孟凡宇，李國(guó)洪，孫曉偉

（1.天津理工大學(xué) 天津市復(fù)雜系統(tǒng)控制理論及應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300384；2.天津正本電氣股份有限公司，天津 300402）

0 引言

溫度調(diào)節(jié)器是PID參數(shù)模糊自整定和高智能化調(diào)節(jié)控制器。廣泛應(yīng)用于石油化工、發(fā)電和集中供熱等一切需要對(duì)溫度進(jìn)行PID調(diào)節(jié)、兩位控制和時(shí)間控制的場(chǎng)所?，F(xiàn)產(chǎn)品已應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，有良好的市場(chǎng)前景。

1 功能介紹

1.1 手動(dòng)控制

用戶(hù)通過(guò)控制器鍵盤(pán)，改變控制器輸出信號(hào)的大小，從而改變控制對(duì)象的輸入功率，達(dá)到修正被控參數(shù)的目的。一般地說(shuō)，手動(dòng)操作只是作為PID控制的初級(jí)調(diào)整，以減少PID投入過(guò)程的超調(diào)幅度，在測(cè)量值與給定值的偏差比較小時(shí)切換到PID控制，可以使被控參數(shù)的超調(diào)量減小，如果用手動(dòng)方式調(diào)整到被控參數(shù)的平衡點(diǎn)，再切換到PID狀態(tài)，可以做到無(wú)擾動(dòng)切換。從PID狀態(tài)可以直接轉(zhuǎn)換到手動(dòng)控制狀態(tài)，這就是業(yè)內(nèi)人員所說(shuō)的雙向無(wú)擾切換。

1.2 PID調(diào)節(jié)

又稱(chēng)比例、積分、微分調(diào)節(jié)，可以對(duì)溫度進(jìn)行無(wú)偏控制，控制器根據(jù)控制對(duì)象特性，在用戶(hù)設(shè)定參數(shù)的基礎(chǔ)上，再對(duì)PID參數(shù)按照模糊算法，進(jìn)行實(shí)時(shí)自動(dòng)調(diào)整，使控制器工作逼近優(yōu)化狀態(tài)，從而有效的縮短了過(guò)渡時(shí)間，減小了超調(diào)峰值，提高了控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。有效地克服了常規(guī)PID控制器的積分飽和現(xiàn)象，在很大的偏差范圍內(nèi)，就可以投入PID自動(dòng)控制模式。控制器可以把被控參數(shù)穩(wěn)定的控制在給定值附近，穩(wěn)態(tài)控制偏差量程精度可達(dá)±1%。

1.3 兩位控制

又稱(chēng)回差控制，當(dāng)控制器的測(cè)量值大于預(yù)先給定的上限值時(shí)，控制器輸出信號(hào)關(guān)閉控制對(duì)象的輸入功率，當(dāng)控制器的測(cè)量值小于預(yù)先給定的下限值時(shí)，控制器輸出信號(hào)開(kāi)啟控制對(duì)象的輸入功率。在連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程中，如果在關(guān)閉控制對(duì)象輸入功率期間，需要對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行某種人工操作，例如在軸承加熱過(guò)程中，需要更換加熱工件，根據(jù)更換工件操作時(shí)間，合理設(shè)置控制器的下限值，使換完工件稍后，控制器自動(dòng)送電，這樣可免于每次重復(fù)復(fù)位控制器的繁瑣，提高了工作效率。

如果不希望在被控參數(shù)下限處，控制器自動(dòng)啟動(dòng)功率輸入，可將被控參數(shù)下限值設(shè)定為環(huán)境參數(shù)以下，這樣被控參數(shù)永遠(yuǎn)下降不到下限值，控制器不會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)輸入功率。

1.4 時(shí)間控制

對(duì)于線性定常系統(tǒng)進(jìn)行斷續(xù)控制時(shí)，利用計(jì)時(shí)間接控制過(guò)程參數(shù)，可以省掉傳感器。例如：機(jī)械設(shè)備的軸和軸承屬于過(guò)渡配合，制造廠或檢修單位在安裝軸承時(shí)，需要對(duì)軸承進(jìn)行加熱處理，就可以通過(guò)對(duì)電磁加熱裝置的加電計(jì)時(shí)，控制軸承的加熱溫度。為了免于在不同環(huán)境溫度情況下，進(jìn)行摸索溫度和時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，在加熱第一個(gè)軸承時(shí)，建議采用兩位控制，設(shè)定好需要的溫度上限值、下限值。

在這種模式下，控制器再給加熱裝置送電的同時(shí)開(kāi)啟計(jì)時(shí)器，左邊四位數(shù)碼管每一秒鐘加一個(gè)數(shù)，當(dāng)工件溫度達(dá)到上限值時(shí)，控制器自動(dòng)關(guān)閉加熱電源，并停止計(jì)時(shí)，左邊四位數(shù)碼管的數(shù)值即是加熱工件所需要的時(shí)間，單位為秒。用戶(hù)可將該參數(shù)設(shè)定為時(shí)間控制模式的時(shí)間“A”值。當(dāng)加熱第二個(gè)工件時(shí)，可以改用時(shí)間控制模式，控制器再給加熱器送電的同時(shí)，會(huì)把設(shè)定的“A”時(shí)間值顯示在左邊四位數(shù)碼管上，并且減數(shù)進(jìn)行倒計(jì)時(shí)，當(dāng)?shù)箶?shù)值為0時(shí)，控制器自動(dòng)關(guān)閉加熱電源，更換完工件需要再加熱，點(diǎn)擊“CON”即可，周而復(fù)始重復(fù)上述動(dòng)作。

2 參數(shù)含義

控制器采用8位數(shù)碼管做顯示器，顯示器按照功能分為兩段，左邊4位為第一段，右邊4位為第二段。第一段作為功能參數(shù)顯示段，第二段為過(guò)程參數(shù)顯示段，各段左面第一位為功能顯示位，功能位右邊三位為參數(shù)顯示位。

第一段功能位顯示“C”的反像，其右邊3位數(shù)字表示控制模式選擇參數(shù)，有效值0-3，因此只有個(gè)位數(shù)有效，“0”表示手動(dòng)操作控制模式，“1”表示PID控制模式，“2”表示兩位控制模式，“3”表示時(shí)間控制模式，可根據(jù)需要設(shè)定參數(shù)。

第一段功能位顯示“P”，表示右邊三位參數(shù)是比例增益，該參數(shù)可以人工設(shè)定初值，控制器按照模糊控制算法自動(dòng)進(jìn)行修正。

第一段功能位顯示“D”，表示右邊三位參數(shù)是微分增益，該參數(shù)可以人工設(shè)定初值，控制器按照模糊控制算法自動(dòng)進(jìn)行修正。

第一段功能位顯示“L”，表示右邊三位參數(shù)是積分增益，該參數(shù)可以人工設(shè)定初值，控制器按照模糊控制算法自動(dòng)進(jìn)行修正（積分通用符號(hào)應(yīng)當(dāng)是“I”，考慮容易與“1”混淆采用“L”代替）。

第一段功能位顯示“C”，表示右邊三位參數(shù)是PID控制的給定值。根據(jù)工藝要求，在可控制范圍內(nèi)自由設(shè)定該參數(shù)值。

第一段功能位顯示“N”，表示右邊三位參數(shù)表示兩位控制的下限設(shè)定值。根據(jù)工藝要求，在可控制范圍內(nèi)自由設(shè)定該參數(shù)值。

第一段功能位顯示“U”，表示右邊三位參數(shù)表示兩位控制的上限設(shè)定值。根據(jù)工藝要求，在可控制范圍內(nèi)自由設(shè)定該參數(shù)值。

第一段功能位顯示“A”，表示右邊三位參數(shù)表示定時(shí)設(shè)定值。根據(jù)工藝要求，在可控制范圍內(nèi)自由設(shè)定該參數(shù)值。

第二段功能位顯示“A”的倒像，表示右邊三位參數(shù)是控制器運(yùn)行過(guò)程中。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的過(guò)程參數(shù)。

3 硬件電路設(shè)計(jì)

溫度調(diào)節(jié)器硬件電路主要由系統(tǒng)處理電路與PID控制回路組成。

3.1 系統(tǒng)處理電路

主要將采集到得溫度信號(hào)進(jìn)行處理輸出給發(fā)光二極管進(jìn)行顯示，同時(shí)完成測(cè)量值與給定值得比較，將比較后的信號(hào)輸出給PID回路，分別調(diào)節(jié)PID回路的比例、積分和微分系數(shù)，完成對(duì)被控對(duì)象的控制，主芯片采用STC12C5410AD，其內(nèi)部具有A/D轉(zhuǎn)換功能，可以減少外圍電路，降低了系統(tǒng)的功耗。具體外圍電路如圖1所示。

3.2 PID控制回路

主要將主芯片比較后的結(jié)果進(jìn)行放大，同時(shí)可以通過(guò)手動(dòng)控制方式調(diào)節(jié)相應(yīng)的電位器，實(shí)現(xiàn)對(duì)比例、積分、微分系數(shù)的調(diào)節(jié)。具體框圖如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)處理電路框圖

圖2 PID控制回路框圖

4 軟件設(shè)計(jì)流程

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)思路系統(tǒng)上電后，先完成初始化程序，其中包括初始化P口、端口初始化、設(shè)置輸出模式。初始化結(jié)束后進(jìn)入主程序，進(jìn)行定時(shí)器初始化，開(kāi)啟看門(mén)狗程序，溫度譯碼表的編制，A/D轉(zhuǎn)換，平滑濾波，標(biāo)度變換，十進(jìn)制數(shù)各位分解，補(bǔ)償后溫度標(biāo)度反變換等。具體設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

圖3 軟件設(shè)計(jì)流程

5 調(diào)節(jié)器的組成與調(diào)試

調(diào)節(jié)器的輸入通道為一路PT100鉑電阻，熱電偶4mA～20mA輸入兩路。輸出通道為脈寬輸出，可驅(qū)動(dòng)固態(tài)繼電器、調(diào)節(jié)閥、變頻調(diào)速器等一切可接收4mA～20mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

一般來(lái)說(shuō)控制器在通電之前需要對(duì)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，控制器加電后自動(dòng)進(jìn)入等待命令狀態(tài)，如果上次運(yùn)行前已經(jīng)對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行過(guò)設(shè)置，并且本次不想更改上次參數(shù)，此時(shí)點(diǎn)擊“CON”鍵，控制器將按照上次設(shè)定模式立即進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)?！癛ST”是復(fù)位鍵，控制器具有加電復(fù)位功能，剛加電時(shí)控制器已經(jīng)自動(dòng)復(fù)位，再點(diǎn)擊“RST”鍵控制器會(huì)原地踏步。

控制器的模式設(shè)定需要根據(jù)應(yīng)用對(duì)象特性不同進(jìn)行選擇，具體模式功能請(qǐng)參照功能介紹部分。

6 結(jié)束語(yǔ)

裝置經(jīng)對(duì)溫度有嚴(yán)格要求的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試后，運(yùn)行效果良好，調(diào)節(jié)動(dòng)作及時(shí)和準(zhǔn)確，滯后時(shí)間小，即保證了工作人員的人身安全，也保證了設(shè)備可靠安全的運(yùn)行，受到了工程技術(shù)人員的親睞，有良好的發(fā)展前景。

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