電加熱爐計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的研究

侯曉音

摘 要：本文就是在沒有用數(shù)學(xué)方法建立精確的模型和參數(shù)的情況下，建立以電加熱爐為研究對象，針對電加熱爐的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)來控制加熱爐，將其應(yīng)用于電加熱爐溫度控制系統(tǒng)的智能控制系統(tǒng)，滿足了溫度控制穩(wěn)定性的要求，并且在PC機(jī)上用高級語言實(shí)現(xiàn)了其控制算法。與傳統(tǒng)的控制算法相比，智能控制算法具有計(jì)算量小、控制器結(jié)構(gòu)簡單、靜動態(tài)性能指標(biāo)好的特點(diǎn)，有較高的實(shí)用價值和理論價值。

關(guān)鍵詞：電加熱爐；計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)；智能控制系統(tǒng)

電加熱爐是典型的工業(yè)過程控制對象，在我國應(yīng)用廣泛。電加熱爐的溫度控制具有升溫單向性，大慣性，大滯后，時變性等特點(diǎn)。其升溫、保溫是依靠電阻絲加熱，降溫則是依靠環(huán)境自然冷卻。當(dāng)其溫度一旦超調(diào)就無法用控制手段使其降溫，因而很難用數(shù)學(xué)方法建立精確的模型和確定參數(shù)，應(yīng)用傳統(tǒng)的控制理論和方法難以達(dá)到理想的控制效果。

一、整體設(shè)計(jì)

本加熱爐計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)主要是由熱偶測量電路、冷端補(bǔ)償電路組成的信號輸入電路和由CD4051、ICL7135等組成的控制電路構(gòu)成。首先輸入電路對溫度信號進(jìn)行采集放大，然后將該信號送往多路復(fù)用器/分配器CD4051，在單片機(jī)的控制下對熱偶測量電路信號進(jìn)行選擇，并經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。熱偶測量電路主要是由OPA2335放大電路和制冷端電路組成，采用制冷端電路主要是考慮外界環(huán)境溫度對信號采集的影響。在控制電路中，考慮到單片機(jī)W77E58與ICL

7135在信號頻率上有很大差距，所以要加上74HC161分頻器進(jìn)行分頻。為了方便人及時快速地了解加熱爐的工作情況控制電路部分還要有與外界的接口，接口電路由MAX232組成，這樣通過外設(shè)來達(dá)到人工控制。

圖1 加熱爐計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

二、硬件設(shè)計(jì)

（一）熱偶測量電路部分。熱偶測量電路部分主要負(fù)責(zé)對溫度信號的采集、放大。加熱爐工作后，采集到的信號經(jīng)過熱偶電路放大、隔斷后送到控制部分電路，熱偶電路主要是采用了OPA2335，它是一個非常精確的電子器件，他的最低補(bǔ)償電壓最大為5μv，并且溫度隨著時間漂移幾乎為零。

信號采集到以后，經(jīng)過放大處理送到控制電路部分。

OPA2335使用起來十分簡單需要使用的其它原器件很少，方便使用。

圖2 針腳配置

（二）控制電路部分。該部分由CD4051、ICL7135、W77E58、74HC161、MAX232等器件組成。CD4051主要是接收輸入電路發(fā)送來的信號并進(jìn)行1至8路模擬信號的選擇與切換，

CD4051的開關(guān)漏電流為0.8nA，接通電阻為27Ω，它在單片機(jī)

W77E58的控制下來決定對那個爐進(jìn)行選擇的，CD4051有A、

B、C三個端口，產(chǎn)生八組控制信號具體如下：

CPU產(chǎn)生控制信號以決定那組信號進(jìn)行選擇后，CD4051把經(jīng)過放大的熱偶測量信號輸入到A/D轉(zhuǎn)換器中，這里A/D轉(zhuǎn)換器采用ICL7135，它具有轉(zhuǎn)換速度快、轉(zhuǎn)換精度高、抗干擾性好等特點(diǎn)。ICL7135在雙極性情況下，時鐘最高頻率為125KHZ，為了使ICL7135處在最好的工作狀態(tài)，要調(diào)整好基準(zhǔn)電壓，另外要用精密的積分電阻，即Rint=滿量程/20μA。

ICL7135的原理圖和引腳如圖3。

此外，ICL7135能夠正常的工作，還需要CPU的控制，這里用的是W77E58，來產(chǎn)生控制CD4051的信號，同時，它還要協(xié)調(diào)A/D轉(zhuǎn)換器的工作，但是它和ICL7135在時鐘頻率上相差很大，故此在二者之間加上74HC161分頻器進(jìn)行分頻，74HC161有1/2、1/4、1/8、1/16分頻，根據(jù)本系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，使用1/4分頻就可以滿足要求。

圖3 ICL7135引腳圖

圖4 ICL7135的典型應(yīng)用

（三）其它器件。（1）看門狗X25045?？撮T狗X25045有三種功能，看門狗定時、電壓監(jiān)視、E2PROM組合在單個封裝之內(nèi)?？撮T狗X25045是在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時使系統(tǒng)準(zhǔn)確復(fù)位。它需要2.7V到5.5V電壓來供電，具有片內(nèi)偶然性寫保護(hù)功能和高的可靠性。它的引腳圖如圖5。

圖5 X25045的引腳圖和引腳

（2）MAX232。MAX232是一個雙組驅(qū)動器/接收器，片內(nèi)含有一個電容性電壓發(fā)生器，以便在單5伏供電時提供EIA/TIA-232-E電平，MAX232工作溫度范圍為0℃到70℃。引腳排列圖如圖6。

圖6 MAX232引腳圖

MAX232的應(yīng)用于電源供電系統(tǒng)、終端、調(diào)制解調(diào)、計(jì)算機(jī)等。

（四）接口部分。接口部分采用了MAX232作為與其它外設(shè)的接口，它符合甚至優(yōu)于ANSI標(biāo)準(zhǔn)，有兩個接收器、兩個驅(qū)動器，可方便快捷與外設(shè)相連完成工作。

三、算法介紹

加熱爐的控制算法有很多，例如自適應(yīng)控制、隨機(jī)最優(yōu)控制、預(yù)測控制、解耦控制和變結(jié)構(gòu)控制等。這類控制方法由于數(shù)學(xué)工具深奧，算法復(fù)雜，人們難以理解和接受，因而這些先進(jìn)控制算法的推廣受到制約。本章介紹的兩種算法PID智能控制算法和單神經(jīng)元自適PSD智能控制算法，由于算法簡單、控制效果好，因而受到了人們廣泛的關(guān)注，受到工程上應(yīng)用廣泛且結(jié)構(gòu)簡單的常規(guī)PID控制器的啟發(fā)，利用具有自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)能力的單神經(jīng)元來構(gòu)成單神經(jīng)元自適應(yīng)智能控制器。

四、結(jié)論

設(shè)計(jì)所做的電加熱爐計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)采用了先進(jìn)的電子器件來設(shè)計(jì)電子電路部分，如在功率控制電路采用光電耦和固態(tài)繼電器來控制加熱爐的爐溫，用熱電偶來對溫度信號進(jìn)行測量。在控制算法上有使用了當(dāng)前比較流行的PID智能控制算法，取得了很好的效果，實(shí)驗(yàn)表明，電加熱爐計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)能對加熱爐的溫度做到了時時控制，另外，由于使用了冷端補(bǔ)償電路有效的消除了外界環(huán)境溫度的影響，極大地提高了爐溫的控制精度。由于使用了智能控制算法，在加上外圍計(jì)算機(jī)來控制加熱爐是本次設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)，這些無論是理論上還是在實(shí)踐上都有很大的意義。

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