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

胡開明，錢敏，王懷平

（東華理工大學 信息與電子工程學院，撫州 344000）

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。而電阻爐是一個具有較大純滯后和時間常數(shù)的溫度對象，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)定時間長等[2]。為提高電阻爐溫度的控制質(zhì)量，本文以單片機為核心，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，同時用組態(tài)技術(shù)實現(xiàn)了實時監(jiān)控。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該電阻爐系統(tǒng)以AT89C51單片機為核心，采用大林控制算法和組態(tài)技術(shù)實現(xiàn)了爐溫理想控制與在線監(jiān)控。

該系統(tǒng)由單片機系統(tǒng)、控制算法、溫度檢測、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,對電阻爐提供可控制功率輸入。溫度經(jīng)過熱電偶檢測、放大、I/V變換、A/D轉(zhuǎn)換后送入單片機。在單片機內(nèi)部,主機將采樣值與給定值比較后進行控制算法計算得到控制量，再經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器變成輸出脈沖觸發(fā)信號，通過過零觸發(fā)電路驅(qū)動雙向可控硅，單片機通過改變控制脈沖寬度，即改變了可控硅在一個固定控制周期內(nèi)的導通時間，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，也就達到了控溫目的。同時將過零同步信號接到單片機外部中斷輸入端 上，在中斷服務(wù)程序中進行觸發(fā)控制和控制周期計數(shù)。另外利用串口通訊實現(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

2.1 系統(tǒng)數(shù)學模型

本系統(tǒng)中把晶閘管、電阻爐、溫度變送器統(tǒng)一地作為被控對象。電阻爐系統(tǒng)是個自衡系統(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

其中, T1為電阻爐的慣性時間常數(shù);τ為其純延遲時間,為了簡化,設(shè)其為采樣周期的整數(shù)倍,即τ=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)學模型如圖2所示，晶閘管一旦觸發(fā)導通即可保持到電網(wǎng)電壓過零，相當于內(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IBM公司的大林(Dahllin)于1968年針對工業(yè)生產(chǎn)過程中含純滯后的控制對象的控制算法。該算法的設(shè)計目標是設(shè)計一個合適的數(shù)字控制器,使整個系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為帶有原純滯后時間的一階慣性環(huán)節(jié)。電阻爐溫控制系統(tǒng)對加熱的波動量即超調(diào)量要求較高，而對調(diào)節(jié)時間要求不高，很適合大林算法進行控制[5]。

大林算法設(shè)計的目的是使整個閉環(huán)系統(tǒng)所期望的傳遞函數(shù)?(s)相當與一個延遲環(huán)節(jié)與慣性環(huán)節(jié)的串聯(lián)，即閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)

式中U(k)為數(shù)字控制器的輸出；E(k)為輸入的偏差信號。[6]

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件部分包括主程序、采樣定時中斷程序、數(shù)字濾波、串口通訊及大林算法運算等。

主程序完成硬件初始化、變量初始化等任務(wù)，然后循環(huán)檢測熱電偶檢測的溫度值，若發(fā)現(xiàn)溫度超限，則斷開控制輸出、屏蔽采用定時中斷，發(fā)出報警信號，并等待溫度降至安全值后重啟。

采樣中斷服務(wù)程序完成對溫度的采樣、控制算法、輸出觸發(fā)控制晶閘管導通角。采用定時器中斷，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，根據(jù)給定值和控制算法得到控制量，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)計中采樣北京昆侖通態(tài)自動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)場操作及資源管理與一體，具有強大的圖形組態(tài)功能，能夠?qū)崿F(xiàn)人機交換控制界面和網(wǎng)絡(luò)控制功能。通過運行程序命令語言實現(xiàn)大林控制算法設(shè)計從而達到電阻爐的溫度控制；完成了上位機功能，實現(xiàn)了實時溫度監(jiān)控的主控界面；創(chuàng)建組態(tài)窗口，實現(xiàn)了實時數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)的報表；以及溫度實時曲線和報警時間記錄等[4]。

5 系統(tǒng)仿真分析

圖4 系統(tǒng)仿真圖形

該系統(tǒng)數(shù)學模型的參數(shù)用單位階躍響應(yīng)曲線法求取，為了方便運算取整可得設(shè)給定的溫度為 1000C，采用大林控制算法其simulink仿真圖形如圖4a所示。選用PI控制器對該系統(tǒng)進行控制，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)時間也很小，控制效果很好。而采用普通PID控制雖然超調(diào)量僅為10%，但調(diào)節(jié)時間很長，不利于控制。

6 結(jié)束語

對于含大滯后環(huán)節(jié)的電阻爐溫度控制系統(tǒng)，普通PID控制難以達到較理想的控制效果，而采用大林算法進行控制效果明顯提高。同時將組態(tài)技術(shù)運用其中，有利于較好的實現(xiàn)系統(tǒng)監(jiān)控功能，該技術(shù)在現(xiàn)實中具有較高的應(yīng)用價值。

[1] 趙德元.電阻爐溫度的大林控制算法[J].成都大學學報,2006,23(2):25-29.

[2] 蔡春橋,等.電阻爐溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].科學技術(shù)與工程,2007,7(10):2379-2382.

[3] 陳嶺貴.單片機溫度控制系統(tǒng)在電阻爐中的應(yīng)用[J].煤炭技術(shù),2005,24(6):33-34.

[4] 祝琴,等.基于組態(tài)王6.03的臺車式電阻爐溫度控制系統(tǒng)[J].加熱設(shè)備,2004,33(3);52-53.

[5] 李元春.計算機控制系統(tǒng)[M].高等教育出版社,2005.

[6] 于海生.計算機控制技術(shù)[M].機械工業(yè)出版社,2008.