1前言

　　自70年代以來，由于工業(yè)過程控制的需要，特別是在微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展以及自動(dòng)控制理論和設(shè)計(jì)方法發(fā)展的推動(dòng)下，國(guó)內(nèi)外溫度控制系統(tǒng)的發(fā)展迅速，并在智能化，自適應(yīng)、參數(shù)整定等方面，以日本、美國(guó)、德國(guó)、瑞典等國(guó)技術(shù)領(lǐng)先，都生產(chǎn)出了一批商品化的、性能優(yōu)異的溫度控制器及儀表，并在各行廣泛應(yīng)用。

　　隨著新技術(shù)的不斷開發(fā)與應(yīng)用，近年來單片機(jī)發(fā)展十分迅速，一個(gè)以微機(jī)應(yīng)用為主的新技術(shù)革命浪潮正在蓬勃興起，單片機(jī)的應(yīng)用已經(jīng)滲透到電力、冶金、化工、建材、機(jī)械、食品、石油等各個(gè)行業(yè)。傳統(tǒng)的溫度采集方法不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且精度差，單片機(jī)的出現(xiàn)使得溫度的采集和數(shù)據(jù)處理問題能夠得到很好的解決。溫度是工業(yè)對(duì)象中的一個(gè)重要的被控參數(shù)。然而所采用的測(cè)溫元件和測(cè)量方法也不相同;產(chǎn)品的工藝不同，控制溫度的精度也不相同。因此對(duì)數(shù)據(jù)采集的精度和采用的控制方法也不相同。傳統(tǒng)的控制方式已不能滿足高精度，高速度的控制要求，如溫度控制表溫度接觸器，其主要缺點(diǎn)是溫度波動(dòng)范圍大，由于它主要通過控制接觸器的通斷時(shí)間比例來達(dá)到改變加熱功率的目的，受儀表本身誤差和交流接觸器的壽命限制，通斷頻率很低。

　　電加熱鍋爐采用全新加熱方式，它具有許多優(yōu)點(diǎn)，使其比其他形式的鍋爐更具有吸引力：

　　(1)無污染。不會(huì)排放出有害氣體、飛塵、灰渣，完全符合環(huán)保方面的要求。 (2)能量轉(zhuǎn)化效率高。加熱元件直接與水接觸，能量轉(zhuǎn)換效率很高，可達(dá)95%以上。 (3)鍋爐本體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安全性好。不需要布管路，沒有燃燒室、煙道，不會(huì)出現(xiàn)燃煤、燃油、燃?xì)獾男孤┖捅ㄎｋU(xiǎn)。 (4)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕，占地面積小。

　　鍋爐溫度控制是目前工業(yè)生產(chǎn)過程中經(jīng)常會(huì)遇到的一種過程控制,在一些工藝的過程中對(duì)溫度的控制效果將直接對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量產(chǎn)生影響,因而設(shè)計(jì)一套理想的鍋爐溫度控制系統(tǒng)是十分有價(jià)值的。

　　根據(jù)偏差的比例(P)、積分(I)、微分(D)、進(jìn)行控制(PID控制)，是控制系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的一種控制規(guī)律。PID控制器問世至今有近70年歷史，它以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來確定，這時(shí)應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。

　　2控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

　　電熱鍋爐的溫度控制系統(tǒng)主要包括：?jiǎn)纹瑱C(jī)、鍵盤顯示模塊、溫度采集模塊和控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)等四大部分組成。

　　采用單片機(jī)AT89S52為主控芯片。利用熱電阻PT100作為溫度傳感器件，然后通過運(yùn)算放大器OP-07構(gòu)建差分放大器將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成ADC0809模擬通道的輸入的0-5V標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，再由ADC0809將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成八位數(shù)字信號(hào)，傳送給單片機(jī)P0口，單片機(jī)將實(shí)時(shí)溫度和設(shè)置參數(shù)通過數(shù)碼管顯示出來，同時(shí)通過鍵盤輸入設(shè)定溫度，單片機(jī)將設(shè)定溫度同ADC0809傳送過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較運(yùn)算，利用PID運(yùn)算，作出相應(yīng)的判斷，從單片機(jī)P1.0輸出一個(gè)PWM波形來控制固態(tài)繼電器的導(dǎo)通與關(guān)閉，從而控制鍋爐的加熱絲在一個(gè)固定周期中通電加熱時(shí)間的長(zhǎng)短來達(dá)到恒溫控制的目的。系統(tǒng)原理框圖如下圖2所示。

　　3 PID控制系統(tǒng)

　　PID控制器可以方便地實(shí)施多種控制算法，多年以來，在過程控制中，按偏差的比例(P)、積分(I)和微分(D)進(jìn)行控制的PID控制器(亦稱PID調(diào)節(jié)器)，是應(yīng)用最為廣泛的一種自動(dòng)控制器。它具有原理簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，適用面廣，控制參數(shù)相互獨(dú)立，參數(shù)的選定比較簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn);選擇系統(tǒng)調(diào)節(jié)規(guī)律的目的，是使調(diào)節(jié)器與調(diào)節(jié)對(duì)象能很好地匹配，使組成的控制系統(tǒng)能滿足工藝上所提出的動(dòng)、靜態(tài)性能指標(biāo)的要求。

　　PID控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值r(t)與實(shí)際輸出值c(t)構(gòu)成控制偏差e(t)，即

　　4 硬件電路設(shè)計(jì)

　　硬件電路主要有兩大部分組成：模擬部分和數(shù)字部分：從功能模塊上來分有：主機(jī)電路、數(shù)據(jù)采集電路、鍵盤顯示電路、控制執(zhí)行電路。

　　4.1 主機(jī)電路的設(shè)計(jì)

　　主機(jī)選用atmel公司的51系列單片機(jī)AT89s52來實(shí)現(xiàn),利用單片機(jī)軟件編程靈活、自由度大的特點(diǎn),力求用軟件完善各種控制算法和邏輯控制。本系統(tǒng)選用的at89s52芯片時(shí)鐘可達(dá)12mhz,運(yùn)算速度快,控制功能完善。其內(nèi)部具有128字節(jié)ram,而且內(nèi)部含有4kb的flash rom 不需要外擴(kuò)展存儲(chǔ)器,可使系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單、實(shí)用。

　　4.2 i/0通道的硬件電路的設(shè)計(jì)

　　就本系統(tǒng)來說,需要實(shí)時(shí)采集水溫?cái)?shù)據(jù),然后經(jīng)過a/d轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),送入單片機(jī)中的特定單元,然后一部分送去顯示;另一部分與設(shè)定值進(jìn)行比較,通過PID算法得到控制量并經(jīng)由單片機(jī)輸出去控制電熱鍋爐加熱或降溫。

　　4.2.1 數(shù)據(jù)采集電路的設(shè)計(jì)

　　數(shù)據(jù)采集電路主要由AD590, 0p-07,74ls373,AD574a等組成。由于控制精度要求為0.1度,而考慮到測(cè)量干擾和數(shù)據(jù)處理誤差,則溫度傳感器和ad轉(zhuǎn)化器的精度應(yīng)更高才能保證控制精度的實(shí)現(xiàn),這個(gè)精度可處粗略定為0.1度。故溫度傳感器需要能夠區(qū)分0.1度;而對(duì)于ad轉(zhuǎn)換器,由于測(cè)量范圍為40-90度,以0.1度作為響應(yīng)的ad區(qū)分度要求,則ad需要區(qū)分(90-40)/0.1=500個(gè)數(shù)字量,顯然需要10位以上的ad轉(zhuǎn)換器。為此,選用高精度的12位ad574a。

　　4.2.2 電控制執(zhí)行電路的設(shè)計(jì)

　　由輸出來控制電爐,電爐可以近似建立為具有滯后性質(zhì)的一階慣性環(huán)節(jié)數(shù)學(xué)模型。其傳遞函數(shù)形式為：

　　可控硅可以認(rèn)為是線形環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)對(duì)水溫的控制。單片機(jī)輸出與電爐功率分別屬于弱電與強(qiáng)電部分,需要進(jìn)行隔離處理,這里采用光耦元件tlp521 在控制部分進(jìn)行光電隔離,此外采用變壓器隔離實(shí)現(xiàn)弱強(qiáng)電的電源隔離。

　　單片機(jī)pwm 輸出電平為0 時(shí),光耦元件導(dǎo)通,從而使三極管形成有效偏置而導(dǎo)通,通過整流橋的電壓經(jīng)過集電極電阻以及射集反向偏壓,有7v 左右的電壓加在雙向可控硅控制端,從而使可控硅導(dǎo)通，交流通路形成，電阻爐工作;反之單片機(jī)輸出電平為0 時(shí),光耦元件不能導(dǎo)通,三極管不能形成有效偏置而截止,可控硅控制端電壓幾乎為零,可控硅截止從而截?cái)嘟涣魍?電爐停止工作。此外,還有越限報(bào)警,當(dāng)溫度低于下限時(shí)發(fā)光二極管亮;高上限時(shí)蜂鳴器叫。控制執(zhí)行部分的硬件電路如圖3所示。

　　4.3 鍵盤及顯示的設(shè)計(jì)

　　鍵盤采用軟件查詢和外部中斷相結(jié)合的方法來設(shè)計(jì),低電平有效。按鍵an1,an2,an3,an4, an5的功能定義如下: an1:復(fù)位鍵;an2：運(yùn)行鍵;an3：功能轉(zhuǎn)換鍵;an4：加一鍵;an5：減一鍵。

　　按鍵an3與p3.2相連,采用外部中斷方式,并且優(yōu)先級(jí)定為最高;按鍵an5和an4分別與p1.7和p1.6相連,采用軟件查詢的方式;an1則為硬件復(fù)位鍵,與r、c構(gòu)成復(fù)位電路。

　　按鍵按下(d1亮)時(shí),顯示溫度設(shè)定值，設(shè)定溫度漸次減一;按鍵升起(d1不亮)時(shí),顯示前溫度值，設(shè)定溫度漸次加一。

　　5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)的軟件由三大模塊組成：主程序模塊、功能實(shí)現(xiàn)模塊和運(yùn)算控制模塊。

　　5.1 主程序模塊

　　在主程序中首先給定PID算法的參數(shù)值,然后通過循環(huán)顯示當(dāng)前溫度,并且設(shè)定鍵盤外部中斷為最高優(yōu)先級(jí),以便能實(shí)時(shí)響應(yīng)鍵盤處理;軟件設(shè)定定時(shí)器t0為5秒定時(shí),在無鍵盤響應(yīng)時(shí)每隔5秒響應(yīng)一次,以用來采集經(jīng)過a/d轉(zhuǎn)換的溫度信號(hào);設(shè)定定時(shí)器t1為嵌套在t0之中的定時(shí)中斷,初值由PID算法子程序提供。在主程序中分配好每一部分子程序的起始地址,主程序流程圖如圖4 所示?！?/p>

　　5.2 功能實(shí)現(xiàn)模塊

　　以用來執(zhí)行對(duì)可控硅及電爐的控制。功能實(shí)現(xiàn)模塊主要由A/D 轉(zhuǎn)換子程序、中斷處理子程序、鍵盤處理子程序、顯示子程序等部分組成。

　　該中斷是單片機(jī)內(nèi)部5s定時(shí)中斷,優(yōu)先級(jí)設(shè)為最低,但卻是最重要的子程序。在該中斷響應(yīng)中,單片機(jī)要完成A/D數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波、判斷是否越限、標(biāo)度轉(zhuǎn)換處理、繼續(xù)顯示當(dāng)前溫度、與設(shè)定值進(jìn)行比較,調(diào)用PID算法子程序并輸出控制信號(hào)等功能。

　　5.3 PID算法子程序

　　系統(tǒng)算法控制采用工業(yè)上常用的位置型PID數(shù)字控制,并且結(jié)合特定的系統(tǒng)加以算法的改進(jìn),形成了變速積分PID一積分分離PID控制相結(jié)合的自動(dòng)識(shí)別的控制算法。該方法不僅大大減小了超調(diào)量,而且有效地克服了積分飽和的影響,使控制精度大大提高。PID控制算法的流程圖如圖5所示。

　　6 結(jié)論

　　在此系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，用單片機(jī)作為主控芯片，通過電橋使得PT100來檢測(cè)溫度模擬信號(hào)，然后進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換并傳送給單片機(jī)把數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步處理后一方面送給LED實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示，并判斷是否需要報(bào)警，通過與給定值進(jìn)行比較，然后根據(jù)偏差值進(jìn)行PID運(yùn)算，此外程序需要對(duì)5個(gè)設(shè)置按鍵進(jìn)行循環(huán)掃描，一旦有鍵按下，會(huì)做出相應(yīng)設(shè)置過程。此系統(tǒng)軟件控制部分采用經(jīng)典的PID算法控制，方法簡(jiǎn)單且對(duì)鍋爐溫度恒溫控制起到良好的效果。