本文介紹了中頻爐溫控系統。由?8031?單片機控制晶閘管觸發角。利用溫敏二極管?的線性負溫度特性對熱電偶進行冷端補償,?補償精度優于?1℃。控制算法采用模糊?P I?復合控制。具?有成本低,?對參數變化不敏感,?控制效果好等特點。

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本系統以溫敏二極管做熱電偶冷端補償,?以?8031?單片機為控制微機實現中頻爐溫度的數?字控制。?系統由?8031?單片機,?存貯器,?串口構成的鍵盤?顯示電路,?溫敏二極管冷端補償的測溫電?路,?晶閘管整流逆變柜等組成。系統原理見圖?1。

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鍺溫敏二極管?1N 914?在較寬的溫度范圍(- 240～?100℃)?內有良好的線性負溫度特性,?為?- 2. 0mV ?℃,?可以利用該特性對熱電偶進行冷端補償。本系統采用鎳鉻—鎳鋁熱電偶測溫,?此熱電偶在環境溫度- 20～?50℃區間線性良好,?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題,?我們采取在溫敏二極管上并聯分壓電阻Rd1和?Rd2的方法。電路?原理見圖?2

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溫敏二極管要對熱電偶進行冷端補?償,?經?推?導?Rd1?和?Rd2?的?阻?值?比?應?為?Rd1 Rd1+ Rd2 = 50。可選用?2?個精密電阻串聯。?為直接得到冷端補償后的熱電偶的熱?電勢,?還應調整RC?改變V C?使V C = V d (0) 50 (V d (0)?為溫敏二極管在?0℃時的分壓值) ,?則運放的輸出為:V 0= - RF R1 E (T , 0)。?經溫敏二極管冷端補償后的熱電偶電勢通過二級運放放大送A ?D?轉換器轉換,?送給?8031。此電路結構簡便,?溫敏二極管價格低廉互換性好,?較之用電橋補償法成本低。?本系統的鍵盤及顯示電路由?8031?的串口構成,?借用一條?I?O?口線做鍵盤及顯示轉換控制?線,?用串入并出移位寄存器?74L S164?多級串接,?可實現數碼管靜態顯示;?再利用一片并入串出?芯片?74L S165?可實現查詢式八鍵盤輸入〔3〕。?控制系統輸出一個?PWM?脈寬調制波,?積分后的?0～?12V?電壓送相控整流的電壓控制端,?以調整晶閘管觸發角,?從而改變逆變輸出電壓。

常規?P ID?控制的精度高,?但實際系統總是多少具有非線性和時變,?使?P ID?參數的整定常?常較困難,?而達不到預期的控制效果。模糊控制是一種基于專家經驗的非線性控制,?具有魯棒?性好,?對參數變化不敏感,?控制效果好等優點,?能對復雜系統進行較好的控制;?但模糊控制常常?在平衡點附近會有小的振蕩現象。可把兩者結合起來,?構成兼有兩者優點的模糊?P ID?復合控?制器。?中頻爐的控溫區域較寬,?如在大溫度范圍內采用模糊控制,?要么分檔太粗控制精度不好,?要么分檔細使規則增多計算量增加。我們采取了這樣的控制方案:?當偏差大時用比例控制,?以?提高系統的響應速度;?當偏差中等時采用模糊控制,?以提高系統的阻尼性減小超調,?且模糊控?制的論域不太寬提高了靈敏度;?當偏差較小時采用?P I?控制,?提高穩態精度。?這種分段多模態的模糊?P I?復合控制方法,?綜合了比例、模糊及?P I?控制的長處,?系統響應?快、無超調、魯棒性強、精度高。通過實驗發現,?模糊控制器及?P I?控制器的參數,?比單純的模糊?控制器及單純的?P I?控制器參數允許選取的范圍要寬,?即對控制器的參數的選取要求不太嚴格?了。?3. 2?非線性校正.

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熱電偶的溫度—熱電勢曲線?E (T , 0)?是非線性的,?但變化較為平緩,?可用線性插值法進行?28?河北省科學院學報?1999?年?第?16?卷?圖?3?主模塊?非線性校正。把實際控溫區間?300℃～?750℃分為?5?段,?可認為各溫?段區間內?T—E?的關系是線性的,?各插值點及各段斜率存入?2764?中。對冷端補償后的熱電偶電勢進行非線性校正,?求得爐溫值?T。

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軟件采用單片機高級語言——PL ?M?編寫。PL ?M?語言兼有高?級語言和匯編語言的優點。代碼轉換質量高,?一般優于或不亞于匯編?程序,?且仿真調試方便。可大大縮短軟件開發時間。?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?構,?程序可移植性好。?主模塊:?包括上電初始化,?采樣,?數字濾波,?非線性校正子程序,?控制算法, 8031T 1?中斷脈寬調制程序等,?見圖?3。?鍵盤模塊及顯示模塊:?鍵盤有個位鍵,?十位鍵,?加減鍵,?確認鍵及?復位鍵等,?能設定給定值,?修改?P I?參數等。L ED?分為兩組,?分別顯示?設定值和實際值。

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本系統采取了如下抗干擾措施:?輸入信號線?(包括補償導線)?絞合在一起,?并用金屬管屏蔽起來;?采用復合濾波,?圖?4?模糊?P I?復合控制階躍響應?A ?D?連續采樣?4?次,?先用中值濾波除去尖脈沖干?擾,?再用平均值濾波;?系統設有電源掉電檢測和片?外RAM?掉電保護功能。

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本冷端補償電路應用于實際溫控系統,?補償?精度優于±1℃。采用模糊?P I?復合控制系統運行?效果良好,?圖?4?為系統階躍響應曲線。