1、陶瓷烤花爐系統的研究摘要：用單片計算機控陶瓷間歇式電烤花爐溫度，并模擬陶瓷烤花燒成曲線，達到全自動程序控溫過程，提出了數字PID控制和施密斯（smith）預估補償方案，給出了系統的硬件及軟件組成，研究結果表明該系統計數先進，全自動控溫，價格低廉，控制精度高具有較好的魯棒性。關鍵詞：陶瓷烤花：程序控溫：單片機中圖分類號：174.6+58文獻標識碼：A文章編號：1000-9892（2002）02-0030-031、引言在陶瓷生產過程中，陶瓷烤花是生產中最后一道工序，對產品質量有著極其重要的意義。目前陶瓷烤花最多的是采用電加熱間歇式電爐，基本上是采有人工閘刀開關控制，電熱絲是全功率的加熱方式，爐內熱

2、沖擊及溫差大，操作上隨意性很大，對同類產品很難做到固定燒成曲線升溫，產品質量較難得到保證，并且在預熱過程中能源浪費很大，鑒于以上原因開發利用單片微型機系統控制烤花過程很有必要。 2、系統概述該系統控溫結構框圖見圖1：被控對象是電加熱間歇式烤花爐，被控參數是爐內溫度，改變晶閘管導通脈寬比（PWM）從而改變爐內溫度。爐溫由熱電偶檢測，熱電偶輸出電信號在50mv左右，經溫度信號調理電路變換為02v標準信號，再由A/D芯片5G14433轉換成BCD碼送單片機AT89C51的P口。單片機根據系統軟件給定的升溫曲線與爐內實際溫度求出系統偏差，經數字PID算法與施密斯（smith）預估器作補償后，再求出單片

3、機控溫輸出（數字量），由軟件變換成脈沖寬度調制信號（PHM），通過光電隔離，控制晶閘管的導通從而達到自動控溫目的。陶瓷烤花爐升溫控制曲線，是根據產品工藝要求而變化，不同的產品和裝飾陶瓷的多少，升溫曲線隨之改變，也就是說控制對象的給定升溫值是時間的已知函數，升溫曲線是按一定的時間程序變化。因此本系統采用閉環程序溫度控制方案，采用數字PID與施密斯（smith）預估日作補償算法。由于采用了單片微型計算機控制，有較強的人機對話功能，通過鍵盤并隨時設定，修改升溫曲線和控制參數，并可預存20條經驗燒成曲線，以備隨時調用，使控制系統有較強的靈活性。3、程序溫度控制系統的硬件設計陶瓷烤花爐溫度控制系統是以單

4、片機為核心，這里選擇ATMEL公司生產的AT89C51單片機芯片，它是一 種低功能，高性能，低價格抗干擾能力強的單片機芯片，尤其有較強的閃電存儲功能，并且與MCS-51系統兼容。溫度信號調理電路，要求工作穩定溫漂小，抗干擾能力強，本系統選用斬波穩零集成運放MC7650，其最大特點總失調和溫漂極少，性價比極為優越，同時采用數字反饋，應用于計算機補償技術，進一步提高了溫度檢測的精度和線性度。A/D轉換選用了5G14433芯片，轉換輸出為BDC碼，1999分辯率能滿足控制要求在溫度轉換A/D中廣泛采用此類芯片。輸出控制，由于陶瓷電烤花爐是純滯后控制對象，因此輸出控制采用脈寬調制輸出（PWM）方式，單

5、片機開關量口直接輸出（PWM）信號，節省了D/A變換電路，輸出（PWM）信號占空比變化，也就改變了陶瓷電烤花爐的的加熱功率。PWM脈寬調制信號，直接由單片機軟件產生。 4、程序溫度控制系統的軟件設計程序溫控系統的軟件設計是在AT89C51單片機上實現，由單片機來控制。主控軟件程序包括系統初始化，鍵盤輸入，顯示管理程序，溫度信號采樣，數學濾波，熱電偶溫度排線性補償，系統保護，數字PID運算，施密斯（smith）預估器補償等各程序完成。詳見單機主程序流程圖2。在陶瓷烤花爐溫度自動控制中，由于電加熱功能量的傳輸延遲，電爐控制對象具有純滯后性質，對象這種滯后性質常引起系統產生超調式振蕩，根據陶瓷烤花爐

6、的結構及熱力學原理，并得到以下陶瓷烤花爐為被控制對象的傳遞函數為：上式可看出，它是一個帶滯后的一個階慣性環節，采用一般溫度控制系統PID調節很難穩定，而且由于系統中含有純滯后環節，使控制器設計變得復雜，本陶瓷烤花溫度控制系統應用了單片機控制，即可方便的實現純滯后補償，在常規的校正環節基礎上引入了施密斯（smith）預估器補償，較好的解決了陶瓷烤花爐純滯后系統控制問題，其控制系統框圖見圖3，帶預估補償的程序溫控器由兩部分組成，一部分是數字PID控制，一部分是施密斯（smith）預估器。數字PID，純滯后補償控制算法（1）反饋回路的偏差e1(k)計算e1(k)=v(k)-y(k)（2）純滯后補償器

7、的輸出yT(k)計算 （3）相應的施密斯（Smith）預估控制差分方程為： （4）編差e2(k)計算e2(K)=e1(k)-yT(K)（5）控制器輸出計算u(k)=u(k-1)+u(k)=u(k-1)+kpe2(k)-e2(k-1)+k1e2(k)+kpe2(k)-2e2(k-1)+e2(k-2)其中：K1=Kp T/T1為積分系數；KD=KpTD/T為微分系數。從以上PID-smith預估補償控制系統框圖和計算看出，該控制系統能有效抑制滯后環節的影響，對陶瓷烤花燒成的穩定性提供了一個較好的方案，實驗表明該系統魯棒性強，控制精度可達2。 在工業控制中輸入信號不可避免的要混雜一些干擾，這里熱電偶溫度輸入信號采用數學濾波，提高了抗干擾能力，選用了一階滯后法進行軟件處理，大大提高了系統穩定性。為了抗50HZ工頻干擾，還對熱電偶輸入信號采樣方式進行了處理，對溫度信號進行連續采集64次，采樣時間設計為50HZ工頻周期整數倍，再求64次采樣值的平均值，用該平均值作為一個溫度樣本，這樣可以將大部分50HZ工頻干擾濾除。5、結束語用科學的方法進行陶瓷烤花，可提高產品質量，減少人工勞動強度，節約能源具有非常好的推廣實用價值。借助單片計算