基于单片机的电阻炉控制系统设计与实现

秦洪浪

(陕西工业职业技术学院,陕西 咸阳 712000)

随着计算机技术的飞速发展,该技术被广泛应用于工业自动化系统中,推动了工业仪表的发展规模,使其向着数字化、智能化发展。电阻炉为工业生产的关键设备,若电阻炉的温度控制效果存在问题,可直接影响生产效率与产品质量,因此,工业生产对温度的精确度和稳定性要求较高。在实际测量与控制中,如何以最快的速度完成温度数据的采集,并保证温度控制的精确性成为亟待解决的问题。为此,本研究设计出电阻炉控制系统,该系统具有经济性、实用性等特征,可将其广泛应用于温度控制领域。

本研究在对电阻炉温度控制系统进行设计时,将该系统的结构划分为单片机控制器、可控硅输出、热电偶传感器、温度传送器以及被控对象等部分。采用AT89S52单片机作为核心设备,通过单片机对电阻炉的温度进行控制,使电阻炉的温度稳定在某一个指定数值上,由键盘输入给定温度值,LED数码管负责对电阻炉的温度值进行实时显示。电阻炉温度控制原理为:温度检测部件成功检测到电阻炉的温度信号后,可将其上传至温度变送器内部,由温度变送器将信号转换为电信号,并将温度检测数值与系统设定值进行比较,即可得出系统的计算温度偏差e与温度偏差变化率de/dt,最后利用智能控制算法对控制量u进行推理。可控硅输出部分在电阻炉温度控制系统中主要负责实时调节电阻炉的输出功率,通过该方式改变可控硅管的接通时间,以最快的速度达到电阻炉的输出温度。电阻炉温度控制原理如图1所示[1]。

图1 电阻炉温度控制原理

本研究在设计电阻炉控制系统时,采用AT89S52单片机作为系统的核心,并在系统结构中添加多个功能模块电路,各种模块电路均为AT89S52单片机的外围电路。电阻炉控制系统整体结构如图2所示。

图2 电阻炉控制系统整体结构图

通过对系统的结构进行分析可知,该系统包括温度采集功能、温度显示电路、控制电路、AT89S52单片机以及温度设置电路。其中,温度采样部分的核心设备为DS18B20数字温度传感器,为保证温度样本采集的精准性与高效性,可采用多种数字温度传感器完成数据的多点测量,该方式也可用于大规模的多点温度测量。系统内包含PC通讯接口电路,该电路在设计过程中遵循RS-232串行通信标准,利用下位机完成电阻炉现场温度数据的采集。电阻炉 的温度变化情况可通过下位机进行实时显示,也可上传至上位机,通过上位机处理温度采集数据[2]。

本研究对电阻炉控制系统的硬件部分进行设计时,将系统硬件结构划分为单片机主控模块、输入/出(前向/后向)通道以及人机接口模块等部分。该系统的核心设备为AT89S52单片机,硬件电路中含有外扩键盘输入以及LED外围电路等。电阻炉控制系统硬件结构如图3所示[3]。

图3 电阻炉控制系统硬件结构框图

3.1 温度采集电路

该电路在系统中主要负责实时采集电阻炉的温度数据,本研究在设计温度采集电路时,将数字式温度传感器DS18B20作为该电路的关键设备,采用TO-92对传感器进行封装。DS18B20传感器具有独特的单总线接口方式,可通过复用的方式将地址线、数据线以及控制线整合成一根信号线,最终使温度采集电路输入和输出的信号均为数字信号。在对传感器与微机接口进行模拟时,需要充分利用AD转换器以及其他外围电路,该方式可使温度采集系统的组成较为复杂。而采用数字式温度传感器DS18B20作为该电路的核心,有利于简化该设备与单片机的接口,最大限度地降低成本以及体积,同时可提高温度采集的可靠性[4]。

DS18B20数字式温度传感器的供电电压为3.0～5.5 V,可测量的温度范围为-55～125 ℃,测量分辨率为0.062 5 ℃。当电阻炉的温度在-10～85 ℃时,数字式温度传感器的精度为±0.5 ℃。仅需要一根信号线即可向DS18B20传感器中写入命令或者读取数据。采用单根信号线可完成式中信号的传输,同时可传输数据,在DS18B20传感器的支持下,可实现数据的双向传输。为简化系统硬件结构,在设计温度采集通道时,省去了模数转换电路,直接将单片机与温度传感器的数据引脚相连接,操作者可通过指令对传感器的运行状态进行控制,以此实现电阻炉温度的精准测量[5]。

3.2 温度控制部分

AT89S52单片机为控制部分的核心,通过AT89S52单片机完成电阻炉温度的采集后,将采集的数据上传至DS18B20数字式温度传感器,该传感器可精准检测电阻炉温度数据,同时可将其转换成数字信号。为计算出单片机的偏差数值,比较单片机采集温度值与系统设定值。将偏差数值作为主要依据,采用PID控制算法作为该部分的核心算法,并计算出相应的控制输出量,在控制周期内,通过D/A转换电路控制固态继电器的通断占空比,最终精准控制输出量与加热器的工作状态,以此实现电阻炉温度的实时调节。本研究采用PWM调功方式设计D/A转换电路,该电路相当于D/A转换器。固态继电器通断占空比的控制指的是控制电阻炉的平均功率数值[6]。

3.3 人机接口功能

本研究为进一步提高系统的控制精度,设计出人机接口界面,该界面主要负责实时显示电阻炉的过程温度。在调节电阻炉的温度设定数值与PID控制参数时,可通过控制系统的键盘完成参数的输入,过程温度最终显示在LED显示屏上。

本研究在设计电阻炉控制系统的软件部分时,将该部分划分为数据采集、数值处理、PID控制算法、控制输出等部分,在设计过程中,严格遵循自顶向下、模糊化的设计原则。电阻炉控制系统主程序流程如图4所示。

图4 电阻炉控制系统主程序流程图

控制系统的主程序流程为:①对电阻炉温度控制系统进行初始化操作,利用AT89S52单片机完成电阻炉温度数据的采集;②将PID控制算法作为核心算法,通过该算法控制系统的精准度;③按照一定比例将变换量转换成PWM波的时间,采用PWM调功方式控制固态继电器,从而实现电阻炉加热时间的精准控制。最终生成的数据可显示在LED显示屏上,便于操作者实时观察电阻炉的运行状态[7]。

4.1 PID控制算法

温度PID控制的基本原理为:①计算出系统实际测量温度与设定数值之间的偏差;②采用比例积分与微分对偏差数值进行相应的处理;③将得到的控制输出信号用于电阻炉加热的控制,通过该方式将电阻炉的温度控制在系统设定的温度范围内。

本研究采用增量式PID控制算法对系统进行设计,该算法具有编程简单、占用存储空间较少以及运算快等优势,并且生成的控制数据可递推使用,有利于提高系统的控制精度。增量式PID实际上指的是:数字控制器的输出可看作控制量的增量Δu(k)。增量式PID控制系统结构如图5所示。

图5 增量式PID控制系统结构图

通过对增量式PID进行离散化,可得到离散的PID表达式:

(1)

结合式(1)与递推原理,最终导出的增量PID控制算式为

(2)

式(1)减式(2)可得

Δu(k)=kc[e(k)-e(k-1)]+kIe(k)+

kD[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]

(3)

通过对系统控制结果进行分析可知,系统的输出与最近3次偏差存在一定关联,在确定TS、TI、TD、TC的情况下,可将最近3次偏差结果作为主要依据,以此实现控制增量的计算[8]。

4.2 PID参数整定

为调节升温速度与系统稳定性,采用PID参数设定的方式进行实现,不同控制对象的PID参数存在较大差异性,将不同PID参数在控制过程中的作用以及实现现象,对控制器的升温速度进行具体调节。电阻炉温度控制系统的调节结果如下:

(1)温度可在最短的时间内达到设定值,但该过程易出现过冲较大的问题,产生该现象的原因是:比例系数过大,使加热器温度的上升比例过高,微分系数过小,使系统对控制对象的反应缺乏灵敏性。

(2)比例系数和升温比例过小,易造成温度小于设定值的时间较长,当积分系数小于标准范围时,可产生恒定偏差补偿不足的现象。

(3)能够将电阻炉的温度控制在目标值上,但上下偏差较大,易出现波动现象,产生该现象的原因为:微分系数过小,未能对即时变化迅速反应;积分系数过大,易使微分反应白淹没和钝化;系统设定的控制周期较短,加热器未及时将数据上传至测温点上。

通常情况下,PID参数的整定过程为:先比例,再积分,最后微分。实际设定PID参数时,需要对其进行反复试验与调试,充分结合实验现象,选择PID的最佳参数值。

本研究为验证电阻炉控制系统的有效性,将电阻炉作为被控对象,对其进行实验测量。电阻炉的纯滞后时间为120 s,τ=120 s,测得电阻炉丝温度相对时间的阶跃响应曲线,通过该曲线确定T=240 s,K0=0.5。被控对象的数学模型具有一阶惯性带延迟的特性,其公式为

(4)

控制系统的关键问题为采样周期的确定,本研究在确定采样周期时,将系统的稳定条件与控制器执行控制程序消耗的时间作为参考依据,对电阻炉进行反复加热试验,最终确定采样周期为20 s,试验过程中可得到被控对象的数学近似模型。为精准获取PID参数,结合Matlab的仿真结果,并对控制参数进行反复调试,得到的PID参数分别为:Ti=66.7,Ki=4.5,Td=10。通过对电阻炉的测试结果进行分析可知,电阻炉的稳态特性符合设计要求[9]。

本研究为精准控制电阻炉的温度,将AT89S52单片机作为核心设备,设计出电阻炉控制系统,单片机可实时控制电阻炉的运行状态,使电阻炉的温度稳定在某一个指定数值上,便于操作者精准调节温度范围。为进一步控制电阻炉的温度,采用PID控制算法与PWM脉宽调制技术控制电阻炉的温度,通过该方式消除系统的振荡与超调现象,有利于提高系统的控制精度。将该系统应用于电阻炉工作现场,可有效保证电阻炉的安全性与可靠性。