基于智能控制技術(shù)的新型溫控系統的研究

摘要: 本文主要介紹了一種基于智能控制技術(shù)的新型溫控系統的硬件設計。設計了傳感器鉑電阻為本溫度控制系統提供溫度信號，經(jīng)A/D轉換成數字信號送入微控制器中，通過(guò)微控制器及其接口電路，實(shí)現對溫度信號的顯示、判斷、決策及控制。最后系統輸出的適當控制量可調脈沖控制可控硅電路。通過(guò)可控硅調功對被控對象電阻爐的加熱，實(shí)現系統對被控對象電阻爐的溫度控制，以達到系統所要求的精度。
關(guān)鍵字: 傳感器；可控硅；溫度控制；A/D

1 引言

在鋼鐵、機械、石油化工、電力、工業(yè)爐窯等工業(yè)生產(chǎn)中，溫度是極為普遍又極為重要的熱工參數之一。溫度控制一般指對某一特定空間的溫度進(jìn)行控制調節，使其達到并滿(mǎn)足工藝過(guò)程的要求。在本文中，主要研究對特定空間(電阻爐)的溫度進(jìn)行高精度控制。采用九點(diǎn)控制器算法進(jìn)行溫度控制，達到了很好的控制效果。

2 控制系統的硬件實(shí)現

控制系統硬件電路的組成由同步過(guò)零檢測電路、溫度信號檢測及可控硅觸發(fā)電路、時(shí)鐘芯片等組成，結構框圖如圖1所示，以單片機機為核心，數據采集由鉑電阻經(jīng)補償放大后送至A/D轉換，調功部分由過(guò)零觸發(fā)電路及可控硅完成。

圖1 系統結構框圖

3 溫度傳感器的設計

本系統采用PT100熱電阻為測溫器件，PT100熱電阻是一種廣泛應用的測溫元件，在-50℃~600℃范圍內具有其他任何溫度傳感器無(wú)可比擬的優(yōu)勢，包括高精度、穩定性好、抗干擾能力強等。由于鉑熱電阻的電阻值與溫度成非線(xiàn)性關(guān)系，所以本模塊需要進(jìn)行非線(xiàn)性校正，一般的模塊采用模擬電路校正，這種校正的精度不高，而且溫漂等受干擾的程度也比較大。

熱電阻溫度傳感器是利用導體或半導體的電阻率隨著(zhù)溫度值變化而變化的原理制成的，實(shí)現了將溫度變化轉化為元件電阻的變化。它主要用于對溫度和溫度有關(guān)參數檢測與控制。鉑熱電阻具有測溫范圍大、穩定性好、示值復現性高和耐氧化等特點(diǎn)，常被用來(lái)作為國際標準溫度計。鉑電阻的非線(xiàn)性特征按照國際電工委員會(huì )的鉑熱電阻技術(shù)標準，鉑電阻Pt100在0℃~650℃范圍內，符合TTS-90的國際分度表函數R(t)可用式(1)表示

式中 分別是t℃和0℃時(shí)的鉑電阻阻值， 。很顯然，上述表達式中，鉑電阻阻值R0與溫度t之間的關(guān)系為非線(xiàn)性的。

4 功率輸出電路及其控制原理分析

4.1 功率輸出電路

加熱絲輸出功率大小的調節，可以使用移相調壓電路，也可以采用占空比開(kāi)關(guān)電路進(jìn)行控制。在采用移相調壓電路時(shí)，即將計算得到的控制量經(jīng)D/A變換，控制可控硅的移相觸發(fā)電路，實(shí)現輸出電壓的無(wú)級調節。由于電壓輸出波形的不完整，含有高次諧波分量，對電網(wǎng)有一定的干擾。

采用占空比開(kāi)關(guān)電路控制，即考慮可控硅控制電壓和被控的交流電壓之間以及電熱絲產(chǎn)生的熱量和所加的電壓之間的非線(xiàn)性，通過(guò)調節周期時(shí)間內的通電時(shí)間來(lái)調節輸出功率的大小，可以避免D/A轉換和信號放大造成的不必要的誤差，也可以通過(guò)可控硅的過(guò)零觸發(fā)電路避免對電網(wǎng)的諧波干擾。在本系統中采用占空比開(kāi)關(guān)電路控制，功率輸出電路設計如圖3所示。

圖3 功率輸出電路

MOC3041是一種過(guò)零觸發(fā)光電偶合芯片，用來(lái)實(shí)現BTA12雙向可控硅的過(guò)零觸發(fā)。R11的作用是限制流過(guò)MOC3041的輸出端的電流不超過(guò)其允許的最大重復浪涌電流。

4.2控制原理分析

本系統采用晶閘管過(guò)零觸發(fā)調功方式，為能精確控制晶閘管的導通時(shí)間，利用同步變壓器和電壓比較器LM311組成正弦交流電的正半波過(guò)零檢測電路，它在交流電每一個(gè)正半周的起始零點(diǎn)處產(chǎn)生上升沿，并在正半周回零處產(chǎn)生一個(gè)下降沿，通過(guò)可重復觸發(fā)集成單穩態(tài)觸發(fā)器MC14528，單穩態(tài)輸出的兩路窄脈沖再疊加，就得到100Hz的過(guò)零脈沖，脈沖寬度可由MC14528的外接電阻和外接電容調節。這一串矩形脈沖序列輸至控制器 C8051F020的中斷口，在方波的上跳沿或下跳沿時(shí)刻產(chǎn)生IRQ中斷，用于觸發(fā)可控硅進(jìn)行同步移相，從而通過(guò)計算脈沖的個(gè)數控制晶閘管通斷的周期時(shí)間。過(guò)零檢測電路如圖4所示。