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電加熱爐隨著科學技術的發展和工業生產水平的提高，已經在冶金、化工、機械等各類工業控制中得到了廣泛應用，并且在國民經濟中占有舉足輕重的地位。對于這樣一個具有非線性、大滯后、大慣性、時變性、升溫單向性等特點的控制對象，很難用數學方法建立精確的數學模型，因此用傳統的控制理論和方法很難達到好的控制效果。 單片機以其高可靠性、高性能價格比、控制方便簡單和靈活性大等優點，在工業控制系統、智能化儀器儀表等諸多領域得到廣泛應用。采用單片機進行爐溫控制，可以提高控制質量和自動化水平。 1 單片機爐溫控制系統結構 本系統的單片機爐溫控制系統結構主要由單片機控制器、可控硅輸出部分、熱電偶傳感器、溫度變送器以及被控對象組成。如圖1所示。 爐溫信號T通過溫度檢測及變送，變成電信號，與溫度設定值進行比較，計算溫度偏差e和溫度的變化率de/dt，再由智能控制算法進行推理，并得控制量u，可控硅輸出部分根據調節電加熱爐的輸出功率，即改變可控硅管的接通時間，使電加熱爐輸出溫度達到理想的設定值。 2 系統硬件設計 2.1 系統硬件結構 以AT89C51單片機為該控制系統的核心，實現對溫度的采集、檢測和控制。該系統的工作流程如圖2所示。系統由變送器經A/D轉換器構成輸入通道，用于采集爐內的溫度信號。 變送器可以選用DBW，型號，它將熱電偶信號(溫度信號)變為0～5 V電壓信號，以供A/D轉換用。轉換后的數字量與爐溫數字化后的給定值進行比較，即可得到實際爐溫和給定爐溫的偏差及溫度的變化率。爐溫的設定值由BCD撥碼盤輸入。由AT89C51構成的核心控制器按智能控制算法進行推算，得出所需要的控制量。由單片機的輸出通過調節可控硅管的接通時間，改變電爐的輸出功率，起到調溫的作用。 2.2 系統硬件的選擇 a)微型計算機的選擇：選擇AT89C51單片機構成爐溫控制系統。它具有8位CPU，3 2根I/O線，4 kB片內ROM存儲器，128 kB的RAM存儲器。AT89C51對溫度是通過可控硅調功器實現的。在系統開發過程中修改程序容易，可以大大縮短開發周期。同時，系統工作過程中能有效地保存一些數據信息，不受系統掉電或斷電等突發情況的影響。AT89C51單片機內部有128 B的RAM存儲器，不夠本系統使用，因此，采用6264(8 kB)的RAM作為外部數據存儲器。 b)熱電偶的選擇：本設計采用DBW型熱電偶--鎳絡-鎳硅(線性度較好，熱電勢較大，靈敏度較高，穩定性和復現性較好，抗氧化性強，價格便宜)對溫度進行檢測。由于溫度是非線性輸出的，而與輸入的mV信號成線性關系，所以在軟件上將此非線性關系加以修正，以便正確反映輸入mV信號與溫度之間的關系。ADC0809把檢測到的連續變化的溫度模擬量轉換成離散的數字量，輸人到單片機中進行處理。 c)鍵盤輸入的選擇：采用4片BCD撥碼盤作為溫度設定的輸入單元，輸入范圍為0～9999，可滿足本系統的要求。每位BCD碼盤占4條線，通過上拉電阻接入8255可編程并行I/O擴展口。4片BCD碼盤占8255的A、B兩口，8255工作方式設為"0 模式"，A、B兩口均為輸入方式。開機后，CPU讀8255口操作，即可將BCD碼盤的設定溫度讀入并存人相應的存儲單元。 d)顯示器的選擇：采用字符型LCD(液晶顯示器)模塊TC1602A，并且它把LCD控制器、ROM和LCD顯示器用PCB(印制板)連接到一起，只要向LCD送人相應的命令和數據便可實現所需要的顯示，使用特別方便靈活。第1行顯示設定溫度，第2行顯示實際溫度，這樣，溫差一目了然，方便控制。 3 系統軟件設計 本系統的應用程序主要由主程序、中斷服務程序和子程序組成。主程序的任務是對系統進行初始化，實現參數輸入，并控制電加熱爐的正常運行。主程序主要由系統初始化、數據采集及處理、智能推理等部分組成。系統初始化包括設置棧底、工作寄存器組、控制量的初始值、采樣周期、中斷方式和狀態、定時器的工作方式以及8255的初始化、TC1602A的初始化等。數據采集及處理主要包括實時采集電加熱爐的爐溫信號，計算出實際爐溫與理想值的差值以及溫差的變化率，并對爐溫信號進行濾波和限幅處理。主程序如圖3所示。 中斷服務程序實現定時采樣和輸出控制。AT89C51共有6個中斷源：2個外部中斷、2個定時器溢出中斷及2個串行中斷。 子程序主要有采樣子程序、數字濾波子程序、控制算法子程序、數字轉換子程序、顯示子程序等。在采樣程序中包括對A/D啟動、讀結果及把A/D結果轉換成為實際溫度值。由于熱電偶本身的非線性及模擬輸人通道存在的非線性，需要將A/D值與溫度值之間對應關系以表格形式存于EPROM中。數字濾波子程序是將A/D轉換成的數字量提取有用的量，一方面通過TC1602ALCD模塊顯示出來；另一方面將該溫度值與被控溫度值進行比較，根據其偏差值的大小及溫度的變化率，通過智能控制器來改變可控硅管的接通時間，從而達到改變電加熱爐的輸出功率，即控制算法子程序是控制器中最重要的一部分，它的原理將在第4節介紹。 4 智能控制算法 考慮到電加熱爐是一個非線性、時變和分布參數系統，所以本文采用一種新型的智能控制算法。它充分吸取數學和自動控制理論成果，與定性知識相結合，做到取長補短，在實時控制中取得較好的成果。 本系統的智能控制器由數據庫、知識庫、推理機、學習環節、修正環節和黑板組成。數據庫中存放各個時刻的采樣值y(k)、偏差e(k)、控制量u(k)和生成控制量u(k)，所用的控制規則序號、每條控制規則的加權系數a都是以數組的形式存放。 知識庫中知識由產生式規則生成，其規則集都是按順序排列的。當求得偏差e(k)和被調整量y(k)后，借助黑板進行正向推理，從上到下順序地搜索知識庫中的匹配模式，一旦找到匹配規則，即可求出控制量u(k)。 學習過程是通過修正規則加權系數a，使各種控制規則產生的控制量隨環境和控制量效果變化進行修正，從而實現自學習的功能。由于被控制對象具有d步時延，因此，y(k)是由(k-d)時刻及其以前所有控制量作用的結果，則應修正控制量u(k-d)的控制規則所對應的控制規則加權系數a[num(k-d)]。 系統爐溫控制過程是一個慢過程，一般采樣間隔長，在此間隔時間內，被控對象可能受內部參數變化或隨機干擾影響，因而町能導致(k+1)時刻發出的控制量使控制效果變差，影響系統的控制性能。為補充這一不足，這里引入動態修正環節為： 式中：0 ＜ r ＜ 1。 最后由修正量和黑板給出的u(k)疊加，得到總輸出控制量為： 式中：β取0.8～0.9。 5 結束語 本系統以單片機AT89C51為核心，它具有高可靠性、高性能價格比、控制方便簡單和靈活性大等優點。控制器采用新型的智能控制算法，岡而系統升溫快，控溫精度高，穩態誤差可達±5℃以內，滿足系統要求。整個系統操作簡便,抗干擾能力強、運行可靠。 |
