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基于模糊PID的花椒烘房温度自动控制系统的研究

作　者: 丁珠玉
导　师: 陈建
学　校: 西南大学
专　业: 农业机械化工程
关键词: 花椒干燥 模糊PID ARM技术 温度自动控制
分类号: TP273.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 416次
引　用: 6次
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内容摘要


干燥是农副产品加工和储藏的重要手段,也是农副产品生产中应用极为广泛的操作方法。目前,我国农村花椒干燥的主要方法仍采用自然晾晒法。由于自然晾晒花椒所需时间太长,容易受到不同天气的影响,不利于花椒的采收和储藏,而农村现有的花椒烘房完全依靠人工控制的方式,存在干燥不均匀,干燥速率相对较慢,能耗损失较大等问题。本文首次系统地将模糊PID温度自动控制技术应用在花椒烘房的自动干燥上,研究对比了PID技术、模糊控制技术、模糊PID控制技术在自动控制系统中的功能特点,并结合32位ARM处理器和GPRS技术实现花椒烘房的自动控制和远程报警提示,有利于解决目前农村地区自动控制设备通讯难的问题,能为我国农村花椒干燥自动化应用寻求一条新的出路。在控制方法的理论设计上,本文首先深入研究了花椒干燥过程中的不同物理现象和现有的国内外研究成果,进行了温度控制系统实时数据采集与控制的大量试验,在此基础上以花椒烘房内的温度为被控对象,分析了模糊PID控制器的不同参数控制规则,利用MATLAB7.1版本软件在计算机上建立了烘房两阶段的仿真模型结构,并对模糊控制器、PID控制器和模糊PID控制器的控制性能和抗干扰能力分别进行了仿真研究。仿真结果显示:模糊PID控制器性能优于模糊控制器和PID控制器,具有调节时间短、超调量小、鲁棒性好、稳态误差在±0.2℃内的控制精度、对干扰信号有很强的抑制能力。在硬件电路设计上,本文采用了先进的32位ARM技术,系统的主芯片为ST公司生产的微处理器芯片STM32F103CB。硬件电路设计了数字信号采集电路、数据显示电路、键盘控制电路、抽风排湿控制电路、调温控制电路等;在系统安全性设计上,设计了过压控制电路、过流保护电路、GPRS远程无线报警提示电路;为了尽量减少各单元电路被信号干扰的可能性,分别设计了各单元电路的干扰信号抑制电路。在软件设计上,本文以嵌入式实时操作系统UCOS/II为温度控制系统的管理方案。它主要是控制其它程序运行,管理系统资源并为用户提供操作界面的系统软件的集合。它可以对每个不同任务量的系统在软件进程上进行有条理的管理。通过在UCOS/II基础上建立FAT16文件管理系统,并且驱动系统底层驱动函数库(API)和不同子任务的功能子函数。整个温度控制系统软件程序主要完成:系统初始化、温度采集、数据处理、温度曲线显示、打开关闭执行机构、超温保护及超限报警等功能任务的软件调度与系统管理。

全文目录


摘要  6-8
Abstract  8-10
第1章 绪论  10-20
  1.1 研究目的和意义  10-11
  1.2 国内外农副产品干燥设备的发展现状  11-14
  1.3 温度自动控制技术发展现状  14-17
  1.4 我国农村花椒干燥的现状  17
  1.5 我国农村花椒干燥所面临的问题  17-18
  1.6 论文研究的主要内容  18-20
第2章 烘房温度自动控制系统模型的建立  20-30
  2.1 温度控制系统中PID控制器原理  20-22
    2.1.1 常规PID控制系统原理  20-21
    2.1.2 温度PID控制原理的分析  21-22
    2.1.3 PID控制器的优缺点  22
  2.2 烘房温度模糊控制器原理分析  22-24
    2.2.1 模糊控制的基本思想  22-23
    2.2.2 模糊控制系统组成  23
    2.2.3 模糊控制系统优缺点  23-24
  2.3 烘房模糊PID控制器模型分析  24-25
    2.3.1 花椒烘房温度模型的建立  24-25
    2.3.2 花椒烘房控制器结构建立  25
  2.4 烘房温度控制系统变量关系分析  25-30
    2.4.1 输入输出变量语言描述  25-27
    2.4.2 模糊控制规则的建立  27-29
    2.4.3 模糊推理与解模糊  29-30
第3章 烘房温度自动控制系统仿真分析  30-36
  3.1 在MATLAB中温度控制系统分析  30
  3.2 三种控制方式仿真模型建立  30-31
  3.3 三种控制方式系统响应曲线  31-33
  3.4 抗干扰能力比较分析  33-36
第4章 烘房温度控制系统硬件电路设计  36-54
  4.1 系统硬件控制模块结构  36-37
  4.2 温度检测电路的设计  37-40
    4.2.1 传感器DS18B20工作原理  37-38
    4.2.2 数据采集前端电路设计  38-39
    4.2.3 烘房内温度数据采集与转换  39-40
  4.3 STM32F103CB微处理器模块  40-44
    4.3.1 Cortex-M3内核原理  40-41
    4.3.2 STM32F103CB内部结构  41-43
    4.3.3 STM32F103CB最小系统  43-44
  4.4 TFT_LCD模块电路设计  44-45
    4.4.1 TFT_LCD模块  44
    4.4.2 TFT_LCD显示电路  44-45
  4.5 电加热模块电路设计  45-47
    4.5.1 固态继电器控制的工作原理  45-46
    4.5.2 电加热电路设计  46-47
  4.6 控制执行模块电路设计  47-49
    4.6.1 风机门控开度控制  47-48
    4.6.2 步进电机控制电路设计  48-49
  4.7 过压、过流、超温保护电路  49-50
    4.7.1 过压保护电路设计  49
    4.7.2 过流保护电路设计  49-50
    4.7.3 超温保护电路设计  50
  4.8 GPRS报警提示电路  50-51
    4.8.1 串口通信单元电路  50-51
    4.8.3 GPRS与URAT通信单元电路  51
  4.9 硬件抗干扰技术的设计  51-54
第5章 烘房温度自动控制系统软件设计  54-62
  5.1 系统软件架构描述  54-55
  5.2 烘房温度控制系统主程序的设计  55-56
  5.3 操作系统子任务工作流程  56-61
    5.3.1 温度采集子任务  57
    5.3.2 SD卡初始化、读写子任务  57-59
    5.3.3 模糊PID控制子任务  59
    5.3.4 两阶段烘烤执行子任务  59-60
    5.3.5 TFT_LCD显示子任务  60-61
  5.4 烘房自动控制系统软件抗干扰设计  61-62
第6章 试验结果与分析  62-64
  6.1 系统实时动态字符数据分析  62
  6.2 系统实时动态响应曲线分析  62-64
第7章 结论与建议  64-66
参考文献  66-70
附录一 模糊PID控制规则  70-72
附录二 控制系统主控硬件电路  72-74
致谢  74-76
发表论文及参加的课题  76

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化系统 > 自动控制、自动控制系统 > 模糊控制、模糊控制系统
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