溫度控制是工業(yè)控制的主要對(duì)象之一，常用的溫控?cái)?shù)學(xué)模型是一階慣性加上純滯后環(huán)節(jié)，但其隨著加熱對(duì)象和環(huán)境條件的不同，會(huì)存在著較大的差異。因?yàn)闇乜貙?duì)象這種較為普遍的含有純滯后環(huán)節(jié)的特點(diǎn)，容易引起系統(tǒng)超調(diào)和持續(xù)的振蕩，溫度控制對(duì)象的參數(shù)會(huì)發(fā)生幅度較大的變化。因此無(wú)法采用傳統(tǒng)的控制方法(如常規(guī)的PID控制)對(duì)溫度進(jìn)行有效的控制，而智能控制不需要對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型就可以對(duì)系統(tǒng)實(shí)施控制[1]。溫度控制多采用由單片機(jī)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度控制，其缺點(diǎn)是遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)復(fù)雜，可靠性差，特別是當(dāng)控制點(diǎn)較多、距離較遠(yuǎn)時(shí)，采取總線方式的通訊出錯(cuò)概率較高，影響到溫度的控制精度[2]。
目前，多家廠商(如日本導(dǎo)電、島通)均推出精度可達(dá)0.1級(jí)的基于PID算法的智能型溫控儀表，然而這些公司對(duì)其核心技術(shù)并不公開，同時(shí)也不開放用于系統(tǒng)改進(jìn)的接口或者代碼。本文的設(shè)計(jì)基于STM32硬件單元，采用一種溫控單元與計(jì)算機(jī)相結(jié)合的主從式遠(yuǎn)程溫度控制模式。利用工控機(jī)進(jìn)行PID參數(shù)整定后通過(guò)網(wǎng)絡(luò)控制溫控單元的輸出，溫控單元輸出控制信號(hào)調(diào)整可控硅的開角，從而達(dá)到改變加熱功率的目的。本文采用儀表與計(jì)算機(jī)相結(jié)合的主從控制模式，軟、硬件部分分別獨(dú)立工作，便于系統(tǒng)的升級(jí)改造，可以有效地提高控制策略的靈活性。
本文所研究的基于組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)的模糊PID算法智能溫度遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，能較好地解決溫度的遠(yuǎn)程控制問(wèn)題，且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，溫度控制精度高。
系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)
溫度控制系統(tǒng)用于控制電加熱爐內(nèi)的溫度，熱源為高溫電阻絲，采用可控硅電壓調(diào)整器來(lái)進(jìn)行電加熱爐的溫度調(diào)整，此調(diào)整器是通過(guò)控制可控硅的導(dǎo)通角而調(diào)整輸出電壓、改變加熱體的發(fā)熱功率、從而達(dá)到控制電加熱爐溫度的目的。
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如圖1所示，加熱爐實(shí)時(shí)的溫度由溫控單元采集熱電偶轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，經(jīng)溫控單元整理后，通過(guò)TCP/IP協(xié)議將打包后的溫度數(shù)據(jù)傳送至工控機(jī)端，將此溫度的采樣值與設(shè)定值比較，采取相應(yīng)的控制算法計(jì)算出實(shí)時(shí)的PID參數(shù)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)控制溫控單元，溫控單元輸出4~20mA電流信號(hào)至可控硅調(diào)壓器，對(duì)可控硅的導(dǎo)通角的開度進(jìn)行控制，調(diào)整加熱爐的溫度。采用本方案設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)。
溫控單元設(shè)計(jì)方案
溫控單元實(shí)現(xiàn)的功能包括溫度信號(hào)的模擬量數(shù)據(jù)采集、控制調(diào)壓器可控硅開角的模擬信號(hào)輸出、控制信號(hào)的I/O輸出，以及溫控單元與工控機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)取?/p>
STM32系列32位閃存微控制器使用ARM公司的Cortex-M3內(nèi)核，處理器的核心是基于哈佛架構(gòu)的3級(jí)流水線內(nèi)核，該內(nèi)核集成了分支預(yù)測(cè)，單周期乘法，硬件除法等眾多功能強(qiáng)大的特性[3]，目前已經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用。
溫控單元選用的處理器是STM32的增強(qiáng)型系列處理器—STM32F103。該處理器頻率為72MHz，帶有片內(nèi)RAM和USB 2.0接口、16通道的12位A/D轉(zhuǎn)換器、2通道的12位D/A轉(zhuǎn)換器、以及I/O通道等豐富的外設(shè)。其中系統(tǒng)集成的雙ADC結(jié)構(gòu)允許雙通道采樣/保持，以實(shí)現(xiàn)12位精度、1μs的轉(zhuǎn)化。處理器的雙ADC結(jié)構(gòu)為2個(gè)工作在非連續(xù)模式的獨(dú)立的時(shí)序控制，具有多個(gè)觸發(fā)源，每個(gè)通道的采樣時(shí)間均可編程。
本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)采用獨(dú)立于微控制器(MCU)的專用網(wǎng)絡(luò)接口芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)芯片選擇W5100，微處理器與網(wǎng)絡(luò)芯片通過(guò)SPI接口進(jìn)行連接。溫控單元硬件組成如圖2所示。
控制策略的選擇
電加熱爐是一個(gè)復(fù)雜的受控對(duì)象，具有多參數(shù)、非線性、時(shí)變性、純滯后、多干擾等特點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行精確的數(shù)學(xué)建模非常困難。模糊控制系統(tǒng)是一種自動(dòng)控制系統(tǒng)，它是以模糊數(shù)學(xué)、模糊語(yǔ)言形式以及模糊邏輯理論為基礎(chǔ)，采用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)構(gòu)成的一種具有閉環(huán)結(jié)構(gòu)的數(shù)字控制系統(tǒng)。模糊控制不需要被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，并且可以引入專家經(jīng)驗(yàn)，可以較好地解決此類溫度控制問(wèn)題。但由于單獨(dú)使用模糊控制不易消除穩(wěn)態(tài)誤差，且對(duì)控制器運(yùn)算性能要求較高，而PID算法簡(jiǎn)單又可以較好地消除穩(wěn)態(tài)誤差，實(shí)際運(yùn)行效果和理論分析表明，這種控制規(guī)律在相當(dāng)多的工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中能得到比較滿意的結(jié)果[4]。
PID控制器是通過(guò)對(duì)誤差信號(hào)()et進(jìn)行比例、積分和微分運(yùn)算，其結(jié)果的加權(quán)，得到控制器的輸出()ut，該值就是控制對(duì)象的控制值。PID控制器的數(shù)學(xué)描述為：
式中()ut為控制輸入，()()()etrtct=−為誤差信號(hào)，()rt為輸入量，()ct為輸出量。
PID控制的傳輸函數(shù)為：
將模糊控制與PID控制結(jié)合，根據(jù)操作經(jīng)驗(yàn)與模糊理論，在線自整定PID控制器的3個(gè)基本控制參數(shù)，輸出控制變量，利用模糊控制實(shí)時(shí)修正PID參數(shù)，提高系統(tǒng)的控制精度和魯棒性，該控制器具備自適應(yīng)性，系統(tǒng)采用的控制器結(jié)構(gòu)如圖3所示 [5]。
遠(yuǎn)程溫控系統(tǒng)的應(yīng)用
高溫高壓下水流體-固體相互作用在自然界、工業(yè)生產(chǎn)、工程技術(shù)以及科學(xué)實(shí)驗(yàn)中都廣泛存在，無(wú)論在地球科學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)等自然基礎(chǔ)科學(xué)還是在應(yīng)用科學(xué)、工程技術(shù)和工業(yè)生產(chǎn)中，水流體-固體相互作用都是極受關(guān)注的基本科學(xué)問(wèn)題。各類高溫高壓下水流體-固體相互作用的科學(xué)問(wèn)題可通過(guò)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置分析，目前所用的實(shí)驗(yàn)裝置的精度及自動(dòng)化水平較低。采用先進(jìn)的控制技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)，控制反應(yīng)器整體溫度的一致性與穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)高溫高壓下水流體-固體相互作用溫控裝置的自動(dòng)化，可提高實(shí)驗(yàn)效率及數(shù)據(jù)的精確度。
在高溫高壓下，水流體-固體相互作用實(shí)驗(yàn)存在如爆炸、濺出等事故傷人的可能。基于安全性的考慮，溫度控制部分采取了本文設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程溫控方式，實(shí)驗(yàn)者以遠(yuǎn)程監(jiān)控的方式控制反應(yīng)設(shè)備，有效地保護(hù)了實(shí)驗(yàn)操作人員的安全。
采樣信號(hào)預(yù)處理
為防止外界干擾、野值等對(duì)系統(tǒng)控制的穩(wěn)定性造成影響，將采集到的溫度傳感器信號(hào)首先通過(guò)卡爾曼濾波器進(jìn)行數(shù)據(jù)的預(yù)處理。
控制界面的設(shè)計(jì)
組態(tài)軟件集成了電路圖形技術(shù)、人機(jī)界面技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)，使控制系統(tǒng)開發(fā)人員不必依靠某種具體的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言，只需通過(guò)可視化的組態(tài)方式，就可完成監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)，降低了監(jiān)控畫面開發(fā)難度[6]，利用組態(tài)軟件可以完成監(jiān)控和遠(yuǎn)程控制，其基本設(shè)計(jì)思想是：首先完成工控機(jī)與溫控單元的通訊，用組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)工控機(jī)的操作界面，通過(guò)設(shè)計(jì)建立良好的人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)溫度的監(jiān)控和動(dòng)態(tài)顯示。
系統(tǒng)安全性設(shè)計(jì)
系統(tǒng)安裝有電壓變送器、電流變送器，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電壓、電流數(shù)值，若出現(xiàn)加熱爐溫度及電壓過(guò)高、電流過(guò)大、可控硅擊穿保護(hù)、系統(tǒng)壓力異常、升溫速率失控、加熱爐斷線、短路時(shí)，加熱立即停止并報(bào)警。另外，考慮到可控硅調(diào)壓器及伺服啟動(dòng)器電源的電壓為220V，為了防止出現(xiàn)觸電等安全事故，電源上均裝有交流接觸器，通過(guò)軟件遠(yuǎn)程控制加熱的啟動(dòng)和停止。
結(jié)論
本文設(shè)計(jì)了一種遠(yuǎn)程溫控系統(tǒng)，應(yīng)用于高溫高壓水流體-固體相互作用裝置，取得了良好的運(yùn)行效果。但由于工業(yè)環(huán)境(環(huán)境溫度、電氣干擾等)的不確定性，系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)處理流程以及異常處理機(jī)制還可進(jìn)一步的優(yōu)化與改進(jìn)。