1、微型機控制系統應用實例 在工業生產過程中，微型機控制已得到了廣泛的應用，在石油、化工、鋼鐵、汽車、醫藥、電力、煤炭、輕工等各領域都有很多成功應用的實例。下面僅就生產過程中經常遇到的溫度控制系統的應用實例作一介紹。溫度在很多工業生產過程中是主要的被控參數之一，因為任何物理變化和化學反應的過程都與溫度有關。在鋼鐵、機械、石油化工、醫藥、電力及輕工各類工業中的很多生產環節要求按照一定規律控制溫度?，F以電阻爐爐溫控制系統為實例，說明微型機直接數字控制系統的一般設計步驟和具體方法。1工藝要求（1）電阻爐選用型號：CKS一70一1型 使用電壓范圍：0220V(AC) 允許最高溫度：256 功率：700W（

2、2）電阻爐溫度控制通過PWM脈沖調寬功率放大器，再經SSR固態繼電器，來提供電阻爐爐絲的供電電壓。（3）工藝要求爐溫的控制過程包括兩個階段。 自由升溫段：要求爐溫快速升溫到90。 保溫段：爐溫升至90后要求溫度維持90基本不變。升溫段用自由升溫的辦法，即對升溫速度沒有限制，當升溫到90時，要求保溫4h，然后打開爐門，讓其自然冷卻。整個系統的升溫、保溫、降溫過程如圖11 (a)所示。爐溫的檢測元件采用鉑電阻，放在爐中的隔板正中，所檢測的爐溫用u來表示。對保溫段的控制要求：超調量p15，過渡過程時間ts120min，一2 靜態誤差es+2。為了滿足上述要求，就要對控制系統進行設計，這就要求了解被控

3、系統的特性。首先了解被控系統的特性，建立系統的數學模型，作為設計自動調節系統的依據。爐溫控制系統是常見的確定性系統，采用飛升曲線測量方法，測出爐溫控制系統的飛升曲線，即可得到控制對象的數學模型，如圖11(b)所示，由圖可知它是帶有純滯后的一階慣性環節，其圖11 飛升曲線傳遞函數為 Wd= =式中：純滯后時間； T1對象的時間常數； C(s)對象輸入信號c(t)的拉普拉斯變換； y(s)對象輸出信號y(t)的拉普拉斯變換； K系統的放大倍數。 K=其中：Cmax,Cmin調節器輸入信號可能取的最大值與最小值； ymax,ymin對象輸出的最大值與最小值。這樣就求出了一階對象爐溫系統的三個參數K，

4、T1。這里要說明的是：在測試飛升曲線時，一般階躍信號不從零開始。這樣會使系統造成很大的非線性，影響被測對象正常工作。一般的作法是給調節對象輸人到c1使對象開環穩定運行于實際工況附近(如70)，并以此輸出值作為縱坐標的原點(0值)。然后在：t=t0時加一正階躍輸入，使對象輸出隨之向上變化，最后穩定在某一值(如對應為90 )，定此值為1(即為100)。在t=t1，時，再加一負階躍輸人一，使對象輸出隨之向下變化，最后又穩定在0值處(比如又回到70)。從這過程開始，我們按照一定時間間隔，把函數yi=f(t)和ci=f(t)的數據記錄下來，并畫出如圖12所示的飛升曲線。這樣就可以根據上升曲線和下降曲線得

5、到被控對象電阻爐的純滯后時間和系統的時間常數及。將所測的兩個純滯后時間和兩個時間常數分別取平均值，確定為對象的純滯后時間和時間常數。系統的放大倍數K為控制對象的輸出穩態值 (輸入增量)與輸入階躍值 (輸入增量)之比，即圖12 飛升曲線2控制算法的選擇和參數的計算要使系統滿足上述提出的控制要求，有很多種控制方法，如PID調節規律、純滯后補償、大林算法及最優化控制等。選用PID調節規律對爐溫進行控制，調節的靈活性較大，只要在程序上稍加改變就可以達到改善控制質量的目的。針對不同的被控對象，除PID調節外還可采用一些不同的運算方法，如只選用積分、比例積分或比例微分等。對于本例電阻爐爐溫的控制來說： （

6、1）當T9 0時為自由升溫段，只要求升溫越快越好，所以應將加熱功率全開足，即全量輸出。為避免過沖，將自由升溫上限定為80 。即當T80時，Pi最大(全量輸出)。也就是說在自由升溫段，采用全量輸出對系統進行開環控制。(2)當T80 時，已接近需要的保溫值9 0。此時采用保溫段控制方法，如采用比例控制，因爐絲電壓尸的變化和爐溫變化之間存在很大的時間延遲，因此當以溫差來控制輸出，即比例控制時，系統只有在爐溫與給定值(保溫溫度)相等時才停止輸出。這時由于爐溫變化的延遲性質，爐溫并不因輸出停止而馬上停止上升，從而超過給定值。而且只有在爐溫上升到一定高度后，才開始下降，并繼續下降到略小于給定值時，系統才重

7、新輸出。同樣由于爐溫變化落后于輸出，它將繼續下降。從而造成溫度的上下波動，即所謂振蕩?？紤]到電阻爐上述的滯后影響，調節規律必須加入微分成分，即PD調節。PD調節系統輸出不僅取決于溫度大小，還取決于溫差的變化率。所以當爐溫還小于給定值時，由于溫差逐漸減小，即其變化率為負，系統則可提前減少或停止輸出，使爐溫不致于出現過大的超調，從而改善了爐溫調節的動態品質。積分作用，可以減小控溫的靜態誤差，適當選擇積分的作用，可在不影響動態性能下減小控溫的誤差。所以保溫段控制通常采用閉環的PD控制方法，也可以采用閉環的PID控制方法。 連續系統PD校正的控制可表示為 P=Kp(E+ )式中：e=uo- ui； u

8、o給定值； ui反饋值。 PD離散算法可表示為 Pk=Kp+M式中：M常數項，作為穩定值時所需的保溫功率。在編制控制算法程序時，可用下面的實際算法： Pk=A+M =式中：A=Kp(1+TdT)； B=Kp TdT； Ek=uok- uik； Td微分時間常數； Kp一一比例系數； T一一采樣周期。根據如下經驗公式，可求出K p,Kd 式中：K一一控制對象放大倍數； 一一控制對象的時間常數； 控制對象純滯后時間。初值可以取，算法程序每步要計算其中的其中用于計算下步。采樣定理給出了選擇采樣周期的原則，對于電阻爐爐溫控制，由于爐溫變化是一個緩慢過程，微型計算機所提供的運算速度，足以滿足采樣周期的要

9、求，所以采樣周期T的選擇有很大余地。根據上述原則和實踐經驗，對電阻爐爐溫的采樣周期可選1min2min左右。3微型計算機機型的選擇及總體設計 計算機直接數字控制系統主要是由三部分組成，即被控制對象、微型計算機、輸入輸出接口及外圍設備。電阻爐爐溫控制系統是一個慢過程，采樣周期選為1 min2min。對該系統實行計算機直接數字控制，其輸入輸出均為單通道，輸入采樣是爐溫，計算機按PD 調節規律計算出的控制量輸出，經小功率脈沖調寬放大器(PWM)及固態繼電器(SSR)輸出給電阻爐爐絲。如采用模數轉換器為八位的數字量輸入和八位的數字量輸出，在計算精度上要求不是很高的情況下，可選擇8086(8088)CP

10、U微型計算機，它以8086(8088)CPU為中央控制器，其指令系統比較完備，給程序設計提供了很大的靈活性。808 6(8088)微型機可選用并行輸入輸出接口模板和計時計數模板供用戶使用。4.系統硬件本例選用8086CPU微型機為控制核心組成電阻爐爐溫自動控制系統的硬件結構。8086處理器將運算結果傳送給ADC0832數模轉換芯片，再經運算放大器和PWM及SSR輸出給電阻爐爐絲。電阻爐的爐溫采用鉑電阻作為檢測元件，接到電橋的一臂。電橋的輸出電壓經運算放大器送至模數轉換芯片ADC0809轉換成數字量，再經CPU采樣輸人計算機。采樣周期為l min2min的延時周期。由采樣檢測到的爐溫，經CPU按

11、控制運算規律計算出的控制量輸出給外部設備(電阻爐)后，在下次采樣周期未到之前，將采樣爐溫和輸出值在PC顯示器上進行顯示并通過打印機打印。采用以上部件就構成了電阻爐爐溫的自動控制系統，如圖13所示。圖13 電阻爐爐溫控制系統框圖下面就構成微型計算機控制系統輸人部分的檢測元件作一簡單介紹。爐溫的檢測可選用電阻溫度計或熱電偶等元件。檢測溫度范圍在一120+500 內經常采用電阻溫度計；檢測溫度范圍在0256及溫度稍低一些的可采用熱電阻檢測溫度。選用鉑電阻來檢測，實現檢測的方法是，將鉑電阻Rt兩端引出與其他三個電阻R1,R2,R3(見圖14)組成電橋，當爐溫發生變化時，鉑電阻的電阻值將發生變化，根據鉑

12、電阻隨溫度變化的特性，就可在鉑電阻兩端相應輸出不同的電壓值。電阻值隨溫度變化的變化率為 )如我們選用分度號為BA2的鉑電阻，在環境溫度為0時，R=100，溫度每變化1，電阻值變化0.39/，即0.39/。當爐溫發生變化時，鉑電阻的溫度也隨之變化，在電橋的兩端就可輸出不同的龜壓值，經運算放大器F032輸出給ADC0809模數轉換芯片轉換成數字量，從8086CPU數據總線輸人，這樣就完成了爐溫溫度檢測。改變運算放大器的反饋電阻數值時，可以得到不同的放大倍數，滿足對電阻爐爐溫檢測值的最大要求。 圖14 微型計算機自動控制爐溫系統結構框圖5軟件程序編制 、在前面討論控制算法時，已根據控制對象確定了系統

13、的控制規律。要實現上述控制規律，首先對爐溫每隔l min2min(或根據實際調試而定)進行一次對爐溫的采樣，然后根據采樣數據，進行全量輸出FFH(當采樣爐溫小于或等于80時)或按PD規律進行運算后適量輸出(爐溫大于80時)，并對采樣的爐溫溫度和輸出值進行顯示。當到達采樣周期時又開始采樣、運算輸出，重復上述過程，從而達到自動控制爐溫的目的。因系統采用8086CPU計算機構成，所以程序可采用8086的指令系統也可用C語言編寫，程序中的數據和地址均采用1 6進制代碼。在程序中要設置好數據區，數據區存放運算中所需參數(A，B，Uo，M，Ro)和運算過程中需要保留的數據(Ek,Ek-1,Rk,Rk-1)

14、的代碼。軟件編程包括以下幾部分：主程序，AD控制延時子程序，PD算法子程序及輸入和輸出顯示子程序。（1）主程序 圖15 主程序框圖 圖16 控制算法子程序框圖在主程序中，首先執行初始化程序，然后啟動ADC0809進行轉換，經147.6s的延時ADC0809輸入的模擬量轉換成數字量，CPU再對爐溫進行采樣，將采樣的數據與5 0H(80)進行比較。若爐溫小于或等于5 0H，則進行開環控制全量輸出，同時將采樣存儲地址加1，為下次采樣存儲做好準備。在采樣周期未到時，顯示爐溫Uk和輸出Pk值。當爐溫大于50H時就進行PD運算，運算后看是否有溢出，如有溢出就輸出00H,如無溢出，則將計算的Pk值放大27倍，作為控制量輸出。放大27倍是為了補償輸人量衰減2-7，在采樣周期未到時顯示爐溫Uk和輸出Pk值。（2）PD控制算法子程序 子程序流程圖如圖16所示。6.系統調試（1）單元調試 分別對鉑電阻及其放大電路、模擬量輸人電路、模擬量輸出電路進行調試。（2）程序調試 首先對各子程序及中斷服務子程序進行調試，然后對系統主程序和子程序進行局部聯調。 （3）系統調試 在硬件單元調試和程序調試的基礎上，根據整個系統原理及接線圖連接各單元組成電阻爐爐溫控制系統，然后運行程序，記錄各采樣時刻