新型智能加温控制系统设计正文

武汉理工大学毕业设计（论文）)式中,；；；从函数关系中我们可以看出Pt100温度传感器的电阻阻值和温度的关系并不是严格的线性的。表1Pt100分度表温度（℃）0123456789电阻值（Ω）0100.00100.39100.78101.17101.56101.95102.34102.73103.12103.5110103.90104.29104.68105.07105.46105.85106.24106.63107.02107.4020107.79108.18108.57108.96109.35109.73110.12110.51110.90111.2930111.67112.06112.45112.83113.22113.61114.00114.38114.77115.1540115.54115.93116.31116.70117.08117.47117.86118.24118.63119.0150119.40119.78120.17120.55120.94121.32121.71122.09122.47122.8660123.24123.63124.01124.39124.78125.16125.54125.93126.31126.6970127.08127.46127.84128.22128.61128.99129.37129.75130.13130.5280130.90131.28131.66132.04132.42132.80133.18133.57133.95134.3390134.71135.09135.47135.85136.23236.61136.99137.37137.75138.13100138.51138.88139.26139.64140.02140.40140.78141.16141.54141.91110142.29142.67143.05143.43143.80144.18144.56144.94145.31145.69120146.07146.44146.82147.20147.57147.95148.33147.70149.08149.46130149.83150.21150.58150.96151.33151.71152.08152.46152.83153.21140153.58153.96154.33154.71155.08155.46155.83156.20156.58156.95150157.33157.70158.07158.45158.82159.19159.56159.94160.31160.68160161.05161.43161.80162.17162.54162.91163.29163.66164.03164.40170164.77165.14165.51165.89166.26166.63167.00167.37167.74168.11180168.48168.85169.22169.59169.96170.33170.70171.07171.43171.80190172.17172.54172.91173.28173.65174.02174.38174.75175.12175.49从表中可以看出在低温区线性度较好，随着温度的升高，线性关系变差。由于这种非线性关系，在高精度测量中需要对Pt100电阻进行非线性校正。校正分为模拟电路校正和微处理器数字化校正，模拟校正有很多现成的电路，但是其校正精度不高且易受温漂等干扰因素的影响。本文中我们采用微处理器数字化校正的方法，即将Pt100的电阻值和温度关系对应表写入到单片机中，根据电阻值采用查表的方法读取温度值。表1是我们实际采用的Pt100的电阻温度分度表。从表中可以看出，表中的数据是每隔1℃给出的对应关系，这显然达不到我们的量化要求。基于Pt100的这种线性度，我们采用分组线性量化的方法进行进一步的量化，即认为相邻的两个整数度区间内，认为温度是连续变化的。算法具体程序实现如下：doublewendu(doublet){ //读入电阻值tinti=0; doublet0,T;for(;i<351;i++){//在0℃-350℃之间的351个整数数据之间查找所在的区间 if(a[i]<=t&&a[i+1]>=t) break;} t0=i;T=(t-a[i])/(a[i+1]-a[i])+t0;//在两个相邻的整数值之间进行线性量化 returnT;}因为温度每变化1℃，Pt100的电阻值大概变化0.39Ω，所以采用在相邻的两个整数温度值内进行线性量化的方法完全能够满足温度精度的要求的。(2)温度采集电路设计和选用实际中，常用的Pt100电阻有两线制、三线制和四线制三种接法。不同的接法适合的测量电路和测量精度不同，当然价格也不同。一般地，两线制和三线制的Pt100电阻适合用在电桥法测量电路中，四线制的Pt100电阻适合用在恒流源测量法电路中。三线制和四线制的Pt100电阻能有效的消除连接导线的电阻和接触电阻对Pt100电阻测温精度产生的影响，测量准确度高。根据加热精度的要求以及考虑到实际的经济效益我们采用了三线制的Pt100温度传感器。桥式测温的典型应用电路如图3-2所示，三线制桥式接法电路所示（两线制接法只需要把Pt100接入电路中即可,无需接地端,其他部分同三线制接法）图3-2三线制桥式接法电路测温原理：电路采用三端稳压管和电位器RV1调节产生5V的参考电源电压，电阻R1、R2、RV2、Pt100构成测量电桥（其中R1＝R2，RV2为100Ω精密电阻），当Pt100的电阻值随温度的变化而改变和RV2的电阻值不相等时，电桥输出一个微小的压差信号，这个压差信号经过运算放大器LM324放大后输出大小合适的电压信号，该信号可直接连接模数转换器AD的信号输入端。由LM324构成的差动放大电路中R3＝R4、R5＝R6，根据电路知识易知放大倍数为R5/R3，运算放大器采用单双5V供电。在电路中,同幅度地调整R1和R2的电阻值可以改变电桥输出的压差大小，改变R5/R3的比值即可改变电压信号的放大倍数，从而满足模数转换器对输入信号电压的大小的要求。RV2为电位器，调节电位器阻值大小以便准确的设置温度的零点。在这里，Pt100在零点温度的电阻为100Ω，所以电位器的阻值设置为100Ω。这里要注意，电位器的电阻值要在其没有接入电路时调节。电桥的正电源必须接稳定的参考基准电压，这里我们将电源通过稳压管稳压后得到稳定度高的电压，最大程度的提高测量的稳定性。在实际测温中,由于要求的测温精度比较高,采用了16位AD转换器在量化模拟电压值。为了不使测温电路的误差掩盖AD的最小分辨率,对测温电路有两个要求，一是要有高稳定度的基准电压；二是要具有很高的输入阻抗，减少后级电路对测温电路的影响。采用高精度的稳压管做基准电压加上电路桥的平衡作用可以大大的减少电源纹波,提供足够稳定的基准电压；但是在图3-2的电路中,我们可以发现整个测温电路的输入阻抗由电阻R4、R6、R7决定,输入阻抗为有限值,这在一定程度上影响了测温电路的精度。因此对电路做了改进，改进后的电路如图3-3：图3-3三线制电路桥高阻抗电路通过两级运算放大电路隔断桥式电路与输出端的电流联系,相当于使输入阻抗足够大；同时两级运算放大器级联,每一级的放大倍数不需要很大,这保证了运算放大器可以工作在线性区域。当然要想系统更加稳定,运算放大器应该采用双电源供电,同时要尽量保证电源的稳定性，在计算中要按照电阻的实测值进行计算。这种电路虽然理论上具有很高的测量精度，但是由于电阻比较多，计算比较复杂；计算中会有很多取舍，实际的测量精度与理论值存在较大差距。因此,我们最终考虑用集成度比较高的,高精度的仪用放大器代替后面的两级运放。仪用放大器内部的电阻是采用光刻校准的,精度很高，而且采用仪用放大器电路连接比较简单。下图为仪用放大器INA128芯片内部结构图:图3-4仪用放大器INA128内部结构图经过转换放大得到的电压值信号采用Linear公司生产的LTC1864十六位AD转换器进行模数转换，LTC1864为高速串行的AD转换器，转换速度快，精度高，而且使用简单，占用的处理器I/O端口资源少，如图是AD转换器的操作时序和转换关系图：图3-5LTC1864时序图和转换图3.1.2加热器设计与制作由于加热样品尺寸是固定的，为了达到最好的加热效果，以及方便计算加热器的比热容、加热功率等参数配合智能控制算法，我们根据Nicolet6700傅立叶红外光谱仪加热样品的尺寸等特性要求自行设计了加热模块的方案，图3-6使用CAD软件绘制的外观尺寸模型：图3-6加热模块外形尺寸图整个加热器的外形尺寸是直径为8cm，高度为3cm的圆柱，然后中间开孔，孔半径4mm-6mm均可，然后再在圆柱形加热器的半径上开半个圆柱形的槽，槽半径3mm-4mm，以便插入Pt100传感器。我们与生产厂家联系，定制了加热器，根据加热器的材料，外形尺寸等，可以大致估算出加热器的比热容，吸散热功率等，配合以后的智能控制算法。3.1.3加热通道设计在不同的加热温度范围内，加热器的加热与散热的平衡关系不同，温度越高的加热器与周围的环境的热交换越快，即散热量越大，要想在不同的温度差内都能保持很好的平衡关系，就要求加热器的功率可调，因此我们设计了不同的加热通道来实现不同的功率分配。这种功率分配的原理简单，通过串联大功率电阻分压来实现的。在不串联任何电阻的情况下，加热器的功率为270W左右，通过控制继电器可以选择功率二分之一档、四分之一档等。每一个通道的选择通断通过继电器来控制，继电器的驱动电路如图3-7：图3-7继电器驱动电路电阻后面接的是单片机的控制口，当该控制口的输出电平为低电平时，三极管导通，继电器有电流通过，有开关动作；当该控制口的输出电平为高电平是，三极管截止，继电器无开关动作。3.1.4显示电路设计我们采用数码管进行显示，根据现实的温度范围和精度要求需要四位数码管进行显示每一个温度值，动态温度和目标温度两个温度值需要八个数码管。图3-8是数码管的驱动电路：图3-8数码管驱动电路需要说明的是，这里每个温度显示使用了五个数码管，其中有一个是作为以后改进扩展使用的，比如提高精度或者扩大测量范围使用。3.2程序设计及实现我们采用的处理器是STC89C52系列的单片机，在KeilC51环境下使用C语言进行编程，来实现本文构建的模糊自组织智能控制算法。程序的流程图如图3-9：图3-9程序流程图首先对系统进行初始化，包括单片机的上电初始化，计时器的初始化等等，然后提示用户输入温度信息。温度信息输入完毕后，系统开启加热通道开关，同时温度传感器不断的采集温度信息，并与用户的输入信息作比较，调用智能算法，完成加热通道自组织，并将温度每个时刻的温度同步输出到显示界面。温度信息采集的周期很小，保证传感器能跟随温度的变化，对采集的数值进行信息处理，包括信号滤波处理和放大转换处理等，这里采用中值滤波的方法对采集的数据进行滤波，进一步规避了外界干扰信号对采集的温度值的影响，保证采集温度的准确性。转换放大过程中还加入了校正公式，该公式是在实验的基础上总结出来的，通过校正提高了系统的测量精度。整个过程在不停的循环执行温度信息采集、数据信息处理、调用智能算法、温度显示，直到温度满足加热要求输出提示信息，系统维持恒温。3.3硬件3.4本章小结本章详细的介绍了系统的硬件组成及软件设计，硬件上按功能模块介绍了系统的温度采集处理模块，加热器模块，加热通道模块以及显示电路模块，给出了具体的电路以及设计时需要注意的问题；软件上给出了整个程序的控制框图并详细说明了系统的控制流程。

4系统测试和结果分析在整个软硬件系统完成后，我们对系统进行了各项指标的测试，并将实验数据进行了对比分析。4.1系统测温误差分析我们设计了一个简单的温度校正对比装置，通过该装置来检查该系统测量的温度偏差，如图4-1和图4-2：图4-1系统测量值与温度计测量值对比图图4-2系统测量偏差图4-1中，横坐标表示利用温度计进行测量的温度值，纵坐标表示利用该系统测量的温度值，将测量点连接起来构成一条曲线，可以看出他并不是严格的正比例曲线，理想的关系曲线应该为过零点的斜率为1的正比例曲线。图4-2横坐标表示温度计测量的温度，纵坐标表示系统测量的温度偏离的温度计值的大小，单位都是摄氏度。从图可以看出系统的偏差不是恒定的，而是有规律的变化，近似与温度值成正比，这就对其进行进一步的校正提供了依据。需要说明的是，由于实验条件所限，我们设计的测量校正装置可能不够严谨，加上温度计的读数值存在估读的情况，所以我们测得的偏差不是非常的准确，但是这项工作仍然是有意义的。4.2智能控制加温实验结果分析为了验证模糊自组织算法优越的控制性能，我们对试验样品进行了加温控制实验，第一组是没有加入智能算法的单通道固定功率加热，这种情况下当加热温度达到预定温度，系统关闭加热通道，当温度低于预定温度，系统启动加热通道。第二组是加入智能控制算法的模糊自组织加热。两种情况下的加热温度曲线分别如图所示4-3和图4-4所示：图4-3单通道固定功率108℃加热温度变化曲线图4-4智能控制108℃加热温度变化曲线图4-3和图4-4中，横坐标表示加热时间，纵坐标表示温度值。实验中，每隔15秒记录一次温度值，然后将其各点连接做出一条连续的温度变化曲线，如图中的实测温度曲线，图中还标记了预定温度值，如图中的虚线所示。为了方便对比，两次实验设置的预定温度是相同的，同为108℃。对比图4-3和图4-4可以发现，基本的电加热控制系统中，用一个加热电给加热器提供热能，通过温度传感器感知的温度和预设温度比较确定加热电炉工作与否。其缺点是显而易见的，如图4-3所示，加热功率和加热速度不可控制及其导致的最终温度起伏大、温度空控制精度差等，在很多应用中这些会是致命的缺陷。而根据当前温度和目标温度的差距确定加热速度或加热功率，建立其相应的智能模糊自组织控制模式，达到了加热速度可控、加热精度较高的加热控制效果，如图4-4所示，温度最终的起伏明显比图4-3中温度的起伏要小，控制精度有了很大的提高，而其加热的速度仍然很快。为了考察其他加热温度的控制情况，还设计了数据自动记录硬件系统，读取了温度实时变化的数据，并绘出了温度变化的曲线。图4-5所示99.5℃加温曲线，4-6所示99.5℃维持恒温曲线，图4-7中138.7℃加温曲线：图4-5智能控制99.5℃加热温度变化曲线图4-6智能控制99.5℃维持恒温变化曲线图4-7智能控制138.7℃维持恒温变化曲线该实验结果与之前的分析相一致，再次说明该系统对加温控制精度和加热速度两方面进行了优化。由于受条件的限制，硬件上，每一种模式下加热速度只有三级可变，如图2-2所示，如果采用更多级的加热通道，即将功率进行更进一步的划分，可以进一步减小超调，提高控制精度。4.3本章小结本章对所设计的加温控制系统进行了测试验证，给出了系统的测温误差并做了进一步的校正，指出了误差校正所存在的一些局限；同时通过实验验证了模糊自组织智能控制算法在加温控制过程中的可用性和优越性，给出了加入智能控制算法和不加入智能控制算法时加温变化曲线并做了对比分析，最后给出了一些进一步优化的建议。

5总结与展望本文所设计的系统是科学研究中温度敏感关系确定中的加温系统，由于科学研究的严谨性和实验测试时间等条件的限制，显然要求高的温度精度和合理加热速度。系统设计中既考虑了这两方面，还考虑到样品测试时不便封闭的情况，这样系统需要满足热源和外界交流的平衡关系的变化。文中介绍了电磁仿生原理，分析了传统的控制方法如PID控制和模糊控制并指出了其控制过程中的不足和局限性，综合电磁仿生原理和传统控制方法以及实际中控制对象的特点，提出模糊自组织控制模式。该模式针对被控目标和相关因素的物理关系，建立多分支效应电路的电子系统，实现系统运行的模糊控制和结构自组织，在具体电子系统中表现为被控目标和其预定值关系的逻辑关系控制代码，可实现电子系统控制目标过程控制的优化和高精度预期目标的实现。在硬件上，系统中采用Pt100电阻传感器作为系统的温度感知单元，针对该传感器温度阻值关系的非线性，提出了采用分段线性量化的数字矫正方法，再通过桥式电路以及高精度的转换放大电路实现了温度的高精度采集、转换、量化等，保证了系统测量的准确性和精度。为了配合好模糊自组织智能控制算法，设计了多个加热通道，通过植入控制代码实现了多加热通道的结构自组织。根据加热样品的尺寸特性等自行设计了参数可预估的加热器为加热通道的设计以及模糊控制参数的设置提供了依据。在完成整个系统的硬件设计后，植入模糊自组织控制点代码，对系统进行了实验测试并多次进行矫正优化，最终给出了实验结果并进行了数据对比分析，实验数据表明可实现满足系统要求指标的前提下兼顾速度和精度两方面的优化运行，从而验证了该模式的可成功应用。在实验测试通过后，将实验电路板制作成PCB板并自行设计了机箱等最后完成了整机的装配。随着社会的发展，各行各业对温度的控制会提出更高的要求，温度的高精度控制将成为控制科学的一个重要课题。本文研究的系统虽然实现了较高的控制指标，但限于客观限制，智能模式和电路都是相对简单的原理性或演示性工作。比如每一种模式下加热速度只有三级可变，如图2-2所示，如果采用更多级的加热通道，即将功率进行更进一步的划分，可以进一步减小超调，提高控制精度；判断准则方面，三种不同的模糊模式对应的加热通道、设置的抽样参数、温差阈值等都不尽相同，它们都是在估算和实验的基础上初步设置的。所以如果能够开展更多更深入的研究工作，可以预期能够得到更好效果模式和更先进的应用系统设计。

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致谢在即将毕业之际，感谢我的父母，正是他们最伟大最无私的爱养育我成人，感谢我的家人对我的关心和支持。感谢我的指导老师**********教授，本论文是在********老师的悉心指导下完成的。两年来，**老师在学习、生活和工作方面给了我无微不至的关怀。在学术上给了我莫大的启迪和帮助，使我拓展了知识面，更使我在发现问题、分析问题方面的能力都有了明显的提高，这一切都将使我受益终生，在此向***老师表示诚挚的谢意。感谢实验室的师兄们给予的支持和帮助，感谢我的同学*****在毕业设计阶段的交流和讨论。最后，感谢在百忙之中抽出宝贵时间对本论文进行评审的各位专家们，衷心感谢您们对这篇论文提出的宝贵意见。

论文期间相关的科研情况1.科研情况：作为项目负责人和主要完成人完成了国家大学生创新实验计划项目“基于电磁仿生原理的智能加温控制系统”。发表论文情况*********：“基于模糊自组织模式的智能控制加温系统”，已投《计算机与数字工程》。************************：“一种基于电磁仿生原理的智能控制模式”电磁技术专业委员会第八届学术年会（已录用）。目录目录第一章总论 1一、项目概述 1二、可行性研究报告编制依据和范围 2三、项目主要经济技术指标 3四、******国家森林公园概况 3第二章项目背景及必要性 8一、项目背景 8二、项目建设的必要性与可行性 10第三章项目选址分析 13一、项目选址 13二、项目城市概况 13三、经济发展概况 14四、公共设施依托条件及施工条件 17第四章需求分析与建设规模 18一、****国家森林公园现状与存在问题分析 18二、****国家森林公园日容量预测 19三、****国家森林公园景区厕所需求面积分析 20四、****国家森林公园景区厕所建设规模的确定 20第五章项目建设方案 21一、景区厕所工程建设方案 21二、景区引水上山工程建设方案