基于單片機(jī)的電阻爐控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

秦洪浪

(陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,陜西 咸陽(yáng) 712000)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展,該技術(shù)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中,推動(dòng)了工業(yè)儀表的發(fā)展規(guī)模,使其向著數(shù)字化、智能化發(fā)展。電阻爐為工業(yè)生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備,若電阻爐的溫度控制效果存在問題,可直接影響生產(chǎn)效率與產(chǎn)品質(zhì)量,因此,工業(yè)生產(chǎn)對(duì)溫度的精確度和穩(wěn)定性要求較高。在實(shí)際測(cè)量與控制中,如何以最快的速度完成溫度數(shù)據(jù)的采集,并保證溫度控制的精確性成為亟待解決的問題。為此,本研究設(shè)計(jì)出電阻爐控制系統(tǒng),該系統(tǒng)具有經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性等特征,可將其廣泛應(yīng)用于溫度控制領(lǐng)域。

1 電阻爐溫度控制基本原理

本研究在對(duì)電阻爐溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí),將該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)劃分為單片機(jī)控制器、可控硅輸出、熱電偶傳感器、溫度傳送器以及被控對(duì)象等部分。采用AT89S52單片機(jī)作為核心設(shè)備,通過單片機(jī)對(duì)電阻爐的溫度進(jìn)行控制,使電阻爐的溫度穩(wěn)定在某一個(gè)指定數(shù)值上,由鍵盤輸入給定溫度值,LED數(shù)碼管負(fù)責(zé)對(duì)電阻爐的溫度值進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。電阻爐溫度控制原理為:溫度檢測(cè)部件成功檢測(cè)到電阻爐的溫度信號(hào)后,可將其上傳至溫度變送器內(nèi)部,由溫度變送器將信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào),并將溫度檢測(cè)數(shù)值與系統(tǒng)設(shè)定值進(jìn)行比較,即可得出系統(tǒng)的計(jì)算溫度偏差e與溫度偏差變化率de/dt,最后利用智能控制算法對(duì)控制量u進(jìn)行推理?？煽毓栎敵霾糠衷陔娮锠t溫度控制系統(tǒng)中主要負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)電阻爐的輸出功率,通過該方式改變可控硅管的接通時(shí)間,以最快的速度達(dá)到電阻爐的輸出溫度。電阻爐溫度控制原理如圖1所示[1]。

圖1 電阻爐溫度控制原理

2 基于單片機(jī)的電阻爐控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

本研究在設(shè)計(jì)電阻爐控制系統(tǒng)時(shí),采用AT89S52單片機(jī)作為系統(tǒng)的核心,并在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中添加多個(gè)功能模塊電路,各種模塊電路均為AT89S52單片機(jī)的外圍電路。電阻爐控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 電阻爐控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

通過對(duì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析可知,該系統(tǒng)包括溫度采集功能、溫度顯示電路、控制電路、AT89S52單片機(jī)以及溫度設(shè)置電路。其中,溫度采樣部分的核心設(shè)備為DS18B20數(shù)字溫度傳感器,為保證溫度樣本采集的精準(zhǔn)性與高效性,可采用多種數(shù)字溫度傳感器完成數(shù)據(jù)的多點(diǎn)測(cè)量,該方式也可用于大規(guī)模的多點(diǎn)溫度測(cè)量。系統(tǒng)內(nèi)包含PC通訊接口電路,該電路在設(shè)計(jì)過程中遵循RS-232串行通信標(biāo)準(zhǔn),利用下位機(jī)完成電阻爐現(xiàn)場(chǎng)溫度數(shù)據(jù)的采集。電阻爐 的溫度變化情況可通過下位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示,也可上傳至上位機(jī),通過上位機(jī)處理溫度采集數(shù)據(jù)[2]。

3 基于單片機(jī)的電阻爐控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本研究對(duì)電阻爐控制系統(tǒng)的硬件部分進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí),將系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)劃分為單片機(jī)主控模塊、輸入/出(前向/后向)通道以及人機(jī)接口模塊等部分。該系統(tǒng)的核心設(shè)備為AT89S52單片機(jī),硬件電路中含有外擴(kuò)鍵盤輸入以及LED外圍電路等。電阻爐控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示[3]。

圖3 電阻爐控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

3.1 溫度采集電路

該電路在系統(tǒng)中主要負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集電阻爐的溫度數(shù)據(jù),本研究在設(shè)計(jì)溫度采集電路時(shí),將數(shù)字式溫度傳感器DS18B20作為該電路的關(guān)鍵設(shè)備,采用TO-92對(duì)傳感器進(jìn)行封裝。DS18B20傳感器具有獨(dú)特的單總線接口方式,可通過復(fù)用的方式將地址線、數(shù)據(jù)線以及控制線整合成一根信號(hào)線,最終使溫度采集電路輸入和輸出的信號(hào)均為數(shù)字信號(hào)。在對(duì)傳感器與微機(jī)接口進(jìn)行模擬時(shí),需要充分利用AD轉(zhuǎn)換器以及其他外圍電路,該方式可使溫度采集系統(tǒng)的組成較為復(fù)雜。而采用數(shù)字式溫度傳感器DS18B20作為該電路的核心,有利于簡(jiǎn)化該設(shè)備與單片機(jī)的接口,最大限度地降低成本以及體積,同時(shí)可提高溫度采集的可靠性[4]。

DS18B20數(shù)字式溫度傳感器的供電電壓為3.0～5.5 V,可測(cè)量的溫度范圍為-55～125 ℃,測(cè)量分辨率為0.062 5 ℃。當(dāng)電阻爐的溫度在-10～85 ℃時(shí),數(shù)字式溫度傳感器的精度為±0.5 ℃。僅需要一根信號(hào)線即可向DS18B20傳感器中寫入命令或者讀取數(shù)據(jù)。采用單根信號(hào)線可完成式中信號(hào)的傳輸,同時(shí)可傳輸數(shù)據(jù),在DS18B20傳感器的支持下,可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸。為簡(jiǎn)化系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu),在設(shè)計(jì)溫度采集通道時(shí),省去了模數(shù)轉(zhuǎn)換電路,直接將單片機(jī)與溫度傳感器的數(shù)據(jù)引腳相連接,操作者可通過指令對(duì)傳感器的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行控制,以此實(shí)現(xiàn)電阻爐溫度的精準(zhǔn)測(cè)量[5]。

3.2 溫度控制部分

AT89S52單片機(jī)為控制部分的核心,通過AT89S52單片機(jī)完成電阻爐溫度的采集后,將采集的數(shù)據(jù)上傳至DS18B20數(shù)字式溫度傳感器,該傳感器可精準(zhǔn)檢測(cè)電阻爐溫度數(shù)據(jù),同時(shí)可將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。為計(jì)算出單片機(jī)的偏差數(shù)值,比較單片機(jī)采集溫度值與系統(tǒng)設(shè)定值。將偏差數(shù)值作為主要依據(jù),采用PID控制算法作為該部分的核心算法,并計(jì)算出相應(yīng)的控制輸出量,在控制周期內(nèi),通過D/A轉(zhuǎn)換電路控制固態(tài)繼電器的通斷占空比,最終精準(zhǔn)控制輸出量與加熱器的工作狀態(tài),以此實(shí)現(xiàn)電阻爐溫度的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。本研究采用PWM調(diào)功方式設(shè)計(jì)D/A轉(zhuǎn)換電路,該電路相當(dāng)于D/A轉(zhuǎn)換器。固態(tài)繼電器通斷占空比的控制指的是控制電阻爐的平均功率數(shù)值[6]。

3.3 人機(jī)接口功能

本研究為進(jìn)一步提高系統(tǒng)的控制精度,設(shè)計(jì)出人機(jī)接口界面,該界面主要負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)顯示電阻爐的過程溫度。在調(diào)節(jié)電阻爐的溫度設(shè)定數(shù)值與PID控制參數(shù)時(shí),可通過控制系統(tǒng)的鍵盤完成參數(shù)的輸入,過程溫度最終顯示在LED顯示屏上。

4 基于單片機(jī)的電阻爐控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本研究在設(shè)計(jì)電阻爐控制系統(tǒng)的軟件部分時(shí),將該部分劃分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)值處理、PID控制算法、控制輸出等部分,在設(shè)計(jì)過程中,嚴(yán)格遵循自頂向下、模糊化的設(shè)計(jì)原則。電阻爐控制系統(tǒng)主程序流程如圖4所示。

圖4 電阻爐控制系統(tǒng)主程序流程圖

控制系統(tǒng)的主程序流程為:①對(duì)電阻爐溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行初始化操作,利用AT89S52單片機(jī)完成電阻爐溫度數(shù)據(jù)的采集;②將PID控制算法作為核心算法,通過該算法控制系統(tǒng)的精準(zhǔn)度;③按照一定比例將變換量轉(zhuǎn)換成PWM波的時(shí)間,采用PWM調(diào)功方式控制固態(tài)繼電器,從而實(shí)現(xiàn)電阻爐加熱時(shí)間的精準(zhǔn)控制。最終生成的數(shù)據(jù)可顯示在LED顯示屏上,便于操作者實(shí)時(shí)觀察電阻爐的運(yùn)行狀態(tài)[7]。

4.1 PID控制算法

溫度PID控制的基本原理為:①計(jì)算出系統(tǒng)實(shí)際測(cè)量溫度與設(shè)定數(shù)值之間的偏差;②采用比例積分與微分對(duì)偏差數(shù)值進(jìn)行相應(yīng)的處理;③將得到的控制輸出信號(hào)用于電阻爐加熱的控制,通過該方式將電阻爐的溫度控制在系統(tǒng)設(shè)定的溫度范圍內(nèi)。

本研究采用增量式PID控制算法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì),該算法具有編程簡(jiǎn)單、占用存儲(chǔ)空間較少以及運(yùn)算快等優(yōu)勢(shì),并且生成的控制數(shù)據(jù)可遞推使用,有利于提高系統(tǒng)的控制精度。增量式PID實(shí)際上指的是:數(shù)字控制器的輸出可看作控制量的增量Δu(k)。增量式PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 增量式PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

通過對(duì)增量式PID進(jìn)行離散化,可得到離散的PID表達(dá)式:

(1)

結(jié)合式(1)與遞推原理,最終導(dǎo)出的增量PID控制算式為

(2)

式(1)減式(2)可得

Δu(k)=kc[e(k)-e(k-1)]+kIe(k)+

kD[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]

(3)

通過對(duì)系統(tǒng)控制結(jié)果進(jìn)行分析可知,系統(tǒng)的輸出與最近3次偏差存在一定關(guān)聯(lián),在確定TS、TI、TD、TC的情況下,可將最近3次偏差結(jié)果作為主要依據(jù),以此實(shí)現(xiàn)控制增量的計(jì)算[8]。

4.2 PID參數(shù)整定

為調(diào)節(jié)升溫速度與系統(tǒng)穩(wěn)定性,采用PID參數(shù)設(shè)定的方式進(jìn)行實(shí)現(xiàn),不同控制對(duì)象的PID參數(shù)存在較大差異性,將不同PID參數(shù)在控制過程中的作用以及實(shí)現(xiàn)現(xiàn)象,對(duì)控制器的升溫速度進(jìn)行具體調(diào)節(jié)。電阻爐溫度控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)結(jié)果如下:

(1)溫度可在最短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到設(shè)定值,但該過程易出現(xiàn)過沖較大的問題,產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因是:比例系數(shù)過大,使加熱器溫度的上升比例過高,微分系數(shù)過小,使系統(tǒng)對(duì)控制對(duì)象的反應(yīng)缺乏靈敏性。

(2)比例系數(shù)和升溫比例過小,易造成溫度小于設(shè)定值的時(shí)間較長(zhǎng),當(dāng)積分系數(shù)小于標(biāo)準(zhǔn)范圍時(shí),可產(chǎn)生恒定偏差補(bǔ)償不足的現(xiàn)象。

(3)能夠?qū)㈦娮锠t的溫度控制在目標(biāo)值上,但上下偏差較大,易出現(xiàn)波動(dòng)現(xiàn)象,產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因?yàn)?微分系數(shù)過小,未能對(duì)即時(shí)變化迅速反應(yīng);積分系數(shù)過大,易使微分反應(yīng)白淹沒和鈍化;系統(tǒng)設(shè)定的控制周期較短,加熱器未及時(shí)將數(shù)據(jù)上傳至測(cè)溫點(diǎn)上。

通常情況下,PID參數(shù)的整定過程為:先比例,再積分,最后微分。實(shí)際設(shè)定PID參數(shù)時(shí),需要對(duì)其進(jìn)行反復(fù)試驗(yàn)與調(diào)試,充分結(jié)合實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,選擇PID的最佳參數(shù)值。

5 基于單片機(jī)的電阻爐控制系統(tǒng)仿真測(cè)試

本研究為驗(yàn)證電阻爐控制系統(tǒng)的有效性,將電阻爐作為被控對(duì)象,對(duì)其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量。電阻爐的純滯后時(shí)間為120 s,τ=120 s,測(cè)得電阻爐絲溫度相對(duì)時(shí)間的階躍響應(yīng)曲線,通過該曲線確定T=240 s,K0=0.5。被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型具有一階慣性帶延遲的特性,其公式為

(4)

控制系統(tǒng)的關(guān)鍵問題為采樣周期的確定,本研究在確定采樣周期時(shí),將系統(tǒng)的穩(wěn)定條件與控制器執(zhí)行控制程序消耗的時(shí)間作為參考依據(jù),對(duì)電阻爐進(jìn)行反復(fù)加熱試驗(yàn),最終確定采樣周期為20 s,試驗(yàn)過程中可得到被控對(duì)象的數(shù)學(xué)近似模型。為精準(zhǔn)獲取PID參數(shù),結(jié)合Matlab的仿真結(jié)果,并對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行反復(fù)調(diào)試,得到的PID參數(shù)分別為:Ti=66.7,Ki=4.5,Td=10。通過對(duì)電阻爐的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析可知,電阻爐的穩(wěn)態(tài)特性符合設(shè)計(jì)要求[9]。

6 結(jié) 語(yǔ)

本研究為精準(zhǔn)控制電阻爐的溫度,將AT89S52單片機(jī)作為核心設(shè)備,設(shè)計(jì)出電阻爐控制系統(tǒng),單片機(jī)可實(shí)時(shí)控制電阻爐的運(yùn)行狀態(tài),使電阻爐的溫度穩(wěn)定在某一個(gè)指定數(shù)值上,便于操作者精準(zhǔn)調(diào)節(jié)溫度范圍。為進(jìn)一步控制電阻爐的溫度,采用PID控制算法與PWM脈寬調(diào)制技術(shù)控制電阻爐的溫度,通過該方式消除系統(tǒng)的振蕩與超調(diào)現(xiàn)象,有利于提高系統(tǒng)的控制精度。將該系統(tǒng)應(yīng)用于電阻爐工作現(xiàn)場(chǎng),可有效保證電阻爐的安全性與可靠性。