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)和計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展以及自動控制理論和設(shè)計方法發(fā)展的推動下，國內(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、德國、瑞典等國技術(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，近年來單片機發(fā)展十分迅速，一個以微機應(yīng)用為主的新技術(shù)革命浪潮正在蓬勃興起，單片機的應(yīng)用已經(jīng)滲透到電力、冶金、化工、建材、機械、食品、石油等各個行業(yè)。傳統(tǒng)的溫度采集方法不僅費時費力，而且精度差，單片機的出現(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)對象中的一個重要的被控參數(shù)。然而所采用的測溫元件和測量方法各不相同;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，其主要缺點是溫度波動范圍大，由于它主要通過控制接觸器的通斷時間比例來達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，使其比其他形式的鍋爐更具有吸引力：

　　(1)無污染。不會排放出有害氣體、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95%以上。 (3)鍋爐本體結(jié)構(gòu)簡單，安全性好，不需要布管路，沒有燃燒室、煙道，不會出現(xiàn)燃煤、燃油、燃氣的泄漏和爆炸危險。 (4)結(jié)構(gòu)簡單、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)常會遇到的一種過程控制，在一些工藝的過程中對溫度的控制效果將直接對產(chǎn)品的質(zhì)量產(chǎn)生影響，因而設(shè)計一套理想的鍋爐溫度控制系統(tǒng)是十分有價值的。

　　根據(jù)偏差的比例(P)、積分(I)、微分(D)、進行控制(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。當被控對象的結(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，控制理論的其它技術(shù)難以采用時，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。

　　2 控制系統(tǒng)方案設(shè)計

　　電熱鍋爐的溫度控制系統(tǒng)主要包括：單片機、鍵盤顯示模塊、溫度采集模塊和控制執(zhí)行機構(gòu)等四大部分組成。采用單片機AT89S52為主控芯片。利用熱電阻PT100作為溫度傳感器件，然后通過運算放大器OP- 07構(gòu)建差分放大器，將溫度信號轉(zhuǎn)換成ADC0809模擬通道的輸入0-5V標準信號，再由ADC0809將模擬信號轉(zhuǎn)換成八位數(shù)字信號，傳送給單片機P0口，單片機將實時溫度和設(shè)置參數(shù)通過數(shù)碼管顯示出來，同時通過鍵盤輸入設(shè)定溫度，單片機將設(shè)定溫度同ADC0809傳送過來的數(shù)據(jù)進行比較運算，利用PID運算，作出相應(yīng)的判斷，從單片機P1.0輸出一個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固定周期中通電加熱時間的長短來達到恒溫控制的目的。系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。

圖 1 控制系統(tǒng)設(shè)計總體框圖

　　圖 2 PID 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　3 PID控制系統(tǒng)

　　PID 控制器可以方便地實施多種控制算法，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控制器。它具有原理簡單，易于實現(xiàn)，適用面廣，控制參數(shù)相互獨立，參數(shù)的選定比較簡單等優(yōu)點;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)對象能很好的匹配，使組成的控制系統(tǒng)能滿足工藝上所提出的動、靜態(tài)性能指標的要求。

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

　　將偏差的比例(P)、積分(I)、微分(D)通過線性組合構(gòu)成控制量，對過程對象進行控制，故稱為PID控制器。控制規(guī)律為:

或以傳遞函數(shù)形式表示：

　其中Kp—比例系數(shù), Ti—23積分時間常數(shù) Td—微分時間常數(shù)。

　　4 硬件電路設(shè)計

　　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 主機電路的設(shè)計

　　主機選用atmel公司的5 1系列單片機AT8 9s52來實現(xiàn)， 利用單片機軟件編程靈活、自由度大的特點， 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芯片時鐘可達12mhz，運算速度快，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 ，不需要外擴展存儲器，可使系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)更為簡單、實用。

　　4.2 I/O通道的硬件電路的設(shè)計

　　就本系統(tǒng)來說，需要實時采集水溫數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過a/ d轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，送入單片機中的特定單元，然后一部分送去顯示;另一部分與設(shè)定值進行比較，通過PID算法得到控制量，并經(jīng)由單片機輸出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

　　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現(xiàn)，這個精度可粗略定為0.1度。故溫度傳感器需要能夠區(qū)分0.1度;而對于ad轉(zhuǎn)換器，由于測量范圍為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

　　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：

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

　　單片機pwm 輸出電平為0時，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;反之單片機輸出電平為0時，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，可控硅截止從而截斷交流通路，電爐停止工作。此外， 還有越限報警， 當溫度低于下限時發(fā)光二極管亮; 高于上限時，蜂鳴器叫。控制執(zhí)行部分的硬件電路如圖3 所示。

　　圖 3 控制執(zhí)行部分電路

　　4.3 鍵盤及顯示的設(shè)計

　　鍵盤采用軟件查詢和外部中斷相結(jié)合的方法來設(shè)計， 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，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，顯示前溫度值，設(shè)定溫度漸次加一。

　　5 系統(tǒng)軟件設(shè)計

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

　　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)顯示當前溫度，并且設(shè)定鍵盤外部中斷為最高優(yōu)先級， 以便能實時響應(yīng)鍵盤處理;軟件設(shè)定定時器t0為5秒定時, 在無鍵盤響應(yīng)時每隔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，設(shè)定定時器t1為嵌套在t0之中的定時中斷，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。

圖 4 主程序流程圖

　　5.2 功能實現(xiàn)模塊

　　以用來執(zhí)行對可控硅及電爐的控制。功能實現(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。

　　該中斷是單片機內(nèi)部5s定時中斷，優(yōu)先級設(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、標度轉(zhuǎn)換處理、繼續(xù)顯示當前溫度、與設(shè)定值進行比較，調(diào)用PID 算法子程序并輸出控制信號等功能?！?/p>

　　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，形成了變速積分PID一積分分離PID控制相結(jié)合的自動識別控制算法。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。P I D 控制算法的流程圖如圖5所示。

圖 5 PID 控制算法流程圖

　　6 結(jié)論

　　在此系統(tǒng)設(shè)計中，用單片機作為主控芯片，通過電橋使得PT100來檢測溫度模擬信號，然后進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換并傳送給單片機把數(shù)據(jù)進行進一步處理后一方面送給LED實現(xiàn)實時顯示，并判斷是否需要報警，通過與給定值進行比較，然后根據(jù)偏差值進行PID運算，此外程序需要對5個設(shè)置按鍵進行循環(huán)掃描，一旦有鍵按下，會做出相應(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，方法簡單且對鍋爐溫度恒溫控制起到良好的效果。