本文介紹了中頻爐溫控系統(tǒng)。由?8031?單片機(jī)控制晶閘管觸發(fā)角。利用溫敏二極管?的線性負(fù)溫度特性對熱電偶進(jìn)行冷端補(bǔ)償,?補(bǔ)償精度優(yōu)于?1℃。控制算法采用模糊?P I?復(fù)合控制。具?有成本低,?對參數(shù)變化不敏感,?控制效果好等特點(diǎn)。

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本系統(tǒng)以溫敏二極管做熱電偶冷端補(bǔ)償,?以?8031?單片機(jī)為控制微機(jī)實(shí)現(xiàn)中頻爐溫度的數(shù)?字控制。?系統(tǒng)由?8031?單片機(jī),?存貯器,?串口構(gòu)成的鍵盤?顯示電路,?溫敏二極管冷端補(bǔ)償?shù)臏y溫電?路,?晶閘管整流逆變柜等組成。系統(tǒng)原理見圖?1。

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鍺溫敏二極管?1N 914?在較寬的溫度范圍(- 240～?100℃)?內(nèi)有良好的線性負(fù)溫度特性,?為?- 2. 0mV ?℃,?可以利用該特性對熱電偶進(jìn)行冷端補(bǔ)償。本系統(tǒng)采用鎳鉻—鎳鋁熱電偶測溫,?此熱電偶在環(huán)境溫度- 20～?50℃區(qū)間線性良好,?為?0. 04mV ?℃。為解決熱電偶與溫敏二極管?隨溫度變化斜率不同的問題,?我們采取在溫敏二極管上并聯(lián)分壓電阻Rd1和?Rd2的方法。電路?原理見圖?2

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溫敏二極管要對熱電偶進(jìn)行冷端補(bǔ)?償,?經(jīng)?推?導(dǎo)?Rd1?和?Rd2?的?阻?值?比?應(yīng)?為?Rd1 Rd1+ Rd2 = 50。可選用?2?個(gè)精密電阻串聯(lián)。?為直接得到冷端補(bǔ)償后的熱電偶的熱?電勢,?還應(yīng)調(diào)整RC?改變V C?使V C = V d (0) 50 (V d (0)?為溫敏二極管在?0℃時(shí)的分壓值) ,?則運(yùn)放的輸出為:V 0= - RF R1 E (T , 0)。?經(jīng)溫敏二極管冷端補(bǔ)償后的熱電偶電勢通過二級(jí)運(yùn)放放大送A ?D?轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換,?送給?8031。此電路結(jié)構(gòu)簡便,?溫敏二極管價(jià)格低廉互換性好,?較之用電橋補(bǔ)償法成本低。?本系統(tǒng)的鍵盤及顯示電路由?8031?的串口構(gòu)成,?借用一條?I?O?口線做鍵盤及顯示轉(zhuǎn)換控制?線,?用串入并出移位寄存器?74L S164?多級(jí)串接,?可實(shí)現(xiàn)數(shù)碼管靜態(tài)顯示;?再利用一片并入串出?芯片?74L S165?可實(shí)現(xiàn)查詢式八鍵盤輸入〔3〕。?控制系統(tǒng)輸出一個(gè)?PWM?脈寬調(diào)制波,?積分后的?0～?12V?電壓送相控整流的電壓控制端,?以調(diào)整晶閘管觸發(fā)角,?從而改變逆變輸出電壓。

常規(guī)?P ID?控制的精度高,?但實(shí)際系統(tǒng)總是多少具有非線性和時(shí)變,?使?P ID?參數(shù)的整定常?常較困難,?而達(dá)不到預(yù)期的控制效果。模糊控制是一種基于專家經(jīng)驗(yàn)的非線性控制,?具有魯棒?性好,?對參數(shù)變化不敏感,?控制效果好等優(yōu)點(diǎn),?能對復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行較好的控制;?但模糊控制常常?在平衡點(diǎn)附近會(huì)有小的振蕩現(xiàn)象。可把兩者結(jié)合起來,?構(gòu)成兼有兩者優(yōu)點(diǎn)的模糊?P ID?復(fù)合控?制器。?中頻爐的控溫區(qū)域較寬,?如在大溫度范圍內(nèi)采用模糊控制,?要么分檔太粗控制精度不好,?要么分檔細(xì)使規(guī)則增多計(jì)算量增加。我們采取了這樣的控制方案:?當(dāng)偏差大時(shí)用比例控制,?以?提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度;?當(dāng)偏差中等時(shí)采用模糊控制,?以提高系統(tǒng)的阻尼性減小超調(diào),?且模糊控?制的論域不太寬提高了靈敏度;?當(dāng)偏差較小時(shí)采用?P I?控制,?提高穩(wěn)態(tài)精度。?這種分段多模態(tài)的模糊?P I?復(fù)合控制方法,?綜合了比例、模糊及?P I?控制的長處,?系統(tǒng)響應(yīng)?快、無超調(diào)、魯棒性強(qiáng)、精度高。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),?模糊控制器及?P I?控制器的參數(shù),?比單純的模糊?控制器及單純的?P I?控制器參數(shù)允許選取的范圍要寬,?即對控制器的參數(shù)的選取要求不太嚴(yán)格?了。?3. 2?非線性校正.

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熱電偶的溫度—熱電勢曲線?E (T , 0)?是非線性的,?但變化較為平緩,?可用線性插值法進(jìn)行?28?河北省科學(xué)院學(xué)報(bào)?1999?年?第?16?卷?圖?3?主模塊?非線性校正。把實(shí)際控溫區(qū)間?300℃～?750℃分為?5?段,?可認(rèn)為各溫?段區(qū)間內(nèi)?T—E?的關(guān)系是線性的,?各插值點(diǎn)及各段斜率存入?2764?中。對冷端補(bǔ)償后的熱電偶電勢進(jìn)行非線性校正,?求得爐溫值?T。

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軟件采用單片機(jī)高級(jí)語言——PL ?M?編寫。PL ?M?語言兼有高?級(jí)語言和匯編語言的優(yōu)點(diǎn)。代碼轉(zhuǎn)換質(zhì)量高,?一般優(yōu)于或不亞于匯編?程序,?且仿真調(diào)試方便。可大大縮短軟件開發(fā)時(shí)間。?軟件由主模塊、鍵盤掃描模塊及顯示模塊組成。采用模塊化結(jié)?構(gòu),?程序可移植性好。?主模塊:?包括上電初始化,?采樣,?數(shù)字濾波,?非線性校正子程序,?控制算法, 8031T 1?中斷脈寬調(diào)制程序等,?見圖?3。?鍵盤模塊及顯示模塊:?鍵盤有個(gè)位鍵,?十位鍵,?加減鍵,?確認(rèn)鍵及?復(fù)位鍵等,?能設(shè)定給定值,?修改?P I?參數(shù)等。L ED?分為兩組,?分別顯示?設(shè)定值和實(shí)際值。

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本系統(tǒng)采取了如下抗干擾措施:?輸入信號(hào)線?(包括補(bǔ)償導(dǎo)線)?絞合在一起,?并用金屬管屏蔽起來;?采用復(fù)合濾波,?圖?4?模糊?P I?復(fù)合控制階躍響應(yīng)?A ?D?連續(xù)采樣?4?次,?先用中值濾波除去尖脈沖干?擾,?再用平均值濾波;?系統(tǒng)設(shè)有電源掉電檢測和片?外RAM?掉電保護(hù)功能。

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本冷端補(bǔ)償電路應(yīng)用于實(shí)際溫控系統(tǒng),?補(bǔ)償?精度優(yōu)于±1℃。采用模糊?P I?復(fù)合控制系統(tǒng)運(yùn)行?效果良好,?圖?4?為系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線。