波分调功式温度控制器设计大学毕设论文.docx

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波分调功式温度控制器设计大学毕设论文

本科毕业设计

（2009届）

题目

波分调功式温度控制器设计

学院

自动化

专业

电气工程与自动化

班级

学号

学生姓名

指导教师

完成日期

2009年6月

诚信承诺

我谨在此承诺：

本人所写的毕业论文《波分调功式温度控制器设计》均系本人独立完成，没有抄袭行为，凡涉及其他作者的观点和材料，均作了注释，若有不实，后果由本人承担。

承诺人（签名）：

年月日

摘要

本毕业设计论文探讨一种以双向晶闸管为功率控制元件的、以波形均匀分配的过零调功式温度控制器的技术方案，首先进行整机方案的可行性分析，提出一种PFM过零调功温度控制方法；并与PWM过零调功方法进行仿真比较，通过仿真验证PFM过零调功温度控制方法的优越性，最后设计温度控制器的硬件电路。

波分调功式温度控制器硬件电路包括过零调功主电路、基于V/F转换器的波分电路、调节器电路和电源电路。

过零调功主电路选用过零型光耦合器触发主电路中的双向晶闸管，波分电路的原理是使用A/D转换器的数字量输出端接在D/A转换器的输入端，再经过V/F转换器，产生有级的脉冲，再定脉宽，产生导通时间固定为20ms、占空比可调的方波脉冲，实现有级调功。

选用A/D转换器其中7路模拟转换通道，构成128级调功。

调节器电路由运算放大器构成，满足P、I、D独立可调的PID运算电路，最后设计电源电路给整机电路中所用到的芯片供电。

这种温度控制器可以使加热负载的电压为均匀分配的周波，优于一般的PWM过零调功温度控制器，具有加热温度波动量减小，加热温度更加平稳的特点。

关键词：

温度控制器；过零调功；波形均匀分配

ABSTRACT

TheaimofthisgraduatesdesignthesisistoexploreatechnologyprogramoftemperaturecontrollerwhichusingTRIACasitspowercontrolcomponents,withevenlydistributedthewaveformandzero-crossingpowerregulated.First,wedothefeasibilityanalysisofthisprogram;afterthatproposedaPFMzero-crossingpowerregulatedtemperaturecontrolmethods;TheSimulationcomparedwiththegeneralPWMzeropowerregulationtemperaturecontrolmethods,showstheadvanceofthePFMzero-crossingpowerregulatedtemperaturecontrolmethods;attheenddesignthehardwarecircuitoftemperaturecontroller.

Thetemperaturecontroller’shardwarecircuitincludezero-crossingpowerregulatedmaincircuit,basedonV/Fconverterwaveformevenlydistributedcircuit,regulatorcircuit,andsupplyvoltagecircuit.Themaincircuituseszero-crossingopt-coupleropentheTRIACofthemaincircuit.ThewaveformevenlydistributedcircuitconnectsA/DconverterdigitaloutputwithD/Aconverteranaloginput,andconnectswiththeV/Fconverterinordertogeneratepulsewithinthefrequencyrequirements.Byresetpulsewidth,thecircuitgeneratessquare-wavepulsewhichopeningtimeis20msanddutycycleisadjustableinordertoachievesteppowerregulation.Weselect7-channelanalogconversionofA/Dconverter,toconstitute128stepspowerregulation.RegulatorcircuitisPIDoperationcircuitswhichconstitutesbysomeoperationalamplifiertoadjustP,I,Dindependently.Supplyvoltagecircuitistosupplypowerforthechipsofthewholecircuit.

ThistemperaturecontrollercanmakethevoltageoftheheatingloaddistributewaveformevenlyandcanbebetterthanthegeneralPWMzero-crossingpowerregulationtemperaturecontroller.Itcanreduceheatingtemperaturefluctuationsandmaketheheatingtemperaturemorestable.

Keywords：

TemperatureController；Zero-crossingPowerRegulation；WaveformEvenlyDistribution

1前言

加热温度控制器对加热温度起到控制调节作用，应用范围很广，对温度控制的技术方案多种多样，技术方案水平的高低直接影响了控温效果。

从加热系统温度控制方案上，有交流相控调压温度控制和交流过零调功温度控制两种方法。

温度控制方法有PID控制、模糊控制、专家模糊控制、神经网络控制、机械式温度控制和智能温度控制方法等，应用在不同的领域，针对不同的控温对象和控温条件。

一般通过对交流电电压的调节来达到温度控制的目的，调压调功比较常见的方法有相控调压和过零调功两种方法。

交流相控调压温度控制是在恒定电源与负载之间接入晶闸管作为交流电压控制器，利用晶闸管的相位控制方式，实现调压温度控制。

过零调功是一般的调功，是用可控硅功率器件，譬如双向晶闸管，双向晶闸管作为无触点接触开关，采用脉冲触发方式来控制晶闸管的通断，调节输出电压的有效值，实现调功温度控制的目的。

无论是交流相控调压还是交流过零调功温度控制，输出的电压波形都不是均匀分配的周波，即不能实现波分的目的，波分式过零调功可以使负载输出的电压波为均匀分配的周波，由于波形为均匀分配的周波，即导通一个电源周期，再关断一个或多个电源周期，形成均匀分配的周波波形，那么输出电压的有效值变化更小，使得温度波动量更小，温度运行更加的平稳，有利于温度的控制。

调节器的调节算法有PID控制技术、模糊控制技术、专家模糊控制、神经网络控制。

（1）PID控制是在温度控制中应用最广泛、最基本的一种控制方法。

数字PID算法已成为数字惯性系统中一种最常用的控制算法。

PID控制方法简单易行、稳定性好、可靠性高，能满足大多数控温的要求[1,2]。

常规PID控制的缺点是鲁棒性不强，适应性不快，协调性不够好等[3]。

（2）模糊温度控制，是对于温度达滞后系统，控制温度要求不同而又很难建立精确的温控模型，是故用基于数学模型的控制技术如经典PID等难以获得理想的控制效果[4]。

模糊控制系统不需要被控对象的精确数学模型，是借助于操作者丰富的控制经验，模仿人的思维，通过制定适当的控制库可实现大滞后系统的温度控制，具有动态响应快，超调小的优点[5]。

（3）专家模糊控制，运用专家系统使温度控制器获得关于温度控制的更高层次的专家经验知识来对模糊控制器的运行参数加以修正，提高系统的稳态精度以及控制的跟踪和抗干扰能力[6]。

（4）神经网络控制是对更高精度的温度控制方法，在温度控制系统中，将温度的影响因素如天气、气温、外加电压、被加热物体性质以及被加热物体温度等作为网络的输入，将其作为PID控制器的参数，以实验数据作为样本，在微机上反复迭代，自我完善与修正，直至系统收敛，得到网络权值，达到自整定PID控制器参数的目的[7]。

神经网络具有学习能力、并行计算能力和非线性映射能力，在解决高度非线性和严重不确定性系统的控制方面具有很大潜力，但是，目前神经网络控制的研究大多仍停留在数学仿真和实验室阶段，极少用于实际系统的控制当中[8,9]。

本毕业设计的波分调功式温度控制器是一种新型的温度控制解决方案，探讨一种以双向晶闸管为功率控制元件的、以波形均匀分配的过零调功式温度控制器的技术方案。

提出一种波分过零调功方案，使双向晶闸管在电压过零时开通，使加热负载上的电压波形为连续均匀的周波，并与一般的PWM过零调功方法进行比较，计算两种方法的输出波动量，并利用MATLAB仿真软件对两种过零调功方法进行仿真。

根据提出的波分过零调功方案设计温度控制器的核心部分，即波形均分器，设计波分电路，与此同时设计过零调功主电路。

选取调节器算法，进而设计调节器电路，最后设计辅助电源电路，完成波分调功式温度控制器的硬件电路设计。

这种温度控制器可以使加热负载的电压为连续的均匀分配的周波，优于一般的PWM过零调功温度控制器，具有加热温度波动量减小，加热温度更加平稳的特点。

2波分调功式温度控制器方案及其可行性分析

2.1波分调功式温度控制器的总体框图与功能分析

波分调功式温度控制器是一种实现波形均匀分配的温度控制方案，整体方案的框图包括调节器、波形均分器、过零型光耦合器电路和双向晶闸管，波形均分器的输出驱动过零型光耦合器，对双向晶闸管过零触发导通，来控制加热主电路的通断。

调节器是基于PID运算电路的调节器，波形均分器的设计方案由A/D转换器、D/A转换器、V/F转换器和基于NE555定时器的定脉宽电路构成，过零型光耦合器过零触发双向晶闸管，导通主电路，整个设计方案实现了波分调功的设计目的。

2.1.1波分调功式温度控制器的总体框图及分析

波分调功式温度控制器的总体框图包括调节器、波形均分器、过零型光耦合器、双向晶闸管和加热负载等组成，调节器的输入为给定电压和反馈电压，反馈电压为加热负载温度通过温度传感器转换的电压信号，调节器的输出电压作为波形均分器的输入，波形均分器产生脉冲驱动过零型光耦合器，进而控制双向晶闸管的通断，到达控制负载电路的通断，控制负载的温度。

图2.1波分调功式温度控制器总体框图

图2.1为波分调功式温度控制器的总体框图，包括调节器、波形均分器、过零型光耦合器、双向晶闸管和加热负载等组成，输入信号包括给定电压和反馈电压。

温度控制系统是闭环控制，需要温度传感器，在本设计中设计的是温度控制器，而不是温度控制系统，因此温度传感器不在此设计中，但设计时留有反馈电压信号接口。

输入为给定电压和反馈电压，调节器的输出为电压，作为波形均分器的输入信号，波形均分器的输出信号为脉冲，的脉