DOC《毕业设计》

毕业设计学生姓名 江颖玲 学号03084210 院系工学院 机电系 专业自动化 指导教师 石松泉 填写日期 2007.

5.24 烘干机的温度自动控制系统的设计 摘要本设计将对烘干机的温度控制予以研究.烘干机的结构虽然比较简单,但烘干过程是非线性、时变性和多变量的.在烘干过程中由于受各种不确定因素的影响,难于建立精确的数学模型.虽然自适应、自校正控制理论可以对缺乏数学模型的被控对象进行识别,但这种递推法复杂,实时性差,对烘干机水分的控制难以取得较好的控制效果.本设计将模糊控制理论最新应用于干燥的控制系统,以单片机为核心的模糊控制器将模糊逻辑语言控制策略变为有效的自动控制策略.在数字单片机上用模糊控制算法编制软件程序来实现对烘干过程的模糊控制. 关键词 模糊控制;

单片机;

烘干机;

温度传感器 DESIGN OF TEMPERATURE CONTROL OF DRYER ABSTRACT This design will study to the dryer temperature control. The structure of the drier is simple,but the drying process are non-linear, changing with the time and multi-variable. Due to the impact of the uncertainty factor, it is hard to establish the precision of the mathematic model. Though the theory can recognize the controlled object which short of them a thematic model, it is hard to useful control effect because of the complication and the disadvantage in the real- time control. The present design will make controls theory most newly to be applied to the dry control system, the fuzzy controller which takes Micro Control Unit as the core will make the fuzzy logic language control strategy to a effective automatic control strategy. Realizes on the digital Micro Control Unit with the fuzzy control algorithm establishment software procedure to dries the process of fuzzy control. Key words: fuzzy control;

micro-control unit;

dryer;

temperature senior 目录摘要IABSTRACT II

1 前言

1 2.系统设计说明

2 2.1系统框图

2 2.2系统设计内容

2 2.3系统设计任务

2 3.模糊控制

2 3.1 模糊控制的介绍

2 3.2模糊控制器的设计

3 3.3模糊控制算法的研究

4 3.4 模糊-PID复合控制

5 3.4.1 模糊PID控制理论

5 3.4.2 仿真方案

6 4.方案论证

7 4.1 测温元件

7 4.2 温度测量模块

7 4.3 数模(A/D)转换模块

9 4.4 加热控制模块

9 5.硬件设计

10 5.1温度测量电路

10 5.2模数(A/D)转换电路

10 5.3.加热控制电路

11 6 软件设计

11 7 系统仿真结果与分析

12 8 总结

13 参考文献

14 附录一 电路图

15 附录二 程序

16 致谢

26 1 前言 我国是一个人口大国,是一个农业大国,是一个工业处于快速发展的大国,要想我国的国民经济持续快速的发展,我们就要改变过去靠天吃饭的现象.因此提高自动化程度对促进我国的经济发展,提高人民生活水平起着至关重要的作用.而烘干机的使用可以遍布各个行业,各个角落.比如粮食烘干机,我国是世界上最大的粮食生产和消费的国家,年总产粮食约5亿吨.据统计,我国粮食收获后在脱粒、晾晒、贮存、运输等过程中的损失高达15%,远远超过联合国粮农组织规定的5%的标准.在这些损失中,每年因气候潮湿,湿谷来不及晒干或未达到安全水分造成霉变、发芽等损失的粮食高达5%,若按年产5亿吨粮食计算,相当于2500万吨粮食.若每人每天食用1斤粮食,可供6.8万人一年的用量.在南方霉雨季节较长的省份(如江苏,浙江,安徽,湖北及上海)每年粮食霉烂损失高达10%左右,东北地区麦收时期平均每三年就有一年是雨季,特别需要粮食干燥机械,可见发展干燥机械化技术,可以改变传统靠天吃饭的被动局面.又比如工业里用的果渣烘干机,家庭用的衣服烘干机等等.可以说,烘干机的使用已经无处不在,烘干机的作用已经不可以轻视.因此研究一种自动化程度高的烘干机具有特别重要的意义,具有广阔的发展前景. 在烘干机的设计中模糊控制是一个很重要的概念.80年代以来,自动控制系统被控对象的复杂化,它不仅表现在控制系统具有多输入多输出的强偶合性、参数时变性和严重的非线性特性,更突出的是从系统对象所能获得的知识信息量相对减少,以及与此相反地对控制性能的要求却日益商度化.然而,当一个系统复杂性增大时,人们能使它精确化的能力将降低:当达到一定的阀值时,复杂性与精确性将互相排斥.也就是说,在多变盘、非线性、时变的大系统中,系统的复杂性与人类要求的精确性之间形成了尖锐矛盾.因此,要想精确的描述复杂对象与系统的任何物理现象和运动状态,实际上是不可能的,关键在于如何使准确和简明之间取得平衡,而使问题的描述具有实际意义.这种描述的模糊性对问题的求解并非有害,却能高效率的对复杂事物做出正确无误的判断和处理.因此,模糊控制理论的研究和应用在现代自动控制领域中有着重要的地位和意义.随着计算机技术的发展,现代控制理论在大规模线性多变量系统中得到广泛应用;

但是,对于非线性、复杂系统, 这些控制策略却难以适用.而模糊控制不仅使用于小规模线性单变量系统,逐渐向大规模、非线性复杂系统扩展.从已经实现的控制系统来看,它具有易于分析、输出量连续、可靠性高、能发挥熟练专家操作的良好自动化效果等优点. 2.系统设计说明 2.1系统框图 2.2系统设计内容 1)显示当前温度 2)按键控制温度增减 3)系统进行温度调整并控制温度. 4)设计上位机软件,实现温度的上位机控制. 2.3系统设计任务 1)设计基于单片机实现的温度控制系统. 2)尝试进一步提高精度. 3.模糊控制 3.1 模糊控制的介绍 ? 通常,电阻炉炉温控制都采用偏差控制法.偏差控制的原理是先求出实测炉温对所需炉温的偏差值,然后对偏差值处理获得控制信号去调节电阻炉的加热功率,以实现对炉温的控制.在工业上,偏差控制又称PID控制,这是工业控制过程中应用最广泛的一种控制形式,一般都能收到令人满意的效果.但是烘干过程受多方面因素的影响,例如环境温度、湿度,初始粮温、含水率进风里等等,不宜建立精确的数学控制模型.而近代发展的模糊 控制技术在非线性、复杂系统控制方面表现突出,因此采用模糊控制技术来控制烘干过程,达到稳定、高速、有效的显著效果.模糊控制是智能控制的分支之一,它具有以下特点:它是一种非线性控制方法,工作范围宽,适用范围广,特别适合于非线性系统的控制;

它不依赖于对象的数学模型,对无法建模或很难建模的复杂对象,可以利用人的经验知识来设计模糊控制器,从而完成控制任务,而传统的控制方法都要已知被控对象的数学模型才能设计控制器;

它具有内在的并行处理机制,表现出极强的鲁棒性,对被控对象的特性变化不敏感,模糊控制器的设计参数容易选择调整;

算法简单、执行快、容易实现,不需要很多的控制理论知识.[4] 烘干机在工这、农业生产过程中广泛地使用,烘干机的温度是生产工艺的一项重要指标,温度控制的好坏将直接影响产品的质量.根据不同的目的,将材料及其制品加热到适宜的温度、保温,随后用不同方法冷却,改变其内部组织以获得所要求的性能.烘干机具有大惯性、纯滞后等非线性以及时变的特点,开关炉门、加热材料、环境温度以及电网电压等都影响控制过程,基于精确数学模型的常规控制例如PID控制难以保证加热工艺曲线要求.作为非线性控制的一大分支,模糊控制在上述温度控制系统中可以得到较好的应用. 3.2模糊控制器的设计 本控制系统主要完成数据采集、温度显示、炉温控制、故障检测以及报警等功能,智能模糊控制器由单片机完成,采用规则自寻优的控制算法进行过程控制.加热炉采用双向可控硅控制,由单片机输出通断率控制信号,产生可控硅的过零触发脉冲. 整个系统的核心是模糊控制器,AT89C51单片机是控制器的主体.AT89C51是一种带4K字节闪速可编程可擦除只读存储器(PEROM)的低电压、高性能CMOS 8位微控制器.该器件采用ATMEL非易失性存储器制造技术制造,与工业标准的80C51和80C52指令集和输出管脚相兼容.由于将多功能8位CPU和闪速存储器组合在单个芯片中,ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器,为很多嵌入式系统提供了一种灵活性高且价廉的方案.它有4 * 8个I/O口,可以驱动显示电路、控制电路及与上位机通讯口[3]. 它与若干扩展电路(程序存储器、数据存储器、地址锁存器、地址译码器等)构成处理器模块.测温热电偶输出的mV信号经变送器芯片转换成0~10V的标准信号,再将此信号经A/D转换之后进入单片机,单片机根据输入的各种命令,通过模糊控制算法计算控制量,输出脉冲触发信号,通过过零触发电路驱动双向可控硅,从而控制热处理加热炉.此外,智能控制器还包括硬件看门狗电路、故障检测电路、数码显示电路以及电源等.智能模糊控制器的硬件框图如图3-2所示. 模糊控制器的主程序包括初始化、键盘管理及控制模块和显示模块的调用.温度信号的采集、数字滤波、标度变换、控制算法以及温度显示等功能的实现由各子程序完成.软件的主要流程是:利用AT89C51单片机的定时器T0和软件计数产生采样周期,周期到,程序则转入控制模块,调A/D转换、数字滤波及标度转换模块得到炉温的反馈信号,根据偏差和偏差的变化率计算控制量,输出脉冲信号控制过零触发器.启动、停止以及给定值通过键盘利用外部中断产生,有按键输入时则调用中断服务程序.程序流程图如图3-3所示. 3.3模糊控制算法的研究 本系统的对象热处理加热炉是一种具有纯滞后的大惯性系统,用基于精确数学模型的常规控制难以保证加热工艺曲线要求.为此,选用模糊控制算法中的规则自寻优算法[2]. 算法的基本原理采用解析表达式描述的控制规则,它简单方便,易于处理.二维控制规则自寻优算法可以用解析表达式概括: 其中:E、C、U为经过量化和模糊化的模糊变量,相应的论域分别为误差、误差变化率及控制量.α为调整因子.由式(1)描述的控制规则可看出,控制作用取决于误差及误差变化率,且通过调整α的大小,可以改变对误差和误差变化的不同加权程度,α值一旦确定,在整个控制过程中就不再改变.但在实际系统中,系统在不同的状态下,对控制规则中误差E与误差C的加权程度有不同的要求.如误差较大时,控制系统的主要任务是消除误差,此时对误差的加权应该大些;

当误差小时,控制系统的主要任务是使系统尽快稳定,减小超调,此时要求在控制规则中误差变化率的加权大些.为了得到好的控制性能,就要求α值在控制过程中可调整,即控制规则可在控制过程中在线修正.采用优化设计方法对α进行在线修正,如式(3-2)所示. 该系统的控制原理图如图3-4?所示. 3.4 模糊-PID复合控制 3.4.1 模糊PID控制理论 本设计思想是将模糊决策理论和PID控制结合,发挥两者优点,在大的偏差范围内采用模糊控制,而在小偏差范围内转换成PID控制. 模糊控制对复杂的和难以建立数学模型的系统能简单而有效地控制,但因模糊控制不具有积分环节,在变量分级不够多的情况下,常常在平衡点附近会有小的震荡现象或存在稳态余差.而PID控制在平衡点附近的小范围调节效果是较理想的,其积分作用可最终消除余差.在实际控制过程中,把以上两种控制技术结合起来,就可以构成兼有这两者优点的模糊PID控制器.显然这种控制器结合了比例、模糊和比例积分控制的优点,不但可使系统具有较快的响应速度和抗参数变化的鲁棒性,而且可以对系统实现高精度控制 常规的二维模糊控制器是以误差和误差变化率作为输入变量的,一般认为这种控制器具有比例--微分控制作用,但缺少积分控制作用,因而控制系统达到稳态时误差较大,不能达到满意的效果. 积分控制作用能够消除误差,但动态响应慢,比例控制作用动态响应快.微分控制能反映偏差信号的变化趋势(变化速率),并能在偏差信号变化较大之前,在系统中引入一个有效的早期修正信号从而加快系统的动作速度减少调节时间.将PID控制策略引入模糊控制器,构成模糊PID................