基于大林算法與組態(tài)技術(shù)的電阻溫度爐控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、第32卷 第7期 2010-7 【145】基于大林算法與組態(tài)技術(shù)的電阻溫度爐控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)The design of resistance temperature oven control system basing on dalinalgorithm and con guration technology胡開明 , 錢敏 , 王懷平HU Kai-ming, QIAN Min, WANG Huai-ping(東華理工大學(xué) 信息與電子工程學(xué)院 , 撫州 344000摘 要 :本文針對(duì)具有大滯后環(huán)節(jié)的電阻爐溫度控制系統(tǒng),設(shè)計(jì)了單片機(jī)控制電路,采用了大林算法,組建了系統(tǒng)的組態(tài),進(jìn)行了系統(tǒng)仿真分析,控

2、制效果良好,其性能指標(biāo)遠(yuǎn)優(yōu)越于普通PID控制。關(guān)鍵字:大滯后;大林算法;組態(tài);PID控制0 引言電阻爐是工業(yè)中應(yīng)用最多的加熱設(shè)備,廣泛 應(yīng)用于化驗(yàn)室樣品熔樣,冶金冶煉,熱處理中工 件的分段加熱和冷卻等。而電阻爐是一個(gè)具有較 大純滯后和時(shí)間常數(shù)的溫度對(duì)象,過去通常采用 位式控制或連續(xù)PID控制,一般控制質(zhì)量不高,如 超調(diào)量大、穩(wěn)定時(shí)間長(zhǎng)等 2。為提高電阻爐溫度的 控制質(zhì)量,本文以單片機(jī)為核心,采用大林控制 算法與組態(tài)技術(shù),較好地解決了PID控制系統(tǒng)中存 在的不足,提高了系統(tǒng)的溫度控制精度,同時(shí)用 組態(tài)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)控。1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)該電阻爐系統(tǒng)以AT89C51單片機(jī)為核心,采 用大林控制算法和組

3、態(tài)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了爐溫理想控制 與在線監(jiān)控。該系統(tǒng)由單片機(jī)系統(tǒng)、控制算法、溫度檢 測(cè)、鍵盤輸入、溫度顯示、加熱絲功率控制以及 通訊監(jiān)控等部分組成,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng) 采用晶閘管作為功率放大器件,對(duì)電阻爐提供可控 制功率輸入。溫度經(jīng)過熱電偶檢測(cè)、放大、I/V變 換、A/D轉(zhuǎn)換后送入單片機(jī)。在單片機(jī)內(nèi)部,主機(jī) 將采樣值與給定值比較后進(jìn)行控制算法計(jì)算得到 控制量,再經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器變成輸出脈沖觸發(fā)信號(hào), 通過過零觸發(fā)電路驅(qū)動(dòng)雙向可控硅,單片機(jī)通過 改變控制脈沖寬度,即改變了可控硅在一個(gè)固定控制周期內(nèi)的導(dǎo)通時(shí)間,這樣電阻爐的溫度就隨 著電阻爐的平均輸入功率改變而變化,也就達(dá)到 了控溫目的。同時(shí)將過零同步

4、信號(hào)接到單片機(jī)外 部中斷輸入端 上,在中斷服務(wù)程序中進(jìn)行觸發(fā)控 制和控制周期計(jì)數(shù)。另外利用串口通訊實(shí)現(xiàn)系統(tǒng) 的組態(tài)監(jiān)控。圖1 系統(tǒng)硬件原理框圖2 控制算法設(shè)計(jì)2.1 系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型本系統(tǒng)中把晶閘管、電阻爐、溫度變送器統(tǒng) 一地作為被控對(duì)象。電阻爐系統(tǒng)是個(gè)自衡系統(tǒng), 可以近似為一帶有純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)。傳遞 函數(shù)可為 s p e sT K s +=11 (G 其中, T1為電阻爐的慣性時(shí)間常數(shù); 為其純 延遲時(shí)間,為了簡(jiǎn)化,設(shè)其為采樣周期的整數(shù)倍,即 =NT ,T為采樣周期,N為正整數(shù) 5。該爐溫控制 系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型如圖2所示,晶閘管一旦觸發(fā)導(dǎo)通收稿日期:2009-09-25作者簡(jiǎn)介:胡開明(19

5、77-,安徽安慶人,教師,研究生在讀,主要從事控制理論、檢測(cè)與控制裝置領(lǐng)域的教學(xué)與研究工作?！?46】 第32卷 第7期 2010-7即可保持到電網(wǎng)電壓過零,相當(dāng)于內(nèi)含零階保持 器。圖2 系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)圖2.2 大林控制算法大林算法是由美國(guó)IBM公司的大林(Dahllin于 1968年針對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過程中含純滯后的控制對(duì)象 的控制算法。該算法的設(shè)計(jì)目標(biāo)是設(shè)計(jì)一個(gè)合適 的數(shù)字控制器,使整個(gè)系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為帶有 原純滯后時(shí)間的一階慣性環(huán)節(jié)。電阻爐溫控制系 統(tǒng)對(duì)加熱的波動(dòng)量即超調(diào)量要求較高,而對(duì)調(diào)節(jié) 時(shí)間要求不高,很適合大林算法進(jìn)行控制 5。大林算法設(shè)計(jì)的目的是使整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)所期 望的傳遞函數(shù) (s

6、相當(dāng)與一個(gè)延遲環(huán)節(jié)與慣性環(huán) 將上式簡(jiǎn)化為 其差分方程式:式中U(k為數(shù)字控制器的輸出;E(k為輸入的 偏差信號(hào)。 63 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件部分包括主程序、采樣定時(shí)中斷程 序、數(shù)字濾波、串口通訊及大林算法運(yùn)算等。主程序完成硬件初始化、變量初始化等任 務(wù),然后循環(huán)檢測(cè)熱電偶檢測(cè)的溫度值,若發(fā)現(xiàn) 溫度超限,則斷開控制輸出、屏蔽采用定時(shí)中 斷,發(fā)出報(bào)警信號(hào),并等待溫度降至安全值后重啟。采樣中斷服務(wù)程序完成對(duì)溫度的采樣、控制 算法、輸出觸發(fā)控制晶閘管導(dǎo)通角。采用定時(shí)器 中斷,產(chǎn)生控制周期,控制周期一到,程序則轉(zhuǎn) 入控制模塊,調(diào)A/D轉(zhuǎn)換模塊及熱電偶線性化模塊 得到爐溫的反饋信號(hào),根據(jù)給定值和控制算法得

7、 到控制量,經(jīng)輸出口輸出脈沖控制過零觸發(fā)器。系統(tǒng)采用慣性濾波法,以消除噪聲干擾。 控制器是控制系統(tǒng)的核心,用它完成大林控 制算法程序,實(shí)現(xiàn)了爐溫的有效控制。大林算法 流程圖如圖3所示。 1圖3 大林控制算法流程圖4 系統(tǒng)組態(tài)設(shè)計(jì)中采樣北京昆侖通態(tài)自動(dòng)化軟件科技公 司開發(fā)的MCGS工業(yè)組態(tài)監(jiān)控軟件。它融過程控制 設(shè)備、現(xiàn)場(chǎng)操作及資源管理與一體,具有強(qiáng)大的【 下轉(zhuǎn)第 228頁(yè) 】【228】 第32卷 第7期 2010-7易于維持就餐秩序。各分區(qū)分工明確,幾乎不會(huì) 出現(xiàn)擁堵的情況,就餐效率大幅提高;2 分區(qū)后的選菜區(qū)無需人工,實(shí)行自助選 菜,節(jié)省人力;3 自助選菜降低了服務(wù)員的壓力,不需要記 下每個(gè)

8、人點(diǎn)的菜,也避免了人工錯(cuò)誤的出現(xiàn);4 由于選菜區(qū)實(shí)行自助服務(wù),占用空間小, 故一個(gè)窗口可以根據(jù)具體情況同時(shí)開設(shè)兩個(gè)甚至 多個(gè)選菜區(qū),較舊系統(tǒng)中一個(gè)服務(wù)員負(fù)責(zé)一個(gè)窗 口更靈活;5 這種自助選菜和打印憑條機(jī)制可以實(shí)時(shí) 采集并存儲(chǔ)各種數(shù)據(jù),如每日,每時(shí)段,每個(gè)窗 口,每種菜的銷售狀況等,這是在人工服務(wù)下很 難辦到的。3 結(jié)束語(yǔ)本信息化食堂就餐系統(tǒng)是基于嵌入式技術(shù)的 食堂就餐系統(tǒng)。一方面指示并協(xié)調(diào)學(xué)生就餐秩序,緩解集中就餐的壓力;另一方面,則可以通 過后臺(tái)對(duì)系統(tǒng)記錄下的各種就餐數(shù)據(jù)分析有效的 輔助食堂更科學(xué)的定時(shí)定量備餐。本設(shè)計(jì)對(duì)目前 北京等大城市高校擁擠不堪的就餐秩序,以及因 備餐不合理所造成的食物

9、浪費(fèi)現(xiàn)象會(huì)帶來極大的 改善。 參考文獻(xiàn) :1 Frank Vahid、Tony Givargis,著,駱麗譯.嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)M.北京航空航天大學(xué)出版社,2004,(9:1-22.2 王田苗.嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)例開發(fā)M.清華大學(xué)出版社,2003,(7:1-34.3 楊光友.嵌入式微處理器ARM7存儲(chǔ)器接口設(shè)計(jì)J.微計(jì)算機(jī)信息,2004,20(9:75-76. 4 王劍峰,馬艷萍,劉云. C/OS在ARM7處理器的移植與測(cè) 試應(yīng)用J.青島科技大學(xué)學(xué)報(bào),2005,(10:443-447. 5 丁丁,習(xí)勇,魏急波.三種主流嵌入式圖形用戶界面的移植及性能比較J.電子產(chǎn)品世界,2004,(5:77-79.

10、圖形組態(tài)功能,能夠?qū)崿F(xiàn)人機(jī)交換控制界面和網(wǎng) 絡(luò)控制功能。通過運(yùn)行程序命令語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)大林控 制算法設(shè)計(jì)從而達(dá)到電阻爐的溫度控制;完成了 上位機(jī)功能,實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)溫度監(jiān)控的主控界面; 創(chuàng)建組態(tài)窗口,實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)的報(bào) 表;以及溫度實(shí)時(shí)曲線和報(bào)警時(shí)間記錄等 4。5 系統(tǒng)仿真分析a 大林控制仿真圖形 b PID控制仿真圖形圖4 系統(tǒng)仿真圖形該 系 統(tǒng) 數(shù) 學(xué) 模 型 的 參 數(shù) 用 單 位 階 躍 響 應(yīng) 曲 線 法 求 取 , 為 了 方 便 運(yùn) 算 取 整 可 得 80s =T=40s,s 20T =, s T 601= ,T=40s。設(shè)給 定的溫度為 1000C,采用大林控制算法其simu

11、link 仿真圖形如圖4a所示。選用PI控制器對(duì)該系統(tǒng)進(jìn) 行控制,并整定其參數(shù),得到仿真圖形如圖4b所示。從圖形中可以看出對(duì)于大滯后系統(tǒng)采用大林 算法能使系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)無靜差,超調(diào)為零,調(diào)節(jié)時(shí)間 也很小,控制效果很好。而采用普通PID控制雖然 超調(diào)量?jī)H為10%,但調(diào)節(jié)時(shí)間很長(zhǎng),不利于控制。6 結(jié)束語(yǔ)對(duì)于含大滯后環(huán)節(jié)的電阻爐溫度控制系統(tǒng), 普通PID控制難以達(dá)到較理想的控制效果,而采用 大林算法進(jìn)行控制效果明顯提高。同時(shí)將組態(tài)技 術(shù)運(yùn)用其中,有利于較好的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)監(jiān)控功能, 該技術(shù)在現(xiàn)實(shí)中具有較高的應(yīng)用價(jià)值。 參考文獻(xiàn) :1 趙德元.電阻爐溫度的大林控制算法J.成都大學(xué)學(xué)報(bào),2006,23(2:25-29.2 蔡春橋,等.電阻爐溫度控制系統(tǒng)