高精度AD轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用

摘 要:該系統(tǒng)是基于Δ－Σ技術(shù)的高分辨率24位A/D轉(zhuǎn)換芯片AD7711A與單片機(jī)和PC構(gòu)成的高精度溫度控制系統(tǒng)。控制過(guò)程中對(duì)控制變量能進(jìn)行精確測(cè)量，然后通過(guò)微型計(jì)算機(jī)采用PID算法計(jì)算出校正量對(duì)控制變量進(jìn)行控制。

關(guān)鍵詞:溫度控制PIDΔ－Σ

中圖分類(lèi)號(hào):TN7文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1674-098X(2011)07(a)-0042-01

硫化是橡膠生產(chǎn)和電廠環(huán)保中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，整個(gè)硫化過(guò)程對(duì)溫度的要求很高，從室溫升高到設(shè)定溫度的超調(diào)量不超過(guò)±0.3°C，硫化溫度穩(wěn)定在設(shè)定溫度±0.3°C的范圍內(nèi)。當(dāng)加料等其它干擾引起的溫度變化時(shí)，系統(tǒng)穩(wěn)定溫度的重建時(shí)間要求在45s之內(nèi)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 ADC選擇及其工作原理

因?yàn)闇囟刃盘?hào)屬于緩慢變化的信號(hào)， AD7711A采用了Δ-∑原理，可實(shí)現(xiàn)高達(dá)24位的分辨率，成為理想的選擇。

AD7711A的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖１所示，它包括一個(gè)Δ-∑ADC、數(shù)字濾波器、可編程放大、時(shí)鐘發(fā)生器、24位控制/數(shù)據(jù)/校準(zhǔn)寄存器和400μA恒流源。

AD7711A的引腳中A0為寄存器地址選擇，A0置低時(shí)選控制寄存器，置高時(shí)選數(shù)據(jù)或自校準(zhǔn)寄存器;MODE選擇數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)鐘方式(外時(shí)鐘或內(nèi)時(shí)鐘);AIN1(+)、AIN(-)、AIN2(+)、AIN2(-)分別為兩路信號(hào)的輸入端;SDATA為串行數(shù)據(jù)的輸出/輸入端;DRDY為A/D轉(zhuǎn)換完成端，低電平有效;IOUT為400μA恒流源的輸出端，可用作RTD的激勵(lì)電流;REFOUT為參考電壓(2.5V輸出端)。

1.2 控制系統(tǒng)的構(gòu)成

整個(gè)硫化溫控系統(tǒng)通過(guò)高分辨率的A/D轉(zhuǎn)換器AD7711A精確測(cè)量RTD硫化反應(yīng)室的溫度，將數(shù)字量送入單片機(jī)后再經(jīng)PID調(diào)節(jié)器反饋控制信息，單片機(jī)根據(jù)這些信息發(fā)出相應(yīng)的控制命令來(lái)控制加熱裝置，從而達(dá)到對(duì)硫化溫度的精確控制。

2AD7711A與單片機(jī)的接口

溫度信號(hào)單端輸入，用電橋平衡法測(cè)量，另一通道用于測(cè)攪拌器的扭矩。P10與A0相連來(lái)選擇寄存器，讀寫(xiě)數(shù)據(jù)的時(shí)鐘信號(hào)由P12給出，串行數(shù)據(jù)由P13讀入或?qū)懗觯珹/D轉(zhuǎn)換完成端和INT1相連，當(dāng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完畢后引起單片機(jī)的外部中斷，在中斷中調(diào)用數(shù)據(jù)讀取程序，將采集的數(shù)據(jù)送入單片機(jī)中。具體連接如圖2所示。

3 控制策略

本系統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)器采用離散PID算法[2]:

(1)

將式(1)兩邊進(jìn)行Z變換，得PID調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù):

式中e(k)——調(diào)節(jié)器輸入偏差;Kp——對(duì)象放大倍數(shù);KI——積分系數(shù);KD——微分系數(shù)。

系統(tǒng)的采樣周期T取1.2s，輸出u(k)為加熱器在1.2s采樣時(shí)間內(nèi)的加熱器開(kāi)啟的時(shí)間，單位為ms。假設(shè)受控對(duì)象硫化室為一階慣性環(huán)節(jié)串聯(lián)純延遲環(huán)節(jié)，測(cè)出被控對(duì)象的臨界增益和臨界振蕩周期，用Ziegler-Nicholes法整定PID參數(shù)[3]，然后根據(jù)實(shí)驗(yàn)調(diào)節(jié)，求出符合實(shí)際的PID調(diào)節(jié)參數(shù):

KP＝50，KI＝1，KD＝4000

在實(shí)際的PID調(diào)節(jié)中，由于每次采樣周期中U的輸出最大值為1200ms，為防止出現(xiàn)積分飽和，所以在PID調(diào)節(jié)控制中需要輸出限幅，以及對(duì)積分項(xiàng)的分離控制。

4 結(jié)論與結(jié)果分析

設(shè)定的溫度為160℃進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后波動(dòng)幅度不超過(guò)±0.3℃，加料時(shí)擾動(dòng)較少，幅度小于1℃，穩(wěn)態(tài)重建時(shí)間＜45s，并且系統(tǒng)的超調(diào)量很小，整個(gè)系統(tǒng)精度能達(dá)到很高的要求。