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        基于熱電偶的模糊加權(quán)解耦控制在多路溫控器中應(yīng)用研究

        2019-09-10 07:35:13張鑫史超張壹勝胡鵬段可新
        大眾科學(xué)·上旬 2019年5期

        張鑫 史超 張壹勝 胡鵬 段可新

        摘 要:通過對模具溫控裝置的現(xiàn)狀分析,設(shè)計了基于熱電偶的模糊加權(quán)解耦控制的32路的溫度控制系統(tǒng),介紹了該系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)、抗干擾設(shè)計、控制算法,并對控制精度進行了探討。通過熱電偶加權(quán)解耦來獲得冷端補償電位值,然后,將微機內(nèi)和熱電偶的實際的輸出電位代數(shù)相加,通過熱電偶加權(quán)解耦,可以換算該代數(shù)和實測溫度。通過計算得到高精度的潛在溫度值,然后根據(jù)潛在的溫度值得到相應(yīng)的溫度值。因此,實現(xiàn)了實際線性,降低了放大器的溫度漂移和非線性漂移的影響。研究結(jié)果顯示,本文實際的系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、精度高、應(yīng)用范圍廣的特點。

        關(guān)鍵詞:熱電偶;溫度控制;多路溫控器;模糊加權(quán)解藕控制

        1引言

        近幾年來,溫度控制系統(tǒng)被人們廣泛采用。以取代傳統(tǒng)的模擬控制方法,以改進控制系統(tǒng)的績效指標,并改進控制功能。由于需要確保溫度的均勻性和測量點的數(shù)量,過去使用了多個微機控制系統(tǒng),這反過來又導(dǎo)致了控制系統(tǒng)的復(fù)雜性、功能不便以及多個系統(tǒng)的分散控制問題[1]。溫度常常是結(jié)構(gòu)和參數(shù)的不確定性、重大延誤和變量、難以獲得準確的數(shù)學(xué)模型、在最需要的環(huán)境中使用傳統(tǒng)方法往往無法達到預(yù)期的控制效果[2]。在大量熱裝置中,傳感器被廣泛用作溫度傳感器。但是,自動調(diào)溫器與溫度之間的非線性特征對應(yīng)用產(chǎn)生了許多不利影響。雖然某些線性方法,例如繪制界線,但測量誤差仍可視為熱負荷的線性要素[4]。因而,發(fā)展多通道、正確的用戶界面、溫度的精準控制對于簡化硬件設(shè)計并提高系統(tǒng)的準確性非常重要。微機電路用于監(jiān)測生產(chǎn),故障自診斷,同時控制多個溫度控制區(qū)域。提出了一種算法簡單、解耦效果好、適應(yīng)參數(shù)變化的多變量模糊控制方法,應(yīng)用于現(xiàn)代生產(chǎn)線,效果好。

        2 整機結(jié)構(gòu)及工作過程

        硬件系統(tǒng)的塊圖如圖1所示。從下圖中可以看出,該系統(tǒng)由單芯片微型計算機、傳感器、放大濾波器、鍵盤、液晶、溫度補償單元組成。該參數(shù)可以用標準偏差表示,可以用標準偏差的倍數(shù)或置信區(qū)間的半值寬度表示,所有的測定結(jié)果都有不確定度。系統(tǒng)中,溫度傳感器采用k分度號的熱電偶,在0℃時輸出電壓為0,溫度系數(shù)約為22μV/℃,通道選擇由4片4051組成,擴展控制口、輸出緩沖采用8255、7407,系統(tǒng)的執(zhí)行單元采用固態(tài)繼電器。但是,由于被控對象存在熱慣性,將會導(dǎo)致被控對象的實際溫度值在溫度給定值附近出現(xiàn)上、下振蕩現(xiàn)象。

        系統(tǒng)硬件工作原理是對溫度傳感器控制的工作臺溫度進行測量,所產(chǎn)生的微弱電壓信號,經(jīng)過冷端補償前置放大、濾波,輸出反饋信號。相反,試驗中的熱電偶為K,補償電纜在直流直接電流后連接,直接測量熱能量的動態(tài),并使用熱空氣溫度計算進行環(huán)境溫度修正。表1說明了邏輯控制和數(shù)據(jù)收集過程。在表1的3個步驟之后,單芯片微型計算機計算并查看表的頂部,計算溫度的精確值,輸出串行端口數(shù)據(jù),并按數(shù)字管顯示,然后在下一個工作周期之間進行查看。溫控裝置的冷端暴露于工作環(huán)境中,因此,冷端溫度可被認為符合操作環(huán)境的溫度。驅(qū)動加熱/冷卻單元,使被控工作臺穩(wěn)定在用戶從鍵盤輸人的目標溫度上,加熱/冷卻單元和被控工作臺組成系統(tǒng)的被控對象,溫度傳感器、通道選擇與前置放大組成反饋環(huán)節(jié)。

        3軟件抗干擾設(shè)計和控制算法

        3.1 軟件抗干擾設(shè)計

        熱電偶的溫度系數(shù)比較小,信號弱,易受到各種干擾,經(jīng)過過濾器后,干涉程度減少了一定程度,但仍然受到工頻干擾、隨機噪聲的影響,軟件設(shè)計必須進一步抑制干擾。一般情況下,兩相流速測量系統(tǒng)的實驗標定是比較困難的,必要時可采用激光多普勒技術(shù)或高速攝影技術(shù)來標定,但它們對管道流動系統(tǒng)有些特殊要求[5]。通過改變變壓器的輸出電壓來調(diào)節(jié)管爐內(nèi)的溫度。差壓計的精度為0.2,分辨率為0.03 mV。如果實驗溫度場在40至13攝氏度之間允許誤差為±1.5°C或+0.70%,則信任度為96%。單片機內(nèi)利用T1進行特殊觸發(fā),對偶然因素引起的隨機干擾進行中值濾波,隨機使用五次確定的中值過濾器來獲得插值。

        3.2 控制算法

        對于32種實時準確的測量,由于需要PID控制良好的人機對話界面,所以必然需要合理的控制算法。該控制算法的主流圖表如圖2所示。對于多路控制區(qū),每段加熱分別由區(qū)本身的輸人量對其輸出量起主要作用,其它變量可看作干擾量。要提高加熱率,只需在一定的調(diào)整溫度范圍內(nèi)調(diào)整服務(wù)周期即可。0狀態(tài)表示恒定加熱,2個狀態(tài)表示恒定冷卻,這兩個狀態(tài)的命令操作都直接在主中斷程序中執(zhí)行。因為數(shù)據(jù)的采集周期極短, 在一個數(shù)據(jù)采集周期內(nèi)可以認為環(huán)境溫度是恒定的, 即 AD590M 的輸出電流 I 是恒定的。在1狀態(tài)的T周期中,該周期為1狀態(tài),而不是下一個周期,其控制操作相對獨立,與其他路徑不干擾,控制誤差也在1周期T以內(nèi),因此保證了路徑控制操作的實時性。

        在實際的溫度控制中,為了減小振蕩振幅,可以在溫度規(guī)定值附近設(shè)置上限、下限。在坎限上為停止加熱區(qū),在坎限下為加熱區(qū),在坎限內(nèi)則可利用計算機的邏輯判斷功能判斷是否應(yīng)加熱。在實際的測試中,在溫度的溫度為8°C時,溫度測量裝置低于2°C,溫度變化非常低,在測量溫度計量裝置的溫度時,對其影響非常小。

        4 控制精度探討

        將測量的數(shù)組溫度檢測到熱塑性時,會將前通道轉(zhuǎn)換為一個電壓信號,該信號對應(yīng)于單芯片微型計算機的基準點電壓(SV)的值。考慮到對單芯片微型計算機的采樣需要,對熱電偶而言,應(yīng)線性放大。此處,電勢輸出范圍為0-3000V,滿足了采樣和測量的要求。由于模具溫度控制范圍一般是O℃到4000℃之間,選用自帶10位AD轉(zhuǎn)換的單片機,則相對應(yīng)的轉(zhuǎn)換最大誤差足夠滿足精度要求。而出現(xiàn)禍合現(xiàn)象后,通過對各通道調(diào)節(jié)量、被調(diào)量的仔細分析,采取適當?shù)拇胧上満蠋淼牟焕绊慬6]。從控制測量角度來看,比較簡單,而實際測量溫度與溫度值進行比較,低于實際溫度,可以控制硅加熱,以增加測量溫度

        在溫度測定試驗中,通常在常溫常壓環(huán)境下進行,標準溫度計為0。因此,在實測實測數(shù)據(jù)取得測定數(shù)據(jù)后,通過計算、分析、處理測定的數(shù)據(jù),以提高測定精度。首先選取適當?shù)碾`屬度函數(shù),基本論域、模糊集論域,再經(jīng)過離散化后得到其賦值表。根據(jù)比較、邏輯判斷結(jié)果設(shè)置加熱或不加熱標志,在同步信號產(chǎn)生后,計算機進入中斷程序[7]。值越大,系統(tǒng)的不確定性就越大。之后,為了降低溫度測量系統(tǒng)的不確定性,我們必須精確地選擇熱電偶,相反,即使選擇了極高的熱電偶,系統(tǒng)的不確定度未必是小的。如果在恒定溫度過程中出現(xiàn)干擾,例如環(huán)境的突然變化,則恒定溫度步驟的平衡將被打破。屆時,系統(tǒng)將自動調(diào)整工作周期并恢復(fù)平衡[8]。

        T周期太大,或過小,將影響熱慣性、熱平衡與冷卻之間的平衡,而通路的整個生命周期都是30×25毫秒,而通路的測量周期為100毫秒。每個指令首先運行,然后在語句代碼中執(zhí)行。在每次操作之前,必須對當前狀態(tài)進行判斷,直到命令允許接收該命令時為止。然后查詢各路是否有加熱標志,如有加熱標志則對應(yīng)的輸出口置,并清加熱標志,四路查完后,中斷返回。在TO,T1和ADC中斷中,T1的定時準確與否關(guān)系到測量精度,所以設(shè)其為中斷優(yōu)先級,TO和ADC中斷為同級中斷。多路溫度控制器的輸出為開關(guān)量輸出,該開關(guān)根據(jù)模糊控制算法監(jiān)控控制箱。形成兩個直流34V控制交流330V通斷的回路,進而接通或斷開加熱裝置,實現(xiàn)了多路溫度控制。

        5 結(jié)論

        本文設(shè)計的32通道溫度控制器在使用中操作簡單,溫度控制系統(tǒng)方便、安全、可靠。結(jié)果表明,該系統(tǒng)的不確定性不僅與熱電偶本身的容許誤差有關(guān),而且與構(gòu)成系統(tǒng)的測量元件的重復(fù)性有關(guān)。該溫控器開發(fā)以來,在模具溫控上得到了很好的運用,提高模具生產(chǎn)的成品率,解決了溫度不均勻的問題,使控制精度達到了±1度。由于對控制系統(tǒng)引入專家模糊 PID 控制,在曲線的兩個拐點進行了“預(yù)前控制”,有效的克服了溫度滯后帶來的影響。其綜合性能比以往的控制方法更完備,完全符合日常工作的要求。

        參考文獻

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