基于DSP模糊PID恒温培养箱温度控制系统的研究

论文摘要

便携式恒温培养箱已经成为现代医学、医药、生化、农业、食品及工矿等行业实验室中的重要实验设备。然而,目前很多便携式恒温培养箱控制系统还是采用传统的模拟控制的方法,这种控制方法的控制速度慢,控制超调大,精度不够高,只能应用于对精度要求不高的场合。另外,普遍采用PID控制算法,由于温度信号具延迟滞后性、模型不确定性等特点,PID控制效果难以达到改善系统的动静态特性和提高精度的控制目标。因此,急需设计出一种能够改善系统控制要求的新型温控装置,为便携式恒温培养箱的发展提供技术方案。完成的主要工作如下：1.在了解了便携式恒温培养箱温控系统的基础上,对该温控系统的整体方案进行分析,并简化控制模型,得出了控制系统的传递函数。2.针对温控对象的不确定性和难以控制的特点,对系统的控制算法进行研究。在研究了普通PID控制算法和模糊控制算法的基础上,详细研究了自适应模糊PID控制器的设计原理。并通过SIMULINK软件对控制器进行了辅助设计和仿真,设计出了自适应模糊PID控制器,实现了PID参数的在线自整定。3.对该温控系统进行了硬件和软件设计。硬件包括：DSP主控板、传感器模块、继电器模块、TEC模块、液晶显示模块、按键板、散热模块和电源。软件包括：针对温控的时变非线性和精度低的缺点,所提出的自适应模糊PID算法；基于TMS320LF2407A为平台的温度检测、读取、显示及RS232连接上位机等程序；并给出了系统各部分的电路设计原理图及相应的设计程序。4.搭建了实验平台,对所设计的控制器硬件系统和软件系统进行实验研究。实验结果表明它可大幅度改善系统的动静态特征,并提高了控制精度和系统响应速度。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景和意义
• 1.2 国内外恒温培养箱发展及研究现状
• 1.2.1 国外恒温培养箱的发展及研究现状
• 1.2.2 国内恒温培养箱的发展及研究现状
• 1.3 存在的问题及选题意义
• 1.3.1 存在的问题
• 1.3.2 选题意义
• 1.4 课题的主要工作及研究方法
• 1.4.1 主要研究内容
• 1.4.2 技术路线
• 1.5 本章小结
• 第二章 系统的整体设计
• 2.1 便携式恒温培养箱温度控制系统的组成
• 2.2 系统设计方案分析
• 2.2.1 现有产品的性能指标
• 2.2.2 改进型系统预期指标
• 2.2.3 系统硬件设计方案分析
• 2.2.4 系统软件设计方案分析
• 2.3 系统总体结构
• 2.4 温控系统模型的建立
• 2.4.1 温控系统模型的简化
• 2.4.2 控制对象数学模型的建立
• 2.5 本章小结
• 第三章 系统控制算法的研究
• 3.1 模糊PID控制理论
• 3.2 数字PID控制
• 3.2.1 位置式PID控制算法
• 3.2.2 增量式PID控制算法
• 3.3 模糊控制原理
• 3.3.1 模糊控制基本原理
• 3.3.2 模糊控制系统
• 3.3.3 模糊控制器结构
• 3.4 模糊PID控制
• 3.5 自适应模糊PID控制器的设计及仿真
• 3.5.1 自适应模糊PID控制器模型的建立
• 3.5.2 自适应模糊PID控制器模型仿真
• 3.6 本章小结
• 第四章 温控系统硬件设计
• 4.1 温度控制总体设计方案
• 4.2 TMS320LF2407A主控板设计
• 4.2.1 TMS320LF2407A的结构特点
• 4.2.2 晶体振荡电路
• 4.2.3 外部RAM扩展电路
• 4.2.4 电源设计电路
• 4.3 数字温度传感器DS18820
• 4.3.1 DS18820的基本特性
• 4.3.2 DS18820与DSP的硬件连接
• 4.4 DSP产生PWM波的方式
• 4.5 控制电路设计
• 4.5.1 半导体制冷器原理
• 4.5.2 继电器控制电路设计
• 4.6 人机接口界面设计
• 4.6.1 按键电路的设计
• 4.6.2 液晶显示电路的设计
• 4.6.3 RS232串行通信电路
• 4.7 本章小结
• 第五章 温控系统软件设计
• 5.1 TMS320LF2407A开发软件简介
• 5.2 本系统主程序设计
• 5.3 DSP程序模块实现
• 5.3.1 程序初始化
• 5.3.2 接口程序
• 5.4 控制算法模块子程序设计
• 5.4.1 PID算法程序
• 5.4.2 自适应模糊PID算法程序
• 5.5 控制模块输出设计
• 5.6 本章小结
• 第六章 温控系统实验分析
• 6.1 实验样机设计
• 6.2 温度传感器标定
• 6.2.1 DS18B20标定
• 6.2.2 DS18B20标定数据分析
• 6.3 温度控制实验及实验结果分析
• 6.3.1 温度预定值设定实验
• 6.3.2 脉宽调制（PWM）输出实验
• 6.3.3 控制系统实验
• 6.4 本章小结
• 第七章 结论与建议
• 7.1 结论
• 7.2 创新点
• 7.3 后续研究建议
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 附录