本文介紹了中頻爐溫控系統。由 8031 單片機控制晶閘管觸發(fā)角。利用溫敏二極管 的線(xiàn)性負溫度特性對熱電偶進(jìn)行冷端補償, 補償精度優(yōu)于 1℃?？刂扑惴ú捎媚：?/span> 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(diǎn)。

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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(shí)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(pán)?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(jiàn)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(xiàn)性負溫度特性, 為 - 2. 0mV ?℃, 可以利用該特性對熱電偶進(jìn)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(huán)境溫度- 20～ 50℃區間線(xiàn)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(jiàn)圖 2

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溫敏二極管要對熱電偶進(jìn)行冷端補 償, 經(jīng) 推 導 Rd1 和 Rd2 的 阻 值 比 應 為 Rd1 Rd1+ Rd2 = 50?？蛇x用 2 個(gè)精密電阻串聯(lián)。 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(shí)的分壓值) , 則運放的輸出為:V 0= - RF R1 E (T , 0)。 經(jīng)溫敏二極管冷端補償后的熱電偶電勢通過(guò)二級運放放大送A ?D 轉換器轉換, 送給 8031。此電路結構簡(jiǎn)便, 溫敏二極管價(jià)格低廉互換性好, 較之用電橋補償法成本低。 本系統的鍵盤(pán)及顯示電路由 8031 的串口構成, 借用一條 I?O 口線(xiàn)做鍵盤(pán)及顯示轉換控制 線(xiàn), 用串入并出移位寄存器 74L S164 多級串接, 可實(shí)現數碼管靜態(tài)顯示; 再利用一片并入串出 芯片 74L S165 可實(shí)現查詢(xún)式八鍵盤(pán)輸入〔3〕。 控制系統輸出一個(gè) 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(fā)角, 從而改變逆變輸出電壓。

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常規 P ID 控制的精度高, 但實(shí)際系統總是多少具有非線(xiàn)性和時(shí)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(zhuān)家經(jīng)驗的非線(xiàn)性控制, 具有魯棒 性好, 對參數變化不敏感, 控制效果好等優(yōu)點(diǎn), 能對復雜系統進(jìn)行較好的控制; 但模糊控制常常 在平衡點(diǎn)附近會(huì )有小的振蕩現象?？砂褍烧呓Y合起來(lái), 構成兼有兩者優(yōu)點(diǎn)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(shí)用比例控制, 以 提高系統的響應速度; 當偏差中等時(shí)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(shí)采用 P I 控制, 提高穩態(tài)精度。 這種分段多模態(tài)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(cháng)處, 系統響應 快、無(wú)超調、魯棒性強、精度高。通過(guò)實(shí)驗發(fā)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(xiàn)性校正.

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

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軟件采用單片機高級語(yǔ)言——PL ?M 編寫(xiě)。PL ?M 語(yǔ)言兼有高 級語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言的優(yōu)點(diǎn)。代碼轉換質(zhì)量高, 一般優(yōu)于或不亞于匯編 程序, 且仿真調試方便?？纱蟠罂s短軟件開(kāi)發(fā)時(shí)間。 軟件由主模塊、鍵盤(pán)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(xiàn)性校正子程序, 控制算法, 8031T 1 中斷脈寬調制程序等, 見(jiàn)圖 3。 鍵盤(pán)模塊及顯示模塊: 鍵盤(pán)有個(gè)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(shí)際值。

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本系統采取了如下抗干擾措施: 輸入信號線(xiàn) (包括補償導線(xiàn)) 絞合在一起, 并用金屬管屏蔽起來(lái); 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(shí)際溫控系統, 補償 精度優(yōu)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(xiàn)。