基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和DSP的錫爐溫度控制系統(tǒng)的研究

　　現(xiàn)代電子元件裝配要求錫爐焊接溫度更加穩(wěn)定，對(duì)錫爐高溫控制的難度也就增強(qiáng)。隨著預(yù)測(cè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用研究不斷深入，由于其運(yùn)算數(shù)據(jù)量大、收斂比較慢的特點(diǎn)，使其應(yīng)用受到了硬件上的限制，實(shí)際應(yīng)用并不多。但DSP高速數(shù)字信號(hào)處理速度越來越快，在線實(shí)時(shí)控制能力越來越強(qiáng)，在結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用方面效果顯著。本文采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測(cè)能力對(duì)溫度參數(shù)進(jìn)行學(xué)習(xí)和調(diào)整，同時(shí)結(jié)合數(shù)字信號(hào)處理（DSP）模塊進(jìn)行控制和運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)算處理控制，最終實(shí)現(xiàn)了錫爐溫度控制系統(tǒng)在線實(shí)時(shí)補(bǔ)償加熱控制。

　　1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制結(jié)構(gòu)

　　神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)事件預(yù)測(cè)是一種很好的數(shù)據(jù)處理技術(shù)，在學(xué)習(xí)過程中發(fā)現(xiàn)規(guī)則，通過預(yù)測(cè)和DSP運(yùn)算處理控制相結(jié)合來學(xué)習(xí)及調(diào)節(jié)控制函數(shù)的參數(shù)。基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和DSP的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。控制系統(tǒng)由預(yù)測(cè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和DSP數(shù)字信號(hào)處理運(yùn)算控制兩部分構(gòu)成，這兩部分有共同的輸入信號(hào)，即網(wǎng)絡(luò)溫度誤差e。預(yù)測(cè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)采樣溫度樣本和預(yù)先設(shè)置樣本進(jìn)行預(yù)測(cè)和*估，預(yù)測(cè)值經(jīng)過外部環(huán)境控制的影響因子進(jìn)行適當(dāng)校正后，進(jìn)行預(yù)測(cè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)重和控制函數(shù)的參數(shù)調(diào)節(jié)。DSP運(yùn)算處理控制中心根據(jù)控制溫度誤差和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)值，通過高速數(shù)據(jù)運(yùn)算處理，接收和發(fā)布各種控制命令并加以執(zhí)行，包括實(shí)時(shí)溫度顯示、溫度控制輸出、溫度超越限值報(bào)警等輸入和輸出參數(shù)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)是控制模塊的對(duì)象，溫度控制系統(tǒng)的最終對(duì)象為加熱器。因此，錫爐溫度控制系統(tǒng)以溫度的變化作為整個(gè)控制核心，它由溫度傳感器來轉(zhuǎn)化，經(jīng)過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測(cè)和數(shù)字信號(hào)處理（DSP）進(jìn)行有效的控制。

　　該控制系統(tǒng)的預(yù)測(cè)采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，其特點(diǎn)是只有前后相鄰兩層之間的神經(jīng)元相互連接，輸出神經(jīng)元輸出預(yù)測(cè)值，預(yù)測(cè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分為3層，即為輸入層、隱層和輸出層。輸入層負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)，不進(jìn)行運(yùn)算。其中x0激活函數(shù)的初始值，位于[-1，1]之間的隨機(jī)數(shù)，而x1是網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的溫度誤差e，x2和x3分別為加熱器的電壓電流檢測(cè)值。

　　實(shí)際應(yīng)用中wij為各層連接權(quán)值，針對(duì)激活函數(shù)f(net)的控制參數(shù)net進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)收斂范圍的控制，從而有利于保證整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

　　因此，通過算法的實(shí)驗(yàn)，利用自適應(yīng)因子(1-β)對(duì)權(quán)修改量按需進(jìn)行彈性的變化，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)收斂速度的學(xué)習(xí)。

　　2 DSP系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

　　錫爐加熱溫度控制系統(tǒng)對(duì)加熱控制關(guān)鍵件可實(shí)行PID控制，從而準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)錫爐溫度變化的溫度加熱補(bǔ)償控制，增加熱效率的有效應(yīng)用，并有利于提高電能的利用率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能，同時(shí)提高了電路板焊接的合格率。系統(tǒng)構(gòu)成包括DSP處理、溫度傳感檢測(cè)、電壓電流檢測(cè)、溫度顯示、溫度鍵盤參數(shù)設(shè)置、溫度報(bào)警、控制輸出等功能。系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單、顯示直觀、控制方便?？刂葡到y(tǒng)的核心設(shè)計(jì)是DSP數(shù)字信號(hào)運(yùn)算處理控制器。由DSP芯片TMS320FL2407做為控制中心，輔助外圍電路來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制。

　　2.1 系統(tǒng)硬件電路

　　控制系統(tǒng)主要采用DS1002型系統(tǒng)板及其多路I/O板，系統(tǒng)主要由數(shù)字信號(hào)處理芯片TMS320FL2407中心及相應(yīng)接口外圍電路組成, 包括加熱器件可控驅(qū)動(dòng)電路、溫度采集A /D 電路、溫度設(shè)定鍵盤輸入、溫度顯示電路和報(bào)警電路等。實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)硬件電路原理如圖3所示。

　　(1)DSP數(shù)字處理電路。對(duì)接收溫度傳感檢測(cè)而轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理，同時(shí)完成上位機(jī)預(yù)測(cè)狀態(tài)的處理，輸出執(zhí)行控制信號(hào)；

　　(2)加熱器件可控驅(qū)動(dòng)電路?？刂萍訜崞鞯膱?zhí)行機(jī)構(gòu)可以采用傳統(tǒng)的繼電器類和可控硅類型，但其控制簡(jiǎn)單、性能差。本加熱溫度控制系統(tǒng)采用PID方式，模擬量自動(dòng)調(diào)節(jié)電壓相角，可以進(jìn)行溫度的連續(xù)控制，解決溫度控制的精度和穩(wěn)定度要求，實(shí)現(xiàn)控制溫度精度達(dá)到±2 ℃。根據(jù)溫度傳感器提供感應(yīng)回饋的采樣數(shù)據(jù)，DSP輸出的PWM控制信號(hào)，控制加熱器的執(zhí)行元件，達(dá)到在線實(shí)時(shí)控制錫爐溫度的目的；

　　(3)溫度、電壓和電流采集A/D電路。系統(tǒng)在初始化工作時(shí)，不斷地通過傳感器采集當(dāng)前的錫爐實(shí)時(shí)溫度。系統(tǒng)板通過I/O板將溫度傳感器采集的模擬數(shù)據(jù)和溫度誤差完成A/D轉(zhuǎn)換后，由高速通路送入DSP控制中心，同時(shí)結(jié)合電壓電流數(shù)據(jù)，將采集數(shù)據(jù)與比較寄存器內(nèi)的設(shè)定值進(jìn)行比較運(yùn)算，經(jīng)DSP高速運(yùn)算處理后進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，進(jìn)入控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)；

　　(4)溫度設(shè)定鍵盤輸入。系統(tǒng)的溫度控制參數(shù)的輸入由8個(gè)輸入輕觸按鍵通過串口與DSP系統(tǒng)板之間的通信實(shí)現(xiàn)；

　　(5)顯示電路和報(bào)警電路。顯示電路組成單元由液晶模塊板、指示發(fā)光二極管和相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成。液晶模塊板顯示系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，主要由大字體顯示錫爐實(shí)時(shí)溫度，同時(shí)以小字體顯示當(dāng)前加熱器的電壓和電流。正常工作時(shí)，電源指示二極管發(fā)紅光，工作指示二極管發(fā)綠光；當(dāng)工作指示二極管發(fā)黃光時(shí)，預(yù)示系統(tǒng)電路出現(xiàn)故障，錫爐溫度有可能出現(xiàn)異常，需要斷開控制系統(tǒng)維修或重新啟動(dòng)系統(tǒng)及復(fù)位。同時(shí)給出報(bào)警提示聲音，DSP控制輸出端送出斷開可硅電路的控制電壓，停止加熱器繼續(xù)工作。報(bào)警電路有喇叭及其驅(qū)動(dòng)放大電路組成，報(bào)警聲音由軟件編程來實(shí)現(xiàn)。

　　2.2 系統(tǒng)軟件

　　在系統(tǒng)芯片中選用TMS320LF2407，通過上位機(jī)把C語言開發(fā)的算法經(jīng)編譯連接后，轉(zhuǎn)換為DSP能接收的目標(biāo)文件格式（COFF），加載到DSP進(jìn)行執(zhí)行控制。圖4為控制系統(tǒng)軟件流程圖。采集溫度傳感器的模擬參數(shù)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，用C語言編寫的控制算法通過CL30開發(fā)工具進(jìn)行編譯，傳到DSP系統(tǒng)板加以運(yùn)算控制，獲得控制驅(qū)動(dòng)信號(hào)。在DSP控制中心，對(duì)基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)算法的過程中，上位PC機(jī)通過RAM進(jìn)行狀態(tài)信息的捕捉，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)的參數(shù)性能，為溫度控制系統(tǒng)的控制算法提供有力分析依據(jù)，完成系統(tǒng)的調(diào)試。

　　控制系統(tǒng)經(jīng)過系統(tǒng)初始化后開中斷，并進(jìn)行各種功能檢測(cè)。溫度參數(shù)采樣進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，送入DSP運(yùn)算中心進(jìn)行數(shù)字處理，輸出控制信號(hào)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換用以驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。定時(shí)器T0作為采樣設(shè)定周期，每個(gè)采樣周期完成一次采樣和運(yùn)算分析處理，直到預(yù)測(cè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)完成，退出中斷而停止。

　　3 系統(tǒng)應(yīng)用結(jié)果

　　在電路中安裝溫度、電壓和電流檢測(cè)裝置，經(jīng)過電路實(shí)驗(yàn)，在DSP中植入預(yù)測(cè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的結(jié)果，從而實(shí)現(xiàn)溫度PID控制，其溫度控制曲線如圖5所示。

　　將預(yù)測(cè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和DSP高速運(yùn)算處理相結(jié)合的方法應(yīng)用到錫爐的溫度PID控制系統(tǒng)中，大大提高了控制系統(tǒng)溫度的穩(wěn)定性和精度，為電子元件在裝配過程中提供了可靠的焊接溫度，降低了因裝接高溫而損壞元件和電路板的可能性。