微型机控制系统应用实例温度控制.docx

微型机控制系统应用实例温度控制.docx

《微型机控制系统应用实例温度控制.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《微型机控制系统应用实例温度控制.docx（11页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

微型机控制系统应用实例温度控制

微型机控制系统应用实例

     在工业生产过程中，微型机控制已得到了广泛的应用，在石油、化工、钢铁、汽车、医药、电力、煤炭、轻工等各领域都有很多成功应用的实例。

下面仅就生产过程中经常遇到的温度控制系统的应用实例作一介绍。

 温度在很多工业生产过程中是主要的被控参数之一，因为任何物理变化和化学反应的过程都与温度有关。

在钢铁、机械、石油化工、医药、电力及轻工各类工业中的很多生产环节要求按照一定规律控制温度。

现以电阻炉炉温控制系统为实例，说明微型机直接数字控制系统的一般设计步骤和具体方法。

1．工艺要求

（1）电阻炉选用型号：

CKS一70一1型

     使用电压范围：

0～220V（AC）

     允许最高温度：

256℃

     功率：

700W

（2）电阻炉温度控制通过PWM脉冲调宽功率放大器，再经SSR固态继电器，来提供电阻炉炉丝的供电电压。

 （3）工艺要求炉温的控制过程包括两个阶段。

   ①自由升温段：

要求炉温快速升温到90℃。

    ②保温段：

炉温升至90℃后要求温度维持90℃基本不变。

升温段用自由升温的办法，即对升温速度没有限制，当升温到90℃时，要求保温4h，然后打开炉门，让其自然冷却。

整个系统的升温、保温、降温过程如图1．1（a）所示。

炉温的检测元件采用铂电阻，放在炉中的隔板正中，所检测的炉温用u来表示。

对保温段的控制要求：

超调量σp≤15％，过渡过程时间ts≤120min，一2℃≤静态误差es≤+2℃。

为了满足上述要求，就要对控制系统进行设计，这就要求了解被控系统的特性。

首先了解被控系统的特性，建立系统的数学模型，作为设计自动调节系统的依据。

炉温控制系统是常见的确定性系统，采用飞升曲线测量方法，测出炉温控制系统的飞升曲线，即可得到控制对象的数学模型，如图1．1（b）所示，由图可知它是带有纯滞后的一阶惯性环节，其

图1．1 飞升曲线

传递函数为

      Wd=

=

式中：

——纯滞后时间；

      T1——对象的时间常数；

      C（s）——对象输入信号c（t）的拉普拉斯变换；

      y（s）——对象输出信号y（t）的拉普拉斯变换；

      K——系统的放大倍数。

                K=

其中：

Cmax,Cmin——调节器输入信号可能取的最大值与最小值；

      ymax,ymin——对象输出的最大值与最小值。

 这样就求出了一阶对象炉温系统的三个参数K，

T1。

 这里要说明的是：

在测试飞升曲线时，一般阶跃信号不从零开始。

这样会使系统造成很大的非线性，影响被测对象正常工作。

一般的作法是给调节对象输人到c1使对象开环稳定运行于实际工况附近（如70℃），并以此输出值作为纵坐标的原点（0值）。

然后在：

t=t0时加一正阶跃输入

，使对象输出随之向上变化，最后稳定在某一值（如对应为90℃），定此值为1（即为100％）。

在t=t1，时，再加一负阶跃输人一

，使对象输出随之向下变化，最后又稳定在0值处（比如又回到70℃）。

从这过程开始，我们按照一定时间间隔，把函数yi=f（t）和ci=f（t）的数据记录下来，并画出如图1．2所示的飞升曲线。

这样就可以根据上

升曲线和下降曲线得到被控对象电阻炉的纯滞后时间和系统的时间常数

及

。

将所测的两个纯滞后时间和两个时间常数分别取平均值，确定为对象的纯滞后时间

和时间常数

。

系统的放大倍数K为控制对象的输出稳态值

（输入增量）与输入阶跃值

（输入增量）之比，即

图1．2 飞升曲线

2．控制算法的选择和参数的计算

 要使系统满足上述提出的控制要求，有很多种控制方法，如PID调节规律、纯滞后补偿、大林算法及最优化控制等。

选用PID调节规律对炉温进行控制，调节的灵活性较大，只要在程序上稍加改变就可以达到改善控制质量的目的。

针对不同的被控对象，除PID调节外还可采用一些不同的运算方法，如只选用积分、比例积分或比例微分等。

对于本例电阻炉炉温的控制来说：

（1）当T≤90℃时为自由升温段，只要求升温越快越好，所以应将加热功率全开足，即全量输出。

为避免过冲，将自由升温上限定为80℃。

即当T≤80℃时，Pi最大（全量输出）。

也就是说在自由升温段，采用全量输出对系统进行开环控制。

（2）当T>80℃时，已接近需要的保温值90℃。

此时采用保温段控制方法，如采用比例控制，因炉丝电压尸的变化和炉温变化之间存在很大的时间延迟，因此当以温差来控制输出，即比例控制时，系统只有在炉温与给定值（保温温度）相等时才停止输出。

这时由于炉温变化的延迟性质，炉温并不因输出停止而马上停止上升，从而超过给定值。

而且只有在炉温上升到一定高度后，才开始下降，并继续下降到略小于给定值时，系统才重新输出。

同样由于炉温变化落后于输出，它将继续下降。

从而造成温度的上下波动，即所谓振荡。

考虑到电阻炉上述的滞后影响，调节规律必须加入微分成分，即PD调节。

PD调节系统输出不仅取决于温度大小，还取决于温差的变化率。

所以当炉温还小于给定值时，由于温差逐渐减小，即其变化率为负，系统则可提前减少或停止输出，使炉温不致于出现过大的超调，从而改善了炉温调节的动态品质。

积分作用，可以减小控温的静态误差，适当选择积分的作用，可在不影响动态性能下减小控温的误差。

所以保温段控制通常采用闭环的PD控制方法，也可以采用闭环的PID控制方法。

   连续系统PD校正的控制可表示为

    P=Kp（E+

）

式中：

e=uo-ui；

     uo—给定值；

     ui—反馈值。

   PD离散算法可表示为   ．

     Pk=Kp[

]+M

式中：

M——常数项，作为稳定值时所需的保温功率。

 在编制控制算法程序时，可用下面的实际算法：

     Pk=A

+M

 =

式中：

A=Kp（1+Td／T）；

      B=KpTd／T；

      Ek=uok-uik；

      Td——微分时间常数；

      Kp一一比例系数；

      T一一采样周期。

根据如下经验公式，可求．出Kp,Kd

式中：

K一一控制对象放大倍数；

一一控制对象的时间常数；

——控制对象纯滞后时间。

 初值可以取

，算法程序每步要计算其中的

其中

用于计算下步

。

 采样定理给出了选择采样周期的原则，对于电阻炉炉温控制，由于炉温变化是一个缓慢过程，微型计算机所提供的运算速度，足以满足采样周期的要求，所以采样周期T的选择有很大余地。

根据上述原则和实践经验，对电阻炉炉温的采样周期可选1min～2min左右。

3．微型计算机机型的选择及总体设计   

计算机直接数字控制系统主要是由三部分组成，即被控制对象、微型计算机、输入输出接口及外围设备。

电阻炉炉温控制系统是一个慢过程，采样周期选为1min～2min。

对该系统实行计算机直接数字控制，其输入输出均为单通道，输入采样是炉温，计算机按PD调节规律计算出的控制量输出，经小功率脉冲调宽放大器（PWM）及固态继电器（SSR）输出给电阻炉炉丝。

如采用模数转换器为八位的数字量输入和八

位的数字量输出，在计算精度上要求不是很高的情况下，可选择8086（8088）CPU微型计算机，它以8086（8088）CPU为中央控制器，其指令系统比较完备，给程序设计提供了很大的灵活性。

8086（8088）微型机可选用并行输入输出接口模板和计时计数模板供用户使用。

4.系统硬件

 本例选用8086CPU微型机为控制核心组成电阻炉炉温自动控制系统的硬件结构。

 8086处理器将运算结果传送给ADC0832数模转换芯片，再经运算放大器和PWM及SSR输出给电阻炉炉丝。

电阻炉的炉温采用铂电阻作为检测元件，接到电桥的一臂。

电桥的输出电压经运算放大器送至模数转换芯片ADC0809转换成数字量，再经CPU采样输人计算机。

采样周期为lmin～2min的延时周期。

 由采样检测到的炉温，经CPU按控制运算规律计算出的控制量输出给外部设备（电阻炉）后，在下次采样周期未到之前，将采样炉温和输出值在PC显示器上进行显示并通过打印机打印。

采用以上部件就构成了电阻炉炉温的自动控制系统，如图1．3所示。

图1．3 电阻炉炉温控制系统框图

 下面就构成微型计算机控制系统输人部分的检测元件作一简单介绍。

 炉温的检测可选用电阻温度计或热电偶等元件。

检测温度范围在一120℃～+500℃内经常采用电阻温度计；检测温度范围在0～256℃及温度稍低一些的可采用热电阻检测温度。

选用铂电阻来检测，实现检测的方法是，将铂电阻Rt两端引出与其他三个电阻R1,R2,R3（见图1．4）组成电桥，当炉温发生变化时，铂电阻的电阻值将发生变化，根据铂电阻随温度变化的特性，就可在铂电阻两端相应输出不同的电压值。

 电阻值随温度变化的变化率为

℃）

 如我们选用分度号为BA2的铂电阻，在环境温度为0℃时，R=100Ω，温度每变化1℃，电阻值变化0.39Ω/℃，即

0.39Ω/℃。

当炉温发生变化时，铂电阻的温度也随之变化，在电桥的两端就可输出不同的龟压值，经运算放大器F032输出给ADC0809模数转换芯片转换成数字量，从8086CPU数据总线输人，这样就完成了炉温温度检测。

改变运算放大器的反馈电阻数值时，可以得到不同的放大倍数，满足对电阻炉炉温检测值的最大要求。

图1．4 微型计算机自动控制炉温系统结构框图

5．软件程序编制   、

在前面讨论控制算法时，已根据控制对象确定了系统的控制规律。

要实现上述控制规律，首先对炉温每隔lmin～2min（或根据实际调试而定）进行一次对炉温的采样，然后根据采样数据，进行全量输出FFH（当采样炉温小于或等于80℃时）或按PD规律进行运算后适量输出（炉温大于80℃时），并对采样的炉

温温度和输出值进行显示。

当到达采样周期时又开始采样、运算输出，重复上述过程，从而达到自动控制炉温的目的。

 因系统采用8086CPU计算机构成，所以程序可采用8086的指令系统也可用C语言编写，程序中的数据和地址均采用16进制代码。

在程序中要设置好数据区，数据区存放运算中所需参数（A，B，Uo，M，Ro）和运算过程中需要保留的数据（Ek,Ek-1,Rk,Rk-1）的代码。

软件编程包括以下几部分：

主程序，A／D控制延时子程序，PD算法子程序及输入和输出显示子程序。

（1）主程序

图1．5 主程序框图            图1．6 控制算法子程序框图

 在主程序中，首先执行初始化程序，然后启动ADC0809进行转换，经147.6μs的延时ADC0809输入的模拟量转换成数字量，CPU再对炉温进行采样，将采样的数据与50H（80℃）进行比较。

若炉温小于或等于50H，则进行开环控制全量输出，同时将采样存储地址加1，为下次采样存储做好准备。

在采样周期未到时，显示炉温Uk和输出Pk值。

当炉温大于50H时就进行PD运算，运算后看是否有溢出，如有溢出就输出00H,如无溢出，则将计算的Pk值放大27倍，作为控制量输出。

放大27倍是为了补偿输人量衰减2-7，在采样周期未到时显示炉温Uk和输出Pk值。

（2）PD控制算法子程序 

子程序流程图如图1．6所示。

6.系统调试

（1）单元调试 分别对铂电阻及其放大电路、模拟量输人电路、模拟量输出电路进行调试。

（2）程序调试 首先对各子程序及中断服务子程序进行调试，然后对系统主程序和子程序进行局部联调。

   ．

 （3）系统调试 在硬件单元调试和程序调试的基础上，根据整个系统原理及接线图

连接各单元组成电阻炉炉温控制系统，然后运行程序，记录各采样时刻的温度值和输出值。

适当调整Kp，Kd和M等参数，使系统的性能达到要求的指标。

（4）调试结果分析 从调试过程曲线和结果看，所得结果是否满足各项性能指标要求分析出哪些是影响炉温调节性能的主要参数：

如采用PD控制时，进入PD调节温度值

，电阻炉保温值M及Kp，Kd等参数。

为改善系统的性能指标，还可以考虑采用其他的措施，如引入积分环节，或在进入PID调节之前，采用温度值经过恒速升温过程的办法’以减少超调量；再如可选用10位或10位以上的A／D或D／A转换芯片以提高采样输出精度。