基于智能控制技術(shù)的新型溫控系統(tǒng)的研究

摘要: 本文主要介紹了一種基于智能控制技術(shù)的新型溫控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)了傳感器鉑電阻為本溫度控制系統(tǒng)提供溫度信號(hào)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送入微控制器中，通過(guò)微控制器及其接口電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度信號(hào)的顯示、判斷、決策及控制。最后系統(tǒng)輸出的適當(dāng)控制量可調(diào)脈沖控制可控硅電路。通過(guò)可控硅調(diào)功對(duì)被控對(duì)象電阻爐的加熱，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)被控對(duì)象電阻爐的溫度控制，以達(dá)到系統(tǒng)所要求的精度。
關(guān)鍵字: 傳感器；可控硅；溫度控制；A/D

1 引言

在鋼鐵、機(jī)械、石油化工、電力、工業(yè)爐窯等工業(yè)生產(chǎn)中，溫度是極為普遍又極為重要的熱工參數(shù)之一。溫度控制一般指對(duì)某一特定空間的溫度進(jìn)行控制調(diào)節(jié)，使其達(dá)到并滿足工藝過(guò)程的要求。在本文中，主要研究對(duì)特定空間(電阻爐)的溫度進(jìn)行高精度控制。采用九點(diǎn)控制器算法進(jìn)行溫度控制，達(dá)到了很好的控制效果。

2 控制系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)

控制系統(tǒng)硬件電路的組成由同步過(guò)零檢測(cè)電路、溫度信號(hào)檢測(cè)及可控硅觸發(fā)電路、時(shí)鐘芯片等組成，結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，以單片機(jī)機(jī)為核心，數(shù)據(jù)采集由鉑電阻經(jīng)補(bǔ)償放大后送至A/D轉(zhuǎn)換，調(diào)功部分由過(guò)零觸發(fā)電路及可控硅完成。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3 溫度傳感器的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用PT100熱電阻為測(cè)溫器件，PT100熱電阻是一種廣泛應(yīng)用的測(cè)溫元件，在-50℃~600℃范圍內(nèi)具有其他任何溫度傳感器無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，包括高精度、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)等。由于鉑熱電阻的電阻值與溫度成非線性關(guān)系，所以本模塊需要進(jìn)行非線性校正，一般的模塊采用模擬電路校正，這種校正的精度不高，而且溫漂等受干擾的程度也比較大。

熱電阻溫度傳感器是利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻率隨著溫度值變化而變化的原理制成的，實(shí)現(xiàn)了將溫度變化轉(zhuǎn)化為元件電阻的變化。它主要用于對(duì)溫度和溫度有關(guān)參數(shù)檢測(cè)與控制。鉑熱電阻具有測(cè)溫范圍大、穩(wěn)定性好、示值復(fù)現(xiàn)性高和耐氧化等特點(diǎn)，常被用來(lái)作為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)。鉑電阻的非線性特征按照國(guó)際電工委員會(huì)的鉑熱電阻技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，鉑電阻Pt100在0℃~650℃范圍內(nèi)，符合TTS-90的國(guó)際分度表函數(shù)R(t)可用式(1)表示

式中 分別是t℃和0℃時(shí)的鉑電阻阻值， 。很顯然，上述表達(dá)式中，鉑電阻阻值R0與溫度t之間的關(guān)系為非線性的。

4 功率輸出電路及其控制原理分析

4.1 功率輸出電路

加熱絲輸出功率大小的調(diào)節(jié)，可以使用移相調(diào)壓電路，也可以采用占空比開(kāi)關(guān)電路進(jìn)行控制。在采用移相調(diào)壓電路時(shí)，即將計(jì)算得到的控制量經(jīng)D/A變換，控制可控硅的移相觸發(fā)電路，實(shí)現(xiàn)輸出電壓的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。由于電壓輸出波形的不完整，含有高次諧波分量，對(duì)電網(wǎng)有一定的干擾。

采用占空比開(kāi)關(guān)電路控制，即考慮可控硅控制電壓和被控的交流電壓之間以及電熱絲產(chǎn)生的熱量和所加的電壓之間的非線性，通過(guò)調(diào)節(jié)周期時(shí)間內(nèi)的通電時(shí)間來(lái)調(diào)節(jié)輸出功率的大小，可以避免D/A轉(zhuǎn)換和信號(hào)放大造成的不必要的誤差，也可以通過(guò)可控硅的過(guò)零觸發(fā)電路避免對(duì)電網(wǎng)的諧波干擾。在本系統(tǒng)中采用占空比開(kāi)關(guān)電路控制，功率輸出電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 功率輸出電路

MOC3041是一種過(guò)零觸發(fā)光電偶合芯片，用來(lái)實(shí)現(xiàn)BTA12雙向可控硅的過(guò)零觸發(fā)。R11的作用是限制流過(guò)MOC3041的輸出端的電流不超過(guò)其允許的最大重復(fù)浪涌電流。

4.2控制原理分析

本系統(tǒng)采用晶閘管過(guò)零觸發(fā)調(diào)功方式，為能精確控制晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間，利用同步變壓器和電壓比較器LM311組成正弦交流電的正半波過(guò)零檢測(cè)電路，它在交流電每一個(gè)正半周的起始零點(diǎn)處產(chǎn)生上升沿，并在正半周回零處產(chǎn)生一個(gè)下降沿，通過(guò)可重復(fù)觸發(fā)集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器MC14528，單穩(wěn)態(tài)輸出的兩路窄脈沖再疊加，就得到100Hz的過(guò)零脈沖，脈沖寬度可由MC14528的外接電阻和外接電容調(diào)節(jié)。這一串矩形脈沖序列輸至控制器 C8051F020的中斷口，在方波的上跳沿或下跳沿時(shí)刻產(chǎn)生IRQ中斷，用于觸發(fā)可控硅進(jìn)行同步移相，從而通過(guò)計(jì)算脈沖的個(gè)數(shù)控制晶閘管通斷的周期時(shí)間。過(guò)零檢測(cè)電路如圖4所示。