1 系统硬件设计                                                                  图1 系统结构框图Fig.1 The block diagram of system structure    下载原图

该系统主要以AT89C51单片机为核心, DS18B20温度传感器、保护电路、蜂鸣器、散热风扇、加热电阻丝和LED屏组成.DS18B20的温度测试范围为-55℃~125℃, 分辨率可达0.062 5℃, 在-10℃~80℃内的精度为±0.5℃[4], 可以达到实验温度控制要求精度, 系统的结构框图如图1所示.系统的工作原理:单片机根据检测到实际温度与设定温度的误差作为输入量来控制执行机构加热电阻炉的电压大小, 以此来控制炉温, 当温度高于允许设定值的范围, 单片机通过模糊自适应PID控制来调节炉温使其正常工作.当电阻炉出现异常故障时蜂鸣器会发出刺耳的报警声并断电停止工作.系统的功能特点:1) 该实验可以根据温度误差自动调节电阻炉的温度, 确保电阻炉在加热过程中确保加热温度在安全范围内;2) 该系统具有温度采集功能和通过LED模块动态实时显示炉温;3) 系统还根据实际生产安全, 设计了保护电路, 防止过流、过压[5]、温度过高等保护电路, 冗余设计可以保证电阻炉安全工作;4) 硬件采用AT89C51单片机为核心的控制器, 软件设计为模糊控制.2 模糊自适应PID控制设计2.1 电阻炉模型根据文献和实验结果可知, 电阻炉温度模型可以用一个一阶惯性滞后环节的数学模型代替, 其传递函数为, 公式中, K——被控对象的静态增益;T——纯滞后时间常数;τ——惯性时间常数;S——复变量.在一定的可控硅导通角下, 测定一组电阻炉温度与时间的对应关系[6], 具体温度如表1所示.表1 每60秒温度采样值表Tab.1 Temperature sampling at each 60 seconds                                                                                                                             下载原表                                                                                                                                                                                                                          图2 MATLAB拟合温度曲线Fig.2 Temperature curve fitting using MATLAB    下载原图

在MATLAB中拟合出电阻炉炉温随时间增长的曲线和第一个拐点的切线如图2所示.由Cohen-Coon公式: