恒溫箱溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)【采用STC12C5A60S2單片機(jī)-獨(dú)家畢業(yè)課程設(shè)計(jì)帶任務(wù)書(shū)+開(kāi)題報(bào)告+外文翻譯】

恒溫箱溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)【采用STC12C5A60S2單片機(jī)-獨(dú)家畢業(yè)課程設(shè)計(jì)帶任務(wù)書(shū)+開(kāi)題報(bào)告+外文翻譯】,恒溫箱,溫度,控制系統(tǒng),設(shè)計(jì),采用,采取,采納,stc12c5a60s2,單片機(jī),獨(dú)家,畢業(yè),課程設(shè)計(jì),任務(wù)書(shū),開(kāi)題,報(bào)告,講演,呈文,外文,翻譯 11223344D B 2016/6/1 E:\ \..\y:755300K,0K,00D)R)0)1)8)9)10)11)12)13)14)15)按鍵電路 02. 5過(guò)零檢測(cè)04. 加熱負(fù)載驅(qū)動(dòng)電路05. 蜂鳴器驅(qū)動(dòng)07. 熱電偶信號(hào)處理電路 電池儲(chǔ)能加強(qiáng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)在電力 系統(tǒng)集成 . . 要 風(fēng)力發(fā)電，因其在電網(wǎng)的電網(wǎng)穿透率因而正在覆蓋到世界各地。由于其隨時(shí)間變化的性質(zhì)和造成穩(wěn)定性的問(wèn)題，風(fēng)力發(fā)電是一直波動(dòng)的，這種弱的互聯(lián)風(fēng)在電網(wǎng)的發(fā)電來(lái)源會(huì)直接影響電能質(zhì)量和它的可靠性，局部能源庫(kù)應(yīng)當(dāng)賠償波動(dòng)功率和支持加強(qiáng)電力的風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)。在本文中提出了在電流控制模式下電壓源逆變器 (能，即通過(guò)直流總線(xiàn)的電池。風(fēng)力發(fā)電測(cè)量出風(fēng)速的變化，并儲(chǔ)存在蓄電池中，這個(gè)儲(chǔ)能直流電壓保持在整個(gè)剛性總線(xiàn)的電壓源逆變器上，所提出來(lái)的方案提高了電力系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性和維護(hù)單位功率因數(shù)，它也可以運(yùn)行在電力系統(tǒng)的獨(dú)立模式 下，在風(fēng)力發(fā)電的功率交換和動(dòng)態(tài)情況下的負(fù)載是可行的，在普通點(diǎn)耦合時(shí)能保持規(guī)范的電能質(zhì)量。它加強(qiáng)了電力系統(tǒng)的薄弱電網(wǎng)部分，在這種控制策略評(píng)估動(dòng)態(tài)條件使用測(cè)試模擬系統(tǒng)，結(jié)果通過(guò)比較，驗(yàn)證了控制器的性能。 關(guān)鍵詞 ： 能質(zhì)量； 風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)。 在最近幾年，風(fēng)力發(fā)電已經(jīng)作為一種干凈的和取之不盡，用之不竭的新能源而備受關(guān)注的，風(fēng)力發(fā)電的普及率已經(jīng)在世界各地持續(xù)增加，電力發(fā)電可再生能源投資的增長(zhǎng)速度也正在世界范圍內(nèi)增加，德國(guó)大約有 16%的電力來(lái)自風(fēng)能， 丹麥也有 12%電力來(lái)自風(fēng)能，美國(guó)正在計(jì)劃產(chǎn)生 20%的來(lái)自風(fēng)能的電力，印度是全球第五大風(fēng)能生產(chǎn)國(guó)，其在 2009年總風(fēng)電潛力估計(jì)為 45195兆瓦，裝機(jī)容量為 10925兆瓦。然而，風(fēng)電場(chǎng)輸出功率是波動(dòng)的，并且會(huì)影響到互聯(lián)電網(wǎng) 。所以這就 需要一些措施來(lái)減少輸出波動(dòng)率并保持在網(wǎng)格的電能質(zhì)量。 已經(jīng)做了很多評(píng)估研究試圖減輕風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的影響，在互聯(lián)電網(wǎng)系統(tǒng)有一些基于氫，電容器，電池儲(chǔ)能和超導(dǎo)磁儲(chǔ)能的形成研究。在日本，電池儲(chǔ)能被用于減緩風(fēng)電場(chǎng)穩(wěn)定短期波動(dòng)輸出的變化，提出了大量的能量?jī)?chǔ)存為了提供所需設(shè)備去管理風(fēng)電波動(dòng)，加強(qiáng)風(fēng)力吸收，實(shí)現(xiàn)節(jié) 省燃料成本，并減少 放的目的。提出的一種統(tǒng)計(jì)方法就是利用兩節(jié)電池儲(chǔ)能，其中風(fēng)力是用于一個(gè)充電電池儲(chǔ)存，而另一個(gè)是用于放電電池儲(chǔ)存，該控制方法是為電池充電狀態(tài)提出的，靜態(tài)補(bǔ)償器和儲(chǔ)能電池固定速度的風(fēng)力發(fā)電機(jī)為電力系統(tǒng)提高了電能質(zhì)量和增加了穩(wěn)定性。風(fēng)力發(fā)電滲入到電力系統(tǒng) 將會(huì)增加對(duì)風(fēng)力變速的進(jìn)一步運(yùn)用以容納電力系統(tǒng)的最大功率，因此，它通過(guò)今天的電池儲(chǔ)能促進(jìn)了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，電池儲(chǔ)存能對(duì)充電放電快速反應(yīng)，使它在電力系統(tǒng)中作為一個(gè)恒定電壓源，當(dāng)風(fēng)速波動(dòng)，特別是在高輸出低于正常運(yùn)行速度時(shí)，電池儲(chǔ)存是有效的，因此，輸出曲線(xiàn)平滑很大程度上取決于電池的儲(chǔ)能能力。 在本文中，該系統(tǒng)在加強(qiáng)電力系統(tǒng)上是高效和經(jīng)濟(jì)。為了驗(yàn)證該系統(tǒng)的有效性，電池儲(chǔ)存和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)提出了電流電壓源逆變器的控制方式，位置控制器在模擬運(yùn)行是基于瞬時(shí)建模的，提出電能儲(chǔ)存的控制 系統(tǒng)有以下目標(biāo)： *在公共耦合總線(xiàn)的單位功率因數(shù) *風(fēng)力發(fā)電機(jī)的無(wú)功功率支持和電池負(fù)載 *在電網(wǎng)故障情況下獨(dú)自操作 本文結(jié)構(gòu)如下：第 2部分介紹了廣義薄弱網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，第 3部分給出了系統(tǒng)配置加強(qiáng)了電力系統(tǒng)，第 4 部分提出了數(shù)學(xué)模型，第 5 部分介紹了系統(tǒng)的性能，第 6 部分是結(jié)論總結(jié)。 廣義風(fēng)力發(fā)電機(jī)接口系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中對(duì)各側(cè)都有電壓，風(fēng)力發(fā)電機(jī)所連接的總線(xiàn)是電力系統(tǒng)中的一個(gè)薄弱節(jié)點(diǎn)，它可以通過(guò)阻抗連接到強(qiáng)大的網(wǎng)格上，如圖 在廣義電力系統(tǒng)中，三相電源被對(duì)稱(chēng)地發(fā)送，線(xiàn)電壓與 3 倍相電壓相等，并且總的三相功率恒定，電壓降阻抗可以寫(xiě)成： 2= 3 （ 1） 其中 2是均方根 (壓， 在公共連接點(diǎn) （ ，風(fēng)電場(chǎng)和本地負(fù)載也連接起來(lái)，風(fēng)力連接的短路功率 Z/1k ? (2) 圖 1 風(fēng)力發(fā)電量的變化通過(guò)阻抗 Z 就會(huì)引起電流的變化，這些電流的變化又會(huì)引起電壓變化。在實(shí)踐中，使網(wǎng)絡(luò)連接短路比小于 可以避免的，因?yàn)樗黾恿穗妷翰▌?dòng)被稱(chēng)為弱網(wǎng)格。 阻抗 Z=R+遍存在的阻抗諧波為： Z h = R + (3) 其中 就是說(shuō)，感應(yīng)電抗隨著頻率線(xiàn)性變化。 風(fēng)力發(fā)電量和負(fù)荷的組合表示為 P+中 P 是有功功率， Q 是無(wú)功功率。無(wú)功功率則依賴(lài)于電壓和電流相位之間的移動(dòng)，如式 （ 4） ： )PQ(??? (4) 風(fēng)力的無(wú)功功率對(duì)電壓 些影響依賴(lài)于本地負(fù)載和反饋的電網(wǎng)阻抗，因此，在風(fēng)能產(chǎn)生電力系統(tǒng)中使用能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)去強(qiáng)化弱電網(wǎng)是很有必要的。 3 該儲(chǔ)能加強(qiáng)了風(fēng)力產(chǎn)生的網(wǎng)格在電力系統(tǒng)上配置其工作原理和所述開(kāi)關(guān)逆變器的控制策略，如圖 2所示： 圖 在這個(gè)系統(tǒng)中，電源電流的大小是通過(guò)瞬時(shí)電流源、功率變換器和負(fù)載來(lái)測(cè)定的，電池作為一種能源達(dá)到電壓調(diào)節(jié)的目的，該風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)被連接到不受控制的整流橋，其輸出電壓為可變直流，并且連接到電池儲(chǔ)存充電。該電池還可以從低需求的電 網(wǎng)中帶電，用于調(diào)峰需求，誤差電流可以在公共耦合點(diǎn)的網(wǎng)格注入電流控制電壓源逆變器。 利用該控制策略去加強(qiáng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，如圖 3所示。 在實(shí)施控制策略并入電網(wǎng)系統(tǒng)過(guò)程中，直流環(huán)節(jié)需要通過(guò)功率變換器連接風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)并入電網(wǎng)中，感應(yīng)發(fā)電機(jī)的輸出是通過(guò)整流器的第一輪轉(zhuǎn)換，電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的（ 直流電壓與參考值連接，它的誤差會(huì)被送入比例積分器，比例積分控制器的輸出被乘以一個(gè)基準(zhǔn)正弦波發(fā)生器，因此，可以得到預(yù)期的參考電流 I*際電流可以通過(guò)電流傳感器從所需的參考電流檢測(cè)和削減出來(lái)，使誤差發(fā)送到滯后電流模式控制器生成開(kāi)關(guān)模式。因此，這種控 制策略在電網(wǎng)系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)逆變器中作為一種瞬時(shí)脈沖寬度調(diào)制的電流反饋控制方法（ 圖 圖 逆變器運(yùn)行的電流控制模式表現(xiàn)為： )'(L/i)R(?????（ 5） )'(Li/i)R(?????（ 6） )'(L/i)R(????? (7 ) C/)??? (8) 逆變器電壓，，和壓，ii,i 和是逆變器電流，通過(guò)和參考電流i*i,*i 和的比較獲得開(kāi)關(guān)信號(hào)，，是實(shí)際的源電流，誤差電流ii,i ??? 和被應(yīng)用于滯后控制器，會(huì)對(duì)開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生正確的信號(hào)，是開(kāi)關(guān)進(jìn)行開(kāi)和關(guān)的操作，直到電流超過(guò)或者低于有效值。在這種技術(shù)中，一種獨(dú)立的比較器用于驅(qū)動(dòng)逆變器，一個(gè)三臂橋逆變器的導(dǎo)通狀態(tài)用三變量邏輯開(kāi)關(guān)函數(shù)表示，分別是S,S 和。滯后控制器相位 A 反轉(zhuǎn)得到開(kāi)關(guān)函數(shù) )i(?的特性，這一特性構(gòu)成了所描述的磁滯回線(xiàn)。 2/S2/?? ???? （ 9） 其中， 1'A ?? 和 表示開(kāi)關(guān)的狀態(tài)。 由于這種開(kāi)關(guān)函數(shù)，逆變器用電源電流無(wú)諧波的方式將電流注入電網(wǎng)中。 注入的電流將會(huì)抵消一部分有反應(yīng)性的和高次諧波的負(fù)載電流，從而提高功率因數(shù)，為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，電網(wǎng)檢測(cè)并產(chǎn)生電流同步逆變命令，一個(gè)三相平衡電壓源在電網(wǎng)上被表示為： )120ts V)120ts V)ts ????????? （ 10） 因此，對(duì)于比較的參考電流必須來(lái)自源（電網(wǎng)）電壓，這些電流可以表示為： )2 4 0ts 2 0ts Ii)ts ?????? （ 11） 其中 確保了控制電流源是為了看正弦波時(shí)電源電壓是否平衡。 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和儲(chǔ)能電池系統(tǒng)是最合適的，因?yàn)樗梢匝杆僮⑷牖蛘呶諢o(wú)功功率去穩(wěn)定電網(wǎng)，它還以非?？斓乃俣瓤刂七@些線(xiàn)路分布和傳輸系統(tǒng)。 風(fēng)力電池發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型描述如下： 感應(yīng)發(fā)單機(jī)已用風(fēng)渦輪發(fā)電系統(tǒng)，因?yàn)樗膬?yōu)點(diǎn)就是從變速原動(dòng)機(jī)發(fā)電，與同等級(jí)的其他機(jī)器相比，更適合高速運(yùn)行，便于維護(hù)，降低成本，電壓和頻率控制的電網(wǎng)，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出功率表示為： 3? (12) )3?? 是空氣密度， A(通過(guò)的渦輪葉片橫掃的區(qū)域，利用所有的風(fēng)能是不可能實(shí)現(xiàn)的，因而只能提取一部分的風(fēng)能，被稱(chēng)為風(fēng)力渦輪功率系數(shù) 下式表示： (13) 其中 ? (14) 這也被稱(chēng)為 這個(gè)系數(shù)可以表示包含速度 ? 和傾角的函數(shù) ? ，它是一個(gè)高度非線(xiàn)性的 ? 和 ? 的函數(shù)的功能，如果機(jī)械扭矩 應(yīng)用，可以很方便地生成系統(tǒng)，其中 ? 是計(jì)算渦輪轉(zhuǎn)速的。 bi e c hm e c h /? (15) 因此： )V,(fP w bi e c h ?? (16) pw in m e c h ??? (17) 其中， 位是 m/s。 圖 在逆變器中，電容器作為中間元件，減弱了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，電網(wǎng)系統(tǒng)系統(tǒng)如圖 3所示，使用來(lái)建模的電容器比電 感更加有效和昂貴。 b)in v(dc)in v(?? （ 18） 其中 C 是電路電容， 形）是整流后的直流測(cè)電流， 是逆變器直流側(cè)電流，如圖 5所示。 電池存儲(chǔ)連接到直流電網(wǎng)，由一個(gè)電壓源 一個(gè)內(nèi)部電阻 表，內(nèi)部電壓隨著電池充電而變化，終端電壓 ? （ 19） 保持足夠的直流鏈接級(jí)以滿(mǎn)足電壓逆變器是很有必要的。 （ 20） 到線(xiàn)中性的電壓逆變器電壓，交換頻率是 2輸出頻率是 50 是調(diào)制指數(shù)（ 因此，這個(gè)直流線(xiàn)性電路專(zhuān)門(mén)為 800V。 直流環(huán)節(jié)電容計(jì)算為： C ? （ 21） 在電池儲(chǔ)存的分析系統(tǒng)中，電池的數(shù)學(xué)模型是依賴(lài)于系統(tǒng)研究的，電池模型的數(shù)據(jù)目前是作為終端的行為而言：相似的短期模型是將電壓源 一個(gè)內(nèi)部電阻 聯(lián)起來(lái)研究的。電池的響應(yīng)時(shí)間是依賴(lài)于它的電氣參數(shù)，實(shí)際上的一般使用鉛酸蓄電池。在電池存儲(chǔ)的應(yīng)用上，直流環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)上大量的電池串聯(lián)產(chǎn)生所需要的操作電壓。 在電壓源逆變器上，轉(zhuǎn)換器的每個(gè)開(kāi)關(guān)都被表示為一個(gè)二進(jìn)制開(kāi)關(guān)，該電阻的值是無(wú)限的，如果開(kāi)關(guān)是關(guān)閉或者零或者是開(kāi)啟的，那么該逆變器的輸出電壓方程可以如下書(shū)面表示過(guò)程： （ 22) 其中 對(duì)控制器的滯后型可以推導(dǎo)出逆變器的開(kāi)關(guān)函數(shù)， B, 一 種從風(fēng)能中提取的電池能量?jī)?chǔ)存的風(fēng)力發(fā)電機(jī)方案如圖 2 所示，它是在統(tǒng)集成模塊中模擬出來(lái)， 步發(fā)電機(jī)，負(fù)荷模型等，這是已經(jīng)建成的模擬系統(tǒng)，對(duì)于給定的系統(tǒng)仿真參數(shù)如表 1 中列出： 表 系統(tǒng)參數(shù) 規(guī)格 電源電壓 三相， 415V， 50源和線(xiàn)性電感 力發(fā)電機(jī)參數(shù)（感應(yīng)參數(shù)） 15015V ， 50=4 ， ， ，均風(fēng)速 5m/s 直流線(xiàn)性參數(shù) 直流線(xiàn)性電壓 800v， C=5 F? 整流橋參數(shù) 緩沖電阻 R=100? ， ， C=1 F? 逆變器參數(shù) 備，三臂橋類(lèi)型 額定電壓： 1200V；正向電流： 50A；柵級(jí)電壓 +/遲開(kāi)啟時(shí)間： 70遲關(guān)閉時(shí)間： 400耗 300W 電池存儲(chǔ) 直流電壓： 800v 接口變壓器 415 / 荷參數(shù) 三相 415v，非線(xiàn)性負(fù)荷 負(fù)載被認(rèn)為是一個(gè)非線(xiàn)性負(fù)載的系統(tǒng)仿真，該系統(tǒng)的性能是為了改善電能質(zhì)量而進(jìn)行觀察，以及當(dāng)電源不可用時(shí)可以支持負(fù)載。這個(gè)逆變器開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)間是 源電流是 載電流是 變器的電流測(cè)量和無(wú)逆變控制器電路也在單機(jī)運(yùn)行模式中，從電源提供的電流是正弦，諧波等形式，該控制器系統(tǒng)如圖 6（ a）所示，系統(tǒng)負(fù)載電流如圖 6（ b） ，從逆變器注入的供電電流如圖 6（ c），間隔時(shí)間，負(fù)載電流將會(huì)是電源電流和逆變器電流相加。電網(wǎng)故障時(shí)間在 t=源電壓不可用，因此逆變器將會(huì)支持負(fù)載和利用風(fēng)能發(fā)電機(jī)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)作為一個(gè)獨(dú)立模式。 圖 a），源電流（ b），負(fù)載電流（ c）逆變器電流 圖 a），直流電壓（ b），風(fēng)力發(fā)電機(jī)的整流電流 （ c） 電池供應(yīng)電流（ d），充電電容放電 驅(qū)動(dòng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)生能量和在直流線(xiàn)性電路上提供一個(gè)非控制接口，可變速感應(yīng)輸出發(fā)電機(jī)是速度依賴(lài)性的，將轉(zhuǎn)換輸出為直流電壓是很有必要的，直流環(huán)節(jié)電壓如圖 7（ a）所示，為了從風(fēng)力發(fā)電機(jī)的負(fù)荷轉(zhuǎn)換成實(shí)用的電力，產(chǎn)生的電力供給電池充電整 流器，這種控制策略保持了恒定的直流電壓的直流環(huán)節(jié)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)整流電流如圖 7（ b）所示，電池電流提供的電流如圖 7; （ c）顯示，充電和直流放電電容器如圖 7; （ d） 在模擬系統(tǒng)上放電深度是不考慮的。 力發(fā)電機(jī)的性能 感應(yīng)發(fā)電機(jī)和汽輪機(jī)是通過(guò)直流環(huán)節(jié)來(lái)進(jìn)行電力轉(zhuǎn)移的，風(fēng)力渦輪機(jī)是在 5m/s 風(fēng)速時(shí)操作產(chǎn)生的，電流和電壓分別顯示在圖 8的（ a）和（ b）中。 比例積分控制器應(yīng)用于控制系統(tǒng)，并且它的響應(yīng)速度時(shí)極快的，它糾正了測(cè)量變量和期望設(shè)定值之間的誤差， 確定反應(yīng)的電流誤差， 確定反應(yīng)的最近的誤差之和， 制器用來(lái)增加超調(diào)量的變化，沉降時(shí)間消除了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，模擬的傳遞函數(shù)為： （ 23） 控制器的性能如圖 9 所示，這是用于穩(wěn)定在分布式電網(wǎng)的電壓，電源電流保持與電源電壓同步，這表明了常見(jiàn)的耦合觀點(diǎn)上的功率因數(shù)，它滿(mǎn)足了電能質(zhì)量規(guī)范，同相電流源和電壓源的結(jié)果如圖 10所示。 圖 （ a） 三相電壓（ b）三相電流 圖 操作前后的電流波形可以分析電能質(zhì)量測(cè)量，傅里葉表示的波形分析是無(wú)需系統(tǒng)控制器，電源電流信號(hào)的總的諧波失真（ 圖 11（ a）所示，測(cè)量的 它的諧波順序如圖 11（ b）表示。 當(dāng)控制器是在開(kāi)啟狀態(tài)時(shí)，在常見(jiàn)耦合下可以觀察電能質(zhì)量改進(jìn)，在操作中逆變器的放置和電源電流的波形如圖 12（ a），快速的傅里葉變換如圖 12（ b）所示。結(jié)果表明 標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)已經(jīng)得到了大大的提高，無(wú)逆變控制器和國(guó)際電工學(xué)標(biāo)準(zhǔn)的比較如表 2所示。 圖 圖 a）源電流和電流源的 a）源電流和電流源的 表 電流源諧波階 F 3 5 7 9 11 控制器 2 10 制器 際電工學(xué)標(biāo)準(zhǔn) 3 在電力系統(tǒng)中的加強(qiáng)風(fēng)力能源儲(chǔ)存方案不僅能改善電能質(zhì)量還支持實(shí)際的無(wú)功功率負(fù)載。 本文提出了風(fēng)能提取方案與接口的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的有功和無(wú)功功率的交換電流控制模式去支持負(fù)載功率，滯環(huán)電流控制器是用來(lái)產(chǎn)生逆變器的開(kāi)關(guān)信號(hào)的這樣一種方式，它將注入電流分布系統(tǒng)。該方案保持的單位功率因數(shù)和諧波源電流是在分布式網(wǎng)絡(luò)共同連接的，風(fēng)力發(fā)電的交換是在直流母線(xiàn)的能量?jī)?chǔ)存和提供的穩(wěn)定狀態(tài)下調(diào)節(jié)的，這也使得在負(fù)載的瞬時(shí)需求中得到實(shí)際的潮流，這些建議是控制系統(tǒng)適用于快速注射或者吸收無(wú)功 /實(shí)際電力系統(tǒng)的功率流，電池能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)提供了快速的響應(yīng)，提高了風(fēng)電波動(dòng)輸出下的性能，并且也提高了電壓穩(wěn)定性，該方案提供了一個(gè)選擇， 在可利用的風(fēng)能中選擇最經(jīng)濟(jì)的實(shí)際負(fù)載功率，電池、傳統(tǒng)的資源和系統(tǒng)支持去加強(qiáng)電力系統(tǒng)電能質(zhì)量的規(guī)范。 光刻投影鏡頭多閉環(huán)溫度控制系統(tǒng) 摘 要 圖像質(zhì)量是光學(xué)光刻工具的最重要指標(biāo)之一， 尤其易 受溫度 、 振動(dòng)和投影鏡頭（ 染 的影響 。本地溫度 控制的 傳統(tǒng)方法更容易引入振動(dòng)和污染， 因此研發(fā) 多閉環(huán) 溫度控制系統(tǒng)來(lái)控制 部 溫度，并隔離振動(dòng)和污染 的影響 。一個(gè)新的遠(yuǎn)程間接溫度 控制（ 案 ，提出了 利用 冷卻水 循環(huán)完成對(duì) 間接溫度控制 。嵌入溫度 控制 單元（ 的 加熱器和冷卻器 用于控制 冷卻水的溫度 ，并且， 須遠(yuǎn)離 避免震動(dòng)和污染的影響。 一種包 含 一個(gè) 內(nèi)部 級(jí)聯(lián) 控制 結(jié)構(gòu)（ 一個(gè)外部 并行 串 聯(lián) 控制 結(jié)構(gòu) （ 新 型 多 閉環(huán) 控制結(jié)構(gòu) 被用來(lái) 防止大慣性， 多重遲滯 ， 和統(tǒng)的多重干擾。 一種非線(xiàn)性比例積分（ 算法應(yīng)用，進(jìn)一步提高收斂速度和控制過(guò)程 的 精度。不同的控制回路和算法的對(duì)比實(shí)驗(yàn) 被用來(lái)驗(yàn)證對(duì)控制性能的影響。結(jié)果表明，精度達(dá)到 規(guī)格 的 多閉環(huán)溫度控制系統(tǒng)收斂 率 快 ，魯棒性強(qiáng) ，自我適應(yīng)能力好。 該方法已成功地應(yīng)用于光學(xué)光刻工具，制作了 臨近尺寸 （ 100 納米的模型 ，其 性能 令人滿(mǎn)意。 關(guān)鍵詞 ：投影鏡頭，遠(yuǎn)程間接溫度串級(jí)控制結(jié)構(gòu)，并行串 連 控制結(jié)構(gòu)，非線(xiàn)性比例積分（ 算法 1 簡(jiǎn) 介 由于集 成電路縮小，更小的臨界尺寸（ 求，生產(chǎn) 過(guò)程 的控制越來(lái)越嚴(yán)格。作為最重要的制造 工藝 設(shè)備，先進(jìn)的光學(xué)光刻工具需要更 嚴(yán)格 的微控制環(huán)境， 如 嚴(yán)格控制其溫度 、 潔凈度 、 氣壓 、 濕度等 。 溫度波動(dòng)，特別是導(dǎo)致圖像失真 和 平面圖像轉(zhuǎn)變，成為 了 光學(xué)光刻工具對(duì)圖像質(zhì)量影響的 一個(gè) 關(guān)鍵因素。投影鏡頭 (的 溫度 精度要求一個(gè)光刻工具 在接近 制造 一個(gè)小于 100 模型 。另外 需要 部溫度 收斂 率 快 以降低光刻技術(shù)的所有權(quán)（ 的成本 . 然而，實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo) 是 一個(gè)很大的挑戰(zhàn)，因?yàn)榧訜崞骱屠鋮s器 控制溫度 要求操作遠(yuǎn) 離 否 則其性能 將被它們的 振動(dòng)和污染 所破壞 。另一個(gè)原因是， 部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，它 包含數(shù)十個(gè)鏡頭 ， 會(huì)導(dǎo)致幾個(gè)小時(shí)慣性，所以 部的溫度反應(yīng)相當(dāng)緩慢， 并 需要 很長(zhǎng)時(shí)間去調(diào)整適應(yīng) 。 因此，一個(gè) 新的結(jié)構(gòu)和控制算法 是 部 溫度 控制的必要和重要部分。 許多溫度控制結(jié)構(gòu) 已經(jīng)被提出了。 著名的經(jīng)典 方法之一是被 廣泛應(yīng)用于 簡(jiǎn)單或低精度 溫度控制 系統(tǒng)的 單閉環(huán)回路控制 結(jié)構(gòu) 。當(dāng)被控對(duì)象變得更加復(fù) 雜或 產(chǎn)生分布式干擾 時(shí)， 串級(jí)控制結(jié)構(gòu)（ 的 提出改善 了 精度和收斂 率 。預(yù)測(cè)前饋控制結(jié)構(gòu)已被證明具有更好的 滯后 系統(tǒng)性能。另一種有效的方法 ， 并行串級(jí)控制結(jié)構(gòu)（ 也 開(kāi)發(fā)了具有 延遲 分布 式干擾的系統(tǒng) 。但 是 上述使用方法，很難實(shí)現(xiàn) 部溫度 控制的 高精確度和 快 收斂 率 。 在此， 本文 提出了一種新的方法，即多 閉 環(huán)溫度控制 系統(tǒng)，含有一個(gè)內(nèi)部 一個(gè)外部 文 大致分為四個(gè) 部分。 第一部分解釋了一個(gè) 遠(yuǎn)程 間接溫度控制 方法的應(yīng)用。 第二部分 是一個(gè) 多 閉環(huán)回路 溫度控制結(jié)構(gòu) 的分析。 第三部分，一個(gè)雙 進(jìn) 雙出非線(xiàn)性比例積分（ 法 的提出用來(lái)提高控制過(guò)程的收斂速度和精度。 在文章的最后一 部分 ，對(duì)比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)的有效性 這種顯示 ，最后，給出了 結(jié)論。 2 遠(yuǎn)程間接溫度控制方法 為了防止 震動(dòng)和污染影響 性能 ，一個(gè) 遠(yuǎn)程 間接溫度控制 的方法被提出來(lái) 控制部溫度 。 不同于傳統(tǒng) 的 直接加熱和冷卻控制對(duì)象 的方法 ，它 借助于冷卻水和冷卻套間的熱交換使 部溫度恒定。 冷卻水通過(guò)長(zhǎng)距離管道由 送 至冷卻外殼。水箱 、 溫度傳感器 、 溫度控制器 、 加熱器 、 冷卻器 和 泵 組成。 它用于 調(diào)節(jié)冷卻水的溫度以達(dá)到需求值 。 光刻工具放置在不同的潔凈室，如圖 1 所示 。 理論上，這種方法屬于開(kāi) 環(huán) 結(jié)構(gòu) 。 除了 他光刻技術(shù) 的部分 ，如晶圓 階段 、 標(biāo)線(xiàn)的階段 、 標(biāo)線(xiàn)交接 、 晶圓移交等， 都在操作時(shí)產(chǎn)生熱量 。 的 冷卻水還用于 冷卻光刻技術(shù)的其他部 件 。 循環(huán)系統(tǒng) 回收冷卻水 ， 節(jié)省最大能量 ， 是 很必要的。圖 1 展示了 包括 離器、 冷卻 套和管道 的循環(huán)系統(tǒng)。從 儲(chǔ)水 中抽出冷卻水 通過(guò)管道和 分離器進(jìn)入冷卻套 ，最后通過(guò)合成器 、 管道和 冷卻 器流回儲(chǔ)水箱 。 對(duì)冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的分析 表明了影響 部 溫度的 三個(gè) 主要因素 ： 干擾多， 遲滯多， 還有 慣性 大 。干擾 多 ，包括冷卻水 溫度波動(dòng) ， 部熱量散失 ， 外部 介質(zhì)之間的熱交換 。冷卻水溫度波動(dòng)是多種因素造成的，其中包括 部 自 勵(lì) 溫度 震蕩造成的 非線(xiàn)性 加熱冷卻 ， 管道和周?chē)鷼怏w之間的熱傳遞 ，以及光刻 工具其他地方產(chǎn)生的 熱量 。 在這個(gè)循環(huán)系統(tǒng)中， 冷卻水溫度波動(dòng) 達(dá)到 最差的情形 。 部熱量散失有兩個(gè)原因 ，一個(gè)是 當(dāng) 激光穿過(guò)透鏡 時(shí)，內(nèi)部 輻射和 導(dǎo) 熱 交換 ，另一個(gè)是在鏡 頭和內(nèi)部?jī)艋?之間的導(dǎo)熱和對(duì)流熱交換。至于激光，它的散熱量大概是 15W。 部介質(zhì)之間熱交換 來(lái)自?xún)蓚€(gè)方面 ， 一方面來(lái)自 其相鄰零件之間的相互熱交換，另一方面來(lái)自 部箱體和周?chē)諝獾膶?dǎo)熱和對(duì)流熱交換。 但是， 外部介質(zhì)之間交換的熱量 由于其復(fù)雜性 ，故 難以計(jì)算 。遲滯多 主要包括 熱和冷卻 3秒遲滯，冷卻水交換 3 分鐘遲滯，還有 冷卻套間熱交換 10 分鐘 遲滯。 此外， 雜結(jié)構(gòu)導(dǎo)致不平衡熱交換，而由于 其體積大導(dǎo)致慣性在和小體積物體相比時(shí)，溫度波動(dòng)較小。 上述分析表明， 僅僅通過(guò)開(kāi)環(huán)結(jié)構(gòu)使 部溫度控制精度高和收斂速度快 是非常難以實(shí) 現(xiàn)的。 此外， 在開(kāi)環(huán)結(jié)構(gòu)中 還有 很大的穩(wěn)態(tài)誤差。在以下部分中，我們將介紹一個(gè)提高 部溫度控制的控制結(jié)構(gòu)， 并解釋如何提高溫度控制精度和收斂 率 。 3 多閉環(huán)控制 結(jié)構(gòu) 多閉環(huán)溫度控制結(jié)構(gòu)由一個(gè)內(nèi)部 一個(gè)外部 成。 連 控制結(jié)構(gòu) 度控制的內(nèi)部 圖 2 所示。有兩個(gè)分別帶有兩個(gè)控制器的反饋回路。主要回路 用來(lái)控制 部的溫度 ( 箱中的冷卻水溫度控制 (成了第二條回路 . 分析這個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)作質(zhì)量是很容易。如果 部 溫度偏離 期望 值 ( 嵌入 主 控制器 中的 控制算法會(huì) 通過(guò)比較溫度的測(cè)量值 算一個(gè)新的冷卻水溫度設(shè)定值 （ 。 然后，發(fā)送新的設(shè)定值 溫度控制器 。 隨后根據(jù)溫度測(cè)量 值 新的設(shè)定值 的偏差 ， 的控制算法計(jì)算加熱器和冷卻器的輸入值，并對(duì) 水箱里的冷卻水進(jìn)行加熱或者降溫，直到溫度達(dá)到新的設(shè)定值。 部溫度期望設(shè)定值通過(guò)一臺(tái)機(jī) 器連續(xù)地給出。 制回路是一個(gè)慢控制回路。 制回路是一個(gè)快速控制回路，能快速跟隨主回路設(shè)定值 當(dāng)一個(gè)新的 設(shè)定值 送到 需要幾分鐘 時(shí)間去調(diào)整 箱中的水溫至設(shè)定值。 二次回路具有很強(qiáng)的抗內(nèi)部干擾的能力。 此外，還可以減少 對(duì)主回路 非線(xiàn)性和 遲滯的影響。 圖 3 顯示了 關(guān)于 上述 描述 串級(jí)控制系統(tǒng)的控制原理圖。在下面的圖表和方程式， Gt(s)表示加熱器和冷卻器傳遞函數(shù) ,Gp(s)表示管道傳遞函數(shù)， Gl(s)表示 遞函數(shù)。Gm(s) Gm(s)表示主控制回路傳遞函數(shù)， Gs(s)表示二次控制回路 傳遞函數(shù)。 Hm(s) 表示測(cè)量設(shè)備主回路傳遞函數(shù)， Hs(s)表示測(cè)量設(shè)備二次回路傳遞函數(shù)。 表示 箱中冷卻水遲滯 ， 表示通過(guò)管道的冷卻水遲滯 ， 表示 部熱交換遲滯 ， Nt(s) 表示部擾動(dòng) ,Np(s)表示管道外擾動(dòng) ,Nc(s)表示 Nn(s)表示 Rl(s)表示 部輸入溫度， Rt(s)表示 箱中冷卻水的輸入溫度， C1(s)表示 的輸出溫度， Ct(s)表示 箱中冷卻水的輸出溫度。 二次回路中的輸入輸出函數(shù)如下所示： 根據(jù)二次回路的穩(wěn)態(tài)，輸出 Ct(s)近似等于輸入 Rt(s)。因此，主回路的輸入輸出函數(shù)可表示如下： 在此 早期的研究表明， 時(shí)間常數(shù)約為 4h。傳遞函數(shù) G1(s） 為 傳遞函數(shù) Gp(s)為 對(duì)于簡(jiǎn)單的閉環(huán)系統(tǒng) 容易消除它的穩(wěn)態(tài)誤差。然而，根據(jù)方程式 (2)和（ 3)，溫度的收斂率從開(kāi)始到穩(wěn)態(tài)變慢，因?yàn)?和 的延遲。而且，很難獲得 精確的溫度，因?yàn)?和 的擾動(dòng)。在定態(tài)的狀態(tài)之下，由于的作用， 當(dāng)瞬時(shí)溫度變動(dòng)超過(guò)冷卻水溫度 ， 的溫度變動(dòng)超過(guò) ℃。需要幾個(gè)控制周期才達(dá)到下一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài) 。因此介紹 行串聯(lián)控制結(jié)構(gòu) 圖 4是擴(kuò)展的 個(gè)圖省略了操作系統(tǒng) ，在系統(tǒng)的框中確定了主要組成環(huán)。與 比較，也有兩個(gè)控制環(huán)和兩個(gè)控制器。一個(gè)是 一個(gè)是結(jié)合處冷卻水溫度的副環(huán)。它們之間的不同是主控制對(duì)象和副控制對(duì)象之間是并行的。 副控制對(duì)象的輸出不是主控制對(duì)象的輸入。在這個(gè)系統(tǒng)中， 控制運(yùn)算法則是主要的控制器根據(jù) 和 之間的偏差決定一個(gè)新的冷卻水的最佳溫度值。然后輔助的控制器中的控制運(yùn)算法則依照 和 之間的偏差計(jì)算 控制環(huán) 是一個(gè)慢的控制環(huán)。控制環(huán) 是一個(gè)快速控制環(huán)，它過(guò)去一直快速的預(yù)測(cè)結(jié)合處的冷卻水最佳溫度值。當(dāng)合處冷卻水的溫度就是最佳溫度。這個(gè)最佳溫度將會(huì)保存為一個(gè)常數(shù)。從擾動(dòng)抑制的觀點(diǎn)看，根據(jù)前饋控制相同的原則來(lái)控制輔助環(huán)。他們之間的不同是擾動(dòng)必須是可測(cè)量的前饋結(jié)構(gòu)，而 圖 5 顯示了上面提到的并行串聯(lián)控制系統(tǒng)的詳細(xì)原理圖。在下面的圖表和方程式中， 代表結(jié)合處冷卻水的傳遞函數(shù)， 代表副控制器的傳遞函數(shù)。代表輔助環(huán)測(cè)量裝置的傳遞函數(shù)， 代表結(jié)合處冷卻水的輸入溫度， 代表結(jié)合處冷卻水的輸出溫度。 副環(huán)的輸入輸出的傳遞函數(shù)如下： 在副環(huán)的穩(wěn)定狀態(tài)下，輸出 和輸入 近似相等。所以主環(huán)的輸入和輸出的傳遞函數(shù)可以簡(jiǎn)化為： 比較方程（ 2）（ 3）和（ 7），我們可以得出擾動(dòng) 和延遲時(shí)間常數(shù) 從主環(huán)分離，只有擾動(dòng) 和延遲時(shí)間常數(shù) 仍在主環(huán)內(nèi)。所以輔助環(huán)獲得了物理結(jié)構(gòu)中互相延遲和互相擾動(dòng)的分離，且隔離了主控制對(duì)象的非線(xiàn)性，互相延遲和互相擾動(dòng)的影響。這種結(jié)構(gòu)也控制器設(shè)計(jì)的困難。即使冷卻水有溫度的變 動(dòng)，他也能通過(guò)副控制器補(bǔ)償。因此， 的溫度控制可具有高精度和快收斂率。 4 非線(xiàn)性比例積分算法 為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的收斂率和精確度，一種具有非線(xiàn)性 法的二重輸入和二重輸出智能控制器被設(shè)計(jì)出來(lái)，如圖六所示。 的溫度偏差 和結(jié)合處冷卻水的溫度偏差 都是控制器的輸入端。控制器的輸出端是 面冷卻水溫度值 和結(jié)合處最佳冷卻水溫度值 。 控制器里嵌有智能算法。它包括兩級(jí)且根據(jù)理想的動(dòng)態(tài)響應(yīng)分為五個(gè)控制階段。高級(jí)算法決定從我們先前介紹的五個(gè)階段中選擇 [10]。非線(xiàn)性 法在低級(jí)算法中使用，它將 在后面的段落中介紹。 考慮到溫度控制系統(tǒng)的相互擾動(dòng)特點(diǎn)， 法代替了不同比例積分算法（ 因?yàn)椴煌?xiàng)目將引起高頻率振動(dòng)和增加系統(tǒng)穩(wěn)定性誤差。 圖七顯示了非線(xiàn)性 法的原理圖，在接下來(lái)的圖表和方程中， 代表 代表結(jié)合處最佳冷卻水的溫度值， 代表 制法 對(duì) 的 影響， 代表 制法 對(duì) 的影響， 代表 制法 對(duì) 的影響， 代表制法 對(duì) 的影響， 和 代表數(shù)據(jù)融合系數(shù)。 控制算法可以被描述如下： 其中 i=1， 2， j=1， 2， 是基本不相關(guān)的增加的 制算法 ： 其中， 代表比例系數(shù)， 代表積分系數(shù)， 代表取樣結(jié)果，和 分別代表在 k 時(shí)刻的控制輸出， e（ e（ k）分別代表（ k 時(shí)刻的信號(hào)偏差。 數(shù)據(jù)混合系數(shù)由已有的規(guī)則得出。詳細(xì)規(guī)則如下： 其中 代表由 溫度的的穩(wěn)態(tài)誤差決定的偏差值， 代表由 溫度的暫態(tài)誤差決定的擾動(dòng)值， 代表由結(jié)合處冷卻水溫度的穩(wěn)態(tài)誤差決定的偏差值， 代表由結(jié)合處冷卻水溫度的暫態(tài)誤差決定的擾動(dòng)值。 根據(jù)已有的規(guī)則和控制過(guò)程的輸入信息，可以獲得十六種不同的算法。根據(jù)輸入數(shù)據(jù)控制器可以靈活的選擇任何一種 算法。這不僅能提高算法的適應(yīng)性和收縮率，還能增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和反干擾能力。 5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證控制結(jié)構(gòu)與算法 如圖 8 所示，建立了一個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)來(lái)驗(yàn)證該方法的有效性，其中包括一個(gè)仿制 度傳感器，溫度測(cè)量系統(tǒng)， 程計(jì)算機(jī)，隔熱室，光源等。仿制的 實(shí) 際的 有相同的溫度特性。隔熱室模仿光刻表面隔離熱的作用。用一個(gè) 20W 的白熾燈作為暴露光源。三個(gè)溫度傳感器具有高精度的負(fù)溫度系數(shù)， 的校準(zhǔn)精度是用來(lái)檢測(cè) 的溫度，結(jié)合處冷卻水的溫度和熱隔離室外環(huán)境的溫度 。溫度測(cè)量系統(tǒng)由 1590 模型超溫度計(jì)和一個(gè)具 有 分辨率的掃描器組成。 置了的精確度。工程計(jì)算機(jī)上具有智能算法。 用四個(gè)實(shí)驗(yàn)來(lái)檢測(cè)控制系統(tǒng)和算法：（ a）是用開(kāi)環(huán)結(jié)構(gòu)，（ b）使用具有 法的 c）使用具有 法的 d）使用具有非線(xiàn)性 法的 這些試驗(yàn)中理想的 度是 22℃，非線(xiàn)性 法的參數(shù)是： 是 是 是 是 實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖 9 所示。圖 9（ a）展示了開(kāi)環(huán)結(jié)構(gòu)的溫度曲線(xiàn)。正如圖 9 所示， 定且沒(méi)有達(dá)到 2℃ 系統(tǒng)中存在三個(gè)大的穩(wěn)定性誤差，使用閉環(huán)系統(tǒng)是非常必要的。圖 9（ b）顯示了使用閉環(huán)系統(tǒng) 20 小時(shí)后代到了穩(wěn)定。圖 9（ c）顯示了溫度收斂比圖 9（ b）快，但 溫度的精確度并沒(méi)有得到很大的提高。圖 9（ d）顯示了具有非線(xiàn)性 法的 統(tǒng)的溫度曲線(xiàn)。它只用了 時(shí)達(dá)到了 穩(wěn)定。即使外部溫度 在 內(nèi)擺動(dòng)， 的溫度仍可以達(dá)到 的穩(wěn)定性。很明顯新的方法大大的增加了收斂率，精確性和抗干擾能力。 6 結(jié)論 通過(guò)使用閉環(huán)交互系統(tǒng)可以提高光刻 溫度控制準(zhǔn)確性。通過(guò)分析和實(shí)驗(yàn)揭示了具有 法的 統(tǒng)具有預(yù)測(cè)和滾動(dòng)最優(yōu)的能力。它在收斂率，控制精確性，抗干擾能力方面比開(kāi)環(huán)結(jié)構(gòu)和閉環(huán) 好。它用于光學(xué)領(lǐng)域生產(chǎn) 100過(guò)簡(jiǎn)單的改進(jìn)，它也可以控制其他的需要遠(yuǎn)程遙控的非直接溫度控制，尤其是侵入液體的侵入式光刻等復(fù)雜對(duì)象的溫度控制。 第 I 頁(yè) 摘 要 在此次設(shè)計(jì)中，主要是設(shè)計(jì)一套能夠精確控制溫度的恒溫箱溫度控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)、自動(dòng)、準(zhǔn)確的測(cè)量恒溫箱內(nèi)的溫度，然后通過(guò)加熱和降溫將溫度控制在設(shè)定的誤差范圍內(nèi)。 恒溫箱在各個(gè)領(lǐng)域里都有很重要的意義，但其控制系統(tǒng)又較為復(fù)雜，基本上不可能用數(shù)學(xué)的方法建立準(zhǔn)確的模型。當(dāng)前是用經(jīng)典控制和智能控制兩種控制算法相結(jié)合的方式對(duì)溫度進(jìn)行高效的控制。 我們采用 片機(jī)作為核心控制器，溫度測(cè)量采用數(shù)字溫度傳感器，使用 制，輸出控制用量的調(diào)節(jié)用的是可控硅觸發(fā)端的通斷，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制。溫度在一定范圍內(nèi)可以由人工調(diào)節(jié)，并能在環(huán)境溫度降低時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整。這樣將單片機(jī)結(jié)合使用，可以將整個(gè)控制系統(tǒng)的精度提高，將誤差減小。 法是經(jīng)典的控制算法，在實(shí)際的控制中有著很高的地位。 法相對(duì)簡(jiǎn)單，控制精度高。但是 節(jié)的參數(shù)無(wú)法適應(yīng)系統(tǒng)很長(zhǎng)時(shí)間，需要對(duì)參數(shù)不斷的整定，以達(dá)到更好的控制效果。該算法最重要的是怎樣合理有效的整定其參數(shù)，針對(duì)這種情況我們就要對(duì) 其進(jìn)行仿真建模，通過(guò) 到更好的解決方法，以免浪費(fèi)不必要的時(shí)間，有效的提高了設(shè)計(jì)效率，也使控制性能可以達(dá)到預(yù)期的效果。 關(guān)鍵詞： 恒溫箱；溫度控制； 第 is to a of of is in in by a in to in it is to a is By an on is is as is by ID on of is by is be it of ID of is a It a in ID is of in to a ID a to in a is it a in we to In to a is 林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 目 錄 目 錄 摘 要 .................................................................................................................... I ............................................................................................................... 言 ....................................................................................................................... 1 1 緒論 ................................................................................................................. 2 題背景，目的和意義 ................................................................................................... 2 內(nèi)外研究現(xiàn)狀 ............................................................................................................... 2 展方向 ........................................................................................................................... 3 章小結(jié) ........................................................................................................................... 3 2 恒溫箱溫度控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) ................................................................. 4 溫箱溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的研究?jī)?nèi)容與基本要求 ....................................................... 4 ....................................................................... 4 ....................................................................... 4 溫箱溫度控制系統(tǒng)的基本 工作原理 ........................................................................... 4 制方案的選擇 ............................................................................................................... 5 P） ............................................................................................................. 5 .................................................................................................... 6 .................................................................................................. 6 ......................................................................................... 7 ................................................................................................. 8 ......................................................................................................... 8 ................................................................................................. 8 章小結(jié) ........................................................................................................................... 9 3 恒溫箱溫度控制系統(tǒng)的硬件電路的設(shè)計(jì) ................................................... 10 器件的選擇 ................................................................................................................. 10 ..................................................................................................... 10 ................................................................................................................. 10 ............................................................................................................. 11 壓器的選擇 ............................................................................................................ 11 ................................................................................................................. 12 ......................................................................................... 12 ..................................................................................................... 13 片機(jī)電路的設(shè)計(jì) ......................................................................................................... 13 示電路的設(shè)計(jì) ............................................................................................................. 14 鍵電路的設(shè)計(jì) ............................................................................................................. 15 警電路的設(shè)計(jì) ............................................................................................................. 16 壓電路的設(shè)計(jì) ............................................................................................................. 16 零檢測(cè)電路 ................................................................................................................. 17 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 目 錄 熱器件驅(qū)動(dòng)電路 ......................................................................................................... 18 ......................................................................................................... 18 控硅介紹 ................................................................................................................ 18 控硅驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) ................................................................................................ 19 電偶信號(hào)處理電 路 ..................................................................................................... 20 ............................................................................................. 20 ........................................................................................................ 20 ..................................................................................... 21 擬樣機(jī)硬件的制作 ................................................................................................... 22 ........................................................................................................................ 22 4 溫度控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) ........................................................................... 23 測(cè)模塊設(shè)計(jì) ................................................................................................................. 23 ..................................................................................................... 23 ..................................................................................................... 24 制模塊程序設(shè)計(jì) ......................................................................................................... 24 示模塊程序設(shè)計(jì) ......................................................................................................... 25 ................................................................................................................... 26 統(tǒng)整體設(shè)計(jì) ................................................................................................................. 26 擬樣機(jī)的軟件設(shè)計(jì) ..................................................................................................... 27 章小結(jié) ......................................................................................................................... 27 5 恒溫箱溫度控制系統(tǒng)的建模與仿真 ........................................................... 28 溫箱溫度控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模 ................................................................................. 28 制系統(tǒng)的仿真 ............................................................................................................. 28 ........................................................................................................ 28 .......................................................................................................... 29 ........................................................................................................... 29 章小結(jié) ......................................................................................................................... 31 6 總結(jié) ............................................................................................................... 32 論 ................................................................................................................................. 32 得體會(huì) ......................................................................................................................... 32 謝 辭 ................................................................................................................. 33 參考文獻(xiàn) ............................................................................................................. 34 附錄一 模擬樣機(jī)程序 ..................................................................................... 35 附錄二 元器件清單 ......................................................................................... 38 附錄三 模擬樣機(jī)的溫度控制系統(tǒng)的 ............................................... 39 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 1 頁(yè) 共 38 頁(yè) 引言 恒溫箱的應(yīng)用非常廣泛。其工作就是保持溫度的恒定，從瑣碎的日常生活到精準(zhǔn)的科學(xué)研究；從能源、化工到醫(yī)用、軍事；從工業(yè)生產(chǎn)到農(nóng)牧業(yè)的需要?？梢?jiàn)，恒溫箱無(wú)處不在。 在當(dāng)今社會(huì)，由于科技快速進(jìn)步，國(guó)家經(jīng)濟(jì)水平的高速發(fā)展，以及大眾對(duì)恒溫箱的需求的增長(zhǎng)，所以就對(duì)恒溫箱提出了更高的要求。不僅要控制的精度越來(lái)越高，還要經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，更希望恒溫箱有一個(gè)溫度控制的范圍，可以讓用戶(hù)自己設(shè)置自己所需溫度，以滿(mǎn)足不同用戶(hù)的不同需求。 一般的溫度控制方法都是設(shè)定一個(gè)數(shù)值為溫度的臨界點(diǎn)，超過(guò)誤差允許的范疇則要進(jìn)行溫度調(diào)控。本方法容易操作，價(jià)格適中，但結(jié)果不理想，控溫精度不高，需要較長(zhǎng)的時(shí)間才可以到達(dá)穩(wěn)定點(diǎn)。因此，它只適用于對(duì)精度要求不高地方。 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中，該系統(tǒng)的作用就是實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制與 監(jiān)測(cè)。我們的核心控制器是單片機(jī)。用單片機(jī)進(jìn)行 算，可以最大程度的展示軟件的靈活性、且容易操作，可以讓系統(tǒng)變得更穩(wěn)定一些。 單片機(jī)是每個(gè)控制系統(tǒng)中不能缺少的重要組成部分，已廣泛地應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。能及時(shí)的處理數(shù)據(jù)，可以使系統(tǒng)在最佳狀態(tài)下工作，并使控制精度整體提高。又因?yàn)閱纹瑱C(jī)有功能強(qiáng)大，反應(yīng)靈敏，尺寸小，能耗低，性?xún)r(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，因此其市場(chǎng)占有率在日益增加。 制器原理相對(duì)容易一些，且適應(yīng)性好，魯棒性強(qiáng)。因?yàn)槠?P、 I、 D 各自獨(dú)立，研究工作者可以根據(jù)自己的需求來(lái)進(jìn)行組合，整定 參數(shù)又相對(duì)簡(jiǎn)單。因此 在眾多領(lǐng)域里都有廣泛的應(yīng)用。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 2 頁(yè) 共 38 頁(yè) 1 緒論 題背景，目的和意義 隨著社會(huì)不斷發(fā)展，科技快速進(jìn)步，以及恒溫箱在諸多領(lǐng)域的應(yīng)用，智能控制與經(jīng)典控制相結(jié)合的控制方式已然成為溫度控制系統(tǒng)的主流方向。溫度在諸多領(lǐng)域里都是極為重要的參數(shù)，但對(duì)其實(shí)現(xiàn)高精度的控制是有一定難度的，但溫度又是一個(gè)和生活密不可分的實(shí)際問(wèn)題。鑒于這是實(shí)際狀況，所以設(shè)計(jì)恒溫箱溫度控制系統(tǒng)是有廣闊的前景和實(shí)際意義。 在日常生活中，可以用來(lái)保存食物；在工業(yè)中，可以保存工業(yè)原料以及對(duì)一些產(chǎn)品的測(cè)試，其控制效果的好壞會(huì)對(duì)產(chǎn)品有直接的影響；在農(nóng)牧業(yè)中，可以育苗，可以飼養(yǎng)生物；在科研機(jī)構(gòu)可以培養(yǎng)細(xì)胞；在生物研究中，可以為無(wú)菌試驗(yàn)創(chuàng)造有利的條件；某些高端電子設(shè)備的正常運(yùn)行需要一定的溫度環(huán)境。這些都是恒溫箱在各個(gè)領(lǐng)域里發(fā)揮的作用。由此可見(jiàn)，恒溫箱有著舉足輕重的地位。 在當(dāng)今大環(huán)境下，市場(chǎng)與技術(shù)息息相關(guān)，同時(shí)技術(shù)在開(kāi)發(fā)產(chǎn)品方面又起著決定性的作用。如今有關(guān)恒溫箱溫度控制的產(chǎn)品，成為大家研究開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)。隨著科技的日益發(fā)展，單片機(jī)技術(shù)越來(lái)越 成熟，覆蓋范圍也越來(lái)越廣。并且以單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng)可以克服控制系統(tǒng)的容量滯后問(wèn)題，這就讓控制系統(tǒng)的精度得到了的改善。其良好的控制效果也對(duì)安全高效的生產(chǎn)、環(huán)保事業(yè)、經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)步發(fā)展起到了十分顯著的作用。因?yàn)闇囟瓤刂葡到y(tǒng)的普遍性，溫度傳感器的種類(lèi)也在隨著它的發(fā)展而不停的增加，以此來(lái)滿(mǎn)足越來(lái)越多元化的需求。 本設(shè)計(jì)的內(nèi)容是恒溫箱溫度控制系統(tǒng)，溫度是控制目標(biāo)。無(wú)論在生活中還是工業(yè)中，溫度控制系統(tǒng)都被廣闊采用，例如在發(fā)酵箱、工業(yè)產(chǎn)品檢測(cè)、無(wú)菌實(shí)驗(yàn)環(huán)境都需要溫度控制。所以本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的目的是設(shè)計(jì)一種恒溫箱溫度控制系統(tǒng) ，在價(jià)格較低的前提下，爭(zhēng)取實(shí)現(xiàn)控制精度高，實(shí)時(shí)性好等功能。 內(nèi)外研究現(xiàn)狀 隨著 科學(xué)技術(shù) 的 不斷 發(fā)展， 恒溫箱溫度 控制 被廣泛應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域 ， 獲得了社會(huì)各界的認(rèn)可 。在不同的 情況下 ，由于 被控對(duì)象的差異 、 期望效果 、 經(jīng)濟(jì) 等因素，需要 根據(jù)實(shí)際狀況 設(shè)計(jì)系統(tǒng) 的 結(jié)構(gòu)和功能， 使系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)控制 。其中， 恒溫箱溫度控制系統(tǒng) 在工 、商業(yè) 中是一個(gè)重要 的 研究 對(duì)象 。 從上世紀(jì) 70 年代開(kāi)始，國(guó)外就已經(jīng)開(kāi)始研究溫度控制系統(tǒng)了。到了 80 年代后期 ，因?yàn)楣I(yè)發(fā)展的需求，尤其是微電子、計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速成熟，還有設(shè)計(jì)方法的發(fā)展等一系列因素的推動(dòng)下， 國(guó)外的溫度控制系統(tǒng)發(fā)展迅猛。智能化等在科技中也有較大的成桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 3 頁(yè) 共 38 頁(yè) 就。當(dāng)下，一些技術(shù)成熟的大國(guó)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，可以生產(chǎn)出性能良好的商品。 現(xiàn)如今，國(guó)外的溫度控制系統(tǒng)正在向著全自動(dòng)，無(wú)人化方面前進(jìn)。我國(guó)開(kāi)始研究溫度控制系統(tǒng)是在上世紀(jì) 80年代。對(duì)于控制有難度的溫度控制系統(tǒng)的技術(shù)，國(guó)內(nèi)的技術(shù)水平還不是很成熟。盡管在國(guó)內(nèi)的諸多行業(yè)中都普遍的應(yīng)用溫度控制系統(tǒng)，但是從技術(shù)層面來(lái)講，整體發(fā)展水平有限，與技術(shù)先進(jìn)的國(guó)家比較，我們依舊存在著很大的差距。國(guó)內(nèi)溫度控制系統(tǒng)的發(fā)展水平距實(shí)現(xiàn)工廠化還有很長(zhǎng)的一段路要走。在我們實(shí)際生產(chǎn)的過(guò)程中 ，還存在著很多問(wèn)題，這需要我們更加努力的去研究。 溫度是一個(gè)大家被所熟知且十分重要的過(guò)程變量，很多的物理，化學(xué)過(guò)程都會(huì)受到它的直接影響。恒溫箱溫度控制系統(tǒng)被廣泛的應(yīng)用到各個(gè)行業(yè)中，因?yàn)閰?shù)多變，滯后等問(wèn)題，所以對(duì)調(diào)節(jié)器的要求比較高。如果溫度控制的效果不好也許就會(huì)引起生產(chǎn)安全，產(chǎn)品產(chǎn)量等很多的問(wèn)題。由此可見(jiàn)，溫度控制十分重要，但在這過(guò)程中會(huì)碰到一些意料之外的困難。這就要求我們?nèi)硇牡耐度肫渲?，解決所有的問(wèn)題。 展方向 現(xiàn)如今，溫度控制系統(tǒng)正在以一匹黑馬的姿態(tài)在全球范圍內(nèi)快速的發(fā)展，在這方面的研究中， 國(guó)外的技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟了。但是，我國(guó)也是近幾年才出現(xiàn)了一些精度比較高的溫度控制系統(tǒng)的產(chǎn)品，但是價(jià)格偏高。所以如何生產(chǎn)出可靠性高，控制精度高，生產(chǎn)成本低的恒溫箱是我們要重點(diǎn)研究的。 章小結(jié) 該章節(jié)是論文的開(kāi)篇概述，詳細(xì)的描述了此題目的背景、目的及意義；介紹了恒溫箱溫度控制系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外的現(xiàn)狀以及發(fā)展方向。闡述了恒溫箱溫度控制系統(tǒng)市場(chǎng)的需求，利用 制和單片機(jī)可以將恒溫箱溫度控制系統(tǒng)的性能有所提高。對(duì)下文做研究提供了一定的方法。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 4 頁(yè) 共 38 頁(yè) 2 恒溫箱溫度控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) 溫箱溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的研究?jī)?nèi)容與基本要求 恒溫箱在農(nóng)牧業(yè)、醫(yī)療、科研和食品生產(chǎn)加工等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。這些領(lǐng)域?qū)囟鹊姆€(wěn)定性要求很高。恒溫箱溫度控制系統(tǒng)的核心問(wèn)題就是精準(zhǔn)的控制溫度。當(dāng)下，測(cè)量裝置普遍采用溫度傳感器采集溫度，但是在一般的環(huán)境中，溫度會(huì)被其他的外界因素影響，而且難以校準(zhǔn)。由此可見(jiàn)，溫度是一個(gè)很難準(zhǔn)確測(cè)量的一個(gè)參數(shù)。用一般方法檢測(cè)的話(huà)測(cè)量誤差大、測(cè)量時(shí)滯長(zhǎng)。目前，恒溫箱溫度的智能控制主要用單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。 設(shè)計(jì)恒溫箱溫度控制系統(tǒng)，規(guī)定一個(gè)誤差所允許的范圍，并能在環(huán)境溫度下降時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)可以自動(dòng)調(diào)整，以保持溫度不變。具體要求如下： （ 1） 恒溫箱 電熱溫度控制系統(tǒng)的輸入電源為單相 220V，電加熱額定功率 5 （ 2） 測(cè)溫范圍在室溫至 200℃， 精度在± 1℃以?xún)?nèi)。 （ 3） 恒溫箱對(duì)加熱電源電流的傳遞函數(shù)為 ，采用 節(jié)器設(shè)計(jì)恒溫箱 電熱溫度控制系統(tǒng)；選擇單片機(jī)作為控制器 。 溫箱溫度控制系統(tǒng)的基本工作原理 現(xiàn)對(duì)該系統(tǒng)的原理進(jìn)行介紹，控制原理圖如圖 2示。 圖 2統(tǒng)原理框圖 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 5 頁(yè) 共 38 頁(yè) 溫度控制系統(tǒng)是一個(gè)過(guò)程控制系統(tǒng)。對(duì)于該系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，單片機(jī)是其核心。開(kāi)始時(shí)，我們會(huì)通過(guò)按鍵設(shè)置我們想要的溫度值，并將其傳送到單片機(jī)中，然后會(huì)在 溫度的規(guī)定值設(shè)置完成后，單片機(jī)就會(huì)啟動(dòng)輸出控制模塊，使加熱模塊開(kāi)始工作，與此同時(shí)， 同步顯示溫度傳感器采集到的溫度，一旦溫度傳感器采集到的溫度達(dá)到了我們?cè)O(shè)定的溫度上限，這時(shí)，聲光報(bào)警開(kāi)始工作：即發(fā)出聲音。同時(shí)，加熱模塊停止工作。不加熱的時(shí)候，溫度值一定會(huì)變小，當(dāng)溫度值下降到超過(guò)誤差所允許的范圍時(shí)，單片機(jī)將會(huì)再一次啟動(dòng)加熱模塊，讓它 繼續(xù)加熱到我們最初的設(shè)定值。這樣的循環(huán)往復(fù)，便達(dá)到了恒溫箱溫度控制的目的 制方案的選擇 雖然不同形式的控制器，它的結(jié)構(gòu)和工作原理不同，但按照經(jīng)典控制理論，基本的控制規(guī)則有且只有 3 種： P 調(diào)節(jié)、 I 調(diào)節(jié)、 D 調(diào)節(jié)。這些控制規(guī)則可單獨(dú)使用，但是更多的地方采用的是組合的形式。例如： 比例調(diào)節(jié)、比例積分調(diào)節(jié)和比例積分微分調(diào)節(jié) [1]。 不同的控制規(guī)則適應(yīng)不用的生產(chǎn)要求。要選用合適的控制規(guī)則，就應(yīng)該先了解控制規(guī)則的特點(diǎn)和適用條件。根據(jù)工藝指標(biāo)的要求，結(jié)合具體對(duì)象特性，才可以做出最正確的選擇。 P） 比例控制獨(dú)自作用于系統(tǒng)時(shí)也可稱(chēng)該控制為“有差控制”。這時(shí)，只要輸入的被調(diào)量偏離其給定值，調(diào)節(jié) 器便會(huì)立即做出相應(yīng)的控制作用，偏差的大小決定著輸出信號(hào)的大小。 在實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)根據(jù)具體的情況來(lái)確定比例度的大小。如果比例度取得過(guò)大，則系統(tǒng)的抗干擾性能就會(huì)變?nèi)?，所以?huì)導(dǎo)致控制作用不明顯，甚至系微乎 其微。系統(tǒng)的余差過(guò)大，控制效果不好，也就談不上控制作用了。相反，比例度過(guò)小，控制作用會(huì)變強(qiáng)，這樣就會(huì)使得系統(tǒng)的超調(diào)量變大，從而使控制系統(tǒng)穩(wěn)定性變差，易引發(fā)振蕩。 若遇到的被控對(duì)象反應(yīng)迅速，放大倍數(shù)比較大的，選用的比例度就要小一些，這樣可以增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高控制精度。反之，就要選擇比例度較大的，這樣的話(huà)，不僅可以增加系統(tǒng)的靈敏度，而且還可以使得系統(tǒng)的余差減小。 由于比例控制單獨(dú)作用時(shí)，存在著一些弊端，比如：抗干擾能力差、波動(dòng)范圍過(guò)大等缺陷，所以它只適合運(yùn)用在一些特定的對(duì)象上，比如在擾動(dòng)小、滯后較小、負(fù)荷變 化不明顯、允許被控對(duì)象在某個(gè)范圍中變化的場(chǎng)合使用。這種控制規(guī)律被廣泛的應(yīng)用在工業(yè)中。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 6 頁(yè) 共 38 頁(yè) 如果某一系統(tǒng)單獨(dú)使用比例調(diào)節(jié)時(shí)，只要系統(tǒng)有偏差出現(xiàn)，調(diào)節(jié)器便會(huì)立即做出反應(yīng)，通過(guò)調(diào)節(jié)后使偏差減小。假如系統(tǒng)中不存在偏差，那么其的輸出就為零。所以，如果只是用比例調(diào)節(jié)，就不可能實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差調(diào)節(jié)。 要消除靜差，最好的方法就是采用積分控制器，因?yàn)樗鼘?duì)偏差有積分作用 [2]。積分調(diào)節(jié)器的優(yōu)勢(shì)在于只要系統(tǒng)有偏差存在，其調(diào)節(jié)作用就不會(huì)間斷，直到消除偏差為止。當(dāng)偏差被消除后，由積分控制器的特點(diǎn)可知輸出將會(huì)停留在新的位置，所以才能保持偏差為零。 雖然積分作用可以消除余差，但是其缺點(diǎn)是動(dòng)作過(guò)于遲緩，因?yàn)樗兄欢ǖ姆e分時(shí)間，不能馬上對(duì)被控量的細(xì)小變化做出反應(yīng)。如果我們調(diào)節(jié)靜態(tài)準(zhǔn)確度，由于積分不能馬上做出反應(yīng)，就會(huì)讓調(diào)節(jié)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)變壞。所以一般情況下不會(huì)單獨(dú)使用 積分調(diào)節(jié)，總是把它和比例結(jié)合在一起使用。這樣就構(gòu)成了比例 — 積分控制。這樣二者兼容，取長(zhǎng)補(bǔ)短，就可以把比例作用的及時(shí)性和積分作用消除靜差的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)了。所以 制可以達(dá)到比較理想的控制效果。 比例 — 積分調(diào)節(jié)是當(dāng)下應(yīng)用范疇比較大的調(diào)節(jié)器。一般在液位、流量等系統(tǒng)中使用。因?yàn)榉e分作用可以消除靜差，可以將比例控制的缺陷掩蓋，達(dá)到良好的控制效果。但是在一些特定的情況下，積分作用可能會(huì)讓系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差，就比如，如果某系統(tǒng)存在慣性滯后的現(xiàn)象，就盡可能的不要選擇 制。 對(duì)于有時(shí) 間滯后控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，比例 — 積分控制也許無(wú)法達(dá)到預(yù)期的效果。對(duì)“時(shí)間滯后”作進(jìn)一步的解釋?zhuān)簿褪牵寒?dāng)被控變量受到外界的干擾，被控變量沒(méi)有馬上做出反應(yīng)，而是有一定的延時(shí)。例如容量滯后，此時(shí)的 制就表現(xiàn)的遲緩，不靈敏。由此，可以設(shè)想的是：能不能有一個(gè)按照偏差的變化走向，使其做出相對(duì)的控制動(dòng)作呢 ?就好像經(jīng)驗(yàn)豐富的工作人員，既可以按照偏差的大小來(lái)調(diào)整比例作用，又可以按照偏差變化的速度來(lái)估計(jì)可能會(huì)出現(xiàn)的狀況，提前做控制工作。這就是微分控制的特點(diǎn)：即具有超前調(diào)節(jié)作用。輸入誤差的變化率決定了微分調(diào)節(jié)器輸出的大小。 微分輸出和偏差的變化速度是正比例關(guān)系，而且微分輸出與偏差的其他因素均無(wú)關(guān)系。假如有一個(gè)固定不變的偏差，不管其數(shù)值的大小，只要沒(méi)有變化，微分輸出肯定為零。假如某系統(tǒng)中微分時(shí)間為零，則微分作用就沒(méi)有存在的必要了。因此，我們要根據(jù)實(shí)際需要去選擇微分時(shí)間。 除此之外，微分控制系統(tǒng)作為一種比較有效的控制，它有著自己一些優(yōu)點(diǎn)：首先，微分控制執(zhí)行的速度很快，比起其他的控制方法來(lái)，所花的時(shí)間都要少很多；其次，它桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 7 頁(yè) 共 38 頁(yè) 還具有超前的調(diào)節(jié)功能，所以，采用微分控制可以有效的改善被控制對(duì)象有比較大的時(shí)間延遲的作用。同時(shí)，微分控制也是有著自 己的局限性，比如，它不能有效的消除余差，而且更糟糕的是，它對(duì)于那種偏差是恒定的輸入量來(lái)說(shuō)，壓根就沒(méi)有控制作用。所以正是因?yàn)槲⒎挚刂频倪@個(gè)致命的局限性，我們?cè)谶x擇控制方法的時(shí)候，不能單一的選擇微分控制來(lái)使用。 正是因?yàn)槲⒎挚刂朴芯窒扌?，不能單一的運(yùn)用，與之相比之下，比例控制和微分控制的結(jié)合，作用和效果就比較可觀了。首先它們的運(yùn)行速度是高速的，比之單獨(dú)的比例或者微分作用都要快上很多，一般都能達(dá)到幾倍以上，這樣就可以使得系統(tǒng)執(zhí)行的效率高上很多，特別是對(duì)于那些容量滯后的被控對(duì)象來(lái)說(shuō)，就有著很大的改善作用，它可以很有 效的控制偏差，使之幅度減少，使得系統(tǒng)的實(shí)用性都得到很大的提高。同時(shí)，比例微分的結(jié)合，大大縮短了控制的時(shí)間，所以它更能精準(zhǔn)快速的采集被控量的變化，以達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控、精準(zhǔn)控制的目的，使得控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量得到顯著的提高。 比例積分微分控制是一種實(shí)用性很強(qiáng)、控制性能最為理想的控制規(guī)律。 制集合了比例、積分、微分控制這三者的優(yōu)點(diǎn)，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是 制既具備了比例控制的迅速和及時(shí)，還具有積分控制的消除余差的能力，又有微分控制的超前調(diào)節(jié)功能，是三者結(jié)合的產(chǎn)物，彌補(bǔ)了比例積分 控制、比例微分控制的短板，所以 制在現(xiàn)實(shí)生活應(yīng)用中應(yīng)用很廣泛，在工程實(shí)際中也是備受青睞。 當(dāng)輸入的偏差量出現(xiàn)階躍變化時(shí)，微分環(huán)節(jié)就會(huì)馬上做出反應(yīng)，目的是抑制這種偏差躍變。與此同時(shí)，比例環(huán)節(jié)也會(huì)對(duì)這種偏差進(jìn)行抑制作用，以達(dá)到抑制偏差的目的，因?yàn)楸壤h(huán)節(jié)的快速反應(yīng)，還能起到令系統(tǒng)更加穩(wěn)定的作用；當(dāng)微分環(huán)節(jié)和比例環(huán)節(jié)作用之后，會(huì)產(chǎn)生比較大的余差，這時(shí)候積分環(huán)節(jié)就會(huì)開(kāi)始作用，將余差給克服掉。所以這三種控制規(guī)律的充分結(jié)合，會(huì)使控制效果達(dá)到最佳。 在控制系統(tǒng)的發(fā)展歷程中， 產(chǎn)使用性最高 的控制規(guī)律。與我們工程實(shí)際密切相關(guān)，是工程設(shè)計(jì)中經(jīng)常要用到的調(diào)節(jié)控制規(guī)律。當(dāng)選擇合適的作用參數(shù)，也就是要比例參數(shù)、積分參數(shù)和微分參數(shù)設(shè)計(jì)得當(dāng)，就可以使三者的優(yōu)點(diǎn)充分結(jié)合，使得系統(tǒng)的控制效果更加理想。 綜上所述，可以看出 節(jié)器集三者之長(zhǎng)于一身，所以本次設(shè)計(jì)要采用 節(jié)器。它的本質(zhì)就是將輸入的數(shù)據(jù)按照函數(shù)關(guān)系來(lái)計(jì)算。其結(jié)構(gòu)如圖 2示： 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 8 頁(yè) 共 38 頁(yè) 其數(shù)學(xué)模型如式 2示： u(t) = e(t) + 1e(t)d(t)TD de(t) （ 2 其中 比例系數(shù)、 積分系數(shù)、 微分系數(shù)。 其傳遞函數(shù)的表達(dá)式如式 2示： )=+ 1 （ 2 在工程實(shí)際中，最為大家認(rèn)可的就是 節(jié)，即比例 — 積分 — 微分控制。 制器以結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、可靠性強(qiáng)、易調(diào)節(jié)等特點(diǎn)在工業(yè)控制中有著十分重要的地位。尤其是被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不可以被完全掌控，或者不能建立精準(zhǔn)的數(shù)學(xué)模型， 其他的技術(shù)控制理論 也 難以使用 ，控制器只能用經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)解決時(shí)， 法是最簡(jiǎn)便的 [3]。 節(jié)器參數(shù) 的整定是整個(gè)控制系統(tǒng)的最為關(guān)鍵的內(nèi)容。它是依照被控過(guò)程的性能特點(diǎn)來(lái)確認(rèn) 節(jié)器的各項(xiàng)參數(shù)的大小。 節(jié)器的參數(shù)的整定總的來(lái)說(shuō)可以分為兩種： 一種是理論計(jì)算整定，它包括了： 圖 2構(gòu)圖 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 9 頁(yè) 共 38 頁(yè) （ 1）穩(wěn)定邊界法 又被稱(chēng)為臨界比例度法。當(dāng)一個(gè)比例調(diào)節(jié)系統(tǒng)的被調(diào)量為等幅振蕩時(shí)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可以求出該調(diào)節(jié)器的參數(shù)。這種方法在下面兩種情況下不宜采用：一種是臨界比例度過(guò)小，對(duì)生產(chǎn)工藝不利或不容許；另一種是工藝上要求的條件較為嚴(yán)苛?xí)r，等幅振蕩將影響生產(chǎn)的安全。 （ 2）反應(yīng)曲線(xiàn)法 用該方法整定調(diào)節(jié)器的參數(shù)應(yīng)先測(cè)定對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性，即飛升特性。根據(jù)該特性曲線(xiàn)找出某幾個(gè)可以有代表性的參數(shù)，之后就可以用這幾個(gè)數(shù)據(jù)整定出調(diào)節(jié)器最佳參數(shù)。 （ 3）衰減曲線(xiàn)法 被調(diào)量偏離工作點(diǎn)不大，不需要把調(diào)節(jié)系統(tǒng)推進(jìn)到穩(wěn)定的邊界，也可以求出比例度，因而比較安全，易操作。 但是這幾種方法都要依靠數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過(guò)計(jì)算才可以準(zhǔn)確的得出控制器的參數(shù)。即使計(jì)算出準(zhǔn)確的參數(shù)，也還是有可能不可以直接用的，一定要經(jīng)過(guò)工程實(shí)際來(lái)調(diào)整修改。 另一種是工程整定方法：它靠的是工程經(jīng)驗(yàn)，可以在控制系統(tǒng)試驗(yàn)中直接進(jìn)行。而且方法簡(jiǎn)便、易操作，廣泛應(yīng)用于各種實(shí)際工程中。 章小結(jié) 本章主要介紹了本次設(shè)計(jì)的內(nèi)容，設(shè)計(jì)的主要要求。并且對(duì)控制整定方法進(jìn)行了較為詳細(xì)的分析和比較，選出最佳的控制方案，同時(shí)闡述了該方案的特點(diǎn)以及如何整定其參數(shù)的方法。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 10 頁(yè) 共 38 頁(yè) 3 恒溫箱溫度控制系統(tǒng)的硬件電路的設(shè)計(jì) 器件的選擇 （ 1） 度傳感器 該傳感器尺寸小、性?xún)r(jià)比高、精度高。它是單線(xiàn)接口：即僅需一條口線(xiàn)與 連。電源可以用 來(lái)總線(xiàn)提供。其測(cè)溫范圍是 ~+125℃，精度為± （ 2）熱電阻溫度傳感器 它可以分為兩類(lèi)，一類(lèi)是金屬熱電阻：它要用一種電阻溫度系數(shù)和電阻率大而穩(wěn)定的、易于加工的金屬制作（鉑、銅）。測(cè)溫范圍是 ~+850℃。盡管其測(cè)溫范圍較大，但是其尺寸大，價(jià)格高。另一類(lèi)是半導(dǎo)體熱敏電阻：它又可以分為正溫度系數(shù)（ 負(fù)溫度系數(shù)（ 突變型負(fù)溫度系數(shù)（ 感器。它們的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度好、體積小。但線(xiàn)性度較差，只要電流過(guò)大就會(huì)自熱。假如把它放到高熱中，那就是永久性的毀壞了。 （ 3）熱電偶溫度 傳感器 制作該種傳感器的金屬材料應(yīng)滿(mǎn)足物理、化學(xué)性能穩(wěn)定；熱電動(dòng)勢(shì)高，導(dǎo)電率高電阻溫度系數(shù)小。其測(cè)溫范圍是 ~+1300℃。其工作方式與熱電阻相似。但是熱電偶的復(fù)現(xiàn)性好，易于批量生產(chǎn)。 綜上所述，在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中，我們采用的是熱電偶溫度傳感器。它的優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，測(cè)溫范圍符合要求、精度高。其輸出信號(hào)是電信號(hào)這就為遠(yuǎn)傳或信號(hào)轉(zhuǎn)換奠定了好的基礎(chǔ)。 本次設(shè)計(jì)中，要求恒溫箱電熱溫度控制系統(tǒng)的輸入電源為單相 220V，電加熱額定功率 5以電流約為 般情況下， 銅線(xiàn)每 平方毫米 按 4~6A 的載流量 來(lái)計(jì)算。 那么，我們選用 4是如果選擇 4正常情況下的電流就基本上達(dá)到了其載流量的上限，一旦有突發(fā)狀況發(fā)生，就可能會(huì)產(chǎn)生危險(xiǎn)。所以，為保證安全，我們選擇電線(xiàn)的時(shí)候應(yīng)該把余量留的稍大一些，即使遇到突發(fā)狀況也能保證安全。因國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有 5以我們選擇 6 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 11 頁(yè) 共 38 頁(yè) （ 1）數(shù)碼管顯示 數(shù)碼管按照幾個(gè) 8 的顯示可以分為 1 位數(shù)碼管、 2 位數(shù)碼管等，平時(shí)我們使用的一般是八段數(shù)碼管。如何控制數(shù)碼管顯示出我們所需要的東西，就是要控制其每段的亮或滅，如在并行口上輸入 11111001，數(shù)碼管就顯示出“ 1”的字樣，控制數(shù)碼管顯示的方法相對(duì)簡(jiǎn)單，但缺陷也是