φ600×6000轉筒烘干機傳動系統(tǒng)設計【說明書+CAD】

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畢業(yè)設計 文獻翻譯 院（系）名稱 工學院機械系 專業(yè)名稱 機械設計制造及其自動化 學生姓名 李慶森 指導教師 閆存富 2012年 03 月 10 日 黃河科技學院畢業(yè)設計（文獻翻譯) 第 6 頁 基于模糊PID的溫度控制系統(tǒng)設計 摘要：智能控制系統(tǒng)的溫度設計是為了滿足溫度的工藝曲線的要求。在該系統(tǒng)中，模糊規(guī)則用來調節(jié)PID控制器的參數(shù)，調整PID控制器用于控制溫度的變化。該系統(tǒng)可以避免常見的PID的缺點，比如設置時間長，寬超調，并獲得更好的控制特性。本文重點闡述了它的原理與控制方法，介紹了硬件結構和軟件流程圖。 關鍵詞：智能控制，PID控制器，溫度設計 引言 在冶金行業(yè)和機械工程中，溫度是最重要的參數(shù)之一。在不同的場合中，精度和速度需求的溫度控制也有所不同。在一些場合中，控制的要求很簡單，只需要控制變量。但是，在更多的場合中，溫度應滿足工藝曲線的要求。在后者，實時測量和控制溫度是非常有必要的。計算機控制因其突出的成本低的優(yōu)勢被廣泛地應用于溫度的實時控制，因此單片機被廣泛的利用。這種方法被廣泛應用在溫度控制系統(tǒng)中。但在實踐中，許多工程系統(tǒng)特點，如延遲滯后、強耦合、時變，導致PID系統(tǒng)控制不能達到顯著的結果。如果采用模糊控制與PID控制配合使用，那么這個控制系統(tǒng)就會很好地工作。本文設計了一種智能的基于模糊PID控制器的溫度控制系統(tǒng)。 模糊溫度控制器的原理 PID方法因其突出的優(yōu)勢而被廣泛應用于溫度控制系統(tǒng)。PID控制系統(tǒng)有三個基本控制方法，他們分別是比例控制、積分控制和倒數(shù)控制。每個功能的控制方法是不同的。每個基本控制方法，不僅可以單獨使用，也可結合起來使用。在PID控制系統(tǒng)中，這三個控方法是相結合使用的。PID控制系統(tǒng)具備三個基本控制方法的優(yōu)點。PID控制系統(tǒng)是可以改進的，例如系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能、動態(tài)性能和穩(wěn)定性。 在數(shù)字系統(tǒng)中，PID算法有兩個表達式： （1） （2） 在上述公式中，E（k）是第k個樣本的偏差，P（k）是第k個輸出的控制樣本，為比例系數(shù)，是積分系數(shù)，是微分系數(shù)。 方程（1）稱為位置控制算法。方程（2）命名為增量算法。因為大的突然變化量是不允許在制造過程中的，因此方程（2）被廣泛應用于數(shù)字算法中。 但是在實踐中，許多工程系統(tǒng)存在滯后、強耦合、時變等特點。假如我們只使用普通的控制系統(tǒng)，工程系統(tǒng)會存在一些諸如設置時間長、寬超調和一些不易確定的PID系數(shù)的缺點。為了獲得更好的控制特性，在我們的工作中模糊理論被用于調整PID實時系數(shù)。 調整方法為方程（3）所示。其中，α為調整比例系數(shù)，β是調整積分系數(shù)，γ是調整微分系數(shù)，′是調整后的比例系數(shù)，′是調整后的積分系數(shù)，′是調整后的微分系數(shù)。是調整比例系數(shù)，是調整積分系數(shù)，是調整微分系數(shù)。 ′=+αE;′=+βE;′=+γE. (3) 要調整三個系數(shù)的實時性，建立三個一對一的模糊系統(tǒng)是非常必要的。我們只需描述基礎過程中的一個模糊系統(tǒng)，過程如下： 偏差（E）和差額偏差（DE）被選定為模糊系統(tǒng)的輸入值。根據(jù)每一個輸入值，PB、PM、PS、ZO、NS、NM和NB被選定為模糊集合。Π型曲線被選為隸屬函數(shù)，它與給出的模糊集映射在一起。調整系數(shù)PID系數(shù)是一個選中的輸出值。模糊集包含7個變量，如PB，PM ，PS，ZO，NS，NM和NB。輸出的函數(shù)是高斯函數(shù)。模糊系統(tǒng)的核心是采用模糊規(guī)則制定模糊邏輯語句。每個規(guī)則都是專家通過知識設計的。 規(guī)則的設計原則是： 如果絕對值大，調整系數(shù)導致減少偏差是有可能的。加快反應速度，′應該避免較大；過飽和度，′應較小；避免較大的超調與積分飽和，′為零是正常的。如果絕對值在中間，那么就有必要改變調整系數(shù)，增加或減少強度的控制，因此，應避免或減少過沖和振蕩。如果絕對值小，系數(shù)應該是穩(wěn)定的。模糊規(guī)則，如表1所示。 表1模糊規(guī)則 差額偏差（DE） NB NM NS ZO PS PM PB 偏差量（E） NB NB NB NB NB NM NS ZO NM NB NB NM NM NS ZO ZO NS NB NM NM NS ZO ZO PS ZO NM NS NS ZO PS PS PM PS NS ZO ZP PS PM PM PB PM ZO ZO PS PM PM PB PB PB ZO PS PM PB PB PB PB 系統(tǒng)的硬件結構 模糊PID控制器可以用很多方式實現(xiàn)。以特殊的模糊邏輯芯片和開發(fā)工具作為平臺，其優(yōu)點是精度高、速度快，缺點是成本高、較少機動性。另一種廣泛使用的方法是使用單片機作為硬件平臺，因為其突出的成本低的優(yōu)勢?？紤]到成本的原因，單片機被用來作為系統(tǒng)的硬件平臺。 C8051F系列單芯片處理器是兼容微處理器核心和指令為一體的單片機。他們不僅具有標準的外部設備，而且還集成了更多的設備。模擬模塊的設備，經常使用在數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中，及其他包括數(shù)字的外部設備中。C8051F系列芯片具有獨立與真實的工作能力，并且可以有效地管理模擬和數(shù)字外部設備。為了節(jié)約能源，一個或多個外部設備可以關閉。快閃記憶體有能力重啟程序，它不僅可以被用來作為程序存儲器，也可以用來作為數(shù)據(jù)存儲器。與傳統(tǒng)的MCS-51單片機相比，該性能已得到提高，而且其運行速度也得到加快。考慮模糊控制器的實際需求，C8051F020系列的單芯片被選定為核心處理器。 該系統(tǒng)的硬件結構如圖1所示。在沒有外部數(shù)模和模數(shù)轉換器的使用下，集中在單一芯片上的模數(shù)轉換器和數(shù)模轉換器能滿足實際需求。前端電路（包括前置放大器和濾波器）用于放大溫度傳感器信號和過濾信號中的噪聲。輸出控制電路可以充當放大、分離和配合等動作元素。動作元素實現(xiàn)了能量轉換的功能，電能轉換為機械能，然后驅動控制裝置。PDIUSBD11是接口芯片的接口，在C8051F020單片機的配合下實現(xiàn)了功能接口。通過PDIUSBD11控制器可以交換數(shù)據(jù)和信息的便攜式內存。通過保存溫度數(shù)據(jù)功能和輸出數(shù)據(jù)的溫度，可以實現(xiàn)參數(shù)的調節(jié)與控制。 圖1 系統(tǒng)的硬件結構 為了獲得友好的人機交互，鍵盤，液晶顯示設備，微型打印機，蜂鳴器和指示燈在系統(tǒng)中使用，6個功能鍵，數(shù)字鍵（0-9），負標志和關鍵小數(shù)點都被包括在特別設計的鍵盤里。通過鍵盤，用戶可以修改數(shù)據(jù)和設置參數(shù)。液晶顯示設備具備實時監(jiān)控的功能。通過顯示器和鍵盤，實現(xiàn)人機交互功能。微型打印機可以打印溫度曲線和控制記錄。當溫度超過預定的范圍，蜂鳴器和指示燈會報警。 系統(tǒng)軟件設計 模塊化的設計思想應用于系統(tǒng)的軟件設計，軟件系統(tǒng)由功能可分為四個模塊。 溫度信號采集模塊。A/D轉換器用來轉換系統(tǒng)的模擬數(shù)字量。數(shù)字濾波器用于對信號中的噪聲進行濾波處理。 控制模塊的輸出模塊。根據(jù)樣本數(shù)據(jù)和用戶設定值，模糊PID控制法產生的數(shù)值可以被轉換成模擬的D/A轉換器。 數(shù)據(jù)交換模塊。通過PDIUSBD11接口芯片，實現(xiàn)C8051F020和便攜式記憶的互換。 人機交互模塊。這種模塊包括四種項目。他們分別是鍵盤處理程序，液晶顯示驅動程序，打印機驅動程序，蜂鳴器和指示燈光處理程序。 這四種模塊是密切聯(lián)系的，通過合作他們達到系統(tǒng)要求的功能。通過對C8051F020的觀察，實現(xiàn)了檢測任務。 實現(xiàn)模糊系統(tǒng)的單芯片處理器有兩種方法。一個名為查找表技術，另一個是在線計算值。在第一種方法中，一個表被事先保存在單芯片上，其中包含了模糊系統(tǒng)的參數(shù)。工作時，根據(jù)情況看看表，并選擇適當?shù)挠涗浿悼刂剖褂谩Ｔ诘诙N方法中，計算輸入值和輸出值。為了縮短設計時間，并加強實時的特點，我們選擇第一種方法。 主要的軟件流程圖如圖2所示。 總結 本文對基于模糊和PID的溫度控制系統(tǒng)進行了論述。本文提出了模糊PID的原則，基于這些原則，硬件結構和軟件系統(tǒng)被設計出來。設計出來的溫度控制系統(tǒng)是智能的，它可以在較大的干擾情況下工作，克服了普通PID控制系統(tǒng)的缺點，并獲得完美的控制結果。 圖2 主要的軟件系統(tǒng)流程圖 參考文獻 [1]K S Zhang, G F Guo: Control & Automation vol. 21 (2005), p. 68-69. [2]G R Zhou, P Jang, R X Chen: Instrument Technique and Sensor vol. 12 (2005), p. 41-43. [3]C M Xia, F L HUANG: Chinese Journal of Nanjing Normal University: Engineering and Technology vol. 5 (2005), p. 18-21. [4]X Y Ma, J Z Tian, Z L Ma: Computer Simulation vol. 27 (2010), p. 160-163. [5]D Liu, Z Q Sun: China Instrumentation vol. 7 (2004), p. 40-43.