基于FPGA的智能溫度控制器設(shè)計(jì)_圖文

1、中文摘要中文摘要在空間生命科學(xué)模擬地面生命培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)中，溫度對(duì)于生命的生長(zhǎng)和存活有至關(guān)重要的影響。同時(shí)由于空間、體積、電功率的限制，選擇芯片級(jí)溫度控制器就變得至關(guān)重要。本設(shè)計(jì)采用數(shù)字溫度傳感器為溫度采集器，采用實(shí)現(xiàn)芯片化的智能溫度控制器。根據(jù)算法具有并行運(yùn)算的特點(diǎn)，運(yùn)用實(shí)現(xiàn)并行結(jié)構(gòu)的溫度控制器，這樣不僅可以解決一般溫度控制器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、控制性能差的缺點(diǎn)，還可以提高運(yùn)行速度。使用對(duì)的各種算法進(jìn)行仿真，選擇一種適合本設(shè)計(jì)的控制方法，采用語(yǔ)言進(jìn)行編程，生成控制模塊、溫度采集器等。利用功率繼電器的通斷作為自動(dòng)開(kāi)關(guān)，控制設(shè)定值與控制輸入量的關(guān)系，通過(guò)串口模塊和上位機(jī)進(jìn)行通訊，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)在用戶操作界面上進(jìn)行

2、在線修改，時(shí)間采樣、圖形顯示、數(shù)據(jù)保存等功能。結(jié)果表明，該溫度控制系統(tǒng)，測(cè)溫范圍在，其中時(shí)精度為士。關(guān)鍵詞智能溫度控制器；算法；語(yǔ)言黑龍江大學(xué)碩士學(xué)位論文，觴，啊地墩，艙，一，一；：川目錄目錄中文摘要目錄。第章緒論。課題背景研究及意義控制的發(fā)展歷程智能溫度控制器的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)智能溫度控制器的國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀。：智能溫度控制器的國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀智能溫度控制器的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)論文完成的研究工作本章小結(jié)第章智能溫度控制算法。溫度控制系統(tǒng)特性研究控制器的原理和分類模擬控制器數(shù)字控制器數(shù)字控制算法的改進(jìn)系統(tǒng)仿真分析本章小結(jié)第章智能溫度控制器系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)（漶與結(jié)合的目的系統(tǒng)需求分析黑龍

3、江大學(xué)碩士學(xué)位論文系統(tǒng)需求分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)調(diào)試己置電路電源電路、鎖相環(huán)供電電路轉(zhuǎn)串口液晶顯示繼電器電路：溫度傳感器本章小結(jié)：。第章智能溫度控制器軟件設(shè)計(jì)軟件總體設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)流程軟件程序設(shè)計(jì)分模塊設(shè)計(jì)。串口模塊上位機(jī)界面模塊溫度采集模塊控制模塊本章小結(jié)第章實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析與處理。實(shí)驗(yàn)條件。：實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析本章小結(jié)第章結(jié)論。參考文獻(xiàn)附錄目錄致謝獨(dú)創(chuàng)性聲明制過(guò)程遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到控制要求【】。是通過(guò)硬件語(yǔ)言描述實(shí)現(xiàn)并行計(jì)算功能的硬件電路。應(yīng)用實(shí)現(xiàn)控制可以提高運(yùn)算的速度，避免了用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)控制按順序執(zhí)行命令對(duì)運(yùn)行速度延時(shí)性，非線性的影響。同時(shí)實(shí)現(xiàn)的控制的內(nèi)在電路可以根據(jù)現(xiàn)實(shí)需要進(jìn)行修改，提高了系統(tǒng)的靈活性。采用智能控制溫

4、度則具有測(cè)量控制精度高、成本低、體積小、功耗低的優(yōu)點(diǎn)。將傳統(tǒng)的電路溫度控制用芯片取代，因此利用實(shí)現(xiàn)的智能溫度控制具有深遠(yuǎn)的意義?？刂频陌l(fā)展歷程控制在過(guò)程控制中應(yīng)用的最為廣泛【刀?？刂萍夹g(shù)可分為兩個(gè)階段：第一階段是發(fā)明階段（二十世紀(jì)，年前葉），控制理論逐漸清晰，當(dāng)控制主要是用于對(duì)實(shí)際的控制器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的啟動(dòng)控制器，以儀表行業(yè)為重點(diǎn)。第二階段是創(chuàng)新階段（年以后）在創(chuàng)新階段控制器，已經(jīng)成為一黑龍江大學(xué)碩士學(xué)位論文個(gè)強(qiáng)大，可靠，并以控制器的應(yīng)用開(kāi)發(fā)為重點(diǎn)【】。現(xiàn)階段的實(shí)現(xiàn)一般有兩種方法：一種是以存儲(chǔ)器和處理器為基礎(chǔ)，基于軟件方法實(shí)現(xiàn)的控制器【】。存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)程序，處理器取指，譯碼，執(zhí)行指令。隨著系統(tǒng)規(guī)

5、模和復(fù)雜性的增加，逐漸被采用【塒?？刂破魇怯杀壤?、積分、微分組成，具有算法簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、不依賴于數(shù)學(xué)模型、魯棒性強(qiáng)的特點(diǎn)，因此控制器被廣泛應(yīng)用于化學(xué)化工、冶金煉鋼、機(jī)械、輕工業(yè)等工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)中】?？刂频淖钪匾膬?yōu)點(diǎn)有以下三個(gè)方面：原理簡(jiǎn)單，技術(shù)成熟；應(yīng)用廣泛。可以廣泛應(yīng)用于各種生產(chǎn)部門(mén)。就算是目前科技含量最高新式的過(guò)程控制計(jì)算機(jī)，控制也是應(yīng)用在其中的基本的控制；魯棒性（）。即其控制品質(zhì)對(duì)被控對(duì)象特性的變化不敏感。正是因?yàn)檫@些優(yōu)點(diǎn)使得控制在技術(shù)飛速發(fā)展的今天仍有近的應(yīng)用【。小到家庭常用的空調(diào)，冰箱，電飯煲；大到煉鋼過(guò)程中氧壓，氧氣流量，以及冷卻氧槍的水流量控制，都不能離開(kāi)控制【】。智能溫度

6、控制器的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)智能溫度控制器的國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀在國(guó)內(nèi)，年大連理工大學(xué)韓雪等人，提出了將應(yīng)用在以及各種環(huán)境因子檢測(cè)傳感器構(gòu)成的溫室環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)中。用作為測(cè)溫探頭，對(duì)溫室內(nèi)溫度信號(hào)進(jìn)行采集，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)溫室內(nèi)的溫度檢測(cè)和對(duì)其它傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償【】；年西南交通大學(xué)肖衡等人，通過(guò)溫度控制電路和可控硅觸發(fā)電路結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)智能溫度器的控制【；年武漢理工大學(xué)陳文軍等，利用來(lái)實(shí)現(xiàn)窯爐溫度模糊控制軟硬件方面的設(shè)計(jì)，在硬件方面將數(shù)據(jù)總線、譯碼單元、大部分邏輯電路集成于一片中，縮小了印制板的面積，并提高了系統(tǒng)可靠性【；年大連理工大學(xué)李垂君，將一階、純滯后、大慣性電阻爐第蘋(píng)緒論溫為被控對(duì)象，以為核心，構(gòu)

7、建控制系統(tǒng)，采用溫度傳感器，達(dá)到無(wú)超標(biāo)的穩(wěn)定控制器，控制分辨率達(dá)到，降低了實(shí)現(xiàn)控制的難度【；年廣西師范大學(xué)穆振海，通過(guò)數(shù)字化一線總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)了基于的智能溫度控制器，并且利用的可重復(fù)變成和動(dòng)態(tài)在系統(tǒng)重構(gòu)的特點(diǎn)，提高了設(shè)計(jì)的靈活性和通用性【】；年月武漢科技大學(xué)范小豐，通過(guò)差偏控制法實(shí)現(xiàn)了基于的算法的爐溫控制器，解決了傳統(tǒng)溫度控制器系統(tǒng)建模復(fù)雜，控制性能差的問(wèn)題；年北京郵電大學(xué)于瑾等，以單片機(jī)為控制中心的溫度控制系統(tǒng)，采用為測(cè)溫單元。通過(guò)的開(kāi)關(guān)量輸出固態(tài)繼電器的通斷調(diào)節(jié)烤箱溫度并采用算法，明顯改善了系統(tǒng)的穩(wěn)定性能和穩(wěn)態(tài)響應(yīng)【。智能溫度控制器的國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀年美國(guó)丹納赫公司研制了一種利用控制的智能溫度控

8、制器應(yīng)用在塑料行業(yè)，它的溫控精度高，溫度波動(dòng)小（通?？梢钥刂圃谑恳詢?nèi)），能提升產(chǎn)品質(zhì)量，降低廢品率，節(jié)省原材料。同時(shí)該公司還針對(duì)不同冷卻方式提供一種專用控制方法，使用于水冷或風(fēng)冷等復(fù)雜控制【。年韓國(guó)奧托尼克斯公司在韓國(guó)三星洞舉辦的，韓國(guó)最大規(guī)模的半導(dǎo)體工業(yè)設(shè)備展示會(huì)上推出四種高精度的溫度控制器：數(shù)字溫度控制器、經(jīng)濟(jì)性溫度控制器、多通道模塊型溫度控制器、高精度標(biāo)準(zhǔn)型溫度控制器。這些溫度控制器都是利用控制技術(shù)提高溫度控制精度和效率。年日本歐姆龍公司推出第代數(shù)字式溫度控制器，使用環(huán)境溫度范圍為（無(wú)結(jié)冰凝露），它具有高性能、高可視性、簡(jiǎn)單易用、具備簡(jiǎn)易，程序功能及邏輯運(yùn)算功能、指示精度高、新增加狀態(tài)顯

9、示功能、預(yù)防保全功能。年德國(guó)公司推出優(yōu)化溫度跟蹤標(biāo)簽，這種溫度標(biāo)簽帶有芯片和集成溫度傳感器。芯片具有獨(dú)有的識(shí)別碼和一個(gè)可配置的讀寫(xiě)存儲(chǔ)器，用戶可以編輯自己的數(shù)據(jù)、產(chǎn)品信息和地址，同時(shí)可以在各地各個(gè)時(shí)間點(diǎn)同步進(jìn)行溫度監(jiān)視，跟蹤、追溯易腐敗的東西，如對(duì)溫度敏感的食品、飲料以黑龍江大學(xué)碩士學(xué)位論文及藥品疫苗。美國(guó)公司開(kāi)發(fā)了一種虛擬傳感器，這種傳感器每只都有單獨(dú)的標(biāo)簽，標(biāo)簽上標(biāo)有唯一的序列號(hào)，每一只傳感器都會(huì)帶有一張存儲(chǔ)有關(guān)傳感器數(shù)據(jù)的軟盤(pán)。使用時(shí)，可以通過(guò)計(jì)算機(jī)將溫度傳感器的資料經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集器獲得，首先輸入唯一的序列號(hào)，再將所有相關(guān)數(shù)據(jù)通過(guò)讀出，最后計(jì)算機(jī)會(huì)自動(dòng)完成傳感器檢查、讀取和記錄等工作。智能

10、溫度控制器的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)近百年來(lái)，溫度傳感器的發(fā)展大致經(jīng)歷了以下三個(gè)階段；第一個(gè)階段是傳統(tǒng)的分立式溫度傳感器（含敏感元件）；第二個(gè)階段是模擬集成的溫度傳感器腔制器；第三個(gè)階段是智能溫度傳感器陶。在近幾年中，國(guó)際上的許多國(guó)家已經(jīng)研發(fā)出關(guān)于智能溫度控制器的系列產(chǎn)品。智能溫度控制器具有可以輸出溫度控制量以及與溫度數(shù)據(jù)相關(guān)的，適配各種微型控制器特點(diǎn)；并且它是在硬件的基礎(chǔ)上通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)測(cè)試控制功能的，其智能化程度取決于軟件的開(kāi)發(fā)水平。智能溫度傳感器最大的有點(diǎn)就是能對(duì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量到的溫度值進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和傳輸，并與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信【羽。二十世紀(jì)九十年代中期智能溫度控制器問(wèn)世了。智能溫度控制器是在微電子技術(shù)與計(jì)

11、算機(jī)技術(shù)還有自動(dòng)測(cè)試技術(shù)的結(jié)合產(chǎn)物。二十一世紀(jì)以后，智能溫度傳感器正朝著精度高、功能強(qiáng)、標(biāo)準(zhǔn)化總線、安全性、可靠性、進(jìn)一步開(kāi)發(fā)虛擬網(wǎng)絡(luò)溫度控制器、研制溫度測(cè)量還有溫度控制系統(tǒng)，這些高科技的方向迅速發(fā)展【。未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)大致分為以下的幾個(gè)方面：（）改善低精度和低分辨率過(guò)去生產(chǎn)的智能溫度傳感器存在著精度低和分辨力差的缺點(diǎn)，并且均采用最常用的位數(shù)模轉(zhuǎn)換器【。現(xiàn)在很多智能溫度器的廠家都針對(duì)提升精度和提高分辨力方面做足了工作，分辨力達(dá)到了，測(cè)溫精度達(dá)到士，數(shù)模轉(zhuǎn)換器也從位擴(kuò)展到了到為。很多國(guó)外的公司在現(xiàn)有成就的基礎(chǔ)上，又生產(chǎn)出不需要數(shù)模轉(zhuǎn)換的，位二進(jìn)制數(shù)據(jù)傳輸精度為為士、分辨力最高可達(dá)到的智能溫度傳感器

12、【。制與常規(guī)控制相結(jié)合，運(yùn)用模糊控制方法對(duì)溫度進(jìn)行控制。以電熱杯為被控對(duì)象，應(yīng)用進(jìn)行溫度采集，采用的作為核心處理器進(jìn)行設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)了一套穩(wěn)定性強(qiáng)，使用范圍廣的智能溫度控制器。本文研究的主要內(nèi)容是：（）詳細(xì)介紹了國(guó)內(nèi)外智能溫度傳感器的開(kāi)發(fā)以及應(yīng)用，對(duì)溫度控制的基本原理以及特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一套集合溫度采集，溫度控制，溫度曲線顯示為一體的正能溫度控制器。（）在硬件設(shè)計(jì)中，應(yīng)用繪制硬件電路、生成版圖，充分考慮到溫度控制器的性能指標(biāo)選擇芯片，詳細(xì)介紹了調(diào)試配置電路、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路重配置電路、系統(tǒng)電源電路、繼電器等部分的作用和原理圖。（）在軟件設(shè)計(jì)中，應(yīng)用模塊化編寫(xiě)控制算法，溫度采集器，液晶顯示器，并且通過(guò)

13、捍語(yǔ)言利用串口模塊將溫度采集、控制模塊以及溫度曲線顯示模塊與上位機(jī)連接，通過(guò)在計(jì)算機(jī)上對(duì)參數(shù)、串口等設(shè)置選擇溫度測(cè)量模式，本章小結(jié)本章主要敘述了智能溫度控制的背景，國(guó)內(nèi)、外的發(fā)展現(xiàn)狀，以及智能溫度控制器的研究近況，并且對(duì)本設(shè)計(jì)所要完成的主要內(nèi)容進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。置于溫度有關(guān)的函數(shù)來(lái)處理。熱量的傳播方向總是從高溫物體傳向低溫物體，就算在同一個(gè)問(wèn)題內(nèi)部進(jìn)行熱傳導(dǎo)，也是從高溫部分傳向低溫部分【】。電熱杯加熱系統(tǒng)中，主要是通過(guò)電熱絲產(chǎn)生即通過(guò)氣體的相互碰撞產(chǎn)生熱量進(jìn)行熱傳遞。溫度在傳遞過(guò)程中一定會(huì)存在時(shí)間延時(shí)，這個(gè)延時(shí)時(shí)間可能是由于體積的大小產(chǎn)生的【】。電熱杯的傳遞函數(shù)寫(xiě)成）擊哪（）其中參數(shù)：系統(tǒng)的放大系

14、數(shù)、?。簳r(shí)間、延時(shí)時(shí)間、：復(fù)變量。放大系數(shù)放大系數(shù)，是被控對(duì)象再次達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，變化輸出量和變化輸入量的比值【。在輸入變化作用相同的情況下，值越大，變化輸出量就越大，被控對(duì)象的自身穩(wěn)定性也會(huì)越差；相反，值越小，被控對(duì)象的自身穩(wěn)定性就越好。時(shí)間常數(shù)時(shí)間常數(shù)，是指被控對(duì)象受到輸入影響后，輸出變量達(dá)到新穩(wěn)態(tài)值的快慢。時(shí)間常數(shù)，決定動(dòng)態(tài)過(guò)程的時(shí)間快慢，是被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)【。延時(shí)時(shí)間滯后時(shí)間是描述這種現(xiàn)象的動(dòng)態(tài)參數(shù)?？刂破鞯脑砗头诸惸M控制器控制器原理圖如圖所示。調(diào)節(jié)器是將設(shè)定值（）與實(shí)際輸出值（）黑龍江大學(xué)碩士學(xué)位論文作差構(gòu)成偏差值（）。（）一（）（）圖控制器原理圖控制量是由比例、積分、微分

15、線性組合構(gòu)成，簡(jiǎn)稱為、調(diào)節(jié)器。調(diào)節(jié)器公式為啪玳（）寺防警（）式中）輸出量。）設(shè)定值蚺與反饋值（）的偏差；乃積分時(shí)間；易微分時(shí)間；增益。在實(shí)踐中，根據(jù)被控制對(duì)象的特性和控制要求，可以通過(guò)改變結(jié)構(gòu)，構(gòu)成另一種控制規(guī)律。例如比例調(diào)節(jié)器，它對(duì)于偏差是即時(shí)反應(yīng)的，偏差一旦產(chǎn)生，調(diào)節(jié)器立即產(chǎn)生控制作用使被控量朝著減小偏差的方向變化；比例積分調(diào)節(jié)器，是為了消除在比例調(diào)節(jié)中殘存的靜差；比例積分微分調(diào)節(jié)器，主要是能改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。一第章智能溫度控制算法數(shù)字控制器數(shù)字控制是從模擬控制轉(zhuǎn)化而來(lái)的，在計(jì)算機(jī)上處理對(duì)采樣時(shí)刻進(jìn)行采樣，再對(duì)采樣值進(jìn)行處理。這樣就需要將模擬量進(jìn)行離散化處理，其中的積分和微分量要運(yùn)用近似

16、逼近的方法處理，對(duì)模擬量調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上，用求和代替積分，用后向差分代替微分，使模擬離散化變?yōu)椴罘址匠?，保證控制的準(zhǔn)確性?？勺饕韵陆疲禾穑ǎ╋颉埃ㄆ撸┛冢ǎㄆ撸?，渺丟死（力（）（）（）一；。一出丁式中采樣周期：七采樣序號(hào)。（）用這種近似的方法可以得到兩種控制算法，可以分為數(shù)字位置型控制算法和數(shù)字增量型控制算法。數(shù)字位置型控制算法數(shù)字位置型控制算法，公式：“（七）（）（）（）（）（）其中，（七）輸入端：（）第時(shí)刻的偏差；“（七）第時(shí)刻的輸出；個(gè)積分系數(shù)，五巧爭(zhēng)；個(gè)局一微分系數(shù)，局硨等。由式得到的結(jié)果為全值輸出，也就是每個(gè)位置輸出值與執(zhí)行機(jī)構(gòu)（如閥門(mén)黑龍江大學(xué)碩士學(xué)位論文的開(kāi)）一一對(duì)應(yīng)，因此它

17、被稱為基于位置的數(shù)字控制算法【¨。實(shí)現(xiàn)的位置型的閉環(huán)系統(tǒng)模型如圖所示圖位置型的閉環(huán)系統(tǒng)模型數(shù)字增量型控制算法增量型算法就是對(duì)位置型算法取增量，得到數(shù)字增量型控制算法為：（）（）（【（七）一（七一）】（七）乙【（七）一（七一）（七一）】（）式中巧比例增益；巧爭(zhēng)積分系數(shù)；”上個(gè)局巧等微分系數(shù)。增量式算法提供了控制量的增量形式，所以稱為數(shù)字增量型控制算法。增量型算法實(shí)現(xiàn)的閉環(huán)系統(tǒng)如圖所示。圖增量型的閉環(huán)系統(tǒng)利用數(shù)字增量型控制算法，可以得到數(shù)字位置型控制算法遞推式：材（七）“（七一）甜（七）（）第章智能溫度控制算法與位置型相比，增量型控制算法的優(yōu)勢(shì)是顯而易見(jiàn)的【】。第一，位置型每次輸出與整個(gè)

18、過(guò)去狀態(tài)有關(guān)，計(jì)算式中要用過(guò)去的偏差的累加值，容易產(chǎn)生較大的計(jì)算誤差。在增量型中消除了積分項(xiàng)，因此可以消除控制器的積分飽和，在精度不足的情況下，計(jì)算誤差對(duì)控制量的影響很小，容易取得較好的控制效果（只存在三個(gè)偏差值即可）】。第二，增量型算法得到的是控制量的增量，例如閥門(mén)控制中，只輸出閥門(mén)開(kāi)度變化的部分，如果計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障，誤動(dòng)作影響小，必要時(shí)可以通過(guò)邏輯判斷來(lái)限定本次操作的輸出，不會(huì)影響系統(tǒng)的正常工作?；谖恢眯退惴ǖ妮敵鍪强刂屏康娜枯敵觯绻?jì)算機(jī)出現(xiàn)故障，誤動(dòng)作影響大。第三，在實(shí)現(xiàn)手動(dòng)自動(dòng)切換時(shí)，采用增量型算法不會(huì)出現(xiàn)項(xiàng)，因此更易于實(shí)現(xiàn)從手動(dòng)到自動(dòng)的無(wú)擾動(dòng)切換?？傃灾?，在實(shí)際控制中，增量型

19、算法要比位置型算法應(yīng)用更為廣泛【卯。數(shù)字控制算法的改進(jìn)人們?cè)谀M調(diào)節(jié)器的長(zhǎng)期使用中，總結(jié)了很多控制器應(yīng)用方面的經(jīng)驗(yàn)，并針對(duì)不同的對(duì)象的要求，進(jìn)一步對(duì)控制器進(jìn)行了改良和完善，與計(jì)算機(jī)應(yīng)用相結(jié)合，使原來(lái)許多在模擬調(diào)節(jié)器中無(wú)法實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題，通過(guò)數(shù)字控制器中得解決，產(chǎn)生一系列改進(jìn)型的算法。例如：積分分離式控制算法：不完全微分的控制算法；微分先行控制算法；時(shí)間最優(yōu)的控制算法；帶死區(qū)的控制算法和變速積分控制算法。從智能自整定算法的角度來(lái)看，智能的自整定主要控制方法主要是由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自整定、專家式智能自整定控制和模糊控制的自整定組成的。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自整定神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)又被稱為人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，它是用于模擬人腦思維活動(dòng)過(guò)程

20、的一種將神經(jīng)元按照某種規(guī)則連接組成的系統(tǒng)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自整定是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)直接通過(guò)權(quán)系數(shù)間接調(diào)節(jié)的控制器。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制器是由三層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別器和被控對(duì)象組成。系統(tǒng)的兩個(gè)輸入是由系統(tǒng)設(shè)定值肚）和系統(tǒng)輸出值黑龍江大學(xué)碩士學(xué)位論文（）組成，通過(guò)三層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)送入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別器在線識(shí)別，而且在三層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)里能夠?qū)刂浦械娜齻€(gè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自整定原理圖，如圖所示圖柙經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的目整定專家式智能自整定控制專家式控制是利用專家對(duì)某一領(lǐng)域大量的專家經(jīng)驗(yàn)和水平，應(yīng)用在對(duì)某一專門(mén)任務(wù)的計(jì)算系統(tǒng)中，利用專家的水平解決這一領(lǐng)域的問(wèn)題【陽(yáng)。專家式智能自整定控制是由模式識(shí)別器、特征值比較器、專家系統(tǒng)推理器和調(diào)節(jié)

21、器組成，其控制原理為，系統(tǒng)受到外界干擾的情況下，將偏差的時(shí)間特性送入模式識(shí)別器輸出值為、，然后將、送入特征值比較器與設(shè)定好的特征值進(jìn)行比較輸出比較后的偏差值、，再將、送入專家系統(tǒng)推理器，專家系統(tǒng)在線推理出偏離特征值的校驗(yàn)值【，最后將這三個(gè)變量送入調(diào)節(jié)器，修正調(diào)節(jié)參數(shù)。專家式智能自整定控制原理圖如圖所示。圖專家式智能自整定控制模糊控制的自整定模糊控制是以模糊數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，借助硬件處理實(shí)現(xiàn)的。模糊控制是模仿人腦思維方式，以計(jì)算機(jī)代替人腦的一種控制【】。為了能夠更好的詮釋人腦的思維過(guò)程，將人腦產(chǎn)生的模糊控制語(yǔ)句編譯成機(jī)器語(yǔ)言，將接收到的信號(hào)模糊化，再將模糊后的信號(hào)轉(zhuǎn)換成模糊控制語(yǔ)句；完成模糊推理。模糊

22、自整定控制器的基本原理是應(yīng)用模糊推理機(jī)實(shí)現(xiàn)參數(shù)的在線自整定，系統(tǒng)的偏差為，偏差變化圖石模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖率為。首先確定控制器島、與、的模糊關(guān)系，然后不斷檢測(cè)、，根據(jù)模糊控制的規(guī)則對(duì)、進(jìn)行在線修改。偏差，偏差變化率是調(diào)節(jié)器的輸入，、是輸出?？刂破鞯恼ê脡娜Q于參數(shù)整定的規(guī)則以黑龍江大學(xué)碩士學(xué)位論文及經(jīng)驗(yàn)獲得的參數(shù)整定規(guī)則是否有效。模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖所示：控制的局限性控制是建立在數(shù)學(xué)模型上的一種控制系統(tǒng)，只要有效的調(diào)節(jié)好三個(gè)參數(shù)的關(guān)系就能達(dá)到很好的控制效果，但是在實(shí)際應(yīng)用中也存在著不足：（）由于被控對(duì)象的遲滯性、非線性和時(shí)變性的特點(diǎn)，因此有時(shí)很難得到確切的狀態(tài)方程和傳遞函數(shù)；（）在外界存在噪

23、聲和干擾的情況下，參數(shù)會(huì)明顯變化，這樣固定不變的參數(shù)就很難實(shí)現(xiàn)理想的控制效果；基于上面分析的原因和實(shí)際控溫的要求，采用增量式控制器對(duì)溫度進(jìn)行控制，增量式控制器是在傳統(tǒng)的控制器上發(fā)展起來(lái)的，只是真對(duì)上一時(shí)刻的增量進(jìn)行控制，保證了系統(tǒng)誤差，不會(huì)超出誤差范圍剛。系統(tǒng)仿真分析電熱杯的工作范圍一般在，控制要求使系統(tǒng)達(dá)到設(shè)定值的調(diào)節(jié)時(shí)間短、超調(diào)量小、穩(wěn)態(tài)誤差小。設(shè)定電熱杯傳遞函數(shù)中的延時(shí)時(shí)間為、時(shí)間為的值為。通過(guò)創(chuàng)建控制體統(tǒng)仿真圖對(duì)不同參數(shù)進(jìn)行仿真得到理想的效果。電熱杯控制系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖如圖所示。圖電熱杯控制系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖第章智能溫度控制算法不同的設(shè)定值在電熱杯控制系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖中，對(duì)三個(gè)參數(shù)設(shè)定值，設(shè)定

24、的延時(shí)時(shí)間為秒，設(shè)定溫度值為時(shí)，當(dāng)、三個(gè)參數(shù)設(shè)定為、時(shí)，得到的曲線如圖所示：，；，一焱，么”、黑龍江大學(xué)碩士學(xué)位論文的超調(diào)量為。由此可以看出不同的參數(shù)值設(shè)定對(duì)溫度曲線的影響效果不同。本章小結(jié)本章針對(duì)溫度控制模型的特性，展開(kāi)討論有關(guān)控制的特點(diǎn)以及工作原理，根據(jù)本設(shè)計(jì)的要求選擇了增量式控制器作為控制基礎(chǔ)，為后面的軟件設(shè)計(jì)提供了有力的支持。第章智能溫度控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)葺宣眚宣宣宣置葺。一第章智能溫度控制器系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)與結(jié)合的目的溫度，是一種具有慣性大、滯后性大、非線性和時(shí)變性強(qiáng)等特點(diǎn)，因此傳統(tǒng)的控制方法想達(dá)到很高的控制要求是很難實(shí)現(xiàn)的【。在控制過(guò)程中，在溫度不斷變化的過(guò)程中，環(huán)境

25、在不斷的變化，同時(shí)隨著加熱和降溫，加熱器件的特性也會(huì)變化，這些都是導(dǎo)致溫度時(shí)變的原因；溫度升高外界環(huán)境對(duì)加熱系統(tǒng)吸收熱量的程度不同，直接導(dǎo)致了溫度的非線性變化【。但是隨著科學(xué)創(chuàng)新，工業(yè)發(fā)展的強(qiáng)烈需求，各行各業(yè)對(duì)溫度控制的適應(yīng)性、精度、穩(wěn)定性方面都提出了更高層次的要求，同時(shí)使溫度控制進(jìn)入了智能化的階段】。溫度傳感器是數(shù)字型的溫度傳感器踟。在溫度采集時(shí)，不需要通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)溫度值進(jìn)行轉(zhuǎn)換，而且在使用時(shí)不需要溫度校準(zhǔn)，就可以直接連接到電路中，因此為硬件電路搭建提供了很大的方便，可以使硬件電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化。同時(shí)，溫度傳感器還具有速度快，精度高，成本低的優(yōu)點(diǎn)【卯。有豐富的引腳和觸發(fā)器的資源，同時(shí)還具有動(dòng)態(tài)

26、重構(gòu)、可反復(fù)編程的特性，并且可以利用計(jì)算機(jī)對(duì)器件進(jìn)行功能仿真嗍。仿真過(guò)程中如果出現(xiàn)問(wèn)題，可以及時(shí)調(diào)整設(shè)計(jì)方案，極大的提高了的靈活性和通用性。還具有體積小、集成度高、結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化、可移植性好和并行運(yùn)算的優(yōu)點(diǎn)【。如果將和結(jié)合，利用控制器實(shí)現(xiàn)溫度傳感器的溫度采集和控制處理的工作再結(jié)合智能控制，不但可以提高溫度控制的速度、精度，而且還可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。黑龍江大學(xué)碩士學(xué)位論文系統(tǒng)需求分析本設(shè)計(jì)以電加熱杯為例對(duì)加熱設(shè)備進(jìn)行模擬分析。由于電加熱杯具有非線性、時(shí)變性、滯后性、不對(duì)稱性，因此對(duì)電加熱杯溫度進(jìn)行控制是典型的過(guò)程控制?？刂票仨毻瑫r(shí)滿足參數(shù)整定準(zhǔn)確和系統(tǒng)不發(fā)生劇烈變化的情況下，才能得到理想的控制精度

27、。然而對(duì)一般的電加熱爐溫度控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)都難以滿足為了避免溫度加熱過(guò)高而造成的水燒干，溫度加熱過(guò)高的情況，對(duì)溫度的檢測(cè)、實(shí)現(xiàn)自動(dòng)恒溫控制有著非常重要實(shí)際意義。針對(duì)功能需求，進(jìn)行系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)時(shí)首先針對(duì)控制溫度的要求，選擇控制溫度的方法，然后選擇一種合適的溫度傳感器，最后確定硬件電路，根據(jù)需要選擇合適的主芯片和傳感器，完成系統(tǒng)具體的軟硬件設(shè)計(jì)。溫度傳感器的選擇過(guò)去，經(jīng)常采用模擬溫度傳感器，比如等。這樣必須通過(guò)適當(dāng)?shù)姆糯箅娐芬约澳?shù)轉(zhuǎn)換器才能將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再送入單片機(jī)中。這樣就需要對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行設(shè)計(jì)，而且后續(xù)處理電路復(fù)雜、可靠性相對(duì)較差、測(cè)量準(zhǔn)確度低，導(dǎo)致后期制作成本增加同時(shí)還增加了

28、工作量和溫度傳感器的接線程度鋤。本文采用數(shù)字類的溫度傳感器。為一線總線數(shù)字式溫度傳感器，可以直接將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，測(cè)溫分辨率可達(dá)到，被測(cè)溫度用符號(hào)擴(kuò)展的位數(shù)字量串行輸出【。大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性，并降低了制作成本，適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場(chǎng)溫度測(cè)量嗍。系統(tǒng)主芯片的選擇整個(gè)系統(tǒng)的主芯片采用即現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列，在結(jié)構(gòu)上由邏輯功能塊排列為陣列，并且有可編程的內(nèi)部連線連接功能塊實(shí)現(xiàn)的一定的邏輯功能。由掩膜可編程門(mén)陣列和可編程邏輯器件演變而來(lái)，它具有門(mén)陣列的高邏輯密度和通用性，還具有用戶可編程的特性【。本設(shè)計(jì)的主芯片為采用公司推出的系列的芯片作為核心處理器進(jìn)行設(shè)計(jì)。系列芯片可以說(shuō)是市場(chǎng)上第章智能溫度控

29、制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)性價(jià)比最高的芯片，內(nèi)部的邏輯資源達(dá)到萬(wàn)門(mén)，比上一代成本低，芯片有個(gè)邏輯單元（），提供了全功能的鎖相環(huán)（），同時(shí)還擁有個(gè)口，這些接口用于連接標(biāo)準(zhǔn)的外部存儲(chǔ)器器件以及連接差分和單端標(biāo)準(zhǔn)，適用于實(shí)現(xiàn)低成本數(shù)字信號(hào)處理（）應(yīng)用，還具有成本低和方便的特點(diǎn)。所以本設(shè)計(jì)考慮到以上特點(diǎn)，選擇芯片作為本設(shè)計(jì)的主芯片。系統(tǒng)需求分析本設(shè)計(jì)應(yīng)用控制溫度整體框圖如圖所示。硬件系統(tǒng)可以由兩部分組成，一部分是信號(hào)采集裝置，主要是由溫度傳感器、（串行數(shù)據(jù)通訊電路）組成，另一部分是信號(hào)處理裝置，主要由（聯(lián)機(jī)測(cè)試的接）、液晶顯示器、上位機(jī)、繼電器、報(bào)警器、電源管理。本章將對(duì)總體設(shè)計(jì)進(jìn)行分塊的說(shuō)明。圖控制溫度整體框

30、圖本方案可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電熱杯溫度的控制。利用溫度傳感器對(duì)溫度進(jìn)行采集，將采集后的溫度送入中，控制液晶屏實(shí)時(shí)顯示溫度曲線變化，同時(shí)將溫度值通過(guò)串口發(fā)送給上位機(jī)。上位機(jī)交互界面可設(shè)定溫度值，經(jīng)由串口傳到中，如果沒(méi)有到達(dá)設(shè)定值就控制加熱裝置繼續(xù)加熱，繼電器導(dǎo)通；加熱溫度超過(guò)設(shè)定值時(shí)，報(bào)警器報(bào)警，控制加熱裝置停止加熱，繼電器關(guān)斷。液晶顯示器主要功能是顯示溫度的設(shè)定值和實(shí)際值。實(shí)際上，溫度變化的快黑龍江大學(xué)碩士學(xué)位論文慢主要是通過(guò)改變通斷的頻率（）來(lái)調(diào)節(jié)的，也就是通過(guò)調(diào)節(jié)參數(shù)調(diào)整繼電器輸出頻率即方波輸出頻率。電源管理部分為整個(gè)系統(tǒng)提供了穩(wěn)定的電源電壓，下載與調(diào)試接口即接口用于將程序下載到中。在和上位機(jī)之間通

31、過(guò)芯片連接進(jìn)行通信實(shí)現(xiàn)通信。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在整個(gè)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的硬件中主要包括、調(diào)試廄置電路、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路重配置電路、系統(tǒng)電源電路、繼電器、外存儲(chǔ)器、獨(dú)立按鍵和撥碼開(kāi)關(guān)等構(gòu)成。調(diào)試配置電路下載調(diào)試接口電路圖如圖所示。一般的有兩個(gè)下載接口：調(diào)試接口和模式下載接。（）是一種國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試協(xié)議（匝兼容）。通常所說(shuō)的基本可以分為兩類，一類用于測(cè)試芯片的電氣特性，檢測(cè)芯片是否有問(wèn)題；一類用于，即程序調(diào)試。是型結(jié)構(gòu)，本身不能固化程序。所以在把程序固話到芯片上之前，先使用模式調(diào)試程序，就是將程序下載到芯片上運(yùn)行，雖然模式再斷電后程序?qū)⑼耆珌G失，但是充分體現(xiàn)了的無(wú)線可擦鞋性。接口由個(gè)必需的信號(hào)、和，以及個(gè)可選的信號(hào)構(gòu)

32、成。其中：（引腳）是測(cè)試時(shí)鐘：（引腳）用于測(cè)試數(shù)據(jù)的輸出；（引腳）是模式控制管腳，決定電路內(nèi)部的狀態(tài)機(jī)的跳變；（引腳）用于測(cè)試數(shù)據(jù)的輸入；是一個(gè)可選信號(hào)，如果電路不用，可以將其連到。為了避免接口調(diào)試的不足，一般情況下需要一片結(jié)構(gòu)的配置芯片來(lái)存儲(chǔ)邏輯配置信息，用來(lái)進(jìn)行上電配置。通常采用串行（系列）的配置芯片，因?yàn)榇邢盗行酒c并行系列芯片相比具有體積小，價(jià)格低的特點(diǎn)。模式下載接口，就是先將程序下載到配置芯片上，然后再配置，一，。一第章智能溫度控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)進(jìn)而避免了斷電后程序完全丟失的缺點(diǎn)。建議調(diào)試階段采用模式；調(diào)試結(jié)束后，程序固化的時(shí)候才使用模式。；：矗一隳斗豫山卜：。、；，口。：、喲麗醫(yī)

33、瑚戳：；?。?。竣俐）畔忙；：盆帥一：；可：。：。黑÷：？：；，：；：繇，：，匹：上。加函；。磚：飯，笛一舢哩佗噬：二蚴、慨兀節(jié)越唧一嘏一口嚏與占、：刪舯二黑攀鏨工、；鰳舵一”¨一一掣。墨？垤盯口腳嘲斟囊蓁邑，：，嘲千：圖調(diào)趼載接口電路圖電源電路、鎖相環(huán)供電電路電源電路原理圖如圖所示。為插座與按鍵開(kāi)關(guān)連接，外部電源使用（不小于）直流穩(wěn)壓電源，當(dāng)指示燈亮起說(shuō)明電源接通。由于外設(shè)和內(nèi)核需要和兩個(gè)電源，外部電源需要轉(zhuǎn)換，經(jīng)過(guò)電源芯片將電壓轉(zhuǎn)化為和通過(guò)電源芯片將電壓轉(zhuǎn)化為，并采用高檔鉭電容濾波，為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的（的電源和電源）電源和（的電源和其他的芯片及電路的工作電源）。下圖是芯片的

34、電源和地處理，針對(duì)和電源分別作了濾波處理。圖鎖相環(huán)供電電路笠第章智能溫度控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)鎖相環(huán)供電電路如圖所示。中提供了個(gè)鎖相環(huán)供電電路，鎖相環(huán)供電系統(tǒng)需要專門(mén)的“干凈電源進(jìn)行供電，為此專門(mén)設(shè)計(jì)了電感和鉭電容并聯(lián)與磁珠串聯(lián)的濾波電路，對(duì)模擬電源與數(shù)字電源進(jìn)行隔離和濾波處理。轉(zhuǎn)串口轉(zhuǎn)串：模塊原理圖如圖所示。轉(zhuǎn)串口就是實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)接口到通用串口之間的轉(zhuǎn)換。等同于對(duì)傳統(tǒng)的串口設(shè)備進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成即插即用的設(shè)備，為沒(méi)有串口的計(jì)算機(jī)提供了快速、方便的通道。系統(tǒng)采用作為的雙向轉(zhuǎn)換器，指示燈在與轉(zhuǎn)換中起到顯示是否連接的功能，即導(dǎo)通指示燈亮，否則指示燈滅。圖轉(zhuǎn)串口模塊功能控制器（）用來(lái)管理和上位機(jī)通訊的所有數(shù)

35、據(jù)傳輸。支持恢復(fù)和掛起信號(hào)功能，是為了方便對(duì)器件和外部電路的電源管理。在接收到掛起信號(hào)和復(fù)位后，都會(huì)發(fā)送和非信號(hào)，直到要求的期間配置完成。在檢測(cè)到繼續(xù)信號(hào)、產(chǎn)生繼續(xù)信號(hào)或者復(fù)位信號(hào)中的任一種情況都會(huì)出現(xiàn)掛起模式。為了避免和非在復(fù)位時(shí)為高電平這種情況的出現(xiàn)，增加一只下拉電阻來(lái)保證非黑龍江大學(xué)碩士學(xué)位論文聊在期間復(fù)位中為低電平。液晶顯示是帶中文庫(kù)具有位位并行，線或線串行的多種接口方式，顯示分辨率為的點(diǎn)陣圖形液晶顯示模塊。可以利用模塊靈活的接口方式和方便簡(jiǎn)單的操作指令，構(gòu)成人機(jī)交互圖形的界面。液晶顯示的明暗對(duì)比度可以通過(guò)引腳和滑動(dòng)變阻器聯(lián)合控制來(lái)實(shí)現(xiàn)。引腳是低電平有效的復(fù)位端，引腳提供的是背光源電壓

36、；？“：，？“！。；。：囂星。專高：圖液晶顯不原理圖繼電器電路功率繼電器是廣泛應(yīng)用在自動(dòng)化控制、電力保護(hù)等領(lǐng)域的一種控制器件，它是控制輸入量與設(shè)定量關(guān)系，使被控量輸出電路的關(guān)斷和導(dǎo)通的“自動(dòng)開(kāi)關(guān)一。功率繼電器具有性能穩(wěn)定、速度快、使用時(shí)間長(zhǎng)和體積小等優(yōu)點(diǎn)。通常情況下電熱杯的功率在左右，本設(shè)計(jì)中采用的是由歐姆龍公司生產(chǎn)的型號(hào)為的，的功率繼電器，。繼電器電路如下圖所示，圖中、為功率繼電器。，溫度傳感器圖繼電器電路溫度傳感器型號(hào)為，是美國(guó)公司推出的增強(qiáng)型“一線總線”數(shù)字化溫度傳感器來(lái)測(cè)量電熱杯的溫度，測(cè)溫分辨率可達(dá)到，被測(cè)溫度用符號(hào)擴(kuò)展的位數(shù)字量串行輸出。的工作電源可以采用遠(yuǎn)端引入和計(jì)生電源兩種方式

37、產(chǎn)生。占用微處理器的端口較少，使用時(shí)不需要任何的外圍元件，只需要一根端口線就可與多個(gè)通信。測(cè)試溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性，適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場(chǎng)溫度測(cè)量。原理圖如圖所示：與的連接，。有三個(gè)引腳，引腳接陀電平，引腳就是相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸線，通過(guò)該引腳，控制采集溫度，引腳接地。黑龍江大學(xué)碩士學(xué)位論文圖原理圖硬件實(shí)物圖如圖所示：。本章小結(jié)圖硬件實(shí)物圖本章是智能溫度傳感器的重點(diǎn)設(shè)計(jì)內(nèi)容之一，首先介紹了硬件設(shè)計(jì)的總體方案，然后對(duì)硬件的每個(gè)部分進(jìn)行研究和設(shè)計(jì)。詳細(xì)介紹了下載與調(diào)試接口電路設(shè)計(jì)、電源電路、鎖相環(huán)供電電路、復(fù)位電路、轉(zhuǎn)串口模塊、晶振電路、繼電器電路、液晶顯示電路，在整體功能和理論要求的基礎(chǔ)上，完成智能溫度控制器第章智能溫度控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)的硬件設(shè)計(jì)，給軟件實(shí)現(xiàn)提供了硬件平臺(tái)。黑龍江大學(xué)碩士學(xué)位論文第章智能溫度控制器軟件設(shè)計(jì)軟件總體設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)流程的設(shè)計(jì)流程一般是應(yīng)用開(kāi)發(fā)軟件和編程工具對(duì)