电加热炉温度单片机控制系统

2007-11-01 11:06:49来源: 电子工程师

0 引 言

电加热炉随着科学技术的发展和工业生产水平的提高,已经在冶金、化工、机械等各类工业控制中得到了广泛应用,并且在国民经济中占有举足轻重的地位。对于这样一个具有非线性、大滞后、大惯性、时变性、升温单向性等特点的控制对象,很难用数学方法建立精确的数学模型,因此用传统的控制理论和方法很难达到好的控制效果。

单片机以其高可靠性、高性能价格比、控制方便简单和灵活性大等优点,在工业控制系统、智能化仪器仪表等诸多领域得到广泛应用。采用单片机进行炉温控制,可以提高控制质量和自动化水平。

1 单片机炉温控制系统结构

本系统的单片机炉温控制系统结构主要由单片机控制器、可控硅输出部分、热电偶传感器、温度变送器以及被控对象组成。如图1所示。

炉温信号T通过温度检测及变送,变成电信号,与温度设定值进行比较,计算温度偏差e和温度的变化率de/dt,再由智能控制算法进行推理,并得控制量u,可控硅输出部分根据调节电加热炉的输出功率,即改变可控硅管的接通时间,使电加热炉输出温度达到
理想的设定值。

2 系统硬件设计

2.1 系统硬件结构

以AT89C51单片机为该控制系统的核心,实现对温度的采集、检测和控制。该系统的工作流程如图2所示。系统由变送器经A/D转换器构成输入通道,用于采集炉内的温度信号。

变送器可以选用DBW,型号,它将热电偶信号(温度信号)变为0~5 V电压信号,以供A/D转换用。转换后的数字量与炉温数字化后的给定值进行比较,即可得到实际炉温和给定炉温的偏差及温度的变化率。炉温的设定值由BCD拨码盘输入。由AT89C51构成的核心控制器按智能控制算法进行推算,得出所需要的控制量。由单片机的输出通过调节可控硅管的接通时间,改变电炉的输出功率,起到调温的作用。
2.2 系统硬件的选择

a)微型计算机的选择:选择AT89C51单片机构成炉温控制系统。它具有8位CPU,3 2根I/O线,4 kB片内ROM存储器,128 kB的RAM存储器。AT89C51对温度是通过可控硅调功器实现的。在系统开发过程中修改程序容易,可以大大缩短开发周期。同时,系统工作过程中能有效地保存一些数据信息,不受系统掉电或断电等突发情况的影响。AT89C51单片机内部有128 B的RAM存储器,不够本系统使用,因此,采用6264(8 kB)的RAM作为外部数据存储器。

b)热电偶的选择:本设计采用DBW型热电偶--镍络-镍硅(线性度较好,热电势较大,灵敏度较高,稳定性和复现性较好,抗氧化性强,价格便宜)对温度进行检测。由于温度是非线性输出的,而与输入的mV信号成线性关系,所以在软件上将此非线性关系加以修正,以便正确反映输入mV信号与温度之间的关系。ADC0809把检测到的连续变化的温度模拟量转换成离散的数字量,输人到单片机中进行处理。

c)键盘输入的选择:采用4片BCD拨码盘作为温度设定的输入单元,输入范围为0~9999,可满足本系统的要求。每位BCD码盘占4条线,通过上拉电阻接入8255可编程并行I/O扩展口。4片BCD码盘占8255的A、B两口,8255工作方式设为"0 模式",A、B两口均为输入方式。开机后,CPU读8255口操作,即可将BCD码盘的设定温度读入并存人相应的存储单元。

d)显示器的选择:采用字符型LCD(液晶显示器)模块TC1602A,并且它把LCD控制器、ROM和LCD显示器用PCB(印制板)连接到一起,只要向LCD送人相应的命令和数据便可实现所需要的显示,使用特别方便灵活。第1行显示设定温度,第2行显示实际温度,这样,温差一目了然,方便控制。

3 系统软件设计

本系统的应用程序主要由主程序、中断服务程序和子程序组成。主程序的任务是对系统进行初始化,实现参数输入,并控制电加热炉的正常运行。主程序主要由系统初始化、数据采集及处理、智能推理等部分组成。系统初始化包括设置栈底、工作寄存器组、控制量的初始值、采样周期、中断方式和状态、定时器的工作方式以及8255的初始化、TC1602A的初始化等。数据采集及处理主要包括实时采集电加热炉的炉温信号,计算出实际炉温与理想值的差值以及温差的变化率,并对炉温信号进行滤波和限幅处理。主程序如图3所示。

中断服务程序实现定时采样和输出控制。AT89C51共有6个中断源:2个外部中断、2个定时器溢出中断及2个串行中断。

子程序主要有采样子程序、数字滤波子程序、控制算法子程序、数字转换子程序、显示子程序等。在采样程序中包括对A/D启动、读结果及把A/D结果转换成为实际温度值。由于热电偶本身的非线性及模拟输人通道存在的非线性,需要将A/D值与温度值之间对应关系以表格形式存于EPROM中。数字滤波子程序是将A/D转换成的数字量提取有用的量,一方面通过TC1602ALCD模块显示出来;另一方面将该温度值与被控温度值进行比较,根据其偏差值的大小及温度的变化率,通过智能控制器来改变可控硅管的接通时间,从而达到改变电加热炉的输出功率,即控制算法子程序是控制器中最重要的一部分,它的原理将在第4节介绍。


4 智能控制算法

考虑到电加热炉是一个非线性、时变和分布参数系统,所以本文采用一种新型的智能控制算法。它充分吸取数学和自动控制理论成果,与定性知识相结合,做到取长补短,在实时控制中取得较好的成果。

本系统的智能控制器由数据库、知识库、推理机、学习环节、修正环节和黑板组成。数据库中存放各个时刻的采样值y(k)、偏差e(k)、控制量u(k)和生成控制量u(k),所用的控制规则序号、每条控制规则的加权系数a都是以数组的形式存放。

知识库中知识由产生式规则生成,其规则集都是按顺序排列的。当求得偏差e(k)和被调整量y(k)后,借助黑板进行正向推理,从上到下顺序地搜索知识库中的匹配模式,一旦找到匹配规则,即可求出控制量u(k)。

学习过程是通过修正规则加权系数a,使各种控制规则产生的控制量随环境和控制量效果变化进行修正,从而实现自学习的功能。由于被控制对象具有d步时延,因此,y(k)是由(k-d)时刻及其以前所有控制量作用的结果,则应修正控制量u(k-d)的控制规则所对应的控制规则加权系数a[num(k-d)]。

系统炉温控制过程是一个慢过程,一般采样间隔长,在此间隔时间内,被控对象可能受内部参数变化或随机干扰影响,因而町能导致(k+1)时刻发出的控制量使控制效果变差,影响系统的控制性能。为补充这一不足,这里引入动态修正环节为:



式中:0 < r < 1。

最后由修正量和黑板给出的u(k)叠加,得到总输出控制量为:



式中:β取0.8~0.9。

5 结束语

本系统以单片机AT89C51为核心,它具有高可靠性、高性能价格比、控制方便简单和灵活性大等优点。控制器采用新型的智能控制算法,冈而系统升温快,控温精度高,稳态误差可达±5℃以内,满足系统要求。整个系统操作简便,抗干扰能力强、运行可靠。

关键字:智能  采样  输出  电偶

编辑: 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/designarticles/consumer/200711/16608.html
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