温度被控参数

1 被控参数被控参数 温度温度 一 概述一 概述 温度是工业对象中主要的被控参数之一 在工业生产中虽然用来升温的加热炉的种类 不同 所采用的加热方法及燃料也不同 如冶金 机械 食品 化工等各类工业生产中广 泛使用的各种加热炉 热处理炉 反应炉等 燃料有煤气 天然气 油 电等 对工件的 处理温度也技术在这方面的应用 使温度控制技术指标得到了大幅度的提高 该电炉炉温控制系统原理 控制过程是这样的 热电偶定时对炉温进行检测 经 A D 转换到相应的数字量 再送到微机进行判断和运算 输出控制量 去控制加热功率 从而 实现对温度的控制 二 控制要求及数学模型二 控制要求及数学模型 1 控制要求控制要求 A 炉温变化规律的控制 即炉温按预定的温度 时间变化 这主要在控制程序设计 中考虑 温度控制范围为 50 350 升温 降温阶段的温度控制精度要求为 保温阶 段温度控制精度为 B 微机自动调节 正常情况下 系统投入自动 C 模拟手动操作 当系统发生异常 投入手动操作 D 微机监控功能 显示当前被控量的设定值 实际值 控制量的输出值 参数报警 时有灯光报警 2 受控对象的数学模型受控对象的数学模型 电阻加热炉用于合金钢热力特性实验 电加热炉用电阻丝提供功率 使其在预定的时间 内将炉温控制在特定的温度值 本控制对象电阻加热炉的功率为 8KW 由 220V 交流电源 供电 采用双向可控硅进行控制 三 系统的硬件配置三 系统的硬件配置 1 计算机机型和系统总线 主主 机机 Z80 TANDY 公司 RADIO SHACK 分部生产的 TRS 80 微机系统 2 主机主机 CPU Z 80 用户内存用户内存 38K 系统总线系统总线 TRS 80 有 56 个引脚 分为 5 个功能组 各组的引脚表示为 引脚 1 6 逻辑电源总线 引脚 7 14 数据总线 引脚 15 30 地址总线 引脚 31 52 控制总线 引脚 53 56 辅助电源总线 操作系统操作系统 NEW DOS 80 显显 示示 器器 绿色 12 监视器 系统自带 2 计算机工作的外围电路设备 1 AC0832 转换器转换器 DAC0832 是用 CMOS 工艺制成的 8 位数 模转换芯片 数字输入端具有双重缓冲作用 可以双缓冲 单缓冲或直接输入 特别适用要求几个模拟量同时输出的场合 与微处理器 连接很方便 功耗低 输出漏电流误差较少 主要特性如下 分辨率 8 位 建立时间 1 s 温度增益系数 20ppm 输入 TTL 电平 功耗 20mW DAC0832 芯片为 20 脚双列直插式封装的引脚 含义如下 DI0 DI7 8 位数字量数据输入引脚 ILE 数据锁存允许信号 CS 片选信号 低电平有效 它与 ILE 相结合 用以控制 WR1 是否有效 WR1 输入寄存器的 写 选通信号 低电平有效 在 CS 和 ILE 有效时 用它将数字 量输入 并锁存在输入寄存器中 WR2 DAC 寄存器的 写 选通信号 在 XFER 有效时 用它将输入寄存器中的数字 传送到 DAC8 位寄存器中 XFER 传送控制信号 用它来控制 WR2 是否起作用 在控制多个 DAC0832 同时输出时 特别有用 IOUT1 DAC 电流输出 1 它是逻辑电平为 1 的各位输出电流之和 IOUT2 DAC 电流输出 2 它是逻辑电平为 0 的各位输出电流之和 RFB 反馈信号输入端 DAC0832 内部已有反馈电阻 所以 RFB端可以直接接到外部运算 放大器的输出端 这样 相当于将一个反馈电阻接在运算放大器的输入端之间 VCC 工作电源 5 15 最佳工作状态是 15V AGND 模拟量地 芯片模拟电路接地点 DGND 数字量地 芯片数字电路接地点 注意 D A 转换芯片输入的是数字量 输出为模拟量 而模拟信号很容易受到电源和数字信 号的干扰 引起波动 为提高输出的稳定性和减少误差 所以 模拟信号部分必须采用高 精度基准电源 VREF 和独立的地线 一般把数字的和模拟地分开 模拟地是模拟信号及基 准电源的参考地 其余信号的参考地 包括工作电源地 数据 地址 控制等数字信号的 逻辑地都是数字地 3 2 ADC0809 转换器转换器 ADC0809 是一个 28 引脚双列直插式封装的芯片 带有 8 位 A D 转换器 8 路多路开 关以及与微型计算机兼容的控制逻辑 CMOS 组件 其转换方法是逐次逼近型 它的各引脚 功能如下 IN0 IN7 8 路模拟电压信号输入端 2 1 2 8 8 位数字量输出端 START 启动 A D 转换的控制输入端 高电平有效 ALE 地址锁存允许控制信号输入端 该引脚有效时 ADDC ADDB ADDA 才能控制 所选择 8 路输入模拟通道中的 1 路 START 和 ALE 这两个信号端可连在一起 当通过软 件输入一个正脉冲时 便立即启动 A D 转换 OE 输出数据允许信号端 高电平有效 只有该信号有效时 才能打开输出三态缓冲器 用于指示转换已完成 结果数据已存在锁存器中 在中断方式下 此信号可以作为向 CPU 申请中断的请求信号 在查询方式下 此信号可以作为 A D 转换完毕的状态信号 CLOCK 时钟脉冲输入端 VCC 电源 5V 连线端 GND 接线端 REF 参考电源输入端 通常此引脚与 VCC相连 4 REF 参考电源地端 通常此引脚与 GND 相连 ADDC ADDB ADDA 选择模拟通道的地址输入端 要注意的是只有在 ALE 引脚有效时 三个引脚才能控制选择 STD 总线有 56 个引脚 分为 5 个功能组 各组的引脚表示为 引脚 1 6 逻辑电源总线 引脚 7 14 数据总线 引脚 15 30 地址总线 引脚 31 52 控制总线 引脚 53 56 辅助电源总线 3 执行器 执行器 电动执行器是自动控制系统中的一个重要组成部分 它接收来自调节仪表的电信号 用电动执行机构将其转换成适当地力或力矩 以推动各类调节阀 或其它执行机构 从而 达到自动生产的目的 电动执行器与气动执行器相比 具有动作灵敏 能源取用方便 信 号传递快捷和适合远距离控制的优点 它由执行机构和调节机构两部分组成 其中将调节 控制信号转换成为力或力矩的部分叫做电动之行机构 各种调节阀或调节设备统称为调节 机构 4 智能阀 智能阀 智能调节阀是集常规仪表的检测 控制 调节等功能形成一个完整结构的智能仪器 它至少由以下六部分组成 带有微处理器及智能软件的控制器 用于提供反馈信号和诊断 信号的传感器 信号变换器 I O 及通讯接口 执行机构 调节阀 智能调节阀的特点 1 具有智能控制功能 可按给定值自动进行 PID 调节 控制流量 压力 压差和温度 等过程变量 还可支持串级控制方式等 2 具有保持功能 3 具有通信功能 4 具 有诊断功能 5 一体化结构 智能调节阀把阀体 控制电路 传感器 执行机构全部装 在一个现场仪器中 STARPAC 型智能调节阀是 Valtek 公司 20 世纪 90 年代末期的产品 其基本结构和功 能如图所示 其主要特性和特点是 阀体的进出口部位和内部安有压力 温度监测器 阀体内安装阀位监测器 气缸执行 机构进出口安装空气压力监测器 这些检测器的输出信号都送到微处理器 能进行压力 温度 流量的测量和自动控制 流量测量是根据阀门开度所对应流量系 数值及阀门前后压差由微处理器进行计算 还可以对此流量进行温度补偿 也可构成 串级控制回路 调节阀在运行过程中 随时根据气缸进出口压力 阀位的变化以及温度 压差 流量 变化等工艺参数 分析调节阀的动态工作状态包括流量特性的变化 实时进行故障诊 断 进行必要的调整和校准 具有事故预测 监视 报警及事故切断的程序 实现安全运行 与上位机控制系统 DCS 主计算机系统 的连接用 4 20mA 模拟信号或 RS485 串 级数字信号的通信方式 两者可任选 与 PC 机的连接 进行组态 校准 数据检索 与故障诊断等重要通信采用数字通信方式 5 只读存储器 只读存储器 EPROM 目前使用最为广泛的只读存储器是 EPROM 其典型芯片为 Inter2716 UVEPROM 存储 器 2716 是 N 沟道 FAMOS 器件 存储容量为 16K 2K 8 位 即 2K 个字 每字 8 5 位 基本存储电路排列成 128 行 128 列的阵列 它们被分为 8 各 16 128 的矩阵 每个 16 128 地矩阵都代表 2048 个字中的某一位 2716 中一位的结构框图如图所示 其中 高位地址信号 A4 A10用来确定 128 行中的某一行 低位地址信号 A0 A3用来控制 16 根位线 Inter 2716 采用 24 脚双列直插式封装 其引脚排列如图所示 Inter 2716 的 24 条引脚分别为 A10 A0 11 条地址输入线 可寻址 2716 芯片内部的 2K 存储单元 其中 7 条用于行译码 以选择 128 行中的一行 4 条用于列译码 用以选择 16 组中的一组 被选中的一组 8 位 同时输出 O7 O0 8 位数据输入 输出线 都通过缓冲器输入 输出 对 2716 进行编程写入时 O7 O0是输入线 用来输入要写入的信息 当 2716 处于正常读出时 O7 O0是输出线 用来输出 2716 中的存储信息 CS 片选信号 当 CS 0 时 允许对 2716 读出 PD PGM 输入信号线 它是待机 编 程的控制信号 VPP 编程电源 在编程写入时 VPP 25V 正常读入时 VPP 5V VCC 工作电源 为 5V 此外 芯片的上方开有一个透明的石英玻璃窗口 以便用紫外线擦除信息 经过擦除后又 可以重写 由于写的过程很慢 所以在实际应用中 常作为只读存储器使用 6 6 PIO 报警器报警器 全软件报警程序 被测参数如温度 压力 流量 速度 成分等参数经传感器 变送器 模 数转换器 送到微型机后 再与规定的上 下限值进行比较 根据比较的结果进行报警或 处理 整个过程都由软件实现 这种报警程序又可分简单上 下限报警程序 以及上 下 限饱经处理程序 PIO 接口地址为 A D 转换器 8 位数据输入口 B 口 PB4 作为 A D 转换的 启动信号 B 口 PB0 PB3分别作为上限 下限 正常情况及电笛报警信号 其上限报警模 7 型 0F1H 下限报警模型 0F2H 正常情况报警模型 0F3H 报警电路原理如下图所示 7 EU 2 热电偶热电偶 镍铬 铜镍热电偶 又称镍铬 康铜热电偶 也是一种廉价金属热电偶 其正极 EP 为镍铬10合金 化学成分与 KP 相同 负极 EN 为铜镍合金 名义化学成分为 55 的铜 45 的镍以及少量的钴 锰 铁等元素 该热电偶使用温度为 200 900 E 型热电偶电动势之大 灵敏度之高属所有标准热电偶之最 宜制成热电堆来测量微小的 温度变化 E 型热电偶可用于湿度较大的环境里 具有稳定性好 抗氧化性能高 价格便 宜等优点 但不能在高温下用于硫 还原性气氛中 四 数字控制器的设计及其控制算四 数字控制器的设计及其控制算 法法 本控制系统框图如下所示 8 炉子的传递函数为 Gc s Ke s 1s 1 LT 其中 1为电阻加热炉的时间常数 为电阻加热炉的纯滞后时间 T 为采样周期 D A 转换器可划归为零阶保持器内 所以广义对象的传递函数为 G1 s Ke s 1s 1 1 e Ts s 广义对象的 Z 传递函数为 G1 z Z Ke s 1s 1 1 e Ts s Kz L 1 1 e T 1 1 e T 1z 1 所以系统的闭环 Z 传递函数为 z Z 1 e Ts s e s s 1 z L 1 1 e T 1 e T 系统的数字控制器为 U z E z D z z G1 z 1 z 1 e T 1z 1 1 e T K 1 e T 1 1 e T z 1 1 e T z 1 L 写成差分方程即为 u k e T u k 1 1 e T u k 1 L 1 e T e k K 1 e T 1 1 e T e T 1 e k 1 K 1 e T 1 令 a0 1 e T K 1 e T 1 a1 1 e T e T 1 K 1 e T 1 b1 e T b2 1 e T 得 u k a0e k a1e k 1 b1u k 1 b2u k 1 L 式中 e k 第 k 次采样时的偏差 e k 1 第 k 1 次采样时的偏差 u k 1 第 k 1 次采样时的偏差 五软件设计五软件设计 由硬件组成可见 本程序采用双重中断设计 这样当系统控制较多个回路时 便可节 省主机时间 从而提高计算机效率 一重中断 由 CTC 定时 10 秒产生 在此 CTC 中断服务程序中 完成如下功能 启动 A D 转换 数字滤波 上下限报警处理 数字控制运算 输出 当 CTC 中断服务程序完成以后 便返 回主程序等候下一次采样 二重中断 在 CTC 中断服务程序中 A D 转换结束产生二重中断 在中断服务程序中 主要用来 采样 然后返回 CTC 中断服务程序 本程序采用模块式结构设计 根据系统要求分为以下功能模块 1 主程序模块 2 CTC 中断服务程序模块 3 A D 转换中断服务程序模块 下面分别介绍各功能模块 1 主程序模块 主程序模块完成如下功能 1 设置各接口通道的工作方式 如 CTC 及 PIO 等 2 设置中断方式 3 设置中断矢量 9 开中断 清采样数据单元及中间结果单元等 主程序框图如下图所示 主程序如下 ORG 2000H START LD SP 2300H XOR A LD SJDY1 A LD SJYD2 A LD DE 0000H LD PCDY0 DE LD ZJJG1 DE LD ZJJG2 DE LD ZJJG3 DE LD ZJJG4 DE LD ZJJG5 DE LD ZJJG6 DE LD A 22H LD I A LD A 00H OUT 44H A LD A 00110101B OUT 44H A LD A 11011101B OUT 45H A LD A 0FAH OUT 45H A LD A 4FH OUT 82H A LD A 0CFH OUT 83H A LD A 00H OUT 83H A LD A 87H OUT 82H A LD A 0AH OUT 82H A IM2 RESTA EI 10 HALT 转 CTC 中断服务程序 执行完中断服务程序返回 2202H DB A0 11 2203H DB 20 220AH DB 70 220BH DB 22 2 CTC 中断服务程序模块 CTC 中断程序完成如下功能 1 启动 A D 转换 2 数字滤波 3 上下限报警处理 4 数字控制器的计算与输出 如前所述 在此 CTC 中断服务程序中 还有一种中断 即 A D 转换结束产生的中断 为使此中断能被响应 必须在 CTC 中断服务程序中首先开中断 因为第一次定时中断使 CPU 的中断触发器 IEF1 和 IEF2 都已关闭 二重中断具体设计方法是 用 PIO B 口的 B4 位启动 A D 转换器 然后接着执行 CTC 中断服务程序 当 A D 转换结束后 因为转换结 束信号接到 ASTB 管脚 ASTB 的下降沿把 A D 转换完的数据装入 PIO A 口的数据寄存器 的上升沿用来向 CPU 申请中断 CTC 中断服务程序框图如图所示 CTC 中断服务程序如下 ORG 20A0H CINT EI LD A 00H OUT 81H A LD HL SJDY2 CALL SZLP LD A MAX LD D A LD A LPDY CP D JR NC SDBJZK LD A MIN LDD A LDA LPDY CPD JRC XXBJZK LDA 0F4H OUT 81H A CALL DLSF LDA L OUT 48H A FHZK RETI 12 SDBJZK LDA 0F2H OUT 81H A JPFHZK XXBJZK LDA 0F1H OUT 81H A JRFHZK CTC 中断服务程序中有两个功能子模块 由于本系统为带有纯滞后的一阶惯性环节 设滤波结果存放在 LPDY 单元 数字控制器程序的设计 本系统数字控制器的模型及系数前面算法已求出然后分别存入相应的内存单元中 内 存单元分配表如下所示 13 数字控制器程序如下 DLSR LD A LPDY LD E A LD D 00H LD HL GDZR0 AND A SBC HL DE LD PCDY0 HL EX DE HE LD BC XSA0 CALL CFZK 计算 a0e k LD ZCDY DE LD BC XSA1 LD DE PCDY1 CALL CFZK LD HL ACDY AND A SBC HL DE LD