1、空调机的温度控制系统摘 要空调机的温度控制对于工业和日常生活等工程都具有广阔的应用前景。本文将传统控制理论与智能控制理论相结合应用于温度控制的实际工程中。首先，设计出系统的硬件构成，然后，从热力学的角度对温度对象的特性做了较深入的分析，从理论上推导出温度对象的常用的一阶带纯滞后的近似数学模型，并给出了数学模型中各参数的含义。在此基础上，本文分析了现有空调机控制方法的利弊，并针对它们各自的优、缺点，对具有纯滞后特性的温度对象提出一种改进的模糊控制方法。该方法将模糊控制、PID控制结合起来。通过数字仿真表明该方法对空调机温度的控制具有超调小(可达到无超调)、调节时间短、鲁棒性好等优点。在此基础上，
2、用阶跃信号做激励，辨识出系统的数学模型。本文的最后，通过对实物实验结果可以看出，本文所提出的改进的模糊控制算法对非线性、具纯滞后环节对象的控制是很有效的。温度控制系统的软件采用汇编语言编制，控制算法部分采用C与汇编混合编程。该软件基于Windows20000/xp平台，人机界面友好，易于用户操作。具有在线修改采样时间、控制算法、控制参数、图形显示及数据保存和打印功能。设计的空调机温度控制的精确性，使用方便，功能齐全。关键词：PWM控制、模型辨识、模糊控制、PID控制Conditioning temperature control systemAbstractThethesisstudiesth
3、ePlantoftemperature. Firstly，the system15 designed and realized. Then the characteristics of temperature of Plant are analyzed in all details from thermodynamics. The approximate mathematics model of temperature plant with one order and dead time is reduced and the meaning of every parameter of this
4、 model are expressed，Which is used often and practically in the paper. In addition tot his，we identify the model of the system and the result demonstrated the method is effective for it.Secondly we analyzed advantages and disadvantages of present control method of temperature. One kind of improved F
5、uzz-Dahlin control method is presented for Temperature Plant with long dead time and non-linearity. The Dahlin control method，The fuzzy control method are combined in this improved method It is demon strated By digital simulation that the improved Fuzzy-Dahlin makes the extra-regulation more small(e
6、ven zero)，the regulation time more short，and the robustness better for the temperature controlled Plant. It is demonstrated by physical experimentation that improved Fuzzy-Dahlin method presented in this Paper is effective for temperature plant with dead time and non-linearity.The control software i
7、s compiled with visualc+ and matlab .Its easy to use and friendly to the interface of person and machine on the basis of window 2000/xpplatform. There are some functions as modify sample time or modify controllers parameters online，display and copy data of temperature curve，and so on. The control ha
8、rdware is easy to use and its functions are self contained. Key Word: Intelligent control，model identify， Dahlin control，Fuzzy control，PID control33目 录摘要.Abstract.一、绪论.3（一）课题国内外现状.3 （二）课题的研究目的及意义.3 1.课题的研究目的.32.本课题的研究意义.4 3.课题的特点及具体要求.4（三）本文的主要工作.4二、 温度控制系统硬件实现.6（一）总体设计. .6（二）信号采样电路设计.61.温度采样设计.62.单
9、片机最小系统设计.9（三）A/D转换电路设计.111.A/D转换的常用方法.112.A/D转换的主要技术指标.113.ADC0809的主要特性和内部结构.124. ADC0809管脚功能及定义.135. ADC0809与8031的接口电路.14三、温度控制系统软件实现.15（一）系统初始化程序.15（二）程序的主循环框架.15（三）校准程序.18 四、控制算法研究.19（一） PID算法研究.19（二）模糊控制系统设计.19 1.模糊控制算法.19 2.模糊控制的基本概念.213.模糊控制器的设计要点.22 4.模糊控制过程.24（三）比较算法.28五、结论及展望.30（一）结论.30（二）展
10、望.30致谢.32参考文献. .33一、 绪 论(一)课题的国内外现状控制菌种生长环境的设施和设备由功能简单、单一的气候箱发展成现在控制复的人工气候室，这对于研究在人工模拟自然生态环境中生长因素对菌种生长的提供了必要的条件和能够继续深入研究的基础。目前，大多数菌种培养车间都采取通过控制水加热机组和水制冷机组进行温度的调节，这使得整个控制设备占于庞大，控制复杂，能耗大，投资高。部分气候室采用中央空调控制温度，但中央空调同样存在成本高低精度的问题，且存在不同气候室同时向主机提出两种不同运行式请求，导致系统失控的可能，因此，此种车间的控温方法也存在缺陷。所以，操作简单，控制精度高，系统性能好，投资低
11、的新型菌种培养车间正为人们所期待。本文提出了一种以普通壁挂式空调来调节人工气候室温度的新方法，加以合理智能算法可以有效地对温度进行高精度恒温控制，而且成本较低，操作方便。（二）课题的目的及意义1.课题的研究目的 高精度温度控制就是实现温度的更加精确化,准确化。实现温度恒温化,更好的来满足菌种的生长温度。当今空调机的温度控制是人们利用可控电路对空调机进行控制,来实现对温度的控制。它只能满足人们一般的需求，温控精度也不高，对更高的温度需求不能满足。例如菌种的培养车间，菌种的生长需要非常稳定的温度环境，对温度的要求非常高，这就需要对空调机的温度来实现高精度控制。培养菌种的培养车间需要较高的温度精度，
12、它的温度控制一般是由空调机来实现的，而现今空调机的控温精度不高，一般在23度左右,误差比较大。这就需要对我们控温系统进行改进。来实现空调机高精度的控制。菌种培养车间需要的误差一般在0.5度左右，这首先需要非常灵敏的装置对温度进行检测，防止因检测而带来的错误。这可以用电接水银温度计(WXG型)进行测量。将测量的信号通过高灵敏度的温度传感器送到微处理器中。从而用微处理器来实现对空调机的高精度温度控制。这样才能满足培菌车间的需要。2.本课题的研究意义(1) 要使菌种培育更好，就必须有一流的生长条件和环境。传统的菌种培养车间是育种试验必不可少的条件，它可以缩短试验周期，可以模拟各种气候条件而不受自然气
13、候的制约和影响。但是温度控制的精度还是不高,这就必须对空调机进行改进,实现对温度高精度控制。(2) 本系统就是针对以上老系统存在的不足及实际要求设计开发的。只要设定运行曲线后，就可连续自动地运行，按照给定曲线同时调节温度，并保存实际运行的参数和设定参数。3.课题的特点及具体要求(1) 菌种培养车间是一个多变量相互祸合的复杂系统，温度具有纯滞后、大惯性特性。而且外界的气候的变化也会对室内的温度产生影响。所以按照常规的的控制方法，要对温室对象建立精确数学模型几乎是不可能的，而且控制精度很难保证育种过程的要求。培养车间能够在任意时候模拟任意的气候条件，而且温度要能够严格按照给定曲线变化，要求具有保护
14、功能。根据己有控制系统的运行经验和不足之处，改造其老系统，要求实现的主要功能和技术指标如下：系统需采用两级计算机控制，上位机采用工控机，下位机采用自行开发的智能控制器。(2) 系统的控制算法采用智能控制算法，温度的控制精度要求为0.2，(3) 上位机应用程序是在Windows98环境下开发的应用程序，可以监控多台下位机，要求有参数设定计算、过程监控、数据存储和通信等功能。(4) 下位机具有实时控制功能，在上位机出现故障的时候可以实施单独控制，并且可靠性要高。（三）本文的主要工作本文针对单片机对温度控制监测系统若干关键技术展开研究工作，主要集中在以下几个方面：1分析项目要求，介绍以低成本为核心指
15、导思想的温度控制系统的总体方案设计，统的组成和工作原理，阐述多点校准技术和线型插值技术在系统设计中的应用，以及些技术的应用对降低成本的作用。2系统的硬件设计，介绍主要硬件的选型及其主要特点，温度传感器Pt100采样以及信号放大处理，信号调理与A/D转换电路的设计，低压线性稳压器的电路设计，片机接口电路的设计以及电路的总体设计等。3模块功能设计及实现，详细介绍在温度监控系统中应用到的各个模块的功能和应方法，涉及到各个模块的功能和工作原理，各个控制寄存器的设定，模块之间的关系协作方式等。包括基本始终模块的应用，E2ROM存储器x25043/45的应用，数码显示管的应用以及按键等的实现。4系统的总体
16、设计和主要程序模块，程序设计采用汇编语言和C语言模式，并将低本高精度思想融入其中，介绍的程序模块包括：系统初始化程序、主循环框架、准程序、LED数码显示程序并给出了程序的设计流程图和部分程序源代码。5总结温度控制系统的设计，介绍了使用现状以及未来的改进和发展方向。二、 温度控制系统硬件实现 (一)总体设计总的设计思想是通过温、湿度器及执行机构，完成温、湿度自动调节及声光报警等功能，总体设计框图如图传感器将温度、湿度值转换为电量输出，由A/D转换器对模拟信号进行数字化，被数字化的信号经过单片机处理后，送显示温度调节传感器A/D转换器单片机系统执行报警显示图2.1 总体设计框图本系统完成以下功能：
17、可对温、湿度进行多点自动检测、显示、报警和调控。当温、湿度超过上、下限设定值时，可自动发出声光报警，并进行温、湿度调节控制，直到报警消除，报警的上下限值可通过键盘随时设定。为实现以上功能需安排以下五个部分组成整个控制系统如图2.1所示。系统的硬件组成：（1）信号采样电路（2）单片机基本系统（8031）（3）A/D转换电路（4）键盘和显示电路（5）执行电路(二)信号采样电路设计采样电路在整个控制装置中占据着十分重要的地位，采样值是8031主要处理的数据，是实施控制的依据，所以保证采样电路的准确是进行良好控制的基础。1.温度采样电路设计(1) 温度传感器的选择温度传感器的种类很多，根据温室使用条件
18、，选择恰当的传感器类型才能保证测量的准确可靠，并同时达到增加使用寿命和降低成本的目的。根据温室温度控制的特点，本系统中温度传感器选用AD590集成温度传感器。集成温度传感器实质上是一种半导体集成电路，它是利用晶体管的b-e结压降的不饱和值VBE与热力学温度T和通过发射极电流I的关系实现对温度的检测： (2-1)式中，K波尔兹常数；q电子电荷绝对值。集成温度传感器具有线性好、精度适中、灵敏度高、体积小、使用方便等优点，得到广泛应用。集成温度传感器的输出形式分为电压输出和电流输出两种。电压输出型的灵敏度一般为10mV/K，温度0时输出为0，温度25时输出2.982V。电流输出型的灵敏度一般为1A/
19、K。AD590是美国模拟器件公司利用PN结正向电流与温度的关系制成的电流输出型两端温度传感器。这种器件在被测温度一定时，相当于一个恒流源。该器件具有良好的线性和互换性，测量精度高，并具有消除电源波动的特性。它的主要特性参数如下：1.流过器件的电流（A）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数，即： (2-2)式中：Ir流过器件（AD590）的电流，单位为A。T热力学温度，单位为K。2AD590的测温范围为-55+150。3AD590的电源电压范围为4V30V。电源电压可在4V6V范围变化，电流Ir变化1A，相当于温度变化1K。AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件反接也不
20、会被损坏。4输出电阻为710M。5精度高：AD590共有I、J、K、L、M五档，其中M档精度最高，在-55 +150范围内，非线性误差为0.3。6.灵敏度：1A/K。1.2温度检测电路的设计在设计测温电路时，首先应将电流转换成电压。因为流过AD590的电流与热力学温度成正比，当电阻R1和电位器RP1的电阻之和为10k时，输出电压VO的变化为10mV/K。但由于AD590的增益有偏差，电阻也有误差，因此应对电路进行调整。为了使此电阻精确（0.1%），可用一个9.6k的电阻与一个1k电位器串联，然后通过调节电位器来获得精确的10k的电阻。温度检测电路如图2.2所示，其中运算放大器A1被接成电压跟随
21、器形式，以增加信号的输入阻抗。而运放A2的作用是把绝对温标转换成摄氏温标，给A2的同相输入端输入一个恒定的电压，然后将此电压放大到2.732V。这样，A1与A2输出端之间的电压即为转换成的摄氏温标。A1A2图2.2 温度检测电路将AD590放入0的冰水混合溶液中，A1同相输入端的电压应为2.732V，同样使A2的输出电压也为2.732V，因此A1与A2两输出端之间的电压为0V即对应于0。AD590温度与电流的关系如表2.1所示。2.1 AD590温度与电流的关系摄氏温度AD590电流经10K电压00C273.2A2.732V100C283.2A2.832V200C293.2A2.932V300
22、C303.2A3.032V400C313.2A3.132V500C323.2A3.232V600C333.2A3.332V1000C373.2A3.732V2.单片机最小系统的设计(1) 单片机复位电路的设计复位电路是单片机应用中重要的一环，它对单片机抗干扰有重要作用。在振荡运行的情况下，要实现复位操作，必须使RST引脚至少保持两个机器周期的高电平。复位期间不产生ALE及PSEN信号。复位后，各内部寄存器状态如表2.2所示。8031单片机的复位电路如图2.3所示。表2.2各内部寄存器状态寄存器内容寄存器内容PC0000HTMOP00HACC00HTCON00HB00HTH000HPSW00HT
23、H100HSP07HTL000HDPTR0000HTL100HP0-P30FFHSCON00HIPxxx00000SBUF不定IE0xx00000PCON0xxxxxxx图2.3复位电路(2) 单片机时钟电路的设计单片机的时钟产生方法有两种：内部时钟方式和外部时钟方式。本系统中8031单片机采用内部时钟方式。最常用的内部时钟方式是采用外接晶体和电容组成的并联谐振回路。振荡晶体可在1.2MHz12MHz之间。电容值无严格要求，但电容取值对振荡频率输出的稳定性、大小和振荡电路起振速度有少许影响，一般可在20pF100pF之间取值。8031单片机的时钟电路如图2.4所示。图2.4时钟电路(3) 80
24、31单片机最小系统一个最小8031单片机系统有CPU（8031）、8位3态D锁存器74LS373、ROM或RAM，时钟电路和复位电路等基本电路组成。(三) A/D转换电路设计由信号处理电路输出的信号为模拟信号，而单片机只能处理数字量，所以必须首先将模拟量经过一定电路转换为数字信号，单片机才能处理，这种电路被称为A/D转换电路，是模拟系统与计算机之间的接口部件。1. A/D转换的常用方法A/D转换的常用方法有：双积分式A/D转换、逐次逼近型A/D转换、计数型A/D转换等。双积分式A/D转换的工作原理是将对输入电压的测量，转换成对基准源积分时间的测量，再测量时间（脉冲宽度信号）或频率（脉冲频率），
25、然后由定时器/计数器获得数字值。这种方法的主要优点是分辩率高、精度高、抗干扰性好；主要缺点是转换速度慢。逐次逼近型A/D由一个比较器和D/A转换器通过逐次比较逻辑构成，顺序地增加内部D/A的输入值，并将其输出电压与A/D测量输入电压比较，当二者相等时，内部D/A的输入值就是A/D转换的结果。这种方法的主要优点是速度快、功耗低；主要缺点是抗干扰性差。2 .A/D转换器的主要技术指标A/D转换器的主要技术指标有：分辨率、精度、量程、转换时间等。分辨率（Resolution）分辨率反映转换器所能分辨的被测量的最小值。通常用输出二进制代码的位数来表示。8位A/D转换器的分辨率为8位。精度（Precis
26、ion）精度指的是转换的结果相对于实际的偏差，精度有两种表示方法：绝对精度和相对精度。绝对精度用最低位（LSB）的倍数来表示，如：1LSB；相对精度用绝对精度除以满量程值的百分数来表示，如：0.05%。同样分辨率的转换器其精度可能不同。量程（满刻度范围Full Scale Range）量程是指输入模拟电压的变化范围。如：某转换器具有10V的单极性范围或?5+5V的双极性范围，它们的量程都为10V。实际的A/D、D/A转换器的最大输入/输出值总是比满刻度值小。转换时间（Conversion Time）A/D转换器的转换时间是指:从启动转换开始，直至取得稳定的数字量或模拟量所需的时间称为转换时间。
27、转换时间与转换器原理及其位数有关。同种工作原理的转换器，通常位数越多，转换时间越长。3.ADC0809的主要特性和内部结构本系统采用ADC0809大规模集成电路芯片，它是逐次逼近式A/D转换器，输出的数字信号有三态缓冲器，可以和单片机直接接口。ADC0809的主要技术指标为：分辨率：8位；单电源供电：+5V；最大不可调误差小于1LSB；转换时间为100s（时钟频率为640KHz）；模拟输入范围：单极性05V；不必进行零点和满刻度调整；功耗为15Mw；ADC0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个8位A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。其内部结构框图如图2.5所示。8路模拟量开关
28、8路A/D转换器三态输出锁存器地址锁存与译码 器图2.5 ADC0809转换器的内部机构框图4. ADC0809管脚功能及定义ADC0809模数转换器的管脚定义如图2.6所示。图2.6 ADC0809管脚结构图IN0IN7：8通道模拟量输入。ADDA、ADDB、ADDC：A、B、C为地址输入线，用于选通IN0IN7上的一路模拟量输入。通道选择表如表2-3所示。ALE：地址锁存允许输入线，高电平有效。当ALE线为高电平时，地址锁存与译码器将A、B、C三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中通道的模拟量进转换器进行转换。D0D7：8位输出数据线（三态），A/D转换结果由这8根线传送给单片机。O
29、E：允许输出信号。当OE=1时，输出转换得到的数据；当OE=0时，输出数据线呈高阻状态。START：转换启动信号。START为正脉冲，其上跳沿所有内部寄存器清零；下跳沿时，开始进行A/D转换；在转换期间，START应保持低电平。EOC：转换结束信号。当EOC为高电平时，表明转换结束；否则，表明正在进行A/D转换。CLK：时钟输入信号。因ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号必须由外界提供，频率范围为10KHz1.2MHz，典型值为640KHz。表2-3 通道的选择表CBA选择的通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN75. AD
30、C0809与8031的接口电路ADC0809有8个通道的模拟量输入，在程序控制下，可令任意通道进行A/D转换并可得到相应的8位二进制数字量。三、温度控制系统软件实现本章将介绍软件的总体设计。有了各个功能块的软件实现方法，软件的总体设计就变得简单了，软件设计中一个重要的思想就是采用模块化设计，把一个大的任务分解成若干个小任务，分别编制实现这些小任务的子程序，然后将子程序按照总体要求组装起来，就可以实现这个大任务了。这种思路对于可重复使用的子程序显得尤为优越，因为不仅程序结构清晰，而节约程序存储空间。（一）系统初始化程序系统初始化程序是为了在进入主程序循环之前，做好必要的准备工作，包括如下内容：1
31、停止X25043内部的看门狗。2设定X25043内部WDT为定时器模式，定时为0.25秒，并允许内部WDT中断。3设定UO端口状态，全部设定为输入状态，降低功耗。4初始化E2PROM，设定位于E2PROM内的看门狗定时为1.4s5从护E2PROM读入校准数据，将校准数据写到内存。6启动位于E2PROM内的看门狗。7将E2PROM的片选端CS置为1，使E2PROM进入待机模式，以降低功耗。8设定校准按键为中断允许状态。9总中断允许设为l。10示模块开始。11PID参数初始化。12PWM参数初始化。（二）程序的主循环框架程序的主循环框架如图31，在系统进行一系列的准备工作即初始化之后，程序就主循环
32、，主循环的工作是进行采样时间控制、控制测量过程、LED显示循环、按键并且处理、数据查表处理、线性插值、数据显示，然后周而复始地进行主循环程序。在主程序循环的过程中随时响应按键中断，进入校准程序。对参数进行相应设置操作作为线性调整的最值主程序循环开始判断状态态正常显示状态进入校准状态送LED显示数据按键去抖动A/D采样判断按键数据处理转换为显示码写入EPROMPWM控制校准完毕清标志位主程序下一次循环图3.1 主程序逻辑图主程序：ORG 0000HAJMP MAINORG 0100HAD0 EQU 7FF8HPORT EQU 4100HPORTA EQU 4101HPORTB EQU 4102H
33、PORTC EQU 4103HMAIN:MOV SP，#60H； 设置堆栈MOV DPTR，#PORT； 8155初始化MOV A，#03H； 8155A口、B口为输出，C口为MOVXDPTR，A； 输入方式MOV 50H，#19H； 温度设定值存于50H单元，设定值为25MOV R0，#30H； 显示缓冲区30H到37H清0MOV A，#00HML0：MOVR0，AINC R0CJNE R0，#38H，ML0ML1：ACALL KEYCJNE 52H，#0EH，ML2； 如果是A/D转换键，则进行A/D转换ACALL ADACALL FILTACALL FUZZYACALL DIRML2：A
34、CALL T10； 等待采样时间AJMP ML1（三）校准程序正常情况下数字温度表运行在测量显示状态下，校准的启动是通过响应按键SET键长按2s的方式来实现的，本次设计选择P2.7为进入校准状态的按键输入端。校准程序入口也就是设在单独的子程序中，进入子程序后，进行如下操作：1.按键去抖动、干扰检查。.进入循环活动状态。2.判断是否己经在校准状态，如果已经在校准状态，则表示是在校准中途按下SET键，表示放弃校准，此时不保存校准数据到E2PROM，直接复位系统，进入正常测量显示状态。3.进入逐点校准循环。4.LED显示。5.扫描按键KYE NXET是否按下。6.调入校准点数据。7.LED显示进入校准标准点状态。8.扫描按键KEY NETX是否按下。9.判断E2PROM值与现有输入值是否相同，相同则不往E2PROM里写入，不相同则开始写入E2PROM。.写入E2PROM。10.显示测量数据(放电时间比率)。11.扫描按键KYE NEXT是否按下。12.此点数据存入内存。13.循环进入下一点。14.全部校准点结束后，退出校准程序，校准数据存入E2PROM15.调用复位程序，重新初始化系统，进入测量状态。四、控制算法的研究
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