基于單片機(jī)的熱處理爐溫度PID控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真

孫 列

(西安航空學(xué)院飛行器學(xué)院,陜西 西安 710089)

在冶煉等工業(yè)的生產(chǎn)過程中,熱處理是決定鍛件質(zhì)量的重要步驟。工件淬火時溫度過高會導(dǎo)致工件損壞,淬火時溫度過低不足以消除工件成分中的應(yīng)力,容易造成工件硬度不夠。因此溫度控制是工件熱處理的控制要點(diǎn)。熱處理爐作為鋼鐵等冶煉工業(yè)的重要設(shè)備應(yīng)用廣泛。加強(qiáng)對熱處理爐設(shè)備的溫度控制成為工業(yè)生產(chǎn)冶煉的技術(shù)難點(diǎn)。隨著電子信息技術(shù)的逐漸發(fā)展,大規(guī)模集成電路得到廣泛的應(yīng)用。單片機(jī)作為集成電路信息處理的核心,具有操作便捷、性能穩(wěn)定的特點(diǎn),能夠滿足在多種復(fù)雜工況下的工作需要。而PID控制方法是一種具有較強(qiáng)可靠性以及魯棒性的控制手段,能夠提升控制系統(tǒng)的精確性。熱處理爐的溫度容易受到外界環(huán)境等多種因素的干擾,變化非線性。將單片機(jī)以及PID控制方法結(jié)合使用,應(yīng)用于熱處理爐溫度的控制系統(tǒng)設(shè)計能夠明顯提升對溫度的控制效果。

1 熱處理爐運(yùn)行分析

熱處理的目的是使鍛造的金屬工件具備相應(yīng)的物理、化學(xué)以及力學(xué)性能。通過熱處理改變工件材料表面的成分以及其內(nèi)部性能。根據(jù)熱處理工藝的不同,一般將熱處理劃分為整體熱處理、局部熱處理以及化學(xué)熱處理[1]。常用熱處理爐包括鹽浴爐、箱式電阻爐等。箱式電阻爐在熱處理中應(yīng)用更具有普遍性。箱式電阻爐構(gòu)造如圖1所示。

圖1 箱式電阻爐結(jié)構(gòu)示意

箱式電阻爐基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)包括保溫材料、耐火磚、電阻絲以及爐壁,其采用電阻絲進(jìn)行加熱。在額定功率內(nèi)通過增大電阻絲內(nèi)的電流實現(xiàn)電阻絲的發(fā)熱以及鍛件的加熱。一般情況下,工件進(jìn)入箱式電阻爐包括以下幾個步驟:①從加料門進(jìn)入;②經(jīng)過爐膛;③出料門卸出。工件進(jìn)入到箱式電阻爐中多采用步進(jìn)式移動梁以及推桿進(jìn)行移動,提升工件熱處理的自動化水平[2]。

2 單片機(jī)溫度控制功能和原理分析

2.1 單片機(jī)功能分析

作為處理設(shè)備溫度控制的核心元件之一,單片機(jī)能夠通過媒介傳輸?shù)姆绞?對溫度的實時監(jiān)測,獲取溫度變化信息,為溫度監(jiān)測人員做出處理提供數(shù)據(jù)支持。借助單片機(jī)進(jìn)行溫度控制能夠提升溫控的合理性和科學(xué)性[3]。

2.2 單片機(jī)工作原理

單片機(jī)的工作原理是利用傳感器設(shè)備獲取被監(jiān)測體的溫度,然后將溫度信息轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)可識別的電壓以及電流信號。轉(zhuǎn)化后的信號經(jīng)由放大處理后傳輸?shù)浇K端,實現(xiàn)對溫度的控制[4]。只有當(dāng)電壓以及電流等物理信號量達(dá)到單片機(jī)的既定處理范圍后,控制人員才能夠?qū)崿F(xiàn)對信息的歸納以及過濾,然后經(jīng)由可視化方式展示出來。

3 基于單片機(jī)的熱處理爐溫度PID控制系統(tǒng)設(shè)計分析

3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

本系統(tǒng)設(shè)計將AT89C51單片機(jī)作為微處理器核心單元,包括溫度信息采集、模擬量轉(zhuǎn)化、模數(shù)放大以及溫度控制等多個模塊組成。系統(tǒng)經(jīng)由MAX232實現(xiàn)與PC機(jī)通信。信息采集后經(jīng)由惠斯登橋式電路輸送差分電壓信號,電壓信號經(jīng)由模數(shù)方法和轉(zhuǎn)換后顯示在LED智能可視化監(jiān)測屏上[5]。溫度控制采用模糊PID控制方法,以提升控制的精度。系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖2所示。

圖2 熱處理爐溫度控制系統(tǒng)架構(gòu)

根據(jù)系統(tǒng)的整體設(shè)計架構(gòu)可知,系統(tǒng)涉及數(shù)據(jù)處理、信息采集、輸入/顯示以及溫控等多個模塊。整體遵循低耦合的原則。

3.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計及選型

3.2.1 單片機(jī)模塊

單片機(jī)作為整個控制系統(tǒng)的核心,需要能夠完成對熱處理爐溫度的監(jiān)測以及顯示等功能。目前市場上的單片機(jī)種類較多,為了滿足熱處理爐溫度信息處理的需要,既要注意單片機(jī)的功能性又要注意其性價比。因此選用能兼容MCS-51指令系列的AT89C51單片機(jī)作為處理器[6-7]。這一單片機(jī)不僅功耗低而且性能高,具有1 000次可擦寫功能,便于溫度控制人員進(jìn)行參數(shù)的反復(fù)修改,對數(shù)據(jù)的處理頻率最高可達(dá)24 MHz,符合熱處理爐溫度監(jiān)測需求。AT89C51單片機(jī)結(jié)構(gòu)及功能匯總?cè)鐖D3所示。

圖3 AT89C51結(jié)構(gòu)及功能匯總

在 AT89C51工作前需要將其與時鐘電路、片內(nèi)振蕩器相連接,確保建立起可編程的串行通道。將單片機(jī)寄存器內(nèi)數(shù)值調(diào)整為初始狀態(tài)即可完成復(fù)位操作。

3.2.2 溫度信號采集模塊

本系統(tǒng)的硬件溫度信號采集選用鎳鉻-鎳硅熱電偶進(jìn)行,這一熱電偶的溫度測量范圍在0～1 200 ℃,符合工件熱處理的溫度變化要求。同時鎳鉻-鎳硅熱電偶具有較好的線性,輸出的熱電足。熱點(diǎn)后信號采集后經(jīng)由c進(jìn)行冷端補(bǔ)償,然后經(jīng)由惠斯登橋式電路輸送,經(jīng)由電橋獲取差分信號,并由毫伏級放大到0～5 V,在過濾高頻干擾信號以后經(jīng)由A/D轉(zhuǎn)換器輸出電流[8-9]。本系統(tǒng)應(yīng)用的ADS7816型號模數(shù)轉(zhuǎn)換器是一種串行式轉(zhuǎn)換設(shè)備,能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的依次傳輸,節(jié)約輸送成本。

3.2.3 A/D轉(zhuǎn)換模塊

由于單片機(jī)多采用連續(xù)測量的方式,因此其控制模擬量多為連續(xù)變化。這些連續(xù)變化的模擬量不容易被單片機(jī)所識別,所以需要進(jìn)行數(shù)字量的轉(zhuǎn)化以順利實現(xiàn)單片機(jī)溫控系統(tǒng)的功能。但大多現(xiàn)有的A/D轉(zhuǎn)換芯片具有轉(zhuǎn)換精度低、分辨率低的特性,為了提升測量的精度,提升轉(zhuǎn)換的效果,選用ADS7816型號模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片作為轉(zhuǎn)換器。這一轉(zhuǎn)換器的精度可達(dá)0.025,溫度范圍在0～100 ℃[10]。在片選引腳處于低電平狀態(tài)時,轉(zhuǎn)換器進(jìn)行工作狀態(tài),并在2 h內(nèi)對輸入信號進(jìn)行采樣,依次在下降周期進(jìn)行輸出和傳送。

3.2.4 輸入模塊

輸入模塊采取按鍵開關(guān)形式,按鍵排列成矩陣方式,每一按鍵與數(shù)據(jù)的一個端口位相對應(yīng)。當(dāng)按鍵處于關(guān)狀態(tài)時,端口處于高電平狀態(tài),系統(tǒng)處于休息狀態(tài)。當(dāng)按下按鍵,端口處于低電平狀態(tài),系統(tǒng)進(jìn)行工作[11]。由于按鍵開關(guān)方式自身的機(jī)械特性,在進(jìn)行開關(guān)閉合過程中會存在接觸性抖動引起電平信號的波動。因此系統(tǒng)采取軟件延時的方式進(jìn)行程序執(zhí)行,避免單片機(jī)多次響應(yīng)。

3.2.5 LED顯示模塊

LED顯示模塊是向系統(tǒng)控制人員以及系統(tǒng)用戶直觀展示溫度數(shù)據(jù)的重要依托。采用LCD作為智能輸出設(shè)備,其具有圖像靈活、交互性強(qiáng)的優(yōu)勢。其原理是通過控制發(fā)光二極管控制LED數(shù)字顯示[12]。在顯示模塊中應(yīng)用七段LED,依照燈區(qū)的亮滅進(jìn)行字符區(qū)分。LED顯示器分為共陰極以及共陽極。當(dāng)高電平時點(diǎn)亮共陽極二極管,當(dāng)?shù)碗娖綍r點(diǎn)亮共陰極二極管。

3.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.3.1 設(shè)計原則

1)易于使用和維護(hù)

基于這一目標(biāo),溫控系統(tǒng)的軟件設(shè)計多采用結(jié)構(gòu)化的設(shè)計方法,按照功能性將系統(tǒng)區(qū)分為多模塊,并進(jìn)行模塊任務(wù)的細(xì)化。

2)實時、精確性

由于熱處理爐溫度控制系統(tǒng)需要具有較快的反應(yīng)速度,因此系統(tǒng)的軟件反應(yīng)需要快速。能夠?qū)邮盏降男盘栠M(jìn)行實時響應(yīng)和處理。同時系統(tǒng)的算法必須精準(zhǔn),滿足系統(tǒng)計算需求。

3)可靠性

熱處理爐作為鍛煉等工作的重要處理設(shè)備,處于較為惡劣的外界環(huán)境中。系統(tǒng)軟件在運(yùn)行過程中也容易受到外界環(huán)境以及其他突發(fā)問題的干擾,因此軟件設(shè)計需要有較強(qiáng)的抗風(fēng)險干擾的能力,在受到擾動時能夠盡快地恢復(fù)工作,保證系統(tǒng)的正常運(yùn)作[13-14]。

3.3.2 控制算法選擇

選用模糊PID控制算法作為熱處理爐溫度控制的主要算法,相較于傳統(tǒng)PID算法,模糊PID控制方法建立在模糊集合以及邏輯的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步引入隸屬函數(shù)作為中間過渡過程的描述語言。將每一元素都進(jìn)行歸納。

模糊控制算法主要有三部分組成,分別是模糊化、模糊推理以及去模糊化。其建立在包含控制率以及隸屬函數(shù)的知識庫基礎(chǔ)上,如圖4所示。

圖4 模糊PID控制過程

在模糊控制回路中,輸入量為被控過程中的敏感量,在熱處理爐溫控系統(tǒng)中表現(xiàn)為溫度的電流以及電壓信號,模糊控制器的輸出為溫控系統(tǒng)的調(diào)節(jié)量。其中模糊化處理是將溫度電流以及電壓信號進(jìn)行定義的過程,將其轉(zhuǎn)化為語言值的隸屬度。模糊推理是一種條件的聚合和推理,通過規(guī)則的疊加,得出滿足條件部分的結(jié)果。去模糊化是將算法計算的結(jié)果轉(zhuǎn)化為非模糊值進(jìn)行輸出的過程。為了滿足熱處理爐溫度控制系統(tǒng)的實時性要求,模糊PID設(shè)計采用有限離散論域進(jìn)行參數(shù)值確定和校正。

4 結(jié) 語

溫度作為工業(yè)熱處理的重要元素之一,關(guān)系到工件的使用壽命以及企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。而科學(xué)技術(shù)以及信息技術(shù)的發(fā)展為溫度控制提供了更好的途徑。單片機(jī)作為一種體量小、耗能低、可靠性強(qiáng)的電子設(shè)備,將其與PID控制算法相結(jié)合能夠顯著提升工業(yè)熱處理的效率,為工業(yè)鍛造冶煉的信息化、智能化發(fā)展打下良好的基礎(chǔ)。