1、CHANGZHOU INSTITUTE OF TECHNOLOGY毕 业 设 计 说 明 书题目： 基于 PID 控制算法的温度控制器的研究 二级学院（直属学部）： 延陵学院 专业： 自动化 班级： 07 自 Y 学生姓名： 孙菲 学号： 07121219 指导教师姓名： 张燕红 职称： 讲师 评阅教师姓名： 职称： 2011 年 6 月KC021-1常州工学院毕业设计论文I摘 要电加热炉是工业过程中、实验室里应用非常广泛的加热设备，对它的温度进行控制是典型的过程控制。电加热炉具有非线性、时变性、滞后性、不对称性，常规PID控制只有在参数整定准确的且系统不发生剧烈变化的情况下，才能够达到较高的
2、控制精度。然而这两点对一般的电加热炉温度控制系统来说都难以满足，所以本文提出了基于综合策略的智能PID控制算法用于实现对电加热炉的精确控温。首先采用基于开环控制的递推最小二乘法或者基于闭环响应性能指标的估计法对电加热炉温控系统的一阶惯性加滞后模型参数进行估计，然后由此粗略模型按照基于时域的PID参数整定规则求得控制器设计参数的初始值。接着，运用单神经元控制等先进控制理论在线实时改变PID控制策略，以适应过程的需要，克服系统时变性带来的影响，保证系统在不同温度区域有相同的控制效果，神经元PID控制通过在线学习调整连接权系数达到修正PID参数的目的。另外算法还采用了预测PID控制克服了常规PID只
3、能根据当前误差量进行控制的缺点，通过在控制器上增加一个预报项，消除纯时滞对系统的影响。上述基于综合策略的电加热炉温度控制方法，既发挥了智能控制的鲁棒性好、动态响应快速、超调量小的特点，又具有PID控制器的动态跟踪品质和稳态精度，还实现了PID参数自整定和自调整的功能。关键词： PID参数整定；单神经元PID控制；温度控制系统。常州工学院毕业设计论文IIAbstractElectric furnace is a heating equipment which is widely used in industrial process or laboratory, and its temperatu
4、re control is a typical process control. Electric furnace has advantages with a non-linear, time- varying, lag, and asymmetry, conventional PID control is able to achieve high control accuracy only in the tuning accuracy and system does not change dramatically. However, the two sides for the average
5、 electric furnace temperature control systems are difficult to meet, so the integrated strategy is proposed based on intelligent PID control algorithm used to achieve precise temperature control on electric heater.First of all, plus first-order inertial lag model of electric furnace temperature cont
6、rol system to estimate the parameters is introduced by recursive least squares method based on open-loop control or the estimation performance based on the closed-loop response, Then in accordance with the PID parameters based on time domain tuning rules, the rough model of the design parameters obt
7、ained by the initial value of controller. Then, on real-time line using the advanced control theory such as single neuron to change the PID control strategy to suit the needs of the process and to overcome the impact of time-varying systems so that ensure that the system in different temperature reg
8、ions have the same control effect, neuron PID control through Connection weights of online learning to adjust PID parameters to achieve the purpose of correction. In addition, the algorithm used to predict the PID control can overcome the conventional PID control based on the amount of the current s
9、hortcomings of the error, and it can also eliminate the effects of pure delay on the system by adding a forecast item on the controller.The electric furnace temperature control methods based on the comprehensive strategy, not only played an intelligent control robustness, fast dynamic response, and
10、small overshoot characteristics, but also has the dynamic tracking quality and steady precision of a PID controller, and achieve the PID parameter self-tuning and self-adjustment function .Key words: PID parameter tuning；ingle neuron PID control； temperature control system. 常州工学院毕业设计论文III目 录摘要Abstra
11、ct. .第一章 绪论 .11.1 课题研究背景 11.2 课题国内外发展概况 .21.2.1PID 控制的发展 21.2.2 智能控制系统发展概况 .31.2.3 电加热炉温度控制的概况 .41.3 课题研究的内容和意义 51.3.1 课题研究的内容 .51.3.2 课题研究的意义 .51.3.3 课题研究的趋势 .6第二章 炉温控制系统硬件构成 .72.1 电加热炉控制系统 .72.2 总体设计 72.3 NMC- 20XX 核心模块 92.4 网卡主芯片为 RTL8019AS.112.5 A/D、D/A 转换 .122.5.1 DAC0832 简介 122.5.2 ADC0809 简介
12、.142.6 数字显示部分 162.7 键盘输入部分 162.8 热电偶 16本章小结 17第三章 炉温控制系统软件构成 183.1 PID 控制及其改进算法 193.2 单神经元 PID 控制的方法 203.3 单神经元 PID 控制的仿真 .22本章小结 23第四章 基于辨识的 PID 参数整定 244.1 电加热炉系统模型的建立 244.2 系统辨识的方法 254.3 PID 初始参数的整定 264.4 基于时域的 PID 参数整定 .274.5 PID 参数整定方法的仿真 28本章小结 29第五章 系统控制仿真 305.1 控制方案设计 .305.2 温度控制程序设计流程 315.4
13、系统控制仿真和结果分析 .34本章小结 37结论 .38常州工学院毕业设计论文IV致谢 .39参考文献 .40附 录 .42常州工学院毕业设计论文1第一章 绪论电加热炉是工业过程和实验室里广泛使用的加热设备。布置在炉内的加热元件将电能转化为热能，通过辐射或对流的方式将热能传递给加热对象，从而改变对象的温度。通常的工业过程都对炉温的控制提出了一定的要求，这就需要对电加热炉的温度进行控制，调节它的通电时间或通电强度来改变它输出的热能。传统的控制方法有两种：第一种就是手动调压法，即是依靠人的经验直接改变电加热炉的输入电压，其控温效果依赖于人为的调节，控制精度不高，且浪费人力资源。第二种控制方法在主回
14、路中采取可控硅装置，并结合一些简单的仪表，保温阶段自动调节，升温过程仍依赖于试验者的调节，它属于半自动控制。随着微型计算机、可编程逻辑控制器（PLC）的出现和迅速更新换代，智能温度控制仪表、工业控制计算机在电加热炉温度控制领域日益得到广泛地应用。借助计算机强大的数据处理和运算能力，引入反馈的思想，运用现代控制理论，实现对炉温的全自动化控制。1.1 课题研究背景自动化仪表的发展按时间大致可以划分为以下三个：第一代：以指针显示为主的自动化仪表。第二代：数字显示式仪表，它将模拟量转化为数字量进行测量和显示。第三代：智能仪表。目前，国内外的温度控制仪表大致可分为模拟型和数字型两大类。一是模拟型仪表（如
15、 DWK-III 型温度控制仪表） ，虽然可进行连续调节、灵敏度高，但是制造工作量大，调试和维修不便，故障率较高，温度的再现性差，显示不直观，参数整定不便，无自检和信息数据保存功能，整个升温过程需要人工干预，自动化程度低。二是数字型智能仪表，包括能够进行程序控温的智能多段温度控制仪，能够实现数字 PID 和各种复杂控制规律的智能温度调节器等，它们具有功能齐全、显示直观、调试维修方便、体积小、测温控温精度高、工作可靠、使用方便等优点，但多数是进口产品，价格昂贵，且兼容性不好。随着科学技术的发展，单片机技术日趋成熟，中大规模集成电路的运用推广，控制理论的发展和完善，研制智能温度控制仪表的门槛逐渐降
16、低。为了使科学技术适应市场经济，研制的产品应具有较强的实用性及较高的性能价格比常州工学院毕业设计论文2和市场占有率。从市场和企业的角度来看，兼有硬件简单、适应能力强、且价格较低的新型温度控制仪表，是适合我国国情的温度控制仪表。现行的用于电加热炉的控温仪表主要有交流接触式的位式控温仪表(如 XCT、XMT、DWG 等系列)，移相或过零触发的晶闸管调压(功)式的温控系统，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、OMEON、HONNYWELL 的温度控制器)，以及美国 FOXBORO 公司生产的数
17、字化自整定调节器。带自整定功能的温控仪采用了专家系统技术，能够像有经验的控制工程师那样，根据现场参数迅速地整定调节器，适合于对象变化频繁或非线性的控制系统，它也是未来智能温度控制仪表发展的方向。智能温度控制仪表所要完成的功能是通过功率元器件来控制加热强度和时间，使对象的温度达到设定值。其基本设计思想为通过传感器测量出被控对象温度，将它与设定值做比较，通过一些控制算法，输出控制量控制执行机构来调节温度。它硬件电路主要分为采样部分、控制部分、按键与显示部分，其核心是微处理器；软件则实现温度数据处理、程序控制、人机界面显示以及与上级控制计算机或其它智能仪表进行通信等功能。1.2 课题国内外发展概况1
18、.2.1PID 控制的发展PID控制是最早发展起来的控制策略之一，由于其结构简单、物理意义明确、鲁棒性好、稳定性高、运用经验成熟等而广泛地应用于各种工业过程控制之中，尤其应用在各种控制系统的最底层。PID控制的发展经历了三个阶段：第一阶段（二十世纪二十年代以前）机器工业的发展，对控制提出了要求。反馈的方法首先被提出，在研究气动和电动记录仪的基础上发现了比例和积分的作用。它们主要的调节对象是火炉的温度蒸汽机的阀门位置等，调节方式类似于继电器控制，精度比较低，控制器的形式是比例（P）或比例与积分（PI） 。第二阶段（二十世纪二十年代至四十年代）1935年，泰勒仪器公司的Ralph发现了微分的作用，
19、微分作用的发现具有重要的意义，它能直观地实现对慢系统的控制，对该系统的动态性能能够进行调节，与先期提出的比例和积分作用成为三个主要的调节部件，一直沿用至今。常州工学院毕业设计论文3在1942年和1943年，泰勒仪器公司的Zigeler和Nichols等人，分别在开环和闭环的情况下，用实验的方法分别研究了比例、积分和微分这三部分在控制中的作用，首先提出了PID控制器的参数整定的问题。随后有许多公司和专家，象福克斯波罗公司、利诺公司、横河公司、Bristol、Tw.Kraus、J.T.Myron、A.carmon、 K.j.Astrom、T.Hagglund、Nishkawa 和Sannomiya
20、等人，投入到这方面的研究之中，经过多年的研究，在参数整定方面取得了很多成果，诸如自校正PID、预估PID等控制器。这些PID控制器适用范围广，能处理一定的非线性和纯滞后问题。第三阶段（二十世纪五十年代以后至今）计算机技术和智能控制理论的发展为复杂动态不确定系统的控制提供了新的途径，采用智能控制技术，可设计智能PID控制器和进行智能整定PID参数，如专家控制系统、模糊PID、神经网络PID、遗传算法PID等智能控制。1.2.2 智能控制系统发展概况随着信息技术的发展，许多新方法和技术进入工程化、产品化阶段，这对自动控制技术提出犷新的挑战，促进了智能理论在控制技术中的应用，以解决用传统的方法难以解
21、决的复杂系统的控制问题。 智能控制技术的主要方法有模糊控制、基于知识的专家控制、神经网络控制和集成智能控制等,以及常用优化算法有:遗传算法、蚁群算法、免疫算法等。模糊控制以模糊集合、模糊语言变量、模糊推理为其理论基础,以先验知识和专家经验作为控制规则。其基本思想是用机器模拟人对系统的控制,就是在被控对象的模糊模型的基础上运用模糊控制器近似推理等手段,实现系统控制。在实现模糊控制时主要考虑模糊变量的隶属度函数的确定,以及控制规则的制定二者缺一不可。 专家控制是将专家系统的理论技术与控制理论技术相结合,仿效专家的经验,实现对系统控制的一种智能控制。主体由知识库和推理机构组成,通过对知识的获取与组织
22、,按某种策略适时选用恰当的规则进行推理,以实现对控制对象的控制。专家控制可以灵活地选取控制率,灵活性高；可通过调整控制器的参数,适应对象特性及环境的变化,适应性好；通过专家规则,系统可以在非线性、大偏差的情况下可靠地工作,鲁棒性强。 神经网络模拟人脑神经元的活动,利用神经元之间的联结与权值的分布来表常州工学院毕业设计论文4示特定的信息,通过不断修正连接的权值进行自我学习,以逼近理论为依据进行神经网络建模,并以直接自校正控制、间接自校正控制、神经网络预测控制等方式实现智能控制。 (1)遗传算法学习控制 智能控制是通过计算机实现对系统的控制,因此控制技术离不开优化技术。快速、高效、全局化的优化算法
23、是实现智能控制的重要手段。遗传算法是模拟自然选择和遗传机制的一种搜索和优化算法,它模拟生物界/生存竞争,优胜劣汰,适者生存的机制,利用复制、交叉、变异等遗传操作来完成寻优。遗传算法作为优化搜索算法,一方面希望在宽广的空间内进行搜索,从而提高求得最优解的概率;另一方面又希望向着解的方向尽快缩小搜索范围,从而提高搜索效率。如何同时提高搜索最优解的概率和效率,是遗传算法的一个主要研究方向 。 (2)迭代学习控制 迭代学习控制模仿人类学习的方法、即通过多次的训练,从经验中学会某种技能,来达到有效控制的目的。迭代学习控制能够通过一系列迭代过程实现对二阶非线性动力学系统的跟踪控制。整个控制结构由线性反馈控
24、制器和前馈学习补偿控制器组成,其中线性反馈控制器保证了非线性系统的稳定运行、前馈补偿控制器保证了系统的跟踪控制精度。它在执行重复运动的非线性机器人系统的控制中是相当成功的。1.2.3 电加热炉温度控制的概况电加热炉是温度控制是典型的过程控制。由于传热问题的复杂性，电加热炉具有非线性、时变性、大滞后、不对称等特点。它的滞后主要是容积滞后，炉体的结构、容量、测温元件及其安装的位置都影响着滞后的大小；而在使用过程中，随着温度的升降，加热元件的特性发生变化，保温绝热材料会逐渐老化，环境也在不断变化，因而炉温特性是时变的；又因为绝大多数电加热炉都是在温度上升时强迫加热，而温度下降时则自然冷却，所以其温度
25、特性是不对称的；另外由于炉温取决于加热元件的发热量、散热量和负荷的情况，发热时间总比传热时间短得多，所以炉温动态特性主要由传热过程决定，传导、对流、辐射三种的传热方式都在起作用，只是在不同温区所占比例不同，三者中只有传导是线性的，辐射是绝对温度的四次方，对流则更加复杂，故电加热炉是一个本质非线性的系统。签于电加热炉炉温特性的复杂性和工业上的要求，对它的控制有一定的难度也很有必要。多年来，人们将各种新的控制方法和新的技术手段应用于电加热炉常州工学院毕业设计论文5温度的控制中，获得了许多经验，也取得了一定的成果。随着计算机技术、控制理论的发展，电加热炉参数的测量和温度的控制已进入了微机化、智能化的
26、阶段。除了在硬件上进行改进外，先进控制理论的应用是当前电加热炉温度控制最大的亮点。PID 控制因其结构简单、适应性好，在控温中应用较多，但因为它是基于反馈控制，对于大滞后的炉温过程，需要很长的稳定时间，另一方面传统的 PID 控制是基于对象的数学模型，当炉温特性发生变化或出现不确定扰动时，固定参数的 PID 控制的控制效果就变得比较差。所以要想得到更好的控温效果，就需要采用自适应、自整定的 PID 控制。另外一些基于非参数模型的智能控制方法也跟 PID 控制结合，不同程度地克服电加热炉的恶劣特性，比如模糊 PID控制能减小非线性对系统的影响；神经元网络能根据输入输出调整 PID 参数，克服炉温
27、特性的时变性；仿人智能 PID 控制模仿人的控制经验，具有一定的预报作用，从而减小时滞的影响。另外针对时滞系统的 Smith 预估控制和预测控制也被用于炉温控制。其中预测控制是基于模型、滚动实施并结合反馈校正的优化控制算法，它对模型精度要求不高，适应于时滞对象或非最小相位系统，相对传统的最优控制和自适应控制更适合复杂工业过程控制。而将预测控制与PID 有机结合起来则兼有两种算法的有点，在炉温控制上有很好的前景。近些年，由于非线性理论的进步，而电加热炉正好又是一个非线性的系统，所以有研究人员在电加热炉非线性模型辨识、非线性控制方面作了不少工作，经过他们验证，对电加热炉这类非线性多变量耦合的系统，
28、采用非线性控制方法有很好的效果。但其算法计算量太大，而工业过程要求控制快速，这使得它们的应用受到限制。1.3 课题研究的内容和意义1.3.1 课题研究的内容本课题采用理论研究、仿真研究、实时控制试验相结合的方法，设计出针对电加热炉温度控制系统的智能PID控制算法，能够满足电加热炉温度控制的要求，并能在智能温度控制仪表中得以实现。要使算法具有通用性、智能性，需要对所要控制的对象进行自动辨识以获取设计控制器的先验知识；采用PID控制，要想获得较好的控制效果，必须对整定出合适控制器参数；且因为温控系统的时变性、大滞后性，固定参数的PID控制器难以保证系统在不同温度区域有相同的控制效果，所以需要对控制
29、参数进行在线调整；另外炉温控制系统以及算法常州工学院毕业设计论文6的实现还涉及了一些软硬件，要形成最后的产品还需要对这些软硬件有所了解。围绕以上的问题，本课题主要研究了系统辨识、PID参数整定、PID及其改进型控制器的设计、温度控制系统软硬件等几方面的问题。1.3.2 课题研究的意义PID控制器自整定技术是近2O年来受到工业控制界和学术理论界广泛关注并取得显著成果的先进控制策略，并早在8O年代中期就开发研制了相应的自整定控制器。近年来，国际自动控制领域对PID控制器参扰、提高鲁棒性、加快算法的收敛速度等方向发展。研究新一代控制器的另一个方向,是现代PID控制器。相对于传统PID控制器而言,现代
30、PID控制器是将自适应控制、最优控制、预测控制、鲁棒控制、智能控制等控制策略引入到PID控制中的一种新型PID控制器。特别是智能型PID控制器,近几年引起了极大的研究兴趣。智能控制的发展状况将在下节中详细介绍。人们把专家系统、模糊控制、神经网络等理论,整合到PID控制器中,这样,既保持了PID控制器的结构简单、适用性强和整定方便等优点,又通过智能技术在线调整PID控制器的参数,以适应被控对象特性的变化。1.3.3 课题研究的趋势从目前PID参数整定方法的研究和应用现状来看，以下几个方面将是今后一段时间内研究和实践的重点：对于单入单出被控对象，需要研究针对不稳定对象或被控过程存在较大干扰情况下的
31、PID 参数整定方法，使其在初始化、抗干扰和鲁棒性能方面进一步增强，使用最少量的过程信息及较简单的操作就能较好地完成整定。对于多入多出被控对象，需要研究针对具有显著耦合的多变量过程的多变量PID参数整定方法，进一步完善分散继电反馈方法，尽可能减少所需先验信息量，使其易于在线整定。智能PID控制技术有待进一步研究，将自适应、自整定和增益计划设定有机结合，使其具有自动诊断功能；结合专家经验知识、直觉推理逻辑等专家系统思想和方法对原有PID控制器设计思想及整定方法进行改进；将预测控制、模糊控制和PID 控制相结合，进一步提高控制系统性能，都是智能PID 控制发展的极有前途的方向。常州工学院毕业设计论
32、文7第二章 炉温控制系统硬件构成为了设计通用的电加热炉温度控制算法，本课题中的研究对象是封闭式加热炉温度控制系统，测温对象是炉内空气，系统中控制器是由数字显示控制仪SWPC80 和微机构成的两级计算机， SWPC80 作为下位机，完成温度检测模拟输入、固态继电器数字触发输出、数码显示、数据通信等任务，而微机作为上位机，负责控制算法的实现、数字的运算处理、图形界面的显示等。2.1 电加热炉控制系统电加热炉G1(s)温度控制系统简化模型框图如图2-1所示。图 2-1 封闭式加热炉温度控制系统2.2 总体设计本文选用电加热炉为被控对象。电加热炉是典型的工业过程控制对象,被广泛应用于冶金、化工、机械、
33、食品等行业的工业生产和实验。控制方法的优劣，运行效果的好坏，直接影响到产品的质量、能源的消耗、设备的生产效率。搭常州工学院毕业设计论文8建温度控制系统,其总体框图如2-2所示，其原理图如2-3所示。图2-2 温度控制系统总体框图图2-3 温度控制系统原理图电加热炉温度控制系统按照信号的流动，其工作原理大致是：首先将热电偶传来的带有温度信号的毫伏级电压滤波、放大，送至A/D 转换器，这样通过采样和A/D 转换，就将所检测的炉温对应的电压信号转换成数字量送入了控制装置（如微机、智能仪表的处理器等） ；在控制装置内计算出该电压信号对应的常州工学院毕业设计论文9温度值，然后将它与给定的温度值进行比较，
34、并按一定的控制算法进行运算；运算结果通过控制晶闸管在控制周期内的触发角，也就是控制电加热炉的平均功率的大小来达到温度控制的目的。设计温度控制算法时还需要将上述的原理图简化成模型图（如下图）以便于系统进行分析。模型中的控制器就是广义的加载到计算机或微处理器上的控制算法，晶闸管模块、电加热炉、加热对象一起归为控制对象，而A/D转换器、热电偶则构成反馈回路。控制器给定的温度作为系统输入信号r，传感器检测到的温度作为输出信号y，误差e、控制信号u 均在控制装置里通过计算得到，最后经过一系列转换实现对热工对象温度的控制，这就形成了一个典型的反馈控制系统如图2-4所示。图2-4系统简化模型图2.3 NMC
35、- 20XX 核心模块NMC-20XX 核心模块是为了用于工业测控包括以太网测控功能而设计的,模块中包含有功能非常强的C8051F020单片机,片外扩展的1MBitSRAM、IS62LV1024;片外以串行方式扩展的4MBit Flash存储器AT45DB081, 该模块用4 层PCB板设计面积仅为42.5mm53.8mm,模块上设计有连接F020单片机的JTAG 调试接口,有用于扩展和应用连接的240P双排针,该双排针可与不同用户设计的应用系统连接。如在该系统上将和系统统实验板连接。核心模块的组成框图如图2-5所示。常州工学院毕业设计论文10图2-5 核心模块组成框图单片机选用 Atmel
36、公司的单片机芯片 C8051F020,完全可以满足本系统中要求的采集、控制和数据处理的需要。单片机的选择在整个系统设计中至关重要，该单片机与 MCS-51 系列单片机高度兼容、低功耗、可以在接近零频率下工作等诸多优点，而广泛应用于各类计算机系统、工业控制、消费类产品中。C8051F020 是单片机中的一种精简产品。该型号单片机包括: 一个 8 位的微处理器(CPU)。片内有 2K 字节的程序存储器(ROM)和 128/256 字节 RAM。15 条可编程双向 I/O 口线。两个 16 位定时器/计数器都可以设置成计数方式，用以对外部事件进行计数，也可设置成定时方式，并可以根据计数或定时的结果实
37、现计算机控制。五个中断源的中断控制系统。一个全双工 UATR(通用异步接收发送器)的串行 I/0 口，用于实现单片机之间或单片机与微机之间的串行通信。片内含模拟比较器。低功耗的闲置和掉电模式。常州工学院毕业设计论文112.4 网卡主芯片为 RTL8019AS以太网控制器RTL8019AS本文所用的网卡主芯片为RTL8019AS。由于其优良的性能、低廉的价格,使其在市场上10Mbps网卡中占有相当的RTL8019AS内部可分为远程DMA接口、本地DMA接口、MAC(介质访问控制)逻辑、数据编码解码逻辑和其他端口。内部结构如图2-6所示。图2-6 RTL8019AS内部结构图图2-6是RTL801
38、9AS内部结构,远程DMA接口是指单片机对RTL8019AS内RAM进行读写的总线,即ISA总线的接口部分。单片机收发数据只需对远程DMA操作。本地DMA接口是RTL8019AS与网线的连接通道,完成控制器与网线的数据交换。MAC(介质访问控制)逻辑完成以下功能:当单片机向上发送数据时,先将一帧数据通过远程DMA通道送到RTL8019AS中的发送缓冲区,然后发出传送命令;当RTL8019AS完成了上帧的发送后,再开始此帧的发送。RTL8019AS接收到的数据通过MAC比较、CRC校验后,由FIFO存到接收缓冲区;收满一帧后,以中断或寄存器标志的方式通知主处理器。FIFO逻辑对收发数据作16字节
39、的缓冲,以减少对本地DMA的请求。常州工学院毕业设计论文122.5 A/D、D/A 转换数模转换器（ D/A 转换器，简称 DAC）是用来将数字量转换成模拟量；模数转换器（ A/D 转换器、简称 ADC）是将模拟量转换成数字量。目前 A/D、 D/A转换器较多，本课题选用大规律集成电路， DAC0832、 ADC0809 来分别实现 D/A转换和 A/D 转换。2.5.1 DAC0832 简介DAC0832 是一个 8 位的 D/A 转换器，其内部框图如图 2-6 所示。它由 8 位输入寄存器，8 位 DAC 寄存器，8 位 D/A 转换器及逻辑控制单元等功能电路构成。图 2-7 DAC083
40、2 内部框图D D ：数字信号输入端；ILE：输入寄存器允许，高电平有效；CS：片选信号，低电平有效；1WR：写信号 1，低电平有效；2：写信号 2，低电平有效；FERX：传送控制信号，低电平有效；IOUT1， IOUT2： DAC 电流输出端；常州工学院毕业设计论文13FBR：反馈电阻，是集成在片内的外接运放的反馈电阻；EV：基准电压（-10+10） V；VCC：电源电压（+5+15） V；AGND 是模拟地， DGND 是数字地，两者可接在一起使用； DAC0832 输出的是电流，要转换成电压，还必须外接运算放大器。DAC0832 引脚图如图 2-8 所示，D/A 转换电路如图 2-9 所
41、示。图 2-8 DAC0832 引脚图图 2-9 DAC0832 电路常州工学院毕业设计论文142.5.2 ADC0809 简介ADC0809 是采用 CMOS 工艺制成的 8 位 8 通道逐次渐近型 A/D 转换器。其原理图如图 2-10 所示。图 2-10 ADC0809 原理图IN IN7：8 路模拟信号输入端A2、 A1、 A0：地址输入端ALE：地址锁存允许输入信号START：启动信号输入端EOC：转换结束标志，高电平有效OE：输入允许信号，高电平有效Clock(cp)：时钟，外接时钟频率一般为 640KHzVCC：+5 V 单电源供电常州工学院毕业设计论文15VREF（+） 、 V
42、REF（） ：基准电压，通常 REF（+） 接 15V、 VREF（） 接 0VD0D7：数字信号输出端地址线 A0、 A1、 A2，分别对应 23条输入线即对应 IN0IN7ADC0809 引脚图如图 2-11 所示， A/D 转换原理如图 2-12 所示。图 2-11 ADC0809 引脚图图 2-12 A/D 转换原理图常州工学院毕业设计论文162.6 数字显示部分本课题采用 T6861 型号动态显示方式。当多位 LED 显示时，通常将所有位的段选线相应的并联在一起，由一个 8 位 I/O 口控制，形成段选线的多路复用。而各位的共阳极或共阳极分别有相应的 I/O 口线控制，实现各位的分时
43、选通。其中段选线再用一个 8 位 I/O 口，而位选线占用 N（N 位 LED 的个数）个 I/O 口，由于各位的段选线并联，段码的输出对各位来说都是相同的，因此，同一时刻，如果各位选线都处于选通的话，那 LED 显示器将显示相同的字符。若要各位LED 能显示相应的字符，就必须采用扫描的方式，即在某一时刻，只让某一位的为选线处于选通状态，而其他各位的位选线处于关闭的状态，同时，段选线上输出相应位要显示字符的段码。2.7 键盘输入部分采用 HD7279(4x4 矩阵键盘)输入，这种接口方式适用于按键数量较多的场合，它由行线和列线组成，按键位于行、列的交叉点上。矩阵键盘的工作原理是按键设置在行、列
44、线的交点上，行、列线分别连接到按键开关的两端。行线通过上拉电阻接到+5V 上。平时无按键按下时，行线处于高电平状态，而当有按键按下时，行线的电平状态将由与此电平相连的列线电平决定。列线电平如果为低，则行线电平为低；列线电平为高，则行线电平也为高。这时识别矩阵键盘是否被按下的关键所在。由于矩阵键盘中行、列线为多键共用，各按键均影响该键所在行和列的电平，因此，各按键彼此将发生相互影响，所以必须将行、列线信号配合起来比作适当处理，才能决定闭合键位置。对于矩阵式键盘，按键的位置由行号和列号唯一决定，所以分别对行号和列号进行二进制编码，然后将两值合成一个字节，高四位是行号，低四位是列号。但这种编码对于不
45、同行的键，离散性大，并且编码的复杂度与键盘的个数成正比，因此不适合用于输入两小的设计中。2.8 热电偶温度检测方法根据敏感元件和被测介质接触与否，可以分为接触式和非接触式两大类。接触式检测方法主要包括基于物体受热体积膨胀性质的膨胀式温常州工学院毕业设计论文17度检测仪表，基于导体和半导体电阻值随温度变化的热电阻温度检测仪表，基于热电效应的热电偶检测仪表。而非接触式的主要是利用物体的热辐射特性与温度之间的对应关系对温度进行检测。由于此系统中被测物体为金属和空气，所以没用必要使用非接触式的传感器。温度是非电量信号，要想测量温度信号必须将其转化为可以方便处理的电信号。温度传感器依据自身材料的特点可以
46、将温度信号转变为电信号，目前我们常见的温度传感器主要有热电偶、热敏电阻、电阻式温度探测器(RTD)和集成温度传感器。本课题主要研究热电偶传感器，型号为 BWY-803A(TH),热电偶是利用热电效应原理(将两种不同材料的导体组成一个闭环回路，如果两个结点的温度不同，则回路中将产生一定的电势，其大小与材料性质及结点温度有关，称这种现象为热电效应)将温度转换成电势变化的热敏传感器。使用热电偶测量温度时容易引起误差，由于热电势是因不同金属材料的结合产生的，故不同材料连接形成的其它结合也会在电路中引入电压变化，这一误差信号称为冷端误差。因此在测量中需要冷端补偿环节来消除这一误差。热电偶的测温范围很宽，
47、一般在200+2000之间，常用的测温区段是 500的高温区。本章小结本章涉及的内容是温度控制系统的硬件构成,首先以系统图的形式描述了什么是一个电加热炉温度控制系统，然后给出温度控制系统总体框图，再重点介绍了温度控制器各部分模块的原理。常州工学院毕业设计论文18第三章 炉温控制系统软件构成温度控制系统的软件设计是在 C8051Fxxx 单片机上，由单片机来控制。主控程序包括初始化，键盘显示管理及各子程序调用。温度信号的采集、数字滤波、铂电阻的非线性补偿、温度的显示、控制算法的调用、PID 参数自整定算法等功能的实现由各子程序完成。数字滤波可采用均值法、中间值法和一阶惯性法等方法，本文采用一阶惯
48、性法方法，目的是滤除干扰信号的影响。由于铂电阻的电阻值与其所受的温度并不完全是线性的，因而设计了非等距分段线性插值线性化程序来对铂电阻进行非线性补偿，其误差低于 0.1%。控制算法采用 PID 算法，它根据温度设定值与实际值之差的比例值、积分值、微分值来确定控制量的大小。P、I、D 可以采用参数自整定而得到。温控系统软件还包括对温度控制系统的保护和快速加温的切换等。在测得温度未接近设定温度时，系统快速加温，接近时，调用 PID 算法控制，以达到迅速稳定温度场的目的。温度一旦高于最高设定值，程序自动切断电源停机。软件上除了设计数字滤波程序外，还设计了软件监视器等。软件流程如图 3-1 所示。图
49、3-1 软件流程图常州工学院毕业设计论文193.1 PID 控制及其改进算法现代工业控制系统中存在着很多的不确定性，这些不确定性将造成模型参数变化甚至模型结构突变，使得原整定参数无法保证系统继续良好的工作，这时就要求 PID 控制器具有在线修正参数的功能。所以 PID 参数自整定概念中应包括参数自动整定和参数在线自校正。这类自整定控制器被归为智能自整定 PID调节器，它不仅能从实验中提取过程动态特性设计出控制器，还具有推理能力，能对过程进行连续自适应。 智能 PID 自整定方法包括：基于神经网络的 PID 自整定、基于模糊控制的 PID 自整定、专家式智能自整定 PID 控制等。 基于神经网络自学习的 PID 控制器是调整网络自身权系数，使其稳定状态对应于某种最优控制下的 PID 控制器参数，从而实现自适应。其中,控制器 PID-NNC 是一个三层前向神经网络,两个输入单元的输入值分别为系统给定值 r(k)和输出值 y(k),网络的输出为控制信号 u(k
