全相同的电压比较器。2.2.2 LM339特点该电压比较器的具有:(1)失调电压小，典型值为2mV;(2)电源电压范围宽

24、，单电源为2-36V，双电源电压为±1V-±18V;(3)对比较信号源的内阻限制较宽;(4)共模范围很大，为0（Ucc-1.5V）Vo；(5)差动输入电压范围较大，大到可以等于电源电压；(6）输出端电位可灵活方便地选用。因此应用相当广泛。 2.3.1 AT89S52简介AT89S52 是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有 8K 在系统可编程AT89S52引脚图 DIP封装Flash存储器。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完 全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于 常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的

25、8 位CPU 和在系统 可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提 供高灵活、超有效的解决方案。 AT89S52具有以下标准功能： 8k字节Flash，256字节RAM， 32 位I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个16 位 定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口， 片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52 可降至0Hz 静态逻 辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工 作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。2.3.

26、2 AT89S52引脚引脚图2.3.3引脚功能说明1.P0 口：P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻 辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。 当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下， P0不具有内部上拉电阻。(3932脚，P0.0P0.7)。2.P1 口：P1 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，P1 输出缓冲器能驱动4 个 TTL 逻辑电平。( 1 8 脚，P1.0P1.7)。P1.0和P1.1分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和定时器/计数器2 的触发输入（P1.1/T

27、2EX）。3.P2 口：P2 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，P2 输出缓冲器能驱动AT89S52引脚图 PLCC封装4 个 TTL 逻辑电平。对P2 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入 口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。 在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX DPTR） 时，P2 口送出高八位地址。在这种应用中，P2 口使用很强的内部上拉发送1。在使用 8位地址（如MOVX RI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。(2128脚，P2.0P2.7)。4.P3

28、口：P3 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，P3 输出缓冲器能驱动4 个 TTL 逻辑电平。 P3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用。(1017脚，P3.0P3.7)。P3.0 RXD(串行输入口)P3.1 TXD(串行输出口)P3.2 INTO(外中断0)P3.3 INT1(外中断1)P3.4 TO(定时/计数器0)P3.5 T1(定时/计数器1)P3.6 WR(外部数据存储器写选通)P3.7 RD(外部数据存储器读选通)5.PSEN(29脚)：程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89S52由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期

29、两次PSEN有效，即输出两个脉冲，在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。6.ALE/PROG(30脚)：地址锁存允许/编程信号。当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。7.EA/VPP（31脚）：外部程序存储器地址允许/编程电压输入端。外部访问允许，欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H-FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被

30、编程，复位时内部会锁存EA端状态。如EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器的指令。 8.RST/VPD(9脚)：RST是复位信号输入端。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将是单片机复位。 9.VCC VSS（40、20脚）电源输入端。 10.XTAL1、XTAL2:(18、19脚)时钟引脚。 XTAL1：振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。 XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。2.4 6反相带施密特触发器CD40106CD40106由6个结构相同的输入级具有施密特触发功能的反相器组成，每个电路均为在两输入端具有施密特触发器功能的反相器。触发器在信号

31、的上升和下降沿的不同点开、关。上升电压(V T+)和下降电压(V T-)之差定义为滞后电压。施密特触发器在输入波形的上升段和下降段，它的阀值电压不同。2.4.1内部结构图管脚图2.4.2输入输出真值表InputsOutputHLLH2.5 MF58热敏电阻2.5.1 MF58特点MF58为负温度系数（NTC）热敏电阻，其特点是温度越高其电阻值越小。特点有：(1)向引线玻璃封装型(2)稳定性好、可靠性高(3)阻值范围宽：0.15000K(4)阻值及B值精度高(5)玻璃封装，可在高温和高湿等恶劣环境下使用(6)体积小、结构坚固、便于自动化安装(7)使用温度范围-40度+300度(1)额定功率：50

32、mW(1)热感应快、灵敏度高等2.5.2 MF58外形图2.5.3 MF58电路符号2.5.4MF58温度-电阻对应值温度()电阻(k)温度()电阻(k)温度()电阻(k)温度()电阻(k)027.622510504.16751.933522.3308.152553.552801.6631018.19356.951603.048851.4381514.81405.843652.614901.2492012.25454.916702.227951.064第三章 装配及调试说明3.1 外部接线通过J1接入AC12V电源，为系统提供工作电源；灯泡经过导线连接到J2。3.2 电路工作原理烘干系统的电路

33、主要由：温度检测放大电路、温度比较电路、交流过零检测电路、单片机控制电路、LED数码显示电路、可控硅触发电路、电源电路和加热器（用灯泡模拟加热器）所组成。其工作原理如下：温度检测电路：温度检测电路主要由RT1（NTC负温度系数）热敏电阻、U1A组成的同相放大器和U1B组成的缓冲器所组成。当RT1测量环境温度越高，热敏电阻的电阻值越低，温度输出电压TP-A点的电压值越低。温度电压比较电路：由电压比较器LM339和外围电阻构成的电压比较电路，电阻R15、R32、 R31、R19串联分压为3个比较电路提供基准参考电压，当TP-A点的电压低于某个比较器的参考电压时，此比较器输出低电平。交流过零检测电路

34、，当交流电过零时，光耦初级输入电压为零，次级截止，Q4集电极输出高电平，该信号通过具备反相功能的施密特触发器对其整形，输出低电平。单片机控制电路：当单片机检测到过零脉冲后，根据电压比较电路的输入信号确定延时多少ms触发可控硅，并且驱动LED显示器显示出状态值，详见单片机控制要求。可控硅触发电路：由电子开关输出的信号通过Q3放大后驱动光耦U7，U7次级导通后，电流经过R17和U7触发可控硅导通。电源电路：电源电路主要由D2、C11组成的整流滤波电路和串联式稳压电源组成。3.3单片机控制要求S1键为停止键，按下“S1”键，系统停止工作。S2键为启动键，按下“S2”键，系统开始工作。系统处于停止状态

35、时，STOP(停止)指示灯点亮，系统处于启动状态时，RUN(运行)指示灯点亮。当系统启动时，单片机根据由比较电路输入的参数，分为4种不同的工作模式：快速加热模式、普通加热模式、恒温加热模式和停止加热模式。快速加热：当温度低于30时，系统处于快速加热模式，此时LED显示器显示“01”，单片机检测到过零脉冲后延时1ms触发可控硅。普通加热模式：当温度在3035之间时，系统处于普通加热模式，此时LED显示器显示“02”，单片机检测到过零脉冲后延时4ms触发可控硅。恒温加热模式：当温度在3540之间时，系统处于恒温加热模式，此时LED显示器显示“03”，单片机检测到过零脉冲后延时8ms触发可控硅。停止

36、加热模式：当温度高于40，系统处于停止加热模式，此时LED显示器显示“-”，单片机不触发可控硅。3.4 调试方法在调试电路时应首先使电源电路正常工作，即使+5V正常；(1)电源电路调试：接通AC12V交流电源，调节RP1使C10两端的电压为5V。(2)温度检测放大电路调试：RT1和R21组成串联分压电路，当环境温度改变时RT1两端的电压改变，此信号经过由U1A组成的放大电路放大，再经过由U1B缓冲输出；不同的温度U1B输出不同的电压，当温度为30时TP-A点的电压约为1.98V，温度为35时TP-A点电压约为1.73V，温度为40时TP-A点电压约为1.5V。(3)电压比较电路：该电路由3个结构相同的