1. 確定總體方案
在某煤氣/焦碳生產(chǎn)企業(yè)中，為了把握工藝規(guī)律和控制參數(shù)，按比例制作了一臺(tái)模擬煉焦?fàn)t，其中的煤炭采用電阻絲進(jìn)行加熱。要求控制電阻爐中a點(diǎn)的溫度按預(yù)定的規(guī)律變化，同時(shí)監(jiān)測b點(diǎn)的溫度，一旦b點(diǎn)溫度超過允許值，就應(yīng)該發(fā)出報(bào)警信息、并停止加熱。
根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)的要求，采用8031單片機(jī)系統(tǒng)組成的數(shù)字控制器代替常規(guī)模擬調(diào)節(jié)器。整個(gè)系統(tǒng)在規(guī)定的采樣時(shí)刻經(jīng)過a/d轉(zhuǎn)換采集由溫度傳感器反饋回來的溫度反饋測量值，并和給定值進(jìn)行比較，將經(jīng)過控制運(yùn)算后的控制量輸出給執(zhí)行元件控制電阻絲的加熱過程。此外，系統(tǒng)還應(yīng)實(shí)現(xiàn)人機(jī)接口功能。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。
圖1 模擬煉焦?fàn)t溫度控制系統(tǒng)總體框圖
2. 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
按前面的總體設(shè)計(jì)方案，該系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)包括以下幾個(gè)部分。
⑴ 人機(jī)接口電路
本系統(tǒng)允許用戶根據(jù)需要隨時(shí)改變系統(tǒng)的工作狀態(tài)和控制參數(shù)，為此設(shè)置了4位led顯示和相應(yīng)的操作鍵盤，并由專用控制芯片8279實(shí)現(xiàn)與cpu的接口。采用8279后，可以節(jié)省cpu用于查詢鍵盤輸入和管理顯示輸出的時(shí)間，降低了對(duì)cpu處理速度的要求，同時(shí)也減少了軟件工作量。
⑵ 溫度測量電路
熱電偶用來檢測爐溫，將溫度值轉(zhuǎn)換為毫伏級(jí)的電壓信號(hào)。為便于信號(hào)遠(yuǎn)距離傳送，采用溫度變送器，把熱電偶輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為4～20毫安的電流信號(hào)，在接收端再經(jīng)i/v變換使之變成適于a/d轉(zhuǎn)換的電壓信號(hào)。
在系統(tǒng)中，采用多路復(fù)用方式對(duì)兩路熱電偶信號(hào)、冷端補(bǔ)償信號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)進(jìn)行a/d轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)運(yùn)行過程中，定期對(duì)標(biāo)準(zhǔn)電壓進(jìn)行采樣，以修正a/d轉(zhuǎn)換器的靈敏度、保證測控精度。為提高系統(tǒng)抗干擾能力，在多路轉(zhuǎn)換開關(guān)的控制電路a/d轉(zhuǎn)換電路的數(shù)字部分中還采用了光電隔離措施。
⑶ 溫度控制電路
電阻絲由過零觸發(fā)型的雙向可控硅整流電路驅(qū)動(dòng)，通過調(diào)節(jié)加熱阻絲上的平均電壓來控制加熱功率，最終達(dá)到控制爐溫的目的，其原理見圖2。moc3021是可控硅型光電隔離器件，它只能觸發(fā)小功率可控硅。因此，本系統(tǒng)中通過moc3021控制雙向可控硅bcr1，再由bcr1控制主電路的雙向可控硅bcr2。
圖2 加熱控制電路
電路中采用的過零觸發(fā)型雙向可控硅的特性如圖3所示，只有當(dāng)其兩端電壓過零時(shí)控制端上施加觸發(fā)信號(hào)，它才導(dǎo)通；一旦導(dǎo)通，只有再次過零時(shí)才被關(guān)斷。針對(duì)這一特點(diǎn)，本系統(tǒng)采取了控制在m個(gè)電網(wǎng)周期內(nèi)可控硅導(dǎo)通的周期數(shù)m(0≤m≤m)的方法來控制輸出平均電壓。為簡單起見，可以使控制運(yùn)算所得控制量u和實(shí)際導(dǎo)通周期數(shù)m直接對(duì)應(yīng)，即
（1）
同步檢測電路檢出電網(wǎng)電壓信號(hào)的過零點(diǎn)，形成過零同步信號(hào)，并接到cpu的中斷請(qǐng)求輸入端，以提供觸發(fā)參考點(diǎn)和控制周期m的計(jì)數(shù)信號(hào)。需要注意的是，同步檢測電路和電阻爐加熱回路的電源必須是同相的，以保證觸發(fā)信號(hào)的同步。
圖3 過零型雙向可控硅的觸發(fā)特性
⑷ 單片機(jī)基本系統(tǒng)
單片機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的核心，它負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)、控制系統(tǒng)的各個(gè)部分完成規(guī)定的功能。在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，除充分利用8031cpu的各種內(nèi)置資源外，還擴(kuò)展了8k的程序存儲(chǔ)器2764(eprom)和2k的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器6116(ram)。
過零同步信號(hào)接到8031cpu的外部中斷輸入端上，在中斷服務(wù)程序中進(jìn)行觸發(fā)控制和控制周期計(jì)數(shù)；外部中斷用于8279的中斷請(qǐng)求管理，在中斷服務(wù)程序中處理鍵盤輸入。
另外，為了軟件簡便和節(jié)省資源起見，可以選擇采樣周期t為電網(wǎng)周期的整數(shù)倍，這樣采樣工作和控制運(yùn)算就可以在同步信號(hào)中斷服務(wù)程序中進(jìn)行，而不必安排另外的定時(shí)器進(jìn)行采樣/控制運(yùn)算周期定時(shí)了。
電阻爐溫度控制系統(tǒng)的硬件原理框圖見圖4。
圖4 模擬煉焦?fàn)t溫度控制系統(tǒng)
3. 控制算法設(shè)計(jì)
⑴ 系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型
在本系統(tǒng)中，把可控硅整流電路、模擬煉焦?fàn)t、溫度變送器統(tǒng)一地作為被控對(duì)象。
理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，電阻爐是一個(gè)具有自衡能力的對(duì)象，可以近似為一個(gè)純滯后環(huán)節(jié)和一個(gè)慣性環(huán)節(jié)的串聯(lián)。與電阻爐的時(shí)間常數(shù)相比，系統(tǒng)中的溫度變送器、可控硅電路等環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)可以忽略不計(jì)，因此被控對(duì)象的傳遞函數(shù)為
?。?）
其中，被控對(duì)象的輸入為可控硅整流電路的輸出電壓，輸出為爐內(nèi)的a點(diǎn)的溫度所對(duì)應(yīng)的i/v電路輸出電壓。被控對(duì)象的各參數(shù)可采用飛升曲線法通過實(shí)驗(yàn)來確定，各參數(shù)含義如下：
td—電阻爐的慣性時(shí)間常數(shù)；
τ—電阻爐的純滯后時(shí)間；
kd—被控對(duì)象放大系數(shù)，是溫度變送器、觸發(fā)放大環(huán)節(jié)、可控硅調(diào)壓電路及電阻爐的比例系數(shù)的乘積。
綜上所述，模擬煉焦?fàn)t溫度控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型如圖5所示。注意，雖然沒有在硬件上設(shè)置專門的零階保持器，但由于可控硅一旦觸發(fā)導(dǎo)通即可保持到電網(wǎng)電壓過零，相當(dāng)于內(nèi)含零階保持器。
圖5 模擬煉焦?fàn)t溫度控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型
⑵ 控制器設(shè)計(jì)
針對(duì)被控對(duì)象具有純滯后環(huán)節(jié)的特點(diǎn)，采用大林算法設(shè)計(jì)數(shù)字控制器進(jìn)行控制。由于對(duì)象為帶有純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)，所以設(shè)計(jì)時(shí)不必考慮振鈴現(xiàn)象。
根據(jù)控制要求和特點(diǎn)，確定閉環(huán)系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)tτ和采樣周期t，并由τ=nt確定n(n為整數(shù))。數(shù)字控制器的輸入為誤差e、控制輸出為u，可得數(shù)字控制器的脈沖傳遞函數(shù)為
（2）
其對(duì)應(yīng)的差分方程為
（3）
4. 軟件設(shè)計(jì)
溫度控制系統(tǒng)軟件包括主程序、采樣定時(shí)中斷程序、數(shù)字濾波程序、非線性校正程序、控制運(yùn)算和控制輸出處理程序、鍵盤管理程序等。
⑴ 主程序
主程序完成硬件初始化、變量初始化等任務(wù)，然后循環(huán)檢測爐內(nèi)b點(diǎn)溫度，如圖6所示。若發(fā)現(xiàn)b點(diǎn)溫度超限，則斷開控制輸出、屏蔽采樣定時(shí)中斷，然后通過發(fā)光二極管發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并等待用戶處理后重新復(fù)位，或在溫度下降至安全值后再重新啟動(dòng)控制。
圖6 主程序框圖
⑵中斷服務(wù)程序
在這個(gè)程序中，進(jìn)行a點(diǎn)溫度的采樣、控制運(yùn)算、輸出觸發(fā)控制等。設(shè)采樣周期為n個(gè)電網(wǎng)周期(即t=n×20ms)，控制輸出周期為m個(gè)電網(wǎng)周期，則中斷服務(wù)程序框圖如圖7所示。
圖7 中斷服務(wù)程序框圖
⑶ a/d轉(zhuǎn)換子程序
在該程序中，采用多路復(fù)用方式對(duì)選定通道(a點(diǎn)或b點(diǎn))的熱電偶信號(hào)、冷端補(bǔ)償信號(hào)進(jìn)行a/d轉(zhuǎn)換，以獲取和實(shí)際溫度對(duì)應(yīng)的數(shù)字量。另外，還要對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的電壓信號(hào)進(jìn)行a/d轉(zhuǎn)換，以修正a/d轉(zhuǎn)換器的精度。
⑷ 數(shù)字濾波子程序
采用一階滯后算法進(jìn)行數(shù)字濾波，以消除噪聲干擾。
⑸ 非線性校正子程序
熱電偶輸出的電壓信號(hào)與被測溫度之間呈非線性關(guān)系，因此將熱電偶的溫度一電壓特性以表格形式存入eprom，進(jìn)行測控時(shí)采用插值算法求出溫度檢測數(shù)字量濾波結(jié)果對(duì)應(yīng)的實(shí)際溫度值。
⑹中斷服務(wù)程序
當(dāng)用戶壓下任意按鍵時(shí)，均產(chǎn)生中斷，并在該中斷服務(wù)程序中解釋、處理用戶的鍵盤操作。在本系統(tǒng)中，允許用戶設(shè)置b點(diǎn)溫度報(bào)警限、a點(diǎn)溫度變化曲線等。
⑺ 控制運(yùn)算子程序
該子程序?qū)崿F(xiàn)控制規(guī)律，如圖8所示。由于期望溫度是曲線形式的，在該子程序中還要根據(jù)用戶輸入的溫度曲線數(shù)據(jù)和程序運(yùn)行時(shí)間，計(jì)算出當(dāng)前時(shí)刻的溫度給定數(shù)值。
圖8 控制運(yùn)算子程序框圖