聚合反应釜温度控制系统设计摘要聚合反应机理复杂， 是强放热反应， 过程具有大滞后、 大惯性、 非线性等特性.温度、 压力、浓度及催化剂的活性与牌号等都对化学平衡产生重要影响。因此，反应釜温度控制的效果将直接影响产品的质量及装置的正常运行，为此将反应釜温度控制回路列为重点监控回路，严格将反应釜温度控制在要求范围内。传统的 PID 控制是一种基于过程参数的控制方法，具有控制原理简单、稳定性好、可靠性高、 参数易调整等优点,但其设计依赖于被控对象的精确数学模型， 在线整定参数的能力差,因反应釜机理复杂，各个参数在系统反应过程中时变。因而采用一般的PID 控制器无法实现对反应釜的精确控制.模糊控制和预测控制都是对不确定系统进行控制的有效方法.本文将模糊控制和预测控制结合起来运用于聚合反应釜温度控制器的设计，设计以聚合反应釜温度控制系统为中心，从控制系统的硬件系统组成、软件选用到系统的设计。单片机以其功能强、体积小、可靠性高、造价低和开发周期短等优点,成为自动化和各个测控领域中广泛应用的器件， 在温度控制系统中，单片机更是起到了不可替代的核心作用。在工业生产中 ,如用于热处理的加热炉、用于融化金属的坩锅电阻炉等，都用到了电阻加热的原理.鉴于单片机技术应用的广泛性和优越性，温度控制的重要性，因而设计一种较为理想的温度控制系统是非常有价值的。本文就是根据这一思想来展开的.结果表明预测模糊控制作为模糊控制和预测控制相结合的产物该控制方法具有使系统超调量小、调整时间短、对系统参数变化和外界干扰有较强的鲁棒性等优点，是一种提高聚合反应釜温度控制效果的有效方法。关键词：聚合反应 ；预测控制 ；模糊控制 ；单片机ISummary of polymerization Kettle temperature controlSummary of polymerization Kettle temperature controlsystem designsystem designABSTRACTABSTRACTPolymerization reaction mechanism for complex，is a strong exothermic reaction, process withlarge time delays, large inertia, nonlinear and other features。 Temperature, pressure, density andchemical equilibrium catalyst activity and grades, and so on have a major impact. Therefore, the effectof the temperature control of reactors will directly affect the normal operation of the quality of theproducts and equipment, for which the reactor temperature control circuit as a key monitoring circuit,strictly within the reactor temperature control requirements. Traditional PID control is a controlmethod based on process parameters， with the control principle of simple, good stability, highreliability， easy parameter adjustment， and other advantages， but its design relies on precisemathematical model of the controlled object， poor online tuning parameters of power， reactormechanism of complex, individual parameters in the system to timevarying reactions. Thus averagePID controller to achieve precise control of reactor。 Fuzzy control and prediction control areeffective methods of control for uncertain systems. This article combines the fuzzy control andprediction control applied to the design of polymerization Kettle temperature controller, designcentered on the polymerization Kettle temperature control systems, hardware system, from the controlsystem design of the software to the system 。 Monolithic integrated circuit with its powerful, smallsize，high reliability, low cost and short development cycles，and other advantages，become widelyused devices in the field of automation and control, temperature control system， single-chipcomputer a is at the core has played an irreplaceable role. In industrial production， such as heattreatment furnace， Crucible resistance furnace used for melting metal， are used to the principle ofresistance heating。 Given the breadth of application of single-chip microcomputer and superiority，the importance of temperature control and temperature control system design of an ideal is a valuable.This article is based on this idea to expand。Results indicate that predictive fuzzy control as a productof the combination of fuzzy control and prediction control method of the control has a small amountof overshoot the system， adjust the time is short， on the system parameter change and outsideinterference robustness of strong advantages， is an effective method of improving the effect ofpolymerization Kettle temperature control.KEYWORDS:KEYWORDS:Polymerizingkettle；Predictive control； Fuzzy logic control;temperature control；IISinglechip ；III目录摘要 . IABSTRACT . II第 1 章绪论 . 1.1 国内研究发展现状 . 1.1.1 研究现状. 1.1.2 发展前景 . 1。2 选题背景和研究意义. 第 2 章聚合反应釜生产工艺和结构特点 . 2.1 聚合反应釜工艺简介 . 2。2 聚合反应釜结构与工艺特点 . 第 3 章 相关理论介绍 . 83.1 预测模糊控制算法的基本原理 . 8第 4 章聚合反应釜控制方案 . 104。1 预测模糊控制方案的选择 . 104.2 聚合反应釜温度控制流程图 . 10第 5 章 系统硬件设计和设备选型及调试 . 125。1 温度控制器的选择 . 125。2 单片机的选择 . 125.3 数据采集输入通道设计 . 135。4 输出控制电路设计 . 145.5 温度超限报警电路设计 . 155。6 键盘接口电路设计 . 155.7 LED 显示接口电路设计 . 165.8 单片机温控系统的调试过程 . 16第六章 结论 . 18参考文献 . 19谢辞 . 20IV第 1 章绪论聚合反应机理复杂，是强放热反应，过程具有大滞后、大惯性、非线性等特性。温度、压力、浓度及催化剂的活性与牌号等都对化学平衡产生重要影响 .因此，反应釜温度控制的效果将直接影响产品的质量及装置的正常运行，为此将反应釜温度控制回路列为重点监控回路，严格将反应釜温度控制在要求范围内。伴随着我国经济的发展，高分子聚合物在各个领域得到了广泛的应用 ,同时也对聚合物的产品质量和生产过程自动化提出了更高的要求 ,比如碳纤维的生产研制.在影响聚合反应的参数(如温度、压力、流量、速度等)中,最重要的是反应器的温度控制,其控制品质直接影响产品质量和产量.间歇式反应釜具有时变、非线性、反应机理复杂等特点 ,一直是过程控制领域的研究热点 .但单纯的经典控制理论难以在聚合反应釜温度控制上取得好的控制效果，所以建立起反应过程的数学模型并对生产过程进行仿真研究,对于实现聚合反应过程的先进控制具有重要的理论和实际意义。 本文全面的分析了反应釜温度变化的特点以及控制难点，在对反应釜夹套加热系统的传热原理系统分析的基础上,根据热量平衡原理和反应釜的热量传递关系,采用机理建模和阶跃响应曲线方法建立了釜内温度的数学模型，并利用实验数据和理论分析验证了模型的有效性. 在算法研究方面，参阅了大量的中外文献并结合实际控制要求的基础上,提出了基于模糊控制的间歇反应温度控制系统，设计了模糊 PID 自整定控制器,给出了详细分析步骤和控制算法研究。同时把常规 PID 控制和模糊 PID 自整定控制策略进行比较论证、仿真分析和研究。实验结果表明，与常规的 PID 控制方案相比，该方案提高了系统的鲁棒性和适应性，较好的解决了反应釜温度控制的难题，对其它类似的被控对象的控制问题有一定的参考价值。1.1国内研究发展现状1.1。1研究现状自上个世纪70年代以来，由于工业过程控制的需要,特别在微电子技术和计算机技术的突飞猛进发展以后及自动化控制理论和设计方法的推动下,国外温度控制系统发展迅速并在智能化、自适应、参数自整定等发面取得成果，在这方面,一日本、美国、德国、瑞典等国技术领先，都生产出了一批商品化的、性能优异的温度控制器及仪器仪表，并在各行各业广泛应用。它们主要具有以下的特点:（1）适用于大惯性、大滞后等复杂温度控制系统的控制.（2）能够使用于受控系统数学模型难以建立的温度控制系统的控制.(3）能够适应于受控系统过程复杂、参数时变的温度控制系统。（4）这些温度控制系统普遍采用自适应控制、自校正控制、模糊控制、人工智能等理论及计算机技术，运用先进的算法，适应的范围更广泛。（5）普遍温控器具有参数自整定的功能.借助计算机软件技术，温控器具有对控制对象控制参数及特性进行自动整定的功能.有的还具有自学习功能，它能够根据历史经验及控制对象的变化情况,自动调整相关控制参数，以保证控制效果的最优化。（6）温度控制系统具有控制精度高、抗干扰力强、鲁棒性好的特点。结合温度控制器的发展，多年来，许多学者在反应釜的温度控制问题上做了很大量的探索并提出一些有效地解决方案.比如：Shinskey或weinstein提出反对的双模控制,采用BangBang+PID控制，其大致步骤为；过程开始时，全力加热，直至反应釜温度举起设定值为t1度，然后全力冷却，持续TD1分钟，此后，将夹水套水温设定在某个合适的中间温度,持续TD2分钟，最后，串级PID控制器控制夹套水温.如果选择参数得当，双模控制是有效的。ArthurJutan与Ashok Uppal提出将反应热作为一种扰动,采用适当的方法估计出来，用前馈控制抵消：余下的部分近似为线性系统,可以用PID控制。Barry与Sandro（1989)采用GMC方法控制反应釜温度，得到了很好的仿真效果，并且进一步考察了操作条件与过程参数变动是被控对象的鲁棒性,发现GMC的鲁棒性明显强于双模控制。H。NIK.DEBELAK与D.HUNKELER采用模糊控制与PID混合控制的策略控制间歇放热聚合反应釜的温度,在他们的方法中，模糊控制器的输出用来调整PID控制器的设定值,以补偿反应放热对过程温度造成的扰动；将此方案应用与乳液聚合的实验设备上,发现能明显提高控制性能。此外还有一些研究者采用预测控制解决这一难题，如Nagy与Agachi S采用非线性预测控制算法控制间歇PVC聚合釜的温度；Xia等采用基于小波神经网络的预测控制算法控制间歇聚丙烯反应器温度;栾志业等采用基于模型分解的预测控制算法也取得了较好的效果1.1.2 发展前景几十年来， 化工行业工业自动化技术随着工艺和装备技术的不断发展而发展，从初期简单的手工操作到连续工业及负荷不断加大，对生产稳定性要求越来越高，对控制及自动化水平的要求也越来越高，仪表使用越来越普遍,从简单回路的闭环控制到单元装置的全面自动化，使用的控制工具也从控制单元组合仪表、电动单元组合仪表到DCS的广泛应用；控制水平也从单参数简单控制回路到多变量复杂控制回路，先进控制系统、优化控制系统在各种场合都有成功应用的典范。随着工业规划的进一步发展,快速反应、林杰文泰工艺、能量综合平衡等工艺的开发成功，对自动化提出了更高的要求。另外，激烈的市场竞争也对自动化提出了新的目标与要求。同时，信息技术对化工行业自动化技术的发展也注入了新的活力。为适应化工生产的新特点,一些过程控制领域的新技术正在有理论研究转向生产时间，如综合信息处理技术、现场总线控制系统、各种智能控制技术、软计算技术和快速仿真技术、多媒体及时等。过程控制产生的技术工具,由基地是仪表、气动单元式组合式仪表、电动单元组合式仪表型、型、型，发展到现在的可编程单回路、双回路、三回路调节器和分散综合控制系统(DCS）。当前,传统的DCS正借助于微处理器硬软件和通信网络技术，朝着标准化、开放化和尽量采用市场通用的优良硬、软的方向，逐渐的、相互融合地向开放的DCS发展。如Honeywell的TPS（Total Plant Solution System）,它采用通用的软件将企业的internet网与局部控制网、通用控制网和系统总线连接在一起,配备各种平台、操作站以满足不同层次使用人员的要求。另外，最近发展起来的现场总线网络控制系统（FCS）也是一种新的开放式的分布式控制系统。它把专用封闭协议变成标准开放协议，是系统有完全是数字计算和数字通信能力：在结构上,采用了全分布式方案，把控制功能彻底下放到现场，提高了系统的灵活性和可靠性 ：它突破了集散型控制系统DCS中采用专用网络的缺陷.因此对于现场总线的工业控制系统研究具有重大的意义。据报道，美国犹他州盐湖城Flying炼油厂、 孟山都化工厂、 我国安陵化工厂、 吉林油田甲醇厂以采用FCS，取得了明显的经济效益。专家估计,FCS将在石化行业得到广泛的应用。过程检测控制仪表和控制器也将由现场总线以及由此产生的现场总线智能仪表和控制系统所代替。新一代的检测仪表主要特点是智能化和数字化。这些检测仪表均是以微型计算机为核心,可以实现自动校零、线性化补偿环境因素变化等功能甚至包括模型运算和人工智能的应用。一次检测技术采用超声波、微波、激光等新技术,是自动化控制的精度得到进一步的提升。研制新型的传感器，广泛应用新技术,如核磁共振、激光和相关技术等,使传感器集成化。专用集成电路的广泛应用将促进传感器和执行器沿着多功能和智能化的方向发展,便于形成现场控制回路子系统，还将极大方便仪表的安装调试和维护工作。在硬件条件得到改善后，将目前分散研究的软测量技术、先进控制技术开发成通用的商品化软件包，也是发展方向之一。现有的工业软件包大部分是以多变量控制技术为主，在此基础上进一步采用了神经网络、模糊技术及遗传学算法等软计算技术,开发包括初级数据预处理、数据挖掘、软测量技术的先进控制软件，国内的高校和科研机构先后在一些石化企业的典型装置上通过各种方法实现了软测量和先进控制技术。但是我们也应该看到，国产开发软件在设备上无关性、软件通用性、运行可靠性机界面友好性等几个方面与国外的一些成熟的商业软件包相比还有一定的差距。如何将理论研究的最新成果反发展成工程化、标准化和商品化的软件包,是我国过程自动化的研究重点之一。在控制理论上，自从美国数学家魏拿在20世纪七十年代中期以后出现的大系统理论和智能控制理论，为石化工业的发展与控制要求的提高,提供了理论基础。智能理论的研究应运而生，也成为当前控制理论的研究热点之一.因此，石化工业的过程控制也由串级、比值、前馈、选择性、均匀控制等简单控制系统发展到解祸、时滞补偿、推断预估、预测、非线性.状态反馈、双重、自适性、人工神经元网络、模糊、智能等高级控制系统。据setpiont公司统计，在生产过程中采用先进过程控制以取得良好的效果。例如：1994年Gensym公司和Neuralware公司联合将神经网络和优化软件与专家系统联合，用于Star炼油厂的非线性工艺过程,一年内就收回资金，英国帝国化工研究员院（ICI)实时操作优化专家系统在威尔顿石油联合企业应用，并取得实效；日本三菱化学合成公司开发成功了乙烯工程模糊控制系统；美国杜邦公司研究出用于化工聚合中间物生产强度的Pace专家系统.1。2 选题背景和研究意义反应釜是化工生产过程中的重要设备,反应过程中伴随有大量的吸、放热现象,具有大滞后、时变、非线性、反应机理复杂等特点.传统的PID控制是一种基于过程参数的控制法，具有控制原理简单、稳定性好、可靠性高、参数易调整等优点，但其设计依赖于被控对象的精确数学模型，而反应釜因为机理复杂各个参数在系统反应过程中时变,不能建立精确地数学模型，参数调整往往比较困难，难以解决系统的相对稳定性和快速性的矛盾,因而采取一般的PID控制器无法实现对反应釜的精确控制。模糊控制是一种基于规则的控制，在设计中不需要建立被控对象的精确数学模型，鲁棒性强，干扰和参数变化作为输入变量，这种控制器具有模糊比例微分控制作用，精度不太高、稳态误差较大、自适应能力有限和易产生震荡现象。预测控制是一种优化控制算法,它是通过对某一种性能指标是我最优来确定未来的控制作用的，具有对模型要求低，鲁棒性好。适用于数字计算机控制的优点，但稳定性仍待提高。本文针对反应釜的温度变化特点，将模糊控制、PID控制与预测控制结合起来，设计处温度控制系统，并根据反应釜装制的特点，采用比例调节阀控制液体流量,增加系统功能并提高响应速度。第 2 章聚合反应釜生产工艺和结构特点2.1 聚合反应釜工艺简介聚合反应釜是利用导热介质通过反应釜的夹套来提高釜内物料的温度，通过搅拌机的搅拌使物料均匀、提高导热速度，并 使其温度均匀。反应釜内物料的温度常常要求被恒定在1或 更小的范围内。导热介质的选择是根据各厂产品的工艺温度要求确定的，常见的导热介质有热水、过热蒸汽和导热油。温度测量常用热电阻或热电偶及其变送器组成 .通入反应釜的导热介质要求保持温度恒定 ,通过调节流入反应釜夹套的导热介质的流量,来控制反应釜内物料的温度使之符合工艺要求。2。2 聚合反应釜结构与工艺特点反应釜是化工生产中常用的反应器，结构示意图见图2-1。反应釜温度控制是通过俩个阀门即加热水阀门和冷水阀门来实现的,通过搅拌机的搅拌使物料均匀、提高到热速度,并使其温度均匀。在升温阶段，打开加热水阀门，对釜内的蛇管同一家热水,使釜温升高，通过控制阀门开度来控制阀门温度升高的速率，当加热到预定反应温度后就停止加热，反应过程中在夹套中通以冷却水，将反应产生的多余热量移走，控制温度保持恒定。导热介质的选择根据各厂产品的工艺温度要求确定的，常见的导热介质有过热蒸汽和导热油.温度测量常用热电阻或热电偶机器变送器组成。通入反应釜的导热介质要求保持温度恒定,通过调节流入反应釜夹套的导热介质的流量，来控制反应釜内物料的温度符合工艺要求。图2-1反应釜结构示意图按照工艺要求,反应釜的操作流程一般包括以下几个阶段:（1）投料：反应物计量后一批或几批投入反应釜。（2）加热升温阶段：投料完毕后，向反应釜同热水升温，原料在与催化剂充分混合的基础上，吸收热水提供的热量,当加热到一定值时,放热反应开始。该阶段须在较短的时间内把釜内温度或压力升至开始反应的状态，并且必须保持连续升温升压。（3）反应放热阶段：本阶段开始后，反应过程中伴有强烈的放热效应，并且反应的放热速率与反应温度之间是一种正反馈自激的关系。如果不及时移走反应热，将使温度超出正常范围，造成反应不可控制，易引起“爆聚”或产生安全阀跳；如果加入过量的冷水又将使反应激落，甚至造成“僵釜”现象。该阶段控制时，不仅要求釜内温度或压力连续上升，同时又要求不能产生超调.因此，这一阶段是控制的难点，直接影响能否获得高质量的产品。（4)恒温，恒压阶段：这是正常反应阶段,该阶段反应时间长，对控制精度要求较高。因此，恒温段是反应工艺的关键阶段.(5）冷却、回收及放料阶段。按反应过程的生产坏境及其动态特性来分析，反应釜具有以下几条工艺特点:（1）反应一般包括俩个过程：一个是有自衡能力的开环稳定的过程（加热升温阶段和反应初期）;另一个是无自衡能力的、部可逆的开环不稳定的强放热反应过程(反应中后期）。(2）工业用反应釜容量大、釜壁厚，因此是一个热容量大、纯滞后时间长的被控对象。（3）聚合反应具有较大的时变性、不确定性和高度非线性。例如过程增益变化很大，甚至增益变化的方向都不一样的;随着反应的进行，釜内固体颗粒增多,釜的传热系数也会发生变化。（4）外界环境的变化(如催化剂活性、原料质量、循环水、热水及环境温度变化等）对系统的干扰很大。（5）难以建立其机理模型。第3章 相关理论介绍3。1 预测模糊控制算法的基本原理模糊控制系统输出的采样值 y（t） （t=1，2，,n)可看作一个时间序列，对这个序列总可以找到某个连续函数 H(t） ，来精确地刻划出其变化规律，于是，系统下一个采样值，即将来时刻的值可以表示为当前采样值的 Taylor 展开式： （1）其中T 为采样周期,以差商代替微商，则上式变为 (2）对上式只取一阶近似，记为（3）称；为 t 时刻对时刻的误差预报值。在对模糊控制规则的解析描述式中，若取 a=05，则控制规则可写为 (4）比较式（4)与（3),不难看出，模糊控制规则中隐含着一种预报控制的思想对式(2）取二阶近似，并引进加权系数可得 (5）其中为实数。作变换,并注意到 , 则式(5）可写为-1 -2+-3=0 (6）其中 q1为单位后移算子，显然,上式为一般自回归 (AR）模型（-1）=0 (7)的一种特殊形式，其中 (8）若再进一步考虑控制量的作用及有色噪声的影响，则有更一般的 CARMA 模型（9）式中 （10） (11）可以证明，按式（9)使预测误差方差为最小的预报值为（12）式中8 +（13）1+-1+ +（14）且 G 与 F 满足 Diophantine 方程式（9)中的 A，B，C 均可在线计算确定，进而确定G 与 F，当参数估计收敛时，-1，因此对未知参数对象可直接按预报公式（16）采用递推最小二乘算法进行在线辨识常规模糊自整定PID控制器的输入通常是过程当前和过程过去的输出测量值与设定值的偏差和偏差变化。本系统的控制器输入是利用预测模型预估出过程未来的输出值与设定值之间的偏差和偏差变化。模糊自整定PID 控制器采用以偏差 E 及偏差变化 EC 为输入的模糊推理系统，E 和 EC 来自预测模型的输出。再通过模糊控制器，对kp,k1和 kD3 个参数进行在线调整，以满足在不同 E 和 EC 时对控制参数的不同要求，使被控对象具有良好的动态和静态性能。3-1 预测模糊控制算法框图预测模糊控制的基本流程图 3-21）定时采样，获得采样值 Y(n),Y(n）2）用最小二乘估计的递推算法，求出系统参数 A、B3）用 A、B 代替 A、B，由 Diophantine 方程，算出 F、G4)由式求出预报值 Y(n+0） ，并计算其偏差 5)划分的模糊状态等级，根据等级数，查模糊控制表，得到控制量u(n）=U（i） 将 u（n)=u（n1)+u（n）投入系统控制。其流程图见图 3-2图 3-2 实现预测模糊控制的基本流程图9第 4 章聚合反应釜控制方案4.1 预测模糊控制方案的选择由于反应釜反应机理较为复杂，外界条件：原料纯度、催化剂的类型、添加数量的变化、循环水、热水温度、流量的变化等 ,对系统的影响较大，系统本身具有较大的时变性、非线性、时滞性.因此在选择控制方案时，应考虑选择智能控制策略，如模糊控制、自适应智能控制、专家控制、预测智能控制等，使得控制系统要达到很好的品质。以聚氨酯发泡胶粘剂的反应过程为例,首先是一次升温及加料 （由上位釜加料） .升温到(802)时，进行二次加料，将温度恒定在（802),反应釜进行放热过程，釜为常压运行，经过3 小时恒温后冷却到常温。聚合反应生产过程的升温曲线见图 41.恒温段是反映工艺的关键阶段，对于产品质量和产量有着重要的影响，所以提高恒温段的控制精度是提高产品质量的关键。图 41 聚氨酯发泡胶粘剂温控曲线图为保证产品质量，对反应温度要进行严格控制。为此，选取冷却水流量为调解参数。被控过程有三个热容积，即夹套中的冷却水、釜壁和釜中物料 .引起温度变化的干扰因素有：进料方面有进料流量、进料入口温度和化学组成；冷却水方面有水的入口温度和阀前压力.当冷却水方面的参数发生变化，如：入 口温度突然升高时， 由经上述三个热容积后才能使反应温度升高，经反馈后调节器输出变化，导致调节阀开始动作，从而使冷却水流量增加，迫使温度下降。这样，从干扰开始到调节阀动作，其间经历了比较长的时间， 在这段时间里冷却水温度的升高， 使反应温度出现了较大的偏差.为了更好的抑制干扰,工业中聚合反应釜的温度控制一 般采用串级控制系统,如图1 所示，串级控制系统在结构上形成两个闭环 ,在主环内加一个闭环在里面称为副环，它的输出送往调节阀直接控制生产过程，加上副环的目的是为了保证被控对象（反应釜温度)的控制质量。图42 中，T，为夹套内导热介质的温度，T 为聚合釜内物料的温度.图 42 系统的结构图整个系统的控制目的是将聚氨酯发泡胶粘剂聚合反应釜的温度控制在（801）范围内，本方案采用预测模糊控制算法实现这个目的。4。2 聚合反应釜温度控制流程图10聚合反应釜温度控制的流程图，如图 43图 4-3 聚合反应釜温度控制的流程图11第 5 章 系统硬件设计和设备选型及调试反应釜的最大反应容积为 5 升,最高温度为 300,超调量尽量小，温度控制精度10左右。温度控制系统应能达到以下功能要求：（1）可以认为方便地设定所需控制的温度值，温度控制系统能自动将反应釜温度调整至设定值并能保持，直至重新设定为另一温度值，即能自动控制温度；(2)尽量采用典型、通用的器件，一旦损坏，易于在市场上买到同样零部件进行替换；（3）整套仪器可靠性好，不易出故障。控制系统原理组成如图 51 所示，采用热电偶测温，通过温度变送器，经ADC输入计算机.前置电路主要用来对温度传感器的微弱电信号实现放大、滤波等信号预处理。输出控制电路主要实现对单片机输出的模拟控制信号放大、隔离以及和执行元件的匹配等功能.执行元件主要实现冷热水阀门的开度控制.5-1 系统控制原理图5。1 温度控制器的选择控制器选择目前市场上最流行的也是笔者最熟悉的atmel公司的AT89C51单片机。 AT89C51 是一种带 4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalshProgrammable and Erasable Read Only Memory） 的低电压， 高性能 CMOS8 位微处理器。 该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造， 与工业标准的MCS51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能 8 位 CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中， ATMEL的 AT89C51是一种高效微控制器,为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。5.2 单片机的选择目前， 市面上的单片机不仅种类繁多， 而且在性能方面也各有所长。 一般来说,选择单片机需要考虑以下几个方面：（1）单片机的基本性能参数.例如指令执行速度，程序存储器容量,I/O 引脚数量等。（2）单片机的增强功能。例如看门狗,多指针，双串口，RTC（实时时钟）,CAN接口,扩展 RAM，EPROM 等。（3）单片机的储存介质。对于程序存储器来说，Flash 存储器和 OTP(一次性可编程）存储器相比较，最好是 Flash 存储器。12（4）芯片的封装形式。如 DIP（双列直插）封装，PLCC(PLCC 有对应插座）封装及表面贴附等。DIP 封装在搭建实验电路时会方便一些.（5）芯片工作温度范围符合工业级、军工级还是商业级。如果设计户外产品，必须选用工业级.（6）芯片的功耗.比如设计并口加密狗时，信号线取电只能提供几mA 的电流,选用 PIC 单片机就是因为它能满足低功耗的要求。（7）单片机的工作电压范围。（8）芯片保密性能好.（9）抗干扰性能好，价格低廉。AT89C51 是美国 ATMEL 公司生产的低电压、低功耗和高性能 CMOS 8 位单片机,片内含 8KB 的可反复擦写的只读程序存储器 256B 的随机存取数据存储器,器件采用ATMEL 公司的高密度、 非易失性存储技术生产,并且与 80C51 的引脚和指令系统完全兼容.片内置通用 8 位中央处理器和 Flash 存储单元，功能强大 AT89C51 单片机适合于许多较为复杂控制应用场合。AT89C51 的 40 条引脚按功能来分，可分为 3 部分,电源时钟引脚、控制引脚和输入/输出引脚,AT89C51 的主要性能及特点如下：与 MCS51 兼容4K 字节可编程闪烁存储器1000 写/擦循环数据保留时间：10 年全静态工作：0Hz24Hz三级程序存储器锁定128*8 位内部 RAM32 可编程 I/O 线两个 16 位定时器/计数器5 个中断源可编程串行通道低功耗的闲置和掉电模式片内振荡器和时钟电路5。3 数据采集输入通道设计13输入通道电路中主要包括热电偶和变送器组成的信号采集输送电路以及由A/D 转换器及相关元件组成的模块转换电路，如图 52 所示图 5-2 数据采集输入通道本系统测量范围较大,因此选用线性好、 测温范围大的铂铑-铂 10 热电偶制成的装配式热电偶 WRP120 进行温度测量.热电偶属于自发电型传感器,测量时不需要外加电源，具有测温范围广等优点，因而在工业测量中应用广泛。热电偶提供的信号为“热电动势” ，它是至多不过几十毫伏的微小直流电动势，由接触电动势和温差电动势两种物理效应所组成。从热电偶的制造工艺上看主要有铠装式和隔爆式两种 ,系统选用铠装式热电偶.其具有良好的抗高温氧化、抗低温水蒸气冷凝、抗机械外力冲击的特性，并能制作得很细,有利于解决微笑、 狭窄场合的测温问题， 且具有抗震、 可弯曲、 超长等优点。热电偶输出模拟信号采用集成运算放大器 AD521 进行信号放大， 得到 01。 2V模拟电压， 经 3 位半 BCD 码输出的双积分式 A/D 转换器 5G14433 转换为数字信号。5G14433 是国产的 3 位半 A/D 转换器，是广为流行的最典型的双积分 A/D 转换器。具有抗干扰性能好。转换精度高(相当于 11 位二进制数） ，自自动校零，自动极性输出,自动量程控制信号输出， 动动态字位扫描 BCD 码输出,单基准电压， 外接元件少，价格低廉等特点。5G14433 采用字位动态扫描 BCD 码输出方式，即千、百、十、个位BCD码轮流地在Q0Q3端输出,同时在QS1QS4端出现同步字位选通信号。5G14433 的转换误差为1LSB，输入阻抗大于 100M，模拟输入电压范围为 01。999V 或 0199.9mV。片内提供时钟发生器，使用时只需外接一个电阻，也可采用外部输入时钟或晶振体振荡电路.片内的输出锁存器用来存放 A/D 转换结果，经多路开关输出多路选通脉冲信号 DS1DS4 及 BCD 码数据 Q0Q3.其转换速度教慢，为 110 次/秒。在不要求高速转换的场合,如温度控制系统中，被广泛采用。5G14433 的国外原型产品是美国 Motorola 公司的 MC14433，两者完全相同，可以互换使用。由于 5G14433 的 A/D 转换结果是动态分时输出的 BCD 码，Q0Q3 和 DS1DS4均不是总线式的。因此，单片机只能通过I/O 接口或扩展 I/O 接口与其相连，本系统5G14433直接与其P1口相连.由于双积分式A/D转换器具有消除高频干扰的作用，因此不必设计抗干扰电路。5.4 输出控制电路设计14反应釜温度的控制最终由输出控制电路来实现，这部分电路主要是来控制阀的开度以实现对温度的控制，如图 5-3 所示.单片机经计算后得到控制量，由 DSC0832输出控制信号送给控制板，控制板调节比例阀的开度，最终控制冷热水流量 ,进而调整釜内温度。DAC0832 是美国国家半导体公司采用 CMOS 工艺生产的8位分辨率的A/D转换集成电路芯片。它具有与微机连接简单、转换控制方便、价格低廉等特点，因而得到了广泛的应用。 由于其片内有输入数据寄存器， 故可以直接与单片机接口。 DAC0832以电流形式输出,当需要转换为电压输出时,可外接运算放大器.DACO832 的主要技术指标如下：（1）分辨率 8 位；(2)电流建立时间 1s；(3）数据输入可采用双缓冲、但缓冲或直通方式；(4）逻辑电平输入与 TTL 电平兼容；（5）单一电源供电(+5 +15V)（6）低功耗，功率耗能 20mW；（7）输入端电压25V.5-3 输出控制电路5。5 温度超限报警电路设计超限报警电路如图 54 所示5-4 超限报警电路本系统采用比较器 LM311 将集成运算放大器 AD521 放大后的电压信号与高精度电源 5G1403 输出的标准电压进行比较,如果输出高电平，说明温度超限，因此将启动温度超限处理，同时点亮红灯并启动蜂鸣器进行报警.5.6 键盘接口电路设计键盘是人机交互的重要手段,分为编码键盘和非编码键盘。闭合建的识别由专用的硬件译码器实现并产生键编号或键值的称为编码键盘，如 BCD 码键盘、ASCII键盘等.靠软件识别的称为非编码键盘。键盘实际上是由排列成矩阵形式的一系列按键开关组成，用户通过键盘可以向CPU 输入数据、地址和命令。键盘的结构形式一般有两种：独立式键盘与矩阵式键盘.本系统选用的是矩阵式键盘，如图5-5 所示.矩阵式键盘的连接方法由多种，可15直接连接于单片机的 I/O 口线：可利用扩展的并行I/O 口连接：也可利用可编程的键盘、显示接口芯片进行连接等等。其中，利用扩展的并行 I/O 口连接方便灵活,在单片机应用系统中比较常用。本系统的设计中，键盘被设计成 44 的矩阵，其中包括 10 个数字键，用于设定温度等参数：确认键用于设定的参数：取消键用于取消设定的参数， 并使内存单元初始化为 0： 键键用于选择要修改的参数： START用于启动单片机控制系统：STOP 用于紧急停车。图 5-5 键盘接口电路5.7 LED 显示接口电路设计在单片机系统中，通常用 LED 数码管来显示各种数字或符号。LED 数码管显示器是有发光二极管按一定的结构组合起来的显示器件， 有 7 段式 LED 数码管显示器,译码方式有硬件译码方式和软件译码方式。由于它具有显示清晰、亮度高、使用电压低、寿命长的特点，因此使用非常广泛. LED 数码管的显示方式通常有两种：动态显示:即单片机定时对各显示单元进行扫描，各显示器分时工作，利用视觉暂留的特性，达到稳定显示的目的.静态显示：利用锁存器将各显示单元锁定，直到更新显示内容为止。这种方式占用 CPU 时间较少，工作可靠且亮度高。本系统中选用的是 7 段式 LED 显示器，采用软件译码的方式，硬件电路图如图5-6 所示。LED 接口利用 8255A 进行并行扩展，采用动态显示，循环点亮显示时间为 20ms图 5-6 显示接口电路5.8 单片机温控系统的调试过程在进行系统的调试之前。要先进行初调，就是要使各个子程序运行正确，程序的运行流程正确，主要分以下几个步骤进行：（1）功能子程序的调试功能子程序的调试包括运算(如多字节的加法、减法、乘法、除法等)、采样、数字滤波、标度变换以及 PID 等子程序的调试.在调试功能子程序时，许多参数都是未知的，要根据其所需的条件,给出家丁的数据,使其运行，如果能完成预定的处理功能或与手工计算的结果相符,就说明该程序已调通。调试时由小到大，由里到外。例如调试PID 算法子程序时，先调通其包含的各个运算子程序和参数处理子程16序，然后将他们连起来进行通调。通调时，也是假定一些数据、参数和初始条件，然后运行程序。当运算结果与手工运算的结果相同时,该运算子程序则调试完成,反之，就要进行相应的修改。其它子程序的调试同理。（2）程序流程的调试程序流程的调试主要是查看程序运行的步骤是否正确，在某时刻程序运行所处的位置是否正确，是否能正确运行各中断服务程序。在调试过程中,现将 PID 算法子程序屏蔽，输出用一个固定大的常数代替，在各个中断服务子程序设置断点，然后运行程序，查看程序是否能运行到所有的断点，若所有断点都能运行到，则程序流程基本正确.去掉所有断点，再一次运行程序，查看人机面板上指示灯的亮、灭，若指示灯呈周期性的亮灭，则程序流程时正确的,反之,程序流程部不正确，继续做相应的修改后，重新调试。(3)功能程序与算法程序的通调在完成整个程序流程的调试后，将 PID 等算法子程序加入,在算法子程序前或后设置断点，运行整个程序。当程序在断点处暂停时，查看PID 计算的控制量与手工计算的值是否相同。多运行几次，若每次的结果都正确，则说明程序各个部分互相没有矛盾，反之,则说明算法子程序和其它子程序之间有影响，需要做相应的修改后重新调试。17第六章 结论本文是将模糊控制和预测控制结合起来运用于聚合反应釜温度控制器的设计，用单片机进行温度控制系统设计。本系统是以单片机的基本语言汇编语言来进行软件设计，使指令的执行速度快，节省存储空间。为了便于扩展和更改，软件的设计采用模块化结构，使程序设计的逻辑关系更加简洁明了。使硬件在软件的控制下协调运作。 与常规 PID 控制相比， 该系统的控制精度更高， 可以得到更小的温度波动,控制效果明显提高；由于预测控制对系统未来的输出有预测作用 ,根据预测偏差和偏差率调整 PID 参数可以实现超前调节，所以该控制系统更加适用于有较大时滞的温度过程；该系统温度上升时间缩短，超调量减小 ,对系统参数变化和外界干扰有较强的鲁棒性等优点；该温度控制系统主要通过软件算法进行实时控制,设计简单，实用性强,对时滞大、非线性和时变性强的工业过程有较好的控制效果，是一种适用性强、稳定性强、精度高的温度控制系统.18参考文献1李士勇模糊控制 神经控制和智能控制论M 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1998：348-3492 雎刚，陈来九一种新的预测控制算法：模糊预测控制算法J控制理论与应用， 1998，2：1431473 王会清，张守元预测模糊控制在磨矿分级过程的应用研究 J矿业工程，2002，9：60624 K Nozaki， H Ishibuchi， H Tanaka A simple but powerful heuristic method for generating fuzzyrules from numerical data J Fuzzy Sets and Fuzzy Systems，1997，86(3） ：2512705 K J Huntand and D SbarbaroNeural networks for nonlinear internal model controlJ 1EEProc,1991，138（5）:431-43819谢辞写作毕业论文是我们每个大学生必须经历的一段过程，也是我们毕业前的一段宝贵的回忆。当我们看到自己的努力有收获的时候，总是会有那么一点点自豪和激动。任何事情都是这样子，需要我们脚踏实地的去做，一步一个脚印的完成，认真严谨，有了好的态度才能做好一件事情，一开始都觉得毕业论文是一个很困难的任务，大家都难免会有一点畏惧之情，但是经过长时间的努力和积累,经过不断地查找资料后总结,这使我对所学的自动化知识和实际工作技能方面有了很大的提高。同时，思想道德和政治理论水平也有了一定的提升。此次毕业设计,在导师沈清波教授的全力帮助和支持下，我将所学的专业知识应用于实践，取得了一定的设计成果,这不但是对我学习生活最好的总结也是对老师们辛勤付出的报答.通过此次毕业设计，我学会了对所学知识的应用，同时也看到了自己的不足，这为我今后解决工作中的困难增强了信心。论文的顺利完成，我要感谢我的指导老师沈清波教授以及周围同学朋友的帮助，在我刚开始接手这个毕业设计时,虽然做好了理论知识的准备但是却不知道从何下手,是沈清波老师用他丰富的专业实践经验给我指明了设计的方向，理清了我的思路， 使我将抽象的理论具体的联系到实践中来， 我才能够顺利的完成这个设计。感谢他们提出宝贵的意见和建议。 另外， 要感谢在大学期间所有传授我知识的老师，是你们的悉心教导使我有了良好的专业课知识,这也是论文得以完成的基础。在完成此次毕业论文论文之后，不仅为我的大学生涯划上了一个完美的句号，也为我将来参加工作做好了一次严格的考察，让我在工作中充满信心.再次感谢我的导师和专业老师,是你们的细心指导和关怀，使我能够顺利的完成毕业论文。在我的学业和论文的研究工作中无不倾注着老师们辛勤的汗水和心血。老师的严谨治学态度、渊博的知识、无私的奉献精神使我深受启迪 .从尊敬的导师身上，我不仅学到了扎实、宽广的专业知识，也学到了做人的道理。在此我要向我的导师致以最衷心的感谢和深深的敬意。20