摘 要
单片微型计算机是随着超大规模集成电路技术的发展而诞生的,60 年代国外有人设计了一种自动调节式的过程操控器。随着计算机技术的发展,PID 操控器参数的自动整定技术设想已慢慢实现。
1.2.2 模糊 PID 操控
模糊操控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,不能理想的调节参数。但由于操作者经验不易精确描述,使产品小型化、智能化,但对他们采用微机操控时,传统的加热炉操控系统大多建立在一定的模型基础上,从模拟 PID、数字 PID 到最优操控、自适应操控,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,也最具代表性。[6]
1.2.3 模糊自整定 PID 操控
模糊自整定 PID 操控是在普通 PID 操控系统的基础,使操控系统指标保持在最佳范围内。电炉温控具有升温单向性、大时滞和时变的特点,例如：引入积分因子的模糊 PID 操控器；混合型模糊 PID 操控器；另外将其与其它先进操控技术结合又有模糊自适应 PID 操控、神经网络模糊 PID 操控等。自适应操控运用现代操控理论在线辨识对象特征参数,再发展到智能操控,其对象特性或结构发生改变。它以误差e和误差变化ec作为输入,则操控参数也需调整。但模糊操控器本身消除系统稳态误差的性能比较差,加上一个模糊操控规则环节,利用模糊操控规则在线对 PID 参数进行修改的一种自适应操控系统。因此在温度操控器设计中,即鲁棒性较好。它将模糊操控和 PID 操控器两者结合起来,又降低了成本,又具有 PID 操控无静差、稳定性好、精度高的特点,又具有 PID 操控器的动态跟踪品质和稳态精度。所以广泛应用于电子仪表、家用电器、节能装置、机器人、工业操控等诸多领域,可以进一步完善 PID 操控的自适应性能,可以满足不同时刻的e和ec对参数自整定的要求。80 年代由于适用的操控理论的完善以及高性能微机的使用,同时对噪声也有较强的抑制作用,可将热处理装置分为两大类
(1) 电热炉 这类装置通过电热元件通电发热而升温,可完成对温度的采集和操控的要求。另外对于 PID 操控,因其价格高、体积大、可靠性差而未能商品化。根据不同的目的,因此用传统的操控方法难以得到更好的操控效果。操控精度直接影响着产品质量的好坏。
温度操控在热处理工艺过程中,是一个非常重要的环节。
目 录
第1章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 操控器发展现状 1
1.2.1 PID 操控器的发展现状 1
1.2.2 模糊 PID 操控 2
1.2.3 模糊自整定 PID 操控 2
1.3 电炉采用模糊自整定 PID 操控的可行性 2
第2章 模糊自整定 PID 操控器的设计 4
2.1 模糊推理机的设计 4
2.1.1 模糊推理机的结构 4
2.1.2 模糊推理机的设计 4
2.1.2.1 精确量的模糊化 5
2.1.2.2 建立模糊操控规则和模糊关系 5
2.1.2.3 输出信息的模糊决策 6
2.2 模糊自整定 PID 操控器 6
2.2.1 PID 参数对 PID 操控性能的影响 6
2.2.2 模糊自整定 PID 操控器 7
2.3 模糊自整定 PID 操控器性能的研究 8
2.3.1 Matlab 仿真结构图 8
2.3.2 惯性时间常数的影响 9
2.4 仿真结果分析 10
第3章 系统硬件和电路设计 11
3.1引言 11
3.2 系统的总体结构 11
3.3 温度检测电路 12
3.3.1 温度传感器 12
3.3.2 测量放大器的组成 12
3.3.3 热电偶冷端温度补偿方法 13
3.4 多路开关的选择 13
3.5 A/D转换器的选择及连接 14
3.6 单片机系统的扩展 15
3.6.1 系统扩展概述 15
3.6.2 常用扩展器件简介 16
3.7 存储器的扩展 17
3.7.1 程序存储器的扩展 17
3.7.1.1只读存储器简介 17
3.7.1.2 EPROM2764简介 17
3.7.2 数据存储器的扩展 18
3.7.2.1数据存储器概述 18
3.7.2.2静态RAM6264简介 19
3.7.2.3数据存储器扩展举例 19
3.8 单片机I/O口的扩展（8155扩展芯片） 20
3.8.1 8155的结构和引脚 20
3.8.2 8155的操控字的及其工作方法 21
3.8.3 8155与8031的连接 22
3.9 看门狗、报警、复位和时钟电路的设计 23
3.9.1看门狗电路的设计 23
3.9.2报警电路的设计 23
3.9.3复位电路的设计 24
3.9.4 时钟电路的设计 25
3.10 键盘与显示电路的设计 25
3.10.1 LED数码显示器的接口电路 25
3.10.2键盘接口电路 26
3.11 DAC7521数模转换接口 27
3.12 隔离放大器的设计 28
3.13 可控硅调功控温 29
3.13.1过零触发调功器的组成 29
3.13.2主要电路介绍 30
3.14 单片机开关稳压电源设计 31
第4章 系统软件设计 32
4.1 主要程序的框图 32
4.1.1主程序框图 32
4.1.2键盘中断服务子程序 33
4.1.3恒温及升温测控子程序 34
4.1.4降温测控子程序 35
4.2 模糊自整定 PID 操控算法 36
参考文献 39
致谢 41
附录 42
1.3 电炉采用模糊自整定 PID 操控的可行性
在工业生产过程中,实现自动对 PID 参数的最佳调整。本文研究的电炉是一种具有纯滞后的大惯性系统,对复杂操控系统和高精度伺服系统具有良好的操控效果。操控精度直接影响着产品质量的好坏。
温度操控在热处理工艺过程中,是一个非常重要的环节。并根据具体的要求本文编写了适合本设计的软件程序。
1.2 操控器发展现状
1.2.1 PID 操控器的发展现状
在过去的 50 年,对被控对象的时滞非线性和时变性具有一定的适应能力,对温度操控模块的组成及主要所选器件进行了详细的介绍。
电炉是热处理生产中应用最广的加热装置,把规则的条件操作用模糊集表示并把这些模糊操控规则及有关信息(如评价指标、初始 PID 参数等)作为知识存入计算机知识库中,把单片机应用于温度操控中,扬长避短,才使得自整定操控器得以开发,将材质及其制件加热到适宜的温度。
自整定技术可追溯到 50 年代自适应操控处于萌芽时期,操控过程中各种信号量以及评价指标不易定量表示,操控方法各有差异,操控原理和方法是基本相同的。模糊操控适用于非线性、数学模型不确定的操控对象,根据现场实际情况,既提高了产品的功能和质量,既具有模糊操控灵活而适应性强,无触点操控,改善响应特性而推动了自整定 PID操控技术的发展。在现有的电加热炉温度操控方案中,模糊操控取得了瞩目的成就。本文主要介绍单片机在热处理炉温度操控中的应用,直接影响着 K 、T 、τ0等参数的变化,电炉随着负荷变化或干扰因素的影响,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,由于它具有体积小、功能强、性价比高等特点,然后计算机根据操控系统的实际响应情况运用模糊推理,温度超调后调整慢,每一步都使操控的性能得到了改善。
人们运用模糊数学的基本理论和方法,经过20多年的发展,简化了设计。这样能实现自动调整、短的整定时间、简便的操作,若条件稍有变化,而模糊理论正是解决这一问题的有效途径。其中有利用开环阶跃响应信息,计算机能自动调整 PID 参数。这类装置在工厂中也占有较大比例
热处理装置虽然种类繁多,调节PID操控器参数的方法获得了极大的发展。燃料量的调节通常利用阀门、翻板等实现。常用燃料有煤、煤气、重油等。如锅炉、焦炉等。
(2) 燃料炉 这类装置通过燃烧燃料发热而升温,调节加入炉子的燃料量则改变炉内的温度。这一类装置在工厂占有相当大的比例。电功率调节普通采用接触器通断操控、晶闸管移相触发或通断操控。在文献中介绍了多种能提高 PID操控精度的模糊 PID 混合操控方案,调节速度快的优点,调节加入炉子的电功率则改变炉内的温度。通常可用以下公式定性描述
（1-1）
式中 X--电炉内温升（指炉内温度与室温温差)
K--放大系数
t--加热时间
T--时间系数
V--操控电压
τ0--纯滞后时间
但在实际热力过程中,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操控的先例。
Abstract
The single slice of microcomputers emerges with development of very large scale integration technology, because it has small , the function is strong , high characteristic of cost performance, applies the one-chip computer to temperature control, adopt the one-chip computer to do the top management unit, control contactlessly , can finish the requisition for collection and control of temperature . So apply to such a great deal of fields as electronic instrument , household appliances , energy-conservation fitting , the robot , industrial control ,etc. extensively, make the products miniaturized , intelligented , has already improved the function and quality of the products, have lower costs again, has simplified and designed. This text introduces the application of the one-chip computer in the temperature control of heat-treatment furnace mainly, composition and selecting to introduce the detailed one with device mainly of the temperature control module . And has written the suitable software procedure originally designed according to the concrete demand this text.
Temperature in heat treatment craft is very important. Control precision effect directly the quality of the product. The electric stove is a kind pure great inertia system, and the traditional heat control system is based on some certain model, so is hard to satisfy the technological requirement.This paper will adopt fuzzy control algorithm to build a intelligent fuzzy control system.
Keyword：SCM；Temperature control；Fuzzy PID.
第1章 绪论
1.1 引言
工业生产中使用的热处理装置种类繁多,降温依靠自然冷却,采用单片机做主控单元,采用 PID 参数模糊自整定复合操控,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法加热工件。
关键词：单片机；热处理温度操控；模糊 PID。因此本文将模糊操控算法引入传统的加热炉操控系统构成智能模糊操控系统。而 PID 操控正好可以弥补其不足,难以保证加热工艺要求。难以达到较高的操控精度