回流焊温度控制系统的建模与实现

论文摘要

回流焊炉属于表面贴装技术（SMT）中的一套重要的焊接设备,它是将温度提升至焊锡融化的温度后,将贴片元器件固化在PCB板的焊盘上,从而实现了印制板和元器件的电气连接。其工作时,必须保证温度曲线按照贴片元件焊接时的标准温度曲线进行控制,控制的要求是温度上升的速度和稳定的温度值,控制温度值的精确性和平稳性是保证生产良好产品的关键。本文在已有回流焊简易加工设备的基础上,采用工作效率高、运算速度快的ATmega 128（L）微处理器作为控制器的核心,采用K型热电偶作为前端温度采样工具,配合转换精度高并带有冷端补偿的A/D温度转换芯片MAX6675,将采集到的现场参数送到微处理器中,由单片机根据控制算法作出控制决策,送到执行单元--固态继电器（MGR-1D4810）去控制电阻丝的功率。整套监控系统可靠性高、操作简单、易于扩展,便于升级和改造。为了实现精确的控制,需要建立该回流焊炉的数学模型,从而在该模型的基础上完成控制器的设计。精确模型的获得可以从热力学的角度建立,得到的模型有利于系统分析,便于回流焊设备的改造,不过模型的建立需要了解工艺过程,建立过程复杂并且实用性不强；也可以通过实验法建立,借助MATLAB等辅助工具使得数学建模过程变得简单有效。MATLAB在其多年的发展变化中,形成了很多解决实际问题的方法,用MATLAB进行建模,可以解决从数据获取到模型建立需要经过反复探索和计算的劣势。于是,在复杂的控制系统的设计过程中,设计者只需要先获得对象的数据,然后对数据进行检验,再选择模型结构、参数估计和模型检验后,通过系统辨识理论就可以获得对象的数学模型。在用MATLAB进行辨识的过程中,只要保证采集数据的准确性和可靠性,根据经验选定要辨识系统的结构,最后通过MATLAB计算出模型的参数,最终得到实用性强、可靠性高的数学模型。本文以回流焊为研究背景,对现阶段温度系统建模的研究现状进行概述和分析后,指出需要解决的问题；结合MATLAB工具软件,用免机理分析建模法和辨识工具箱对回流焊炉进行了数学建模。本文首先介绍了免机理分析建模法的基本理论思想,给出免机理分析建模的实现过程和快速解决方案；然后对系统建模所需要的基础数据作出结构定义,并根据系统的需求设计制作数据采集电路的硬件部分和软件部分；介绍了大林算法的基本原理,以及如何用大林算法设计与该模型相吻合的数字控制器；最后用仿真和实验的方法验证该模型和控制器的有效性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 回流焊系统简介
• 1.3 系统建模的研究现状
• 1.4 论文研究的意义
• 1.5 论文的主要工作
• 1.6 论文的结构安排
• 第2章 回流焊计算机控制系统的总体设计
• 2.1 引言
• 2.2 无铅回流焊结构
• 2.3 回流焊计算机控制系统
• 2.3.1 回流焊温度系统的几种组成方法
• 2.3.2 方案选择
• 2.3.3 结构设计
• 2.4 设备选型
• 2.5 小结
• 第3章 温控系统的模型建立
• 3.1 引言
• 3.2 回流焊炉的模型结构
• 3.3 免机理分析建模法
• 3.3.1 基本思想
• 3.3.2 传递函数的导出
• 3.3.3 传递函数的MATLAB实现
• 3.3.4 M文件的调用
• 3.4 MATLAB在辨识中的应用
• 3.4.1 辨识工具箱介绍
• 3.4.2 使用概述
• 3.5 辨识前的数据准备
• 3.5.1 免机理分析建模的数据准备
• 3.5.2 采集到的数据预处理
• 3.5.3 辨识工具箱的数据准备
• 3.5.4 辨识数据通信格式的定义
• 3.6 算法介绍
• 3.6.1 大林（Dahlin）算法概述
• 3.6.2 数字控制器的MATLAB实现
• 3.6.3 大林算法的实现
• 3.7 小结
• 第4章 控制系统的设计实现
• 4.1 引言
• 4.2 硬件整体设计
• 4.3 硬件连接管脚分配
• 4.4 模拟量输入
• 4.4.1 测温传感器
• 4.4.2 温度转换器的选择
• 4.5 处理器的选取
• 4.6 稳压电源的设计
• 4.7 复位电路设计
• 4.8 通信结构的介绍
• 4.8.1 下位机通信芯片的选择
• 4.8.2 通讯上位机串口卡的配置
• 4.8.3 芯片和串口通讯卡的连接
• 4.9 继电器的选择和使用
• 4.9.1 固态继电器（SSR）
• 4.9.2 电磁继电器
• 4.10 采集电路板的设计
• 4.10.1 电路板的接地问题
• 4.10.2 PCB板中滤波电容
• 4.11 Altium Designer的使用
• 4.12 小结
• 第5章 控制系统的软件设计
• 5.1 引言
• 5.2 下位机软件总体设计
• 5.3 温度转换程序设计
• 5.4 数据采集的滤波算法
• 5.5 串口通讯程序
• 5.6 通信设计
• 5.6.1 发送命令的定义
• 5.6.2 返回响应的定义
• 5.7 LCD显示
• 5.8 采样参数
• 5.8.1 采样频率的原则
• 5.8.2 PWM周期的选取
• 5.8.3 PWM的单片机实现
• 5.9 上位机软件设计
• 5.9.1 前面板设计
• 5.9.2 后台运行程序设计
• 5.10 小结
• 第6章 实验结果分析
• 6.1 引言
• 6.2 系统建模的实现
• 6.2.1 传递函数的求取
• 6.2.2 控制器表达式的求取
• 6.2.3 Simulink仿真
• 6.2.4 用辨识工具箱分析系统
• 6.3 模型的分析与改进
• 6.4 控制器设计的实现
• 6.5 实际控制效果
• 6.6 实测分析探讨
• 6.7 小结
• 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1:硬件PCB图
• 附录2:硬件原理图
• 攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果