恒溫油槽智能控制系統的研究*

馬春生 張治民

(①中北大學機械工程與自動化學院，山西太原030051;②中北大學材料科學與工程學院，山西太原030051)

隨著科學技術的發展，許多精密產品的生產制造都要求具有特定的工作環境。本項目研發的鎂合金轎車輪轂等溫擠旋成形裝置，就要求在250℃左右的液態介質中加工。通過密封的液態恒溫槽使輪轂在某介質中的適當溫度下等溫成形，這樣的成形技術既增加了輪轂的變形區范圍，又減小了變形溫度的波動幅度。變形區范圍增大，則變形路徑更趨合理;溫度波動幅度減小，則變形金屬內部由于變形不均勻而引起的組織性能的差異也隨之減小，顯著提高了產品的塑性，減小了成形后殘余應力，改善了產品的質量和精度，為此項技術的產業化發展提供了保障。此次設計的恒溫槽，可對實際乃至未來設備的生產提供一個較大的發展空間［1-2］。

1 恒溫油槽的系統組成及工作原理

等溫擠旋成形技術是一項綜合了旋壓、鍛造、擠壓、拉伸、彎曲和滾壓等工藝特點的少無切削加工的先進工藝。依據等溫擠旋成形工藝設計出的裝備如圖1所示。新工藝的特點之一要求工件在液態介質中等溫加工，因而恒溫油槽的合理設計是裝備中的關鍵技術之一［3］。

恒溫油槽是一個為金屬熱加工提供工作環境的系統。系統由油槽、加熱器、攪拌機、溫度傳感器和控制電路組成。

首先通過油泵2把油經輸油管5泵到加熱槽6中加熱，電動機7帶動漿葉攪動油流，油流充分混合溫度達到均勻一致，然后通過油路進入油槽10，最后經過油路流回到加熱槽，實現供油循環。油流在油槽中通過控制系統達到合適的流速，以保證它在油槽中溫度均勻且穩定不變。

在加熱槽底部設有儲油箱1，若需清理儲油箱中的油，可通過油泵2和放液閥4抽離儲油箱。若加熱槽溫度需快速下降，可打開閥門3，把槽中部分高溫油放入儲油箱后，再用油泵將冷油經輸油管5泵入槽內。

加熱電阻絲在加熱槽6中放置應注意以下幾點:

(1)電阻絲的分布應該符合恒溫槽傳導熱量的比率，這樣才能使溫度場分布均勻且穩定。

(2)要減小電阻絲通過電流時可能產生的附加干擾磁場。可以用雙線法繞制。

(3)加熱電阻絲必須緊密貼合在槽上，這樣才能使熱量迅速傳遞給恒溫槽。并且加熱電阻絲和恒溫槽之間應該絕緣，可以在加熱電阻絲繞制好后在其上噴上清漆或其他絕緣膠。

(4)加熱電阻絲的安裝必須注意與測溫元件之間的相對位置，使它們之間的分布溫度滯后最小。

2 恒溫油槽的控制原理

恒溫油槽的控制原理如圖2所示，系統選擇AT89C52單片機為控制器。在加熱槽內設有兩組電加熱器(P1=50 kW，P2=2 500 W)、攪拌器和PT100的溫度傳感器。

啟動電加熱器P1，1 h后恒溫槽內溫度可達額定溫度TH=250℃左右。恒溫槽允許的溫度范圍(-1%)TH≤T≤(1%)TH。溫度傳感器將目前槽內溫度變換成微小電壓，經放大器LM124放大后，得到0～5 V輸出電壓，該模擬輸出電壓經A/D轉換器TLC2543轉換成數字量供微機系統進行采集。

恒溫槽開啟加熱達到額定溫度后，微機系統開始采集和處理恒溫槽的溫度。即定時檢測、顯示和處理恒溫槽的溫度。微機系統每隔1 min，通過4位LED數碼管顯示當前檢測溫度值，另4位LED數碼管顯示設定值。通過顯示值判斷，若槽溫在允許范圍內，則切斷P1，投入P2，且綠色指示燈亮。

若槽溫T≥(+3%)TH時，則切斷P2，紅色指示燈亮，且連續發出F=1 000 Hz的聲音報警。取出槽內熱處理工件，等待機檢查系統故障。故障消除后停止聲光報警，重新啟動系統工作。

若恒槽溫 T≤(-3%)TH時，同時投入 P1、P2，黃色指示燈亮，且連續發出F=500 Hz的聲音報警。待槽溫升至允許范圍后，切斷P1，保留P2，停止聲光報警，系統繼續工作。

由于油槽要求使用溫度范圍寬(0～350℃)，控制精度(0.1℃)，A/D電路必須達到很高的分辨率才能滿足要求。我們選用TLC2543，該芯片具有12位轉換精度速率，并行輸出接口。A/D轉換的量化誤差為250℃/4 096=0.06℃，基本可以滿足控制精度的要求。控制系統以AT89C52單片機為核心，89C52屬于MCS-51單片機的改進型，是一種低電壓、高性能CMOS8位微控制器。片內置通用8位中央處理器和Flash存儲單元，大大簡化了單片機系統的結構。控制電路原理如圖3所示。

3 系統軟件的結構設計

系統軟件采用模塊化設計［4］，在主程序模塊下分成若干彼此獨立的分模塊，如A/D模塊、鍵盤掃描模塊、顯示模塊、模糊控制模塊等。在各模塊適當位置設置軟件陷阱，進行冗余設計，以提高系統的抗干擾能力。主程序流程如圖4所示。

控制方法根據給定值與測量值的偏差e選擇智能控制器，根據偏差變化選擇控制方法。通常|e|≤emin或|e|≥emax時，采用PID控制算法，在 emin≤|e|≤emax時采用模糊控制算法。該方法與傳統PID控制相比，明顯的特點是抗干擾能力增強;與模糊控制相比，控制精度更高。溫度控制系統原理如圖5所示。

在系統軟件的設計中我們充分考慮了與硬件電路的有機結合，有效地利用了模糊控制技術來減小過渡過程時間和提高控制精度。模糊控制器設計為雙輸入單輸出型.輸入量一為設定溫度和當前油槽溫度的偏差e，輸入量二為偏差變化率ev(即當前的偏差減去前一采樣時刻的偏差)，輸出量是一個控制周期內加到調功器件上的電壓控制量u。

首先對輸入量e和ev進行模糊化處理，分別將它們劃分為8個模糊子集，即:PL(正大)，PM(正中)，PS(正小)，PO(正零)，NO(負零)，NS(負小)，NM(負中)，NL(負大)，分別確定出對應的隸屬度。然后對輸出量u進行模糊化處理，將它們劃分為7個模糊子集，即:PL(正大)，PM(正中)，PS(正小)，O(零)，NS(負小)，NM(負中)，NL(負大)，確定出對應的隸屬度。

控制規則的一般形式為:IF e=TiAND ev=ΔTjTHEN u=Vij，可得模糊關系矩陣為 R=Ti× ΔTj× Vij，如果偏差e和偏差變化率ev分別取模糊集Ti和ΔTj，則根據模糊推理的組合法則，輸出的控制量u應為模糊集Vij，即Vij=(Ti×ΔTj)×R。最后得出的模糊控制規則如表1所示。

表1 模糊控制規則表

PID控制器是一種線性調節器，采用單片機作為控制核心的自動控制是一種采樣控制，它只能根據采樣時刻的誤差值計算控制變量Y，因此是離散控制，但對于時間常數比較大的系統來說，其近似于連續變化，所以數字PID完全能夠代替模擬調節器，只不過模擬PID控制算法公式(1)中的積分項和微分項不能直接準確計算，只能用數值計算的方法逼近［5］。其控制算法的模擬表達式為

式中:Y(t)為調節器的輸出;e(t)為調節器的偏差信號;Ti為積分時間;Td為微分時間。為便于計算機實現PID調節，上式離散化增量控制算式如下:

式中:ek、ek-1、ek-2為第 k、k-1、k-2 次采樣偏差值。

4 調試結果及結論

設計的恒溫油槽經調試后，可滿足下列主要技術指標要求:

(1)油槽工作溫度范圍:0～350℃。

(2)控制精度:±0.06℃。

(3)從開機到進入穩定狀態時間:小于1 h(設置溫度為250℃時)。

(4)工作條件:環境溫度為10～40℃;工作電壓為220(1±10%)V;電源頻率為50(1±1%)Hz;加熱功率為2.5～50 kW。

通過實際工程驗證，實現了恒溫槽單片機的自動控制，系統工作穩定可靠，具有控制精度高，進入穩定狀態所需時間短，性能比高等特點。此設計方法對其他類型的恒溫設備的設計也有借鑒作用，具有較好的推廣應用價值。

［1］張寶紅，張治民，張星，等.杯形件溫引伸數值模擬［J］.塑性工程學報 2004，11(3):86-88.

［2］付傳鋒，張鈺成，賴周藝，等.國內外鎂合金等溫鍛造進展［J］.中國機械工程，2006，17(增刊):135-139.

［3］馬春生，張治民，等.自旋成型裝置的設計與數值模擬［J］.機械設計與研究，2010，26(4):111-114.

［4］季鏡屏，李國平，錢火根.一種新型高精度標準恒溫油槽［J］計量技術，2000(10):15-17.

［5］石雄.恒溫槽高精度恒溫自動控制系統的設計與實現［J］.工業儀表與自動化裝置，2005(1):32-34.