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1、武汉理工大学调节仪表与过程控制系统课程设计说明书课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 自动化0508班 指导教师： 工作单位： 自动化学院 题 目: 基于单片机的烤箱温度闭环控制系统设计 初始条件：以晶振频率为6MHz的8031作为硬件系统的核心，并选择ATMEL公司AT89C51单片机设计除氧器温度控制系统。设计要求：使除氧器的温度能够控制在压力对应的饱和温度内预置，并实现在预置値处恒温控制。要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）1.设计系统各个部分组成结构，给出系统方框图，分析系统的工作原理及工作流程。2.系统硬件设计，包括主机、温度检测、温度控
2、制、人机对话（键盘/显示/报警）3.系统软件设计，给出主程序及各个子程序的流程图。4.论文用WORD打印，方框图，流程图，电路图等均用PROTEL、AUTOCAD、VISIO软件绘制。时间安排： 具体时间设计内容1月12日指导老师就课程设计内容、设计要求、进度安排、评分标准等做具体介绍。学生确定选题，明确设计要求1月13日开始查阅资料，完成方案的初步设计1月14-15日由指导老师指导完成课设情况。学生修改、完善1月16日撰写课程设计说明书，并进行答辩指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日目 录1.引言32.硬件环境设计33控制算法设计与仿真43.1温度控制算法的设计4
3、3.2模糊控制器的设计及仿真64 程序软件设计74.1 程序模块及设计思想84.2 模块软件设计8心得体会12参考文献13基于模糊理论的除氧器温度控制系统设计 1.引言给水的除氧是电站和工业锅炉防止腐蚀的方法。除氧机理是: 压力容器中溶解于水中的气体量和水面上气体的分压力成正比,采用热力除氧的方法即用蒸汽加热给水,提高水的温度, 使水面上蒸汽的分压力逐步增加, 而溶解气体的分压力渐渐降低, 溶解于水中的气体就不断逸出,当水被加热至相应压力下的饱和温度, 液面上的蒸汽的分压力几乎等于全压力, 其它气体的分压力趋近于零,于是溶解于水中的气体就从水中全部逸出而除去。为保证除氧效果, 热力除氧必须具备
4、两个条件: 必须把水加热到除氧器压力对应的饱和温度; 必须及时排出水中分离逸出的气体。第一个条件不具备, 气体不能全部从水中分离出来; 第二个条件不具备时, 已分离出来的气体会重新回到水中。由此可见, 对除氧器的温度进行控制是很必要的。由于影响除氧器控制的水位、压力、温度等因素以及其变化过程之间的非线性、时变性、耦合性, 很难建立其精确的数学模型。传统的古典控制理论及现代控制理论方法，只有在系统模型参数为非时变性的情况下才能获得理想的效果, 当应用于时变系统时, 系统的性能会变差, 甚至不稳定。采用模糊控制方法设计系统是不需要建立被控对象的数学模型, 只要求掌握现场有经验的操作人员或有关专家的
5、经验、知识, 或者操作者在操作过程中的操作数据及被控对象的运行数据等, 而且根据以往的控制经验, 可以达到良好的控制特性。因此设计该温度控制系统时, 采用模糊控制理论。2.硬件环境设计目前, 由于模糊单片机的价格相当昂贵, 所以模糊控制大多用数字单片机来实现, 通过A/D、D/A 转换接口与模拟环节连接, 构成闭环反馈控制系统。其硬件原理框图如图1 所示。本系统设计中, 数字单片机采用ATMEL公司AT89C51 单片机, 它是一种低功耗、高速的八位CMOS 芯片, 片内含有4kB Flash ROM, 128 字节RAM, 工作电压范围为2.76V ( 实际使用+5V 供电) , 32 条I
6、 /O 线, 2 个16 位定时/计数器和5 个中断源等资源。A/D 转换器采用带有8 通道模拟开关的8 位逐次逼近式A/D 转换器ADC0809, 它的转换时间约为100s。D/A 转换器采用DAC0832 转换器件, 其电流建立时间为1s。温度传感器测到的模拟信号输入A/D 转换器ADC0809 进行模数转换, 然后送入主机, 主机比较测量值与给定值得到温度误差, 并计算出温度误差的变化率, 作为模糊控制器的输入, 再根据模糊控制规则对其进行处理。通过模糊运算最后得到的数字输出量送到DAC0832转换成模拟输出量, 以控制调节阀的开度。除氧器采样输出输出A/D转换D/A转换上位机显示数字单
7、片机图1 单片机模糊控制系统的硬件框图3控制算法设计与仿真3.1温度控制算法的设计模糊控制方法是把人的知识( 包括经验) 用模糊规则来表示, 按模糊推理来决定操作量。其原理示意图见图2。其中输入量X1、X2 是监测到的被控系统的状态, U 是为保证被控系统处于最佳状态而输入到被控系统的操作量。模糊控制装置将从被控系统来的信息作为输入, 按规则库中的模糊规则进行模糊推理来决定操作量并输出。图2 模糊控制原理示意图 本设计采用PID 与模糊控制相结合的方式, 即混合模糊PID 控制。由于模糊控制器为PD 型控制器, 它只具有模糊化比例和微分作用而没有模糊积分作用, 这就造成系统动态性能好, 静态性
8、能欠佳。因此, 为了改善静态性能、提高控制精度, 把PI 控制引入模糊控制器中构成混合型模糊- PID 控制器, 利用比例积分作用来获得较高的稳态精度和较快的动态响应速度。不仅具有PID 控制精度高的特点, 同时还有模糊控制灵活适应性强的特点, 如图3 所示PI控制器二维模糊控制器偏差变化率除氧器TDeufufT图3 混合模糊PID控制原理图模糊控制器和PI 控制器采用并联形式组合, 控制器的输出是模糊控制和PI 控制之和, 如式所示:u=uf+ui=uf+kie(t )其中e(t )是连续变量, 所以ui = Kie(t )也是连续变量。因此混合型模糊- PID 控制器不仅可以消除极限环的振
9、动, 还可以完全消除跟踪误差。由图2 可知在混合型模糊- PID 控制器的设计中, 二维模糊控制器的设计是比较复杂的, 是控制系统设计的重点难点。3.2模糊控制器的设计及仿真模糊控制规则是由模糊理论中模糊条件语句(if- then)来描述的,因此模糊控制器是一种语言控制器, 故也称为模糊语言控制器。事实上, 模糊控制不需要人们理解控制器本身的作用原理和方式, 模糊控制完全是模仿人脑的思维方式, 一个模糊控制器就是通过ifthen形式的规则进行控制的。模糊控制过程是对系统输入信号进行分析、判断、输出控制量的过程。由于它是一种实用的模拟人模糊推理和决策过程的控制方法, 因此非常适合非线性的多输入多
10、输出系统。模糊控制器有一维模糊控制器、二维模糊控制器、多变量模糊控制器、自调整因子模糊控制器等多种结构。本设计采用二维结构, 以被控量的误差e 和误差变化率ec 作为输入, 输出一个控制变量u , 保证系统的稳定性和可靠性, 不会产生振荡现象。在该除氧器温度控制系统中, 模糊控制器采用双输入单输出的结构, 其输入量是采样时得到的温度误差值E 以及相应的温度误差的变化率E。输出量是由两个输入量为因子, 经模糊推理决策出的控制量U。首先将采样到的精确量转换为模糊量, 把输入量和输出量的论域均量化为7 级, 即: - 3, - 2, - 1, 0, 1, 2, 3*。输入量和输出量的模糊子集选取如下
11、词集, 采用7 个模糊语言变量表示,即为: +PB, PM, PS, ZE, NS, NM, NB3。采用等分三角形隶属度函数图如图4 所示。 图4 E,E,U的三角形隶属度函数对于任意的输入变量, 可以通过上面定义的隶属度函数计算出其属于这7 个模糊集合的隶属度, 从而得到温度误差的模糊变量。根据具体的控制设备的情况, 以及输入量和输出量的变化范围和对应关系, 再引用操作者的经验和控制原理, 根据误差在设定点以上或以下以及偏差变化是朝向设定点或离开设定点来确定控制量。为了提高温控系统的控制特性, 采用带修正因子的控制规则, 即U = E+ ( 1- ) E# 0, 1由上式可见, 选用不同的
12、值, 即选择了温度误差与温度误差变化的偏重程度。当温度误差较大时, 要求变温速度大, 值应取大些, 偏重误差因子; 当温度误差较小时, 要求恒温的稳定, 值应该取小一些, 偏重于误差变化。在实际应用中修改值, 就可以找到最优的控制规则。根据这些模糊控制规则, 采用合成推理方法计算出每条控制规则对应的关系控制矩阵Rij, 再对所有的关系控制矩阵Rij 求并集, 利用求大运算求取总的模糊关系矩阵。根据变量的赋值和模糊控制关系, 可经计算机离线调试、修改, 得到最终的模糊控制表, 存于单片机的内存中。实时控制时, 根据温度偏差和温度偏差变化率可直接查找控制表, 获得控制量去调节控制电磁阀4 程序软件
13、设计4.1 程序模块及设计思想软件采用模块化结构编制, 控制软件主要由主程序、键盘显示子程序、定时采样中断服务程序、模糊控制算法子程序等组成。主程序的主要功能是完成对单片机系统上电复位和看门狗复位的自检、定时器,中断等的初始化以及显示和键盘扫描处理功能等。温度的采样和控制有定时采样中断服务程序完成。模糊控制算法子程序实现对温度的调节。其设计思想是: 当误差较大时, 控制系统的任务是消除误差, 这时对误差的加权应该大一些, 即修正因子的值应取大些; 当误差较小时, 此时系统接近稳态, 控制系统的主要任务是使系统尽快稳定, 即修正因子的值应取小些。4.2 模块软件设计1） 主程序和中断服务子程序主
14、程序采用中断嵌套方式设计，各功能模块可直接调用。主程序完成系统的初始化，温度预置及其合法性检测，预置温度的显示及定时器0设置。定时器0中断服务子程序是温度控制体系的主体，用于温度检测、控制和报警（包括启动A/D转换、读入采样数据、数字滤波、越限温度报警和越限处理、输出可控硅的控制脉冲等）。中断由定时器0产生，根据需要每隔15 s中断一次，即每15 s采样控制一次。但系统采用6 MHz晶振，最大定时为130 ms，为实现15 s定时，这里另行设了一个软件计数器。主程序中断服务子程序的流程图如图7所示保护现场开始重装定时器0初值NY重置软定时器初值中断返回调报警子程序调显示子程序当前温度显示缓冲区
15、调用温度检测子程序15s到软定时器调用键盘管理子程序，启动键盘闭合时返回等待定时中断开定时器0时中断定时器0，软定时器，各种数据缓冲区，各种标志位初始化定义堆栈区图5 主程序和中断服务子程序流程图程序和中断服务子程序的相应程序为：主程序MAIN ： ORG0000H AJMPMAIN ORG000BH AJMPPT0 ORG0030H MAIN： MOVSP，#59H；设定堆栈指针 MOV TMOD，#01H；定时器0初始化MOV TL0，#0B0H ；定时器定时时间100 ms MOVTH0，#3CH MOVR7，#150；置15 s软计数器初值 ACALLKIN；调键盘管理子程序 SETB
16、ET0；允许定时器0中断 SETBEA；开中断 SETBTR0；启动定时器0 SJMP$定时器0中断服务子程序PT0： PT0：MOVTL0，#0B0HMOVTH0，#3CH ；重置定时器0初值DJNZR7，BACK ；15 s到否，不到返回MOVR7，#150 ；重置软计数器初值ACALLTIN ；温度检测MOV BT1，TEMP1 ；当前温度送显示缓冲区MOVBT0，TEMP0 ACALL DISP ；显示当前温度ACALL CONT ；温度控制LCALL ALARM ；温度越限报警BACK：RETI2) 温度控制模块将当前温度与预置温度比较，当前温度小于预置温度时，继电器闭合，接通电阻丝
17、加热；当前温度大于预置温度时，继电器断开，停止加热；当二者相等时电炉保持原来状态；当前温度降低到比预置温度低2时，再重新启动加热；当前温度超出报警上下限时将启动报警，并停止加热。由于电炉开始加热时，当前温度可能低于报警下限，为了防止误报，在未达到预置温度时，不允许报警，为此设置了报警允许标志F0。模块流程见图5所示当前温度与预置温度比较N当前温度预置温度Y置允许报警标志到达过预置温度YN当前温度预置温度-2关加热开加热返回图6 温度控制模块流程图心得体会除氧系统要求除氧器的温度、水位和压力稳定, 但是其控制过程的精确数学模型难以建立, 控制的困难在于系统不仅具有很大的时变性和非线性, 而且温度
18、、水位和压力在控制过程中相互影响, 彼此耦合在一起。因此, 如果控制方法不当, 将出现系统波动及太大的误差, 甚至系统失稳。本设计针对除氧系统具有大滞后、时变性、非线性的特点, 引入模糊控制的思想, 设计了一个双输入单输出的模糊控制器。实践证明, 模糊控制方式响应速度快, 控制精度高，而且设计简单，调整方便。经过为期二周的课程设计，令我更进一步加深过程控制的了解，引入先进的PID调节和模糊控制的算法并且根据自己的实践做出了这份设计，这使我将来进入工作打下了良好的基础。课程设计对于我们自动化专业来说是十分重要的，把书本上的理论知识与实践相结合，锻炼了自己我动手操作能力。参考文献1 方康玲. 过程
19、控制系统. 武汉:武汉理工大学出版社.20022 赵丽娟. 基于单片机的温度监控系统的设计与实现.北京:机械制造出版社.20063 张开生. 单片机温度控制系统的设计. 微计算机信息出版社.20054 孙育才. MCS-51系统单片机及应用.南京:东南大学出版社.19975 涂时亮. 单片微机软件设计技术. 重庆:科学技术文献出版社.19896 陈龙三. 8031单片机C语言控制与应用. 北京：清华大学出版社.19997 杨恢先. 单片机原理及应用. 长沙:国防科技大学出版社.2003ut2ApOdfXXc02GyBKsKCWw97MrqqWhoj5TL15Zt6jIPYytYCummtARp
20、3v1N5luizi3xh3BhWYreKO8d9g7nmZQoWPJeTLDrw08gVS8DsDQQYGC3cE7moO2tLF0Jf1gK74IUXyBmtIVR97CkrfVqULT5fn2t6MpJR6rbzVPSortZvIj5NB5ndVvSr4iWr1TwLFKgLSPzuhRjQ3CmZU98eUOuijdLSZqPmvrw9zKupxf8WFUG9l2G9277g2rTipa1YpCZEuqxpKBhtVDCooQOzxUz3vJrZmOcijyM62zchmeooTYes8EBMm932tbz2Yo09RtsZEYS8Zrd2Yktj8l6jEAzVAjnfbtryLvs
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