基于模糊控制算法的温度控制系统的设计毕业论文

基于模糊控制算法的温度控制系统的设计毕业论文内容摘要：

很显然，人机接口装置越完备，其能实现的功能也越强，这样也越能增加产品的功能和亲合力。 控制对象可以是电炉也可以是油炉，如果是电炉执行器将会是晶闸管，也可以是静态或固态继电器；如果对象是油炉，执行器可以选择为调节阀，控制输入到油炉的油量大小。 基于模糊算法的温度控制系统，可用各类处理器，如微机、单片机、 DSP 等作为模糊控制器，其内部运行模糊算法程序，用于根据输入 的温度信号进行处理从而达到做出模糊控制的目的。 16 第 3 章 设计思想与方案论证 实现模糊温度控制的方法有多种，可以用工控机作为模糊控制器，用热电阻测量温度；也可以用单片机作为模糊控制器，用热电偶进行温度测量。 当然每一种方案都有其各自的优点。 本章详细列举、说明了三种不同实现模糊温度控制的方案、并分别画出了其原理方框图，对三种方案的优缺点进行了对比，选出了最佳控制方案。 设计思想 1. 方案 1 (1) 硬件组成 ： PLC、 A/D 转换器、热电阻、调节阀、燃油供应子系统。 (2) 工作原理 ：在系统中，由分立的 热电阻做成测量工具，对温度变量进行检测，并输出到 A/D 转换器。 A/D 转换器将数据进行 A/D 转换后输出到 PLC。 PLC 执行模糊控制器的作用，根据给定量与测量量的偏差进行模糊运算，得出模糊输出量 ［ 3］ ，控制调节阀。 调节阀根据 PLC 的输出量自动的调节进入燃烧炉内的燃气，从而起到了调节温度的目的。 燃油供应子系统起到了供应燃油的作用。 LED 显示器用于实时显示测量的温度。 (3) 系统原理框图 2. 方案 2 (1) 硬件组成 ：单片机、 A/D 转换器、 LED 显示器、集成的热电偶温度变送器、固态继电器 ［ 5］ 、大 功率发热器、 LED 显示器。 (2) 工作原理 ：由集成的热电偶变送器对系统温度进行检测，并完成信号标准化、变送功能。 单片机执行模糊控制功能、由固态继电器控制大功率发热器电源的导通与断图 方案 1 的原理框图 + LED 显示 + 给定电压 A/D 转换 PLC 开关 热电阻 燃料供应子系统 D/A 油炉 温度 17 开，从而达到控制温度的目的。 (3) 系统原理框图 3. 方案 3 (1) 硬件组成 ：工控机、集成的热电偶温度变送器、 A/D 转换器、 LCD 显示器、调节阀、燃料供应子系统。 (2) 工作原理 ：在系统中，先由工控机发出波形（此波形为理想控制过程），经 A/D转换后输入到工控机，作为给定量（给定量是变化的） [3]。 热电偶温 度变送器作为测量工具，对温度变量进行检测，并输出到 A/D 转换器。 A/D 转换后输出到工控机。 工控机利用模糊算法，根据给定量与测量量的偏差进行模糊运算，得出模糊输出量，控制调节阀的开启程度，自动的调节进入燃烧炉内的燃气，从而起到了调节温度的目的。 燃油供应子系统用于供应燃油。 LED 显示器用于实时的显示测量的温度。 (3) 系统原理框图 TL2551 89C2051 固态继电器 LED显示 DDZ— Ⅲ热电偶温度变送器 键 盘 电炉 温度 图 方案 2 的原理框图 波形生成 LCD 显示 + A/D 工控机 开关 热电偶温度变送 + 燃料供应系统 D/A 图 方案 3 的原理框图 油炉 温度 18 论证分析 (1) 每个方案都采用了不同的处理器，方案 1 用 PLC 为模糊控制器，在进行 A/D、D/A 转换和 LED 显示时出现许多难题，如引脚不够用，数据并行输 入输出困难（可以通过外部加入模拟输入模块来解决，但价格昂贵）、及内部编程复杂等诸多不便。 而方案 2 和方案 3 采用了单片机及工控机，能够很好的解决上述问题。 (2) 方案 1 采用的是分立的热电阻，还要经过处理制作成测量工具，在测量精度及抗干扰性等方面都不能满足要求。 而方案 3 采用的是集成的热电偶温度变送器，具有冷端温度补偿、零点调整、零点迁移、量程调整以及线性化等功能。 只要稍许的调整变送器即可很好的完成任务。 (3) 方案 1 和方案 2 采用了价格便宜的 LED 显示器，而方案 3 采用了相对昂贵的LCD 显示器。 虽然 LCD 显示 器在显示方面有其优越性，可以多行显示、文本显示。 但本系统中只要求实时显示温度即可，所以 LED 显示器是一个不错的选择。 (4) 方案 2 采用了模拟的 PWM 变换的方法，较其它两种方案可以减少一个 D/A 转换器，节约了成本。 (5) 方案 1 和 3 采用燃料作为能量供应，而方案 2 采用电能。 方案 1 与方案 3 要考虑多方面的影响。 如燃油的燃烧效率问题（通过采样油炉排气口的氧气浓度完成），即要检测的变量有两个，炉内温度和排气口的氧气含量。 而方案 2 可以减少装配燃油子系统所用的成本，只有一个检测量，减小了运算难度，还可以省去因为燃料的燃 烧所造成的大气污染，保护环境。 综上所述：方案 2 是无论是从经济方面、科学性还是从实现的容易程度、环境保护上都优于其它两个方案，不失为最佳的选择。 最终方案论述：很显然，方案 2 较其它两种方案相比无论在经济上和实现容易程度上都要好。 同时三种方案都存在着同一个问题，那就是在其内部怎么进行模糊运算。 由于模糊运算是基于模糊数学的一种新型控制方法，其运算包括模糊化、模糊推理、解模糊等过程，而且还有很多的矩阵运算，而这些运算对于单片机、或者 PLC 以及工控机来说都要用很复杂的编程（高级语言）才能实现。 模糊控制算法发展到今天 ，已经成功的解决了这个问题。 在离线时将其矩阵运算部分做好，留给处理机要完成的就只需查一 19 个模糊表了。 这种方法能够很好的完成模糊控制过程中大量的运算的问题，减少了编程的难度和处理机做这些运算所花费的时间。 方案 2 在实行控制的时候不像其它方案采用 D/A 转换后再控制调节阀的方法，而是直接外接一个固态继电器，通过内部改变定时器的中断时间来调节一个周期内电子开关的导通和断开时间。 这样既节省了材料也可以很大程度上减少硬件电路的结构。 综上所述方案 2 有如下的特点： (1) 在完成所要求的任务的基础之上还有着结构简单、明了的 特点，很容易实现，而且在一定的程度上节约成本。 (2) 由于采用了离线的方法进行模糊运算，很大程度上的减少了编程的麻烦，实现起来较容易。 (3) 采用了无污染能源，保护环境。 同时也省去了为建造燃料供应子系统的费用，节约了成本。 采用了模拟的 PWM 变换，和固态继电器。 可以将采样频率提高到很多的水平，使控制结果更准确，实时性、控制效果更好。 20 第 4 章 系统设计 整个系统由软件和硬件两部分组成。 本章详细介绍了系统的硬件和软件设计，并对硬件和软件的每一个部分进行了分析，在后半部分还对系统模型进行了访真与程序调试。 硬 件和软件的每一个坏节都是深思熟虑而成，各自完成相应的功能并组成一个统一的整体。 硬件设计 系统硬件由电源电路，温度检测变送电路、模数接口转换电路、单片机系统和人机接口等部分组成。 系统电源为整个系统提供电能；温度检测变送电路将检测到的温度信号转换成标准的电压信号输入到模数接口转换电路；模数接口转换电路输出的数字信号进入单片机系统；单片机系统根据输入的数字信号以模糊控制算法为基础求出控制值，控制执行器的运行及温度的显示。 原理框图见图。 电源电路 由于整个系统都是用单片机和各类芯片及电阻 、电容组成的，其工作电压为＋ 5V，不需要负电压，可采用三端固定正电压集成稳压器 7805 系列的芯片 ［ 6］。 其输出电压 5V，按输出电流不同可分为 78M0 78L05，输出电流分别为 和 ，转换成功率分别为 和 5W。 从整个系统的设计来看，其中有几块集成芯片和多个电阻、电容等器件，其功率总和应在 2W 左右，所以考虑整个系统的功率裕量，采用 78M05 作为整个系统的供电芯片。 其主要电路如图 所示： 图 电源电路 21 其中输入电压为交流 220V，经过变压器其输出为 ，再进行整流。 整流可通过四个二极管进行全波整流，也可以利用集成整流堆来进行（同原理）。 后面接电容 CC2为滤波电容进行滤波，注意电解电容应该要有一定裕量，否则不能起到很好的滤波效果。 本电路中使用的电容大小为 470uf,耐压为 25 伏。 78L05 的输出级接入两个滤波电容，用于减小因为电源波动对系统造成的影响和滤波。 其不需要采用大容量的电解电容器，容量大小为 100uf 耐压为 25 伏，再接入 的电容器，便可减少因为电源波动的影响和滤去纹波，很好地改善负载的瞬态响应。 然而，随之产生一个弊端，即一旦 78M05的输入出现短路时，输出端大电容上存储的电荷，将通过集成稳压器内部放电，可能会造成内部电路的损坏，故在其间跨接一个二极管，为放电提供放泄通路，对集成稳压器起到了分流保护作用 ［ 6］。 温度 检测 与变送环节 信号的检测变送包含两个方面，一是检测环节，另一个是变送环节。 检测环节至关重要，检测元件的选型关系到检测的精度和变送环节中信号变送的容易程度。 在温度的检测过程中一般用热电阻和热电偶完 成，热电阻一般用在检测精度要求不是很高的地方，而热电偶则在灵敏度上比热电偶更好，检测精度能比热电阻有一个数位的差异 ［ 7］。 检测与变送设备主要根据被检测参数的性质与系统设计的总体考虑来决定。 被检测参数性质的不同，准确度要求、响应速度要求的不同以及对控制性能要求的不同都影响检测、变送器的选择，要从工艺的合理性、经济性加以综合考虑。 应遵循以下原则： 1. 可能选择测量误差小的测量元件。 2. 尽可能选择快速响应的测量元件与变送设备。 3. 对测量信号作必要的处理。 a. 测量信号校正。 b. 测量信号噪声（扰动）的抑制。 4. 对测量 信号进行曲线线性化处理。 温度是工业生产过程中最常见、最基本的参数之一。 所以，温度的检测与控制是自 22 动控制工程的重要任务之一。 测量温度的方法有两种，一种是接触式、另一种是非接触式。 接触式测量的主要特点是：方法简单、可靠，测量精度高。 但是由于测温元件要与被测介质接触进行热交换，才能达到平衡，因而产生了滞后现象。 同时测量体可能与被测介质产生化学。 此外测量体还受到耐温材料的限制，不能应用于很高温度的测量。 非接触式测温是通过接收被测介质发出的辐射热来判断的。 其主要特点是：测温原则上不爱限制；速度较快，可以对运动休进行 测量。 但是它受到物体的辐射率、距离、烟尘和水汽等因素影响，测温误差较大。 由于本系统中测量的对象为电炉，测量温度在 0~100℃左右，且介质为水，不易与测量体发生化学反应。 所以理所当然选择接触式的温度测量方式更为理想。 目前工业生产过程中常用的接触式温度测温原理、与使用场合如表 ： 测温原理 温度计名称 测温范围℃ 主要特点 固体热膨胀 双金属温度计 结构简单，价格便宜，适用于就上测量，传送距离不很远 气体热膨胀 玻璃液体温度计 液体热膨胀 压力式温度计 200~600 利用尸体或半导体的电阻值随温度变化的性质 铂、铜、镍、铑、铁热敏电阻 准确度高，能远传，适用于低、中温测量 锗、碳、金属氧化物热敏电阻 普通金属热电阻 测量范围广，精度高，能远传，适用于中、高温测量 贵重金属热电阻 难熔金属热电阻 非金属热电阻 200~700 体积变化 电阻变化 270~900 热电效应 利用金属的热电效应 200~1800 表 各类传感元件的特点和使用场合 ［ 7］ 23 从表中所列的各种温度测量仪表中，机械式大多用于就地指示；辐射式的精度较差，只有电的测温仪表精度较高，信号又便于传送。 所以热电偶和热敏电阻温度计在工业生产和科学研究领域中得到了广泛地应用。 热电偶温度 计在工业生产过程中极为广泛。 它具有测温精度高，在小范围内热电动势与温度基本呈单值、线性关系，稳定性和复现性较好，测温范围宽，响应时间较快等特点。 其使用时一定要注意冷端温度补偿，在一般情况下采用补偿电桥的方法较多。 其具体实现过程见下面的分析过程。 热电阻温度计是利用导体或半导体的电阻值随温度而变化的性质来测量温度的。 常用的有铂电阻、铜电阻、半导体热敏电阻等，但与热电偶相比较，在精度上，热电偶精度比热电阻高。 变送器在数据采集过程中担任了把传感器检测到的信号变成统一标准信号（ DC 4~20mA 或 DC 1~5V）， 从而使处理器能够识别数据的级别，便于在自运控制过程中进行运算和做出相应的处理决策。 DDZ Ш热电偶温度变送器可以把温度转换成统一的标准信号（ DC4~20mA 或DC1~5V），其输出送显示仪表或调节器，调节器实现对温度的显示或自动控制。 DDZШ热电偶温度变送器具有热电偶冷端温度补偿、零点调整、零点迁移、量程调整以及线性化等重功能。 其具有以下几个特点： (1) 采用了线性集成电路，提高了仪表的可靠性、稳定性及各项技术性能。 (2) 热电偶温度变送器中采用了线性化电路，使变送器的输出电流。 或电压信号和被测温度 （输入信号）成线性关系。