PDF《基于单片机的加工机温度控制系统设计》

2008年8月第4期(总第69期) 济南职业学院学报 Jo衄1al 0fJir幽V0c撕∞al蹦le薛Aug.

2008 No.4(Serial No.69) 基于单片机的加工机温度控制系统设计 李元建1杨清林2 (1,济南职业学院教务处,山东济南250103;

2,济南职业学院电子系,山东济南250103) 摘要:介绍了基于89c52单片机的加工机温度控制系统.由于控制系统的关键与难点在于温度控制的精 度和速度,它直接反映了控制系统的性能.本文研究了加工机的温度特性,在分析了Bang―Bang控制与PID控 制特点的基础上,提出增量型PID控制与Bang―Bang控制相结合的方法,以时间最优控制策略对注塑机料筒 的温度进行控制.根据此控制策略设计的温度控制系统经验证,控制精度高、成本低、抗干扰性强. 关键词:温度控制;

单片机;

增量型PID控制;

Bang―Bang控制;

时间最优 中图分类号:TP393 文献标识码:A 引言 温度控制是食品加工机械控制系统设计中的主要内 容之・,其性能优劣直接影响食品加工质量.控制加工温 度迅速、准确地达到设定值对于改进产品质量,提高生 产效率有着十分重要的意义. 传统的温度控制系统中主要使用常规温控器作为控 制设备,致使温控系统结构复杂、可靠性差、精度低、价格 高.设计高性能温控系统是食品加工机设计中亟待解决 的主要技术问题之・. 控制系统的关键与难点在于温度控制的精度和速 度,它直接反映了控制系统的性能.本文给出一种基于 89c52单片机,采用增量型PID控制与Bang―Bang控制相 结合,温控精度可达±O.5℃,且具有较完善的报警提示、 参数修改等功能.经现场使用验证,满足食品加工的要 求,且结构简单、成本低、易于实现.

1、系统硬件设计 温控系统的工作原理为:温度传感器的输出信号经 调理电路处理后,在单片机的控制下,经A,D转换采入, 与预设温度值比较得出温度偏差值,经PID算法处理得 出控制量,控制输出PwM波的占空比.经输出电路控制加 热筒加热.现将主要功能电路描述如下: 温度传感器采用Ptloo温度变送器,测温范围 0~400℃,输出电流4―20mADC,l,V转换电路由125Q精密 电阻构成.限幅滤波器由双向稳压管和Rc无源滤波器构 成,上限截止频率fk=100Hz.阻抗变换器采用电压串联负 反馈的同相精密放大器,放大倍数为4.由LM331 VF转换 器构成高精度、高分辨率且结构简单的A,D转换器【l】. 键盘电路采用4按键矩阵式键盘结构,设计了多功能 复用键,主要用于设定温度值、报警上下限值、PID参数 值等.显示电路采用6位LED数码管构成静态显示,主要 用于显示温度实测值、设定值、报警参数以及控制参数 等.输出电路原理如图l所示: Pl 图1双向可控硅输出电路图 单片机的P1.0输出与控制量相对应的PwM波,经M0c3041实现光电隔离和双向可控硅驱动,从而控制加 热筒.

2、加工机温度特性 研究加工机的温度特性,有助于建立一个合适、准确、实用的控制系统的数学模型.通过采用阶跃响应法 对加工机三段进行加热测试,获得如图2所示的温度阶 跃响应曲线,其中图(a)为第一段30%加热功率,另外两 段输入为零时的三段加工机温度阶跃响应曲线;

图(b)为 第二段30%加热功率,另外两段输入为零时的三段加工 机温度阶跃响应曲线;

图(c)为第三段30%加热功率,另 外两段输入为零时的三段加工机温度阶跃响应曲线;

图(d)为第一段分别输入40%、30%加热功率的温升曲线. 对阶跃响应进行模型降阶处理,加热系统可以表示为带 纯滞后的一阶响应特性.其模型表达式为: F . G(J)=二P一 … '

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7x+l LI, 式中:I沩放大倍数;

D为滞后;

T为惯性时间常数. 作者简介:李元建(198l一).男,山东潍坊人,济南职业学院教务处助理实验师;

杨清林(1982一).男,山东济南人,济南职业学院电子系助教. ・75・ 万方数据 {i;

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左篓争.÷/ 时间Time(s) (a)加工机第一段温度阶跃响应 呈喜篝/>

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时间Time(s) (b)加工机第二段温度阶跃响应 时间Time(s) 时间Tin℃(s) (c)加工机第三段温度阶跃响应 (西加工机第一段温度阶跃响应 . 闰2加工机温度阶跃响应曲线 对所获得的曲线,忽略相邻段耦合经辨识得到各 加热段机器的温度数学模型.表l为30%功率时辨识出 的加工机温度数学模型参数.表2为加工机第一段输入 40%和30%功率全功率时辨识出的加工机温度数学模型 参数. 表1加工机各段温度数学模型参数 l加热段 K(℃,%P) D(s) T(s) l第一段

8 80

2830 l第二段 6.7 l()o

2960 l第三段 5.7

90 2400 裹2不同输入功率的温度数学模型参数 l加热功率 K(℃,%P) D(s) T(8) 30%

8 80

2830 40% 7.4

72 2500 由图

2、表1和表2可见,系统时间常数很大,且各 段不一样;

纯滞后约80s一100s;

相邻段的耦合较强;

同 一段不同加热功率时的模型参数K、D、T都不同,加工 机对不同的加热段和不同的加热功率表现出不同的非 线性特性.因此,加工机温度特性是一个非线性、大惯 性、纯滞后、相邻段耦合较强的多变量系统.

3、系统软件设计与控制策略 目前温度控制常采用完整PID控制或模糊变参数 PID控制旺l.完整PID控制的控制速度慢、精度较差;

模・76・ 糊变参数PID控制,控制精度高、速度快,但软硬件开 销大,成本高,不宜在低成本通用单片机上实现.本文 研究了食品加工机加热器的温度特性,在分析了Bang― Bang控制与PID控制特点的基础上,提出了增量型PID 控制与Bang―Bang控制相结合的方法,以时间最优控制 策略对系统温度进行控制.本控制系统经验证,控制精 度高、成本低、抗干扰性强. 3.1 PID控制 当采用数字控制时,PID控制规律具有较好的控制性 能,算法相对简单,内存需要量较小,适合单片机控制系 统应用.PID控制的增量型表达式如式2所示. 甜(1i})=xP酞|i})一鼬一1)J+KIdIi})+Ji:D阢Ji})一2d七一1)+ .|}一2)J (2) 式中:k为采样序号(k=O,l,2…);

u(k)为第k次 采样的计算机输出增量;

e(k)为第k次采样的输入误差;

e(k―1)为第k―1次采样的输入误差;

e(k一2)为第k一2次采样 的输入误差;

KP为比例系数;

KI为积分系数;

KD为微分系 数,从而可得到控制量:u(k)=u(k―1)+u(k). 系统每2秒计算一次控制量,P、l、D系数分别 为:Kp=10,Ki=2,Kd=10,控制周期为2秒.由P1.O 口线输出的PwM波的高电平时间Dkl应在每一个控制 周期起始时刻更新,Dkl与控制量u(k)的关系如(2)(3) 式所示. 一p一.I罨巫芦雷趟嚼 万方数据 『0 巩:J丁【( (膏)/200)'

r fO 眈={TI 【(甜(后)/200)・丁甜

(七)200 (2) O≤

(七)≤70 u(k)≤0 u(k)≤200 (3) 0≤u(k)≤70 T表示控制周期,本设计取T-2s.输出控制量取在 0―200之间,u(k),200代表了在一个控制周期内,输出的 PwM信号的占空比,当输出为0时,加热器关闭;

当输出 为200时,加热器全加热.在加工机加热过程中,短时间 内系统存在较大的误差,造成积分累积,致使控制信号 超过执行器件的有限控制信号范围,系统将产生较大 的超调和长时间的波动.可以采用积分分离措施,即积 分环节的取舍用一个系数B乘以积分环节来描述.根据 加工机的........