胡開明，錢敏，王懷平

（東華理工大學 信息與電子工程學院，撫州 344000）

0 引言

電阻爐是工業(yè)中應用最多的加熱設備，廣泛應用于化驗室樣品熔樣，冶金冶煉，熱處理中工件的分段加熱和冷卻等。而電阻爐是一個具有較大純滯后和時間常數的溫度對象，過去通常采用位式控制或連續(xù)PID控制，一般控制質量不高，如超調量大、穩(wěn)定時間長等[2]。為提高電阻爐溫度的控制質量，本文以單片機為核心，采用大林控制算法與組態(tài)技術，較好地解決了PID控制系統(tǒng)中存在的不足，提高了系統(tǒng)的溫度控制精度，同時用組態(tài)技術實現了實時監(jiān)控。

1 系統(tǒng)結構

該電阻爐系統(tǒng)以AT89C51單片機為核心，采用大林控制算法和組態(tài)技術實現了爐溫理想控制與在線監(jiān)控。

該系統(tǒng)由單片機系統(tǒng)、控制算法、溫度檢測、鍵盤輸入、溫度顯示、加熱絲功率控制以及通訊監(jiān)控等部分組成，系統(tǒng)結構如圖1所示。系統(tǒng)采用晶閘管作為功率放大器件,對電阻爐提供可控制功率輸入。溫度經過熱電偶檢測、放大、I/V變換、A/D轉換后送入單片機。在單片機內部,主機將采樣值與給定值比較后進行控制算法計算得到控制量，再經D/A轉換器變成輸出脈沖觸發(fā)信號，通過過零觸發(fā)電路驅動雙向可控硅，單片機通過改變控制脈沖寬度，即改變了可控硅在一個固定控制周期內的導通時間，這樣電阻爐的溫度就隨著電阻爐的平均輸入功率改變而變化，也就達到了控溫目的。同時將過零同步信號接到單片機外部中斷輸入端 上，在中斷服務程序中進行觸發(fā)控制和控制周期計數。另外利用串口通訊實現系統(tǒng)的組態(tài)監(jiān)控。

圖1 系統(tǒng)硬件原理框圖

2 控制算法設計

2.1 系統(tǒng)數學模型

本系統(tǒng)中把晶閘管、電阻爐、溫度變送器統(tǒng)一地作為被控對象。電阻爐系統(tǒng)是個自衡系統(tǒng)，可以近似為一帶有純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)。傳遞函數可為

其中, T1為電阻爐的慣性時間常數;τ為其純延遲時間,為了簡化,設其為采樣周期的整數倍,即τ=NT，T為采樣周期，N為正整數[5]。該爐溫控制系統(tǒng)的數學模型如圖2所示，晶閘管一旦觸發(fā)導通即可保持到電網電壓過零，相當于內含零階保持器。

圖2 系統(tǒng)模型結構圖

2.2 大林控制算法

大林算法是由美國IBM公司的大林(Dahllin)于1968年針對工業(yè)生產過程中含純滯后的控制對象的控制算法。該算法的設計目標是設計一個合適的數字控制器,使整個系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數為帶有原純滯后時間的一階慣性環(huán)節(jié)。電阻爐溫控制系統(tǒng)對加熱的波動量即超調量要求較高，而對調節(jié)時間要求不高，很適合大林算法進行控制[5]。

大林算法設計的目的是使整個閉環(huán)系統(tǒng)所期望的傳遞函數?(s)相當與一個延遲環(huán)節(jié)與慣性環(huán)節(jié)的串聯，即閉環(huán)脈沖傳遞函數

式中U(k)為數字控制器的輸出；E(k)為輸入的偏差信號。[6]

3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件部分包括主程序、采樣定時中斷程序、數字濾波、串口通訊及大林算法運算等。

主程序完成硬件初始化、變量初始化等任務，然后循環(huán)檢測熱電偶檢測的溫度值，若發(fā)現溫度超限，則斷開控制輸出、屏蔽采用定時中斷，發(fā)出報警信號，并等待溫度降至安全值后重啟。

采樣中斷服務程序完成對溫度的采樣、控制算法、輸出觸發(fā)控制晶閘管導通角。采用定時器中斷，產生控制周期，控制周期一到，程序則轉入控制模塊，調A/D轉換模塊及熱電偶線性化模塊得到爐溫的反饋信號，根據給定值和控制算法得到控制量，經輸出口輸出脈沖控制過零觸發(fā)器。

系統(tǒng)采用慣性濾波法，以消除噪聲干擾。

控制器是控制系統(tǒng)的核心，用它完成大林控制算法程序，實現了爐溫的有效控制。大林算法流程圖如圖3所示。[1]

圖3 大林控制算法流程圖

4 系統(tǒng)組態(tài)

設計中采樣北京昆侖通態(tài)自動化軟件科技公司開發(fā)的MCGS工業(yè)組態(tài)監(jiān)控軟件。它融過程控制設備、現場操作及資源管理與一體，具有強大的圖形組態(tài)功能，能夠實現人機交換控制界面和網絡控制功能。通過運行程序命令語言實現大林控制算法設計從而達到電阻爐的溫度控制；完成了上位機功能，實現了實時溫度監(jiān)控的主控界面；創(chuàng)建組態(tài)窗口，實現了實時數據與歷史數據的報表；以及溫度實時曲線和報警時間記錄等[4]。

5 系統(tǒng)仿真分析

圖4 系統(tǒng)仿真圖形

該系統(tǒng)數學模型的參數用單位階躍響應曲線法求取，為了方便運算取整可得設給定的溫度為 1000C，采用大林控制算法其simulink仿真圖形如圖4a所示。選用PI控制器對該系統(tǒng)進行控制，并整定其參數，得到仿真圖形如圖4b所示。從圖形中可以看出對于大滯后系統(tǒng)采用大林算法能使系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)無靜差，超調為零，調節(jié)時間也很小，控制效果很好。而采用普通PID控制雖然超調量僅為10%，但調節(jié)時間很長，不利于控制。

6 結束語

對于含大滯后環(huán)節(jié)的電阻爐溫度控制系統(tǒng)，普通PID控制難以達到較理想的控制效果，而采用大林算法進行控制效果明顯提高。同時將組態(tài)技術運用其中，有利于較好的實現系統(tǒng)監(jiān)控功能，該技術在現實中具有較高的應用價值。

[1] 趙德元.電阻爐溫度的大林控制算法[J].成都大學學報,2006,23(2):25-29.

[2] 蔡春橋,等.電阻爐溫度控制系統(tǒng)的設計與實現[J].科學技術與工程,2007,7(10):2379-2382.

[3] 陳嶺貴.單片機溫度控制系統(tǒng)在電阻爐中的應用[J].煤炭技術,2005,24(6):33-34.

[4] 祝琴,等.基于組態(tài)王6.03的臺車式電阻爐溫度控制系統(tǒng)[J].加熱設備,2004,33(3);52-53.

[5] 李元春.計算機控制系統(tǒng)[M].高等教育出版社,2005.

[6] 于海生.計算機控制技術[M].機械工業(yè)出版社,2008.