電阻加熱爐

2.1 電阻爐溫度控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)工作原理

整個系統(tǒng)由四部分組成，即：單片機(jī)系統(tǒng)；溫度檢測通道；輸出控制通道。工作時，溫度由集成溫度傳感器AD590轉(zhuǎn)換成電流信號，經(jīng)運(yùn)放放大至0-5v的電壓信號，由ADC0809轉(zhuǎn)換成單片機(jī)所能接受的數(shù)字信號，此信號與溫度的給定值比較得到溫度的偏差，通過PID控制器運(yùn)算，此控制量經(jīng)可控硅控制加在電阻爐上的電壓的通斷時間，以達(dá)到控溫目的。

系統(tǒng)的給定值、PID參數(shù)由鍵盤輸入，并可以隨時修改，給溫度和采樣溫度同時顯示在LED上

2.2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

以AT89C51單片機(jī)為該控制系統(tǒng)的核心，實現(xiàn)對溫度的采集、檢測和控制。該系統(tǒng)的工作流程如圖2所示。系統(tǒng)由變送器經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器構(gòu)成輸入通道，用于采集爐內(nèi)的溫度信號。變送器可以選用DBW，型號，它將熱電偶信號(溫度信號)變?yōu)?～5 V電壓信號，以供A/D轉(zhuǎn)換用。轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量與爐溫數(shù)字化后的給定值進(jìn)行比較，即可得到實際爐溫和給定爐溫的偏差及溫度的變化率。爐溫的設(shè)定值由BCD 撥碼盤輸入。由AT89C51構(gòu)成的核心控制器按智能控制算法進(jìn)行推算，得出所需要的控制量。由單片機(jī)的輸出通過調(diào)節(jié)可控硅管的接通時間，改變電爐的輸出功率，起到調(diào)溫的作用。

一、輸入通道

a、溫度檢測及放大

在溫度控制系統(tǒng)中，溫度檢測及放大任務(wù)通常用溫度變送器來完成。為了降低成本，簡化結(jié)構(gòu)，本系統(tǒng)采用了 OP07型溫度變送器的輸入回路部份，這輸入回路是一平衡電橋，它與AD590熱電偶配合使用，實現(xiàn)溫度零點遷移。不平衡電橋的輸出信號經(jīng)精密放大器放大到A/D轉(zhuǎn)換所需標(biāo)準(zhǔn)信號，根據(jù)熱電偶分度號和量程的不同，可選擇和調(diào)整放大器的反饋電阻以改變放大倍數(shù)，從而實現(xiàn)了溫度標(biāo)準(zhǔn)信號的轉(zhuǎn)換。A/D轉(zhuǎn)換功能由AD0809完成，它是一種逐次逼近式8路模擬輸入、 8位數(shù)字量輸出的A/D轉(zhuǎn)換器。在這里我們將 接到AT89C51的 轉(zhuǎn)換結(jié)束信號OEC經(jīng)一個與非門接AT89C51的INT0 ，置外部中斷為邊沿觸發(fā)方式，這樣，每次A/D轉(zhuǎn)換結(jié)素時都將結(jié)果送入數(shù)據(jù)存貯區(qū)。

由于爐溫度化緩慢，輸入通道中沒有設(shè)置采樣保持器。

二、 輸出通道

執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用可控硅控制器，單片機(jī)只須輸出能改變可控硅控制周期內(nèi)的通斷時間就行了，因此省去了D/A轉(zhuǎn)換器，僅用了一條I/O線，通過軟件支持，在這條I/O線上輸出一個高電平寬度在控制周期內(nèi)隨調(diào)節(jié)值變化的方波信號，從而達(dá)到控溫的目的。

2.3 系統(tǒng)硬件的選擇

a)微型計算機(jī)的選擇：選擇AT89C51單片機(jī)構(gòu)成爐溫控制系統(tǒng)。它具有8位CPU，3 2根I/O線，4 kB片內(nèi)ROM存儲器，128 kB的RAM存儲器。AT89C51對溫度是通過可控硅調(diào)功器實現(xiàn)的。在系統(tǒng)開

發(fā)過程中修改程序容易，可以大大縮短開發(fā)周期。同時，系統(tǒng)工作過程中能有效地保存一些數(shù)據(jù)信息，不受系統(tǒng)掉電或斷電等突發(fā)情況的影響。AT89C51單片機(jī)內(nèi)部有128 B的RAM存儲器，不夠本系統(tǒng)使用，因此，采用6264(8 kB)的RAM作為外部數(shù)據(jù)存儲器。

b)熱電偶的選擇：本設(shè)計采用 DBW型熱電偶--鎳絡(luò)-鎳硅(線性度較好，熱電勢較大，靈敏度較高，穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性較好，抗氧化性強(qiáng)，價格便宜)對溫度進(jìn)行檢測。由于溫度是非線性輸出的，而與輸入的mV信號成線性關(guān)系，所以在軟件上將此非線性關(guān)系加以修正，以便正確反映輸入mV信號與溫度之間的關(guān)系。ADC0809把檢測到的連續(xù)變化的溫度模擬量轉(zhuǎn)換成離散的數(shù)字量，輸人到單片機(jī)中進(jìn)行處理。

c)鍵盤輸入的選擇：采用4片BCD撥碼盤作為溫度設(shè)定的輸入單元，輸入范圍為0～9999，可滿足本系統(tǒng)的要求。每位BCD碼盤占4條線，通過上拉電阻接入8255可編程并行I/O擴(kuò)展口。4片BCD碼盤占8255的 A、B兩口，8255工作方式設(shè)為"0 模式"，A、B兩口均為輸入方式。開機(jī)后，CPU讀8255口操作，即可將BCD碼盤的設(shè)定溫度讀入并存人相應(yīng)的存儲單元。

d) 顯示器的選擇：采用字符型LCD(液晶顯示器)模塊TC1602A，并且它把LCD控制器、ROM和LCD顯示器用PCB(印制板)連接到一起，只要向 LCD送人相應(yīng)的命令和數(shù)據(jù)便可實現(xiàn)所需要的顯示，使用特別方便靈活。第1行顯示設(shè)定溫度，第2行顯示實際溫度，這樣，溫差一目了然，方便控制。

2.4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)的應(yīng)用程序主要由主程序、中斷服務(wù)程序和子程序組成。主程序的任務(wù)是對系統(tǒng)進(jìn)行初始化，實現(xiàn)參數(shù)輸入，并控制電加熱爐的正常運(yùn)行。主程序主要由系統(tǒng)初始化、數(shù)據(jù)采集及處理、智能推理等部分組成。系統(tǒng)初始化包括設(shè)置棧底、工作寄存器組、控制量的初始值、采樣周期、中斷方式和狀態(tài)、定時器的工作方式以及8255的初始化、TC1602A的初始化等。數(shù)據(jù)采集及處理主要包括實時采集電加熱爐的爐溫信號，計算出實際爐溫與理想值的差值以及溫差的變化率，并對爐溫信號進(jìn)行濾波和限幅處理。。

中斷服務(wù)程序?qū)崿F(xiàn)定時采樣和輸出控制。AT89C51共有6個中斷源：2個外部中斷、2個定時器溢出中斷及2個串行中斷。

子程序主要有采樣子程序、數(shù)字濾波子程序、控制算法子程序、數(shù)字轉(zhuǎn)換子程序、顯示子程序等。在采樣程序中包括對A/D啟動、讀結(jié)果及把A/D結(jié)果轉(zhuǎn)換成為實際溫度值。由于熱電偶本身的非線性及模擬輸人通道存在的非線性，需要將A/D值與溫度值之間對應(yīng)關(guān)系以表格形式存于EPROM中。數(shù)字濾波子程序是將 A/D轉(zhuǎn)換成的數(shù)字量提取有用的量，一方面通過TC1602ALCD模塊顯示出來；另一方面將該溫度值與被控溫度值進(jìn)行比較，根據(jù)其偏差值的大小及溫度的變化率，通過智能控制器來改變可控硅管的接通時間，從而達(dá)到改變電加熱爐的輸出功率，即控制算法子程序是控制器中最重要的一部分，它的原理將在第4節(jié)介紹。

2.5 智能控制算法

考慮到電加熱爐是一個非線性、時變和分布參數(shù)系統(tǒng)，所以本文采用一種新型的智能控制算法。它充分吸取數(shù)學(xué)和自動控制理論成果，與定性知識相結(jié)合，做到取長補(bǔ)短，在實時控制中取得較好的成果。

本系統(tǒng)的智能控制器由數(shù)據(jù)庫、知識庫、推理機(jī)、學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)、修正環(huán)節(jié)和黑板組成。數(shù)據(jù)庫中存放各個時刻的采樣值y(k)、偏差e(k)、控制量u(k)和生成控制量u(k)，所用的控制規(guī)則序號、每條控制規(guī)則的加權(quán)系數(shù)a都是以數(shù)組的形式存放。

知識庫中知識由產(chǎn)生式規(guī)則生成，其規(guī)則集都是按順序排列的。當(dāng)求得偏差e(k)和被調(diào)整量y(k)后，借助黑板進(jìn)行正向推理，從上到下順序地搜索知識庫中的匹配模式，一旦找到匹配規(guī)則，即可求出控制量u(k)。

學(xué)習(xí)過程是通過修正規(guī)則加權(quán)系數(shù)a，使各種控制規(guī)則產(chǎn)生的控制量隨環(huán)境和控制量效果變化進(jìn)行修正，從而實現(xiàn)自學(xué)習(xí)的功能。由于被控制對象具有d步時延，因此，y(k)是由(k-d)時刻及其以前所有控制量作用的結(jié)果，則應(yīng)修正控制量u(k-d)的控制規(guī)則所對應(yīng)的控制規(guī)則加權(quán)系數(shù)a[num(k- d)]。

系統(tǒng)爐溫控制過程是一個慢過程，一般采樣間隔長，在此間隔時間內(nèi)，被控對象可能受內(nèi)部參數(shù)變化或隨機(jī)干擾影響，因而町能導(dǎo)致(k+1)時刻發(fā)出的控制量使控制效果變差，影響系統(tǒng)的控制性能。為

補(bǔ)充這一不足，這里引入動態(tài)修正環(huán)節(jié)為：

式中：0

最后由修正量和黑板給出的u(k)疊加，得到總輸出控制量為：

式中：β取0.8～0.9。

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