基于单片机的智能仪表温度控制系统的设计

        0 引 言

        随着现场总线技术的发展，传统的模拟仪表逐步让步于智能化数字仪表，并具备数字化通信功能。
        依据现场总线智能仪表技术的发展，设计了基于现场总线的氧化锆智能氧量分析仪，其温度控制系统采用了专家PID控制原理，提高了加热速度与准确性。
        1 总线智能氧量分析仪结构
        基于CAN总线的智能氧量分析仪以单片机C8051F040为中央控制器，系统扩展的外围电路及接口电路数量少，系统的可靠性及稳定性较高，系统功能扩展及软硬件升级比较方便。系统的硬件结构见图1。外围硬件电路主要包括六部分：系统校正、数据采集、温度控制、日历时钟、带触摸屏的液晶显示、CAN总线接口。

       图1 系统硬件结构

        带触摸屏的液晶显示器提供了一个强有力的人机接口，有关信号、可调参数都能在上面显示和修改。本系统采用稳压电源，具有电源电压的适用范围大、抗干扰能力强等优点。主机是一种以单片机为基础的智能仪表，所有的运算、处理和控制都由软件完成。氧电势、温度信号的输人转换和电流输出的转换采用模块化元件。这些元件具有可靠性高、精度高的特点。由于使用的元件集成度较高，使整机结构简单，可靠性提高，使用、维护和维修方便。氧电势和温度信号经各自的处理模块转换成0～5V信号，并由多路开关和A／I）转换成数字量，单片机根据“能斯特”公式计算出氧量。系统设有PID温度调节功能，并通过固态继电器控制加热炉。系统还设有组态开关，能使仪表工作在不同的方式下。[page]
        2 温度控制系统的硬件设计
        Cygnal公司的51系列单片机C8051F040是集成在一块芯片上的混合信号系统级单片机，在一个芯片内，集成了构成一个单片机数据采集或控制的智能节点所需要的模拟和数字外设及其他功能部件，代表了目前8位单片机控制系统的发展方向。芯片上有1个12位和1个8位多通道ADC，2个12位DAC，2个电压比较器，1个电压基准，1个32kB的FLASH存储器，与MCS-51指令集完全兼容的高速CIP一51内核，峰值速度可达25MIPS，并且还有硬件实现的UART串行接口和完全支持CAN2．0A和CAN2．0B的CAN控制器。
        C8051F040的18，19脚分别为AIN0．0和AIN0．1引脚，由于C8051F040片内具有ADC模块，因此温度信号可直接经外围滤波、放大电路后输入AIN0．0和AIN0．1引脚，AMUX的工作模式选择单端输入模式。选用热电偶作为温度传感器，其电压经信号放大后，送人C8051F040的A／D端，转换后与给定温度值比较，按PID调节算法和脉宽调功法，计算出该时刻的值，经光电隔离和功率放大后，通过控制大功率交流固态继电器（过零型）的通断时间来控制加热的功率，达到温度控制的目的。冷端测温元件采用集成温度传感器AD590，所测温度由AD590温度传感器检测，经电压放大后直接送至单片机C8051F040的AIN0．1输入口。
        3 温度控制系统的软件设计
        3.1 温度控制过程分析
        加热通断的最小周期为10ms，加热最短脉冲长度为10ms，PID控制输出为加热脉冲数。误差越大，加热脉冲数值就越大；误差小，加热脉冲数就小。为使PID的输出有一定的可调节范围，采样周期，太小会使得控制量的范围很窄；但也不能过大，否则会降低控制精度。综合各方面的考虑及实验测试，采样周期定为2s，这样，PID输出的最大脉冲量（在一个控制周期内）为200。

        系统的加热过程分为三部分：第一，升温起始阶段或温差大时，采取全功率加热，使加热元件快速升温；第二，温度变化剧烈时，采取关断输出，让温度在惯性作用下向下一阶段过渡。因为电热元件滞后严重，当温度上升过快时，会导致下一阶段控制失效或严重超调；第三，温度偏差和温度变化在一定范围内时，根据专家智能在线调整PID参数，达到快速精确控制。
        3.2 专家PID控制器的原理
        温度控制系统具有非线性、强耦合、时变、时滞等特性，采用常规PID控制难以兼顾高精度与快速性的双重要求。本文提出专家式智能与PID相结合的复合控制方法，将专家经验和PID控制定量调节特性充分运用于控制过程中。该总线智能氧量分析仪要求系统控温范围为680～760℃，稳定后温度波动不超过1℃。为了实现快速精确的温度控制，根据被控对象的特性建立专家系统PID控制方式，如图2所示。

 

        图2 专家智能PID复合控制器的原理框图

        本专家控制器的推理结构采用数据驱动的正向推理策略。产生式规则采用IFe（n）ANDe（n）TNout（n）形式。专家系统的关键是专家知识的建立、确定。知识获取，有些来自工艺人员的长期总结，有些借助于控制领域的知识和分析。
        把专家系统和PID控制器结合，利用专家系统知识库输出修正PID参数，改变PID控制方式以达到最佳PID控制效果。根据对象特性及设计要求，设计了99条控制规则，并预先将规则下的调整方法及调整参数存储于控制器中。专家控制规则根据当前偏差e（n）及其变化率△e（n）的大小，决定控制方式和是否需修改比例系数K P、积分增益KI和微分增益KD。控制过程中，控制器不需按系统辨识结果或某一目标函数整定PID参数，而是按当前状态对基本PID参数进行调整即：
        Kj＝aTjKOj，J=P，I，D
        式中KP，KI和KD分别为基本比例、改进积分和微分增益； aTP，aTI和aTD分别为当前调整状态下的比例、积分和微分项修正系数。
        3.3 软件流程
        系统软件采用C51语言，在Silicon Laboratories集成开发环境下进行编译连接。
        该仪表的温度量程为0～1000℃，温度控制为700℃±1℃，温控定值为680～760℃，并且连续可调，当温度大于800℃时，启动断偶保护功能。数据的采集用多次测量求平均值的方法来避免测量误差。
        4 结 论
        本文设计的基于现场总线智能氧化锆氧量分析仪具有自动化水平高、结构简单等优点。对于电站锅炉及煤焦炉等热力设备生产效率的提高具有显著的作用。试验表明该温度控制系统具有测量范围宽、使用温度高、运行可靠、测量及时准确等优点，同时克服了以往仪表不稳定、易损坏等缺点。该方法加以适当修改，也可应用于其它温度控制系统中。