基于STM32的模糊PID温度控制系统

第一章绪论 (1)

1.1 课题研究的背景及意义 (1)

1.2 国内外电阻炉温控技术的发展现状 (1)

1.3 论文的主要结构安排 (3)

第二章温度控制系统的总方案及选型 (5)

2.1 温控系统的设计方案 (5)

2.2 硬件器件选型 (6)

2.2.1 实验室箱式电阻炉 (6)

2.2.2 主控模块STM32 (6)

2.2.3 温度测量元件K型热电偶 (7)

2.2.4 数字转换芯片MAX6675 (8)

2.2.5 执行控温元件固态继电器 (8)

2.2.6 串口通信模块选型 (9)

第三章温度控制系统的硬件设计 (11)

3.1 主控模块的设计 (11)

3.1.1 STM32F103ZET6引脚分布 (11)

3.1.2 STM32F103ZET6电源电路 (12)

3.1.3 STM32F103ZET6复位电路 (13)

3.1.4 STM32F103ZET6的JTAG接口 (14)

3.2 温度测量电路设计 (14)

3.2.1 热电偶的测温原理 (14)

3.2.2 MAX6675的信号转换原理 (17)

3.3 温度控制电路设计 (18)

3.4 串口通信模块设计 (19)

3.5 硬件系统的搭建 (20)

第四章模糊PID温度控制算法的设计 (23)

4.1 PID控制基本原理 (24)

4.2 模糊控制基本原理 (25)

4.3 模糊PID控制器的设计 (29)

4.3.1 模糊PID的基本原理 (29)

4.3.2 模糊PID参数自整定 (30)

4.3.3 确定隶属度函数 (30)

4.3.4 模糊控制规则的设计 (31)

4.4 基于Simulink的系统仿真 (32)

4.4.1 基于Simulink的模糊系统搭建 (32)

4.4.2 创建控制器结构并仿真 (34)

第五章温度控制系统的软件设计 (37)

5.1 软件开发环境及工具 (37)

5.2 软件设计 (37)

5.2.1 程序总体流程设计 (38)

5.2.2 温度采集程序 (39)

5.2.3 温度控制程序 (40)

5.2.4 显示屏程序 (42)

5.3 软件的调试 (43)

结论 (45)

参考文献 (47)

攻读学位期间的研究成果 (51)

致谢 (53)

学位论文独创性声明、学位论文知识产权权属声明 (55)

第一章绪论

1.1 课题研究的背景及意义

温度测控和人类生活以及工农业生产都有密切的关联，它涉及到很多行业[1]。对温度精确地测量和控制，是生产高品质、高安全性能、低功耗的产品十分重要的环节。在我们生活中也到处可见温度控制的产品，比如电磁炉、电热壶、电饭锅、电冰箱等等，由此可见温度控制应用的广泛性和多样性。所以提高温度控制的精度和稳定性也变得越来越重要，对温度测控技术的研究是很有必要的。

但是被控对象的越来越复杂，这也导致了高效的温度控制系统更加难以设计。电阻炉作为过程控制的一个典型，其本身具有大惯性、大滞后、非线性、难以建立确切的数学模型等特点[2]。传统的开关控制方式需要人工操作，且控制方式粗糙，无法随时跟踪温度的变化，使得控制不精确、超调大、系统不稳定[3]。选择常规的PID进行控制时，由于其参数恒定，虽然可以很好的控制确定的温度系统，但对于时变性、大惯性的温控系统，这种控制方法无法实现及时跟踪的功能，以至于效果依然不理想。

由此可见，研究一种控制精度高、稳态性能高、控制方式智能的温度控制方法来增强工业生产中的温度控制效果、提高控制产业的科技水平、节约生产资金、减少工作强度以及增加企业的经济效益等，具有很大的现实意义[4]。

1.2 国内外电阻炉温控技术的发展现状

在工业生产场所很多设备需要加热，而其中使用最普遍的就是电阻炉，它在工业中具有十分重要的应用[5]。国内外在电阻炉的温度控制技术方面的研究不断深入，其温控技术飞速发展，技术水平显著提升，涵盖范围也越来越广。国外对电阻炉的控温技术的研究已经比较成熟，其发展历程可概括为：

(1) 经典控制阶段

经典控制阶段从20世纪40年代开始，持续了二十几年。在这期间，主要用来实现温控的是一些经典的控制理论，对生产过程中的温度进行检测的检测仪器也都比较一般。控制策略以单回路结构的PID为主，只可以实现单一的控制，这个阶段的控制系统容易不稳定[6]。

(2) 现代控制阶段

到了六十到七十年代，这一阶段以现代控制理论为主，并且出现了计算机和一些高端的设备，可对较为复杂的模型进行控制。对炉温的控制技术出现了非线性控制、系统辨识、改进PID等方法，控制策略较先进，对克服系统的干扰性和时变性等不确定影响都有所突破，控制质量有了大幅度提高。如美国曾在这个时期，针对冶