基于單片機的熱處理爐溫度PID控制系統設計與仿真

孫 列

(西安航空學院飛行器學院,陜西 西安 710089)

在冶煉等工業的生產過程中,熱處理是決定鍛件質量的重要步驟。工件淬火時溫度過高會導致工件損壞,淬火時溫度過低不足以消除工件成分中的應力,容易造成工件硬度不夠。因此溫度控制是工件熱處理的控制要點。熱處理爐作為鋼鐵等冶煉工業的重要設備應用廣泛。加強對熱處理爐設備的溫度控制成為工業生產冶煉的技術難點。隨著電子信息技術的逐漸發展,大規模集成電路得到廣泛的應用。單片機作為集成電路信息處理的核心,具有操作便捷、性能穩定的特點,能夠滿足在多種復雜工況下的工作需要。而PID控制方法是一種具有較強可靠性以及魯棒性的控制手段,能夠提升控制系統的精確性。熱處理爐的溫度容易受到外界環境等多種因素的干擾,變化非線性。將單片機以及PID控制方法結合使用,應用于熱處理爐溫度的控制系統設計能夠明顯提升對溫度的控制效果。

1 熱處理爐運行分析

熱處理的目的是使鍛造的金屬工件具備相應的物理、化學以及力學性能。通過熱處理改變工件材料表面的成分以及其內部性能。根據熱處理工藝的不同,一般將熱處理劃分為整體熱處理、局部熱處理以及化學熱處理[1]。常用熱處理爐包括鹽浴爐、箱式電阻爐等。箱式電阻爐在熱處理中應用更具有普遍性。箱式電阻爐構造如圖1所示。

圖1 箱式電阻爐結構示意

箱式電阻爐基礎結構包括保溫材料、耐火磚、電阻絲以及爐壁,其采用電阻絲進行加熱。在額定功率內通過增大電阻絲內的電流實現電阻絲的發熱以及鍛件的加熱。一般情況下,工件進入箱式電阻爐包括以下幾個步驟:①從加料門進入;②經過爐膛;③出料門卸出。工件進入到箱式電阻爐中多采用步進式移動梁以及推桿進行移動,提升工件熱處理的自動化水平[2]。

2 單片機溫度控制功能和原理分析

2.1 單片機功能分析

作為處理設備溫度控制的核心元件之一,單片機能夠通過媒介傳輸的方式,對溫度的實時監測,獲取溫度變化信息,為溫度監測人員做出處理提供數據支持。借助單片機進行溫度控制能夠提升溫控的合理性和科學性[3]。

2.2 單片機工作原理

單片機的工作原理是利用傳感器設備獲取被監測體的溫度,然后將溫度信息轉化為系統可識別的電壓以及電流信號。轉化后的信號經由放大處理后傳輸到終端,實現對溫度的控制[4]。只有當電壓以及電流等物理信號量達到單片機的既定處理范圍后,控制人員才能夠實現對信息的歸納以及過濾,然后經由可視化方式展示出來。

3 基于單片機的熱處理爐溫度PID控制系統設計分析

3.1 系統總體設計方案

本系統設計將AT89C51單片機作為微處理器核心單元,包括溫度信息采集、模擬量轉化、模數放大以及溫度控制等多個模塊組成。系統經由MAX232實現與PC機通信。信息采集后經由惠斯登橋式電路輸送差分電壓信號,電壓信號經由模數方法和轉換后顯示在LED智能可視化監測屏上[5]。溫度控制采用模糊PID控制方法,以提升控制的精度。系統整體架構如圖2所示。

圖2 熱處理爐溫度控制系統架構

根據系統的整體設計架構可知,系統涉及數據處理、信息采集、輸入/顯示以及溫控等多個模塊。整體遵循低耦合的原則。

3.2 系統硬件設計及選型

3.2.1 單片機模塊

單片機作為整個控制系統的核心,需要能夠完成對熱處理爐溫度的監測以及顯示等功能。目前市場上的單片機種類較多,為了滿足熱處理爐溫度信息處理的需要,既要注意單片機的功能性又要注意其性價比。因此選用能兼容MCS-51指令系列的AT89C51單片機作為處理器[6-7]。這一單片機不僅功耗低而且性能高,具有1 000次可擦寫功能,便于溫度控制人員進行參數的反復修改,對數據的處理頻率最高可達24 MHz,符合熱處理爐溫度監測需求。AT89C51單片機結構及功能匯總如圖3所示。

圖3 AT89C51結構及功能匯總

在 AT89C51工作前需要將其與時鐘電路、片內振蕩器相連接,確保建立起可編程的串行通道。將單片機寄存器內數值調整為初始狀態即可完成復位操作。

3.2.2 溫度信號采集模塊

本系統的硬件溫度信號采集選用鎳鉻-鎳硅熱電偶進行,這一熱電偶的溫度測量范圍在0～1 200 ℃,符合工件熱處理的溫度變化要求。同時鎳鉻-鎳硅熱電偶具有較好的線性,輸出的熱電足。熱點后信號采集后經由c進行冷端補償,然后經由惠斯登橋式電路輸送,經由電橋獲取差分信號,并由毫伏級放大到0～5 V,在過濾高頻干擾信號以后經由A/D轉換器輸出電流[8-9]。本系統應用的ADS7816型號模數轉換器是一種串行式轉換設備,能夠實現數據的依次傳輸,節約輸送成本。

3.2.3 A/D轉換模塊

由于單片機多采用連續測量的方式,因此其控制模擬量多為連續變化。這些連續變化的模擬量不容易被單片機所識別,所以需要進行數字量的轉化以順利實現單片機溫控系統的功能。但大多現有的A/D轉換芯片具有轉換精度低、分辨率低的特性,為了提升測量的精度,提升轉換的效果,選用ADS7816型號模數轉換器芯片作為轉換器。這一轉換器的精度可達0.025,溫度范圍在0～100 ℃[10]。在片選引腳處于低電平狀態時,轉換器進行工作狀態,并在2 h內對輸入信號進行采樣,依次在下降周期進行輸出和傳送。

3.2.4 輸入模塊

輸入模塊采取按鍵開關形式,按鍵排列成矩陣方式,每一按鍵與數據的一個端口位相對應。當按鍵處于關狀態時,端口處于高電平狀態,系統處于休息狀態。當按下按鍵,端口處于低電平狀態,系統進行工作[11]。由于按鍵開關方式自身的機械特性,在進行開關閉合過程中會存在接觸性抖動引起電平信號的波動。因此系統采取軟件延時的方式進行程序執行,避免單片機多次響應。

3.2.5 LED顯示模塊

LED顯示模塊是向系統控制人員以及系統用戶直觀展示溫度數據的重要依托。采用LCD作為智能輸出設備,其具有圖像靈活、交互性強的優勢。其原理是通過控制發光二極管控制LED數字顯示[12]。在顯示模塊中應用七段LED,依照燈區的亮滅進行字符區分。LED顯示器分為共陰極以及共陽極。當高電平時點亮共陽極二極管,當低電平時點亮共陰極二極管。

3.3 系統軟件設計

3.3.1 設計原則

1)易于使用和維護

基于這一目標,溫控系統的軟件設計多采用結構化的設計方法,按照功能性將系統區分為多模塊,并進行模塊任務的細化。

2)實時、精確性

由于熱處理爐溫度控制系統需要具有較快的反應速度,因此系統的軟件反應需要快速。能夠對接收到的信號進行實時響應和處理。同時系統的算法必須精準,滿足系統計算需求。

3)可靠性

熱處理爐作為鍛煉等工作的重要處理設備,處于較為惡劣的外界環境中。系統軟件在運行過程中也容易受到外界環境以及其他突發問題的干擾,因此軟件設計需要有較強的抗風險干擾的能力,在受到擾動時能夠盡快地恢復工作,保證系統的正常運作[13-14]。

3.3.2 控制算法選擇

選用模糊PID控制算法作為熱處理爐溫度控制的主要算法,相較于傳統PID算法,模糊PID控制方法建立在模糊集合以及邏輯的基礎上,進一步引入隸屬函數作為中間過渡過程的描述語言。將每一元素都進行歸納。

模糊控制算法主要有三部分組成,分別是模糊化、模糊推理以及去模糊化。其建立在包含控制率以及隸屬函數的知識庫基礎上,如圖4所示。

圖4 模糊PID控制過程

在模糊控制回路中,輸入量為被控過程中的敏感量,在熱處理爐溫控系統中表現為溫度的電流以及電壓信號,模糊控制器的輸出為溫控系統的調節量。其中模糊化處理是將溫度電流以及電壓信號進行定義的過程,將其轉化為語言值的隸屬度。模糊推理是一種條件的聚合和推理,通過規則的疊加,得出滿足條件部分的結果。去模糊化是將算法計算的結果轉化為非模糊值進行輸出的過程。為了滿足熱處理爐溫度控制系統的實時性要求,模糊PID設計采用有限離散論域進行參數值確定和校正。

4 結 語

溫度作為工業熱處理的重要元素之一,關系到工件的使用壽命以及企業的經濟效益。而科學技術以及信息技術的發展為溫度控制提供了更好的途徑。單片機作為一種體量小、耗能低、可靠性強的電子設備,將其與PID控制算法相結合能夠顯著提升工業熱處理的效率,為工業鍛造冶煉的信息化、智能化發展打下良好的基礎。