1 前言

　　自70年代以來(lái)，由于工業(yè)過(guò)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(kāi)發(fā)與應(yīng)用，近年來(lái)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(wèn)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(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(guò)控制接觸器的通斷時(shí)間比例來(lái)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(wú)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(méi)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(guò)程中經(jīng)常會(huì)遇到的一種過(guò)程控制，在一些工藝的過(guò)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(wèn)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(lái)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：單片機(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(guò)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(guò)數(shù)碼管顯示出來(lái)，同時(shí)通過(guò)鍵盤輸入設(shè)定溫度，單片機(jī)將設(shè)定溫度同ADC0809傳送過(guò)來(lái)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(lái)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(lái)達(dá)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(jì)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(shí)施多種控制算法，多年以來(lái)，在過(guò)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)象能很好的匹配，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e(t)=r(t)-c(t)

　　將偏差的比例(P)、積分(I)、微分(D)通過(guò)線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)過(guò)程對(duì)象進(jìn)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(shí)間常數(shù) Td—微分時(shí)間常數(shù)。

　　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(lái)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5 1系列單片機(jī)AT8 9s52來(lái)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/O通道的硬件電路的設(shè)計(jì)

　　就本系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，需要實(shí)時(shí)采集水溫?cái)?shù)據(jù)，然后經(jīng)過(guò)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(guò)PID算法得到控制量，并經(jīng)由單片機(jī)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(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(lái)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(guò)整流橋的電壓經(jīng)過(guò)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罚姞t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; 高于上限時(shí)，蜂鳴器叫。控制執(zhí)行部分的硬件電路如圖3 所示。

　　圖 3 控制執(zhí)行部分電路

　　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(lái)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(guò)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(wú)鍵盤響應(yīng)時(shí)每隔5秒響應(yīng)一次，以用來(lái)采集經(jīng)過(guò)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。

圖 4 主程序流程圖

　　5.2 功能實(shí)現(xiàn)模塊

　　以用來(lái)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(jì)中，用單片機(jī)作為主控芯片，通過(guò)電橋使得PT100來(lái)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(guò)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(guò)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。