基于灰色预测模糊的人造水晶温度控制器设计

摘要

近年来,随着通讯技术的高度发展,高质量的压电水晶受到市场的青睐,这就给人造水晶工艺及控制设备提出新的、更高的要求。人造水晶的生长始终是在高温高压下进行,在这一过程中,温度工艺曲线直接决定晶体的质量,即晶体品质因素(Q值)的高低。
　　本文根据国内外人造水晶生产温度控制技术的发展,将预测控制和模糊控制相结合,并应用目前的模拟电子技术和嵌入式技术,针对非线性、大时滞、大惯性的复杂的人造水晶生产的温度控制器进行研究和实现。具体进行了以下几方面的工作:首先依据人造水晶生产现场的工作环境,设计了以Silicon Laboratories公司的C8051F系列处理器为核心的温度控制器,简化了系统硬件外围电路。根据温度采样的具体要求,设计了温度采集调理与变送模块。选取工业温度控制常用的K型热电偶作为温度传感器,围绕变送芯片XTR105设计了温度-电流变送器。将温度传感器输出的电压变化量转换为电流信号,解决了电压信号在长距离传输中损耗较大的问题。利用集成温度传感器AD590实现了热电偶测温过程中冷端温度自动补偿。控制器与上位机之间采用RS-485通信接口,实现可靠的长距离通讯。同时,针对硬件可靠性设计中应注意的细节进行了简述。然后概述了灰色预测系统的控制方法和模糊控制方法、分析了预测控制和模糊控制相结合的必然性和重要性,详细介绍了灰色建模和模糊控制的知识。以灰色预测模糊控制为基础,将该方法应用于具有非线性、大时滞、大惯性的系统中进行仿真与分析。仿真结果表明,灰色预测模糊控制的抗干扰能力要比常规PID的控制效果好,与传统PID控制相比,该模糊预测控制的控制精度更高,波动更小,控制效果得到明显改善,对大时滞系统具有较好的控制作用,适用于人造水晶生产过程这类大时滞、非线性的温度控制器。最后针对实际生产中所需要的控制要求与条件设计控制系统软件框架。程序设计采用模块化设计思想,程序功能清晰便于修改与调整,而且非常方便系统软件的升级和功能的添加。

目录

摘要

ABSTRACT

第1章 绪论

1.1 课题来源及研究意义

1.2 相关技术国内外研究现状

1.2.1 人造水晶生产温度控制算法现状

1.2.2 人造水晶生产温度控制器硬件实现现状

1.3 灰色预测控制与模糊控制基本原理

1.3.1 灰色系统理论简述

1.3.2 灰色预测控制系统结构

1.3.3 模糊控制理论简述

1.3.4 模糊控制系统基本原理与应用

1.4 本文主要工作

第2章 人造水晶生产温度控制器硬件设计

2.1 人造水晶生产工艺流程

2.2 控制器总体设计

2.3 微处理器及外围模块设计

2.3.1 微型处理器选型

2.3.2 电压变换模块

2.3.3 看门狗与电源监控模块

2.3.4 键盘与LED数码管显示模块

2.3.5 串口通信模块

2.4 温度采样输入与控制输出模块设计

2.4.1 温度采样输入模块组成结构

2.4.2 温度传感器的选择

2.4.3 变送器模块设计

2.4.4 数据采集与A/D转换模块设计

2.4.5 控制电路设计

2.5 硬件可靠性设计

2.6 本章小结

第3章 人造水晶生产温度控制器的控制策略设计

3.1 控制策略的选择

3.2 灰色预测模糊控制器设计

3.3 灰色预测模糊控制在人造水晶生产中的应用

3.3.1 人造水晶生产温度控制算法的组成

3.3.2 灰色预测模糊控制器应用

3.3.3 仿真实例

3.4 本章小结

第4章 人造水晶生产温度控制器软件设计

4.1 控制器功能概述及软件结构

4.2 软功能模块件设计

4.2.1 系统初始化

4.2.2 温度采集与控制算法设计

4.2.3 串口通信

4.2.4 中断子程序

4.3 本章小结

第5章 全文总结与展望

5.1 全文总结

5.2 前景展望

参考文献

作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢