圖1 溫度控制電路圖

溫度控制電路如圖1所示。它以美國(guó)TI公司生產(chǎn)的TMS320C2407^[1]                      為核心。它主要有如下特點(diǎn)：采用增強(qiáng)的哈佛結(jié)構(gòu)；應(yīng)用高性能靜態(tài)CMOS技術(shù)生產(chǎn)，為進(jìn)一步降低功耗，采用3.3V電源供電，具有特殊的DSP指令和33 ns的指令周期；有40個(gè)可編程的獨(dú)立1/0口；它含有TMS320C2XX的內(nèi)核CPU，其源代碼兼容F243/F241/F242、指令集與F240/C240兼容，具有良好的可移植性；TMS320LF2407引腳較少，價(jià)格適中，用它構(gòu)成的系統(tǒng)不但能很好地滿足系統(tǒng)的要求而且降低系統(tǒng)的復(fù)雜性，性能價(jià)格比較高。由于一般系統(tǒng)要求處理的數(shù)據(jù)量大且對(duì)實(shí)時(shí)性要求高，而DSP芯片內(nèi)部的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器容量不能滿足要求，因此系統(tǒng)外擴(kuò)高速大容量的數(shù)據(jù)緩沖存儲(chǔ)器。系統(tǒng)中選用高速SRAMCY7Cl020V-15，它是CYPRESS公司生產(chǎn)的高性能CMOS芯片，容量為16K*16位，其存取速率為15 ns，其速度與TMs320LF2407的速度相匹配，因此DSP可以全速運(yùn)行，而無(wú)需插人等待狀態(tài)，且工作電壓為3.3v，也與DSP的I/O電平相匹配，無(wú)需電壓轉(zhuǎn)換接口電路。液晶顯示選用的是動(dòng)態(tài)時(shí)分割驅(qū)動(dòng)方式的T6963C控制芯片為核心的液晶顯示成品板，該板內(nèi)含GB 2312 16 *16 點(diǎn)陣國(guó)標(biāo)一級(jí)簡(jiǎn)體漢字和ASCII 8 *8 點(diǎn)陣的英文字庫(kù)，用戶輸入?yún)^(qū)位碼或ASCII 碼即可以實(shí)現(xiàn)文本顯示。這樣，在LJD液晶顯示模塊中，對(duì)于顯示部分不必整理出各個(gè)漢字和數(shù)字的點(diǎn)陣，極大的簡(jiǎn)化了編程工作，豐富了顯示信息量。本設(shè)計(jì)采用USB^[4]接口和計(jì)算機(jī)通訊，DSP與USB接口電路如圖2所示，USB外設(shè)都可簡(jiǎn)單方便地接入計(jì)算機(jī)中，無(wú)需外接電源、易于擴(kuò)展，彌補(bǔ)了插卡結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)，并且USB2.0總線的傳輸速度高達(dá)480Mbit/S，不僅使USB總線完全能夠滿足需要大量數(shù)據(jù)交換的外設(shè)的要求，而且使USB總線可以應(yīng)用于實(shí)時(shí)信號(hào)處理系統(tǒng)；而且USB2.0標(biāo)準(zhǔn)具有良好的兼容性。采用USB總線符合儀器數(shù)字化、模塊化、通用性和即插即用的發(fā)展趨勢(shì)。

在控制電路中，熱電偶采用的是鉑銠-鉻鉑熱電偶，放大器電路中的濾波器采用三級(jí)RC濾波器，可以消除溫度信號(hào)中的干擾信號(hào)。

3溫度控制系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用模糊-數(shù)字PID復(fù)合控制算法。模糊控制^[3]對(duì)時(shí)變對(duì)象有一定適應(yīng)能力,但范圍有限,精度不高。而PID控制對(duì)相當(dāng)多的控制對(duì)象都十分有效,但對(duì)某些非線性對(duì)象整定工作量大。若使二者結(jié)合,進(jìn)行模糊-數(shù)字PID復(fù)合控制,理應(yīng)取得較好效果。模糊-數(shù)字PID復(fù)合控制一般在偏差大時(shí)采用模糊控制，而偏差小且趨于平穩(wěn)時(shí)，采用PID控制，其主流程圖如圖4所示。模糊-數(shù)字PID復(fù)合控制算法的系統(tǒng)具有動(dòng)態(tài)性能較好,而且調(diào)節(jié)時(shí)間縮短，超調(diào)量小等優(yōu)點(diǎn)。

在本系統(tǒng)中把偏差劃分為兩個(gè)范圍：①當(dāng)偏差的絕對(duì)值 時(shí),采用增量型數(shù)字ＰＩＤ控制算法，②當(dāng)偏差的絕對(duì)值 時(shí),采用模糊控制算法。算法流程圖如圖5所示。

（1）當(dāng)偏差的絕對(duì)值 時(shí),采用增量型數(shù)字ＰＩＤ^[2]控制算法,它是按偏差的比例、積分、微分進(jìn)行自動(dòng)控制的。PID控制器具有簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)。它的輸出表達(dá)式為:

該數(shù)學(xué)模型相當(dāng)于在傳統(tǒng)ＰＩＤ控制的基礎(chǔ)上又增加了一級(jí)高階控制,加大了控制的強(qiáng)度和精確度,改善了響應(yīng)速度與穩(wěn)定速度之間的關(guān)系,提高了系統(tǒng)的安全性。

（2）當(dāng)偏差的絕對(duì)值 時(shí),采用模糊控制算法。模糊控制是一種以模糊集合論、模糊語(yǔ)言變量與模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)數(shù)字控制。模糊控制器由三部分組成:模糊化、模糊推理和解模糊，模糊控制器框圖如圖3所示。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的模糊控制器采用雙輸入單輸出的控制算法,不僅對(duì)被控制量的實(shí)際偏差自動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié),還要對(duì)偏差的變化率進(jìn)行調(diào)節(jié),這樣有利于保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，不致產(chǎn)生振蕩。模糊化就是把觀測(cè)值論域上的語(yǔ)言值轉(zhuǎn)換成模糊子集，而模糊量則是實(shí)測(cè)溫度與設(shè)定值的偏差E、偏差變化率Ec和控制輸入U。根據(jù)實(shí)際及操作人員的控制經(jīng)驗(yàn)，對(duì)這幾個(gè)模糊量，可歸納一系列控制規(guī)則，例如規(guī)則i:

If (E is Ai1) AND (Ec is Ai2) Then U is Bi;    ( i=1,2,……,r)

r為規(guī)則數(shù)，Ai1、AI2、…及Bi為語(yǔ)言變量，則由第I條規(guī)則構(gòu)成的模糊關(guān)系為：

                        Ri =(Ail *Bi) * (Ai2 * Bi)

而對(duì)于一定Ej和Ecj，相應(yīng)的輸出為：

                    Ui=[Ej* (Ail *Bi)] * [Ecj* (AiZ * Bi)]

則：U=Ui  (i=1，2，…，r)

根據(jù)控制經(jīng)驗(yàn)，將其中將語(yǔ)言變量分成七級(jí)：正大(PB)，正中(PM)，正小(PS)，零(o)，負(fù)小(NS)，

負(fù)中(NM)，負(fù)大(NB)。在實(shí)際控制中，由于被控對(duì)象只能接受一個(gè)確定的控制信號(hào)，而模糊推理是一個(gè)模糊集合，因此，必須建立精確量和模糊量之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系,即從輸出的模糊集合中，判決出一個(gè)精確量。在此采用固定量化因子、比例因子及隸屬度最大原則，進(jìn)行離散推理，求出各相應(yīng)的控制表，并將數(shù)據(jù)存入DSP內(nèi)存，以便在線使用，實(shí)施實(shí)時(shí)控制。

軟件采用定時(shí)器T0中斷方式,中斷服務(wù)子程序如圖6所示。系統(tǒng)每隔一個(gè)時(shí)間段進(jìn)行一次中斷,啟動(dòng)Ａ/Ｄ轉(zhuǎn)換,同時(shí)完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)字ＰＩＤ控制、控制量輸出、溫度顯示及數(shù)據(jù)保存等功能。定時(shí)器T1中斷，為DSP處理器和計(jì)算機(jī)通訊，發(fā)送數(shù)據(jù)，便于計(jì)算機(jī)繪制溫度跟蹤曲線，鍵盤(pán)中斷，完成鍵盤(pán)掃描和獲取鍵值。此外,為了減小系統(tǒng)在平衡位置的振蕩,在軟件上采取了數(shù)據(jù)濾波、設(shè)定死區(qū)等措施。

4結(jié)語(yǔ)

基于DSP2407模糊-數(shù)字PID差熱天平采用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)溫度發(fā)控制，并在液晶屏和計(jì)算機(jī)上實(shí)時(shí)顯示溫度及溫度跟蹤曲線。實(shí)驗(yàn)中對(duì)控制算法進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)和調(diào)整,取得了很好的控制效果，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目的。

參考文獻(xiàn)

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4 張念淮 等. USB總線接口開(kāi)發(fā)指南[M]. 北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2001

李智強(qiáng)，男，1976－，河南工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，碩士

籍貫：山東；研究方向：電氣自動(dòng)化，數(shù)控技術(shù)

郭廣靈，女，1971－，河南工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，副教授

聯(lián)系方式：李智強(qiáng)：河南工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院自動(dòng)化教研室（鄭州市中原西路195號(hào)）

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