伺服转台温控箱控制系统设计与研究

论文摘要

伺服转台温控箱温度控制系统,不同于一般的恒温设备,它有一定的特殊性。首先,伺服转台温控箱要与惯性仪表测试设备联结使用,这就要求它既能满足惯性仪表测试设备对其精度指标的要求,又不能影响惯性仪表测试设备的原有技术指标。其次,由于惯性仪表是一个高精度的测量仪器,温控箱内微小的温度变化,温度变化率可能会对被测试的惯性仪表参数造成影响。为此研究一种有效的高精度温度控制系统就具有重大意义。本文首先从热力学、自动控制原理出发,结合某型高精度伺服转台的实际项目要求对温控箱的机械结构部分进行了设计,并利用阶跃响应曲线法对温控箱数学模型进行了系统辨识。根据辨识出的数学模型,结合系统的指标要求,确定有效的控制规律,设计出合理的控制系统。其次,本文以PID控制算法为基础,针对系统时滞特性,引入Smith预估器。通过系统仿真比较,可以看出Smith预估器在解决系统时滞非线性和保证时滞系统的稳定性方面具有一定的优越性。为了适应被控对象的多变性,本文提出了一种在线自整定模糊PID控制器。它是由一个传统的PID控制器和一个Fuzzy自调整机构组成。Fuzzy自调整系统根据人工控制规则组织控制决策表,自动地在线整定PID参数,然后由该表决定控制量的大小。这种结构应用于各种被控对象,对不同的控制指标要求均能实现PID最佳调整,极大改善了控制效果。仿真研究表示,Fuzzy PID既有控制灵活、适应性强的优点,又具有PID控制精度高的特点。最后,本文利用80C196KC完成了温控箱系统的软硬件设计。硬件设计部分包括数字控制器的外围电路设计,接口电路设计,传感器的选择和检测电路设计等,软件主要包括上位机界面设计和下位控制机中断程序,同时为提高系统的可靠性,系统在设计时采取了一些抗干扰措施。经过对硬件电路和软件程序的设计和调试,不但确保了系统的可靠性,有效性,而且均能达到系统要求的精度及其它指标要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 温度控制的发展概况及研究目的
• 1.1.1 课题背景及提出意义
• 1.1.2 温度控制系统的国内外研究现状
• 1.1.3 温度控制方法的研究概况
• 1.2 本文的主要研究内容
• 第2章 温控箱的结构设计和数学模型参数估计
• 2.1 温控箱的两个重要参数
• 2.2 温控箱的结构设计
• 2.2.1 温控箱与伺服转台联接结构设计
• 2.2.2 温控箱与伺服转台之间的密封
• 2.3 温控箱数学模型的建立
• 2.3.1 数学模型辨识的步骤
• 2.3.2 温控箱的模型结构
• 2.3.3 温控箱传递函数
• 2.3.4 温控箱系统的干扰建模
• 2.3.5 温控系统执行机构的非线性模型
• 2.4 本章小结
• 第3章 温控箱系统控制器算法研究
• 3.1 对象模型
• 3.2 控制系统构成
• 3.3 基于PID算法的温控系统的数字仿真
• 3.4 史密斯（Smith）预估补偿器原理
• 3.5 模糊PID控制
• 3.5.1 模糊控制器的结构选择
• 3.5.2 模糊规则的选取
• 3.5.3 模糊推理和模糊判决
• 3.5.4 基于模糊PID算法温控箱温度的数字仿真
• 3.6 本章小结
• 第4章 温控箱控制系统硬件实现
• 4.1 温控系统的硬件结构
• 4.2 温度检测电路
• 4.2.1 温度传感器的选择
• 4.2.2 温度变送器
• 4.2.3 数字显示仪表
• 4.3 控制电路设计
• 4.3.1 80C196KC单片机结构与功能简介
• 4.3.2 单片机存储器扩展
• 4.3.3 下位机读取指令电路
• 4.3.4 接口电路设计
• 4.3.5 ISA接口板
• 4.3.6 粗回路与精回路加热电路
• 4.4 抗干扰措施
• 4.5 本章小结
• 第5章 温控箱控制系统软件设计
• 5.1 上位机VC++程序设计
• 5.1.1 数制转换及指令补偿
• 5.1.2 底层接口操作
• 5.2 下位控制机软件设计
• 5.2.1 初始化及指令装订中断处理软件设计
• 5.2.2 定时中断处理软件设计
• 5.3 软件抗干扰技术
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表的学术论文
• 致谢