基于智能控制的炉温系统的设计

1、 摘要热处理是提高金属材料及其制品质量的重要手段。近年来随着工业的发展，对金属 材料的性能提出了更多更高的要求，因而热处理技术也向着优质、高效、节能、无公害 方向发展。电阻炉是热处理生产中应用最广的加热设备，这样加热时均温过程的测量与 控制就成为关键性的技术，促使人们更加积极地研究控制热加工工艺过程的方法。电阻炉是一种具有纯滞后的大惯性系统，开关炉门、加热材料、环境温度以及电网 电压等都影响控制过程，传统的加热炉控制系统大多建立在一定的模型基础上，难以保 证加热工艺要求。 因此本文将模糊控制算法引入传统的加热炉控制系统构成智能模糊控 制系统，利用模糊控制规则自适应地在线对 PID 参数进行修改

2、，借此提高其控制效果。本文以模糊自整定PID控制算法为基础，设计了两级计算机集散型控制系统控制电 阻炉群。下位机以AT89C51单片机为主体，构成一个能进行较复杂的数据处理和复杂控 制功能的智能控制器，使其既可与微机配合构成两级控制系统，又可作为一个独立的单 片机控制系统，具有较高的灵活性和可靠性。单片机根据输入的各种命令，进行智能算 法得到控制值，输出脉冲触发信号，通过过零触发电路驱动双向可控硅，从而加热电阻 炉。上位机在 Windows98环境下开发，可监控多台下位机。本文提出的基于模糊的自整定 PID 控制算法的控制系统具有真正的智能化和灵活 性，有自动检测、数据实时采集、处理及控制结果

3、显示等功能，所获控制精度高，对高 质量热处理件的加工具有指导意义。关键词：电阻炉；单片机；智能控制器；模糊 PID；可控硅AbstractHeat treatment is a main means of improving metal material and metalwork. In recent yeas, with the development of industry, there are more and more supernal request for metalwork, so heat treatment is hammering at high quality and

4、efficient, low-power and zero-social effects of pollution. Resistance furnace is a used broadest heating equipment in heat treatment, and measurement and control of temperature in heating is becoming pivotal technic. These urge people study methods of controlling heating process.Resistance furnace h

5、aspure lag and larger inertia.There are many factors which affect controlling process, such as opening and closing furnace door, heated metal material, surrounding temperature and wire power. In tradition, heating furnace controlling system is most based on some model,which can acthieve heating proc

6、ess request. So this paper try in draught fuzzy controlling arithmetic into traditional heating furnace controlling system to form brainpower fuzzy control system. It makes using of fuzzy control rule to self-tuning PID parameters on line, and improving its control effect.This paper designs the tow

7、orders TDC to control resistances base of Fuzzy self-tuning PID controlling arithmetic. DDC has AT89C51SCM as the principal part and is an intelligent controller that can work intricate data processing and intricate control function. It not only is a member of TDC working with computer but also is a

8、 self-governed SCM control, and has more flexible and security. SCM gives out pulse signal to spring circuit then driving triode AC and heating furnace after works out the control value through input orders. SCC is empoldered in Windows98 and can watch several DDC.Fuzzy self-tuning PID control this

9、paper bring forwards has varies intelligent and flexible, which has auto-measurement,gathering and dealing with real time data and show control result, etc. It has high control precision and directive meaning for processing quality heating metalwork.Keywords : resistance furnace, SCM, intellective c

10、ontroller, PID,SCR目录 TOC o 1-5 h z 摘 要 I HYPERLINK l bookmark2 o Current Document Abstract II第 1 章 绪论 1 HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 引言 1 HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 控制器发展现状 2PID 控制器的发展现状 21.2.2模糊 PID 控制 3 HYPERLINK l bookmark24 o Current Document 1.2.3模糊自整定 PID 控制 4 HYPERL

11、INK l bookmark12 o Current Document 电阻炉采用模糊自整定 PID 控制的可行性 5 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 控制要求 5 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 系统设计的主要内容及实验方案 61.5.1系统控制方案的设计 61.5.2系统设计的主要内容 71.5.3系统的控制功能 7 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 第 2 章 模糊自整定 PID 控制器的设计 9 HYPERLINK l bookmar

12、k20 o Current Document 模糊推理机的设计 92.1.1模糊推理机的结构 92.1.2模糊推理机的设计 102.1.3模糊控制器参数与控制系统响应特性关系 13模糊自整定 PID 控制器 13PID 参数对 PID 控制性能的影响 132.2.2模糊自整定 PID 控制器 15 HYPERLINK l bookmark26 o Current Document 第 3 章 系统下位机硬件、软件设计 18 HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 引言 18 HYPERLINK l bookmark30 o Current Docum

13、ent 下位机总体结构 183.2.1下位机硬件结构 183.2.2下位机程序主体结构 19 HYPERLINK l bookmark32 o Current Document 下位机各主要功能模块 203.3.1温度检测电路 203.3.2 AT89C51 单片机接口电路 233.3.3电源电路 293.3.4可控硅调功控温 303.3.4与上位机通讯模块 34 HYPERLINK l bookmark38 o Current Document 模糊自整定 PID 控制算法 36 HYPERLINK l bookmark40 o Current Document 主要的工作过程 40 HYP

14、ERLINK l bookmark42 o Current Document 系统的抗干扰措施 41第 4 章 结 论 43 HYPERLINK l bookmark46 o Current Document 参考文献 44致 谢 46沈阳工业大学本科生毕业设计（论文） 沈阳工业大学本科生毕业设计（论文） 第1章绪论1.1引言电阻炉是热处理生产中应用最广的加热设备，通过布置在炉内的电热元件 将电能转化为热能借助辐射与对流的传热方式加热工件。通常可用以下模型定性描述dx2,、壮 *Kv (t- T)(1-1)式中X-电阻炉内温升（指炉内温度与室温温差）K-放大系数 0-纯滞后时间t-加热时间T-

15、时间系数V-控制电压但在实际热力过程中，由于被加热金属的导热率、装入量以及加热温度等 因素的不同，直接影响着 K、T、0等参数的变化，因此电阻炉本身具有很大的不确定性2-3。热处理是提高金属材料及其制品性能的工艺。根据不同的目的，将材料及 其制件加热到适宜的温度，保温，随后用不同的方法冷却，改变其内部组织， 以获得所要求的性能，通过热处理可以提高制件的使用效能或寿命。在其加热 工艺中，不仅需要准确控制制件的加热温度，对一些大型制件，还需要给出加 热温度下均温或透烧的时间（既是使被加热物件表面或堆垛外部温度与其心部 或中心部位的温度与设定的加热温度均匀一致的时间）。然而，现行电加热炉使用的控温仪

16、表，无论是传统的交流接触式的位式控 温仪表4-5（如XCT XMT DW等等系列）还是移相或过零触发晶闸管调压（功）式 的温控系统，以及微电脑控温系统（如DX系列智能温度控制器、SD0.25级精度 微处理机智能数显表、PTC微处理机温度控制器、微电脑热处理控温系统以及 RKC OMEONEURO HONNYWE等等温度控制器）其控制器大多是7080年代的 产品，功能和精度已不适应生产的发展和检验的要求；并且只能是测量与控制电阻加热炉炉膛或者说是被加热对象表面的温度，而对于大件心部或堆跺中间 工件的温度是无法进行测量与控制的。何时透烧或者均温多长时间是通过理论 计算、试验参数、安全保证系数及操作

17、者的经验等内外因素人为地给定一个均 温时间，在设定温度下，均温时间一到，就出炉进行下一道工序。对于不同材 料、不同装炉量、不同放置方式以及不同加热功率等均是如此，透没透烧，是否“过烧”，谁也不知道，这是不科学的。因此具有均温时间长、生产效率低、 耗费能量大、内部组织粗化、性能低、产品质量恶化、废品率高、原材料消耗 多等缺点。另一方面，在这两大类控温仪的技术开发上，也只是局限在仪表的 高精度、多通道、数字显示、智能化微机控制等方面进行。1.2控制器发展现状PID控制器的发展现状在过去的50年，调节PID控制器参数的方法获得了极大的发展。其中有利 用开环阶跃响应信息，如 Coon-Cohen响应曲

18、线法；还有使用Nyquist曲线法 的，如Ziegler-Nichols连续响应法冋。然而这些调节方法只识别了系统动态信息的一小部分，不能理想的调节参数。随着计算机技术的发展，人们利用人 工智能的方法将操作人员的调整经验作为知识存入计算机中，根据现场实际情 况，计算机能自动调整 PID参数。这样能实现自动调整、短的整定时间、简便 的操作，改善响应特性而推动了自整定PID控制技术的发展。自整定技术可追溯到50年代自适应控制处于萌芽时期，60年代国外有人设 计了一种自动调节式的过程控制器，因其价格高、体积大、可靠性差而未能商 品化。80年代由于适用的控制理论的完善以及高性能微机的使用，才使得自整

19、定控制器得以开发，PID控制器参数的自动整定技术设想已慢慢实现。随着微处理技术的发展和数字智能式控制器的实际应用，在控制领域出现 的一系列新的技术课题之一的被控对象动、静态参数、控制系统结构、参数发 生较大范围变化的情况下，控制系统仍能满足给定的品质指标，这是自适应控 制的最基本特征，自适应PID控制可以在线不断整定参数，克服干扰，跟踪系 统的时变特性，使控制对象达到一定的目标。同时，随着现代控制理论（诸如智能控制、自适应模糊控制和神经网络技术等）研究和应用的发展与深入，为控制复杂无规则系统开辟了新途径，逐步弱化或取消了对受控对象数学模型结构不 变的限制。近年来，出现了许多新型PID控制器，对

20、于复杂对象，其控制效果远远超过常规PID控制。电阻炉温度控制技术发展日新月异，从模拟 PID、数字PID到最优控制、自 适应控制，再发展到智能控制，每一步都使控制的性能得到了改善。在现有的 电加热炉温度控制方案中，PID控制和模糊控制应用最多，也最具代表性。1.2.2模糊PID控制模糊控制的概念是由美国加利福尼亚大学著名教授L.A.Zaden首先提出的，经过20多年的发展，模糊控制取得了瞩目的成就10-12。模糊控制适用于非线性、 数学模型不确定的控制对象，对被控对象的时滞非线性和时变性具有一定的适 应能力，同时对噪声也有较强的抑制作用，即鲁棒性较好。但模糊控制器本身 消除系统稳态误差的性能比

21、较差，难以达到较高的控制精度。而PID控制正好可以弥补其不足，近年来已有不少将模糊技术与传统技术结合起来设计模糊逻 辑控制的先例。在参考文献中介绍了多种能提高PID控制精度的模糊PID混合控制方案，例如：引入积分因子的模糊PID控制器；混合型模糊PID控制器；另外将其与其它先进控制技术结合又有模糊自适应PID控制、神经网络模糊PID控制等。Fuzzy-PID混合控制这种控制器的思想是在大偏差范围内采用Fuzzy控制，在小偏差范围内用 PID控制，两者的转换由微机程序根据事先给定的偏差范围 自动实现。由于两种控制作用均包含有积分作用，故稳态精度相同，但Fuzzy-PID 控制比PID控制有更快的

22、动态响应，更小的超调，比模糊控制具有更高的稳态 精度。引入积分因子的模糊 PID控制器这种控制器或是积分环节加在误差输入量 的模糊化之前和模糊控制器输出量的解模糊之后，在一定程度上可减少系统余 差，但消除系统极限环振荡的能力较弱，尤其模糊量化因子取的较大时，系统 可能出现不稳定；或是对误差的模糊值进行积分，消除了系统余差，但只有使 Umin缩小才能消除零点附近的极限环振荡，而要达到这一要求，必须增加控制 规则数，也就增加了模糊控制器的设计复杂性，因此这种结构设计目前应用较 少。沈阳工业大学本科生毕业设计（论文） 沈阳工业大学本科生毕业设计(论文) 123模糊自整定PID控制模糊自整定PID控制

23、器有多种控制形式，但工作原理基本一致13-14。模糊自1-1整定PID控制是在PID算法的基础上，通过计算当前系统误差e和误差变化率220ec,利用模糊规则进行模糊推理，查询模糊矩阵表进行参数调整。结构如图所示图1-1模糊自整定PID控制基于模糊推理的自调整PID控制器由PID控制和一个模糊自调整机构组成。 利用自调整因子模糊控制器设计思想，根据输入信号的大小、方向以及变化趋 势等特征，通过模糊推理做出相应决策，在线整定PID参数Kp、K、以期获得满意的控制效果13 o单参数模糊自适应 PID控制器是通过对控制目标分类，考虑用户最关心的 系统特性，来决定调整Kp、K、Kd三个参数中对系统影响最

24、大的那一个；或是控 制器根据系统的误差及误差变化率，利用模糊逻辑推理规则，产生一个对应于e和ec的控制量h(t)，再由h(t)计算出与Kp、K、Kd三个参数都有一定关系的a (t)，从而得到Kp、K、Kd三个参数，然后由常规控制算式确定控制u(t) o在神经网络模糊PID控制中，神经网络用于表示模糊规则，经过神经网络 的学习，以加权系数的形式表示出来，规则的生成就转化为加权系数初值的确 定和修改。让输出层神经元的输出状态对应于控制器的三个可调参数Kp、K、Kd，通过神经网络的自学习，加权系数调整，从而使其稳定状态对应于某种最优控 制律下的PID控制器参数。1.3电阻炉采用模糊自整定 PID控制

25、的可行性在工业生产过程中，电阻炉随着负荷变化或干扰因素的影响，其对象特性 或结构发生改变。电阻炉温控具有升温单向性、大时滞和时变的特点，如升温 靠电阻丝加热，降温依靠自然冷却，温度超调后调整慢，因此用传统的控制方 法难以得到更好的控制效果。另外对于PID控制，若条件稍有变化，则控制参数也需调整。自适应控制运用现代控制理论在线辨识对象特征参数，实时改变 其控制策略，使控制系统指标保持在最佳范围内。但由于操作者经验不易精确 描述，控制过程中各种信号量以及评价指标不易定量表示，而模糊理论正是解 决这一问题的有效途径。人们运用模糊数学的基本理论和方法，把规则的条件操作用模糊集表示并 把这些模糊控制规则

26、及有关信息（如评价指标、初始 PID参数等）作为知识存入 计算机知识库中，然后计算机根据控制系统的实际响应情况运用模糊推理，实 现自动对PID参数的最佳调整。从以上的分析可知模糊自整定 PID控制应用在具有明显的纯滞后、非线性、 参数时变类似于电阻炉这样特点的控制对象可以获得很好的控制性能。大量的 理论研究和实践也充分证明了用模糊自整定PID控制电阻炉温度是一非常好的解决方法。它不仅能发挥模糊控制的鲁棒性好、动态响应好、上升时间快和超 调小的特点，又具有 PID控制器的动态跟踪品质和稳态精度。因此在温度控制 器设计中，采用PID参数模糊自整定复合控制，实现 PID参数的在线自调整功 能，可以进

27、一步完善 PID控制的自适应性能，在实际应用中也取得了较好的效 果。1.4控制要求热处理炉是一种具有纯滞后的大惯性系统，开关炉门、加热材料、环境温 度以及电网等都影响控制过程，基于精确数学模型的常规控制难以保证加热工 艺要求。为了改善和提高现行热处理炉的控制水平，此设计要求采用两级计算机控 制系统控制管理热处理炉，并能实现以下主要技术指标：（1）系统控温采用智能算法，控制精度达 5%以下；热电偶信号直接进入下位机进行处理；上位机在 Windows98环境下开发应用程序，可监控多台下位机；上位机可实现温度曲线设定和温度实时曲线的不同颜色同时显示，曲线 全部显示/部分可选；采用过零触发控制，以防止

28、电流冲击和高次谐波对电网的影响；1/0信号采用光电隔离，提高工作可靠性。1.5系统设计的主要内容及实验方案1.5.1系统控制方案的设计系统整体结构如图1-2所示。1CRT打印机| IPCH1LU丰炉图1-2系统整体结构根据课题的要求，我们采用两级计算机集散型控制系统控制热处理加热炉 群。第二级直接数字控制级 DDC完成下层各炉的数据采集、过程控制等任务。 通过测量元件热电偶对温度进行检测，经采样、A/D转换为数字量，并根据给定的控制规律进行运算，然后发出控制信号直接去控制执行机构，使各个被控量 达到预定的要求；第一级计算机监控级 SCC主要完成综合监视生产过程主要信 息、历史数据存档及给 DD

29、C级命令等。对于中小型系统来说，这种集散型系统 有可靠性高、性能稳定、益于操作和维护等优点。本系统SCC采用586工控机,沈阳工业大学本科生毕业设计(论文) 沈阳工业大学本科生毕业设计(论文) #在Windows98环境下自行开发本系统应用程序；DDC采用自行研制的单片机微型 控制器，采用智能算法进行过程控制；上下位机采用485半双工通讯；热处理炉主回路采用双向可控硅控制16;双向可控硅的触发通过过零触发器触发，微 控制器输出通断率控制信号，产生双向可控硅的过零触发脉冲。1.5.2系统设计的主要内容因为上位机是现成的586工控机，所以本课题的关键在于：开发一个能进行较复杂的数据处理，能完成复杂

30、的控制功能的智能控制器。我们采用比较常用的51系列单片机为主体，对它的存储功能、I/O 口、A/D 转换等进行扩展，并加以一些电源、保护、可控硅触发电路等构成智能控制器。 本控制器在设计时设计成为一个通用控制器，即不仅可以控制一个炉温，还可 以控制多个炉温以及电机、阀门等。为了达到满意的控制效果，研究具有在线学习功能的控制算法。下位机完成现场数据的采集处理，智能模糊控制算法及与上位机的通讯 等。在Windows98环境下开发上位机，主要包括界面与下位机的通讯等部分的设计与实现。本系统的上位机应用程序编程采用面向对象的VB语言。1.5.3系统的控制功能本系统的设计主要是解决电阻炉温度实时控制，希

31、望控制系统可以同时兼 顾被控对象响应的“静态性能”(是高于还是低于给定位)和响应的“动态性能” (是靠拢还是偏离给定位)两个因素，即看现状，也看动向。概括起来，本系统 的功能有：数据采集；过程监控。包括参数显示，数据打印，事故报警等；PID数字校正。根据实际温度曲线与理想温度曲线的偏差，通过PID控制算法，使实际温度曲线跟随理想温度曲线，对电阻炉进行实时控制，使系统始终处于最佳运行状态；系统实现了故障的自动诊断，在充分分析故障现象和原因的基础上，利 用参数信息，实现了故障的在线预测和诊断，保证了系统的正常运行，大大减 少了损失；实现了上下位机的通讯。沈阳工业大学本科生毕业设计(论文) 沈阳工业

32、大学本科生毕业设计(论文) 沈阳工业大学本科生毕业设计（论文） 第2章 模糊自整定PID控制器的设计模糊自整定PID控制是在一般PID控制系统的基础上，加上一个模糊控制 规则环节，利用模糊控制规则在线对 PID参数进行修改的一种自适应控制系统。 它以误差e和误差变化ec作为输入，可以满足不同时刻的e和ec对参数自整定的要求。它将模糊控制和 PID控制器两者结合起来，扬长避短，既具有模糊 控制灵活而适应性强的优点，又具有PID控制精度高的特点，对复杂控制系统和高精度伺服系统具有良好的控制效果。2.1模糊推理机的设计模糊控制器是应用模糊数学知识，模拟人的思维方法，把人用自然语言描 述的控制策略改造

33、成模糊控制规则，由模糊控制规则构造出模糊关系，而把模 糊关系作为模拟变换器，把输入、输出的模糊向量按模糊推理方法处理，进而 确定控制量。2.1.1模糊推理机的结构在一般的模糊控制系统中，考虑到模糊控制器实现的简易性和快速性，通常采用二维模糊控制器结构形式。这类控制器都是以系统误差E和误差变化率EC为输入语句变量，基本模糊控制器构成原理图如图2-1所示。HIM 推理 Ui.J.图2-1基本模糊控制器构成原理图图中：EK CEK UK是量化因子；E、EC U分别是误差e、误差化率ec及控制量u的模糊语言变量；E、EC U分别是与e、ec及u成比的变量，其中E=EKx e，EC=CEKec U=u/

34、UK。2.1.2模糊推理机的设计依据模糊控制的基本原理，基本模糊控制器设计概括起来包括如下内容:精确量的模糊化；建立模糊控制规则和模糊关系；输出信息的决策1 精确量的模糊化过程参数的变化范围即模糊控制器输入量的实际范围称为基本论域，它是 一个连续域，在模糊控制中需要将语言变量的基本论域转换成指定的有限整数 的离散论域。假设某一语言变量的实际变化范围为al , b1，经过量化因子k变换后的范围为a,b=ka i,kbi。设论域取为离散论域-n，n之间变化的变量(2-1)尹Xb a按丫值大小，查隶属度赋值表，将其归类于某一模糊子集(如正大、负小等) fmax，其中fmax为被采样信号的最高频率 成

35、分。显然在A/D前应加入保持器LM398以满足采样定理。我们知道，若A/D转换器的输入信号在整个转换期间产生大于1 LSB的变化，则结果将产生显著偏差，必须加入采样保持S/H，故输入信号变化率dVxdtmax2UfsTconv(3-6)式中UF&-ADC的满度值n-位数TcOnV-转换时间设输入信号Ux=Usin co t，则由式(3-6)得Um sin t t _0 Tconv = U FS / 2U m 2 兀 f x T(3n-7 UFs/2n设 LFs=U则(3-8)12nTconv当 n=12, Tcon=1.55Hz隔离放大器的设计电子电路抗干扰设计的有效方法是利用光电隔离。但是，

36、由于光电隔离器件 的电流传输系数是非线性的，直接用来传输模拟量时，非线性失真较大、精度 差，我们利用光电耦合器件与运算放大器结合设计一个线性度较好的模拟量光 隔离放大器电路如图3-5所示。沈阳工业大学本科生毕业设计（论文） 沈阳工业大学本科生毕业设计(论文) 图3-5光隔离放大器其中，G、G2是两个性能、规格相同(同一封装)的光电耦合器，G、G的初 级串连，并用同一偏置电流I i激励，设G和G2的电流传输系数分别为a i和a 2, 则I 2= a 11 i(3-9)I 3= a 212则集成运放A4具有理想性能，则U=U+=U=l2民(3-10)而A5为跟随器，输出电压UO为UO=l3Rz(3

37、-11)因此，电路的电压增益Av可由下式确定(3-12)U0 _ I3R7Uf I2R6将式(3-10)和(3-11)代入上式，则(3-13)由于G、G2是同性能、同型号、同封装的光电耦合器（M0C8111）因此G、 G2的电流传输系数a i和a 2可看作是相等的，所以光耦合放大器的电压增益为(3-14)Av=R/R6由此可知，如图所示的光耦放大器增益与 G、G2的电流传输系数a i和a 2无 关。实际上是利用G1、G2电流传输系数的对称性补偿了它们之间的非线性。运 放A5（卩A741）接成跟随器形式，以提高电路的负载能力。运放A1连接反馈电容 C,用来消除电路的自激振荡。由于光电耦合器初级、

38、次级之间存在着延迟，使 G和G2组成的负反馈电路之间显得迟缓，容易引起电路C自激振荡，连接电容之后，保证了电路对瞬变信号的负反馈作用，提高了电路的稳定性。电容 C的 容量可根据电路的频率特性要求来确定，经实验和实际应用，电路的非线性误 差小于0.2%,较好地解决了模拟信号不共地传输的问题。键盘/显示器接口电路本系统键盘显示器接口采用可编程键盘/显示器9279芯片20，用硬件完成 键盘与显示器扫描，不仅可以大大节省 CPU对键盘/显示器的操作时间，从而减 轻CPU的负担，而且显示稳定，程序简单，不会出现误动作。键盘由09数字键、控制参数设置键、日期显示键、时间设置键、自检键、 自动/手动键、选用

39、键、复位建等 24键组成。用户可由键盘直接送入参数，也 由“选用键”把固化在EEPRO中常用曲线或上次输入的保存在 RAM中的曲线参 数调出使用。显示器为 8位，左面四位显示当前时分，右面四位显示每次采样 时的炉温。8279采用外部译码方式。SL0SL2经74LS138（1）译码输出接键盘，SL0 SL3又由72LS138（2）译码输出经驱动后到显示器的公共阴极。当键盘上出现有 效时间闭合键时，键输入数据自动进入 8279的FIFORAM存储器，并向AT89C51 请求中断，AT89C51响应中断读取FIFORAM中的输入键值。DAC7521数模转换接口数模转换电路的主要任务是：将模糊自整定P

40、ID控制器输出的数字量转换成可控硅过零触发电路所需的模拟控制量。本系统采用的触发芯片TL494的触发电压需调至010 V，移相范围0170,故每度所需移相电压 U=10V/170 =58.82(mV)(3-15)控制0.1。所需移相电压增量为5.882 mV。这里采用12位DAC7521作为数模转 换器，其满度输出10 V，输出电流经运放OP07变成电压，分辨率为121LSB=10V/2 =2.44(mV)(3-16)每个量化单位可控制的移相角设为 x。，贝U 0.1 /5.882=x /2.44，即x=0.1 X 2.445.882=0.04 (3-17)可见控制器的控制平滑度和精度，都有较

41、大的余量。D/A转换器的接口逻辑 如图3-6所示。DAC7521从 AT89C51 的 8位数据线上获取12位的数据必须分两次进行。为 了防止D/A转换书输出会有“毛刺”现象，这里采用了两级缓冲器结构。即AT89C51 先把低8位送入第一级缓冲器，然后再送高 4位数据时，同时选通第二级的两沈阳工业大学本科生毕业设计(论文) 沈阳工业大学本科生毕业设计（论文） 片74LS373构成的第二级缓冲器，使12位数据同时出现在DAC7521的数据输出 线上，进行D/A转换。D/A输出的电流经OP07反相后变为010 V的电压信号。存储器扩展电路AT89C51单片机内部有128字节RAM在实际应用中，需

42、扩展外部数据存储器，本系统扩展了1片6264SRAM存放上次输入的曲线以及各寄存器的内容。SRAM加了掉电保护电路，当检测到掉电时，系统把有关参数 存入SRAM中;来电后，可根据其内容恢复运行。3.3.3电源电路电源是各种电子设备必不可少的组成部分，其性能优劣直接关系到电子设 备的技术指标及能否安全可靠地工作。控制系统由电源引入的干扰约占32%，成为工业控制系统的主要干扰源。我国市电电压波动较大，噪声污染较严重， 工控系统由电源引起的故障要占更大比例，所以精心设计电源是一项重要工作。电源器件介绍集成稳压器是一种将功率调整管、取样电路、基准稳压、误差放大、启动 和保护电路等全部集成在一个芯片上的

43、集成电路。开关电源是相对线性电源说 的。由于变压器的磁芯大小与它的工作频率的平方成反比，这样就可以大大减 小变压器，使电源减轻重量和体积。而且由于它直接控制直流，使这种电源的 效率比线性电源高很多，并且通过用电子线路组成开关式(方波)震荡电路来达到 对电能的转换这种方式有好多优点，一是稳压范围宽，在一定范围内输出电压 与输入电压变化无关，电脑电源可以在 80V-240V都可以正常工作，是其它方式 电源无法比拟的。二是效率高，由于采用开关震荡工作方式，热损耗特别少， 发热低。三是结构简单，相对于其它相同功率的电源，开关电源的体积与重量 要少得多。因此，在众多的电子设备中，开关式电源已经是相当普遍

44、。系统电源设计方案D8图3-7电源电路图如图3-7，电源电路有整流、滤波、稳压的功能。电源电路将220V的交流电压经桥式整流、滤波、以及高速开关二极管IN4148和三端稳压块LM7805输 出+5V电压。其中，LM78xx系列为固定电压稳压管，额定电流是1A,最大瞬间过电流是 1.5A。女口 LM7805就是 +5V稳压，最后为了确保电源散热及时，应在整个电源电路外加入散热片进行散热保 护。334可控硅调功控温可控硅调功控温具有不冲击电网，对用电设备不产生干扰等优点，是一种 应用广泛的控温方式。所谓调功控温就是在给定周期内控制可控硅的导通时间， 从而改变加热功率，来实现温度调节。设采取（控制）

45、周期为T,在T周期内工频 交流电的半周波数为N,如全导通时额定加热功率为Ph，则实际的平均加热功率 P与T周期内实际导通的半周波数 n成正比，即21P= nFH/N（3-18）1.过零触发调功器的组成目前，采用可控硅进行功率调节的触发方式有两 种：过零触发、移相触发。移相触发方式调功实际上是控制可控硅的导通角， 达到调节功率的目的，此方式易造成电磁干扰且电路复杂。据文献专门介绍：采用移相触发的可控硅交流调功装置，往往在可控硅导通的瞬间使电网电压出 现畸变，当控制角为 90时，产生的三次谐波电流为基波电流的 50%五次谐 波也可达基波的1/6。这些谐波分量引起电网电压波形畸变，功率因数下降，给

46、其它用电设备和通讯系统的工作带来不良影响。为此，人们研究了各种避免电 压瞬时大幅度下降和抑制高次谐波的方法，过零触发方式很好地解决了此类问 题，它可把可控硅导通的起始点限制在电源电压过零点，从而大大降低了谐波 分量。然而，传统的可控硅过零触发调功器由同步脉冲产生电路、检零电路、 隔离电路组成，结构复杂，降低了可靠性，而且采用分立元件，器件的离散性 和温漂严重影响调功器控制精度及使用寿命。实现可控硅调功控温需解决 3个技术关键：获取工频交流电源的过零触 发脉冲，作为触发双向可控硅的同步脉冲；将控制算法得到的控制量变为可 控硅在周期内的导通时间；隔离工频交流电源强电对单片机系统和控制电路 弱电的干

47、扰。根据上述要求设计的可控硅调功控温电路如图3-7所示。该调功器主要由射随器、PWM永冲形成电路、光隔离/光耦合过零双向可控硅驱动器及 电源四部分组成。图3-8可控硅调功原理图2.主要电路介绍PWM脉冲形成及脉宽调制电路 TL494是德克萨斯仪器公司研制的双端脉 宽调制器，其功能框图与引脚如图3-9所示。图3-9 TL494功能框图及引脚图TL494在开关电源中应用较多22，在此，利用其脉宽调制功能构成脉冲形成 及脉宽调制电路。将芯片的5、6脚分别接振荡器的电阻、电容，通过改变电阻、 电容的大小，即可调节振荡器频率（为了保证振荡器的稳定性，应采用金属膜电 阻和漏电流的电容）。振荡器产生的锯齿形

48、振荡波被送到 PWM匕较器的反相输入 端，脉冲调宽电压送到 PWM比较器的同相输入端，通过 PWM比较器进行比较， 输出一定宽度的脉冲波。当调宽电压变化时，TL494输出的脉冲宽度也随之改变， 从而改变开关管的导通时间，达到调节、稳定输出电压的目的。脉宽调宽电压可由3脚直接送入的电压来控制，也可分别从两个误差放大 器输入端送入，通过比较、放大经隔离二极管输出到PWM匕较器的正相输入端，此时3脚应接RC网络，提高整个电路的稳定性。本设计将两个误差放大器的输 入端和反馈接地，将3脚直接接控制电压，这时比较器 A7输出为一定额率的脉 冲信号，将13脚接地，则触发器不起作用，所以改变控制电压大小，即可

49、改变 10脚输出脉冲的宽度。 光隔离/光耦合过零双向可控硅驱动器 MOC304新型器件MOC304的使用使调功器电路变得非常简练， 它集光电隔离、过零检测功能 于一身，具有体积小、功耗低、抗干扰能力强、无噪声等优点，图 3-9为其构 成的可控硅基本驱动电路。沈阳工业大学本科生毕业设计（论文） 沈阳工业大学本科生毕业设计(论文) MOC.liW-l图3-10可控硅基本驱动电路图中有关元件功能如下:R、CS为吸收电路，并接在功率可控硅的阳极和阴极之间，起保护作用。因 为负载若为感性，可控硅通、断时会产生较大的反电动势，可能引起可控硅的 损坏，在相关电路上并联吸收电路后，就能削弱高的瞬时电压从而保护

50、可控硅。 一般Rs、CS取值靠经验确定，暂无一套完整的计算方法。经验公式如下3CS=（2 4）1 tX 10-（卩 F）R=10 50 Q（3-19）Rii是触发器输出限流电阻，其电阻由交流电网电压峰值及触发器输出允许 值重复冲击电流峰值（1A）决定，这里取51 QoR是晶闸管的门极电阻，防止误触发，提高抗干扰能力，一般取值300-500Q。（3）射随器电路、电源供给射随器电路能使前后级实现良好的匹配。本调功 装置设计时选择的模拟信号控制电压范围为010 V,所以来自D/A的输出信号（010 V）正好满足了电路的需要，射随器可以省略。但有的温控器输出的控制 信号为08 V，也有的输出的控制信号

51、为 0.5 V、420 mA 020 mA,为了 方便地和各种输出信号设备实现良好的接口，这里特别加了射随器电路。 12V电压的供给来自整个系统的直流稳压电源电路。334与上位机通讯模块本系统上、下位机采用RS-485接口进行串行通讯。目前微机的串行通讯一 般都是采用RS-232串行总线标准。RS-232适用于：设备之间的通信距离不大于 15 m,传输速率最大为20 kbit/s 。但RS-232总线标准存在下列潜在问题 昭传送距离过近；电平转换；抗干扰能力较差；传送速率偏低；潜在的接地问题。RS-232总线标准要求信号地共用并把双方的信号地接在一起。当想把 RS-232的通信距离扩大时，由于

52、双方的地电位差别较大，在信号的线上将有比 较大的地电流形成，造成额外压降。这样，一方输出地逻辑电平，到达对方时， 其逻辑电平将发生偏移，若电平偏移严重，将发生逻辑错误。为了扩大传输距离，提高通信速率，增强抗干扰能力，针对上述RS-232总线标准潜在的问题，我们采用RS-485总线标准。RS-485串行传输是利用信号线 之间的信号电压差传输，平衡传输方式，抗干扰性较好，最大传输距离可到1200 m最高传输速率达10 MB/S。通讯接口 MAX485本系统采用MAX485做RS-485的收发器。MAX485是低功耗半双工 RS-485/RS-422收发器，每个器件含1个接收器和1个驱动器23-24

53、。其各个管脚在收发时的功能和状态如表 3-1所示。由表可以看出，只要 DE 脚为高电平就为发送态，所以本系统将 RE脚恒接低电平(接GND)通过单片机 的P2.5脚控制DE脚，以决定是接收态还是发送态。下位机通信接口电路图3-11为下位机通信接口电路图。为了提高通信的 抗干扰能力，MAX485与CPU的连接通过三个快速光电隔离器68进行隔离。如图 所示，TXD接 CPU的发送端，RXD接 CPU的接收端，SDE接 CPU的 P2.5 口，CPU 通过控制P2.5 口来确定是接收还是发送状态。A、B接上位机的通信线。表3-1 MAX485管脚的功能和状态表 发送TTXDGNDAN137VCCSD

54、E RXDSDEOUTcTrf7CCHJ6GNDGND56N137DI紐 MAX4R5 DEA6N1J7GND输入输出REDEDIZYX1101X101000X高阻高阻10X关闭关闭接收输入输出REDEA-BRO00 0.2V100V -0.2V000开路110X关闭图3-11下位机通信接口电路图下位机通信程序流程图图3-11是下位机通信程序流程图呼叫初抽化设1谢14王申抒口初船化戯掘從送描计开中斷等持接收救掷按收網加刖SUM fh j44 N111 送OOHI呵送 WFH*I诃送 riUJH作应許祯1发送蛙据/扁与本扁i 号相丙吗？ /（返bl ）(a)主程序流程图(b)中断服务程序路程图图

55、3-12下位机通信程序流程图下位机通信前，首先要对串行口进行初始化编程。初始化编程放在主程序 中。采用中断方式控制 CPU与串行口的数据交换。各从机接收呼叫帧后进行对号操作，从机每接收主机发来的一个数据，都要向主机发回一个数据作应答。3.4模糊自整定PID控制算法针对电阻炉温度控制，将采样得到的温度信号与系统的温度设定值进行比 较，得到温度误差e、温度误差变化ec，根据电阻炉温度变化实际情况参考上 一章的模糊自整定PID控制器设计方法，将它们变化到模糊论域。温度误差e、温度误差变化ec和Kp、K、Kd的修正系数的模糊子集为 e=ec= 负大、负中、负小、零、正小、正中、正大 =NB, NM N

56、S ZO, PS PM PB kp= A ki = A kd=负大、负中、负小、零、正小、正中、正大 =NB, NM NS ZO, PS PM PB并将温度误差e、温度误差变化ec的大小量化为13个等级,分别表示为-6 , -5 , -4,-3, -2 , -1 , 0 , 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6 ,则论域 E 和 EC 为 E=EC=-6, -5, -4 , -3,-2, -1 , 0 , 1, 2 , 3 , 4 , 5 , 6,将厶 kp、 ki、 kd 的大小量化为 11 个等 级, kp 的论域为-1.5 , -1.25 , -1.0 , -0.75 , -0.5

57、 , 0.25 , 0 , 0.25 , 0.5,0.75 , 1.0 , 1.25 , 1.5。 ki、 kd 的论域为 -0.3 , 0.25 , 0.2 , 0.15 , 0.10 , 0.05 , 0 , 0.05 , 0.10 , 0.15 , 0.20 , 0.25 , 0.3 。模糊变量E、EC的赋值表如下表所示表3-2模糊变量E、EC的赋值表ueE-6-5-4-3-2-10123456PB0000000000000.51.0PM00000oo0000.51.00.50PS00000000.51.00.5000ZO000000.51.00.500000NS0000.51.00.5

58、0000000NM00.51.00.5000000000NB1.00.500000000000沈阳工业大学本科生毕业设计（论文） 沈阳工业大学本科生毕业设计（论文） 模糊变量Kp、K、Kd的赋值情况如下图所示图3-14模糊变量 kp的赋值图3-15模糊变量 ki、 kd的赋值PID参数的整定需要考虑在不同时刻 3个参数的作用以及相互之间的关系。 对于电阻炉温控制，由PID控制器3个参数的控制特点，被控过程对参数的自 整定要求可简单地总结如下：当|E|较大时，为使系统具有较好的快速跟踪性能， 应取较大的Kp与较小的Kd,同时为避免系统响应出现较大的超调，应对积分作 用加以限制，这样积分作用有利于

59、消除稳态误差，又可避免产生较大超调。当 |E|处于中等大小时，为了使系统响应具有较小的超调，Kp应取得小些；K和Kd的大小要适中，以保证系统的响应速度，其中Kd的取值对系统响应的影响较大。当|E|较小时，为使系统具有较好的稳态性能，均应取得大些，同时为避免系统在设定值附近出现振荡，并考虑系统的抗干扰性能，当EC较小时，Kd值可取得大些，通常取为中等大小；当|ec|较大时，Kd应取小些。根据输入变量E和EC及模糊控制规则，按照模糊合成算法，采用最大隶属 度方法，再经过人工修整，得到 Kp、K、Kd的模糊规则表如以表3-3、3-4、3-5 所示。表3-3 PK的模糊规则表 kp ec eNBNMN

60、SZOPSPMPBNBPBPBPBPMPSZOZONMPBPBPBPMPSZONSNSPMPMPMPSPSZONSZOPMPMPSZONSNSNMPSPSPSZONSNMNMNMPMPSZONSNMNMNBNBPBZOZONMNMNBNBNB然后选用加权平均的判决方法将控制量由模糊量变为精确量。利用上章介 绍的加权平均法解模糊方法，编好程序，作为“文件”存储在计算机中。当进 行实时控制时，便根据输出的信息，从“文件”中计算控制量，计算出修正参 数代入下式计算&=K+Ei,ECip(3-20)K=Ko+Ei,ECiK=K+Ei,ECD将算得的PID控制的3个参数带入PID控制模型得到控制量uk(