基于FPGA九点控制器的温度控制系统

论文摘要

九点控制器是一种新型智能控制器,是根据系统的偏差和偏差变化率进行控制的,不必预知控制系统的精确数学模型,具有结构简单、灵活方便、易于实现、适应性强等特点。目前,片上控制器设计正在成为芯片应用的新热点。在控制器实现方式上,微处理器由于参与了代码的运行控制,相对运算速度不够快、复位不够可靠、有产生程序计数器跑飞的风险,而FPGA技术的应用解决了这些问题。以FPGA为开发平台,设计九点控制器,实现智能控制器算法的芯片化,具有现实意义。论文针对炉温控制对象的模型,研究FPGA开发技术,提出在FPGA设计温控系统中采用九点控制器的智能算法实现系统的温度控制设计。依据九点控制器的控制策略,将系统偏差、偏差变化率及控制域的工况形成一种逻辑关联的控制关系。FPGA在算法设计中,引入四个辅助变量,降低了复杂逻辑判断过程。以高温加热炉为控制对象,在分析了对象数学模型特征的基础上,忽略三个无关工况,只选取六个工况作为有效参数,使FPGA顶层电路结构得以优化。将工况输出K0引入偏差的动态控制,有效消除了输出波动,改善了控制器的稳态性能。在控制系统构成上,以Altera的Cyclone系列FPGA为核心部件,应用QuartusⅡ图形输入与Verilog HDL相结合进行FPGA设计;以K型热电偶为测温传感器、SBWR温度变送器为变送模块、MAX197为12位AD转换器件实现对温度信号的测量和处理;通过PWM方式实现对GJ10-W交流固态继电器的通断控制,从而调节加热炉的加热功率,实现对被控对象的温度控制;设计了实时温度数据的LED显示及键盘输入的人机交互功能:扩展了基于RS232的串口通讯功能。实验证明,算法改进后,在设定值为300℃的条件下,系统输出无超调,能够稳定在期望工况内,上升时间和控制精度均得到改善,满足系统设计要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 选题背景及意义
• 1.2 FPGA应用现状及发展趋势
• 1.3 论文结构
• 2 系统总体设计
• 2.1 设计目标
• 2.2 温度控制系统组成方案
• 2.3 FPGA开发流程
• 2.3.1 FPGA选型
• 2.3.2 FPGA开发流程
• 3 九点控制器理论基础与设计
• 3.1 九点控制器的基本原理
• 3.2 九点控制器算法改进
• 3.2.1 问题的提出
• 3.2.2 九点控制器参数化简
• 3.3 基于FPGA的九点控制器设计
• 3.4 仿真控制与分析
• 3.4.1 仿真控制分析
• 3.4.2 控制算法总结
• 4 输入输出及通讯
• 4.1 温度检测模块
• 4.1.1 温度传感器
• 4.1.2 温度变送器
• 4.1.3 12位A/D转换设计
• 4.2 控制输出模块
• 4.2.1 控制部件—GJ10-W固态继电器
• 4.2.2 PWM的设计
• 4.3 通讯模块
• 5 系统仿真与实验测试
• 5.1 参数整定与仿真
• 5.2 实验测试与分析
• 结论
• 参考文献
• 附录A 九点控制器温控系统的FPGA顶层原理图
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢