恒温槽控制系统的设计与实现Word下载.docx
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本人郑重承诺：
所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
作者签名：
日 期：
指导教师签名：
日 期：
使用授权说明
本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：
按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；
学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；
学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；
在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。
作者签名：
日 期：
资料目录
1.
学术声明………………………………………………………………
～页
2.
河北科技师范学院本科毕业论文（设计）…………………………
3.
河北科技师范学院本科毕业论文（设计）任务书………………
4.
河北科技师范学院本科毕业论文（设计）开题报告……………
5.
河北科技师范学院本科毕业论文（设计）中期检查表…………
6.
河北科技师范学院本科毕业论文（设计）答辩记录表…………
7.
河北科技师范学院本科毕业论文（设计）成绩评定汇总表……
8
河北科技师范学院本科毕业论文（设计）工作总结……………
9
其他反映研究成果的资料（如公开发表的论文复印件、效益证明等）……………………………………………………………
～页
河北科技师范学院
本科毕业设计
恒温槽控制系统的设计与实现（偏硬）
院（系、部）名称：
河北科技师范学院
专业名称：
电气工程及其自动化
学生姓名：
陈龙
学生学号：
9310080213
指导教师：
刘士光
2012年5月21日
河北科技师范学院教务处制
学术声明
本人呈交的学位论文，是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，所有数据、图片资料真实可靠。
尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含他人享有著作权的内容。
对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。
本学位论文的知识产权归属于河北科技师范学院。
本人签名：
日期：
摘要
本设计以STC89C52单片机为主要芯片，采用专家PID算法实现低温恒温槽的恒温控制。
温度控制部分，采用PID算法来控制双向晶闸管的导通，空气压缩机额定功率运行，通过调节加热器的功率来实现温度的控制。
检测部分采用AD590测温，经A/D转换后送入单片机。
显示部分采用74ls164串入并出进行显示，这样有效的提高了单片机I/O口的利用效率。
软件部分，采用专家控制技术和传统的PID调节相结合，改善了温湿度控制系统的动、静态性能，大幅度节约了能源，具有相当的工程实用价值和一定的学术理论研究价值，并真正实现了智能控制由仿真阶段应用到实际的过程。
该产品通过软硬件的合理设计，特别是算法的选择，大大提高了性价比，在实际中该产品具有广阔的推广、应用前景。
关键词：
恒温槽；
专家PID；
温度控制；
数据采集
Abstract
ThemainchipofthisdesignisSCMSTC89C52,theexpertPIDalgorithmsistoachievelow-temperaturebaththermostaticallycontrolled.TemperaturecontrolpartofthePIDalgorithmistocontrolthebidirectionalthyristorconduction,aircompressorratedpoweroperation,andadjusttheheaterpowertoachievetemperaturecontrol.ThedetectionpartoftheAD590temperature,afterA/Dconverterintothemicrocontroller.Showsomeuse74ls164stringintoandoutfordisplay,sothateffectivelyimprovetheutilizationefficiencyofthesingle-chipI/Oport.Forthepartofthesoftware,usingexpertcontroltechnologyandtraditionalPIDregulatorcombinationofimprovedtemperatureandhumiditycontrolsystemfordynamicandstaticperformance,substantialenergysavings,hasconsiderablepracticalvalueandacademicresearchvalueandtrulyintelligentcontroltotheactualprocessbythesimulationstage.Theproductthroughtherationaldesignofhardwareandsoftware,inparticular,thechoiceofalgorithm,andgreatlyincreasedcost,inpractice,theproducthasthepromotionofbroadapplicationprospects.
Keywords:
Bath;
expertPID;
temperaturecontrol;
dataacquisition
1绪论
1.1课题背景
随着工业的发展,恒温槽被广泛应用于医疗、化工、生物等领域等需要进行高精度恒温场合。
这些应用场合,要求恒温槽具有恒温精度高、稳定性好、可靠性高、结构简单、节能、成本低等特点。
而恒温槽的控制效果主要由其控制方法所决定。
PID控制算法由于其结构简单、物意义明确、鲁棒性强等显著的优点，使它在工业控制中处于主导地位，尤其适用于可以建立精确数学模型的确定性控制系统。
然而实际工业生产过程往往具有非线性、时变不确定性等特点，难以建立精确的数学模型，应用常规PID控制器不能达到理想的控制效果；
在实际生产现场中，由于受到参数整定方法繁杂的困扰，常规PID控制器参数往往整定不良、性能欠佳，对运行工作情况的适应性很差。
因此，常规PID控制的应用受到限制和挑战。
因此，人们对PID控制做了各种改进工作。
本文分别对常规PID控制、模糊自适应PID控制、专家PID控制进行了对比分析。
1.2课题研究现状及发展趋势
最近十年来，在温度控制方法上有了快速的发展。
己从传统的直接控制转变成PID控制、模糊控制、神经网络控制和遗传算法等控制方法。
2.1．PID控制即比例、积分、微分控制。
这种控制由于其结构简单、实用、价格低，在广泛的过程领域内可以实现满意的控制，所以应用极其广泛。
该方法通过温控系统将热电偶实时采集的温度值与设定值比较，差值作为PID功能块的输入。
PID控制算法根据比例、积分、微分系数计算出合适的输出控制参数，利用修改控制变量误差的方法实现闭环控制，使控制过程连续。
2.2．人工神经网络是当前主要的、也是重要的一种人工智能技术，是一种采用数理模型的方法模拟生物神经细胞结构及对信息的记忆和处理而构成的信息处理方法。
它用大量简单的处理单元广泛连接形成各种复杂网络，拓扑结构算法各异，其中误差反向传播算法（即BP算法）应用最为广泛。
2.3．模糊控制是基于模糊逻辑的描述一个过程的控制算法，主要嵌入操作人员的经验和直觉知识。
它适用于控制不易取得精确数学模型和数学模型不确定或经常变化的对象。
2.4．模糊模型使用模糊语言和规则描述一个系统的动态特性及性能指标。
其特点是不须知道被控对象的精确模型，易于控制不确定对象和非线性对象，对被控对象参数变化有强鲁棒性，对控制系统干扰有较强抑制能力。
然而，模糊控制的局限性在于对控制系统设计分析和标准缺乏系统的方法步骤，规则库缺乏完整性，没有明确的控制结构。
PID控制器结构简单，明确，能满足大量工业过程的控制要求，特别是其强鲁棒性能较好适应过程工况的大范围变动。
但PID本质是线性控制，而模糊控制具有智能性，属于非线性领域，因此，将模糊控制与PID结合将具备两者的优点。
即用过程的运行状态（温度偏差及温度变化率）确定PID控制器参数，用PID控制率确定控制作用。
主要的问题是合理地获得PID参数的模糊校正规则。
其实质是一种以模糊规则调节PID参数的自适应控制，即在一般PID控制系统基础上，加上一个模糊控制规则环节。
2.5．遗传算法（GeneticAlgoriths．简称GA）是模拟达尔文的遗传选择和自然淘汰的生物进化过程的全局优化搜索算法。
它将生物进化过程中适者生存规则与群体内部染色体的随机信息交换机制相结合，通过正确的编码机制和适应度函数的选择来操作称为染色体的二进制串l或O。
引入了如繁殖交叉和变异等方法在所求解的问题空间上进行全局的并行的随机的搜索优化，朝全局最优方向收敛。
基于遗传算法温控系统的设计就是传感器得到的温度信号放大，数字化送入单片机，单片机将其与给定温度进行比较，用遗传算法来优化3个PID参数，然后将控制量输出。
将专家PID控制技术应用于具有迟延、时变、非线性的恒温槽的温度控制中，克服了常规PID控制的易超调、波动大、稳定性差的缺点。
实验结果表明，它能适应对象参数的变化并表现出良好的控制品质，具有较强的鲁棒性和自适应能力。
而对于模糊PID，模糊PID恒温槽控制系统对于恒温槽内温度的变化调节更加平稳,显示了很好的控制效果。
具体表现为温度上升和下降更为平稳,基本没有出现过采用传统PID时温度的跳跃式上升和下降情况。
模糊自适应PID算法比普通PID算法的控制精度虽然没有太大的提高,但是在控制稳定性上却大为提高。
经过恒温系统的实际运行,基本得到预期的效果,证明此系统的稳定性、实用性和可靠性。
综上所述，专家PID与模糊PID对于恒温槽的控制效果都要强于传统的PID控制，在未来，这两种方法将会成为主流。
2系统硬件设计
2.1系统工作原理
采用专家PID数字式控制以达到快速响应和稳定的性能，控制器基于单片机，并使用最佳性能的程序，传感器置于槽内测量温度。
按恒温槽内状况，单片机将控制相应控制电路，使各工作部件开始工作，进行加热与制冷，连续控制获得适当的温度值，直至温度合适。
在封闭循环回路中控制器根据需要用电加热器加热和压缩机制冷保持所需温度，专家PID控制器对检定腔的准确性和稳定性的变化作出快速反应。
温度控制器控制系统结构框图如图2-1。
图2-2
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