热敏电阻式温度控制器（精选8篇）
热敏电阻式温度控制器 篇1
0 引言
美国Inter公司上世纪开发出了一系列单片机, 其中MCS-51系列因其集成度高、速度快、体积小等优点迅速在控制领域得到了广泛应用。本系统主要介绍了改型单片机在电阻炉温度控制系统中的应用。由于电阻炉的种类繁多, 加热方式也不同, 所以温度控制的方式及设计在工业生产中成为了最重要的测控对象。实践证明, 由于在电阻炉温度控制系统中都有一阶纯滞后环节的特性, 所以一个好的温控系统在产品质量、节能、提高效率等方面起着举足轻重的作用。
本论文采用数字PID算法进行自动控制, 这种方式属于闭环型控制。它的工作模式如下:首先将温度由传感器实时采集, 再将采集的模拟信号由A/D转换器输入到计算机, 并由计算机实时进行记录、通过结合数据统计制表, 再将整合后的数字信号通过D/A转换器, 进行调节和控制输出动作。
1 数字PID控制器与算法
PID控制即比例积分微分控制, 被广泛地应用于现代自动化系统中。在PID控制器家族中有很多通用的控制器, 其中PID控制器参数的自动调整通过智能化调整或自校正、自适应算法来实现。通过适当的调整PID参数就可以对不同的控制对象进行操作, 以此来达到系统的要求。
PID控制可以说是一种控制规律, 要提高控制质量, 合适的控制参数以及整定好的参数是唯一途径。而在工业电阻炉控制系统中, 常采用的PID数字控制规律为:
式中, e (t) 为偏差;Kp为比例增益;Ti为积分时间常数;Td为微分时间常数;u (t) 为控制量, 即调节器的输出控制电压信号。
对应的模拟PID调节器的传递函数为:
式中, U (s) 和E (s) 分别为u和e的拉式变换。
控制中会出现很多不安定因素, 就是误差, 比例控制可以大大减少误差, 但其中由比例增益Kp过大引起的系统不稳定即稳态误差不容忽视;而积分控制在时间充足的情况下将会完全消除系统不稳定带来的误差;微分控制的作用是使得系统稳定性提高, 减少响应时间, 加快速度, 最终使系统在一个很好的动态性能下工作。
1.1 PID参数的选择
对于PID参数的选择, 必须结合电阻炉的具体特性来作判断。因为被控对象的稳定性、跟踪速度、在干扰下输出是否稳定等诸多要求, 很难在一个控制器上实现, 所以要具体问题具体分析, 在兼顾其它次要要求的同时, 满足其主要方面。
结合本系统要求超调量小、稳定性高的特点, 凑试法是一个比较理想的选择。它的工作模式是通过模拟或闭环运行观察系统响应曲线, 然后反复凑试参数, 以响应确定调节参数。
1.2 数字PID控制器的计算
式 (3) - (4) 是把控制规律变成了适用于计算机计算的差分方程:
其中, T为采样周期, k为采样序号。
数字PID控制算式为:
式 (6) 是为了便于编写程序而对位置型控制算法的一个改进:
将式 (5) 与式 (6) 相减, 得到PID增量型控制算式:
其中, Kp=1/δ称为比例增益;Ki=Kp (T/Ti) 称为积分系数;Kd=Kp (Td/T) 称为微分系数。为了便于编程, 将其整理为:
其中, q0=Kp (1+T/Ti+Td/T) ;q1=-Kp (1+2Td/T) ;q2=Kp*Td/T
2 温度控制系统的总体结构设计
本设计为了控制电阻炉的温度在长时间保持在预期的范围内, 采用了MCS-51单片机来实现。因为电阻炉是一个双输入双输出的被控对象, 故将采用单片机的输出作为控制端。其内部的主要核心为热电偶传感器, 采样后通过A/D转换器送到下位机, 下位机再将数据传到上位机, 上位机这时会通过PID控制算法运算偏差和偏差率, 最后得到控制量。
2.1 系统温度的检测
温度控制系统中分为两个主要步骤:温度检测和控制温度。在温度检测中, 要首先选择一个适合的温度传感器, 如铂铹10-铂热电偶, 它的工作范围是在1300℃以下;镍铬-镍硅热电偶, 测量范围在-50℃~+1350℃等等。在温度传感器中, 温度变送器和电流/电压变送器是其核心部件, 温度变送器的作用是将得到的m V信号变换成m A的电流, 而电流/电压变送器则是把m A电流转变成更加直观的电压V。也就是说将温度转换成了可控制的电压。
本结构采用铂铑30-铂铑6 (即B型) 热电偶为温度传感器, 为了实现高精度测温, 还配备了运放调理电路和冷端补偿电路。温度检测电路如图1所示。
其中B型热电偶的输出热电势最大为13.583m V, 温度信号还需要放大700倍左右。运算放大器选用的是ICL7650, 因其具有保护作用, 可避免线路故障。后级运放则使用μA741, 因其价格便宜且稳定性高。
2.2 系统温度的控制与调功
图2为温度控制系统结构图。它主要由四部分组成:被控对象、温度传感器、温度调节仪、执行装置。其中被控对象指那些具有大容量的电热炉, 是典型的多阶容积迟后特性, 也就是通常说的大惯性, 根据这些特点采用可控硅作温度调节仪的执行部件。
其中执行装置的工作原理是:调节电阻炉的温度, 只能通过电学方法来改变, 改变供电能源也就是调节剂, 进而可以改变电炉丝的闭合状态, α=Tb/Tk, 其中Tb为闭合时间, Tk为断开时间。
在工业中改变加热炉的温度, 情况比较复杂, 首先要设定一个周期范围, 在此周期内改变晶闸管的通断时间的比例来实现调温的功能, 其中需将电路接通几个周波, 然后再断开几个周波来改变电压也就是负载功率。这就是调功器。调功器起到在电源电压过零时触发晶闸管导通的作用, 所以负载输出的是完整的正弦波, 如图3所示, 其中Tc为设定周期。
设定好稳定调节器件后, 就是对温度信号的检测。这也是本系统的一个重要环节。为了改变加热炉的温度将采用双向可控硅过零检测与触发电路来实现功率控制, 原因是价格便宜且方便并大大简化了硬件开销。工作模式是:将采集的信号经模数A/D转换器, 传送到计算机进行比较运算, 得出的控制量用来调节加热炉加热功率的大小。
由于本系统采用双向可控硅来做温度调节, 故将双向可控硅和加热丝串接在市电里。同样也是在周期T内改变可控硅的接通时间来调节功率, 以此来调节温度。在周期内不同接通时间的功率情况如图4所示。功率和周期的时间是成正比的, 也就是在100%时间内接通时的功率最大。
综上所述, 可控硅的断电时间是控制温度的关键, 为了控制断电时间, 本系统又加入了脉冲信号, 通过程序在一条I/O线上控制脉冲信号, 以此来控制可控硅的断电时间。
3 温度控制系统的软件设计
本系统的软件设计中将采用数字PID算法来产生控制信号, 因为电阻炉温度控制是一个反馈调节过程, 首先将实际炉温和设定炉温进行比较得到偏差;然后结合算法对偏差进行处理, 处理后得到的数据再经调功器进行炉温的控制。这个过程需要实时地对实际炉温进行检测和反馈。这种控制形式应用广泛, 多年来其效果在业内也得到了使用者的认可。系统控制过程分为四步:
(1) 实时数据采集:对被测控量的瞬时值进行检测。
(2) 数据上传:将采集的瞬时值上传到下一级。
(3) 实时控制决策:分析完的被测控量后, 根据数字PID算法按一定的控制规律进行处理, 选择下一步的控制行为。
(4) 实时控制输出:根据控制决策, 输出控制信号给调功器, 以此来完成控制温度的作用。
3.1 控制系统程序设计流程
整体设计流程如图5所示。
3.2 PID控制器程序软件的设计
PID控制算法如图6所示。
4 结束语
经过反复设计及调试, 本系统基本满足了各项功能, 达到了预期目的。
(1) 采用MCS-51单片机为控制器, 达到了自动控制电阻炉的目的, 控制精度达到+1.5度。
(2) 温度检测由双向可控硅热电偶传感器实现, 达到了很好的效果。
(3) 本系统采用交流电过零检测电路, 通过控制双向可控硅的导通时间闭合状态, 进而由输出功率的改变来控制温度。
(4) 温度又可适时地反馈到计算机, 使显示数据清晰直观。
本系统采用廉价的单片机做控制, 控制规律采用比较成熟的数字PID算法, 利用可控硅对温度进行实时检测。满足了工业生产的要求。
参考文献
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热敏电阻式温度控制器 篇2
摘要:在科学实验中,温度是极为普遍又极为重要的热工参数之一。为了保证科学实验正常安全的进行，提高实验的精确性，介绍了用AT89S51单片机为主要元件组成的控制系统，并给出了部分硬件图、控制算法和软件流程图。
关键词：PID；炉温控制 1引言
电阻炉是一种利用电流通过电热元件产生的热量加热工件的热处理设备具有结构简单 操作简便价格低廉等特点广泛用于工业中，而温度是工业对象中主要的被控参数之一。在冶金、化工、机械、火工、食品等各类工业中 ,广泛使用各种加热炉、烘箱、恒温箱等,它们均需对温度进行精确的控制。
采用单片机进行炉温控制 ,具有电路设计简单、精度高、控制效果好等优点,对提高生产效率、促进科技进步等方面具有重要的现实意义。本文以加热炉为具体对象介绍温度控制系统的设计方法。该系统是以AT89S51为核心建立起来的一个温度测量控制系统，加热炉的被控温度为0~500℃，精度：±0.5°C，显示分辨率0.2°C。通过单片机显示温度值。显示：000.0。
本文介绍炉温控制系统的设计。
隔离、驱动双向可控硅加热装置单片机A/D转换变送器测温传感器试验装置 测温传感器
图1 温控系统组成 1 硬件系统
本系统的硬件电路包括：过零触发电路、温度检测电路、双向可控硅触发电路。电炉一般采用电阻丝作为加热元件，系统中温度传感器采用PT100。炉体的加热通过加热电热丝的方法来实现。工频220V电压被电阻分压后，经过运放输出得到幅值为10V的正弦电压，此电压的频率与工频电压频率相同，为50HZ。经过芯片MC14528，正弦波整形为脉宽为2~3ms、周期为10ms的方波。方波信号触发双向晶闸管导通，从而实现加热丝加热回路的导通，使加热丝正常工作加热炉体，电路如图2。
由图2可以看到LM311电压比较器将50HZ的正弦交流电压变成方波，得到的电压为10V。方波的正跳沿和负跳沿作为单稳态触发器的输入信号，从单稳态触发器输出220v过零同步脉冲。MC14528在Q1、Q2脚输出同步脉冲，脉冲的宽度为2~3ms，Q1、Q2输出脉冲通过或门后，输出的方波信号变成可以触发双向可控硅的窄脉冲信号。此信号进过光电隔离器MOC3061/3021，便可以触发双向可控硅。此信号经单片机控制信号控制后，可以任意控制可控硅的导通关断，从而控制加热炉的开断。
图2 由于双向可控硅在驱动高电抗性负载时，由于电压电流相差不为零，因此需要在双向可控硅的过零触发电路中加入了保护电路，从图2中可以看到R3为限流电阻，使输入的LED电流能达到15mA，的计算公式为：
R3(VccVF)I
VF：为红外发光二极管的正向电压，可以去1.2~1.4V；
I：为红外发光二极管触发电流；
R1是触发双向可控硅的限流电阻，其值由交流电网电压峰值及触发器输出端允许重复冲击电流峰值决定，R1VpITSM。Vp为交流电路中峰值电压，ITSM为重复浪涌电流。
R5是双向可控硅的门极电阻，当可控硅灵敏度较高时，门极阻抗也比高，使用R5能提高电路抗干扰能力。在保护电路中将一个电阻和电容串联后并在负载两端形成浪涌吸收电路，防止浪涌电压损坏双向可控硅，电阻和电容值可以选取39Ω和0.01uF。2 PID算法
PID控制算法是计算机控制的一个广泛应用的基本算法，而PID控制的数字化是属于控制算法设计中的模拟设计法。它是由连续系统PID发展起来的。具有原理模型简单，容易实现，鲁棒性强和使用面广等优点。2.1位置式PID控制算法
数字PID控制算法通常分为位置式PID控制算法和增量式PID控制算法。位置式PID公式是一个历史性的PID参数，最明显的表现在于它有整个历史过程的积分，而增量式PID是的比例环节是2个误差的差，积分环节变成了当前误差值，而微分环节变成了最后2次误差差值减去最后2,3次误差的差值的差，也就是说增量式误差的输出值最多只和最近3个输出的误差值相关，没有一个历史性的相关。这个也就决定了位置式PID和增量式PID的最主要适用场合：被控机构有无自动的积分环节，例如步进电机就是自带积分环节，可以使用增量式PID去控制，但是纯粹的液位控制、温度控制使用位置式PID控制效果会更好。位置式PID表达式为：
Tu(k)Kpe(k)TIe(j)j0kTDe(k)e(k1) T其中：u(k)为K时刻数字PID控制器的输出，由于其输出值对应执行机构的位置，才、因此被称为位置式算法。e(k)为第K次采样时刻输入的偏差值;e(k1)为第K-1次采样时刻输入的偏差值。图3给出了位置式PID控制系统。
r（k）e（k）PID位置控u（k）制算法D/Au（t）执行机构被控对象y（t）-y（k）T
图3 2.2 PID算法实现原理
对于PID控制的实现，针对不同系统可以采用不同方式来实现，而本系统采用输出PWM波控制双向可控硅的方式来控制电炉。对于加温的温度控制可以采用调节供电电压或在一定的时间循环周期内的供电时间比例即PWM波来调节加温控制温度。调功法控制的原理是通过PWM脉冲调宽功率放大器控制双向可控硅调节电阻丝的功率从而达到调节温度的目的。
设一个控制周期Tc中有N个完整的正弦波，则TcNf，f为电网的频率，因此只要在在周期Tc中控制主回路中周波数的通断n就可以改变功率，对系统进行调节。由于系统采用调节功率的方法来控制电炉的加温，即改变可控硅的通断时间比η，使信号整周波导通与整周波关断。控制电路把负载与电源在周期Tc内开通t1秒，然后在断开t2秒，从而来控
t1U2nt1U，负载的功率P制加温。为导通率，负载上的电压UzU TRNt1t2c对控制周期Tc选择，最小的周期不应小于20ms，因为我们使用电压220V，工频周期为20ms。温控系统的控制信号周期的选取是很关键的，考虑到控制系统的精度，采样的周期越小是最佳的，但采样周期小，控制器占用计算机的时间就长，对于具有较大滞后系统，控制周期应该尽量选长。本系统采用的控制周期为10s。2.2 PID控制量的处理
单片机有3个16位定时器T0、T1、T2，在程序设计中可以使用中断的方式来控制PWM还可以使用单片机中的中断。在中断中可以需要完成对数据的采集和处理，以及PID的计算，同时产生PWM波的基本周期信号，以及PWM波的控制信号。
设一个控制周期为20ms，在20ms中15ms来加热，5ms不加热。当定时器T1中断时，立即对系统的温度采样，并将采样值送入算法中计算。设定T1在5ms中断溢出后，改变中断口的电平，并将中断时间改为15ms，经过15ms后进入下一次的中断，如此往复实现PWM信号的输出。用修改定时器中断初值的方法调整时间宽度变可以实现脉宽改变。具体实现方式为，设n为定时器T1的初值，f为单片机的系统时钟，当系统在16(2n)f=11.059MHz的频率下可以得到PWM信号的加热时间宽度为tonf，通过改变定时器T1初值n，既可以改变加热ton，从而控制电阻丝件的加热时间。当n=0时电阻丝就一直加热，当n=65536时，电阻丝就处于不加热状态。软件设计
本系统软件包括主程序和中断处理程序。按照要实现的功能包括按键程序、显示程序、温度采集、PID调节等。按键程序设置需要加热的目标温度，启动加温后，实时采集温度数据，并将温度值在数码管上显示，同时将温度数据加入PID算法中计算。
PID算出的温度控制是根据当前温度和目标温度误差，通过PID算法计算出的u(k)值用于控制电炉的开断。由于本系统是通过双向可控硅触发来开断电炉的加热，所以PID算出的控制量需要通过调节PWM波的占空比方式，来改变双向可控硅的触发时间，从而控制加热功率，调节温度。
开始读入y(k),r(k)计算e（k）=r(k)-y(k)计算△e（k）=e(k)-e(k-1)△e（k-1）=e(k-1)-e(k-2)计算△u（k）计算u（k）=u(k-1)-△u(k)u(k-1)=u(k)e(k-2)=e(k-1)E(k-1)=e(k)结束 图5 数字PID算法程序流程图
4结束语
介绍了一种基于单片机的温度控制系统采用数字PID控制运用PWM 脉宽调制技术对电阻炉温度进行控制，消除了温度控制系统的振荡和超调现象，实现了对温度的精确控制。此控制系统有温度显示和按键控制，使用户能够随时对温度进行监控经过实验验证，该温度控制器结构简单体积较小测温准确，取得了较为满意的温度控制效果。
参考文献
浅析工业电阻炉温度控制系统 篇3
1、电阻炉温度控制系统
1.1 炉温控制的基本原理
本设计中采用DDZ-III型电动单元仪表组合来实现对电阻炉温度的控制, 其主要控制规律是PID控制。由热电偶检测炉内实际温度后, 经过热电偶温度变送器转换为4-20mA的直流电流信号送往调节器, 调节器对炉温的测量值与给定值进行比较, 根据偏差进行比例、积分、微分运算后, (其输出为统一标准电流信号4-20mA) 其输出信号去控制执行机构的动作, 执行机构的动作改变变压器的供电电压, 从而实现了对电阻炉温度的控制。
1.2 各设备的工作原理及其用途
电阻炉;被控对象电阻炉是实验室所用的管式电阻炉, 该种电阻炉供实验室、工矿企业、科研单位进行化学分析、物理测定、加热时使用。
变压器;变压器是改变交流电压的设备。它是由闭合铁芯和绕在铁芯上的两个线圈组成, 跟电源相连的线圈叫原线圈 (也叫初级线圈) , 另一个跟负载相连的叫副线圈 (也叫次级线圈) , 铁芯由涂有绝缘漆的硅钢片叠合而成。互感现象是变压器工作的基础。原线圈上加交变电压, 原线圈中就有交变电流, 在铁芯中产生交变磁通量, 原、副线圈中都要引起感应电动势。若副线圈是闭合的, 则副线圈中就要产生交变电流, 此交变电流也在铁芯中产生交变磁通量, 在原、副线圈中同样要引起感应电动势。在原、副线圈中由于有交变电流而发生的互相感应现象, 叫互感现象.正是由于互感现象。才使得原、副线圈虽不相连, 电能却可以通过磁场从原线圈到达副线圈。
1.3 变压器在本控制系统中的作用
在控制系统中, 变压器是用来给电阻炉供电的, 它与角行程电动执行器相连, 通过执行器手柄的转动来改变变压器的供电电压, 从而实现了调节炉温的作用。
1.4 热电偶工作原理
热电偶是一种感温元件, 它把温度信号转换成热电动势信号, 通过电气仪表转换成被测介质的温度。热电偶测温的基本原理是两种不同成份的均质导体组成闭合回路, 当两端存在温度梯度时, 回路中就会有电流通过, 此时两端之间就存在电动势——热电动势, 这就是所谓的塞贝克效应。
1.5 热电偶优点
热电偶是工业中常用的温度测温元件, 具有如下特点: (1) 测量精度高:热电偶与被测对象直接接触, 不受中间介质的影响。 (2) 热响应时间快:热电偶对温度变化反应灵敏。 (3) 测量范围大:热电偶从-40~+1600℃均可连续测温。 (4) 性能可靠, 机械强度好。使用寿命长, 安装方便。
2、PID调节器及其参数的整定
在实际工业生产应用中, 调节器是构成自动控制系统的核心仪表, 它的基本功能是将来自变送器的测量信号与给定信号相比较, 并对由此所产生的偏差信号进行比例、积分或微分处理后, 输出调节信号控制执行器的动作以实现对不同被测或被控参数如温度、压力、流量或液位等的自动控制。
2.1 P、I、D各运算规律的作用
基本运算规律比例 (P) 、积分 (I) 和微分 (D) 三种, PID调节器的运算规律就是由这些基本运算规律组合而成。下面分别介绍三种基本控制规律的特点。
2.1.1 比例 (P) 控制规律
具有比例控制规律的调节器其输出信号的变化量ΔY与偏差信号ε之间存在比例关系, 用微分方程形式表示为:
ΔY=KPε
式中, KP为一个可调的比例增益。显然, 当有偏差信号存在时, 调节器的输出立刻与偏差成比例地变化。这是一种最基本、最主要、应用最普遍的控制规律, 它能及时和迅速地克服扰动的影响, 从而使系统很快地达到稳定状态。但因调节器的输出信号与输入信号须始终保持比例关系, 所以在系统稳定后, 被控变量无法达到给定值, 而是存在一定的残余偏差, 即残差。
2.1.2 积分 (I) 控制规律
具有积分控制规律的调节器其输出信号的变化量ΔY与偏差信号ε的积分成正比, 用微分方程形式表示可为:
2.1.3 微分 (D) 控制规律
具有微分控制规律的调节器其输出信号的变化量ΔY与偏差信号ε的变化速度成正∆比y, =用T微D分ddεt方程形式表示可为:
在阶跃输入信号出现的瞬间, 即t=t1时, 偏差信号的变化为无穷大, 因而理论上输出也应达到无穷大;而当t>t1时, 输出信号的变化等于零。实际上, 这种理想的微分作用是无法实现的, 而且也不可能获得好的调节效果。它是在阶跃发生的时刻, 输出突然跳跃到一个较大的有限值, 然后按指数曲线衰减直至零。该跳跃跳的越高或降的越慢, 表示微分作用越强。
2.2 DDZ-III型调节器PID控制规律的实现
DDZ-III型调节器PID控制规律是利用运算放大器电路先分别形成PD和PI控制规律, 然后再串联形成PID控制规律的。考虑微分控制规律只有在输入信号发生变化时才起作用, 而且该变化越大微分作用明显, 因而运算放大电路中先进行微分调节作用, 然后再进行积分作用。
2.3 PID调节器的参数整定方法
PID控制器的参数整定是本控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。而且, 在工业控制中, 目前应用最多的控制方法仍然是PID控制。但PID控制器的参数与系统所处的稳态工况有关。一旦工况改变了, 控制器参数的“最佳”值也就随着改变, 这就意味着需要适时地整定控制器的参数。
在实时控制中, 一般要求被控过程是稳定的, 对给定量的变化能够迅速跟踪, 超调量要小且有一定的抗干扰能力。一般要同时满足上述要求是很困难的, 但必须满足主要指标, 兼顾其它方面。参数的选择可以通过实验确定, 也可以通过试凑法或者经验数据法得到。
3、结语
通过文章的介绍我们可以对电阻炉温度控制系统有了一定的的认识和了解, 对D DZ-III仪表的工作原理及使用有了进一步的掌握。控制系统的开发设计是一项复杂的系统工程, 必须严格按照系统分析、系统设计、系统实施、系统运行与调试的过程来进行, 遇到新的问题就不断探索和努力, 最终才可以使问题得到解决。
参考文献
[1]李登超.参数检测与自动控制.冶金工业出版社.
热敏电阻式温度控制器 篇4
关键词：电阻炉,单片机,PID,模糊控制,可控硅(SCR)
电阻炉类型很多,按加热方式不同,可分为间接电热电阻炉和直接电热电阻炉两大类;按作业方式不同,可分为间歇作业式电阻炉和连续作业式电阻炉;按炉膛形状不同,可分为箱式电阻炉、竖井式电阻炉与直通式电阻炉;按电热体材料的种类不同,可分为合金电阻炉,硅碳棒电阻炉和硅钼棒电阻炉。一般电阻炉通常应用于实验或小容量用炉场合。这种电阻炉在设计方面满足惯性小、非线性弱的控制要求。同时在应用过程中的扰动也比较少,动态参数时变性不大。这种控制对象,采用线性PID控制方法可以得到满意的动态和稳态指标。目前,欧美和日本等国生产的PID温度控制器以及国内引进的PID控制器,都得到了广泛的应用。工业电阻炉具有非线性、纯滞后、惯性大、升温单向性等特点。在使用中,通常存在以下问题:第一,很难建立精确的数学模型;第二,不能很好的解决非线性、大滞后的控制问题。在操作方面,经常根据生产过程的要求,动态的改变炉内温度、加热试样的品种及相应加热速度等。因此,研究适应工业电阻炉的有效控制方法及实用的控制技术,对提高产品产量,改善产品质量,节约能源,提高经济效益等都具有重要意义,有很高的应用价值。
1 模糊控制器的设计
模糊控制系统动态性能好,但稳定性较差,且很难使两种性能指标都达到理想要求。目前普遍采用的模糊线性复合控制器有四种形式:引入线性前馈的复合控制;模糊-线性双模控制;在线性控制的误差通道开联模糊控制器;模糊控制器与线性控制器并联。综合以上方法,设计了一种Fuzzy/PID双模控制器,对电机的转速和加速度采用模糊PID控制这一智能控制算法进行控制,这样,系统根据偏差的当前值由程序选择其中一个控制器工作。即任一工作状态仅由一个控制器控制对像,就是在大偏差范围内采用模糊控制,而在小偏差工业园内转换PID控制。两者的转换由计算机程序根据事先给定的偏差范围自动实现。它的基本思想是用机器模拟人对系统的控制,就是在被控对象模糊模型的基础上运用模糊控制器近似推理等手段实现系统控制的一种方法。模糊模型是用模糊语言和模糊规则描述一个系统的动态特性及性能指标。它的实现,可以不知道被控对象(或过程)的数学模型,易于实现对具有不确定性和强非线性对象的控制;对被控对象特性参数的变化具有较强的鲁棒性;对控制系统干扰也具有较强的抑制能力。传统控制器的设计方法是得到被控对象的数学模型,基于模型用以传统控制理论的各种方法设计出控制器,使控制系统的性能达到所需要的指标。而模糊控制中起决定作用的往往是人的操作经验的总结—控制规则,因此,模糊控制器的设计方法与常规控制器的设计方法不同,模糊控制器的设计,一般是在经验的基础上确定各种参数与控制规则,然后在运行中运行调整。当然,针对不同的被控对象与不同的指标,模糊控制器的设计会有所不同。整个系统的核心是模糊控制器,单片机是控制器的主体。单片机根据输入的各种命令,通过模糊控制算法计算控制量,输出脉冲触发信号,通过过零触发电路驱动双向可控硅,从而控制热处理加热炉。智能模糊控制器的硬件框图如图1所示。
工业电阻炉温度控制方法的研究是伴随着电阻炉工业的生产要求而不断发展、改进的,可以说是与人类对电阻炉生产过程的要求有着密切联系的,它是一个从简单形式到复杂形式,从低智能到高智能的发展过程。程序转入控制模块,调用A/D转换、数字滤波及标度转换模块得到炉温的反馈信号,根据偏差和偏差的变化率计算控制量,输出脉冲信号控制过零触发器。启动、停止以及给定值通过键盘利用外部中断产生,有按键输入时则调用中断服务程序。
2 模糊控制算法的研究
模糊控制器一般由输入模糊器、模糊推理和输出清晰化等几部分组成,在设计过程中要考虑注意几个问题:确定系统的输入变量及输入变量的取值范围,确定每个范围内的隶属函数;确定系统的输出变量及输出变量的取值范围,确定每个范围内的隶属函数;确定输入变量到输出变量的模糊规则;确定清晰化(模糊判决)的方法。为此,选用模糊控制算法中的规则自寻优算法。算法的基本原理采用解析表达式描述的控制规则,简单方便,易于处理。二维控制规则自寻优算法可以用解析表达式概括:
2.1 模糊控制器设计方法
模糊控制器设计方法如图2所示。
2.2 模糊自整定PID算法程序
模糊自整定PID算法程序的总流程为:首先模糊整定,然后根据误差和误差变化率对PID的3个参数进行在线调整,把经过模糊调整后的PID参数作为最终的控制参数进行PID控制。
2.3 模糊控制器实验研究
很明显,模糊控制器是模糊控制系统中和其它控制系统区别最大的环节。模糊控制器由于采用数字计算机实现的,所以它具有以下功能。把系统的偏差从数字量转化为模糊量。对模糊量按照一定的控制规则进行模糊推理。把模糊推理得到的结果从模糊量转化为可用于实际控制的数字量。
2.4 模糊控制器的主要功能
基本的模糊控制部分,要完成输入信号(给定信号和反馈信号的偏差和偏差的变化率)的模糊化、根据模糊知识库进行模糊推理和模糊判决(反模糊化),得到精确控制变量。但是,由于模糊运算的过程复杂,采用在线推理的运算方式难以满足快速系统的实时控制要求。为了提高运算速度,在此采用了离线方式,即预先根据模块控制的结构和算法计算出一张控制表,实时控制时复杂的推理运算简化为查表运算,提高了系统的响应速度。如图3所示。
2.5 控制算法设计
1)查表法
查表法是一种速度较高的算法,其精度取决于语言变量论域元素的数目;论域元素较多时,控制精度较高,但是控制表也随之增大,因此,算法的速度也会受一定的影响。
2)解析式法
解析式法本质上与查表法一样,它只是把表格用一个简单的解析式表示而已。这种方法在内存容量有限的单片机中就特别有用。采用解析式,可以通过较简单的运算而直接算出控制量,从而在内存中省去存放表格的存储区。
3)推理算法
所谓推理算法就是根据推理方法直接从推理语句中求出结果。推理算法依据隶属函数和条件语句作为前件条件,执行后件结果。推理算法的关键是语言变量值和控制规则在计算机内存的存放格式。语言变量值在内存的存放原则是顺序存放和重叠存放。
2.6 反模糊化设计
模糊控制器的推理结果是模糊量。由于模糊量是一个模糊子集,而实际被控对象所需的控制信号是精确值,所以,模糊控制器的推理输出不能直接用作实际控制。为了从推理结果中取得用于控制的精确值,需要对模糊推理结果进行一定的处理。对模糊量进行处理,求取一个能恰当反映模糊量的精确值的过程称为精确化,有时也称为反模糊化、模糊决策或模糊判决。模糊量的精确化有很多方法,常用的有三种,即最大隶属度法,中位数法和重心法。模糊控制器的推理输出,必须经过精确化处理,才能去控制对象。因此,精确化即反模糊化是模糊控制器的重要功能,它是模糊量与精确量之间的一个接口。如果认为模糊化是模糊控制器的模糊量与精确量之间的输入接口。那么,反模糊化可以看作是输出接口。
3 结束语
工业电阻炉是大惯性、大滞后的热工控制对象,实际操作制度又使得电阻炉对象温度扰动频繁,造成了工业电阻炉温度控制的复杂性、困难性。应用传统控制理论及方法难以达到好的控制效果。所以,找出一种新的控制方法以满足工业电阻炉的高精度要求是必要的。从电加热炉温度控制的实际效果来看,Fuzzy-PID复合控制器具有比较理想的稳态品质,稳态过程没有振荡,温度控制精度在±3℃以内。以MCS-51单片机作为硬件平台,开发了基于单片机的温度模糊控制器。开发过程采用了模糊控制理论与实验研究相结合的方法,设计了基本模糊控制器,通过大量实验调整优化基本模糊控制器的参数。
参考文献
[1]郭茂先.工业电炉[M].北京:冶金工业出版社,2002.
[2]李华.MCS-51系列单片机实用接口技术[M].北京:北京航空航天大学出版社,1993.
[3]刘金琨.先进PID控制及其MATLAB仿真[M].北京:电子工业出版社,2003.
[4]韩曾进.自适应控制[M].北京:清华大学出版社,1995.
热敏电阻式温度控制器 篇5
随着我国铁路客货运列车运行速度和运输能力的不断提高,铁道机车车辆的运行环境不断恶化,作为转向架的主体承载结构焊接构架时有疲劳破坏事件发生,给铁路运输带来了巨大的损失。
根据机车车辆总体要求对构架进行受力分析,构架由于铸造、结构和运用等方面的原因,易于弯角处产生裂纹,造成损伤原因主要为交变应力、强度和焊接工艺的因素。当前,焊接已成为复杂结构制造过程中的主要加工方法,而焊接不足的主要来源之一是焊接过程产生的应力和变形。焊接残余应力会提高焊件疲劳强度,还可能发生变形。而热处理是消除焊接残余应力的一种传统工艺,这种方法还可以改善焊缝热影响区的组织和性能,消除或降低焊接所产生的内应力,减少构架加工后的变形。目前,我国大多数机车、车辆制造企业一般采用构架整体时效电阻炉,构架时效电阻炉为保证转向架构架的强度,消除或减少焊接应力,防止焊接变形起着重要作用。但电阻炉退火温度的控制直接影响到产量的品质。其加热过程具有非线性、大滞后、大惯性、时变性、升温单向性等特点,很难用数学方法建立精确的数学模型。因此用传统的PID 控制不能适应多变的电阻炉工况,难以满足控制精度和升、降温实时性要求,容易产生超调或升温速度慢等现象。为此考虑采用一种参数自校正的模糊控制技术:即通过在线调整参数改善系统的响应速度,提高精度。将它对电阻炉温度进行控制,取得了很好的控制效果。
1 构架时效电阻炉工艺简介与控制方法研究
退火是将构架焊接后内部结构所产生的焊接内应力通过加热、保温、冷却进行退火处理,消除或减少焊接残余应力,使机车车辆转向架构架疲劳强度符合国际铁路联盟UIC515-4或TB/T2368[1]规定的静强度试验载荷实施要求。在整个转向架生产线上,构架整体时效退火炉为保证转向架构架的强度,消除或减少焊接应力,防止焊接变形起着重要作用。
构架整体时效电阻炉设计和构架热处理加工的基本依据,本系统热处理曲线分为加热、保温、冷却三个阶段,根据工艺要求,温度曲线如图1所示,从20 ℃升至50 ℃时间为10 min,在50 ℃温度线上,保温1min;从50 ℃升100 ℃时间为9min,在100 ℃温度线上,保温1min;从100 ℃升150 ℃时间为9min,在150 ℃温度线上,保温1min;从150 ℃升200 ℃时间为9min,在200 ℃温度线上,保温3min;从200 ℃升250 ℃时间为10min,在250 ℃温度线上,保温6min。当工艺加热程序完毕后,将自动停止对电炉送电加热,打开炉顶部设置的4个通风孔,开启本系统的室外抽风系统,让产品冷却。
因此采用一种参数自校正模糊控制系统来进行控制,其结构如图2所示。
它能根据电阻炉中不同阶段温度的实时变化趋势,通过自适应调整机构对模糊控制器的比例因子进行在线自动调整,使得温度响应具有超调小、响应快、适应性强、稳定性高等性能。
2 参数自调整模糊温度控制器
模糊自校正PID控制器是在传统PID算法的基础上,利用模糊规则实时在线整定PID控制器的三个修正参数ΔKp,ΔKi和ΔKd,实现对温度的优化控制。模糊控制器的输入、输出变量都是精确量,模糊推理是针对模糊量进行的,因此控制器首先要对输入量进行模糊化处理。在所设计的模糊自校正PID控制器中,输入、输出变量的语言值均分为7个语言值:{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB},子集中元素分别代表负大、负中、负小、零、正小、正中和正大。隶属度函数采用灵敏性强的三角函数。E的基本论域为[-300 ℃,300 ℃];EC的基本论域为[-5,5];ΔKp的基本论域为[-5,5];ΔKi的基本论域为[-0.6,0.6];ΔKd的基本论域为[-1,1]。以上各变量的模糊量分别为E,EC,ΔKp,ΔKi和ΔKd,其模糊论域均为[-3,-2,-1,0,1,2,3]。模糊控制器的输入为测得温度与设定温度的偏差E以及温度偏差的变化量ΔE。
其中,T0为设定的温度,T为测得的温度;T前次为前次测得的温度,T本次为本次测得的温度。
将E分为7个模糊子集PB(正大),PM(正中),PS(正小),O(零),NS(负小),NM(负中),NB(负大),对应温度的偏差为:t0-t>3.5 ℃,2 ℃<t0-t<3.5 ℃,0.5 ℃<t0- t<2 ℃,-0.5 ℃<t0-t<0.5 ℃,-2 ℃<t0-t<-0.5 ℃,-3.5 ℃<t0-t< -2 ℃,t0-t<-3.5 ℃。EC分为五个模糊子集PB(正大),PS(正小),O(零),NS(负小),NB(负大),对应的偏差变化量为:t本-t前>1.5 ℃,1.5 ℃>t本-t前>0.5 ℃,0.5 ℃>t本-t前>-0.5℃,-0.5 ℃>t本-t前>-1.5 ℃,t本-t前<-1.5 ℃;输出U分为三个模糊子集I(加蒸汽)、O(自然反应)、D(加冷水)。根据操作人员对炼胶釜温度的控制经验,列出模糊控制规则表如表1所示。
由单片机对温度进行测量,将设定的温度与本次测得的温度值相减得到温度的偏差E,并存储到存储单元TME;将本次测得的温度减前次测量的温度,得到温度的偏差变化量EC并存入存储单元TMEC;根据温度的偏差及变化量,由模糊控制表决定阀门的通断。根据模糊控制规则表1,可编制所求的模糊控制程序。
3 模糊自适应机构的设计
对于具有大惯性、大滞后和超调严重等特点的烧结炉温度控制过程,采用固定的量化因子和比例因子难以达到最佳的控制状态。因此在控制过程中根据实时的E和EC的大小,改变KE,KEC及KU的取值,来调整不同阶段上的控制特性,以达到良好的控制效果。
根据量化因子和比例因子对控制系统的影响,总结出参数自调整的基本原则是:
1) 当偏差E或偏差变化率EC较大时,减小KE与KEC,同时增大KU,以快速减小E,保证系统的快速与稳定性;
2) 当偏差E或偏差变化率EC较小时,系统已接近稳态,需要大分辨率以提高系统的控制精度以及提高系统的阻尼程度,应增大KE与KEC,同时减小KU,以避免系统超调并使系统尽快进入稳态精度范围。
依据上述原则,KE 和 KEC 的变化与 KU 的变化趋势正好相反。为简单起见,取 KE和 KEC 变化的倍数与 KU 变化的倍数互为倒数。
4 实验与结果
系统设计完成后,在MATLAB环境下对系统进行仿真,初步验证算法的可行性。根据参考文献[2],论文以纯滞后二阶惯性环节作为转向架构架热处理加工过程的数学模型,设传递函数为:
取Ts=10 s,采用原来的PID控制器:Kp'=2, Ki'=0.04, Kd'=7,及改进后的模糊自校正PID控制器进行阶跃响应,在第2 000 s时,控制器输出加1.0的干扰,改进前后的输出响应结果如图3所示。
仿真结果表明,采用改进的模糊自校正PID控制器后,大大降低了温度的超调量,减小了温度的稳态误差,其他各项性能指标都得到了明显改善,对环境的变化有更强的鲁棒性,总之,系统的动态特性和稳态性能都有了较大提高。
摘要：转向架构架生产、组装过程中温度具有非线性、时滞、随机性和动态时变等特点,采用了一种参数自校正的模糊控制策略,对构架电阻炉温度进行控制。经实践证明:该系统控制精度高,超调量小,能满足控制要求。
关键词：构架电阻炉,温度,模糊控制
参考文献
[1]TB/T2368-2005动力转向架构架强度试验方法[S].北京:中国铁道出版社,2005.77-79.
[2]廖迎新,吴舒辞.胶粘剂生产过程数学模型的研究[J].中南林学院学报,2002,22(3):87-90.
热敏电阻式温度控制器 篇6
构架是转向架的重要承载部件,是转向架其它零部件的安装基础,构件的强度对机车车辆运行的安全性和可靠性起着举足轻重的作用。根据机车车辆总体要求对构架进行受力分析,构架由于铸造、结构和运用等方面的原因,易于弯角处产生裂纹,造成损伤原因主要为交变应力、强度和焊接工艺的因素。当前,焊接已成为复杂结构制造过程中的主要加工方法,而焊接不足的主要来源之一是焊接过程产生的应力和变形。焊接残余应力会提高焊件疲劳强度,还可能发生变形。而热处理法是消除焊接残余应力的一种传统工艺,这种方法还可以改善焊缝热影响区的组织和性能,消除或降低焊接所产生的内应力,减少构架加工后的变形。目前,我国大多数机车、车辆制造企业一般采用构架整体时效电阻炉,构架整体时效电阻炉为保证转向架构架的强度,消除或减少焊接应力,防止焊接变形起着重要作用[1]。
传统控制方法在处理具有非线形或不精确特性的被控对象时十分困难,构架整体时效电阻炉具有大滞后特性,采用传统的PID控制方法难以兼顾动态精度和调节速度,同时因电阻炉具有非线性,在温度设定值大幅变化的情况下,单一控制器的控制性能不稳定。因此有必要寻求一种先进的智能控制方法,保证构架整体时效电阻炉的温度稳定在给定值。
1 工艺分析及控制系统结构
构架整体时效电阻炉设计和构架热处理加工的基本依据,本系统热处理曲线分为加热、保温、冷却三个阶段,根据工艺要求,温度曲线见如图1所示,从20℃升至50℃时间为10分钟,在50℃温度线上,保温1分钟;从50℃升100℃时间为9分钟,在100℃温度线上,保温1分钟;从100℃升150℃时间为9分钟,在150℃温度线上,保温1分钟;从150℃升200℃时间为9分钟,在200℃温度线上,保温3分钟;从200℃升250℃时间为10分钟,在250℃温度线上,保温6分钟。当工艺加热程序完毕后,将自动停止对电炉送电加热,打开炉顶部设置的4个通风孔,开启本系统的室外抽风系统,让产品冷却。
通过上述温度控制要求,可知电阻炉的温度设定值发生变化时,电阻炉的模型也将发生变化,因此单一的控制器难以保证控制性能的稳定性。
电阻炉的温度调节可分为动态和稳态2个过程。动态过程主要是调节电阻炉的蓄热量,使炉温升高到设定的温度值,稳态对应的加热量和散热量相平衡,维持炉温的恒定。不同的炉温设定值对应不同的散热速度,也就需要不同的加热电压来维持其蓄热量的恒定。稳态下,电阻炉温度和加热电压的对应关系是电阻炉的静态特性。PID的调节原理是根据动态偏差来寻找设定值对应的稳态输入电压,调节作用灵敏则调节过程短,但容易过调,超调大,为了避免过调,只能牺牲调节的快速性,二者不可兼顾,并且,不同的温度值,对应对象的静态增益也不同。当设定温度大幅变化时,单一的PID控制器的控制性能难以保证。
根据以上的工作过程分析,本文提出一种基于灰色预测的构架整体时效电阻炉温度智能控制方法,其控制系统基本结构如图2所示。它主要包括灰色预测[2～4]、开关控制器、模糊免疫PID控制器[5～7]。其控制原理:1)当温度距离设定值较大时,即当|e|≥Eb(Eb为开关控制时e的边界值),为了实现对给定值的快速跟踪控制,控制器选择P控制,系统的控制量取最大,迅速调节电阻炉的蓄热量,使实际温度尽快趋近设定温度;2)当温度接近设定值时,即当偏差e逐渐减小到|e|
2 基于灰色预测的智能控制器
由于构架整体时效电阻炉温度控制系统是非线性、时变和大之后系统,结合压机工作特点,本文提出一种基于灰色预测的智能控制算法。考虑到开关控制为常规控制,本节主要介绍灰色预测和模糊免疫PID控制器的设计方法。
2.1 灰色预测
用于解决信息不完备系统的数学方法就是灰色系统理论。20世纪80年代,邓聚龙提出灰色系统理论后,该理论的研究得到了迅速的发展,基于灰色理论的灰色预测思想已广泛应用于各种领域,成功地解决了生产、生活和科学研究中的大量实际问题。
灰色预测是通过原始数据序列生成数据所建立的微分方程,可以减弱或消除原始数据序列中含有的随机干扰成分得到,同时可增强所蕴含的确定性信息通过累加生成操作。灰色模型的一般采用为GM(n,N)表示,其中n表示灰微分方程的阶数,N表示灰微分方程中变量的个数,GM(1,1)模型是在灰色预测中常用的灰色模型。灰色预测控制就是建立在GM(1,1)模型的基础上,在该预测算法中仅需辨识出两个模型参数(发展系数a和灰色作用量b),具有预测需要的原始数据少,不需要建立被控对象的模型,而且具有较强的自适应性,计算量小,使用简单且速度快,适用于复杂的动态过程,能够满足对系统的实时控制。为了较好的保证构架整体时效电阻炉温度的后续精确选择控制,本文提出采用灰色预测模型对电阻炉的论文进行预测。
对于电阻炉温度预测,将来时刻的炉温要通过历史时刻的炉温进行预测。因此,采用灰色预测模型GM(1,1)对其进行预测。其中GM(1,1)的具体实现如下:
假设有原始数据列为u0(k)(k=1,2,…,n),u1(k)(k=1,2,…,n)为其一次累加和,即
令
则将要辨识的参数为
因此可以得到GM(1,1)的解析解为
得到预测表达式为:
通过采用灰色预测方式,可以减少了电阻炉炉温滞后的影响,对于后续子控制器提供了一种较为准确的选择手段,从而保障了电阻炉炉温的控制精度和运行速度。
2.2 模糊免疫控制器
当温度接近设定值时,即当偏差e逐渐减小到|e|
免疫是生物体的一种特性生理反应。生物的免疫系统对于外来侵犯的抗原,可产生相应的抗体来抵御。抗原和抗体结合后会产生一系列的反应,通过吞噬作用或产生特殊酶的作用而毁坏抗原。生物的免疫系统由淋巴细胞和抗体分子组成,淋巴细胞又由胸腺产生的T细胞(分别为辅助细胞TH和抑制细胞TS)和骨髓产生的B细胞组成。当抗原侵入机体经周围细胞消化后,将信息传递给T细胞,即传递给TH细胞和TS细胞,然后刺激B细胞。B细胞产生抗体以消除抗原。当抗原较多时,机体内的TH细胞却较多,而Ts细胞却较少,从而会产生较多的B细胞。随着抗原的减少,体内的Ts细胞增多,它抑制了TH细胞的产生,则B细胞也随着减少。经过一段时间间隔后,免疫反馈系统趋于平衡,抑制机理和主反馈机理之间的相互协作是通过免疫反馈机理对抗原的快速反应和稳定免疫系统完成的。本的模糊免疫PID控制算法主要就是基于该机理的智能控制算法。
温度模糊免疫PID控制器是根据模糊控制原理对PID参数模型中的kp,ki,kd进行在线修改,从而满足不同的控制要求,使被控对象有良好的性能。假设第k代的抗原数量为e(k),由抗原刺激的TH细胞的输出为TH(k),TS细胞对B细胞的影响为TS(k),则B细胞接收的总刺激为:
式中,TH(k)=k1 e(k),TS(k)=k2f[S(k),Δs(k)]e(k)。
若以抗原的数量e(k)作为偏差e(其中e=T0-T1,T0代表检测的实际温度,T1代表设定温度),B细胞接收的总刺激S(k)作为控制输入u1,作替换:u1→S,Δu1→ΔS
其中Δu1为控制输入增量;kp为控制反应速度;k1和k2分别为偏差系数,F=k2/k1为控制稳定效果;F=0时为常规比例控制器,式f(u1(k),Δu1(k))为采用模糊控制方法确定的非线性函数,式(9)构成了一个模糊自整定P控制器,比例系数为
kp是u1(k)和Δu1(k)的函数,因此随控制器输出变化,K为增益常数,采用模糊控制可以增强系统鲁棒性。当加入常规微分、积分控制作用即组成FIPID控制器。
模糊化过程:用免疫算法修正环节的输出u1(k)与输出变化Δu1(k)作为输入语言变量,f(·)作为输出语言变量,各语言变量的论域为:u1(k)={-1,-0.7,-0.4,0,0.4,0.7,1},={-1,-0.7,-0.4,0,0.4,0.7,1},f(·)={-0.7,-0.5,-0.2,0,0.2,0.5,0.7}。输入语言变量u(k)和Δu(k)与输出语言变量f(·)的论域取值均为“负大”(NB),“负中”(NM),“负小”(NS),“零”(ZO),“正小”(PS),“正中”(PM),“正大”(PB)。其中模糊控制规则表主要根据专家经验进行建立。
由于P型免疫控制对于本对象不是很有效,不能补偿噪声或非线性干扰引起的控制误差。要克服这些问题,改进为式(10)的模糊免疫PID算式:
采用模糊免疫PID控制器能保证电阻炉温度长时间稳定在给定值较小的波动范围内,避免了过高以及过低温度的出现。
3 应用
将本文所提出的控制方法应用于构架整体时效电阻炉的炉温控制系统中,基于灰色预测的智能控制方法设计的控制系统有着显著控制效果。图3所示为系统采用和采用本方法控制后系统实际数据曲线图。红线表示采用PID控制后运行曲线,黑线表示本方法控制后系统实际数据曲线图。其中控制系统中温度设定值是250℃,经过分析比较,采用PID控制算法控制偏差超过10℃的时间长度占采样数据的45%,系统最大偏差为30℃,而采用本文提出的控制算法,偏差基本稳定在10℃范围内。从图中可以看出,由于本文采用基于灰色预测的智能控制算法,它能够减少温度滞后的影响,使得温度的控制精度和运行速度都得到了较大提高,完全能满足电阻炉炉温的工艺要求。
4 结论
针对构架整体时效电阻炉的复杂非线性特性,本文提出了一种基于灰色预测的智能算法,利用灰色预测的强自适应性,用于预测电阻炉炉温,减少了炉温滞后的影响,同时根据炉温在不同区段选用开关控制或者模糊免疫PID控制,提高了炉温的控制精度和运行速度,使控制系统的复杂程度显著降低,可靠性显著提高。该方法可推广应用于任何类型加热炉及其他工业对象,应用前景广泛。
摘要：针对构架整体时效电阻炉具有大滞后,非线性且设定值变化的特点,本文提出了一种基于灰色预测的智能算法,首先,利用灰色预测的强自适应性,预测电阻炉炉温,减少了炉温滞后的影响,然后根据炉温在不同区段选用开关控制或者模糊免疫PID控制,以提高炉温的控制精度和快速性。实际运行结果表明了该方法的优越性和有效性。
关键词：构架,电阻炉,炉温,智能控制,灰色预测
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热敏电阻式温度控制器 篇7
1智能仪表概述
经过较长时间科学技术的进步和生产力的发展,测试和测控技术已日臻完善和成熟。对于物理量和化学量来讲都有和其相适应的测试办法。但是,传统上的测试方法在测量的过程中,要求所测得物理量是静态的,也就意味着测量的对象不可以随着时间的变化而变化或者变化的幅度不能太大,这就对测试的精度产生了较大的影响。随着微电子技术、半导体和计算机网络技术不断的发展,现代测试与控制技术也迅速的发展起来,对于动态量的测量是一种福音。
智能仪表的主体是单片机,就小型仪表来讲,单片机里的储存器需要具有控制功能,主要是要进行复杂的数据处理和复杂的控制,其中监控较大的程序以及需要测量大量的数据,为了实现这些功能就需要对单片机进行拓展储存器。在转换模拟信号之后,进入单片机内部需要通过输入的通道,单片机执行任务是根据键盘输入命令来进行的。通信接口实现功能是通过函数或总线接口与上位机通过智能化测量控制在整个过程中仪器的远程通信是在一个软件程序的控制下完成的,许多程序模块组成了装在仪表内部的监控程序, 每个模块都具有特定的功能。例如,达到一定的算法、对某一个中断的服务程序进行继续执行、对来自键盘的命令进行分析和执行。 对监控程序中的功能模块进行改进,保证智能测控仪表运行稳定, 功能齐全,保证控制精度。
2智能仪表在温度控制中的应用
■ 2.1智能仪表在温度控制中应用的必要性
电阻炉是一个比较滞后的大惯性系统,影响控制系统的因素有多种,如开关炉门、加热的材料、环境的温度和电源电压的转换等, 数学模型是传统的电阻炉温度控制系统建立的基础,对被控对象中的非线性、时变性和随机干扰起不到很好的效果。目前,实验室人员根据烧结温度对电阻炉的输入电压进行调节来实现电阻炉的温度控制,实现的方法有两种:第一种是人为手动的去进行调节,这种方法普遍流行于实验室中,但是这种方法也是比较明显的缺点,在整个过程中实验人员要全程在场,致使人资源的浪费,控制精度依赖于控制人员的操作水平,不能提高控制的精度。第二种控制方法是在主回路采取双向晶闸管装置,和一些简单的仪器结合在一起,让保温可以自动进行,但是要想实现加热,还需要实验者的调节, 不能根据给出的升温或者降温速度进行精确的调节。一般来说,国内电阻炉温度控制系统和西方发达国家相比,存在明显的差距,国内普遍使用的是模拟仪表控制,在这个系统中参数的选择需要人为进行的,也就意味着需要给其配备专门的工作人员,不仅浪费劳人力,增加运营成本,而且工作也不精确,如果所处的环境发生变动, 就需要对其进行再一次的设置,操作极为繁琐,无法保存以前的控制数据,所以有必要研究基于智能仪表的温度控制系统。
■ 2.2智能仪表在温度控制硬件系统中的应用
在采集温度系统中,输入的是一种热电偶(K、S、E三选一) 和温度补偿二极管通道,转换这些传感器的模拟信号,仪表中使用的A/D转换是公共的,即分时占由A/D转换。系统中次级输出电压范围为400~600m V;K型热电偶正常输出电压在0~75m V之间;K型热电偶可以正常输出电压在0~75m V之间;S型热电偶可以正常输出得电压在0~20m V之间。由于不在一个数量级, 放大器必须与通道的数据采集和交换实时并快速的调整增益,因此程控放大器的设计增益为1,10和50,对应使用在K、W、S型热电偶上的信号放大。在软件中对增益进行设置,也就是说在一定的或者对应的时间段内增益选择器开关只开通一路。虽然,在开关本身可能也存在一定的电阻,但是不会影响到放大器增益的测量。
3结束语
热敏电阻式温度控制器 篇8
在冶金、化工、电力工程、造纸、机械制造和食品加工等诸多生产过程中,经常需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉的温度进行检测和控制,因此,温度是工业控制对象中一个比较常见的被控参数。电阻炉是工业炉的一种,是利用电流通过电热体元件将电能转化为热能来加热或熔化工件或物料的热加工设备。其具有热效率高、热量损失小、加热方式简单、温度场分布均匀、环保等优点,应用十分广泛。电阻炉按热量产生的方式不同,可分为间接加热式和直接加热式两大类。间接加热式电阻炉是在炉子内部有专用的电阻材料制作的加热元件,电流通过加热元件时产生热量,再通过热的传导、对流、辐射而使放置在炉中的炉料被加热。直接加热式电阻炉是将电源直接接在所需加热的材料上,使强大的电流直接流过所需加热的材料而使材料本身发热从而达到加热的效果。工业电阻炉,大部分采用间接加热式。
2 系统总体方案设计
2.1 系统控制要求
(1)采用一台主机控制8个同样规格的电阻炉温度。电阻炉额定功率为20kW。
(2)恒温正常工作温度为1000度,控制精度为±1℃。电阻炉温度按预定的规律变化,超调量应尽可能小,且具有良好的稳定性。
(3)具有温度、曲线自动显示和打印功能,显示精度为±1℃。
(4)具有报警、参数设定、温度曲线修改设置等功能。
2.2 控制系统组成
根据系统的控制要求,设计电阻炉温度控制系统组成如图1。考虑到51系列单片机[1]已经过长期的应用,性能比较稳定,其功能完全可以满足本系统控制要求,因此主机采用AT89C51单片机。
2.3 系统控制算法选取及控制器的设计
(1)系统控制算法选取[2]
理论分析和实验结果表明,电阻炉是一个具有自平衡能力的对象,可以近似为带有纯滞后的一阶惯性环节。因此被控对象的数学模型为
式中,τ为被控对象的纯滞后时间;Tp为被控对象的惯性时间常数;K为广义对象的放大倍数。
一般来说,具有纯滞后的被控对象对稳定性、超调量的要求是主要的,而对快速性的要求是次要的。对于这类控制对象的控制算法可以选取Dahlin算法。在实验中获得被控对象的纯滞后时间τ=1.2min,对象时间常数Tp=2min。当τ/Tp<0.5时,可采用PID算法控制[3];当τ/Tp>0.5时,可采用Dahlin算法控制。
(2)数字控制器的设计
达林算法的设计目标[4]是使整个闭环系统所期望的传递函数相当于一个延时环节和一个惯性环节相串联,即
因此可得到带有纯滞后一阶惯性对象的达林算法的基本形式:
式中:T为采样周期;T0为闭环系统的时间常数。
将D(z)进一步简化为:
得差分方程:
3 硬件电路设计
3.1 温度检测电路及功率放大电路
温度检测电路及功率放大电路如图2。采用镍铬-镍硅热电偶[5]检测炉温。优点是结构简单,可将温度信号转换成电压信号,测温范围广、精度高,可实现远距离测量和传送,使用稳定可靠。
集成温度传感器AD590作为热电偶冷端温度补偿。流过AD590的电流:Iμ=273μA+T0×1μA/℃。
热电偶传感器输出的热电势为0～56mV,在进行A/D转换前必须进行信号变送。本系统采用两级放大,前级用运放ICL7650,输入信号为差动信号,放大倍数为15倍。后级运放选用μA741,放大倍数可调,最大值100倍,主要完成反向功能。
3.2 执行机构
本系统执行机构采用单片机控制的固态继电器控温电路,其波形为完整的正弦波,对惯性较大的被控对象,是一种稳定、可靠、较合理的控制方法。
固态继电器控温电路如图3。采用交流过零触发型固态继电器SSR,实现过零触发交流调功。
系统调功原理如图4。系统采用SSR,通过过零触发方式,在一个控制周期Tc内,由TA89C51的P1.0～P1.7口控制8路SSR的通断率,当P1口某一位输出高电平时,对应的SSR才能够过零触发导通。控制P1口各位输出高电平的时间Tx也就控制了Tc内导通周波数n,从而控制输入炉子平均功率的大小,达到控温的目的。
3.3 AD574模/数转换电路
A/D转换器的选择[6]应满足其分辨率要高于系统的精度要求,且有一定的裕量。AD574的分辨率为1/212=000024414,本系统允许的控制误差为1/1000=0.001,故选用AD574符合设计要求。模数转换电路如图5。AD574工作在12位状态,转换值分两次输出,高8位从D4～D11输出,低4位从D0～D3输出,并直接和单片机数据线相连。
标志状态端STS完成两个任务:一是用于转换结果的读取,采用方式读取数据;二是用该信号经反向后作为采样/保持器LF398的采样/保持控制信号,并将其作为CD4051的禁止输出信号INH。
本系统的硬件电路还包括键盘/显示电路、储存器扩展电路和报警电路,在此不加以详述。
4 软件设计
本系统的软件采用结构化模块程序设计,主要由主程序、中断服务程序和子程序组成。子程序主要有滤波子程序、温度采样子程序、显示子程序、变换子程序、达林算法子程序、报警子程序等。
本文主要给出主程序(图6)和温度采样子程序流程图(图7),其它程序流程图略。
5 结束语
本文用计算机直接数据控制系统(DDC)设计了电阻炉炉温的的控制,在此系统中,计算机AT89C51直接参加闭环控制过程,通过检测电路对电阻炉温度进行巡回检测和采样,将采样的模拟信号经过AD574转换电路变成数字量输入,计算机按我们设计的控制算法对输入量进行计算处理,发出控制信号去驱动执行机构,使电阻炉的炉温达到预定的要求。通过仿真实验,本系统的设计满足系统控制要求,且系统通过性强,对系统稍加修改即可用于各类热处理炉、反应炉和锅炉等的温度控制。
参考文献
[1]田亚娟.单片机原理及应用[M].大连理工大学出版社,2008.
[2]冯晓露.智能控制在电厂主蒸汽温度控制系统中的应用研究[D].浙江大学,2006.
[3]何忠蛟.锅炉水温的PID控制算法研究[J].锅炉制造,2005,(3):9-11.
[4]杨宁.微机控制技术[M].北京:高等教育出版社,2005.
[5]何凤琴.基于单片机的陶瓷窑多点温度检测系统[J].上海师范大学学报(自然科学版),2005,(2):55-57.