電加熱爐計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的研究

侯曉音

摘 要：本文就是在沒(méi)有用數(shù)學(xué)方法建立精確的模型和參數(shù)的情況下，建立以電加熱爐為研究對(duì)象，針對(duì)電加熱爐的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)來(lái)控制加熱爐，將其應(yīng)用于電加熱爐溫度控制系統(tǒng)的智能控制系統(tǒng)，滿(mǎn)足了溫度控制穩(wěn)定性的要求，并且在PC機(jī)上用高級(jí)語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)了其控制算法。與傳統(tǒng)的控制算法相比，智能控制算法具有計(jì)算量小、控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靜動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)好的特點(diǎn)，有較高的實(shí)用價(jià)值和理論價(jià)值。

關(guān)鍵詞：電加熱爐；計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)；智能控制系統(tǒng)

電加熱爐是典型的工業(yè)過(guò)程控制對(duì)象，在我國(guó)應(yīng)用廣泛。電加熱爐的溫度控制具有升溫單向性，大慣性，大滯后，時(shí)變性等特點(diǎn)。其升溫、保溫是依靠電阻絲加熱，降溫則是依靠環(huán)境自然冷卻。當(dāng)其溫度一旦超調(diào)就無(wú)法用控制手段使其降溫，因而很難用數(shù)學(xué)方法建立精確的模型和確定參數(shù)，應(yīng)用傳統(tǒng)的控制理論和方法難以達(dá)到理想的控制效果。

一、整體設(shè)計(jì)

本加熱爐計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)主要是由熱偶測(cè)量電路、冷端補(bǔ)償電路組成的信號(hào)輸入電路和由CD4051、ICL7135等組成的控制電路構(gòu)成。首先輸入電路對(duì)溫度信號(hào)進(jìn)行采集放大，然后將該信號(hào)送往多路復(fù)用器/分配器CD4051，在單片機(jī)的控制下對(duì)熱偶測(cè)量電路信號(hào)進(jìn)行選擇，并經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。熱偶測(cè)量電路主要是由OPA2335放大電路和制冷端電路組成，采用制冷端電路主要是考慮外界環(huán)境溫度對(duì)信號(hào)采集的影響。在控制電路中，考慮到單片機(jī)W77E58與ICL

7135在信號(hào)頻率上有很大差距，所以要加上74HC161分頻器進(jìn)行分頻。為了方便人及時(shí)快速地了解加熱爐的工作情況控制電路部分還要有與外界的接口，接口電路由MAX232組成，這樣通過(guò)外設(shè)來(lái)達(dá)到人工控制。

圖1 加熱爐計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

二、硬件設(shè)計(jì)

（一）熱偶測(cè)量電路部分。熱偶測(cè)量電路部分主要負(fù)責(zé)對(duì)溫度信號(hào)的采集、放大。加熱爐工作后，采集到的信號(hào)經(jīng)過(guò)熱偶電路放大、隔斷后送到控制部分電路，熱偶電路主要是采用了OPA2335，它是一個(gè)非常精確的電子器件，他的最低補(bǔ)償電壓最大為5μv，并且溫度隨著時(shí)間漂移幾乎為零。

信號(hào)采集到以后，經(jīng)過(guò)放大處理送到控制電路部分。

OPA2335使用起來(lái)十分簡(jiǎn)單需要使用的其它原器件很少，方便使用。

圖2 針腳配置

（二）控制電路部分。該部分由CD4051、ICL7135、W77E58、74HC161、MAX232等器件組成。CD4051主要是接收輸入電路發(fā)送來(lái)的信號(hào)并進(jìn)行1至8路模擬信號(hào)的選擇與切換，

CD4051的開(kāi)關(guān)漏電流為0.8nA，接通電阻為27Ω，它在單片機(jī)

W77E58的控制下來(lái)決定對(duì)那個(gè)爐進(jìn)行選擇的，CD4051有A、

B、C三個(gè)端口，產(chǎn)生八組控制信號(hào)具體如下：

CPU產(chǎn)生控制信號(hào)以決定那組信號(hào)進(jìn)行選擇后，CD4051把經(jīng)過(guò)放大的熱偶測(cè)量信號(hào)輸入到A/D轉(zhuǎn)換器中，這里A/D轉(zhuǎn)換器采用ICL7135，它具有轉(zhuǎn)換速度快、轉(zhuǎn)換精度高、抗干擾性好等特點(diǎn)。ICL7135在雙極性情況下，時(shí)鐘最高頻率為125KHZ，為了使ICL7135處在最好的工作狀態(tài)，要調(diào)整好基準(zhǔn)電壓，另外要用精密的積分電阻，即Rint=滿(mǎn)量程/20μA。

ICL7135的原理圖和引腳如圖3。

此外，ICL7135能夠正常的工作，還需要CPU的控制，這里用的是W77E58，來(lái)產(chǎn)生控制CD4051的信號(hào)，同時(shí)，它還要協(xié)調(diào)A/D轉(zhuǎn)換器的工作，但是它和ICL7135在時(shí)鐘頻率上相差很大，故此在二者之間加上74HC161分頻器進(jìn)行分頻，74HC161有1/2、1/4、1/8、1/16分頻，根據(jù)本系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，使用1/4分頻就可以滿(mǎn)足要求。

圖3 ICL7135引腳圖

圖4 ICL7135的典型應(yīng)用

（三）其它器件。（1）看門(mén)狗X25045?？撮T(mén)狗X25045有三種功能，看門(mén)狗定時(shí)、電壓監(jiān)視、E2PROM組合在單個(gè)封裝之內(nèi)?？撮T(mén)狗X25045是在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)使系統(tǒng)準(zhǔn)確復(fù)位。它需要2.7V到5.5V電壓來(lái)供電，具有片內(nèi)偶然性寫(xiě)保護(hù)功能和高的可靠性。它的引腳圖如圖5。

圖5 X25045的引腳圖和引腳

（2）MAX232。MAX232是一個(gè)雙組驅(qū)動(dòng)器/接收器，片內(nèi)含有一個(gè)電容性電壓發(fā)生器，以便在單5伏供電時(shí)提供EIA/TIA-232-E電平，MAX232工作溫度范圍為0℃到70℃。引腳排列圖如圖6。

圖6 MAX232引腳圖

MAX232的應(yīng)用于電源供電系統(tǒng)、終端、調(diào)制解調(diào)、計(jì)算機(jī)等。

（四）接口部分。接口部分采用了MAX232作為與其它外設(shè)的接口，它符合甚至優(yōu)于ANSI標(biāo)準(zhǔn)，有兩個(gè)接收器、兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器，可方便快捷與外設(shè)相連完成工作。

三、算法介紹

加熱爐的控制算法有很多，例如自適應(yīng)控制、隨機(jī)最優(yōu)控制、預(yù)測(cè)控制、解耦控制和變結(jié)構(gòu)控制等。這類(lèi)控制方法由于數(shù)學(xué)工具深?yuàn)W，算法復(fù)雜，人們難以理解和接受，因而這些先進(jìn)控制算法的推廣受到制約。本章介紹的兩種算法PID智能控制算法和單神經(jīng)元自適PSD智能控制算法，由于算法簡(jiǎn)單、控制效果好，因而受到了人們廣泛的關(guān)注，受到工程上應(yīng)用廣泛且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的常規(guī)PID控制器的啟發(fā)，利用具有自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)能力的單神經(jīng)元來(lái)構(gòu)成單神經(jīng)元自適應(yīng)智能控制器。

四、結(jié)論

設(shè)計(jì)所做的電加熱爐計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)采用了先進(jìn)的電子器件來(lái)設(shè)計(jì)電子電路部分，如在功率控制電路采用光電耦和固態(tài)繼電器來(lái)控制加熱爐的爐溫，用熱電偶來(lái)對(duì)溫度信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。在控制算法上有使用了當(dāng)前比較流行的PID智能控制算法，取得了很好的效果，實(shí)驗(yàn)表明，電加熱爐計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)能對(duì)加熱爐的溫度做到了時(shí)時(shí)控制，另外，由于使用了冷端補(bǔ)償電路有效的消除了外界環(huán)境溫度的影響，極大地提高了爐溫的控制精度。由于使用了智能控制算法，在加上外圍計(jì)算機(jī)來(lái)控制加熱爐是本次設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)，這些無(wú)論是理論上還是在實(shí)踐上都有很大的意義。

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