基于FUZZY_PID的微波加热智能控制系统_李峰.docx

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1、分类号 _ 密级 . UDC _ 硕士学位论文 基于 FUZZY-PID的微波加热 智能控制系统 研 究 生 姓 名 _ 李峰 _ 指导教师姓名、职称 _ 陈颀副教授 _ 学 科 专 业 _ 电路与系统 _ 研 究 方 向 微波加热系统及其计算机控制 论 文 工 作 起 止 日 期 2011年 4月 -2012年 3月 论 文 提 交曰期 2 0 12 年 3 月 21日 _ 昆明理工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做 出重要

2、贡献的个人和集体，均已在论文中作了明确的说明并表示了谢 意。本声明的法律结果由本人承担。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解昆明理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 : 学校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅，学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印或其他复制手段保存论文。 昆明理工大学硕士学位论文 摘要 微波加热是微波能应用的一门新技术，由于微波具有特有的内热效应，可以 实现对物质的内部分子直接加热，克服物料的 “ 冷中心 ” ，实现均匀、快速地加 热，节能环保，且易于自动控制，因此微波加热技术现已广泛的应用于工业、农 业以及医疗卫生等诸多领域。 随着微波能加热技术应用

3、的不断发展，微波输出功率的精度测量和智能化控 制成为微波技术拓宽应用的关键技术，通过对加热物料温度的监测并反馈送给核 心处理器计算出控制量来实现微波输出功率大小的控制是目前微波加热控制最 流行可靠的控制方法。因此温度控制的效果直接影响到整个系统的控制精度，本 文针对微波加热的特点以及温度控制具有的非线性、时变性、滞后性等特点，难 以建立精确的数学模型，采用自适应FUZZY-PID的控制算法，以被加热物料的 温度为监测对象设计了一套频率为 2450MHZ的微波加热温度的智能控制系统。 该系统以工业微波加热器为控制对象，采用 STC12C5A60S2单片机为核心 处理器，结合自适应 FUZZY P

4、ID算法设计了一套能够实时监测温度和调节微 波输出功率的控制系统，通过单片机实现串级 FUZZY PID算法构成智能控制 系统的核心部分，单片机的硬件定时器产生延时控制脉冲信号作用于双向可控 硅，精确控制其导通时间和 PWM脉冲宽度，辅以外围电路通过对温度的实时监 测并反馈给控制器来实现智能控制磁控管阳 极的初级电压的有效值，从而通过控 制磁控管的阳极高压来改变微波输出功率，进而实现对被加热物质的温度的调 节；其实质上是一个温度闭环反馈控制系统，温度传感器置于微波场中监测被加 热物料的温度情况，通过监测被加热物料温度的变化并送给核心处理器，结合自 适应 FUZZY-PID算法计算出控制参数量，

5、控制参数量作用于微波的产生系统调 节微波的输出功率的大小。整个系统的稳定性好，控制精确、效率高，有效克服 了传统 PID算法超调量大，参数调整复杂的缺点，既利用了模糊控制无需建立 精确数学模型的优点克服了系统中存在的非线性 问题，又利用 PID算法克服了 在偏差趋于零时，模糊控制可能产生的震荡和稳态误差。二者有机结合非常适用 于完成被加热物质的温度与微波辐射功率关系复杂的微波加热系统的智能控制， 现已广泛应用于工业生产中。 关键词：微波加热；温度智能控制；磁控管； FUZZY-PID算法 昆明理工大学硕士学位论文 Abstract The technology of microwave hea

6、ting is rising application of microwave, That because microwave has special domino effect of heating inner of physical, who produce effective directly with inner molecule and conquer the trouble of heating of the physical, thus, it come true that equably and quickly heat physical without polluting a

7、nd auto controlling easily, so the technology of microwave has widely applied in the field of industry、 agriculture and medicine and so on. With the development of the technology of microwave heating, the metical precision and control intelligently of microwave exporting power turn into the key port

8、 of expanding application, at present the most popular and credible method of microwave heating controlling is recur to core processor, the sensor measured the temperature of the heated physical and transport to core processor, the processor combine with the arithmetic of FUZZY-PID to calculate outp

9、ut voltage value to control the microwave output power. So the effort of temperature sensor will affect the precision of the whole control system , the paper aim at the special of microwave heating and the trait of temperature scale who has non-liner, non-stability and lag characteristic, its hard t

10、o attain the precise math model, so we can measure the temperature of physical as controlled object and adopt the arithmetic of FUZZY-PID to design intelligence controlled system with microwave frequency at 2450MHZ. The papers important task is to design industrial microwave heating machine with int

11、elligence control system, The system adopt core processor combine with FUZZY-PID algorithmic to design the controlled system with the capability to infer temperature and control microwave power output intelligently, The main principle is to complete FUZZY PID in series with siIII 昆明理工大学硕士学位论文 unfalt

12、ering error with the method of FUZZY only when the warp incline to Zero. Combining the two methods better is good for accomplishing intelligence control of industrial device of microwave heating who have the complicated connection between the Temperature of the heated substance and the eradiate powe

13、r of microwave. The facility have been used in the field of industry manufacture. Key words： microwave heating; tempera ure control intellectualized; magnetron; FUZZY-PID control algorithm IV 昆明理工大学硕士学位论文 目录 m w . I Abstract . Ill S录 . i 第 一 章 绪 论 . 1 1.1课题研究背景及意义 . 1 1.2微波加热控制系统的发展现状 . 2 1.3本论文研究的主

14、要内容 . 3 第二章微波加热概述 . 5 2.1微波的概念及特征 . 5 2.1.1微波的概念 . 5 2.1.2微波的基本特征 . 5 2.2微波加热的原理及其特点 . 6 2.2.1微波加热的基本原理 . 6 2.2.2微波加热的特点 . 7 2.3微波加热系统 . 8 2.3.1微波加热系统组成 . 8 2.3.1.1微波发生器 . 8 2.3.1.2微波传输装置 . 10 2.3.1.3微波应用器 . 13 2.4微波加热系统控制方案比较 . 15 2.4.1微波输出恒定功率调节平均功率的原理 . 15 2.4.2微波输出功率连续可调控制原理 . 16 2.4.3控制方案的选取 .

15、20 第三章微波加热系统硬件电路 . 23 3.1微波加热系统总体设计 . 23 3.2微处理器的选择 . 24 3.3温度检测电路 . 25 3.3.1传感器的选取 . 25 3.3.2热电偶测温原理 . 26 3.3.3温度信号的采集 . 28 3.3.3.1 MAX6675工作原理及特点 . 28 3.3J.2 SPI 串行接口 . 29 3.3.4 MAX6675与单片机接口电路 . 30 3.4温度控制电路设计 . 31 3.4.1 MOC3061 简介 . 31 3.4.2过零同步脉冲电路 . 32 3.4.3功率驱动电路 . 32 3.5串口通信 . 33 3.6时钟电路 . 3

16、4 3.6.1 DS12887 简介 . 34 3.6.2 DS12887的控制寄存器与状态寄存器 . 35 昆明理工大学硕士学位论文 3_6.3时钟电路设计 . 36 3.7键盘显示电路 . 36 3.7.1键盘电路设计 . 36 3.7.2显示电路设计 . 37 3.8报警和看门狗电路 . 39 3.9硬件抗干扰设计 . 40 第四章微波加热系统软件设计 . 41 4.1系统软件设计主程序 . 42 4.2温度检测程序设计 . 43 4.3键盘输入及液晶显示程序 . 45 4.4计时程序设计 . 48 4.5中断服务程序设计 . 50 4.5.1定时器 0中断 . 50 4.5.2串口通信

17、模块 . 51 4.5.3外部中断模块 . 52 4.6控制算法程序 . 54 4.7输出控制模块的软件实现 . 54 第五章微波加热系统辛空制算法 . 57 5.1 PID控制算法 . 57 5.1.1 PID控制算法基本原理 . 57 5.1.2采样周期的选择 . 60 5.1.3 PID控制算法的参数整定 . 60 5.2模糊控制 . 62 5.2.1模糊控制器的设计 . 63 5.2.2模糊控制整定 PID参数 . 63 5.3自适应 FUZZY-PID控制算法 . 64 5.3.1自适应模糊整定 PID参数 . 64 5.4系统控制算法的选取及其仿真分析 . 69 第六章实验分析及总

18、结展望 . 73 6.1实验结果及其分析 . 73 6.2论文总结 . 75 6.3论文展望 . 75 参考文献 . 77 . 81 致谢 . 82 W揼 A . 83 昆明理工大学硕士学位论文 第一章绪论 1.1课题研究背景及意义 微波是一种波长介于 lmm-lm之间的电磁波，人们最早对微波的认识是在 19世纪末 赫兹用火花振荡产生了微波信号，证实了麦克斯韦关于电磁波是存在的预言。 1936年 4月 美国科学家 south worth用青铜管传输电磁波的实验证实了麦克斯韦的关于电磁波可以在 真空的金属管中传输的预言。第二次世界大战中，微波技术应用得到了飞速发展并于 1943 年研制成功了第一

19、台微波雷达。第二次世界大战以后，微波技术开始走向多元化发展应用 道路，我国于 20世纪 70年代在 研制连续微波磁控管方面取得突破，幵始重视微波技术的 研究应用，大功率微波磁控管的研制成功为今后微波能技术的新应用奠定坚实基础，家用 微波炉于 80年代开始逐步走向市场，随后工业微波炉也开始运用于工农业生产、食品医 疗、能源冶金等领域，为社会带来巨大效益。 微波属于新型高效清洁能源，最初作为一种信息或信息载体广泛应用在通信、广播以 及电视技术等通讯领域 11。在微波通讯研究使用过程中，人们发现微波能量会产生损耗， 而且伴随着微波能量的损耗会带来热量引起了研究人员的兴趣，经过研究发现微波具有热 效应

20、，物料吸收微波 能够转化为热量，从此开始了应用微波来对物料实施加热的探索，开 辟了微波能技术的又一新应用，为了防止微波加热频率对微波通讯造成干扰，国际上使用 915MHZ和 2450MHZ的微波频率用于加热干燥等行业，微波加热研究在国内外掀起了新 的高潮，美国 Spencer PL于 1945年第一个获得了微波加热技术研究应用的专利， 1955年， 世界第一款微波炉在美国泰潘公司下线， 1966年，国际微波学会在加拿大设立，我国于 70年代重视微波技术的研究，突破了大型连续微波磁控管研制瓶颈， 1983年涉及医药、 食品、工业等众多领 域的首届全国微波能应用学术交流会在北京召开，极大地推动了我

21、国 微波技术的发展，家用微波炉也在此时出现在市场上， 1995年，加拿大采用微波能烧结制 造氮化硅陶瓷刀具技术和美国微波烧结硬质合金技术以及日本 2000年研制成功的大型微 波高温烧结设备标志着微波高温烧结技术跨上了新的水平，随后，俄罗斯、澳大利亚和北 美等国家将微波技术开发应用到稀有贵金属冶金领域，英国将微波能应用到辅助燃气隧道 窑领域。九十年代我国开始研究微波高温烧结技术，成都电子科技大学研制的 5KW量级 MMFS-2050C型号的微波马弗炉成为我国 第一台微波高温烧结设备，长沙隆泰科技有限公 司与国内外知名大学合作运用自主知识产权的高温微波加热技术和设备成功实现了氮化 钒和氮化铁合金的

22、高温合成、电子陶瓷粉体的高温合成、氮化硅结合碳化硅等高耐火材料 昆明理工大学硕士学位论文 的高温反应烧结、泡沫陶瓷和蜂窝陶瓷的高温烧结标志着我国微波材料的高温烧结技术走 向了产业化道路，昆明理工大学教育部非常规冶金重点实验室自主研制的工业微波加热器 实现了大型化、连续化、自动化并应用到冶金、化工、钢铁、烟草等行业创造了巨大经济 效益，微波高温还原装置走向了国际市场，标志着我国微波能应用技术处于国际领先地位。 近年来，微波能加热技术更加广泛的在工业、农业、医疗、新材料、高新技术等方面 崭露头角，发挥其巨大的优势而展现出广泛的前景。常规的加热大多采取传导、对流、辐 射的方式加热物料，由外到内的传递

23、热量使物料的温度升高，这种加热方式不均匀，效率 低，热量损耗大，微波加热是利用了物料吸收微波转换为热量的性质，是在物料内部形成 “ 体热源 ” 均匀加热，加热效率高，速度快，节能环保，体现出巨大的优越性，在很多特 殊场合取代传统的加热方式是大势所趋 ，这自然要求微波加热系统具有精度高、稳定性好 的控制系统出现，当前的加热器大多是手动或自动改变微波输出功率，这种控制方式可操 作性差、精度低、可靠性小，不能很好地达到预期的加热效果，本课题通过对微波加热系 统的研究分析，通过实时监测温度参数的改变反馈到核心处理器结合 FUZZY-PID算法计 算出控制量来调节微波输出功率的大小，实现了温度监视跟踪智

24、能化微波加热系统。 1.2微波加热控制系统的发展现状 自动控制理论产生于 18世纪中叶， 19世纪开始出现了应用控制理论讨论分析系统稳 定性的文章并完善了控制理论中的经 典时域分析法，随着科学技术的发展，控制理论大致 经历了经典控制理论时期 2，现代控制理论时期和智能控制理论时期。经典控制理论以时 域特性、频率特性、传递函数和根轨迹为基础，主要用于线性定常系统解决单输入单输出 问题，是一门比较成熟的控制理论；现代控制理论以线性代数和微分方程为主要的数学工 具，必须建立精确的数学模型，用状态空间法描述系统的动态特性，可以是多输入多输出 问题，但不能解决系统模型不确定或难以建立精确模型的问题，该系

25、统可以用于某些非线 性时变以及具有随机扰动的系统，也可以应用于线性定常系统，基于 该控制理论的控制方 法主要有系统识别、自适应控制、最优控制等；智能控制是经典控制和现代控制在广度上 和深度上的拓展延伸，集信息、控制、电子、系统工程、计算机及人工智能等多门学科融 合为一身的综合产物，研究模拟人类的智能活动及其控制与信息传递的规律和经验知识， 能够感应外部环境变化做出相应决策并能控制执行，更高的智能还包括认识目标和事件， 运用语言模型代表知识并对未来做出合理的计划和推理，主要解决传统方法难以解决的非 丰吴型复杂多变量系统的控制，智能控制主要包括検糊控制、专豕系统、神经控制以及人工 智能等。 经过近

26、 20年的发展，微波加热的技术难关得到重大突破，在不同领域得到广泛的应 2 昆明理工大学硕士学位论文 用，这就对微波加热技术的控制提出新的要求，对温度的测量和控制精度、稳定性、可靠 性要求更加精确，温度测控技术也将成为微波加热技术发展的重要组成部分，温度控制技 术大致经历了定制继电开关控制阶段、 PID控制阶段以及智能控制阶段。 定制继电开关控制方法的原理是预先设置目标温度，微波输出功率是定值输出，当温 度传感器监测到实际温度后与目标温度进行比较，通过比较值的大小判断温度控制开关的 启动或关闭，这种控制温度简单，可以通过简单的硬件电路实现温度开关的控制，但没有 考虑到温度变化的滞后性、时变不稳

27、定性和大惯性，导致温度控制超调量大，稳定性低， 振荡明显，不能满足温度控制高精度场合的要求。 PID控制即比例 -积分 -微分控制，它主 要取决于 P、 I、 D三个参数，解决了自动控制系统中系统的稳定性、快速性以及准确性三 个最基本的特征，系统误差大小，误差变化率以及误差积累，控制效果远远高于开关控制 ; PID控制需要有精确的数 学模型，对于确定的易于建立数学模型温度控制系统具有良好的 控制效果，但温度控制系统具有时变性、滞后性、惯性以及时变性，不易建立精确的数学 模型，因此控制品质难以得到保证。 智能控制是模仿人的思维习惯独立识别环境，并能根据变化完成决策分析控制驱动执 行操作，实现其预

28、定目标的控制方法，能够对未知环境或过程提供的信息运用积累的经验 进行辨别分析学习和记忆，具有适应环境变化、运行条件变化功能以及对复杂任务和分散 的传感信息具有自组织协调能力，主要研究的对象具有不确定性的模型，不能建立精确的 数学模型，高度的非线性问 题以及任务的复杂程度较高的场合，温度控制难以建立数学模 型，必须采用定量方法和定性方法相结合的控制方式，本文的研究是以工业微波加热器为 控制对象，以电子技术和核心处理器为控制基础结合 FUZZY-PID控制算法设计的新型温度 智能控制系统，硬件电路简单，控制算法先进，系统鲁棒性优良。 1.3本论文研究的主要内容 本论文主要分为六章： 第一章是绪论，

29、介绍了微波加热研究的现状及意义，包括国内外微波技术发展应用的情况， 阐述了温度控制在微波加热技术中的重要性以及温度控制的发展阶段，最后说明了本论文 的主要内容。 第 二章是微波加热系统概述，简要概括了微波产生的机理以及微波加热器的构造，并着重 介绍了微波产生装置磁控管、微波传输装置矩形波导以及微波应用装置加热腔；接下来对 微波加热控制方案进行比较，从控制微波加热平均功率和瞬时功率控制的角度做了比较， 然后又在通过控制磁场和控制电流的角度对微波功率的控制的优缺点进行分析，最后对现 阶段常用的两种控制方案即控制可控硅导通角和控制可控硅某一时间内通过的完整波形 3 昆明理工大学硕士学位论文 数来控制

30、输出功率作了比较，并确立本文的控制方案 第三章从硬件角度设计了控制电路，包括温度检测电路，产生微波控制电路，串口通信以 及人机交互等部分。 第四章是软件部分，说明了系统程序的流程，包括主程序、键盘输入、液晶显示、温度检 测、输出控制、控制算法、串口通信以及中断服务等模块，。 第五章是微波加热系统控制算法的比较分析，分别讲述传统 PID控制算法和模糊控制的优 缺点，并将两种控制算法有机结合起来运用于微波智能控制并予以仿真比较。 第六章实验分析及总结展望，本章对控制系统的实验结果做了系统分析，并对控制系统 中 存在的误差做了推断，然后对整篇论文做了全面总结并结合自己的情况对微波加热系统的 智能控制

31、提出了一些想法。 4 昆明理工大学硕士学位论文 第二章微波加热概述 2.1微波的概念及特征 2. L1微波的概念 微波是分米波、厘米波、毫米波和亚毫米波等无线电波的统称 3，其波长在 lm到 1_ 之间，相应的频率为 300MHZ-300GHZ之间，频率高于 300GHZ无线电波的称为 “ 超高频 ” ， 红外线或可见光属于超高频，波长最短，穿透云雾能力强，可载信息能力大，低于 300MHZ 的无线电波即通常所说的长波、中波和超短波，微波在实际接受和发射应用的过程中需要 波导和谐振腔。可划分不同波段如下表 2-1所示 4 表 2-1微波波段划分 波段 波段波长范围 波段频率范围 分米波 lm

32、10cm 300MHZ 3GHZ 厘米波 10cm 1cm 3GHZ 30GHZ 毫米波 1cm 1mm 30GHZ 300GHZ 亚毫米波 1mm 0.01mm 300GHZ 3000GHZ 2.1.2微波的基本特征 1产生方式：在工业加工和微波通讯中所需要的微波一般由微电子器件产生，比较常用的 有磁控管、速调管、行波管以及微波固态器件等。 2似光、声性：微波波长（频率 ） 介于红外线和无线电波之间，当物体（如实验室中的无 线电设备）的尺寸和微波的波长具有相同数量级时，微波的特点相近与声波特点，例如 微波波导类似于声学中的传声筒；当波长远小于物体的尺寸时，微波的特点相似于几 何光学特点，因此

33、具有无线电波和光波的双重性质，具有光波的波粒二象性，可以像光一 样沿直线传播，发生光的反射、折射、衍射、干涉等现象。 3能量强：微波波长 短，频率高，具有极宽的频带宽，可以作为信息载体携带巨大的信息 广泛应用于航天航空、卫星遥感、微波通讯以及天文成像等领域中。 4振荡周期短：微波与电子在电子管内的振荡周期接近，普通的静电电子器件在微波波段 不能使用，需要使用磁控管、速调管、行波管等微波电子专用器件。 5选择性：物质有吸收、穿透、反射微波的性质，如水、橡胶和三聚氰胺树脂等含有极性 分子比例大的物质可以吸收微波转化为热能；陶瓷、玻璃、聚丙烯等物质基本不吸收微波， 微波可以无损耗地穿透该物质；遇到金

34、属良导体、碳水化合物、蛋白质时，微波既不被吸 收也 不会穿透物质，而是被反射回来；微波的这种选择性性质被用于微波加热场合中进行 5 昆明理工大学硕士学位论文 物质的选择性加热，有利于物质的提纯分离。 6稳定性：微波量子的能量为 1.99X1 A_25 1.99xl A-22j， 微波能量不足以破坏分子键， 改变不了物质分子的内部结构，而且在外部电场力和磁场力周期作用下可以发生共振，利 用这一特性可以用于制作探索物质的内部结构和基本特性的微波器件。 7非热效应：微波除热效应以外还具有电效应、磁效应及化学效应等非热效应 .生物体内 的分子会在微波场的作用下发生振动和变形，影响细胞膜的功能，膜内细胞

35、质生物电状况 发生变化，引起细胞结构形变，改变了生物体结构，影响中枢神经系统等，对心电、脑电 等生物电的干扰在很大程度上会诱发心脏活动、脑神经活动及内分泌活动等不良反应。 8微波杀菌：微波杀菌是微波热效应使蛋白质变化，生物效应使生物结构形变共同导致细 菌失去营养环境，不能繁衍生存而死亡。 9热效应：微波热效应是将微波能转化为热能的过程，处于微波场中物料所含的极性分 子 在高频电磁场的作用下极化运动摩擦产生能量，以热能的形式向外输出，物质不能消耗过 多的能量便会导致温度升高；微波的热效应除升高物料温度之外，生物组织或系统因受热 还可以引起生理影响，如热调节系统使局部血管扩张，加速了血液循环，增强组织代谢和 白细胞吞噬作用，有利于病理产物的消散吸收。 2.2微波加热的原理及其特点 2.2.1微波加热的基本原理 微波加热是将由微波能量投射物体内部转化为热量使物料升温的过程，微波加热的作 用可以用极性分子在外加电场的作用下高速运动来解释 15，微波的频率为 2450MHZ， 属于 超高频，外加电场随着微波频率大小高速交替变换电场方向，被加热物料中的极性分