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(duì)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(duì)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(cè)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(duì)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(cè)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(wèn)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(duì)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(shì), 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(shì)通過(guò)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(jiǎn)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。

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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(duì)參數(shù)變化不敏感, 控制效果好等優(yōu)點(diǎn), 能對(duì)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(lái), 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(zhǎng)處, 系統(tǒng)響應(yīng) 快、無(wú)超調(diào)、魯棒性強(qiáng)、精度高。通過(guò)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(duì)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(shì)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(duì)冷端補(bǔ)償后的熱電偶電勢(shì)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(yǔ)言——PL ?M 編寫。PL ?M 語(yǔ)言兼有高 級(jí)語(yǔ)言和匯編語(yǔ)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(lái); 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(cè)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。