分类号Q81密级UDC学位论文自动控制微波加热器的研制（题名和副题名）田臣礼（作者姓名）**教师姓名庞**教授博导电子科技大学成都（职务、职称、学位、单位名称及地址）申请学位级别硕士专业名称生物医学工程论文提交日期2005.4论文答辩日期2005.6学位授予单位和日期电子科技大学答辩委员会主席教授评阅人2005年4月7日注1注明《国际十进分类法UDC》的类号I【摘要】[目的]在生物医学工程领域普遍采用915MHz的微波来进行加热药品或者其他的溶液试剂，而在家庭里也有我们所熟悉的微波炉，但是这些加热设备存在着热转换效率低，加热时间长，实时性差，安全隐患不能得到良好的保障等若干缺点，因此经过大量的实验研究，我们发现在更高频率2450～2460MHz的这段微波有极好的加热特性，因此课题的目的在于研制出一种新型的加热设备，加强能源利用率，提高控制精度，使用红外传感器来检测温度并实现温度的自动控制，来满足生物医学工程领域，实验室科研，医院，化工和厂矿的需求[方法及创新]○1研制出频率在2450MHz～2460MHz的自动控制微波加热器，为了使微波从微波发生源以最低损耗最高效率的传输至加热负载终端，于是根据电磁场电磁波传播理论，专门设计出适用于传播微波的矩形波导，同时设计出合理的加热腔构造和尺寸，使微波能够在加热腔里激励起更多的谐振模式，使受热物体能够得到最快最有效的加热。
○2基于单片机为控制核心的控制系统设计。使加热器能实时显示受热物体的温度，设计的具有变参数自整定智能数字增量式PID算法能够使控制系统拥有良好的跟踪性，降低系统的超调量，保证系统的稳定性，在前向数据采集通道，本设计采用的是非接触式红外温度传感器，满足系统设计所需要的控制精度和测温范围。[结论与结果]本课题所设计的自动控制微波加热器，在模拟仿真的时候，可以使5升的水，在一分钟内将温度从27摄氏度升高到100摄氏度，这足以符合我们事先所设定好的技术指标，同时设计出的加热器具有轻巧，便捷，易于加工等特点，因此如果此加热器投入批量生产，必定会有广阔的消费前景。[讨论]对比与传统的经典控制理论，本课题设计的是参数可自调的智能PID控制，取得了比较好的控制效果，这就给我们提供了一个新的控制思想，虽然经典控制与智能控制各有优点，但在像温度控制这样的加热过程，它的发展趋势必然是将智能控制与传统控制相结合的智能PID控制策略如自适应模糊PID，专家PID等。因此微波加热并且辅助优良的控制策略，必能够使物体得到良好的加热效果，秉承微波加热的整体加热，物料内外温差小，温度分布均匀，加热温升迅速，预热时间短，节能等优点，我们相信不远的将来微波必将成为一种清洁，干净有效的能源。
【关键词】微波,温度控制,智能PIDIIAbstract[Objective]Inthebiomedicalengineeringdomain,themicrowaveof915MHzwasuniversallyusedtoheatwateranddrug,othermedicamaterialsbysomeappliancessuchasmicrowaveoven.However,thetraditionalmethodhasalotofshortcomings,forexample,theefficiencyoftheheattransformationoftheseappliancesisingenerallowerandtheheatingperiodislonger,etc.Throughalargenumberofexperimentalresearches,wefindthatthemicrowaveswithhighfrequenciesof2450-2460MHzshavehigherefficiencyofthermaltransformation.Inthispaperwewilldesignanewinstrumenttoheatthewaterandothermaterialsbyusingthemicrowaveswithabovefrequencies.Inthisappliancethetemperaturesofwaterormaterialscanbepredictedandmeasuredbyinfraredsensor,allprocessesandprogramsareautomaticallycontrolled.Thiskindofheatingappliancescouldbeappliedinbiomedicalengineering,scientificresearch,hospital,chemicalindustryandfactoriesandmines.[Methods] The automatic control heater of the microwave of 2450-2460MHzs is developed. In order to make this microwave can propagate effectively to the heater wave from the source of microwave we design the rectangular wave guide according to the theory of propagation of microwave. The construction and the size of cavity of the heater is newly designed for a higher ratio of transformation between the microwave and thermal energies by utilizing a control system with a microchip. The intelligent numeral increment type PID's algorithm is used in the automatic control system for this heater. Thus all possesses can be smoothly gone on.[Results] Through analog simulation by Matlab, the temperature of the water with 5 liters can raise to 100 oC from 27 oC in one minute. This heater is convenient and automatic, and has higher efficiency. Therefore we predict that it has extensively applications in biomedical engineering, scientific research, hospital, chemical industry and factories and mines.【Key Words】 microwave temperature control intelligent PIDIII目录 摘要……………………………………………………………… Abstract………………………………………………………… 第一章 引言……………………………………………………1 1.1 课题的目的与意义…………………………………………………………1 1.2 微波加热温度控制的现状…………………………………………………2 1.3 论文各章主要讨论的问题…………………………………………………2 第二章 微波加热原理与特点…………………………………4 2.1 什么是微波…………………………………………………………………4 2.2 微波加热原理………………………………………………………………4 2.3 微波加热的特点……………………………………………………………5 第三章 自动控制加热器系统组成及结构尺寸设计…………7 3.1 系统的组成…………………………………………………………………7 3.2 微波功率源…………………………………………………………………73.2.1 连续波磁控管的结构和工作原理……………………………… 83.2.2 磁控管的振荡模式…………………………………………………8 3.2.3 连续波磁控管的特性控管的结构和工作原理……………………11 3.2.4 磁控管的选择………………………………………………………11 3.3 供电电源……………………………………………………………………123.3.1 供电方式………………………………………………………… 123.3.2 微波功率调节……………………………………………………14 3.4 微波的传输系统……………………………………………………………14IV3.4.1 传输系统设计要求……………………………………………………14 3.4.2 传输系统组成…………………………………………………………15 3.4.2.1 三端环行器……………………………………………………15 3.4.2.2 波导……………………………………………………………15 3.4.2.2.1 波导系统的传输特性……………………………16 3.4.2.2.2 矩形波导…………………………………………16 3.4.2.2.3 波导激励和耦合输出……………………………20 3.5 加热器的设计…………………………………………………………………23 3.5.1 加热器模型示意图……………………………………………………23 3.5.2 加热器输入信号的频率范围…………………………………………24.
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