反應釜溫度智能控制系統(tǒng)設計——硬件部分

1、畢業(yè)設計說明書反應釜溫度智能控制系統(tǒng)設計一一硬件部分學生姓名：潘致堂學號：02學院：信息與通信工程學院專業(yè)：自動化指導教師：孟江2022年2月反應釜溫度智能控制系統(tǒng)設計一一硬件部分摘要：溫度是生產過程和科學實驗中普遍存在的物理參數(shù)，化學反應釜的溫度控制精度、系統(tǒng)響應速度及穩(wěn)定度是衡量溫控系統(tǒng)性能指標的關鍵因素，準確控制釜內溫度對在不同溫度下進行化學反應具有重要的意義。通常的反應釜容量大，其內部化學反應機理復雜，反應系統(tǒng)具有較大的時變性、非線性和時滯性，被控對象繁多，經典控制理論和現(xiàn)代控制理論的最優(yōu)控制難以應用在反應釜的控制上。本文對反應釜的溫度控制進行了分析，給出了冷劑流量對反應釜內溫度的傳遞

2、函數(shù)，設計了對反應釜冷熱劑控制來實現(xiàn)反應釜溫度智能控制系統(tǒng)具體電路。在控制方法上，通過單片機，采用了模糊控制的方法，并給出了詳細的分析步驟和控制算法。關鍵詞：反應釜單片機溫度控制模糊控制Thereactionketteltemperatureintelligentcontrolsystemdesign-hardwarepartsAbstract:Thetemperatureistheproductionprocessandscientificexperimentsarecommoninthephysicalparameters,chemicalreactionkettletemperature

3、controlprecision,systemresponsespeedandstabilityoftemperaturecontrolsystemisthemeasureoftheperformanceindexesofkeyfactors,theaccuratecontrolofthetemperatureindifferentkettleforchemicalreactiontemperatureisofgreatsignificance.Usuallythereactionkettlecapacity,itsinternalchemicalreactionmechanismcomple

4、x,reactionsystemhasalargertime-varying,nonlinearandtimelag,thecontrolledobjectisvarious,classicalcontroltheoryandmoderncontroltheory,theoptimalcontrolcannotbeusedinthereactionkettlecontrol.Inthispaper,thereactionkettletemperaturecontrolareanalyzed,thecoldagentforthereactionkettleflowwithinthetransfe

5、rfunctionoftemperature,thedesignofcoldandheatreactionkettleagentcontroltoachievethereactionkettletemperatureconcretecircuitintelligentcontrolsystem.Inthecontrolmethod,throughthesingle-chipmicrocomputer,thefuzzycontrolmethod,andgivesadetailedanalysisofthestepsandcontrolalgorithm.Keywords:ReactorSingl

6、eChipComputerTemperatureControlFuzzy-Control錯誤！未定義書簽錯誤！未定義書簽錯誤！未定義書簽錯誤！未定義書簽錯誤！未定義書簽錯誤！未定義書簽基本方程基本方程的線性化論文的研究內容3控制方案的確定總體控制方案的確定模糊控制器設計模糊控制器簡述模糊控制器的設計錯誤！未定義書簽。錯誤！未定義書簽錯誤！未定義書簽。錯誤！未定義書簽。錯誤！未定義書簽錯誤！未定義書簽。錯誤！未定義書簽。錯誤！未定義書簽。1緒論錯誤！未定義書簽反應釜溫度智能控制器研究與開發(fā)的背景和意義反應釜溫度控制技術的現(xiàn)狀錯誤！未定義書簽2反應釜的過程分析反應釜的基本結構反應釜的工作原理反應釜

7、的控制方案反應釜的動態(tài)特性4硬件電路設計錯誤！未定義書簽系統(tǒng)硬件構成錯誤!未定義書簽電源電路錯誤！未定義書簽。過零檢測電路錯誤!未定義書簽?；贒S18820的多傳感器測溫電路錯誤！未定義書簽DS18820的性能特點錯誤！未定義書簽。DS18820內部結構簡介錯誤！未定義書簽。D/A轉換及輸出電路錯誤！未定義書簽。MAX518與I2C總線錯誤！未定義書簽。電壓放大電路13錯誤！未定義書簽。V/I轉換電路錯誤！未定義書簽。單片機人機交互錯誤！未定義書簽。鍵盤接口電路錯誤！未定義書簽。顯示接口電路錯誤！未定義書簽。5控制系統(tǒng)的軟件設計錯誤！未定義書簽。主程序設計錯誤！未定義書簽。鍵盤中斷服務子程序

8、錯誤！未定義書簽。定時器1中斷服務子程序錯誤！未定義書簽。溫度采集子程序錯誤！未定義書簽。DS18820溫度轉換子程序錯誤！未定義書簽。讀DS18820溫度子程序錯誤！未定義書簽?？刂屏枯敵鲎映绦蝈e誤！未定義書簽。模糊控制算法子程序21錯誤！未定義書簽。6結論錯誤！未定義書簽。參考文獻錯誤！未定義書簽附錄A反應釜溫度智能控制系統(tǒng)設計總電路圖錯誤！未定義書簽致謝錯誤！未定義書簽。1緒論反應釜溫度智能控制器研究與開發(fā)的背景和意義反應釜是化工生產過程中的關鍵設備之一，同時也是主要的能耗設備，它具有非線性、時變、大滯后等特性，是一個涉及多種因素的復雜系統(tǒng)。產品的質量在很大程度上取決于工藝參數(shù)（主要是溫

9、度、壓力）的控制。因此，設計在線控制手段，保證物料在加工過程中的溫度和壓力變化符合理想的工藝曲線，將大大提高產品的質量和產量，達到優(yōu)質、穩(wěn)定、可靠和節(jié)能降耗的目的。從而提高生產率，增加企業(yè)的經濟效益。在我國，由于大中城市科學技術和工業(yè)自動化的發(fā)展步伐較快，近年來一些生產規(guī)模不大，技術相對落后，而具有一定危險性的化工生產項目轉移到農村和小城市，并常有反應釜爆炸、起火等安全事故發(fā)生，因此對反應釜智能化檢測和控制裝置的呼聲日益增高。從長遠來說，由于許多化學工業(yè)、生物制藥工業(yè)又有規(guī)模小、產品更新?lián)Q代快的特點，使得多數(shù)小規(guī)模反應釜生產方式將長期存在下去。由于各種化學反應過程差異大，對現(xiàn)在的多數(shù)的反應釜而

10、言，缺少成熟、通用、制式化的智能控制設備。因此有必要研制適合于小規(guī)模反應釜的低成本、控制簡便的溫度智能控制器。反應釜溫度控制技術的現(xiàn)狀自上世紀70年代以來，由于工業(yè)過程控制的需要，特別是在微電子技術和計算機技術的迅猛發(fā)展以及自動控制理論和設計方法發(fā)展的推動下，國外溫度控制系統(tǒng)發(fā)展迅速，并在智能化、自適應、參數(shù)自整定等方面取得成果，在這方面，以美國、德國、瑞典等國技術領先，都生產出了一批商品化的、性能優(yōu)異的溫度控制器及儀器儀表，并在各行業(yè)廣泛應用1。它們主要具有如下的特點：適應十大慣性、大滯后等復雜溫度控制系統(tǒng)的控制。能夠適應于受控系統(tǒng)數(shù)學模型難以建立的溫度控制系統(tǒng)的控制。能夠適應于受控系統(tǒng)過程

11、復雜、參數(shù)時變的溫度控制系統(tǒng)的控制。這些溫度控制系統(tǒng)普遍采用自適應控制、自校正控制、模糊控制、人工智能等理論及計算機技術，運用先進的算法，適應的范圍廣泛。（5）普遍溫控器具有參數(shù)自整定功能。借助計算機軟件技術，溫控器具有對控制對象控制參數(shù)及特性進行自動整定的功能。有的還具有自學習功能，它能夠根據歷史經驗及控制對象的變化情況，自動調整相關控制參數(shù)，以保證控制效果的最優(yōu)化。6）溫度控制系統(tǒng)具有控制精度高、抗干擾力強、魯棒性好的特點。目前國內外較先進的化工過程監(jiān)控裝置基本上是應用各類傳感器為檢測敏感元件，以單片微處理器為控制器件，通過控制攪拌器、電磁閥等執(zhí)行器件實現(xiàn)容器內的溫度、壓強調節(jié)等目的2。反

12、應釜的過程分析所謂過程系統(tǒng)是指研究一類以物質和能量轉變?yōu)榛A（即過程工業(yè)）的生產過程，研究這類過程的描述、模擬、仿真、設計、控制和管理，旨在進一步改善工藝操作，提高自動化水平，優(yōu)化生產過程，加強生產管理，最終顯著地增加經濟效益。過程控制的任務是在了解掌握工藝流程和生產過程動態(tài)特性的基礎上，根據生產對控制提出的要求，應用控制制理論，設計出包括被控對象、調節(jié)器、檢測裝置和執(zhí)行器在內的過程控制系統(tǒng)，并對它進行分析和綜合，最后采用合適的技術手段加以實現(xiàn)。也就是說，過程控制的任務是由控制系統(tǒng)的設at和實現(xiàn)來完成的5o反應釜的基本結構反應釜有間歇式和連續(xù)式之分。間歇反應釜通常用于液相反應，如多品種、小批量

13、的制藥、燃料等反應。連續(xù)反應釜用于均相和非均相的液相反應，如聚合反應等。本文使用的是間歇式反應釜。攪拌電機圖反應釜結構示意圖反應釜的基本結構如圖所示。反應釜由攪拌容器和攪拌機兩人部分組成。攪拌容器包括簡體、換熱元件及內構件。攪拌器、攪拌軸及其密封裝置、傳動裝置等統(tǒng)稱為攪拌機。簡體為一個鋼罐形容器，可以在罐內裝入物料，使物料在其內部進行化學反應。為了維持反應釜內的反應溫度，需要設置換熱元件。常用的換熱元件為夾套，它包圍在筒體的外部，用焊接或法蘭連接的方式裝設各種形狀的鋼結構，使其與容器外壁形成密閉的空問。在此空間通入冷卻或加熱介質，通過夾套內壁傳熱，可冷卻或加熱容器內的物料，介質的每秒流量受電磁

14、閥的控制。由于化學反應對反應物的純度有一定的要求，并且反應過程有可能產生劇毒、易燃、易爆的氣體和物料，所以密封裝置是反應釜必不可少的一部分。傳動裝置包括電動機、減速機、連軸器及機架。通過電機驅動攪拌軸，帶動攪拌器旋轉，為物料的循環(huán)提供動力。罐頂和罐底分別裝有加料口和出料口，分別用于往罐中加入物料和從罐中取走物料。為了測量釜內的溫度，在罐內裝有鋼制的溫度計套管，可將溫度計或溫度傳感器放入其中。為了滿足工藝的需要，還可以外接附件裝置3。反應釜的工作原理在進行化學反應之前，先將反應物按照一定的比例進行混合，然后與催化劑一同投入反應釜內，在反應釜的夾套中通以一定的高壓蒸汽，高壓蒸汽通過反應釜的夾套提高

15、釜內物料的溫度，通過攪拌器的攪拌使物料均勻并提高導熱速度，使其溫度均勻。當釜內溫度達到預定的溫度時，保持一定時間的恒溫以使化學反應正常進行，反應結束后進行冷卻。有時在恒溫后還要進行二次升溫和恒溫。恒溫段是整個工藝的關鍵，如果溫度偏高或偏低，會影響反應進行的深度和反應的轉化率，從而影響了產品的質量。化學反應過程中一般伴有強烈的放熱效應，并且反應的放熱速率與反應溫度之間是一種正反饋自激的關系。也就是說，若某種擾動使反應溫度有所增加，反應的速率就會增加，放熱速率也會增加，會使反應溫度進一步上升，甚至會引起“聚爆”現(xiàn)象使釜內的產品變成廢品，并且會影響安全生產。為了使釜溫穩(wěn)定，在夾套中通以一定的冷卻介質

16、，來移走反應放出的多余熱量。通過調節(jié)流入反應釜夾套中冷卻介質的流量，來控制反應釜內物料的溫度使之符合工藝要求4。反應釜的控制方案在設計反應釜智能控制器時有必要弄清反應釜的控制目標和可能的控制手段。關于控制指標可以從下列幾個方面考慮。(1)控制指標根據反應釜及其內在進行的反應的不同，其控制指標可以選擇反心轉化率、產品的質量、產量等直接指標，或與它們有關的間接工藝指標，如溫度、壓力、粘度等。(2)物料平衡對于反應釜來說，從穩(wěn)定角度出發(fā)，流入量等于流出量，如屬可能需常常對主要物料進行流量控制。另外，在有一部分物料循環(huán)系統(tǒng)內應定時排放或放空系統(tǒng)中的惰性材料。(3)能量平衡要保持反應釜的熱量平衡，應使進

17、入反應器的熱量與流出的熱量及反應生成熱之間相互平衡。能量平衡控制對反應釜來說至關重要，他決定了反應釜的安全生產，也間接保證反應釜的產品質量達到工藝要求。(4)約束條件與其它化工操作設備相比，反應釜操作的安全性具有更重要的意義，這樣就構成了反應釜控制中的一系列約束條件。例如，不少具有催化劑的反應中，一旦溫度過高或反應物中含有雜質，將會導致催化劑的破損和中毒：在有些氧化反應中，反應物的配比不當會引起爆炸等等。因此，在設計中經常配置報警或自動選擇性控制系統(tǒng)。質量控制通過上述控制，保證反應過程平穩(wěn)安全進行的同時，還應使反應達到規(guī)定的轉化率，或使產品達到規(guī)定的成分，因此必須對反應進行質量控制。質量指標的

18、選取，即被控變量的選擇可分為兩類：取出料的成分或反應的轉化率等指標作為被控變量；取反應過程的工藝狀態(tài)參數(shù)(間接質量指標)作為被控產量6。反應釜控制指標的選擇是反應釜控制方案設計中的一個關鍵問題。反應釜的控制指標主要是反應的轉化率、產量、收率、主要產品的含量和產物分布等。如果直接把這些指標作為被控對象，反應要求就得到了保證。但是，這些指標人多是綜合性指標，無法測量，有些是成分指標，但也缺少測量手段，或者測量滯后大，精度差，不宜作為被控變量。在反應過程中，溫度和上述指標密切相關，又便于測量。所以，本文將溫度作為被控量。冷卻劑的變化影響熱量移走的大小，因此，常需穩(wěn)定其流量或壓力。由于冷卻劑往往作為溫

19、度控制的操縱變量，因此，一般對它們的流量進行控制。本文就是采用這樣的控制方案。前面已提到了，在恒溫過程中，通過在夾套中通以冷卻介質來吸收多余的反應熱，冷卻介質的流量是通過調節(jié)閥的開度來控制的，方案如圖所示。由于冷卻介質的流量相對較少，釜溫與冷劑溫差較大，當內部溫度不均勻時，易造成局部過熱或過冷。為了解決這個問題，本文在反應釜內部不同位置放置多個數(shù)字溫度計來測量反應釜內部的溫度，通過釜內各點溫差來調節(jié)攪拌速度。在局部溫差較大時，通過提高攪拌速度來加快傳熱，以保證釜內溫度的均勻。本文設計了一個相對獨立的控制回路?；芈芬愿獌绕骄鶞囟葹檩斎肓?以冷卻介質閥門的開度為輸出量。反應釜的動態(tài)特性基本方程對間

20、歇式反應釜，化學反應中熱量平衡關系為：(反應系統(tǒng)內累積熱量)二(反應系統(tǒng)內反應放出熱量)+(通過問壁傳入反應系統(tǒng)熱量)。假設反應釜和夾套的容積和密度都保持不變，忽略熱交換過程中的熱量損失，可得下列方程反應釜內溫度與熱量平衡方程為6dT(1.2)MCpVrHc(Ca,T)UArTcTdt式中，Cp反應釜內反應物比熱；Ca反應釜內反應物濃度；M反應物總質量；Vr反應器容積；U反應釜間壁的總傳熱系數(shù)；Ar反應釜間壁的傳熱面積；T反應釜內溫度；Tc冷卻介質出口溫度；)oH摩爾反應熱(吸熱為正，放熱為負夾套內溫度與熱量平衡方程為、，cdTcVccCpcdtWcCpcThTcUAr(TTC)(1.3)式中

21、，VccCpc-WTh-夾套內冷卻介質的容積；-夾套內冷卻介質的密度;夾套內冷卻介質的比熱;-冷卻介質的流量；-冷卻介質的入口溫度?；瘜W反應速度p(Ca,T)為rCa,TkCAkoexoE-Cart()將式(1.7)代入(1.5),可得dT(H)VrdtMCpk0exp-ECartUArMCpTcT(1.5)由式(1.6)得dTcW丁ThdtVTcuarVccCpcTc(1.6)基本方程的線性化式(1.8)和式(1.9)是表示反應釜溫度動態(tài)特性的基本方程，均為非線性方程。為了便于應用線性控制理論來分析小擾動下的動態(tài)特性，對式(1.7)和式(1.8)進行線性化(在寫增量方程時，為簡化寫法矩陣形式

22、的線性方程,一律從簡，各變量上方的“”表示穩(wěn)態(tài)值)，可得以下AxBu(17)式中,TTca1a2a12a22其中,00b21b22ThW（錯誤!文檔中沒有指定本¥式的文字。.1）UARHMCAkEa1iMCpcVrCpRTUAra2iMCpUArai2VcWUAra22VcVccCpcb21WVc,ThTcb22Vc論文的研究內容反應釜的溫度控制是化工生產過程的中心環(huán)節(jié)，目的是保證反應過程的產物達到一定的質量和控制要求，并確保反應的安全進行。反應器的工藝指標多為轉化率以及產品的質量、產量等，其值主要取決于產品混合物中各組成部分的量的濃度，所以最直接的控制系統(tǒng)是以產物濃度為被控變量。但

23、由于無實用的在線分析儀和采樣問題不易解決，所以選用溫度為間接參數(shù)是最有效的辦法19。因此本課題的主要任務之一就是要實現(xiàn)反應釜溫度的智能控制。要實現(xiàn)溫度的精確控制，就要有精確的溫度傳感器，本文采用單線芯片DSl8820數(shù)字溫度計實現(xiàn)多點溫度采集，具測溫精度可達到0.0625C?？刂品椒ㄉ喜捎媚：刂?。反應釜內的溫度有一定的限制，在開始階段，由于溫度低于設定的反應溫度，需要通過電磁閥給反應釜的夾套通以蒸汽，當溫度接近給定值時，釜內的原料進行反應，并釋放出反應熱，使釜內的溫度上升較快。當溫度超過給定值時，化學反應速度迅速提高，釜內的溫度急劇上升，此時，需要通過閥對反應釜的夾套通以冷卻介質，對反應釜進

24、行降溫，從而使釜內溫度穩(wěn)定存給定值，保證生產的順利進行。作為智能控制器，人機交互即人機界面是必不可少的。本控制器通過LED顯示屏來實現(xiàn)顯示功能，同時可以通過鍵盤來實現(xiàn)工況、反應釜內要達到的溫度和定時時間的設定。系統(tǒng)的軟件設計采用了結構化的設計方法，主要有主程序模塊、溫度采集模塊、鍵盤中斷處理模塊、定時器中斷處理模塊、輸出控制模塊、控制算法模塊以及相應的顯示模塊，同時還運用了一些軟件抗干擾措施?？刂品桨傅拇_定總體控制方案的確定根據對反應釜的特性分析可知，反應釜的溫度對化學反應有很大的影響。我們在分析對象特性時，做了很多的假設，對方程進行了近似處理。事實上，反應釜反應過程復雜，控制難度大，系統(tǒng)中存

25、在著隨機性和時變性，求取其數(shù)學模型十分困難。本文采用反應釜的溫度作為被控對象，反應釜的溫度控制與一般的過程工業(yè)相比，主要有以下幾個方面的特點：時滯性和慣性很大。由于反應釜的熱容量大，且反應釜與外界熱交換主要靠反應釜的夾套進行傳熱，釜內物料與夾套內的冷卻介質的熱交換也需要時問，導致系統(tǒng)表現(xiàn)出很大的時滯性和慣性。(2)時變性。反應釜內的溫控特性主要取決于化學反應的激烈程度，而整個生產過程從起始升溫、中間恒溫到最后的降溫，對象具有明顯的時變性。并且，就某一個具體的階段而苦，由于化學反應的速度不穩(wěn)定，導致過程的增益、慣性時間和滯后也會發(fā)生相應的變化。(3)過程不穩(wěn)定。本反應釜內的化學反應為放熱反應，溫

26、度越高反應越劇烈，放熱也越多，存在正反饋，是不穩(wěn)定過程。(4)干擾因素很多，主要有：a.總管蒸汽壓力和冷卻水壓力不穩(wěn)定，而不同壓力時的加熱或冷卻效果相差很大，給溫度控制帶來很大的擾動。b.每批物料的成分和質量不可能完全一樣，在反應過程中表現(xiàn)出的特性也就有所區(qū)別，有時甚至差別很大。針對被控對象的上述特點，應選擇合理的控制方案，針對被控對象的時變性和大時滯性，應綜合考慮系統(tǒng)的魯棒性和快速性的要求，提高測量精度和測量穩(wěn)定性，最終設計和開發(fā)出可靠性、穩(wěn)定性好、系統(tǒng)性價比高的控制器。我們知道，無論是以傳遞函數(shù)為核心的經典控制理論，還是以最優(yōu)控制理論為核心的現(xiàn)代控制理論，應用它們解決自動控制的實際問題時，

27、都先假設被控對象的特性是線性的或近似線性的，并且己知描述被控對象特性的某種形式的數(shù)學模型，如微分方程、傳遞函數(shù)、狀態(tài)方程等9。由前述可知，本系統(tǒng)的傳遞函數(shù)是由反應釜內的物料、狀態(tài)以及反應釜的各個參數(shù)決定的，隨著物料或者反應釜參數(shù)的變化，傳遞函數(shù)也會發(fā)生變化，即其傳遞函數(shù)是多變的。所以經典控制理論和現(xiàn)代控制理論的最優(yōu)控制難以應用在反應釜內的化學反應上，而模糊控制的優(yōu)點是不需要掌握受控對象的精確數(shù)學模型，根據人工控制規(guī)則組織控制決策表，并且規(guī)則可以通過學習不斷更新，對被控對象參數(shù)的變化和干擾具有較強的魯棒性，對噪聲干擾具有較強的抑制能力，正適合于這種模型未知或多變的控制系統(tǒng)。本文采用了模糊控制方法

28、，使系統(tǒng)具有模糊控制靈活而適應性強的優(yōu)點，使被控變量具有良好的動態(tài)特性和靜態(tài)特性。模糊控制器設計模糊控制器簡述模糊自動控制是以模糊集合化，模糊語言變量及模糊邏輯推理為基礎的一種計算機數(shù)字控制。從線性控制與非線性控制的角度分類，模糊控制是一種非線性控制；從控制器的智能性看，模糊控制屬于智能控制的范疇，而且它已成為目前實現(xiàn)智能控制的一種重要而有效的形式。本節(jié)主要研究模糊控制系統(tǒng)的組成，模糊控制基本原理和設計方法。語言規(guī)則U執(zhí)行器對象檢測裝置圖3.1模糊控制原理框圖模糊控制原理框圖如圖所示，它的核心部分為模糊控制器，如圖中虛線框所示。模糊控制器的控制規(guī)則由計算機的程序實現(xiàn)，微機通過采樣獲取被控量的精

29、確值，然后將此值與給定值比較得到偏差e和偏差變化ec。然后把偏差e和偏差變化ec進行模糊化變成模糊量E和EC,E和EC可用相應的模糊語言變量表示。至此，得到了偏差e和偏差變化ec的模糊語言集合的子集E和EC再由旦EG和模糊才5制規(guī)則R候糊關系)根據推理合成規(guī)則進行決策，得到輸出量的模糊控制量U。為了對被控對象施加精確的控制，還需將模糊量U轉換為精確量，這一步在圖上稱為解模糊(亦稱為去模糊化或清晰化)，得到精確的數(shù)字量。得到精確的數(shù)字量后，經過數(shù)模轉換(上圖中未畫出)，變?yōu)榫_的模擬量后送給執(zhí)行器，對被控對象進行控制。綜上所述，模糊控制器的設計包括以下幾項內容：(1)確定模糊控制器的輸入變量和輸

30、出變量(即控制量)o(2)設計模糊控制器的控制規(guī)則。(3)進行模糊化和去模糊化(又稱清晰化的方法)。(4)選擇模糊控制器的輸入變量及輸出變量的論域并確定模糊控制器的參數(shù)(量化因子，比例因子)。(5)編制模糊控制算法的應用程序。(6)合理選擇模糊控制算法的采樣時間。下面將詳細介紹一下本論文模糊控制器的設計10o模糊控制器的設計3. 2.2.1模糊控制器的結構設計模糊控制器的結構設計是指確定模糊控制器的輸入變量和輸出變量。模糊控制器輸入和輸出變量的選擇在很大程度上受手動控制的影響。根據輸入變量的個數(shù)，模糊控制器有一維、二維和多維之分。一維模糊控制器的輸入變量只選一個誤差，它的動態(tài)控制性能不佳。從理

31、論上講，模糊控制器的維數(shù)越高，控制越精細。但是維數(shù)過高，模糊控制規(guī)則變得過于復雜，控制算法的實現(xiàn)相當困難。因此，人們廣泛設計和應用一維模糊控制器。本文也采用二維模糊控制器，將設定溫度和實際溫度的偏差e和偏差的變化ec作為輸入變量，e和ec可按F式求得(2.1)(2.2)Pnrn-yHec(n)e(n)e(n1)式中,r(n)設定溫度；y(n)實際溫度；e(n)第n次采樣時刻溫度偏差的精確值;ec(n)第n次采樣時刻偏差變化的精確值。e和ec經過模糊化后分別為模糊變量E和EG經模糊推理后的輸出量為u,解模糊后對應的精確量為冷卻介質閥門開度的變化量uo由此，本論文中的模糊控制器設計可分為三個步驟：

32、精確量的模糊化、模糊控制規(guī)則的設計和輸出量的模糊判決11o3.2,2.2精確量的模糊化在確定了模糊控制器的結構之后，就需要對輸入量進行采樣、量化并模糊化。將精確量轉化為模糊量的過程稱為模糊化(Fuzzification),或稱為,g糊量化14。計算機輸出的控制量均為精確量，需經過模糊化處理，變?yōu)槟：?，以便實現(xiàn)模糊控制。模糊控制器的輸入變量e、ec的實際變化范圍以及被控對象實際所要求的控制量u的變化范圍稱為這些變量的基本論域。而模糊控制器的輸入變量e、ec以及輸出控制u所取模糊子集的范圍稱為這些變量的論域。設偏差e的基本論域為-Xe,+xe,偏差變化ec的基本論域為-Xec,+Xec0設偏差變

33、量所取的模糊了集的論域為-n,-n+1,，0,，n-l,n,偏差變化所取的模糊了集論域為-m,-m+1,，0,，m-l,m。為了進行模糊化處理，必須將輸入變量從基本論域轉換到相應的模糊集的論域，這需將輸入變量乘以相應的量化因了。偏差的量化因子K,及偏差變化的量化因子Ke,分別由下面兩個公式來確定(2.3)(2.4)Ken.XeKecmXec量化因予Ke及Kec的大小對控制系統(tǒng)的動態(tài)性能影響很大。從理論上講，Ke增大，相當于縮小了偏差的基本論域，增大了偏差變量的控制作用，雖然能使上升時間變短，但由于超調大，使得系統(tǒng)的過渡過程變長。Kec對超調的遏制作用十分明顯，Kec選擇越大系統(tǒng)超調越小，但系統(tǒng)

34、的響應速度變慢。n和m的取值與控制精度有關，它們的值取得越大，意味著控制精度越高，但如果取得過大，會增加控制器的復雜程度。經綜合考慮后，本文取n=6,m=6o偏差變化采用限幅的辦法，設定偏差e的變化范圍為-15,+15,即偏籌絕對值超過15的按照15計算，即|Xe|=15,取偏差變化ec的變化范圍為-3,+3,即xec=3。根據式(2.3)和式(2.4)可得Ke=,Kec=20對于第n次采樣時刻溫度偏差的精確值e(n)和第n次采樣時刻偏差變化的精確值ec(n),分別乘以相應的量化因子即可轉換為對應的模糊論域中，如果轉化后的值不是整數(shù)，采用四舍五入的辦法就近取整1模糊控制規(guī)則的

35、設計控制規(guī)則的設計一般包括三部分內容：選擇描述輸入輸出變量的詞集，定義各模糊變量的模糊子集及建立模糊控制器的控制規(guī)則。.1輸入輸出變量的詞集模糊控制器的控制規(guī)則表現(xiàn)為一組模糊條件語句，在條件語句中描述輸入輸出變量狀態(tài)的一些詞匯(如“正大”、“負小”等)的集合，稱為這些變量的詞集(也稱變量的模糊狀態(tài))。實際應用中，一般都選用“大、中、小”三個詞匯來描述模糊控制器的輸入、輸出變量的狀態(tài)。選擇的較多的t匯描述輸入.輸出變量，可以是制定的控制規(guī)則方便，但是控制規(guī)則相應變得復雜。相反，如果詞匯選的過少，使得描述變量變得粗糙，導致控制器性能變壞。本文把偏差E、偏差變化量EC和輸出量U的模糊狀

36、態(tài)選為以下七個詞匯，即負大、負中、負小、零、正小、正中、正大NB,NM,NS,O,PS,PM,PB其中N=Negative,B=BigM=Middle,S=Smal|0=0,P=Pos市va描述輸入、輸出的詞匯都具有模糊性，可用模糊集合來表示，因此，模糊概念的確定問題就直接轉化為求取模糊集合隸屬函數(shù)的問題。輸出量的模糊判決模糊控制器的輸出是一個模糊集，他包含控制量的各種信息，但被控對象僅能接受一個精確的控制量，應從中選擇那一個控制量施加到被控對象中去呢這就要進行模糊判決，把模糊兩轉化為精確量。把模糊量轉化為精確量的過程稱為清晰化，又稱為去模糊化，或稱為模糊判決。模糊判決的方法有很

37、多，常用的方法有重心法、最大隸屬度法、系數(shù)加權平均法、以及中位數(shù)法等。最大隸屬度法簡單易行，使用方便，算法實時性好，具體做法是在推理結論的模糊集合中選取隸屬度最大的元素作為精確控制量。由前述己知，模糊關系R是一個龐大的矩陣。對于實時控制系統(tǒng)，要求實時性好,不允許過長的計算時間。如果對于每一次輸入，部按照U=(E-EC)oR+算輸出量的模糊子集，在實時控制系統(tǒng)中是不可行的。為了解決上述問題，/以采用查表的方法，即事先把模糊關系矩陣R離線計算好，寫成模糊控制表。在實際使用時，只要根據輸入量查表就可以得到精確的輸出量。表模糊控制表-6-5-4-3-2-10123456-66666666442000-

38、56666666442000-46666654433000-36666555320-1-1-1-24444432100-1-1-12-2-204443320-1-1-1-3-3-31111100-1-1-3-3-3-3-321110-1-1-3-3-4-4-4-4-430000-2-2-2-6-6-6-6-6-64000-3-3-4-4-5-6-6-6-6-65000-2-4-4-5-5-6-6-6-6-66000-2-4-4-6-6-6-6-6-6-6對于上述的模糊控制器的模糊控制表由輸入輸出變量及其論域和模糊變量的賦值表決定，一旦模糊控制表確定之后，模糊控制器的控

39、制規(guī)則就確定下來了。為了使本控制器能適應不同控制系統(tǒng)的要求，本文在上述基礎上采用了基于規(guī)則修改的自適應模糊控制。3.2,2,3基于規(guī)則修改的自適應模糊控制器基于規(guī)則修改的自適應模糊控制器指的是，它的控制規(guī)則可以隨它所控制的運行和環(huán)境的變化而自動地修改?；谝?guī)則修改的自適應模糊控制器由多種類型，本文采用的是帶自調整函數(shù)的模糊控制器首先引入一個算子<a>,140a法示取一個與n同號且最接近于n的整數(shù)，即:int(a)a；aint(a)a為大于零的非整數(shù)時a為整數(shù)時a為小于零的非整數(shù)時基于規(guī)則修改的自適應模糊控制器是通過在控制中給偏差E和偏差變化EC加上一定的權系數(shù)來對模糊控制規(guī)則進行修

40、改的。但是，模糊控制系統(tǒng)在不同的狀態(tài)下，對控制規(guī)則中偏差E和偏差變化EC的加權程度有小同的要求。因此，如果想要取得較理想的控制特性，就要在不同的控制階段對偏差E和偏差變化EC加不同的權系數(shù)，但這樣控制起來就比較麻煩，并且加權系數(shù)的選擇在很大程度上依賴于工作經驗或需要出實驗調試確定。如果將調整因子變?yōu)槎喾N形式的調整函數(shù)，就可以進一步改善模糊控制的功能。帶自調整函數(shù)的模糊控制器就是基于這種想法而產生的。常用的帶自調整函數(shù)的模糊控制器的調整方法有修正函數(shù)法、a(t)調整函數(shù)法和智能權函數(shù)法。本文采用的是智能權函數(shù)的方法，它的突出特點是權函數(shù)僅是輸入變量的函數(shù)，具有仿人智能的控制策略。對二維模糊控制系

41、統(tǒng)而言，當系統(tǒng)偏差大時，控制系統(tǒng)的主要任務足消除偏差，應對偏差的作用給予較大的加權，偏差越大，加權也越大；反之，當偏差變化相對較小時，此時系統(tǒng)已接近穩(wěn)定，控制系統(tǒng)的主要任務是使系統(tǒng)盡快穩(wěn)定，需要對偏差變化加權大些。根據上述，利用偏差及偏差變化本身的絕對值作為自身的加權是可取的，同時在滿足二者加權之和應等于l的條件下，偏差的權函數(shù)及偏差變化的權函數(shù)分別設計為：ae舊ECaecECEC式中，E及EC分別是偏差及偏差變化的模糊量，顯然滿足aeaec1的條件。根據上述設計智能權函數(shù)分別對兩個輸入量加權，可得到如下模糊控制規(guī)則:ECECECEC控制量的精確量可通過式(2.8)和式(2.9)在線確定，可以

42、減少存儲器空間的占用。并且對于不同的控制對象和控制系統(tǒng)，亦可應用本控制器的控制規(guī)則，即本控制器實現(xiàn)了通用化。每次采樣模糊控制器給出的控制量(模糊集)經模糊判決，可得到控制量的精確量，但還不能直接控制被控對象，必須將其轉換到被控對象所能接受的基本論域中，一般的做法是：經模糊判決后得到的控制量u乘以一個適當?shù)南禂?shù)，轉換到被控對象的基本論域中去，這個系數(shù)就稱為比例因子。設控制量的的基本論域為yu，yu,對應的模糊子集的論域為-p,-p+1j,0j,p-1,P,則比例因子Ku為:yuKuy-p(2.10)本文使用一個字節(jié)單元存放閥門的開度值，即輸出控制量(0,255)對應著冷卻介質閥門從關閉到開度最大

43、的狀態(tài)。閥門開度的變化設定為為卜24,+24,即yu=24,又已知p=6,由式(2.10)可得Ku=4。若某一時刻模糊判決得到的輸出量為xn(n),則對應的控制量變化u(n)為：u(n)Kuxu(n)(211)因此，采樣時刻的輸出控制量u1(n)為：u1(n)u(n1)式(2.12)為增量式輸出，在實際使用時，需將出：u(n)(2.u(n)轉化到0255范圍內,12)因此輸ui(n)ui(n)2425648同時，需要對u(n)作必要的限幅。u(n)u(n)2250本文模糊控制器的最終輸出u(n)為:0u(n)255u(n)255u(n)0(2.14)模糊控制器的控制算法是由計算機的程序實現(xiàn)的，

44、具體流程圖見本文的“控制系統(tǒng)的軟件設計”部分。硬件電路設計系統(tǒng)硬件構成本文設計的控制系統(tǒng)硬件電路由主控制器、數(shù)字溫度計、過零檢測電路、輸出控制電路、鍵盤、LED顯示電路及電源等組成，系統(tǒng)的硬件組成如圖所示圖系統(tǒng)硬件電路圖主控制器采用AT89C2051單片機，它是ATMEL公司生產的與MCS51系列完全兼容的CMOS型8位單片機，是ATMEL公司AT89系列中經濟低價產品。它有2KBFlash程序存儲器和128字節(jié)的內部RAM,可以滿足本論文中的系統(tǒng)要求。另有15條可編程I/O線，2個16位定時/計數(shù)器，5個可設定為兩級優(yōu)先級的中斷源和一個全雙工串行UART接口。CMOS型單片機比一般的單片機功

45、耗更低，特別適合需要節(jié)能的工業(yè)測控領域。溫度采集采用DS18B20單線集成溫度傳感器，不需A/D轉換電路，內含溫度傳感器，并以912比特的分辨率數(shù)字化，測溫速度快，精度高，互換性好，與單片機的1位I/O線相連，在一條I/O線上同時掛接4片DS18B20以完成多點溫度采集，極大的節(jié)省了單片機的I/O口線，并且通信方便，傳輸距離遠且抗干擾性好，很適合于遠距離的溫度采集。與用傳統(tǒng)溫度傳感器組成的多點測溫系統(tǒng)相比可以節(jié)省I/O口線,，而且系統(tǒng)得以簡化，系統(tǒng)擴充維護十分方便。模擬量的輸出使用一片8位串行輸入D/A轉換器MAX518將控制信號送入電動執(zhí)行器。MAX518可完成2路D/A轉換，分別控制加熱閥

46、門和冷卻閥門的開度，且只占用兩個I/O線。D/A轉換后的電壓信號經V/I變換為電流信號，可實現(xiàn)遠距離傳輸。開關量輸出通道采用雙向可控硅控制交流電機，通過過零檢測和軟件延時來挖制雙向可控硅的導通角，從而控制電動機的導通時間，進而控制電動機的轉速，實現(xiàn)電動機的無級調速。系統(tǒng)還設計了8個薄膜開關、4個8位LED數(shù)碼管和5個發(fā)光二極管以設定和顯示工作狀況。電源電路考慮到工廠實際使用的方便性，整個系統(tǒng)采用220V工頻電源供電，而單片機及其外整個電源電路由交流濾波電路、變壓器、整流電路和穩(wěn)壓電路組成。變壓器T1將220V交流電壓轉換為24V低壓交流電壓。4個二極管構成的整流電路用于將低壓交流電壓整流為全波

47、直流脈動電壓。該全波直流脈動電壓經二極管D5,與濾波電容C5相連，形成較平滑的直流電壓。由于放大器LM358和v/I轉換器AD694需要+15V電壓，故在整流之后使用一片MC7815T和MC7805T用接得到兩種不同的直流電壓。穩(wěn)壓器使用時需在輸入和輸出端各并接一個電容。輸入端的電容用以抵消輸入端較長接線的電感效應，防止產生自激振蕩。輸出端的電容是為了瞬時增減負載電流時不致引起輸出電壓有較大的波動。二極管D5的作用是隔離全波直流脈動電壓和濾波后的直流電壓。但是MC7815T與MC7805T串連相接，MC7815T功耗比較大，易發(fā)熱，故采用了大功率的MC7815T與MC7805T,以提高電源的可

48、靠性。同時，由整流電路輸出的全波脈動直流電壓，也經電阻Rl送到過零檢測電路，用于產生過零脈沖信號。過零檢測電路過零檢測電路由NPN晶體管Q1和電阻R1和R3組成，用于檢測電源電壓波形的過零點。電路如所示。由整流電路輸出的全波脈動直流電壓經電阻R1和R3分壓后，送入晶體管的基極。只要R3上的分壓值大于，就會使NPN晶體管飽和導通。因此當交流電壓處于過零點時，NPN晶體管截止，輸出正脈沖信號，經過一個非門變?yōu)樨撁}沖，這個脈沖信號就是過零脈沖信號，作為中斷請求信號，它被送到單片機的中斷請求引腳INT1?；贒S18820的多傳感器測溫電路DS18820的性能特點DS18820是美國DallasSem

49、iconductor公司繼DS1820之后推出的一種改進型單線芯片數(shù)字溫度計，能夠直接讀取被測物體的溫度。它具有如下的特性：(1)供電電壓范圍寬，從+3V到+,測溫范圍從一55c到+125C,最高分辨率達0.0625C,測量精度高；(2)具有可編程的溫度分辨率。通過對便簽式RAM中的配置寄存器的可編程溫度分辨力位RRR1進行編程，可設計不同的分辨率：轉換時間較短，9位分辨率轉換時間僅需93.75ms,12位的轉換時間最大也只需750ms；每一個DSl8820都有唯一的64位序列號，并且體積很??；具有電源反接保護電路。當電源電壓的極性接反時，能保護DSl8820不會因發(fā)熱而燒毀，但此時DSl88

50、20無法正常工作15。DSl8820內部結構簡介DSl8820只有3個引腳，DQ腳為數(shù)據輸入/輸出端，即為單線總線連接端，它屬于漏極開路輸出，外接上拉電阻后，常態(tài)下呈高電平。Udd是可供選用的外部+5V電源端,DS18820溫度傳感器的內部存儲器還包括一個高速暫存RAM和一個非易失性的可電擦除的EERAM高速暫存RAM的結構為9字節(jié)的存儲器。前兩個字節(jié)存放溫度測量值，第3和第4字節(jié)是設定的溫度上限TH和溫度下限TL第5個字節(jié)為配置寄存器，第6、7、8字節(jié)保留而未使用，第9個字節(jié)用于存放前面8個字節(jié)的CRC校驗值。配置寄存器各位的定義如圖所示，低5位一直為1,TM是測試模式位，用于

51、設置DSl8820在工作模式還是在測試模式，出廠時已經該位己設置為00R和R決定溫度轉換的精度位數(shù)，即用來設置溫度測量的分辨率。TMR1R011111圖配置寄存器當DS18820接受到溫度轉換命令之后，開始啟動轉換。轉換完成后的溫度就以16位帶符號擴展的二進制補碼形式存儲在高速暫存存儲器的第l、2字節(jié)。單片機可以通過單線接口讀出該數(shù)據，讀數(shù)據時低位在先，高位在后。溫度格式如圖所示。SSSSS262524232221202-12-22-32-4圖溫度數(shù)據格式當符號位S=0時，表示測得的溫度值為正值；當符號位S=1時，表示測得的溫度值為負值。為了在AT89C2051與DS18820之間建立正確的數(shù)

52、據通訊，AT89C2051單總線的接口必須嚴格遵守DS18820的操作協(xié)議和操作時序。該協(xié)議定義了幾種信號類型：復位脈沖、應答脈沖、寫0、寫1、讀0和讀1等。除了應答脈沖以外，都由主機發(fā)送同步信號，并且所發(fā)送所有的命令和數(shù)據都是低位字節(jié)在前。很多資料上對DS18820的初始化時序和讀寫時序都做了詳細的介紹，本文在這就不贅述了16。D/A轉換及輸出電路單片機輸出的信號為數(shù)字信號，而執(zhí)行器需要的控制信號為模擬信號，因而需要將數(shù)字信號轉換成模擬信號，這就需要數(shù)模轉換器（D/A）。D/A轉換有串行D/A和并行D/A,申行D/A雖然速度較并行D/A慢，但可以節(jié)省單片機的I/O口線。對于傳統(tǒng)的多數(shù)輸入放大

53、器而言，輸出信號的幅度達不到與電源電壓等值的滿刻度，而MAXIM公司生產的MAX518DAC模擬電壓輸出經過一個精密的跟隨器（起內部緩沖作用），跟隨器的擺率為1V/us,即從0VVdd,這是MAX518的一大優(yōu)點。因此，本文采用了MAX518串行D/A轉換器。電壓放大電路13D/A變換后的信號為模擬電壓信號，而執(zhí)行器控制信號為420mA的電流信號，故需要把電壓信號轉換為電流信號。本論文采用AD694芯片做V/I變換，該芯片需要的輸入電壓為010V,故在V/1變換之前，我們先把05V的電壓信號等比放大為010V的電壓信號。把電壓信號放大的另一個好處是可提高輸出各控制量之間的分檔間距，從而提高輸出

54、精度。為此我們選用兩路集成運算放大器LM358來放大05V的模擬電壓信號。LM358的單電源供電電壓為330V,共模輸入電壓為32V,采用一路LM358放大器實現(xiàn)05V到010V變換的電路如圖所示。圖中為同相輸入的運算放大器比例電路，輸入與輸出的關系為Ui1Vout其中，Vout為MAX518的輸出電壓，Ui為放大器的輸出電壓。由式(3.2)可看出，輸入電壓Vout和輸出電壓Ui間的比例關系與運算放大器本身的參數(shù)無關，而只與外接電阻R和K的大小有關，這樣其精度和穩(wěn)，定性都很高。如果使R=R,則輸出電壓正好為為輸入電壓的2倍，即實現(xiàn)了05V到010V的變換。為了確保電路的精度，K使用可調電阻，這

55、樣可使的與R8的差值盡可能的小17。同相比例運算電路是一個深度串聯(lián)電壓負反饋電路，電路的輸入電阻很高，輸出電阻很低，可以減小儀器接入時對被測電路的影響，并且?guī)ж撦d的能力較強。V/I轉換電路在工業(yè)控制系統(tǒng)中，常常以電流方式傳輸信號，因為電流適合于長距離傳輸，傳輸信號衰減少，抗干擾能力強。因此，大量的常規(guī)工業(yè)儀表是以電流方式瓦相接配的。而一般單片機應用系統(tǒng)模擬信號輸出只是電壓信號，它能處理的一般也只足電壓信號，因此在某些需要電流輸出或只是提供電流信號的場合，需要進行電壓/電流轉換。本論文采用AD公司生產的AD694芯片實現(xiàn)V/I變換，它能將高電壓信號轉換成420mA的電流信號。其主要性能特點如下：輸入電壓范圍寬，能夠接收020V和0-10V高電平輸入信號，通過編程還可接收02V的輸入信號；輸出電流范圍為420mA或020mA;可以單電壓供電，也可以雙電壓供電。單電壓電源電壓范圍是4.5V36V,雙電源電壓為土15V;(3)精度高。非線性誤差為±%,2V、10V量程的轉換精度為±%,轉換靈敏度分別為V、/