恒溫油槽智能控制系統(tǒng)的研究*

馬春生 張治民

(①中北大學(xué)機(jī)械工程與自動化學(xué)院，山西太原030051;②中北大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西太原030051)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，許多精密產(chǎn)品的生產(chǎn)制造都要求具有特定的工作環(huán)境。本項目研發(fā)的鎂合金轎車輪轂等溫擠旋成形裝置，就要求在250℃左右的液態(tài)介質(zhì)中加工。通過密封的液態(tài)恒溫槽使輪轂在某介質(zhì)中的適當(dāng)溫度下等溫成形，這樣的成形技術(shù)既增加了輪轂的變形區(qū)范圍，又減小了變形溫度的波動幅度。變形區(qū)范圍增大，則變形路徑更趨合理;溫度波動幅度減小，則變形金屬內(nèi)部由于變形不均勻而引起的組織性能的差異也隨之減小，顯著提高了產(chǎn)品的塑性，減小了成形后殘余應(yīng)力，改善了產(chǎn)品的質(zhì)量和精度，為此項技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展提供了保障。此次設(shè)計的恒溫槽，可對實際乃至未來設(shè)備的生產(chǎn)提供一個較大的發(fā)展空間［1-2］。

1 恒溫油槽的系統(tǒng)組成及工作原理

等溫擠旋成形技術(shù)是一項綜合了旋壓、鍛造、擠壓、拉伸、彎曲和滾壓等工藝特點的少無切削加工的先進(jìn)工藝。依據(jù)等溫擠旋成形工藝設(shè)計出的裝備如圖1所示。新工藝的特點之一要求工件在液態(tài)介質(zhì)中等溫加工，因而恒溫油槽的合理設(shè)計是裝備中的關(guān)鍵技術(shù)之一［3］。

恒溫油槽是一個為金屬熱加工提供工作環(huán)境的系統(tǒng)。系統(tǒng)由油槽、加熱器、攪拌機(jī)、溫度傳感器和控制電路組成。

首先通過油泵2把油經(jīng)輸油管5泵到加熱槽6中加熱，電動機(jī)7帶動漿葉攪動油流，油流充分混合溫度達(dá)到均勻一致，然后通過油路進(jìn)入油槽10，最后經(jīng)過油路流回到加熱槽，實現(xiàn)供油循環(huán)。油流在油槽中通過控制系統(tǒng)達(dá)到合適的流速，以保證它在油槽中溫度均勻且穩(wěn)定不變。

在加熱槽底部設(shè)有儲油箱1，若需清理儲油箱中的油，可通過油泵2和放液閥4抽離儲油箱。若加熱槽溫度需快速下降，可打開閥門3，把槽中部分高溫油放入儲油箱后，再用油泵將冷油經(jīng)輸油管5泵入槽內(nèi)。

加熱電阻絲在加熱槽6中放置應(yīng)注意以下幾點:

(1)電阻絲的分布應(yīng)該符合恒溫槽傳導(dǎo)熱量的比率，這樣才能使溫度場分布均勻且穩(wěn)定。

(2)要減小電阻絲通過電流時可能產(chǎn)生的附加干擾磁場?？梢杂秒p線法繞制。

(3)加熱電阻絲必須緊密貼合在槽上，這樣才能使熱量迅速傳遞給恒溫槽。并且加熱電阻絲和恒溫槽之間應(yīng)該絕緣，可以在加熱電阻絲繞制好后在其上噴上清漆或其他絕緣膠。

(4)加熱電阻絲的安裝必須注意與測溫元件之間的相對位置，使它們之間的分布溫度滯后最小。

2 恒溫油槽的控制原理

恒溫油槽的控制原理如圖2所示，系統(tǒng)選擇AT89C52單片機(jī)為控制器。在加熱槽內(nèi)設(shè)有兩組電加熱器(P1=50 kW，P2=2 500 W)、攪拌器和PT100的溫度傳感器。

啟動電加熱器P1，1 h后恒溫槽內(nèi)溫度可達(dá)額定溫度TH=250℃左右。恒溫槽允許的溫度范圍(-1%)TH≤T≤(1%)TH。溫度傳感器將目前槽內(nèi)溫度變換成微小電壓，經(jīng)放大器LM124放大后，得到0～5 V輸出電壓，該模擬輸出電壓經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器TLC2543轉(zhuǎn)換成數(shù)字量供微機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行采集。

恒溫槽開啟加熱達(dá)到額定溫度后，微機(jī)系統(tǒng)開始采集和處理恒溫槽的溫度。即定時檢測、顯示和處理恒溫槽的溫度。微機(jī)系統(tǒng)每隔1 min，通過4位LED數(shù)碼管顯示當(dāng)前檢測溫度值，另4位LED數(shù)碼管顯示設(shè)定值。通過顯示值判斷，若槽溫在允許范圍內(nèi)，則切斷P1，投入P2，且綠色指示燈亮。

若槽溫T≥(+3%)TH時，則切斷P2，紅色指示燈亮，且連續(xù)發(fā)出F=1 000 Hz的聲音報警。取出槽內(nèi)熱處理工件，等待機(jī)檢查系統(tǒng)故障。故障消除后停止聲光報警，重新啟動系統(tǒng)工作。

若恒槽溫 T≤(-3%)TH時，同時投入 P1、P2，黃色指示燈亮，且連續(xù)發(fā)出F=500 Hz的聲音報警。待槽溫升至允許范圍后，切斷P1，保留P2，停止聲光報警，系統(tǒng)繼續(xù)工作。

由于油槽要求使用溫度范圍寬(0～350℃)，控制精度(0.1℃)，A/D電路必須達(dá)到很高的分辨率才能滿足要求。我們選用TLC2543，該芯片具有12位轉(zhuǎn)換精度速率，并行輸出接口。A/D轉(zhuǎn)換的量化誤差為250℃/4 096=0.06℃，基本可以滿足控制精度的要求。控制系統(tǒng)以AT89C52單片機(jī)為核心，89C52屬于MCS-51單片機(jī)的改進(jìn)型，是一種低電壓、高性能CMOS8位微控制器。片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲單元，大大簡化了單片機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。控制電路原理如圖3所示。

3 系統(tǒng)軟件的結(jié)構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計［4］，在主程序模塊下分成若干彼此獨立的分模塊，如A/D模塊、鍵盤掃描模塊、顯示模塊、模糊控制模塊等。在各模塊適當(dāng)位置設(shè)置軟件陷阱，進(jìn)行冗余設(shè)計，以提高系統(tǒng)的抗干擾能力。主程序流程如圖4所示。

控制方法根據(jù)給定值與測量值的偏差e選擇智能控制器，根據(jù)偏差變化選擇控制方法。通常|e|≤emin或|e|≥emax時，采用PID控制算法，在 emin≤|e|≤emax時采用模糊控制算法。該方法與傳統(tǒng)PID控制相比，明顯的特點是抗干擾能力增強(qiáng);與模糊控制相比，控制精度更高。溫度控制系統(tǒng)原理如圖5所示。

在系統(tǒng)軟件的設(shè)計中我們充分考慮了與硬件電路的有機(jī)結(jié)合，有效地利用了模糊控制技術(shù)來減小過渡過程時間和提高控制精度。模糊控制器設(shè)計為雙輸入單輸出型.輸入量一為設(shè)定溫度和當(dāng)前油槽溫度的偏差e，輸入量二為偏差變化率ev(即當(dāng)前的偏差減去前一采樣時刻的偏差)，輸出量是一個控制周期內(nèi)加到調(diào)功器件上的電壓控制量u。

首先對輸入量e和ev進(jìn)行模糊化處理，分別將它們劃分為8個模糊子集，即:PL(正大)，PM(正中)，PS(正小)，PO(正零)，NO(負(fù)零)，NS(負(fù)小)，NM(負(fù)中)，NL(負(fù)大)，分別確定出對應(yīng)的隸屬度。然后對輸出量u進(jìn)行模糊化處理，將它們劃分為7個模糊子集，即:PL(正大)，PM(正中)，PS(正小)，O(零)，NS(負(fù)小)，NM(負(fù)中)，NL(負(fù)大)，確定出對應(yīng)的隸屬度。

控制規(guī)則的一般形式為:IF e=TiAND ev=ΔTjTHEN u=Vij，可得模糊關(guān)系矩陣為 R=Ti× ΔTj× Vij，如果偏差e和偏差變化率ev分別取模糊集Ti和ΔTj，則根據(jù)模糊推理的組合法則，輸出的控制量u應(yīng)為模糊集Vij，即Vij=(Ti×ΔTj)×R。最后得出的模糊控制規(guī)則如表1所示。

表1 模糊控制規(guī)則表

PID控制器是一種線性調(diào)節(jié)器，采用單片機(jī)作為控制核心的自動控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時刻的誤差值計算控制變量Y，因此是離散控制，但對于時間常數(shù)比較大的系統(tǒng)來說，其近似于連續(xù)變化，所以數(shù)字PID完全能夠代替模擬調(diào)節(jié)器，只不過模擬PID控制算法公式(1)中的積分項和微分項不能直接準(zhǔn)確計算，只能用數(shù)值計算的方法逼近［5］。其控制算法的模擬表達(dá)式為

式中:Y(t)為調(diào)節(jié)器的輸出;e(t)為調(diào)節(jié)器的偏差信號;Ti為積分時間;Td為微分時間。為便于計算機(jī)實現(xiàn)PID調(diào)節(jié)，上式離散化增量控制算式如下:

式中:ek、ek-1、ek-2為第 k、k-1、k-2 次采樣偏差值。

4 調(diào)試結(jié)果及結(jié)論

設(shè)計的恒溫油槽經(jīng)調(diào)試后，可滿足下列主要技術(shù)指標(biāo)要求:

(1)油槽工作溫度范圍:0～350℃。

(2)控制精度:±0.06℃。

(3)從開機(jī)到進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)時間:小于1 h(設(shè)置溫度為250℃時)。

(4)工作條件:環(huán)境溫度為10～40℃;工作電壓為220(1±10%)V;電源頻率為50(1±1%)Hz;加熱功率為2.5～50 kW。

通過實際工程驗證，實現(xiàn)了恒溫槽單片機(jī)的自動控制，系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，具有控制精度高，進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)所需時間短，性能比高等特點。此設(shè)計方法對其他類型的恒溫設(shè)備的設(shè)計也有借鑒作用，具有較好的推廣應(yīng)用價值。

［1］張寶紅，張治民，張星，等.杯形件溫引伸數(shù)值模擬［J］.塑性工程學(xué)報 2004，11(3):86-88.

［2］付傳鋒，張鈺成，賴周藝，等.國內(nèi)外鎂合金等溫鍛造進(jìn)展［J］.中國機(jī)械工程，2006，17(增刊):135-139.

［3］馬春生，張治民，等.自旋成型裝置的設(shè)計與數(shù)值模擬［J］.機(jī)械設(shè)計與研究，2010，26(4):111-114.

［4］季鏡屏，李國平，錢火根.一種新型高精度標(biāo)準(zhǔn)恒溫油槽［J］計量技術(shù)，2000(10):15-17.

［5］石雄.恒溫槽高精度恒溫自動控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.工業(yè)儀表與自動化裝置，2005(1):32-34.