反应釜温度智能控制系统设计——硬件部分

1、毕业设计说明书反应釜温度智能控制系统设计一一硬件部分学生姓名：潘致堂学号：02学院：信息与通信工程学院专业：自动化指导教师：孟江2022年2月反应釜温度智能控制系统设计一一硬件部分摘要：温度是生产过程和科学实验中普遍存在的物理参数，化学反应釜的温度控制精度、系统响应速度及稳定度是衡量温控系统性能指标的关键因素，准确控制釜内温度对在不同温度下进行化学反应具有重要的意义。通常的反应釜容量大，其内部化学反应机理复杂，反应系统具有较大的时变性、非线性和时滞性，被控对象繁多，经典控制理论和现代控制理论的最优控制难以应用在反应釜的控制上。本文对反应釜的温度控制进行了分析，给出了冷剂流量对反应釜内温度的传递

2、函数，设计了对反应釜冷热剂控制来实现反应釜温度智能控制系统具体电路。在控制方法上，通过单片机，采用了模糊控制的方法，并给出了详细的分析步骤和控制算法。关键词：反应釜单片机温度控制模糊控制Thereactionketteltemperatureintelligentcontrolsystemdesign-hardwarepartsAbstract:Thetemperatureistheproductionprocessandscientificexperimentsarecommoninthephysicalparameters,chemicalreactionkettletemperature

3、controlprecision,systemresponsespeedandstabilityoftemperaturecontrolsystemisthemeasureoftheperformanceindexesofkeyfactors,theaccuratecontrolofthetemperatureindifferentkettleforchemicalreactiontemperatureisofgreatsignificance.Usuallythereactionkettlecapacity,itsinternalchemicalreactionmechanismcomple

4、x,reactionsystemhasalargertime-varying,nonlinearandtimelag,thecontrolledobjectisvarious,classicalcontroltheoryandmoderncontroltheory,theoptimalcontrolcannotbeusedinthereactionkettlecontrol.Inthispaper,thereactionkettletemperaturecontrolareanalyzed,thecoldagentforthereactionkettleflowwithinthetransfe

5、rfunctionoftemperature,thedesignofcoldandheatreactionkettleagentcontroltoachievethereactionkettletemperatureconcretecircuitintelligentcontrolsystem.Inthecontrolmethod,throughthesingle-chipmicrocomputer,thefuzzycontrolmethod,andgivesadetailedanalysisofthestepsandcontrolalgorithm.Keywords:ReactorSingl

6、eChipComputerTemperatureControlFuzzy-Control错误！未定义书签错误！未定义书签错误！未定义书签错误！未定义书签错误！未定义书签错误！未定义书签基本方程基本方程的线性化论文的研究内容3控制方案的确定总体控制方案的确定模糊控制器设计模糊控制器简述模糊控制器的设计错误！未定义书签。错误！未定义书签错误！未定义书签。错误！未定义书签。错误！未定义书签错误！未定义书签。错误！未定义书签。错误！未定义书签。1绪论错误！未定义书签反应釜温度智能控制器研究与开发的背景和意义反应釜温度控制技术的现状错误！未定义书签2反应釜的过程分析反应釜的基本结构反应釜的工作原理反应釜

7、的控制方案反应釜的动态特性4硬件电路设计错误！未定义书签系统硬件构成错误!未定义书签电源电路错误！未定义书签。过零检测电路错误!未定义书签。基于DS18820的多传感器测温电路错误！未定义书签DS18820的性能特点错误！未定义书签。DS18820内部结构简介错误！未定义书签。D/A转换及输出电路错误！未定义书签。MAX518与I2C总线错误！未定义书签。电压放大电路13错误！未定义书签。V/I转换电路错误！未定义书签。单片机人机交互错误！未定义书签。键盘接口电路错误！未定义书签。显示接口电路错误！未定义书签。5控制系统的软件设计错误！未定义书签。主程序设计错误！未定义书签。键盘中断服务子程序

8、错误！未定义书签。定时器1中断服务子程序错误！未定义书签。温度采集子程序错误！未定义书签。DS18820温度转换子程序错误！未定义书签。读DS18820温度子程序错误！未定义书签。控制量输出子程序错误！未定义书签。模糊控制算法子程序21错误！未定义书签。6结论错误！未定义书签。参考文献错误！未定义书签附录A反应釜温度智能控制系统设计总电路图错误！未定义书签致谢错误！未定义书签。1绪论反应釜温度智能控制器研究与开发的背景和意义反应釜是化工生产过程中的关键设备之一，同时也是主要的能耗设备，它具有非线性、时变、大滞后等特性，是一个涉及多种因素的复杂系统。产品的质量在很大程度上取决于工艺参数（主要是温

9、度、压力）的控制。因此，设计在线控制手段，保证物料在加工过程中的温度和压力变化符合理想的工艺曲线，将大大提高产品的质量和产量，达到优质、稳定、可靠和节能降耗的目的。从而提高生产率，增加企业的经济效益。在我国，由于大中城市科学技术和工业自动化的发展步伐较快，近年来一些生产规模不大，技术相对落后，而具有一定危险性的化工生产项目转移到农村和小城市，并常有反应釜爆炸、起火等安全事故发生，因此对反应釜智能化检测和控制装置的呼声日益增高。从长远来说，由于许多化学工业、生物制药工业又有规模小、产品更新换代快的特点，使得多数小规模反应釜生产方式将长期存在下去。由于各种化学反应过程差异大，对现在的多数的反应釜而

10、言，缺少成熟、通用、制式化的智能控制设备。因此有必要研制适合于小规模反应釜的低成本、控制简便的温度智能控制器。反应釜温度控制技术的现状自上世纪70年代以来，由于工业过程控制的需要，特别是在微电子技术和计算机技术的迅猛发展以及自动控制理论和设计方法发展的推动下，国外温度控制系统发展迅速，并在智能化、自适应、参数自整定等方面取得成果，在这方面，以美国、德国、瑞典等国技术领先，都生产出了一批商品化的、性能优异的温度控制器及仪器仪表，并在各行业广泛应用1。它们主要具有如下的特点：适应十大惯性、大滞后等复杂温度控制系统的控制。能够适应于受控系统数学模型难以建立的温度控制系统的控制。能够适应于受控系统过程

11、复杂、参数时变的温度控制系统的控制。这些温度控制系统普遍采用自适应控制、自校正控制、模糊控制、人工智能等理论及计算机技术，运用先进的算法，适应的范围广泛。（5）普遍温控器具有参数自整定功能。借助计算机软件技术，温控器具有对控制对象控制参数及特性进行自动整定的功能。有的还具有自学习功能，它能够根据历史经验及控制对象的变化情况，自动调整相关控制参数，以保证控制效果的最优化。6）温度控制系统具有控制精度高、抗干扰力强、鲁棒性好的特点。目前国内外较先进的化工过程监控装置基本上是应用各类传感器为检测敏感元件，以单片微处理器为控制器件，通过控制搅拌器、电磁阀等执行器件实现容器内的温度、压强调节等目的2。反

12、应釜的过程分析所谓过程系统是指研究一类以物质和能量转变为基础（即过程工业）的生产过程，研究这类过程的描述、模拟、仿真、设计、控制和管理，旨在进一步改善工艺操作，提高自动化水平，优化生产过程，加强生产管理，最终显著地增加经济效益。过程控制的任务是在了解掌握工艺流程和生产过程动态特性的基础上，根据生产对控制提出的要求，应用控制制理论，设计出包括被控对象、调节器、检测装置和执行器在内的过程控制系统，并对它进行分析和综合，最后采用合适的技术手段加以实现。也就是说，过程控制的任务是由控制系统的设at和实现来完成的5o反应釜的基本结构反应釜有间歇式和连续式之分。间歇反应釜通常用于液相反应，如多品种、小批量

13、的制药、燃料等反应。连续反应釜用于均相和非均相的液相反应，如聚合反应等。本文使用的是间歇式反应釜。搅拌电机图反应釜结构示意图反应釜的基本结构如图所示。反应釜由搅拌容器和搅拌机两人部分组成。搅拌容器包括简体、换热元件及内构件。搅拌器、搅拌轴及其密封装置、传动装置等统称为搅拌机。简体为一个钢罐形容器，可以在罐内装入物料，使物料在其内部进行化学反应。为了维持反应釜内的反应温度，需要设置换热元件。常用的换热元件为夹套，它包围在筒体的外部，用焊接或法兰连接的方式装设各种形状的钢结构，使其与容器外壁形成密闭的空问。在此空间通入冷却或加热介质，通过夹套内壁传热，可冷却或加热容器内的物料，介质的每秒流量受电磁

14、阀的控制。由于化学反应对反应物的纯度有一定的要求，并且反应过程有可能产生剧毒、易燃、易爆的气体和物料，所以密封装置是反应釜必不可少的一部分。传动装置包括电动机、减速机、连轴器及机架。通过电机驱动搅拌轴，带动搅拌器旋转，为物料的循环提供动力。罐顶和罐底分别装有加料口和出料口，分别用于往罐中加入物料和从罐中取走物料。为了测量釜内的温度，在罐内装有钢制的温度计套管，可将温度计或温度传感器放入其中。为了满足工艺的需要，还可以外接附件装置3。反应釜的工作原理在进行化学反应之前，先将反应物按照一定的比例进行混合，然后与催化剂一同投入反应釜内，在反应釜的夹套中通以一定的高压蒸汽，高压蒸汽通过反应釜的夹套提高

15、釜内物料的温度，通过搅拌器的搅拌使物料均匀并提高导热速度，使其温度均匀。当釜内温度达到预定的温度时，保持一定时间的恒温以使化学反应正常进行，反应结束后进行冷却。有时在恒温后还要进行二次升温和恒温。恒温段是整个工艺的关键，如果温度偏高或偏低，会影响反应进行的深度和反应的转化率，从而影响了产品的质量。化学反应过程中一般伴有强烈的放热效应，并且反应的放热速率与反应温度之间是一种正反馈自激的关系。也就是说，若某种扰动使反应温度有所增加，反应的速率就会增加，放热速率也会增加，会使反应温度进一步上升，甚至会引起“聚爆”现象使釜内的产品变成废品，并且会影响安全生产。为了使釜温稳定，在夹套中通以一定的冷却介质

16、，来移走反应放出的多余热量。通过调节流入反应釜夹套中冷却介质的流量，来控制反应釜内物料的温度使之符合工艺要求4。反应釜的控制方案在设计反应釜智能控制器时有必要弄清反应釜的控制目标和可能的控制手段。关于控制指标可以从下列几个方面考虑。(1)控制指标根据反应釜及其内在进行的反应的不同，其控制指标可以选择反心转化率、产品的质量、产量等直接指标，或与它们有关的间接工艺指标，如温度、压力、粘度等。(2)物料平衡对于反应釜来说，从稳定角度出发，流入量等于流出量，如属可能需常常对主要物料进行流量控制。另外，在有一部分物料循环系统内应定时排放或放空系统中的惰性材料。(3)能量平衡要保持反应釜的热量平衡，应使进

17、入反应器的热量与流出的热量及反应生成热之间相互平衡。能量平衡控制对反应釜来说至关重要，他决定了反应釜的安全生产，也间接保证反应釜的产品质量达到工艺要求。(4)约束条件与其它化工操作设备相比，反应釜操作的安全性具有更重要的意义，这样就构成了反应釜控制中的一系列约束条件。例如，不少具有催化剂的反应中，一旦温度过高或反应物中含有杂质，将会导致催化剂的破损和中毒：在有些氧化反应中，反应物的配比不当会引起爆炸等等。因此，在设计中经常配置报警或自动选择性控制系统。质量控制通过上述控制，保证反应过程平稳安全进行的同时，还应使反应达到规定的转化率，或使产品达到规定的成分，因此必须对反应进行质量控制。质量指标的

18、选取，即被控变量的选择可分为两类：取出料的成分或反应的转化率等指标作为被控变量；取反应过程的工艺状态参数(间接质量指标)作为被控产量6。反应釜控制指标的选择是反应釜控制方案设计中的一个关键问题。反应釜的控制指标主要是反应的转化率、产量、收率、主要产品的含量和产物分布等。如果直接把这些指标作为被控对象，反应要求就得到了保证。但是，这些指标人多是综合性指标，无法测量，有些是成分指标，但也缺少测量手段，或者测量滞后大，精度差，不宜作为被控变量。在反应过程中，温度和上述指标密切相关，又便于测量。所以，本文将温度作为被控量。冷却剂的变化影响热量移走的大小，因此，常需稳定其流量或压力。由于冷却剂往往作为温

19、度控制的操纵变量，因此，一般对它们的流量进行控制。本文就是采用这样的控制方案。前面已提到了，在恒温过程中，通过在夹套中通以冷却介质来吸收多余的反应热，冷却介质的流量是通过调节阀的开度来控制的，方案如图所示。由于冷却介质的流量相对较少，釜温与冷剂温差较大，当内部温度不均匀时，易造成局部过热或过冷。为了解决这个问题，本文在反应釜内部不同位置放置多个数字温度计来测量反应釜内部的温度，通过釜内各点温差来调节搅拌速度。在局部温差较大时，通过提高搅拌速度来加快传热，以保证釜内温度的均匀。本文设计了一个相对独立的控制回路。回路以釜内平均温度为输入量.以冷却介质阀门的开度为输出量。反应釜的动态特性基本方程对间

20、歇式反应釜，化学反应中热量平衡关系为：(反应系统内累积热量)二(反应系统内反应放出热量)+(通过问壁传入反应系统热量)。假设反应釜和夹套的容积和密度都保持不变，忽略热交换过程中的热量损失，可得下列方程反应釜内温度与热量平衡方程为6dT(1.2)MCpVrHc(Ca,T)UArTcTdt式中，Cp反应釜内反应物比热；Ca反应釜内反应物浓度；M反应物总质量；Vr反应器容积；U反应釜间壁的总传热系数；Ar反应釜间壁的传热面积；T反应釜内温度；Tc冷却介质出口温度；)oH摩尔反应热(吸热为正，放热为负夹套内温度与热量平衡方程为、，cdTcVccCpcdtWcCpcThTcUAr(TTC)(1.3)式中

21、，VccCpc-WTh-夹套内冷却介质的容积；-夹套内冷却介质的密度;夹套内冷却介质的比热;-冷却介质的流量；-冷却介质的入口温度。化学反应速度p(Ca,T)为rCa,TkCAkoexoE-Cart()将式(1.7)代入(1.5),可得dT(H)VrdtMCpk0exp-ECartUArMCpTcT(1.5)由式(1.6)得dTcW丁ThdtVTcuarVccCpcTc(1.6)基本方程的线性化式(1.8)和式(1.9)是表示反应釜温度动态特性的基本方程，均为非线性方程。为了便于应用线性控制理论来分析小扰动下的动态特性，对式(1.7)和式(1.8)进行线性化(在写增量方程时，为简化写法矩阵形式

22、的线性方程,一律从简，各变量上方的“”表示稳态值)，可得以下AxBu(17)式中,TTca1a2a12a22其中,00b21b22ThW（错误!文档中没有指定本¥式的文字。.1）UARHMCAkEa1iMCpcVrCpRTUAra2iMCpUArai2VcWUAra22VcVccCpcb21WVc,ThTcb22Vc论文的研究内容反应釜的温度控制是化工生产过程的中心环节，目的是保证反应过程的产物达到一定的质量和控制要求，并确保反应的安全进行。反应器的工艺指标多为转化率以及产品的质量、产量等，其值主要取决于产品混合物中各组成部分的量的浓度，所以最直接的控制系统是以产物浓度为被控变量。但

23、由于无实用的在线分析仪和采样问题不易解决，所以选用温度为间接参数是最有效的办法19。因此本课题的主要任务之一就是要实现反应釜温度的智能控制。要实现温度的精确控制，就要有精确的温度传感器，本文采用单线芯片DSl8820数字温度计实现多点温度采集，具测温精度可达到0.0625C。控制方法上采用模糊控制。反应釜内的温度有一定的限制，在开始阶段，由于温度低于设定的反应温度，需要通过电磁阀给反应釜的夹套通以蒸汽，当温度接近给定值时，釜内的原料进行反应，并释放出反应热，使釜内的温度上升较快。当温度超过给定值时，化学反应速度迅速提高，釜内的温度急剧上升，此时，需要通过阀对反应釜的夹套通以冷却介质，对反应釜进

24、行降温，从而使釜内温度稳定存给定值，保证生产的顺利进行。作为智能控制器，人机交互即人机界面是必不可少的。本控制器通过LED显示屏来实现显示功能，同时可以通过键盘来实现工况、反应釜内要达到的温度和定时时间的设定。系统的软件设计采用了结构化的设计方法，主要有主程序模块、温度采集模块、键盘中断处理模块、定时器中断处理模块、输出控制模块、控制算法模块以及相应的显示模块，同时还运用了一些软件抗干扰措施。控制方案的确定总体控制方案的确定根据对反应釜的特性分析可知，反应釜的温度对化学反应有很大的影响。我们在分析对象特性时，做了很多的假设，对方程进行了近似处理。事实上，反应釜反应过程复杂，控制难度大，系统中存

25、在着随机性和时变性，求取其数学模型十分困难。本文采用反应釜的温度作为被控对象，反应釜的温度控制与一般的过程工业相比，主要有以下几个方面的特点：时滞性和惯性很大。由于反应釜的热容量大，且反应釜与外界热交换主要靠反应釜的夹套进行传热，釜内物料与夹套内的冷却介质的热交换也需要时问，导致系统表现出很大的时滞性和惯性。(2)时变性。反应釜内的温控特性主要取决于化学反应的激烈程度，而整个生产过程从起始升温、中间恒温到最后的降温，对象具有明显的时变性。并且，就某一个具体的阶段而苦，由于化学反应的速度不稳定，导致过程的增益、惯性时间和滞后也会发生相应的变化。(3)过程不稳定。本反应釜内的化学反应为放热反应，温

26、度越高反应越剧烈，放热也越多，存在正反馈，是不稳定过程。(4)干扰因素很多，主要有：a.总管蒸汽压力和冷却水压力不稳定，而不同压力时的加热或冷却效果相差很大，给温度控制带来很大的扰动。b.每批物料的成分和质量不可能完全一样，在反应过程中表现出的特性也就有所区别，有时甚至差别很大。针对被控对象的上述特点，应选择合理的控制方案，针对被控对象的时变性和大时滞性，应综合考虑系统的鲁棒性和快速性的要求，提高测量精度和测量稳定性，最终设计和开发出可靠性、稳定性好、系统性价比高的控制器。我们知道，无论是以传递函数为核心的经典控制理论，还是以最优控制理论为核心的现代控制理论，应用它们解决自动控制的实际问题时，

27、都先假设被控对象的特性是线性的或近似线性的，并且己知描述被控对象特性的某种形式的数学模型，如微分方程、传递函数、状态方程等9。由前述可知，本系统的传递函数是由反应釜内的物料、状态以及反应釜的各个参数决定的，随着物料或者反应釜参数的变化，传递函数也会发生变化，即其传递函数是多变的。所以经典控制理论和现代控制理论的最优控制难以应用在反应釜内的化学反应上，而模糊控制的优点是不需要掌握受控对象的精确数学模型，根据人工控制规则组织控制决策表，并且规则可以通过学习不断更新，对被控对象参数的变化和干扰具有较强的鲁棒性，对噪声干扰具有较强的抑制能力，正适合于这种模型未知或多变的控制系统。本文采用了模糊控制方法

28、，使系统具有模糊控制灵活而适应性强的优点，使被控变量具有良好的动态特性和静态特性。模糊控制器设计模糊控制器简述模糊自动控制是以模糊集合化，模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制。从线性控制与非线性控制的角度分类，模糊控制是一种非线性控制；从控制器的智能性看，模糊控制属于智能控制的范畴，而且它已成为目前实现智能控制的一种重要而有效的形式。本节主要研究模糊控制系统的组成，模糊控制基本原理和设计方法。语言规则U执行器对象检测装置图3.1模糊控制原理框图模糊控制原理框图如图所示，它的核心部分为模糊控制器，如图中虚线框所示。模糊控制器的控制规则由计算机的程序实现，微机通过采样获取被控量的精

29、确值，然后将此值与给定值比较得到偏差e和偏差变化ec。然后把偏差e和偏差变化ec进行模糊化变成模糊量E和EC,E和EC可用相应的模糊语言变量表示。至此，得到了偏差e和偏差变化ec的模糊语言集合的子集E和EC再由旦EG和模糊才5制规则R候糊关系)根据推理合成规则进行决策，得到输出量的模糊控制量U。为了对被控对象施加精确的控制，还需将模糊量U转换为精确量，这一步在图上称为解模糊(亦称为去模糊化或清晰化)，得到精确的数字量。得到精确的数字量后，经过数模转换(上图中未画出)，变为精确的模拟量后送给执行器，对被控对象进行控制。综上所述，模糊控制器的设计包括以下几项内容：(1)确定模糊控制器的输入变量和输

30、出变量(即控制量)o(2)设计模糊控制器的控制规则。(3)进行模糊化和去模糊化(又称清晰化的方法)。(4)选择模糊控制器的输入变量及输出变量的论域并确定模糊控制器的参数(量化因子，比例因子)。(5)编制模糊控制算法的应用程序。(6)合理选择模糊控制算法的采样时间。下面将详细介绍一下本论文模糊控制器的设计10o模糊控制器的设计3. 2.2.1模糊控制器的结构设计模糊控制器的结构设计是指确定模糊控制器的输入变量和输出变量。模糊控制器输入和输出变量的选择在很大程度上受手动控制的影响。根据输入变量的个数，模糊控制器有一维、二维和多维之分。一维模糊控制器的输入变量只选一个误差，它的动态控制性能不佳。从理

31、论上讲，模糊控制器的维数越高，控制越精细。但是维数过高，模糊控制规则变得过于复杂，控制算法的实现相当困难。因此，人们广泛设计和应用一维模糊控制器。本文也采用二维模糊控制器，将设定温度和实际温度的偏差e和偏差的变化ec作为输入变量，e和ec可按F式求得(2.1)(2.2)Pnrn-yHec(n)e(n)e(n1)式中,r(n)设定温度；y(n)实际温度；e(n)第n次采样时刻温度偏差的精确值;ec(n)第n次采样时刻偏差变化的精确值。e和ec经过模糊化后分别为模糊变量E和EG经模糊推理后的输出量为u,解模糊后对应的精确量为冷却介质阀门开度的变化量uo由此，本论文中的模糊控制器设计可分为三个步骤：

32、精确量的模糊化、模糊控制规则的设计和输出量的模糊判决11o3.2,2.2精确量的模糊化在确定了模糊控制器的结构之后，就需要对输入量进行采样、量化并模糊化。将精确量转化为模糊量的过程称为模糊化(Fuzzification),或称为,g糊量化14。计算机输出的控制量均为精确量，需经过模糊化处理，变为模糊量，以便实现模糊控制。模糊控制器的输入变量e、ec的实际变化范围以及被控对象实际所要求的控制量u的变化范围称为这些变量的基本论域。而模糊控制器的输入变量e、ec以及输出控制u所取模糊子集的范围称为这些变量的论域。设偏差e的基本论域为-Xe,+xe,偏差变化ec的基本论域为-Xec,+Xec0设偏差变

33、量所取的模糊了集的论域为-n,-n+1,，0,，n-l,n,偏差变化所取的模糊了集论域为-m,-m+1,，0,，m-l,m。为了进行模糊化处理，必须将输入变量从基本论域转换到相应的模糊集的论域，这需将输入变量乘以相应的量化因了。偏差的量化因子K,及偏差变化的量化因子Ke,分别由下面两个公式来确定(2.3)(2.4)Ken.XeKecmXec量化因予Ke及Kec的大小对控制系统的动态性能影响很大。从理论上讲，Ke增大，相当于缩小了偏差的基本论域，增大了偏差变量的控制作用，虽然能使上升时间变短，但由于超调大，使得系统的过渡过程变长。Kec对超调的遏制作用十分明显，Kec选择越大系统超调越小，但系统

34、的响应速度变慢。n和m的取值与控制精度有关，它们的值取得越大，意味着控制精度越高，但如果取得过大，会增加控制器的复杂程度。经综合考虑后，本文取n=6,m=6o偏差变化采用限幅的办法，设定偏差e的变化范围为-15,+15,即偏筹绝对值超过15的按照15计算，即|Xe|=15,取偏差变化ec的变化范围为-3,+3,即xec=3。根据式(2.3)和式(2.4)可得Ke=,Kec=20对于第n次采样时刻温度偏差的精确值e(n)和第n次采样时刻偏差变化的精确值ec(n),分别乘以相应的量化因子即可转换为对应的模糊论域中，如果转化后的值不是整数，采用四舍五入的办法就近取整1模糊控制规则的

35、设计控制规则的设计一般包括三部分内容：选择描述输入输出变量的词集，定义各模糊变量的模糊子集及建立模糊控制器的控制规则。.1输入输出变量的词集模糊控制器的控制规则表现为一组模糊条件语句，在条件语句中描述输入输出变量状态的一些词汇(如“正大”、“负小”等)的集合，称为这些变量的词集(也称变量的模糊状态)。实际应用中，一般都选用“大、中、小”三个词汇来描述模糊控制器的输入、输出变量的状态。选择的较多的t汇描述输入.输出变量，可以是制定的控制规则方便，但是控制规则相应变得复杂。相反，如果词汇选的过少，使得描述变量变得粗糙，导致控制器性能变坏。本文把偏差E、偏差变化量EC和输出量U的模糊状

36、态选为以下七个词汇，即负大、负中、负小、零、正小、正中、正大NB,NM,NS,O,PS,PM,PB其中N=Negative,B=BigM=Middle,S=Smal|0=0,P=Pos市va描述输入、输出的词汇都具有模糊性，可用模糊集合来表示，因此，模糊概念的确定问题就直接转化为求取模糊集合隶属函数的问题。输出量的模糊判决模糊控制器的输出是一个模糊集，他包含控制量的各种信息，但被控对象仅能接受一个精确的控制量，应从中选择那一个控制量施加到被控对象中去呢这就要进行模糊判决，把模糊两转化为精确量。把模糊量转化为精确量的过程称为清晰化，又称为去模糊化，或称为模糊判决。模糊判决的方法有很

37、多，常用的方法有重心法、最大隶属度法、系数加权平均法、以及中位数法等。最大隶属度法简单易行，使用方便，算法实时性好，具体做法是在推理结论的模糊集合中选取隶属度最大的元素作为精确控制量。由前述己知，模糊关系R是一个庞大的矩阵。对于实时控制系统，要求实时性好,不允许过长的计算时间。如果对于每一次输入，部按照U=(E-EC)oR+算输出量的模糊子集，在实时控制系统中是不可行的。为了解决上述问题，/以采用查表的方法，即事先把模糊关系矩阵R离线计算好，写成模糊控制表。在实际使用时，只要根据输入量查表就可以得到精确的输出量。表模糊控制表-6-5-4-3-2-10123456-66666666442000-

38、56666666442000-46666654433000-36666555320-1-1-1-24444432100-1-1-12-2-204443320-1-1-1-3-3-31111100-1-1-3-3-3-3-321110-1-1-3-3-4-4-4-4-430000-2-2-2-6-6-6-6-6-64000-3-3-4-4-5-6-6-6-6-65000-2-4-4-5-5-6-6-6-6-66000-2-4-4-6-6-6-6-6-6-6对于上述的模糊控制器的模糊控制表由输入输出变量及其论域和模糊变量的赋值表决定，一旦模糊控制表确定之后，模糊控制器的控

39、制规则就确定下来了。为了使本控制器能适应不同控制系统的要求，本文在上述基础上采用了基于规则修改的自适应模糊控制。3.2,2,3基于规则修改的自适应模糊控制器基于规则修改的自适应模糊控制器指的是，它的控制规则可以随它所控制的运行和环境的变化而自动地修改。基于规则修改的自适应模糊控制器由多种类型，本文采用的是带自调整函数的模糊控制器首先引入一个算子<a>,140a法示取一个与n同号且最接近于n的整数，即:int(a)a；aint(a)a为大于零的非整数时a为整数时a为小于零的非整数时基于规则修改的自适应模糊控制器是通过在控制中给偏差E和偏差变化EC加上一定的权系数来对模糊控制规则进行修

40、改的。但是，模糊控制系统在不同的状态下，对控制规则中偏差E和偏差变化EC的加权程度有小同的要求。因此，如果想要取得较理想的控制特性，就要在不同的控制阶段对偏差E和偏差变化EC加不同的权系数，但这样控制起来就比较麻烦，并且加权系数的选择在很大程度上依赖于工作经验或需要出实验调试确定。如果将调整因子变为多种形式的调整函数，就可以进一步改善模糊控制的功能。带自调整函数的模糊控制器就是基于这种想法而产生的。常用的带自调整函数的模糊控制器的调整方法有修正函数法、a(t)调整函数法和智能权函数法。本文采用的是智能权函数的方法，它的突出特点是权函数仅是输入变量的函数，具有仿人智能的控制策略。对二维模糊控制系

41、统而言，当系统偏差大时，控制系统的主要任务足消除偏差，应对偏差的作用给予较大的加权，偏差越大，加权也越大；反之，当偏差变化相对较小时，此时系统已接近稳定，控制系统的主要任务是使系统尽快稳定，需要对偏差变化加权大些。根据上述，利用偏差及偏差变化本身的绝对值作为自身的加权是可取的，同时在满足二者加权之和应等于l的条件下，偏差的权函数及偏差变化的权函数分别设计为：ae旧ECaecECEC式中，E及EC分别是偏差及偏差变化的模糊量，显然满足aeaec1的条件。根据上述设计智能权函数分别对两个输入量加权，可得到如下模糊控制规则:ECECECEC控制量的精确量可通过式(2.8)和式(2.9)在线确定，可以

42、减少存储器空间的占用。并且对于不同的控制对象和控制系统，亦可应用本控制器的控制规则，即本控制器实现了通用化。每次采样模糊控制器给出的控制量(模糊集)经模糊判决，可得到控制量的精确量，但还不能直接控制被控对象，必须将其转换到被控对象所能接受的基本论域中，一般的做法是：经模糊判决后得到的控制量u乘以一个适当的系数，转换到被控对象的基本论域中去，这个系数就称为比例因子。设控制量的的基本论域为yu，yu,对应的模糊子集的论域为-p,-p+1j,0j,p-1,P,则比例因子Ku为:yuKuy-p(2.10)本文使用一个字节单元存放阀门的开度值，即输出控制量(0,255)对应着冷却介质阀门从关闭到开度最大

43、的状态。阀门开度的变化设定为为卜24,+24,即yu=24,又已知p=6,由式(2.10)可得Ku=4。若某一时刻模糊判决得到的输出量为xn(n),则对应的控制量变化u(n)为：u(n)Kuxu(n)(211)因此，采样时刻的输出控制量u1(n)为：u1(n)u(n1)式(2.12)为增量式输出，在实际使用时，需将出：u(n)(2.u(n)转化到0255范围内,12)因此输ui(n)ui(n)2425648同时，需要对u(n)作必要的限幅。u(n)u(n)2250本文模糊控制器的最终输出u(n)为:0u(n)255u(n)255u(n)0(2.14)模糊控制器的控制算法是由计算机的程序实现的，

44、具体流程图见本文的“控制系统的软件设计”部分。硬件电路设计系统硬件构成本文设计的控制系统硬件电路由主控制器、数字温度计、过零检测电路、输出控制电路、键盘、LED显示电路及电源等组成，系统的硬件组成如图所示图系统硬件电路图主控制器采用AT89C2051单片机，它是ATMEL公司生产的与MCS51系列完全兼容的CMOS型8位单片机，是ATMEL公司AT89系列中经济低价产品。它有2KBFlash程序存储器和128字节的内部RAM,可以满足本论文中的系统要求。另有15条可编程I/O线，2个16位定时/计数器，5个可设定为两级优先级的中断源和一个全双工串行UART接口。CMOS型单片机比一般的单片机功

45、耗更低，特别适合需要节能的工业测控领域。温度采集采用DS18B20单线集成温度传感器，不需A/D转换电路，内含温度传感器，并以912比特的分辨率数字化，测温速度快，精度高，互换性好，与单片机的1位I/O线相连，在一条I/O线上同时挂接4片DS18B20以完成多点温度采集，极大的节省了单片机的I/O口线，并且通信方便，传输距离远且抗干扰性好，很适合于远距离的温度采集。与用传统温度传感器组成的多点测温系统相比可以节省I/O口线,，而且系统得以简化，系统扩充维护十分方便。模拟量的输出使用一片8位串行输入D/A转换器MAX518将控制信号送入电动执行器。MAX518可完成2路D/A转换，分别控制加热阀

46、门和冷却阀门的开度，且只占用两个I/O线。D/A转换后的电压信号经V/I变换为电流信号，可实现远距离传输。开关量输出通道采用双向可控硅控制交流电机，通过过零检测和软件延时来挖制双向可控硅的导通角，从而控制电动机的导通时间，进而控制电动机的转速，实现电动机的无级调速。系统还设计了8个薄膜开关、4个8位LED数码管和5个发光二极管以设定和显示工作状况。电源电路考虑到工厂实际使用的方便性，整个系统采用220V工频电源供电，而单片机及其外整个电源电路由交流滤波电路、变压器、整流电路和稳压电路组成。变压器T1将220V交流电压转换为24V低压交流电压。4个二极管构成的整流电路用于将低压交流电压整流为全波

47、直流脉动电压。该全波直流脉动电压经二极管D5,与滤波电容C5相连，形成较平滑的直流电压。由于放大器LM358和v/I转换器AD694需要+15V电压，故在整流之后使用一片MC7815T和MC7805T用接得到两种不同的直流电压。稳压器使用时需在输入和输出端各并接一个电容。输入端的电容用以抵消输入端较长接线的电感效应，防止产生自激振荡。输出端的电容是为了瞬时增减负载电流时不致引起输出电压有较大的波动。二极管D5的作用是隔离全波直流脉动电压和滤波后的直流电压。但是MC7815T与MC7805T串连相接，MC7815T功耗比较大，易发热，故采用了大功率的MC7815T与MC7805T,以提高电源的可

48、靠性。同时，由整流电路输出的全波脉动直流电压，也经电阻Rl送到过零检测电路，用于产生过零脉冲信号。过零检测电路过零检测电路由NPN晶体管Q1和电阻R1和R3组成，用于检测电源电压波形的过零点。电路如所示。由整流电路输出的全波脉动直流电压经电阻R1和R3分压后，送入晶体管的基极。只要R3上的分压值大于，就会使NPN晶体管饱和导通。因此当交流电压处于过零点时，NPN晶体管截止，输出正脉冲信号，经过一个非门变为负脉冲，这个脉冲信号就是过零脉冲信号，作为中断请求信号，它被送到单片机的中断请求引脚INT1。基于DS18820的多传感器测温电路DS18820的性能特点DS18820是美国DallasSem

49、iconductor公司继DS1820之后推出的一种改进型单线芯片数字温度计，能够直接读取被测物体的温度。它具有如下的特性：(1)供电电压范围宽，从+3V到+,测温范围从一55c到+125C,最高分辨率达0.0625C,测量精度高；(2)具有可编程的温度分辨率。通过对便签式RAM中的配置寄存器的可编程温度分辨力位RRR1进行编程，可设计不同的分辨率：转换时间较短，9位分辨率转换时间仅需93.75ms,12位的转换时间最大也只需750ms；每一个DSl8820都有唯一的64位序列号，并且体积很小；具有电源反接保护电路。当电源电压的极性接反时，能保护DSl8820不会因发热而烧毁，但此时DSl88

50、20无法正常工作15。DSl8820内部结构简介DSl8820只有3个引脚，DQ脚为数据输入/输出端，即为单线总线连接端，它属于漏极开路输出，外接上拉电阻后，常态下呈高电平。Udd是可供选用的外部+5V电源端,DS18820温度传感器的内部存储器还包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的EERAM高速暂存RAM的结构为9字节的存储器。前两个字节存放温度测量值，第3和第4字节是设定的温度上限TH和温度下限TL第5个字节为配置寄存器，第6、7、8字节保留而未使用，第9个字节用于存放前面8个字节的CRC校验值。配置寄存器各位的定义如图所示，低5位一直为1,TM是测试模式位，用于

51、设置DSl8820在工作模式还是在测试模式，出厂时已经该位己设置为00R和R决定温度转换的精度位数，即用来设置温度测量的分辨率。TMR1R011111图配置寄存器当DS18820接受到温度转换命令之后，开始启动转换。转换完成后的温度就以16位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的第l、2字节。单片机可以通过单线接口读出该数据，读数据时低位在先，高位在后。温度格式如图所示。SSSSS262524232221202-12-22-32-4图温度数据格式当符号位S=0时，表示测得的温度值为正值；当符号位S=1时，表示测得的温度值为负值。为了在AT89C2051与DS18820之间建立正确的数

52、据通讯，AT89C2051单总线的接口必须严格遵守DS18820的操作协议和操作时序。该协议定义了几种信号类型：复位脉冲、应答脉冲、写0、写1、读0和读1等。除了应答脉冲以外，都由主机发送同步信号，并且所发送所有的命令和数据都是低位字节在前。很多资料上对DS18820的初始化时序和读写时序都做了详细的介绍，本文在这就不赘述了16。D/A转换及输出电路单片机输出的信号为数字信号，而执行器需要的控制信号为模拟信号，因而需要将数字信号转换成模拟信号，这就需要数模转换器（D/A）。D/A转换有串行D/A和并行D/A,申行D/A虽然速度较并行D/A慢，但可以节省单片机的I/O口线。对于传统的多数输入放大

53、器而言，输出信号的幅度达不到与电源电压等值的满刻度，而MAXIM公司生产的MAX518DAC模拟电压输出经过一个精密的跟随器（起内部缓冲作用），跟随器的摆率为1V/us,即从0VVdd,这是MAX518的一大优点。因此，本文采用了MAX518串行D/A转换器。电压放大电路13D/A变换后的信号为模拟电压信号，而执行器控制信号为420mA的电流信号，故需要把电压信号转换为电流信号。本论文采用AD694芯片做V/I变换，该芯片需要的输入电压为010V,故在V/1变换之前，我们先把05V的电压信号等比放大为010V的电压信号。把电压信号放大的另一个好处是可提高输出各控制量之间的分档间距，从而提高输出

54、精度。为此我们选用两路集成运算放大器LM358来放大05V的模拟电压信号。LM358的单电源供电电压为330V,共模输入电压为32V,采用一路LM358放大器实现05V到010V变换的电路如图所示。图中为同相输入的运算放大器比例电路，输入与输出的关系为Ui1Vout其中，Vout为MAX518的输出电压，Ui为放大器的输出电压。由式(3.2)可看出，输入电压Vout和输出电压Ui间的比例关系与运算放大器本身的参数无关，而只与外接电阻R和K的大小有关，这样其精度和稳，定性都很高。如果使R=R,则输出电压正好为为输入电压的2倍，即实现了05V到010V的变换。为了确保电路的精度，K使用可调电阻，这

55、样可使的与R8的差值尽可能的小17。同相比例运算电路是一个深度串联电压负反馈电路，电路的输入电阻很高，输出电阻很低，可以减小仪器接入时对被测电路的影响，并且带负载的能力较强。V/I转换电路在工业控制系统中，常常以电流方式传输信号，因为电流适合于长距离传输，传输信号衰减少，抗干扰能力强。因此，大量的常规工业仪表是以电流方式瓦相接配的。而一般单片机应用系统模拟信号输出只是电压信号，它能处理的一般也只足电压信号，因此在某些需要电流输出或只是提供电流信号的场合，需要进行电压/电流转换。本论文采用AD公司生产的AD694芯片实现V/I变换，它能将高电压信号转换成420mA的电流信号。其主要性能特点如下：输入电压范围宽，能够接收020V和0-10V高电平输入信号，通过编程还可接收02V的输入信号；输出电流范围为420mA或020mA;可以单电压供电，也可以双电压供电。单电压电源电压范围是4.5V36V,双电源电压为土15V;(3)精度高。非线性误差为±%,2V、10V量程的转换精度为±%,转换灵敏度分别为V、/