基于自抗扰控制器的智能温控仪表设计

论文摘要

自抗扰控制器（ADRC）不依赖于被控对象精确的数学模型,具有控制算法简单、鲁棒性强、抗干扰能力强等优点,已经在磁悬浮系统、卫星姿态控制、导弹飞行姿态控制系统、坦克火控系统及惯性导航等科研专案中得到了广泛应用,引起了控制工程界专家、学者的广泛关注;但是常规的自抗扰控制器必须有工程人员根据经验,手动进行参数的调节,这对于经常使用自抗扰控制器的用户,十分的不方便,限制了自抗扰控制器的发展与应用。本课题研究的目的就是基于嵌入式系统,设计出一种能够自整定参数的基于自抗扰器的温控仪表满足工业生产需要。本文详细地阐述了智能温控仪表的硬件设计、uC/OS-Ⅱ操作系统移植、驱动程序设计、温控算法设计等内容。硬件电路是实现温度控制仪表各项功能的基础和载体;操作系统平台和驱动程序设计屏蔽了硬件细节,对于一个算法工程师来说,即使不了解硬件知识,也可以方便的像调用操作系统的API函数一样调用硬件资源,设计各种控制算法。在深入分析和研究自抗扰控制器和专家控制系统的基础上,本课题设计了一种专家自抗扰控制器:知识库中包含能够控制一大类温度对象的十套自抗扰控制器参数和控制规则集;推理机是专家自抗扰控制器设计的核心,在对温度对象基本特征参数分析的基础上,通过查询知识库中的控制规则集获得十套自抗扰控制器参数中的最佳的控制策略（控制效果最优的一套自抗扰控制器参数）;最后将获得的最佳的控制策略实施到基于自抗扰控制器的温度控制系统中,达到对不确定温度对象控温的目的。本课题所设计的基于专家自抗扰控制器的温控仪表在电烤箱、保温箱等多个温度对象上进行了测试,获得了比较满意的控制效果,相信不远的将来,用户界面友好、安装操作方便、温控效果好的基于专家自抗扰控制器的商品化的智能温控仪表将会出现。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 自动化仪表的发展趋势
• 1.2 智能温控仪表的现状
• 1.2.1 专家PID 控制器
• 1.2.2 模糊自适应PID 控制器
• 1.2.3 基于神经网络的模糊PID 控制
• 1.2.4 基于遗传算法的PID 控制
• 1.3 自抗扰控制器发展与展望
• 1.4 本文主要工作
• 1.5 论文结构
• 第二章 系统设计方案设计
• 2.1 硬件方案设计
• 2.1.1 硬件电路设计要求
• 2.1.2 硬件电路方案确定
• 2.2 软件方案设计
• 2.2.1 软件功能要求
• 2.2.2 软件方案确定
• 第三章 硬件电路设计
• 3.1 硬件电路总体结构
• 3.2 主控制模块的选型及其设计
• 3.2.1 结构及性能
• 3.2.2 在本课题中的应用
• 3.3 输入通道设计
• 3.3.1 温度检测电路设计
• 3.3.2 滤波电路设计
• 3.3.3 放大电路设计
• 3.3.4 AD 采样电路
• 3.4 输出通道设计
• 3.4.1 模拟量输出电路
• 3.4.2 固态继电器及其应用
• 3.5 人机界面
• 3.5.1 面板设计
• 3.5.2 键盘和显示电路
• 3.6 IAP 功能
• 3.7 电源电路
• 3.8 本章小结
• 第四章 uC/OS-Ⅱ实时操作系统移植和驱动程序设计
• 4.1 uC/OS-Ⅱ实时操作系统移植
• 4.1.1 uC/OS-Ⅱ介绍
• 4.1.2 uC/OS-Ⅱ在LPC2114 上的移植
• 4.1.3 uC/OS-Ⅱ操作系统任务的划分
• 4.2 驱动程序设计
• 4.2.1 温度采样任务
• 4.2.2 模拟量输出任务
• 4.2.3 人机接口任务
• 4.2.4 驱动程序API 函数
• 4.3 本章小结
• 第五章 温度控制算法设计
• 5.1 从PID 到自抗扰控制器
• 5.1.1 PID 控制器的第一次飞跃—非线性PID 控制器
• 5.1.2 PID 控制器的第二次飞跃—自抗扰控制器
• 5.2 自抗扰控制器的基本原理
• 5.3 电烤箱的温度控制
• 5.3.1 自抗扰控制器的参数调节规律
• 5.3.2 电烤箱的温度控制
• 5.3.3 自抗扰控制器鲁棒性分析
• 5.3.4 自抗扰控制器软件设计
• 5.4 专家自抗扰控制器设计
• 5.4.1 问题的提出
• 5.4.2 专家自抗扰控制器设计
• 5.4.3 温控仪表测试
• 5.5 代码优化
• 5.5.1 浮点数运算
• 5.5.2 C 程序优化
• 5.6 本章小结
• 第六章 抗干扰分析与系统调试
• 6.1 抗干扰分析
• 6.1.1 干扰分类
• 6.1.2 干扰产生的原因
• 6.1.3 共模干扰向串模干扰转化
• 6.1.4 抗干扰措施
• 6.2 系统调试
• 6.2.1 电源调试
• 6.2.2 温度测量通道调试
• 6.2.3 温控系统调试
• 第七章 结论与展望
• 7.1 主要工作结论
• 7.2 未来工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1：作者在攻读硕士学位期间发表的论文
• 附录2：1200W 电烤箱和温控仪表实物图