基于單片機的電阻爐控制系統設計與實現

秦洪浪

(陜西工業職業技術學院,陜西 咸陽 712000)

隨著計算機技術的飛速發展,該技術被廣泛應用于工業自動化系統中,推動了工業儀表的發展規模,使其向著數字化、智能化發展。電阻爐為工業生產的關鍵設備,若電阻爐的溫度控制效果存在問題,可直接影響生產效率與產品質量,因此,工業生產對溫度的精確度和穩定性要求較高。在實際測量與控制中,如何以最快的速度完成溫度數據的采集,并保證溫度控制的精確性成為亟待解決的問題。為此,本研究設計出電阻爐控制系統,該系統具有經濟性、實用性等特征,可將其廣泛應用于溫度控制領域。

1 電阻爐溫度控制基本原理

本研究在對電阻爐溫度控制系統進行設計時,將該系統的結構劃分為單片機控制器、可控硅輸出、熱電偶傳感器、溫度傳送器以及被控對象等部分。采用AT89S52單片機作為核心設備,通過單片機對電阻爐的溫度進行控制,使電阻爐的溫度穩定在某一個指定數值上,由鍵盤輸入給定溫度值,LED數碼管負責對電阻爐的溫度值進行實時顯示。電阻爐溫度控制原理為:溫度檢測部件成功檢測到電阻爐的溫度信號后,可將其上傳至溫度變送器內部,由溫度變送器將信號轉換為電信號,并將溫度檢測數值與系統設定值進行比較,即可得出系統的計算溫度偏差e與溫度偏差變化率de/dt,最后利用智能控制算法對控制量u進行推理。可控硅輸出部分在電阻爐溫度控制系統中主要負責實時調節電阻爐的輸出功率,通過該方式改變可控硅管的接通時間,以最快的速度達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 基于單片機的電阻爐控制系統方案設計

本研究在設計電阻爐控制系統時,采用AT89S52單片機作為系統的核心,并在系統結構中添加多個功能模塊電路,各種模塊電路均為AT89S52單片機的外圍電路。電阻爐控制系統整體結構如圖2所示。

圖2 電阻爐控制系統整體結構圖

通過對系統的結構進行分析可知,該系統包括溫度采集功能、溫度顯示電路、控制電路、AT89S52單片機以及溫度設置電路。其中,溫度采樣部分的核心設備為DS18B20數字溫度傳感器,為保證溫度樣本采集的精準性與高效性,可采用多種數字溫度傳感器完成數據的多點測量,該方式也可用于大規模的多點溫度測量。系統內包含PC通訊接口電路,該電路在設計過程中遵循RS-232串行通信標準,利用下位機完成電阻爐現場溫度數據的采集。電阻爐 的溫度變化情況可通過下位機進行實時顯示,也可上傳至上位機,通過上位機處理溫度采集數據[2]。

3 基于單片機的電阻爐控制系統硬件設計

本研究對電阻爐控制系統的硬件部分進行設計時,將系統硬件結構劃分為單片機主控模塊、輸入/出(前向/后向)通道以及人機接口模塊等部分。該系統的核心設備為AT89S52單片機,硬件電路中含有外擴鍵盤輸入以及LED外圍電路等。電阻爐控制系統硬件結構如圖3所示[3]。

圖3 電阻爐控制系統硬件結構框圖

3.1 溫度采集電路

該電路在系統中主要負責實時采集電阻爐的溫度數據,本研究在設計溫度采集電路時,將數字式溫度傳感器DS18B20作為該電路的關鍵設備,采用TO-92對傳感器進行封裝。DS18B20傳感器具有獨特的單總線接口方式,可通過復用的方式將地址線、數據線以及控制線整合成一根信號線,最終使溫度采集電路輸入和輸出的信號均為數字信號。在對傳感器與微機接口進行模擬時,需要充分利用AD轉換器以及其他外圍電路,該方式可使溫度采集系統的組成較為復雜。而采用數字式溫度傳感器DS18B20作為該電路的核心,有利于簡化該設備與單片機的接口,最大限度地降低成本以及體積,同時可提高溫度采集的可靠性[4]。

DS18B20數字式溫度傳感器的供電電壓為3.0～5.5 V,可測量的溫度范圍為-55～125 ℃,測量分辨率為0.062 5 ℃。當電阻爐的溫度在-10～85 ℃時,數字式溫度傳感器的精度為±0.5 ℃。僅需要一根信號線即可向DS18B20傳感器中寫入命令或者讀取數據。采用單根信號線可完成式中信號的傳輸,同時可傳輸數據,在DS18B20傳感器的支持下,可實現數據的雙向傳輸。為簡化系統硬件結構,在設計溫度采集通道時,省去了模數轉換電路,直接將單片機與溫度傳感器的數據引腳相連接,操作者可通過指令對傳感器的運行狀態進行控制,以此實現電阻爐溫度的精準測量[5]。

3.2 溫度控制部分

AT89S52單片機為控制部分的核心,通過AT89S52單片機完成電阻爐溫度的采集后,將采集的數據上傳至DS18B20數字式溫度傳感器,該傳感器可精準檢測電阻爐溫度數據,同時可將其轉換成數字信號。為計算出單片機的偏差數值,比較單片機采集溫度值與系統設定值。將偏差數值作為主要依據,采用PID控制算法作為該部分的核心算法,并計算出相應的控制輸出量,在控制周期內,通過D/A轉換電路控制固態繼電器的通斷占空比,最終精準控制輸出量與加熱器的工作狀態,以此實現電阻爐溫度的實時調節。本研究采用PWM調功方式設計D/A轉換電路,該電路相當于D/A轉換器。固態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值[6]。

3.3 人機接口功能

本研究為進一步提高系統的控制精度,設計出人機接口界面,該界面主要負責實時顯示電阻爐的過程溫度。在調節電阻爐的溫度設定數值與PID控制參數時,可通過控制系統的鍵盤完成參數的輸入,過程溫度最終顯示在LED顯示屏上。

4 基于單片機的電阻爐控制系統軟件設計

本研究在設計電阻爐控制系統的軟件部分時,將該部分劃分為數據采集、數值處理、PID控制算法、控制輸出等部分,在設計過程中,嚴格遵循自頂向下、模糊化的設計原則。電阻爐控制系統主程序流程如圖4所示。

圖4 電阻爐控制系統主程序流程圖

控制系統的主程序流程為:①對電阻爐溫度控制系統進行初始化操作,利用AT89S52單片機完成電阻爐溫度數據的采集;②將PID控制算法作為核心算法,通過該算法控制系統的精準度;③按照一定比例將變換量轉換成PWM波的時間,采用PWM調功方式控制固態繼電器,從而實現電阻爐加熱時間的精準控制。最終生成的數據可顯示在LED顯示屏上,便于操作者實時觀察電阻爐的運行狀態[7]。

4.1 PID控制算法

溫度PID控制的基本原理為:①計算出系統實際測量溫度與設定數值之間的偏差;②采用比例積分與微分對偏差數值進行相應的處理;③將得到的控制輸出信號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設定的溫度范圍內。

本研究采用增量式PID控制算法對系統進行設計,該算法具有編程簡單、占用存儲空間較少以及運算快等優勢,并且生成的控制數據可遞推使用,有利于提高系統的控制精度。增量式PID實際上指的是:數字控制器的輸出可看作控制量的增量Δu(k)。增量式PID控制系統結構如圖5所示。

圖5 增量式PID控制系統結構圖

通過對增量式PID進行離散化,可得到離散的PID表達式:

(1)

結合式(1)與遞推原理,最終導出的增量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)

通過對系統控制結果進行分析可知,系統的輸出與最近3次偏差存在一定關聯,在確定TS、TI、TD、TC的情況下,可將最近3次偏差結果作為主要依據,以此實現控制增量的計算[8]。

4.2 PID參數整定

為調節升溫速度與系統穩定性,采用PID參數設定的方式進行實現,不同控制對象的PID參數存在較大差異性,將不同PID參數在控制過程中的作用以及實現現象,對控制器的升溫速度進行具體調節。電阻爐溫度控制系統的調節結果如下:

(1)溫度可在最短的時間內達到設定值,但該過程易出現過沖較大的問題,產生該現象的原因是:比例系數過大,使加熱器溫度的上升比例過高,微分系數過小,使系統對控制對象的反應缺乏靈敏性。

(2)比例系數和升溫比例過小,易造成溫度小于設定值的時間較長,當積分系數小于標準范圍時,可產生恒定偏差補償不足的現象。

(3)能夠將電阻爐的溫度控制在目標值上,但上下偏差較大,易出現波動現象,產生該現象的原因為:微分系數過小,未能對即時變化迅速反應;積分系數過大,易使微分反應白淹沒和鈍化;系統設定的控制周期較短,加熱器未及時將數據上傳至測溫點上。

通常情況下,PID參數的整定過程為:先比例,再積分,最后微分。實際設定PID參數時,需要對其進行反復試驗與調試,充分結合實驗現象,選擇PID的最佳參數值。

5 基于單片機的電阻爐控制系統仿真測試

本研究為驗證電阻爐控制系統的有效性,將電阻爐作為被控對象,對其進行實驗測量。電阻爐的純滯后時間為120 s,τ=120 s,測得電阻爐絲溫度相對時間的階躍響應曲線,通過該曲線確定T=240 s,K0=0.5。被控對象的數學模型具有一階慣性帶延遲的特性,其公式為

(4)

控制系統的關鍵問題為采樣周期的確定,本研究在確定采樣周期時,將系統的穩定條件與控制器執行控制程序消耗的時間作為參考依據,對電阻爐進行反復加熱試驗,最終確定采樣周期為20 s,試驗過程中可得到被控對象的數學近似模型。為精準獲取PID參數,結合Matlab的仿真結果,并對控制參數進行反復調試,得到的PID參數分別為:Ti=66.7,Ki=4.5,Td=10。通過對電阻爐的測試結果進行分析可知,電阻爐的穩態特性符合設計要求[9]。

6 結 語

本研究為精準控制電阻爐的溫度,將AT89S52單片機作為核心設備,設計出電阻爐控制系統,單片機可實時控制電阻爐的運行狀態,使電阻爐的溫度穩定在某一個指定數值上,便于操作者精準調節溫度范圍。為進一步控制電阻爐的溫度,采用PID控制算法與PWM脈寬調制技術控制電阻爐的溫度,通過該方式消除系統的振蕩與超調現象,有利于提高系統的控制精度。將該系統應用于電阻爐工作現場,可有效保證電阻爐的安全性與可靠性。