电阻炉模糊PID温度控制系统的设计.docx
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电阻炉模糊PID温度控制系统的设计
第一章绪论
1引言
随着现代工业的逐步发展,在工业生产中,温度、压力、流量和液位是四种最常见的过程变量。
其中,温度是一个非常重要的过程变量。
例如:
在冶金工业、化工工业、电力工业、机械加工和食品加工等许多领域,都需要对各种加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉的温度进行控制。
然而,用常规的控制方法,潜力是有限的,难以满足较高的性能要求。
采用单片机来对它们进行控制不仅具有控制方便、简单和灵活性大的优点,而且可以大幅度提高被测温度的技术指标,从而能够大大提高产品的质量和数量。
因此,单片机对温度的控制问题是一个工业生产中经常会遇到的控制问题。
模糊PID单片机温度控制系统,是利用单片机作为系统的主控制器,测量电路中的温度反馈信号经A/D变换后,送入单片机中进行处理,经过模糊PID算法后,单片机的输出用来控制可控硅的通断,控制加热炉的输出功率,从而实现对温度的控制。
本设计运用MCS-51系列单片机集中的8051单片机为主控制器,对加热炉的温度进行智能化控制,最终通过软件设计来实现人机对话功能,实现对加热炉的温度控制。
本设计主要介绍模糊PID单片机温度控制系统,内容主要包括:
采样、滤波、键盘显示、加热控制系统,单片机MCS-51的开发及系统应用软件的开发等。
全文共分四章。
第一章绪论介绍相关技术发展,系统设计概述及设计要求,方案论证。
第二章硬件电路的设计介绍主控电路核心MCS-51单片机AT80C51的基本结构和配置以及一些子模块的设计。
第三章典型芯片的介绍MAX6675包括了A/D采样技术和数字滤波技术。
第四章软件设计介绍以模糊PID为主的温度控制算法及系统加热控制系统。
第五章主要是系统软件编程。
2单片机技术现状与发展
单片机又称为微控制器(Microcontroller),是把中央处理器(CPU)、随机存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、定时器/计数器、I/O接口电路等部件集成在一块芯片上的微型计算机。
自问世以来,性能不断提高和完善,加之具有控制能力强、体积小、功耗小;成本低、开发周期短、集成度高;速度快,指令周期为μS级;功能强,有丰富的内置资源;易于商品化,多数厂商提供配套外围借口芯片;抗干扰能力强等优点,因此,在工业控制、智能仪器仪表、数据采集和处理、通信系统、高级计算机、家用电器等领域的应用日益广泛,并且正在逐步取代现有的多片微机应用系统,数字单片机的位数越来越多,精度也越来越高。
另外,在需要极高响应速度的控制场合,还出现了模糊单片机,它是专门执行模糊逻辑信号的器件,具有极高的模糊推理速度。
今天,还出现了不少高级语言的开发工具,这些系统经过仿真可在更高的开发平台上进行快速的开发,为单片机的广泛应用铺平了道路。
所以,在未来的社会主义工业化建设中,单片机无疑会发挥更大的作用。
单片机具有处理能强、运行速度快、功耗低等优点,应用在温度测量与控制方面,控制简单方便,测量范围广,精度较高。
3系统设计概述及设计要求
采用单片机为控制核心器件,选择合适的传感器对电阻丝加热炉温度进行测量,并采用模糊PID控制算法使其保持在某一设定的温度值。
温度值可由键盘设定,并在LED显示器上显示。
具体要求如下:
1)温度范围为500℃—1500℃
2)系统有必要的保护和报警
3)温度值有显示
4)误差范围≤1℃
4方案论证
4.1总体方案比较与论证
方案一:
采用CPLD作为主控制器控制外围电路进行温度测量、键盘和LED控制、报警控制。
方案二:
K型热电偶(镍铬-镍硅)作为测温传感器,AD574芯片作数模量转换芯片,用继电器对电阻炉加热进行控制。
采用PID控制算法对温度进行控制,比较以上两种方案的优缺点:
方案一逻辑电路复杂,且灵活性较低,不利于各种功能的扩展,而且开发成本很高。
方案二简洁、灵活、可扩展性好,能完全达到设计要求。
通过大量的资料的查找与对比采用第二种方案较好。
故采用方案二。
4.2典型模块电路的设计方案与比较
4.2.1温度检测方案
方案一:
利用热释电红外传感器(探测器)进行非接触式红外测温的原理、红外测温系统结构和信号处理电路的组成,目的是实现对移动物体的非接触式温度测量。
以此为基础,组装了一套微机红外测温实验装置,用该装置测定了目标表面温度变化规律。
在大约190℃测量精度达到最高,其残差为9.5。
但是在测定高温时误差大,而且系统的造价高。
方案二:
选用K型热电偶(镍铬-镍硅),具有线性度好、测温范围适中、输出电动势大、价格便宜等特点。
另外,为保证检测精度,采用补偿导线法对热电偶进行冷端补偿。
4.2.2键盘显示方案
方案一:
采用独立按键按口,这种方式是各种按键相互独立,每个键各按一根输入线,一根输出线上的按键工作状态不会影响其他输入线上的工作状态。
所以通过检测输入线的电平状态可以很容易判断哪个键按下。
独立式按键电路配置灵活、软件简单,但是每个键占一根输入口线,在按键数较多时需要较多的输入口线且电路结构简单,故使用于按键少,操作速度高的场合。
它直接与单片机I/O相接,通过读I/O口,判断各个I/O口线电平状态,即可识别出按下键盘。
方案二:
采用3*3矩阵键盘输入,这种接口方式适用于按键数量较多场合,由行、列线组成,行列分别连接到按键两端。
按键位于行列交叉点,行线通过上拉电阻接到+5V上。
平时无按键按下时,行处于高电平,而当按下时行电平将由此与此电平相连的列线电平决定。
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的行和列电平,所以各按键彼此将相互影响,所以必须将行列信号配合起来并做适当处理才能决定闭合键位置。
方案三:
采用Intel8279键盘/显示电路,该接口电路设计新颖,结构简单,
稳定性强,可靠性高,编程容易,具有很强的使用性。
4.2.3显示模块的选择
方案一:
采用数码管显示。
数码管亮度高、体积小、重量轻,但其显示信息简单、有限,在本题目中应用受到很大的限制。
方案二:
采用液晶显示。
液晶显示功耗低、轻便防震。
由于本题显示信息比较复杂,采用液晶显示界面友好清晰,操作方便,显示信息丰富。
第2章硬件设计
1系统的硬件总体设计
AT89C51
电阻炉温度控制系统是以AT89C51单片机为核心,采用模糊PID控制的方法,使电阻炉的温度得到较为理想的控制。
本系统所要控制的电阻炉加热功率1500W,使用电压范围0~220V(AC),升温速度0.3℃/min,控制精度±1℃,控制温度范围为500-1500度。
控制系统的结构框图如图1所示。
放大
光偶
双向可控硅
电阻炉
热电耦
A/D
89C51
报警
显示
键盘
图2-1系统组成基本框图
整个系统由3部分组成,即由单片机AT89C51构成的单片机应用系统;由K型热电偶、运算放大电路和A/D转换电路构成的温度检测通道;由双向可控硅构成的输出控制通道。
工作时,温度由K型热电偶检测温度值,经过冷端温度补偿运算放大器和A/D转换,将温度信号送入单片机;单片机将温度信号进行数字滤波,标度变换后,由LED显示。
同时与系统设定值进行比较,按照模糊PID控制算法进行运算,通过输出信号去控制双向可控硅的通断,从而控制电阻炉的平均输入功率,实现电阻炉炉温的控制。
并可直接显示。
热电偶将炉温变换为模拟电压信号,经MAX6675芯片转换为数字量送单片机。
同时,热电偶的冷端温度也由IC温度传感器变为电压信号,经放大和转换后送单片机。
标度变换程度根据温检测值求得实际炉温θ。
数字调节器程序根据恒温给定值θ。
与θ的偏差A0,按积分分离的PID控制算法得到输出控制量μi。
数字触发器程序根据μc控制电阻炉子的导通时间,调节炉温冷端处的温度值的变化使之与给定恒温值一致。
导通时间长,输出功率大,温度升高快;导通时间短,输出功率小,温度升高变慢。
显示与恒温判断程序完成炉温θ与恒温时间显示、恒温开与恒温完成判别、恒温完成时给出声光指示信号。
断偶判断程序根据温度检测值判断温度传感是否开路,若开路,则给出断偶报警信号。
2温度检测设计
采用热电偶传感器。
热电偶传感器具有价廉、精度高、构造简单、测量范围宽(通常可由一5O度到+1600度)及反应快速的优点。
热电偶传感器输出的电压信号较为微弱(只有几毫伏到几十毫伏),2.1MAX6675
AX6675与AT89C51单片机组成的
AX6675是一复杂的单片热电偶数字转换器,其内部结构如图二所示。
主要包括:
低噪声电压放大器A1、电压跟随器A2、冷端温度补偿二极管、基准电压源、12位AD转换器、SPI串行接口、模拟开关及数字控制器。
其工作原理如下:
K型热电偶产生的热电势,经过低噪声电压放大器A1和电压跟随器A2放大、缓冲后,得到热电势信号U1,再经过S4送至ADC。
。
对于K型热电偶,电压变化率为(41μV/℃),电压可由如下公式来近似热电偶的特性。
U1=(41μV/℃)×(T-T0)
上式中,U1为热电偶输出电压(mV),T是测量点温度;T0是周围温度。
在将温度电压值转换为相应的温度值之前,对热电偶的冷端温度进行补偿,冷端温度即是MAX6675周围温度与0℃实际参考值之间的差值。
通过冷端温度补偿二极管,产生补偿电压U2经S4输入ADC转换器。
U2=(41μV/℃)×T0
在数字控制器的控制下,ADC首先将U1、U2转换成数字量,即获得输出电压U0的数据,该数据就代表测量点的实际温度值T。
这就是MAX6675进行冷端温度补偿和测量温度的原理。
其内部结构图如图二所示
2.2MAX6675的特性与MAX6675引脚功能
MAX6675是具有冷端补偿和A/D转换功能的单片集成K型热电偶变换器,测温范围0℃~1024℃,主要功能特点如下:
2.389C51
89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器(FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory)的低电压,高性能CMOS8位微处理器,俗称单片机。
89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。
单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造,与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中,ATMEL的89C51是一种高效微控制器,89C2051是它的一种精简版本。
89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
1.主要特性:
·与MCS-51兼容
·4K字节可编程闪烁存储器
寿命:
1000写/擦循环
数据保留时间:
10年
·全静态工作:
0Hz-24Hz
·三级程序存储器锁定
·128*8位内部RAM
·32可编程I/O线
·两个16位定时器/计数器
·5个中断源
·可编程串行通道
·低功耗的闲置和掉电模式
·片内振荡器和时钟电路
2.管脚说明:
VCC:
供电电压。
GND:
接地。
P0口:
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口,每脚可吸收8TTL门电流。
当P1口的管脚第一次写1时,被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器,它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FIASH编程时,P0口作为原码输入口,当FIASH进行校验时,P0输出原码,此时P0外部必须被拉高。
P1口:
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口,P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后,被内部上拉为高,可用作输入,P1口被外部下拉为低电平时,将输出电流,这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时,P1口作为第八位地址接收。
P2口:
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2口缓冲器可接收,输出4个TTL门电流,当P2口被写“1”时,其管脚被内部上拉电阻拉高,且作为输入。
并因此作为输入时,P2口的管脚被外部拉低,将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时,P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时,它利用内部上拉优势,当对外部八位地址数据存储器进行读写时,P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口:
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口,可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后,它们被内部上拉为高电平,并用作输入。
作为输入,由于外部下拉为低电平,P3口将输出电流(ILL)这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口,如下表所示:
口管脚备选功能
P3.0RXD(串行输入口)
P3.1TXD(串行输出口)
P3.2/INT0(外部中断0)
P3.3/INT1(外部中断1)
P3.4T0(记时器0外部输入)
P3.5T1(记时器1外部输入)
P3.6/WR(外部数据存储器写选通)
P3.7/RD(外部数据存储器读选通)
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
RST:
复位输入。
当振荡器复位器件时,要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG:
当访问外部存储器时,地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间,此引脚用于输入编程脉冲。
在平时,ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号,此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是:
每当用作外部数据存储器时,将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时,ALE只有在执行MOVX,MOVC指令是ALE才起作用。
另外,该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止,置位无效。
/PSEN:
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间,每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时,这两次有效的/PSEN信号将不出现。
/EA/VPP:
当/EA保持低电平时,则在此期间外部程序存储器(0000H-FFFFH),不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时,/EA将内部锁定为RESET;当/EA端保持高电平时,此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间,此引脚也用于施加12V编程电源(VPP)。
XTAL1:
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2:
来自反向振荡器的输出。
3.振荡器特性:
XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。
该反向放大器可以配置为片内振荡器。
石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。
如采用外部时钟源驱动器件,XTAL2应不接。
有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器,因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求,但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。
4.芯片擦除:
整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合,并保持ALE管脚处于低电平10ms来完成。
在芯片擦操作中,代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前,该操作必须被执行。
此外,AT89C51设有稳态逻辑,可以在低到零频率的条件下静态逻辑,支持两种软件可选的掉电模式。
在闲置模式下,CPU停止工作。
但RAM,定时器,计数器,串口和中断系统仍在工作。
在掉电模式下,保存RAM的内容并且冻结振荡器,禁止所用其他芯片功能,直到下一个硬件复位为止。
5.结构特点:
8位CPU;
片内振荡器和时钟电路;
32根I/O线;
外部存贮器寻址范围ROM、RAM64K;
2个16位的定时器/计数器;
5个中断源,两个中断优先级;
全双工串行口;
布尔处理器;
5.引脚说明:
①电源引脚
Vcc(40脚):
典型值+5V。
Vss(20脚):
接低电平。
②外部晶振
X1、X2分别与晶体两端相连接。
当采用外部时钟信号时,X2接振荡信号,X1接地
③输入输出口引脚:
P0口:
I/O双向口。
作输入口时,应先软件置“1”。
P1口:
I/O双向口。
作输入口时,应先软件置“1”。
P2口:
I/O双向口。
作输入口时,应先软件置“1”。
P3口:
I/O双向口。
作输入口时,应先软件置“1”。
④控制引脚:
RST/Vpd、ALE/-PROG、-PSEN、-EA/Vpp组成了MSC-51的控制总线。
RST/Vpd(9脚):
复位信号输入端(高电平有效)。
第一功能:
加+5V备用电源,可以实现掉电保护RAM信息不丢失。
ALE/-PROG(30脚):
地址锁存信号输出端。
第二功能:
编程脉冲输入。
-PSEN(29脚):
外部程序存储器读选通信号。
-EA/Vpp(31脚):
外部程序存储器使能端。
第三功能:
编程电压输入端(+21V)。
6.AT89C51单片机的P口特点:
P0口:
是一个8位漏极开路输出型双向I/O端口。
作为输出端口时,每位能以吸收电流的方式驱动8个TTL输入,对端口写1时,又可作高阻抗输入端用。
在访问外部程序或数据存储器时,它是时分多路转换的地址(低8位)/数据总线,在访问期间将激活内部的上拉电阻。
7.可驱动(吸收或输出电流方式)4个TTL输入。
对端口写1时,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位,这时可作输入口。
P2口作输入口使用时,因为内部有上拉电阻,那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流(Iil)。
P2口:
P2口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口。
P2口的输出缓冲器可驱动(吸收或输出电流方式)4个TTL输入。
对端口写1时,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位,这时可作输入口。
P2口作输入口使用时,因为内部有上拉电阻,那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流(Iil)。
数字电路时我们已知道,一个触发器可以保存一位的二进制数(即具有保持功能),在51单片机的32根I/O口线中都是用一个D触发器来构成锁存器的D锁存器,D端是数据输入端,CP是控制端(也就是时序控制信号输入端),Q是输出端,Q非是反向输出端。
对于D触发器来讲,当D输入端有一个输入信号,如果这时控制端CP没有信号(也就是时序脉冲没有到来),这时输入端D的数据是无法传输到输出端Q及反向输出端Q非的。
如果时序控制端CP的时序脉冲一旦到了,这时D端输入的数据就会传输到Q及Q非端。
数据传送过来后,当CP时序控制端的时序信号消失了,这时,输出端还会保持着上次输入端D的数据(即把上次的数据锁存起来了)。
如果下一个时序控制脉冲信号来了,这时D端的数据才再次传送到Q端,从而改变Q端的状态。
多路开关:
在51单片机中,当内部的存储器够用(也就是不需要外扩展存储器时,这里讲的存储器包括数据存储器及程序存储器)时,P0口可以作为通用的输入输出端口(即I/O)使用,对于8031(内部没有ROM)的单片机或者编写的程序超过了单片机内部的存储器容量,需要外扩存储器时,P0口就作为‘地址/数据’总线使用。
那么这个多路选择开关就是用于选择是做为普通I/O口使用还是作为‘数据/地址’总线使用的选择开关了。
当多路开关与下面接通时,P0口是作为普通的I/O口使用的,当多路开关是与上面接通时,P0口是作为‘地址/数据’总线使用的。
输出驱动部份:
P0口的输出是由两个MOS管组成的推拉式结构,也就是说,这两个MOS管一次只能导通一个,当V1导通时,V2就截止,当V2导通时,V1截止。
3.温度控制电路
温度控制电路采用可控硅调功率方式。
双向可控硅串在50Hz交流电源和加热丝电路中,只要在给定周期里改变可控硅的接通时间,就能达到改变加热功率的目的,从而实现温度控制。
对于这样的执行机构,单片机只要输出能控制可控硅通断电时间的脉冲信号就可以了。
因此,用一条I/O线与可控硅的控制端相连接,并通过程序实现输出导通脉冲的宽度和导通时间。
为了达到过零触发的目的,需要交流电过零检测电路。
此电路输出对应于50Hz交流电压过零时刻的脉冲,作为触发双向可控硅的同步脉冲,使可控硅在交流电压过零时刻触发导通。
电压比较器将50Hz正弦交流电压变为方波。
方波的正跳沿河负跳沿分别作为俩个单稳触发器的触发信号,单稳触发器输出的窄脉冲经二极管或门混合,就得到对应于220市电过零时刻的同步脉冲。
此脉冲一路作为处罚同步脉冲夹道温度控制电路,一路作为计数脉冲加到单片机89C51的输出端。
4.键盘操作
键盘的扫描方式有三种,即编程扫描工作方式、定时扫描工作方式和中断扫描工作方式。
键盘的工作方式介绍如下:
(1)编程扫描工作方式:
编程扫描工作方式是利用CPU在完成其他工作的空余,调用键盘扫描子程序,来响应键输入要求。
将键盘端口分为扫描口和输入口,由扫描口输出状态数据,在输入口读取扫描后的。
(2)定时器产生的定时中断(定时扫描工作方式:
定时扫描工作方式是利用单片机内部定时例如10ms),CPU响应中断后对键盘进行扫描、并在有键按下时转入键功能处理程序,则可以实现定时扫描。
(3)中断扫描工作方式:
为了进一步提高键盘接口CPU的工作效率,可以采用中断扫描工作方式。
当没有键按下时,/INT1为高电平;当任意键被按下时,/INT1变为低电平,向CPU申请中断。
若CPU开放外部中断1,则响应中断,执行中断服务程序扫描键盘,并判断是哪个键被按下。
面板上键盘包括启动运行、停止运行、复位键及设置时间键。
第3章软件设计
模糊PID控制器具有以下一些特点:
(1)算法简单实用,本质上不依赖于系统的数字模型;
(2)可充分利用单片机的软件资源,可靠性高,开发速度快;
(3)克服了传统PID控制器操作的困难,提高了系统的智能化程度;
(4)模糊PID控制器棒性好,具有专家控制器的特点,并可推广应用于其它工作领域。
模糊PID控制的基本思想:
1模糊PID自整定控制器的设计
功率放大
传感器
电液伺服系统
D/A转换
A/D转换
单
片机
数码显示
键盘给定
启动
停止
停机状态
启动停止命令吗?
数据显示模块
模糊PID控制算法模块
计算偏差偏差变换量
采样实际速度
标度变换
开始
启动停止命令吗?
初始化
2模糊控制器算法研究
y
输出量
被控对象
u
k3
k2
PID调节器
k1
逆模糊化处理
模糊决策
模糊控制规则
E1
E2
模糊化
e2
e1
给定量r
-
+
de/dt
2.1输入值的模糊化
模糊自整定PID控制器是在fuzzy集的论域中进行讨论和计算的,因而首先要将输入变量变换到相应的论域,并将输人数据转换成合适的语言值,也就是要对输入量进行模糊化。
结合本液压伺服系统的特性,这里选择模糊变量的模糊集隶属函数为正态分布,具体分布如图4所示。
根据该规则可把实际误差e、误差变化率ec(de/dt)对应的语言变量E、EC表示成模糊量。
E、EC的基本论域为[-6,+6],将其离散成13个等级即[-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,+1,+2,+3,+4,+5,+6]。
考虑到控制的精度要求,本设计将[-6,+6]分为负大[NB]、负中[NM]、负小[NS]、零[ZO]、正小[PS]、正中[PM]、正大[PB]等7个语言变量,然后由e、ec隶属函数根据最大值法得出相应的模糊变量。
2.2模糊控制规则表的建立
2.3逆模糊化处理及输出量的计算
系统的软件实现
1.单片机的软件编程
2.系统运行主程序
Y
N
重新设定参数
与设定温度相等?
关中断
模糊PID
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