基于泛布爾PID的鋁塊加熱臺溫度控制

張家斌, 陳 進(jìn), 高明陽

(上海第二工業(yè)大學(xué) a.環(huán)境與材料工程學(xué)院;b.智能制造與控制工程學(xué)院,上海201209)

0 引言

附加值較高的電路板上的元件器可以通過加熱臺拆解回收,常用加熱臺的溫度控制系統(tǒng)以經(jīng)典PID控制為主,可以使線性的溫度控制系統(tǒng)取得不錯的控溫效果[1]。實(shí)驗(yàn)證明,熔焊、拆解電路板上的元器件時應(yīng)遵循先快后慢的升溫原則[2],能有效提高元器件重用率,同時鋁塊加熱臺本身的溫度變化是非線性的,針對這類時變大慣性溫度控制系統(tǒng)[3],采用傳統(tǒng)的PID控制方法,難以確定參數(shù)、使其快速達(dá)到穩(wěn)定的性能指標(biāo),但經(jīng)驗(yàn)豐富的操作人員在幾次實(shí)驗(yàn)后卻能把溫度穩(wěn)定下來。泛布爾代數(shù)PID理論中邏輯控制的本質(zhì)正是利用這種模擬人的思維進(jìn)行閉環(huán)控制的,文獻(xiàn)[4-7]中證明了泛布爾PID控制器是一種更優(yōu)的控制器,具有抗干擾性強(qiáng),無需傳統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的優(yōu)點(diǎn),結(jié)合機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計,硬件設(shè)計和軟件控制等,可以設(shè)計出控制性能良好的鋁塊加熱臺溫度控制系統(tǒng)。

1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖1所示為加熱臺中一個加熱鋁塊的機(jī)械結(jié)構(gòu),鋁塊的主要作用是傳遞加熱管熱量以及將加熱臺的實(shí)時溫度回傳給溫度傳感器。為了配合加熱管和傳感器的形狀規(guī)格,設(shè)計了U型結(jié)構(gòu)槽,用于放置L型單管加熱管,同時打了一個M8的螺紋孔和一組M4的攻絲孔,分別用來固定傳感器和加熱管。為了保持加熱平面的完整光滑,所有的打孔設(shè)計均由鋁塊底部切入,所以在鋁塊與底座之間用石棉板隔熱,所打的3個螺紋孔可以起到固定隔熱層與鋁塊的作用。加熱臺共由9個這樣的加熱鋁塊拼接而成,這種分塊拼接設(shè)計可以靈活地拆解與焊接廢棄電路板,同時克服了整塊廢棄電路板在傳統(tǒng)加熱臺加熱時產(chǎn)生的受熱不均及對電路板的損傷。

圖1 鋁塊加熱臺機(jī)械結(jié)構(gòu)Fig.1 Mechanical structure of aluminum block heating station

2 硬件設(shè)計

設(shè)計了一塊以STC15W4K56S4單片機(jī)為主芯片,集成溫度采集與控制為一體的電路板,根據(jù)實(shí)際需要設(shè)定溫度值,在加熱器加熱過程中,通過熱阻傳感器實(shí)時顯示溫度并反饋回主控器,通過軟硬件結(jié)合、配合程序算法,使溫度達(dá)到預(yù)設(shè)值允許誤差范圍內(nèi),實(shí)現(xiàn)智能溫度控制。

系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)框圖如圖2所示,PT100鉑電阻測量溫度,通過信號調(diào)理電路后,進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,單片機(jī)將采集到的溫度通過RS-485串口傳到PC機(jī)上,并與PC機(jī)上的預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較,再由單片機(jī)驅(qū)動可控硅的溫度來控制電路及鋁塊加熱臺內(nèi)加熱器的功率大小。

圖2 加熱臺溫度控制系統(tǒng)框圖Fig.2 Diagram of heating station temperature control system

2.1 溫度控制電路設(shè)計

溫度控制電路主要由雙向可控硅輸出光電耦合器MOC3061和可控硅BTA12組成,如圖3所示。單片機(jī)發(fā)出高電平信號,經(jīng)三極管放大后導(dǎo)通光電耦合器的1、2腳輸入端,驅(qū)動內(nèi)部的發(fā)光二極管,當(dāng)4、6腳輸出端電壓過零時,內(nèi)部雙向可控硅導(dǎo)通,給外部可控硅BTA12一個觸發(fā)信號,令其導(dǎo)通,加熱臺開始工作;當(dāng)單片機(jī)輸出低電平,MOC3061截止,加熱臺停止工作。由于用弱電控制強(qiáng)電,弱電容易被強(qiáng)電干擾,而MOC3061光電耦合器對強(qiáng)弱電進(jìn)行隔離,抑制了信號對電路的干擾。

圖3 溫度控制電路Fig.3 Temperature control circuit

2.2 溫度采集電路設(shè)計

溫度采集電路如圖4所示,結(jié)合使用的實(shí)際情況,鋁塊加熱臺需要在0～450℃的溫度段工作,熱電阻傳感器有較大的測量范圍且性能穩(wěn)定、易于安裝和使用,而鉑電阻在金屬傳感器中溫度響應(yīng)曲線較好,標(biāo)準(zhǔn)化程度高且成本較低,工作范圍為-200～650℃,在0℃時電阻為100 ?,滿足本系統(tǒng)設(shè)計的需求。該系統(tǒng)采用三線制接法,額外引入的第3條線,能夠?qū)€電阻進(jìn)行補(bǔ)償,最大化地消除兩線制導(dǎo)線的電阻值,提高遠(yuǎn)距離信號傳輸精度[4]。溫度轉(zhuǎn)化成模擬量電信號,為4～20 mA電流,通過250 ?電阻,轉(zhuǎn)換成1～5 V電壓信號,將其傳輸給單片機(jī)。

圖4 溫度采集電路Fig.4 Temperature acquisition circuit

2.3 RS-485通信電路設(shè)計

為滿足工業(yè)通信要求,設(shè)計了一路基于MAX13487的RS-485總線接口,通信接口電路如圖5所示。加熱臺所用處理器STC15W4K56S4的RXD2和TXD2分別與MAX13487的RO與DI引腳相連接,接收與發(fā)送數(shù)據(jù);為了提高信號傳輸?shù)目煽啃?在總線輸出端并聯(lián)匹配一個120 ?的電阻,并添加GND線,進(jìn)行三線制通信。通常計算機(jī)串口輸出的電平電壓為-15～15 V,而加熱臺所用的處理器STC15W4K56S4接收的信號電平是TTL電平,為-5～5 V。溫控器采用了RS-485,串行總線接口以平衡發(fā)送和差分接收的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,可以提高抗共模干擾能力及延長傳輸距離。RS-485總線可與帶有RS-485接口的設(shè)備互連,以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)高速、遠(yuǎn)程傳送。

2.4 主控芯片最小系統(tǒng)電路設(shè)計

主控芯片最小系統(tǒng)電路設(shè)計如圖6所示。STC15W4K56S4單片機(jī)作為溫度控制器的核心硬件,結(jié)合圖2～5,其主要作用為：處理來自PT100鉑電阻的溫度信號,實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換,向計算機(jī)傳輸數(shù)據(jù),采用串口連接計算機(jī)下載程序;從計算機(jī)接收數(shù)據(jù),根據(jù)泛布爾PID控制策略與實(shí)際輸出作比較;控制耦合器和可控硅的通斷,進(jìn)而控制加熱器的工作;采集實(shí)時狀態(tài)發(fā)送給計算機(jī)解析與顯示。

圖5 RS-485通信電路Fig.5 RS-485 communication circuit

3 軟件設(shè)計

為了便于調(diào)試和后期維護(hù),軟件部分采用模塊化設(shè)計思路,主要任務(wù)為：讀取控制器參數(shù);控制加熱棒溫度;發(fā)送狀態(tài)信息;與計算機(jī)通信。軟件功能模塊圖和程序流程圖分別如圖7和8所示。

圖7 程序功能圖Fig.7 Program function chart

圖8 程序流程圖Fig.8 Program flow chart

3.1 溫度采集與控制

溫度控制是通過定時器,每隔一定時間進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,以此進(jìn)行溫度采集,然后以10個為一組進(jìn)行大小排序,去除最大值和最小值后取平均值作為此次采樣溫度的最終值,將最終值和設(shè)定值進(jìn)行比較,通過泛布爾PID算法決定可控硅的關(guān)斷,從而達(dá)到精確控制溫度的目的。

3.2 溫度輸入

溫度輸入是通過自己編寫的串口助手來輸入所在區(qū)域的設(shè)定溫度,如圖9所示。在發(fā)送數(shù)據(jù)中寫入所在區(qū)域的溫度,設(shè)置好串口端號、波特率、奇偶校驗(yàn)、停止位、數(shù)據(jù)位后,點(diǎn)擊“發(fā)送”后串口助手調(diào)用串口來發(fā)送數(shù)據(jù),通過串口轉(zhuǎn)RS-485傳給下位機(jī),下位機(jī)收到數(shù)據(jù)后將值賦給變量,進(jìn)入“溫度顯示”程序。

3.3 溫度顯示

溫度顯示是采集到溫度后,通過串口中斷發(fā)給串口助手,串口助手收到數(shù)據(jù)后打印數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)接收區(qū),從而完成采樣溫度的顯示。

圖9 串口助手Fig.9 Serial assistant

3.4 通信控制

通過按鍵設(shè)定每個加熱臺溫度控制的地址,溫度控制器采用RS-485與上位機(jī)異步通信方式,串口通信波特率設(shè)定為115 200 b/s,采用主從查詢方式與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

為了正確解析上位機(jī)與單片機(jī)通信并且維護(hù)接收指令的可靠性,自定義通信協(xié)議,單條協(xié)議由標(biāo)志頭、地址、控制字節(jié)或溫度值、尾校驗(yàn)和結(jié)束位組成。

上位機(jī)通過RS-485串口與主板單片機(jī)通信,數(shù)據(jù)格式為：0xA5+地址(0x01～0x10)+溫度值(f l oat型)+CRC16(2 Bgte)+0x0D,共 9 Byte。

主板發(fā)送查詢與控制加熱指令的格式為：0xA5+地址(0x01～0x10)+控制字節(jié) +CRC16(2 Byte)+0x0D,共 6 Byte。其中“0x01”代表打開加熱器,“0x00”代表關(guān)閉加熱器;“0xA5”作為發(fā)送接收指令的識別碼;“0x0D”為指令結(jié)束字,判斷指令是否結(jié)束接收。

3.5 泛布爾PID控制

泛布爾PID控制泛邏輯表見表1。通過比較溫度值與給定值,計算出偏差、偏差累積量及偏差變化率,運(yùn)算得出控制策略,最后將控制作用力作為輸出控制,進(jìn)而控制溫度,下面對加熱臺輸入和輸出變量分別進(jìn)行定義。

輸入變量包括：溫度設(shè)定值r(t),即某時刻溫度控制系統(tǒng)設(shè)定的期望值;某時刻實(shí)際溫度輸出值c(t);溫度偏差e(t),e(t)=r(t)-c(t);溫度偏差累積量(t)dt;溫度偏差變化率e˙(t),為第t時刻溫度偏差與第(t-1)時刻溫度偏差的差值除以相鄰時刻間的時間長度即采樣周期T,˙e(t)=[e(t)-e(t-1)]/T;偏差零帶(±ε)為實(shí)際溫度偏差所允許的精度范圍(如±1°C);偏差變化率零帶(±δ)為實(shí)際溫度偏差變化率所允許的精度范圍(如±2°C);系統(tǒng)允許穩(wěn)態(tài)誤差[±e(∞)]為溫度偏差累積量所允許的精度范圍(如±10°C)[8-10]。

表1 泛布爾PID控制泛邏輯表Tab.1 General logic table of Pan-Boolean PID control

輸出變量包括：Y為采樣周期內(nèi)晶閘管的導(dǎo)通時間。針對溫度控制系統(tǒng)不同的運(yùn)動特征,舉例說明：e(t)＞ 1,＜2為一組運(yùn)動特征,此時需要較長的晶閘管導(dǎo)通時間(如T為3 s,Y為2 s以上)來快速升溫,且Y需要通過多次實(shí)驗(yàn)調(diào)整。為了形象化地描述Y的長短,引入“輸出作用力 Ki±”,用 Ki±(i=0,1,2,3,4)來表示 9種控制作用,其中：K4+=++++,表示導(dǎo)通時間很長;K3+=+++,表示導(dǎo)通時間較長;K2+=++,表示導(dǎo)通時間長;K1+=+,表示導(dǎo)通時間較短;K0表示導(dǎo)通時間短;K1-=-,表示冷卻時間短;K2-=--,表示冷卻時間較短;K3-=---,表示冷卻時間長;K4-=----,表示冷卻時間很長。由于加熱臺是以自然冷卻方式降溫,不需外部施加冷卻裝置,故Ki-(i=1,2,3,4)的輸出量為0,這樣作用力Ki±的數(shù)量由9個減至6個,在程序里減少了邏輯判斷次數(shù),增強(qiáng)了實(shí)用性,加熱臺控溫設(shè)計效果得以優(yōu)化。

4 效果與結(jié)論

加熱臺溫度控制系統(tǒng)可以通過計算機(jī)串口助手獲得實(shí)時溫度值,從而反映溫度變化趨勢,在軟件中調(diào)整作用力的值,可以優(yōu)化控溫效果。為了直觀地比較,將泛布爾PID控制的溫度變化情況與經(jīng)典PID控制的溫度情況實(shí)時地反饋在計算機(jī)上,當(dāng)溫度分別設(shè)置為250、300、350、400℃時,控制系統(tǒng)所顯示的實(shí)時溫度值如圖10所示。

由圖10可見,對于時變大慣性系統(tǒng),與經(jīng)典PID控制相比較,泛布爾PID邏輯控制達(dá)到設(shè)定溫度的實(shí)際時間更短,溫度變化幅度更小,抗干擾能力更強(qiáng),能取得更好的控溫效果。

圖10 實(shí)時溫度變化比較Fig.10 Real-time temperature change comparison

泛布爾PID邏輯控制能模擬人在控制中的思維習(xí)慣,無需具體的數(shù)學(xué)模型,沒有經(jīng)典PID控制器中存在的各個參數(shù)相互作用影響的問題,也不會模糊控制器輸出結(jié)果、難以直接觀測理解,是一種模擬人的思維控制行為的智能控制器,適合在工業(yè)控制領(lǐng)域推廣。