吳興純，趙金燕，楊秀蓮，楊燕云

（1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 基礎(chǔ)與信息工程學(xué)院，云南 昆明 650201；2.云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 國資處，云南 昆明 650201）

電加熱爐是科學(xué)實驗、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中最常見也是最常用的加熱設(shè)備，由于爐子種類與規(guī)格、加熱對象的不同，它們所構(gòu)成的系統(tǒng)千差萬別[1]。溫度作為一個重要檢測和控制參數(shù)，對其控制的好壞直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。電加熱爐種類繁多，控參數(shù)通常具有時變性、非線性、不確定性等特點，對其控制方案的研究不論在基地式儀表時代還在現(xiàn)在的智能化儀表時代，都是很熱門的對象。在現(xiàn)有溫度控制儀表的配置加熱系統(tǒng)中，大多數(shù)只配有一組加熱元件，當(dāng)溫度達到調(diào)控點時，便切斷電源進行保溫，隨著時間的推移，溫度降到一定數(shù)值后啟動該組件元件的電源供電進行加熱，從此周而復(fù)始，動作頻繁。用作測溫的傳感器，當(dāng)溫度上升到設(shè)定點溫度時，必然有一個時間的滯后性，使被控溫場沖過溫控點，而過沖幅度與熱功率的大小成正比，與溫場的大、小成反比。PID控制器雖然具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便等優(yōu)點，但加熱系統(tǒng)與PID控制器設(shè)計的不匹配現(xiàn)象也廣泛存在[2]。本文采用80C52單片機、數(shù)字PID算法來設(shè)計的電加熱式恒溫控制系統(tǒng)，參數(shù)調(diào)整方便，實時性能好，達到超前控制的目的，具有遲滯控制穩(wěn)定性的抗干擾能力，可以大大提高控制質(zhì)量和自動化水平，實現(xiàn)發(fā)溫度控制儀表的數(shù)字化與智能化。本系統(tǒng)可應(yīng)用于孵蛋、細菌培育等恒溫系統(tǒng)進行溫度控制。

1 控制方案設(shè)計

溫度場是一個梯度場，溫度的上升或下降隨時間緩慢變化。電加熱爐溫度控制過程可以用自然降溫、程序升溫和恒溫保持3個分過程來描述[1]。自然降溫：停止加熱，環(huán)境溫度在整個過程中保持不變，受控溫度場最終穩(wěn)定為環(huán)境溫度。程序升溫過程：給定電壓值為一變化值，由程序控制逐漸變化，最終使?fàn)t溫的穩(wěn)定在給定值上。恒溫保持：給定爐溫為一定值，使?fàn)t溫穩(wěn)定在給定值上，這時受控場溫度恰好抵消散熱因素的影響而能夠維持在所設(shè)定的溫度。實驗和經(jīng)驗表明，電加熱爐對象可近似為一個純滯后環(huán)節(jié)和一個慣性環(huán)節(jié)組成，其傳遞函數(shù)為：

τ為純滯后時間，K為放大倍數(shù)，T為慣性時間。在滯后時間和慣性時間均不太大、控制對象非線性小，參數(shù)時變性小的場合，PID控制是一種最直接最有效的控制方法。本文采用數(shù)字PID控制技術(shù)，設(shè)計了一個實驗室可用、中小型的、溫度在環(huán)境溫度至此320℃范圍內(nèi)可調(diào)的電加熱爐溫度控制系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 爐溫控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Block of the temperature control system

系統(tǒng)采用溫度傳感器對爐膛內(nèi)的實時溫度進行檢測、轉(zhuǎn)換、采樣，所得的檢測信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送入單片機，并與單片機內(nèi)預(yù)先設(shè)定的溫度給定值加于比較得出偏差，偏差送入控制器，單片機執(zhí)行偏差的PID數(shù)字運算得到可控硅的觸發(fā)脈沖，并由這個觸發(fā)脈沖調(diào)節(jié)可控硅的導(dǎo)通時間，從而調(diào)節(jié)電爐絲與風(fēng)扇的兩端電壓形成控制作用，使?fàn)t溫保持恒定。

2 軟、硬件設(shè)計

2.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計

控制器的核心是80C52單片機，其硬件框圖如圖2所示。系統(tǒng)采用AD590溫度傳感器電路把溫度轉(zhuǎn)換成0～5 V[3]的電壓信號，再由轉(zhuǎn)換器A/D8080轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送入單片機80C52。單片機根據(jù)系統(tǒng)的給定溫度和實際測量值比較得出偏差，再利用PID算法求出控制量U（kT）。通過U（kT）來決定輸出觸發(fā)脈沖的寬度，從而控制可控硅的導(dǎo)通時間，最終達到控制溫度的目的。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Block diagram of the hardware system

微機系統(tǒng)主要由CPU80C52，并行接口8255A，地址鎖存器74LS373構(gòu)成。

AD590是電流型溫度傳感器，用于精密溫度測量電路。在被測溫度一定時，AD590相當(dāng)于一個恒流源，通過對電流的測量可得到所需要的溫度值。

A/D0808是8位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器件，采用CMOS結(jié)構(gòu)，包括8位的A/D轉(zhuǎn)換器、8通道的多路模擬開關(guān)和與微處理器相兼容的控制邏輯。8通道多路模擬開關(guān)能直接與8路單極性模擬信號中的任何一個相連。片內(nèi)還具有8路模擬開關(guān)通道地址鎖存器和地址譯碼器、電壓比較器、256R電阻T型分壓器、數(shù)字模擬開關(guān)陣譯碼器、逐次逼近寄存器SAR、邏輯控制與定時電路、輸出具有TTL電平標(biāo)準(zhǔn)的三態(tài)輸出數(shù)據(jù)鎖存緩沖器，直接掛接在單片機單片機的數(shù)據(jù)總線上。

單片機 80C52是一種集 CPU、RAM、ROM、I/O接口和中斷系統(tǒng)等部分于一體的器件，只需要外加電源和晶振就可實現(xiàn)對數(shù)字信息的處理和控制。

8255A芯片[3]用來擴展I/O口，它有3個輸入輸出端口，PA口接測量顯示的LCD液晶顯示器，PB口接給定溫度顯示的LCD液晶顯示器，PC口控制LCD的選通，8255A的地址通過鎖存器74L373選擇，這樣就很好的解決了單片機端口資源不足的問題，并且各個模塊功能清晰。

2.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計

2.2.1 程序流程

程序流程如圖3所示。系統(tǒng)程序包括主程序、對80C52單片機硬件電路的初始化、顯示程序、鍵盤處理程序等[3-4]?？刂破鞯能浖饕▋刹糠郑罕O(jiān)控程序和控制程序。監(jiān)控程序的主要功能包括初始化設(shè)置、內(nèi)存清零、定時采樣、健位操作和顯示等?？刂瞥绦虻闹饕δ馨ǘ〞r、數(shù)據(jù)處理、溫度控制子程序等。該系統(tǒng)的軟件是在80C52單片機仿真開發(fā)環(huán)境下采用基于51系列的C語言編寫的，用C語言來設(shè)計程序大大提高了開發(fā)調(diào)試的工作效率。

圖3 程序流程圖Fig.3 Flow chart of control program

2.2.2 溫度控制算法設(shè)計

PID控制器具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便等優(yōu)點，是控制理論中技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛應(yīng)的一種控制技術(shù)[4-5]。所謂的PID控制，就是按偏差的比例、積分、微分進行控制。想模擬PID調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律為：

式中 u（t）是 PID 調(diào)節(jié)器的輸出量，e（t）是 PID 調(diào)節(jié)器的輸入量，Kp為比例系數(shù)，Ti為積分時間常數(shù)，Td為微分時間常數(shù)。 令 t=kT，于是 u（t）≈u（kT），e（t）≈e（kT），代入到（2）得

PID控制的形式多種多樣，常用的通常有位置式和增量算式。根據(jù)對象的特點，該系統(tǒng)采用PID增量式控制算法。所謂的 PID 的增量算式[5]，就是根據(jù)式（3）計算出 u（kT-T），通過計算 △u（kT）=u（kT）-u（kT-T）得到 PID 增量算 △u（kT），即第k次采樣輸出算式為：

令 up（kT）=KP[e（kT）-e（kT-T）]，uI（kT）=K1e（kT），uD（kT）=KD[e（kT）-2e（kT-T）+e（kT-2T），（4）式變?yōu)椋?/p>

把上式改寫為另一種形式：

圖4 增量式PID程序流程圖Fig.4 Flow chart of PID control program

3 實驗結(jié)果與系統(tǒng)仿真

在Keilu Vision3中建立一個文件，在代碼框中輸入程序代碼，檢查調(diào)試代碼無誤后運行程序生成.HEX文件，打開PROTEUS的原理圖編輯及仿真界面，并在界面中打開事先設(shè)計好的電路圖，最后把轉(zhuǎn)換好的二進制文件加載入80C52單片機，點擊運行調(diào)試按鈕就可以進行硬件和軟件的仿真[6]。

該系統(tǒng)爐溫在一定范圍內(nèi)根據(jù)實際控制對象可以人工設(shè)定，圖5為電加熱爐溫度設(shè)定值在50、100、150和300℃時的升溫曲線圖。從圖中可以看出，爐溫獲得了良好的控制，各項指都達了電加熱爐加熱對象要求起跳快、調(diào)量小、控制平穩(wěn)的技術(shù)指標(biāo)。

圖5 電加熱爐在50、100、150和300℃時的升溫曲線圖Fig.5 Rising temperture curves of electric heater in 50℃、100℃、150℃ and 300℃

4 結(jié)束語

該系統(tǒng)經(jīng)驗證能充分實現(xiàn)溫度的實時控制與顯示、設(shè)定顯示，達到智能數(shù)字控制儀表的要求。試驗表明，該系統(tǒng)具有良好的升溫、降溫特性，靜態(tài)、動態(tài)指標(biāo)均達到了控制要求，系統(tǒng)精度高，自適應(yīng)能力強，可靠性高，抗干擾性強，控制界好等特點。系統(tǒng)的超調(diào)量小于4%，調(diào)節(jié)時間在溫30～100范圍內(nèi)均6 min小于，爐溫達到了很好在控制效果。改小溫度設(shè)定值，該系統(tǒng)可應(yīng)用于孵蛋、細菌培育等場合恒溫控制。該控制器的設(shè)計方法在熱處理、化工、機械加工、金屬冶煉等行業(yè)爐溫控制器設(shè)計中具有一定的借鑒意義和推廣價值。

[1]李林琛.電加熱爐溫度控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立及驗證[J].北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2010，9（4）：23-25.LI Lin-chen.Research on mathematical model of temperature control system for electric heaters[J].Journal of Beijing Polytechnic College， 2010，9（4）：23-25

[2]陳天榮.溫度控制儀表的現(xiàn)狀與改進 [J].內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟，2008，6（11）：99-101.CHENG Tian-rong.Status and rising ofthe temperature control Appliances[J].Inner Mongolia Science Technology and Economy， 2008，6（11）：99-101.

[3]胡漢才.單片機原理及其接設(shè)計[M].2版.北京：清華大學(xué)出版社，2004.

[4]Sung S W.New process identification method for automatic design of PID controllers [J].Automatic， 1998，34 （4）：513-520.

[5]李正軍.計算機測控系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用[M].1版.北京：機械工業(yè)出版社，2004.

[6]周潤景，張麗娜.基于PROTEUS的電路及單片機系統(tǒng)的設(shè)計與仿真 [M].2版.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006.