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        電加熱爐計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的研究

        2014-11-17 10:27:26侯曉音
        企業(yè)導(dǎo)報(bào) 2014年18期

        侯曉音

        摘 要:本文就是在沒有用數(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象,針對電加熱爐的特點(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),滿足了溫度控制穩(wěn)定性的要求,并且在PC機(jī)上用高級語言實(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)簡單、靜動態(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)過程控制對象,在我國應(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)主要是由熱偶測量電路、冷端補(bǔ)償電路組成的信號輸入電路和由CD4051、ICL7135等組成的控制電路構(gòu)成。首先輸入電路對溫度信號進(jìn)行采集放大,然后將該信號送往多路復(fù)用器/分配器CD4051,在單片機(jī)的控制下對熱偶測量電路信號進(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。熱偶測量電路主要是由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)境溫度對信號采集的影響。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,這樣通過外設(shè)來達(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)熱偶測量電路部分。熱偶測量電路部分主要負(fù)責(zé)對溫度信號的采集、放大。加熱爐工作后,采集到的信號經(jīng)過熱偶電路放大、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。

        信號采集到以后,經(jīng)過放大處理送到控制電路部分。

        OPA2335使用起來十分簡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)送來的信號并進(jìn)行1至8路模擬信號的選擇與切換,

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

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

        B、C三個(gè)端口,產(chǎn)生八組控制信號具體如下:

        CPU產(chǎn)生控制信號以決定那組信號進(jìn)行選擇后,CD4051把經(jīng)過放大的熱偶測量信號輸入到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,來產(chǎn)生控制CD4051的信號,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)看門狗X25045??撮T狗X25045有三種功能,看門狗定時(shí)、電壓監(jiān)視、E2PROM組合在單個(gè)封裝之內(nèi)??撮T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電壓來供電,具有片內(nèi)偶然性寫保護(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)測控制、解耦控制和變結(jié)構(gòu)控制等。這類控制方法由于數(shù)學(xué)工具深奧,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)繼電器來控制加熱爐的爐溫,用熱電偶來對溫度信號進(jìn)行測量。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)來控制加熱爐是本次設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn),這些無論是理論上還是在實(shí)踐上都有很大的意義。

        參考文獻(xiàn):

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