反应釜温度智能控制系统设计-硬件部分

反应釜温度智能控制系统设计——硬件部分学专2020年2月中北大学2020届毕业设计说明书反应釜温度智能控制系统设计——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。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。在控制方法关键词：反应釜单片机温度控制模糊控制中北大学2020届毕业设计说明书Thereactionketteltemperatureintelligentcontrolsystemdesign-hardwarepartsAbstract:Thetemperatureistheproductionprocessandscientificexperimentsarecommoninthephysicalparameters,chemicalreactionkettletemperaturecontrolprecision,systemresponsespeedandstabilityoftemperaturecontrolsystemisthemeasureoftheperformanceindexesofkeyfactors,theaccuratecontrolofthetemperatureindifferentkettleforchemicalreactiontemperatureisofgreatsignificance.Usuallythereactionkettlecapacity,itsinternalchemicalreactionmechanismcomplex,reactionsystemhasalargertime-varying,nonlinearandtimelag,thecontrolledobjectisvarious,classicalcontroltheoryandmoderncontroltheory,theoptimalcontrolcannotbeusedinthereactionkettlecontrol.Inthispaper,thereactionkettletemperaturecontrolareanalyzed,thecoldagentforthereactionkettleflowwithinthetransferfunctionoftemperature,thedesignofcoldandheatreactionkettleagentcontroltoachievethereactionkettletemperatureconcretecircuitintelligentcontrolsystem.Inthecontrolmethod,throughthesingle-chipmicrocomputer,thefuzzycontrolmethod,andgivesadetailedanalysisofthestepsandcontrolalgorithm.Keywords:ReactorSingle—ChipComputerTemperatureControlFuzzy-Control中北大学2020届毕业设计说明书目录1绪论........................................................................................................................................11.1反应釜温度智能控制器研究与开发的背景和意义....................................................11.2反应釜温度控制技术的现状........................................................................................12反应釜的过程分析................................................................................................................32.1反应釜的基本结构........................................................................................................32.2反应釜的工作原理........................................................................................................42.3反应釜的控制方案........................................................................................................42.4反应釜的动态特性........................................................................................................62.4.1基本方程...............................................................................................................62.4.2基本方程的线性化...............................................................................................72.5论文的研究内容............................................................................................................83控制方案的确定....................................................................................................................93.1总体控制方案的确定....................................................................................................93.2模糊控制器设计..........................................................................................................103.2.1模糊控制器简述.................................................................................................103.2.2模糊控制器的设计.............................................................................................114硬件电路设计......................................................................................................................174.1系统硬件构成..............................................................................................................174.2电源电路......................................................................................................................184.3过零检测电路..............................................................................................................194.4基于DS的多传感器测温电路...........................................................................19L4.4.1DSl8820的性能特点...........................................................................................194.4.2DSl8820内部结构简介.......................................................................................194.5D/A转换及输出电路...................................................................................................214.5.1MAX518与I总线............................................................................................2124.5.2电压放大电路.................................................................................................21[13]4.5.3V/I转换电路........................................................................................................224.6单片机人机交互..........................................................................................................244.6.1键盘接口电路.....................................................................................................244.6.2显示接口电路.....................................................................................................265控制系统的软件设计..........................................................................................................28第I页共II页中北大学2020届毕业设计说明书5.1主程序设计..................................................................................................................285.2键盘中断服务子程序..................................................................................................295.3定时器中断服务子程序............................................................................................305.4温度采集子程序..........................................................................................................305.4.1DSl8820温度转换子程序...................................................................................305.4.2读DSl8820温度子程序.......................................................................................315.5控制量输出子程序......................................................................................................325.6模糊控制算法子程序..............................................................................................32[21]6结论......................................................................................................................................35参考文献..................................................................................................................................36附录A反应釜温度智能控制系统设计总电路图.................................................................38致谢..................................................................................................................................39第II页共II页中北大学2020届毕业设计说明书1绪论1.1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、产品更新换代快的对现在的多数的反应釜而言，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。1.2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复杂、参数时变的温度控制系统的控制。论及计算机技术，运用先进的算法，适应的范围广泛。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第1页共39页中北大学2020届毕业设计说明书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。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]。第2页共39页中北大学2020届毕业设计说明书2反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计和实现来完成的[5]。2.1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。图2.1反应釜结构示意图反应釜的基本结构如图2.1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，它包围在筒第3页共39页中北大学2020届毕业设计说明书体的外部，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间。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]。2.2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，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]2.3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）物料平衡第4页共39页中北大学2020届毕业设计说明书对于反应釜来说，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。（5）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]。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2.1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，易造第5页共39页中北大学2020届毕业设计说明书成局部过热或过冷。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。2.4反应釜的动态特性2.4.1基本方程对间歇式反应釜，化学反应中热量平衡关系为：(反应系统内累积热量)=(反应系统内反应放出热量)+(通过间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[6]MCPVHrC,T)TTRARC．2)式中，C——反应釜内反应物比热；p——反应釜内反应物浓度；CAM——反应物总质量；V——反应器容积；R——反应釜间壁的总传热系数；A——反应釜间壁的传热面积；RT——反应釜内温度；T——冷却介质出口温度；CH——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[8]()VCCWCTTTCCCHCR．3)式中，V——夹套内冷却介质的容积；CC——夹套内冷却介质的密度；C——夹套内冷却介质的比热；PC第6页共39页中北大学2020届毕业设计说明书W——冷却介质的流量；TH——冷却介质的入口温度。化学反应速度r(C，T)为AECArC,TkAA0（1.4）．5)将式．代入(1．，可得(HVEkCTTRR0ACPP由式．得WTTTTCCHCVCCV．6)CPC2.4.2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,一律从简，各变量上方的“”表示稳态值，可得以下矩阵形式的线性方程xAxBu．7)式中，TxATCaa11a2112a2200Bub21b(2.1)22THW其中，HAaR11VCP2R第7页共39页中北大学2020届毕业设计说明书UAa21RMCPaR12VCCCPCWUAaR22VVCCCCPCWb21VCTTb22HCVC2.5论文的研究内容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]应釜温度的智能控制。DSl8820数字温度计实现多点温度采集，其测温精度可达到0.0625℃。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。第8页共39页中北大学2020届毕业设计说明书3控制方案的确定3.1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：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。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。过程不稳定。本反应釜内的化学反应为放热反应，温度越高反应越剧烈，放热也越多，存在正反馈，是不稳定过程。干扰因素很多，主要有：．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，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、状态第9页共39页中北大学2020届毕业设计说明书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，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。3.2模糊控制器设计3.2.1模糊控制器简述数字控制。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Ee+rUuyecEC-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3.1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，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E、EC、和模糊控制规则R(模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。第10页共39页中北大学2020届毕业设计说明书U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：确定模糊控制器的输入变量和输出变量即控制量。设计模糊控制器的控制规则。进行模糊化和去模糊化（又称清晰化的方法）。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）。编制模糊控制算法的应用程序。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[10]。3.2.2模糊控制器的设计3．2．2．1模糊控制器的结构设计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Pnrn-yH．1)ec(n)e(n)e(n．2)式中——设定温度;——实际温度;——第n次采样时刻温度偏差的精确值；——第n次采样时刻偏差变化的精确值。第11页共39页中北大学2020届毕业设计说明书e和ec经过模糊化后分别为模糊变量E和EC。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△u。由此，本论文中的模糊控制器设计可分为三个步骤：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。[11]3．2．2．2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)[14]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、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、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[-x+x]，偏差变化ec的基本论域为[-x，+x]。设偏差变e,eecec量所取的模糊了集的论域为{-n，，…，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Ke别由下面两个公式来确定Knx．3)eeKmx．4)量化因予K及KK增大，eece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，K对超调的遏制作用十分明显，K选择越ecec大系统超调越小，但系统的响应速度变慢。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=6。偏差变化e的变化范围为[-15+15]15的按照15|=15ec的变化范围为[-3+3]x和式(24)eec可得K=0.4，K。eec对于第n次采样时刻温度偏差的精确值和第n次采样时刻偏差变化的精确值ec(n)第12页共39页中北大学2020届毕业设计说明书数，采用四舍五入的办法就近取整[12]。3．2．2．3模糊控制规则的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。3．2．2．3．1输入输出变量的词集状态的一些词汇如“正大”、“负小”等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。选择的较多的词汇描述输入.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的模糊状态选为以下七个词汇，即{负大、负中、负小、零、正小、正中、正大}｛，NM，NS，，PS，PM｝其中N=Negative，B=Big，M=Middle，S=Small，0=0，P=Positive。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。3．2．2．2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。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计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，可以采用查表的方法，即事先把模糊关系矩阵R离线计算好，写成模糊控制表3.1。在实际使用时，只要根据输入第13页共39页中北大学2020届毕业设计说明书量查表就可以得到精确的输出量。表3.1模糊控制表U6666444344322230000000000444443210044000012110030000456000000000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,制。3．2．2．3基于规则修改的自适应模糊控制器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[14]。首先引入一个算子<a，<a表示取一个与n同号且最接近于n的整数，即：int(a)1aaint(a)1(2.5)第14页共39页中北大学2020届毕业设计说明书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：EaeEEC(2.6)ECaecEEC(2.7)aa1式中，E及EC分别是偏差及偏差变化的模糊量，显然满足的条件。e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：UUU(2.8)0EUEEE(2.9)控制量的精确量可通过式和式9)在线确定，可以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，一般的第15页共39页中北大学2020届毕业设计说明书做法是：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。y,y设控制量的的基本论域为{-p…,0,…,p-1，uuP}，则比例因子K为：uyKuup．10)255)对应着冷却介质[-24，即y=24，又已知u，由式．10)可得K。若某一时刻模糊判决得到的输出量为x，则对应的控un制量变化△为：u(n)Kx(n)．11)．12)uu因此，采样时刻的输出控制量u为：1u(n)u(n1)u(n)1式12)为增量式输出，在实际使用时，需将转化到0～255范围内，因此输出：256u(n)u(n)241148(2.13)同时，需要对作必要的限幅。本文模糊控制器的最终输出为：u(n)0u(n)255u(n)255u(n)0u(n)2250．14)模糊控制器的控制算法是由计算机的程序实现的，具体流程图见本文的“控制系统的软件设计”部分。第16页共39页中北大学2020届毕业设计说明书4硬件电路设计4.1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4.1所示。单图4.1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MCS一51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RAM15条可编程/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耗更低，特别适合需要节能的工业测控领域。温度采集采用DSl8B20单线集成温度传感器，不需/D转换电路，内含温度传感器，并以9～12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/O线相连，在一条/O线上同时挂接4片DSl8B20以完成多点温度采集，极大的节省了单片机的/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/O口线,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DA转换器MAX518将控制信号送入电动执行器。MAX518可完成2路/A转换，分别控制加热阀门和冷却阀门的开度，且只占用两个/O线。/A转换后的电压信号经/I变换为电流信号，可实现远距离传输。第17页共39页中北大学2020届毕业设计说明书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。4.2电源电路220V围电路的电源要求为+5V或+15V的直流电压，本文所设计的直流稳压电源如图4.2所示。图4.2电源电路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D5C5相连，形成较平滑的直流电压。由于放大器LM358和vI转换器AD694需要+15V电压，故在整流之后使用一片MC7815T和MC7805T串接得到两种不同的直流电压。稳压器使效应，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。第18页共39页中北大学2020届毕业设计说明书4.3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4.2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0.7V，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。4.4基于DSl8820的多传感器测温电路4.4.1DSl8820的性能特点DSl8820是美国DallasSemiconductor公司继DSl820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：+3V到+5.5V，测温范围从一55℃到+125℃，最高分辨率达0.0625℃，测量精度高；RAM中的配置寄存器的可编程温度分辨力位R0、R1进行编程，可设计不同的分辨率：(3)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；(4)每一个DSl8820都有唯一的64位序列号，并且体积很小；DSl8820不会因发热而烧毁，但此时DSl8820无法正常工作。[15]4.4.2DSl8820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U是可供选用的外部+5V电源端，DD若采用寄生电源供电，则该脚接地。每个DSl8820在出厂时都己具有唯一的64位序列号，因此一条总线上可以同时挂接多个DSl8820。本文中多片DSl8820与AT89C2051的连接如图4.3所示。第19页共39页中北大学2020届毕业设计说明书图4.3多片DSl8820与AT89C2051的连接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678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34235位一直为1TM是测试模式位，用于设置DSl8820在工作模式还是在测试模式，出厂时已经该位己设置为0。R和Rl0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4.4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l2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4.5所示。SSSSS262524232221202-12-22-32-4图4.5温度数据格式当符号位S=0S=1为负值。为了在AT89C2051与DSl8820之间建立正确的数据通讯，AT89C2051单总线的接口必须严格遵守DSl8820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DSl8820的初始第20页共39页中北大学2020届毕业设计说明书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]4.5D/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//A转换有串行/A和并行/，串行/A虽然速度较并行/A/OMAXIM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0V～V，这是MAX518的一大优点。因此，本文采用了MAX518串行DD/A转换器。4.5.1MAX518与IC总线2MAX518是兼容12C总线标准的2线串行接口8位DAC电压摆幅可达满幅(Rail-to-Rail)。它由单一5V电源供电，有两个D/A输出通到OUT0和OUT1。图4.6MAX518与单片机的接口电路4.5.2电压放大电路[13]/A变换后的信号为模拟电压信号，而执行器控制信号为4～20mA的电流信号，AD694芯片做/I输入电压为0～10V/I0～5V的电压信号等比放大为0～10V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，从而提高输出精度。为此我们选用两路集成运算放大器LM358来放大0～5V的模拟电压信号。LM358的单电源供电电压为3～30V-0.3～32VLM358放大器实现第21页共39页中北大学2020届毕业设计说明书0～5V到0～l0V变换的电路如图4.7所示。图4.7电压放大电路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RR1V98Ui（3.2）其中，Vout为MAX518的输出电压，U为放大器的输出电压。i由式可看出，输入电压V和输出电压U间的比例关系与运算放大器本身的outi参数无关，而只与外接电阻R和R的大小有关，这样其精度和稳，定性都很高。如果98使R=R，则输出电压正好为为输入电压的2倍，即实现了0～5V到0～10V的变换。98为了确保电路的精度，R使用可调电阻，这样可使R与R的差值尽可能的小。[17]998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。4.5.3VI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/I4～第22页共39页中北大学2020届毕业设计说明书20mA的电流信号。其主要性能特点如下：(1)0～20V和0--10V收0～2V的输入信号；输出电流范围为4～20mA或0～20mA；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45V～36V，双电源电压为±15V；精度高。非线性误差为±0.0022V10V量程的转换精度为±0.005％，转换灵敏度分别为8.0mA/V、1.6mA／；当电流环发生开路或环路电压过高时能立即发出报警信号，可直接驱动LED指示灯或报警装置；压及最低电源电压。[18]由AD694构成的0～10V到4～20mA的I变换电路如图4.8所示。图4.8V/I转换电路AD694共有16个引脚，对于不同的工作电压电源，不同的输入、输出范围，其引脚接线方法也各不相同。图所示的为输入0～10V，输出4～20mV时的接法。1脚和2脚相连，使AD694的输入缓冲放大器构成电压跟随器。3脚为输入端，5脚为COMMON端。11ZXQR为执行器的负载电阻，L则R一般按下式计算LRV2)/20．3)Ls第23页共39页中北大学2020届毕业设计说明书由式(3．3)得，当电源电压为15V时，R的最大值为650。AD694的9脚为L4mAONOFF端，将9脚连接到低，则输出最小电流为4mVC13为去耦电容，其容值可取0.1u。由于本文的电磁阀为感性负载，因此，在OUT端和COMMON端并接C16(0.1uF)，以提高AD694的稳定性。二极管D7、D8对尖蜂电压起钳位作用。AD694的另一个特点是具有开路或超限报警功能。如图3531所示，AD694的1D脚(ALARM脚)为集电极开路输出，通过R10(20kQ)的电阻上拉到V，当电路工S作正常时，ALARM脚为高电平，串联在ALARM脚上的LED中无电流流过：当OUT回路断开或出现高于(Vs-2V)的电压时，ALARM端输出低电平，LED中有电流流过而发亮，从而起到报警的功能。4.6单片机人机交互人机交互即人机界面．它是单片机应用系统中的重要组成部分，也就是人与计算机系进行信息交互的接口，主要包括信息的输入和输出。控制信息和原始数据要通过输入设备输入到计算机中。计算机的处理结果需要通过输出设备实现显示。这里的输入设备和输出设备构成了人机界面。本文人机界面的输入设备是键盘，主要有8个按键，用户可以通过键盘对所要求的控制参数进行设置。输出设备是发光二极管和8位LED数码LED转速和定时时间。4.6.1键盘接口电路薄膜开关是集功能按键、指示元件、仪器面板为一体的一个操作系统的总成。它的它结构简单，装联方便，外观新颖，同时又具有体积小、重量轻、防尘、防水、防爆、防有害气体侵蚀、寿命长等一系列特点，目前在多功能、密集型、智能化的电子产品已得到广泛的应用。因此，本控制器的按键也采用了薄膜歼关。键的大小虽然目前尚无统一的标准，但应符合实用、匀称、美观的原则。本控制器键的尺寸选用10×10(mm)，两键中心距为10mm。另外，本控制器有8位LED数码管和发光二极管，因此，显示窗和指示窗都是必不可少的。本控制器共使用了8RST7个按键通过74HCl64连接到单片机的RXDTXD0输出。开始时，把单片机的P1．7口写入0，使74HCl64的输出全为0。没有键按下的时候，第24页共39页中北大学2020届毕业设计说明书单片机的P32为1P32为0P32由1变为0INT0中断，执行中断程序和键扫描程序，这样大大单片机节省了单片机的口线。8个按键排列形式及各个按键的功能如图4.10所示，其接口电路如图4.11所示。温度定时复位+-开/关图4.10键盘功能说明图4.11键盘接口电路MCS一51系列单片机的P3口是一个双功能口，具有特殊性。当作为/输出口使用[20]。这里，P32既用作外部中断口，又用作通用/O口，作通用输入口时，用于判断哪个按键被按下。S1通默认工况为自动。S21～9级转速和自动十种转速。”键可以在十种转速之间循环切换。每按下一次“+”(或“一”)键一次，向高(或低)一级转速切换一次，从而实现电机的速度调节。当速度设定为自动转速时，按照偏差的大小自动决定实际的转速，设定为其他转速时，电机维持设定的速度不变。刚上电时，默认转速为自动。S3键为“温度”键，用于在加热或冷却工况时设定反应釜所要达到的温度值。按下此键后，即显示当前设定温度值，然后可通过“+”或“一”键改变设定温度。每按下一次“”或“”)键，设定温度加或减)1℃。刚上电时，默认温度为25℃。S4键为“定时”键，用于设定系统的工作时间。按下此按键后，即显示当“的设定时问，然后可通过“”或“”键改变设定时间。每按下1次“+”或“”键，设第25页共39页中北大学2020届毕业设计说明书定值加或减)30分钟。最大设定时问为12小时，刚上电时无定时。连着按两下“定时”键，则定时取消，再按一下“定时”键，则为定制。定制时间为8个小时。在定时1小时到后，设定温度减1℃。接着定时2小时，2小时到后，设定温度再减1℃，然后定时5个小时，定时时间到后关机。S5键为“”键，S6键为“”键，只有在按下“速度”、“温度”和“定时”键三个键之一时才有效。为了使用方便，本控制器不设“回车”键，所有设定内容在最后一次按键按下2秒后被系统自动确认生效，并退出设定状态。S7键为“开关机”键，用于决定控制器是否按照当前所设定状态启动执行器。若为关机状态，则阀门不开，电机不转，只是显示当前的温度值。按此键可在两种状态之问切换，不影响单片机及测温电路的工作。刚上电时默认状态为关机。“复位”键直接接在单片机的RST脚，用来使系统手动复位。4.6.2显示接口电路LED显示同样采用单片机的串行口方式0输出，在串行口外接74HCl64移位寄存器。本论文只用了一片74HCl64来控制4个共阳极的8段LED显示器和5个发光二极P1.0～P1.4口输出位选信号，位驱动采用4个PNP三极管，其接口电路如图4.12所示。图4.12显示器接口电路第26页共39页中北大学2020届毕业设计说明书发光二极管D9～D13分别代表工况为冷却，加热，搅拌，自动以及开机。工况，转速，设定温度和定时时间只在操作人员通过键盘进行相应参数设定时才显示，在其它状态只显示当前测量到的温度值。工况显示通过发光二极管显示。转速显示分别显示1～9，如图显示为，则表示转速为自动。温度用前三位LED显示器显示，其中第一位LED显示器和第二位LED显示器显示温度的整数部分，第三位LED显示器显示温度的小数部分，温度显示精确到0.1℃。制作电路时，将第三位LED数码管倒置，使其dp段在上方，与第二位LED数码管的dp段形成时间显示的分隔符，如8：30表示定时时间为8个小时30分钟。第27页共39页中北大学2020届毕业设计说明书5控制系统的软件设计系统软件采用模块式设计，由主程序、键盘中断服务子程序、过零检测中断服务子程序、定时器l中断服务子程序、温度采集子程序、控制量输出子程序、模糊控制算法子程序等模块组成。5.1主程序设计主程序主要完成初始化和显示功能。其中初始化包括设置参数的初值、程序状态字PSW、堆栈SP、中断0和中断1的触发方式、定时器T1以及串行口的工作方式。开机后，数字温度计DSl8820定时对反应釜温度进行温度采集、控制量计算和输出，定时时15ms，故完全可以满足本系统的要求。主程序流程图如图5.1所示.YN1N图5.1主程序流程图当有按键按下或者过零中断或者定时器T1溢出中断发生时，执行相应的中断服务子程序，没有中断发生时，程序只完成LED数码管和发光二极管的动态显示功能。本文使用3AH～3EH存放要显示的字段码，通过74HCl64完成串行输入一并行输出，74HCl64输出要显示的字段码。没有中断发生时，通过单片机的串行口串行发送方式一第28页共39页中北大学2020届毕业设计说明书位一位地送往74HCl64以供LED数码管显示。如果单片机的串行口没有发送完毕LED数码管就显示的话，字形会发生显示不稳定的现象，因此LED数码管的显示要等串行口发送完毕，即TI=1后，再通过LED数码管的位选信号来驱动LED数码管的显示。当有按键按下时．LED中改变3AH～3EH的内容即可。5.2键盘中断服务子程序键盘中断服务子程序流程图如图5．2所示YNYYNNNYNYNYYN图5.2键盘中断服务子程序流程图第29页共39页中北大学2020届毕业设计说明书七个按键也足通过74HCl64连接在74HCl64的MR端置074HCl64的输出全为0，当有按键按下时，P3．2为0，外部中断INT0产生中断请求信号，这时令，CPU禁止所有中断，依次向74HCl64输入FEH、…，并读P3．2门的状态，如果P3．2为0．则0状态的对应的键就是被按下的键。在确定了某个按键被按下后，转入相应的处理程序，并将相关参数设置单元中的品示内容送往3AH～3EH，这样在LED数码管和发光二极管上即可显示用户设定的信息。在判断完按键后令蜂呜器响一声，以便告诉用户按键有效。在“速度”、“温度”、“定时”按下后，调用相应的显示程序，并设置相应的标志位，以便随后的加、减号键按下后能判断出需要改变那个键的设定值。通过连续地按“工况”键，可以在各个工况之间切换。“开／关机”键按下后，执行相应的设置。工况和开关机的状态通过发光二极管的亮与灭显示相应的设置。每次键按F后的显示内容只在22设定内容，同时由过零中断子程序清除最后一次的按键标志，并调用实际温度显示子程序。5.3定时器1中断服务子程序定时器l设定为16控制双姓可控硅的导通时间，进而控制电机的转速。定时时间到后，触发双向可控硅导通，从而使电机转动。定时器l的中断服务子程序比较简单，这里就不画其流程图了。5.4温度采集子程序由于数字温度计DSl8820温度采集有所不同，它省略了多路开关、采样／保持器、放大器、A/D转换器等电路，DSl8820直接与单片机相接。温度采集是夹在过零检测中断服务子程序中进行的，包括DSl8820温度转换子程序和读DSl8820温度了程序两部分内容。因为在单总线上挂接了多片DSl8820，因此，要严格按照其初始化和读