1、本 科 毕业设计（自然科学）题 目：恒温槽控制系统的设计与实现（偏硬） Hebei Normal University of Science expert PID; temperature control; data acquisition摘 要II目 录摘要 .IAbstract.I1 绪论 .11.1 课题背景 .11.2 课题研究现状及发展趋势 .12 系统硬件设计 .22.1 系统工作原理 .22.2 控制系统硬件的总体设计 .32.3 控制系统硬件单元设计 .42.3.1 温度检测与信号变换电路的设计 .42.3.2 数码管显示电路 .72.3.3 控制输出电路 .82.3.4 晶振
2、电路的设计 .112.3.5 复位电路的设计 .112.3.6 分频电路的设计 .123 系统软件设计 .133.1 算法的选择 .133.1.1 专家控制系统简介 .133.1.2 PID 控制原理 .143.1.3 专家 PID 控制原理 .153.2 专家 PID 控制系统的软件实现 .173.2.1 专家 PID 控制系统的主程序框图 .173.2.2 数据采集及处理程序 .183.2.3 专家 PID 算法程序 .19结论 .20参考文献 .20致谢 .21附录 .22附录一 ：恒温槽专家 PID 控制系统总原理图 .22附录二 : 程序代码 .23河北科技师范学院 2012 届本科
3、毕业设计11 绪论1.1 课题背景随着工业的发展, 恒温槽被广泛应用于医疗、化工、生物等领域等需要进行高精度恒温场合。这些应用场合, 要求恒温槽具有恒温精度高、稳定性好、可靠性高、结构简单、节能、成本低等特点。而恒温槽的控制效果主要由其控制方法所决定。PID 控制算法由于其结构简单、物意义明确、鲁棒性强等显著的优点，使它在工业控制中处于主导地位，尤其适用于可以建立精确数学模型的确定性控制系统。然而实际工业生产过程往往具有非线性、时变不确定性等特点，难以建立精确的数学模型，应用常规PID 控制器不能达到理想的控制效果；在实际生产现场中，由于受到参数整定方法繁杂的困扰，常规 PID 控制器参数往往
4、整定不良、性能欠佳，对运行工作情况的适应性很差。因此，常规 PID 控制的应用受到限制和挑战。因此，人们对 PID 控制做了各种改进工作。本文分别对常规 PID 控制、模糊自适应 PID 控制、专家 PID 控制进行了对比分析。1.2 课题研究现状及发展趋势最近十年来，在温度控制方法上有了快速的发展。己从传统的直接控制转变成 PID控制、模糊控制、神经网络控制和遗传算法等控制方法。2.1PID 控制即比例、积分、微分控制。这种控制由于其结构简单、实用、价格低，在广泛的过程领域内可以实现满意的控制，所以应用极其广泛。该方法通过温控系统将热电偶实时采集的温度值与设定值比较，差值作为 PID 功能块
5、的输入。PID 控制算法根据比例、积分、微分系数计算出合适的输出控制参数，利用修改控制变量误差的方法实现闭环控制，使控制过程连续。2.2人工神经网络是当前主要的、也是重要的一种人工智能技术，是一种采用数理模型的方法模拟生物神经细胞结构及对信息的记忆和处理而构成的信息处理方法。它用大量简单的处理单元广泛连接形成各种复杂网络，拓扑结构算法各异，其中误差反向传播算法(即 BP 算法)应用最为广泛。2.3模糊控制是基于模糊逻辑的描述一个过程的控制算法，主要嵌入操作人员的经验和直觉知识。它适用于控制不易取得精确数学模型和数学模型不确定或经常变化的对象。河北科技师范学院 2012 届本科毕业设计22.4模
6、糊模型使用模糊语言和规则描述一个系统的动态特性及性能指标。其特点是不须知道被控对象的精确模型，易于控制不确定对象和非线性对象，对被控对象参数变化有强鲁棒性，对控制系统干扰有较强抑制能力。然而，模糊控制的局限性在于对控制系统设计分析和标准缺乏系统的方法步骤，规则库缺乏完整性，没有明确的控制结构。PID 控制器结构简单，明确，能满足大量工业过程的控制要求，特别是其强鲁棒性能较好适应过程工况的大范围变动。但 PID 本质是线性控制，而模糊控制具有智能性，属于非线性领域，因此，将模糊控制与 PID 结合将具备两者的优点。即用过程的运行状态(温度偏差及温度变化率)确定 PID 控制器参数，用 PID 控
7、制率确定控制作用。主要的问题是合理地获得 PID 参数的模糊校正规则。其实质是一种以模糊规则调节 PID参数的自适应控制，即在一般 PID 控制系统基础上，加上一个模糊控制规则环节。2.5遗传算法(GeneticAlgoriths简称 GA)是模拟达尔文的遗传选择和自然淘汰的生物进化过程的全局优化搜索算法。它将生物进化过程中适者生存规则与群体内部染色体的随机信息交换机制相结合，通过正确的编码机制和适应度函数的选择来操作称为染色体的二进制串 l 或 O。引入了如繁殖交叉和变异等方法在所求解的问题空间上进行全局的并行的随机的搜索优化，朝全局最优方向收敛。基于遗传算法温控系统的设计就是传感器得到的温
8、度信号放大，数字化送入单片机，单片机将其与给定温度进行比较，用遗传算法来优化 3 个 PID 参数，然后将控制量输出。将专家 PID 控制技术应用于具有迟延、时变、非线性的恒温槽的温度控制中，克服了常规 PID 控制的易超调、波动大、稳定性差的缺点。实验结果表明，它能适应对象参数的变化并表现出良好的控制品质，具有较强的鲁棒性和自适应能力。而对于模糊 PID，模糊 PID 恒温槽控制系统对于恒温槽内温度的变化调节更加平稳, 显示了很好的控制效果。具体表现为温度上升和下降更为平稳, 基本没有出现过采用传统 PID 时温度的跳跃式上升和下降情况。模糊自适应 PID 算法比普通 PID 算法的控制精度
9、虽然没有太大的提高, 但是在控制稳定性上却大为提高。经过恒温系统的实际运行, 基本得到预期的效果, 证明此系统的稳定性、实用性和可靠性。综上所述，专家 PID 与模糊 PID 对于恒温槽的控制效果都要强于传统的 PID 控制，在未来，这两种方法将会成为主流。2 系统硬件设计2.1 系统工作原理采用专家 PID 数字式控制以达到快速响应和稳定的性能，控制器基于单片机，并使用最佳性能的程序，传感器置于槽内测量温度。按恒温槽内状况，单片机将控制相河北科技师范学院 2012 届本科毕业设计3应控制电路，使各工作部件开始工作，进行加热与制冷，连续控制获得适当的温度值，直至温度合适。在封闭循环回路中控制器
10、根据需要用电加热器加热和压缩机制冷保持所需温度，专家 PID 控制器对检定腔的准确性和稳定性的变化作出快速反应。温度控制器控制系统结构框图如图 2-1。图 2-2 温度控制系统结构框图2.2 控制系统硬件的总体设计单片机控制系统中，由于主要利用软件算法实现控制方案，相比模拟控制较灵活；其次，单片机系统由于采用元器件较少，信号采用数字处理，避免了模拟信号传递过程中的畸变、失真，故受干扰小，可靠性高；第三，参数设定简便，可以使系统的调试工作变得方便。因此，单片机控制系统非常适合于应用型控制领域。又由于单片机系统具有体积小、成本低、易维护、性能稳定等特点，得到了越来越多的应用。该测控系统的硬件框图主要包括单片机STC89C52、温度传感器、信号放大电路、A/D转换器ICL7135、输入设备（传感器、独立键盘）、输出设备（加热器、制冷器、数码显示器LED），其结构框图如图2-2。其中微处理器STC89C52是整个系统的控制核心。
