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基于模糊PID算法的电阻炉温度控制系统设计与实现

2011-12-07 10:54
论恒
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  引言

 

  电加热炉是典型工业过程控制对象,其温度控制具有升温单向性,大惯性,纯滞后,时变性等特点,很难用数学方法建立精确的模型和确定参数。而PID控制因其成熟,容易实现,并具有可消除稳态误差的优点,在大多数情况下可以满足系统性能要求,但其性能取决于参数的整定情况。且快速性和超调量之间存在矛盾,使其不一定满足快速升温、超调小的技术要求。模糊控制在快速性和保持较小的超调量方面有着自身的优势,但其理论并不完善,算法复杂,控制过程会存在稳态误差。

  将模糊控制算法引入传统的加热炉控制系统构成智能模糊控制系统,利用模糊控制规则自适应在线修改PID参数,构成模糊自整定:PID控制系统,借此提高其控制效果。基于PID控制算法,以ADuC845单片机为主体,构成一个能处理较复杂数据和控制功能的智能控制器,使其既可作为独立的单片机控制系统,又可与微机配合构成两级控制系统。该控制器控制精度高,具有较高的灵活性和可靠性。

 

  2温度控制系统硬件设计

 

  该系统设计的硬件设计主要由单片机主控、前向通道、后向通道、人机接口和接口扩展等模块组成,如图l所示。由图1可见,以内含C52兼容单片机的ADuC845为控制核心.配有640KB的非易失RAM数据存储器、外扩键盘输人、320x240点阵的图形液晶显示器进行汉字、图形、曲线和数据显示,超温报警装置等外围电路;预留微型打印机接口,可以现场打印输出结果;预留RS232接口,能和PC机联机,将现场检测的数据传输至PC机来进一步处理、显示、打印和存档。

 

  

 

  电阻炉的温度先由热电偶温度传感器检测并转换成微弱的电压信号,温度变送器将此弱信号进行非线性校正及电压放大后,由单片机内部A/D转换器将其转换成数字量。此数字量经数字滤波、误差校正、标度变换、线性拟合、查表等处理后。一方面将炉窑温度经人机面板上的LCD显示:另一方面将该温度值与被控制值(由键盘输入的设定温度值)比较,根据其偏差值的大小,提供给控制算法进行运算,最后输出移相控制脉冲,放大后触发可控硅导通(即控制电阻炉平均功率)。达到控制电炉温度的目的。如果实际测得的温度值超过了该系统所要求的温度范围,单片机就向报警装置发出指令,系统进行报警。

  2.1系统主控模块

  系统主控模块电路如图2所示,它主要由CPU及数据存储器,晶体振荡器、复位电路、图形液晶显示器(LCD)及控制电路、微型打印机接口控制电路、实时日历时钟,热电偶信号处理电路等构成。这里,该系统设计可测量3点温度。传感器选择K型(镍铬-镍硅)热电偶,可用于从室温到1200°C的温度测量,测量范围宽,精度高。在温度测量范围内K型热电偶的输出热电势只有0~45.119mV,为了和ADuC845的A/D转换器相匹配,采用ACl226和1B51作为信号调理电路,由AC1226、1B51构成热电偶冷端温度补偿及信号调理器电路。当热端距测温仪表较远时,需利用热电偶匹配导线将冷端延长。CD4051为多路模拟开关,由ABC控制接通,当5~3接通时,输入接地,UO输出UOmin,用于零点校准;当4~3接通时,单片机1.25V稳定参考电压Uref,再经电阻R1、R2分压,得到毫伏级参考输入电压,UO输出UOmax,用于增益校准;当2~3、1~3、12~3分别分时接通时,依次输入3个热电偶正常测温所得变换电压,UO从而输出3个温度点所对应的电压UOA,UOB,UOC。在HI端与+UISO端之间串上一只220MΩ上拉电阻,一旦热电偶开路,HI端即被偏置为+UISO,迫使1B51的输出电压超量程,由此判定热电偶已开路。多路模拟开关和测量数据采集过程在单片机协调下工作,每次数据采集都进行自动判断和校准阁。

 

  

 

  2.2控制输出驱动电路

  对温度的控制是通过可控硅调功器电路实现,如图3所示。双向可控硅管和硅碳棒串接在交流220V、50Hz交流市电回路中,图3中只给出了A相。移相触发脉冲由ADuC845用软件在P1.3引脚上产生的,零同步脉冲同步后,经光耦合管和驱动器输出送到可控硅的控制极。过零同步脉冲由过零触发电路产生,利用同步变压器和电压比较器LM311组成正弦交流电的正半波过零检测电路,它在交流电每一个正半周的起始零点处产生上升沿.并在正半周回零处产生一个下降沿,电压比较器LM311用于把50Hz正弦交流电压变成方波。方波的正边沿和负边沿分别作为两个单稳态触发器的输入触发信号,单稳态触发器输出的2个窄脉冲经二极管或门混合后通过可重复触发集成单稳态触发器MC14528,单稳态输出的两路窄脉冲再叠加,就可得到对应于交流市电的100Hz过零同步脉冲。脉冲宽度可由MC14528的外接电阻R4和外接电容C1、C2调节。此脉冲加到ADUC845的TO作为计数脉冲和INT1中断口触发INT1中断。可控硅的过流、过压保护采用一般阻容保护电路。R5是触发器输出限流电阻,R3用以消除漏电流,防止KP150的误触发。

  

 

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