自适应PID烘缸温度控制系统的设计

摘 要 本文主要对自适应PID烘缸温度控制系统的设计进行了详细的探讨。主要从温度测量及调理电路设计、烘缸压力检测设计、A/D电路设计以及软件部分的设计四个方面展开了详细的探讨。

关键词 PID；烘缸温度控制系统；温度测量；电路

中图分类号TM591 文献标识码A 文章编号 1674—6708（2012）76—0192—02

电加热智能温度控制系统主要由89C51单片机外扩RAM6264、并行I/O芯片8155、A/D转换器芯片ADC0809、串行通信芯片MAX485以构成最小系统。采用工业铂电阻Pt100做温度检测元件，应用高精度运放设计测量放大器作信号调理电路，通过ADC0809实现A/D转换以构成只能仪表前向通道。采用软件设计的PWM波从P1.0口输出，经驱动电路控制交流固态继电器SCR，实现对交流加热功率的连续控制，从而构成智能仪表的后向通道。通过89C51外扩的8155芯片组成了4位七段数码管的动态显示电路以及键盘电路，实时显示烘缸温度，从而构成人机对话窗口。利用RS—485串行接口，可实现智能仪表与上位工控机之间的远程通信，从而实现对烘缸温度的远程监控。

1温度测量及调理电路设计

检测电路可采用单臂电桥（桥臂电阻可采用高精度金属电阻）将温度变化量转变为铂电阻的阻值变化，进而转变为电桥的电压输出，采用高精度运算放大器构成调理电路，以满足A/D转换器对采集电压的要求。

由R1、R2、W1和Pt100构成单臂电桥测温电路，采用高精度，低温漂、免调零的运算放大器A1组成的差分放大电路，以对微弱的温度电压信号进行放大与调理；由A2组成的低通滤波器对干扰信号进行滤除。如图1：

W1为温度下限调整电位器，W2为温度上限调整电位器，A2构成低通滤波器。

通过高精度运放构成的调理电路将电桥输出的微弱温度电压信号放大为0V—5V的标准电压信号，以供ADC0809进行A/D转换

2烘缸压力检测设计

烘缸是用铸铁制成的两端有盖的空心圆筒，由缸体及其两端的缸盖组成。在运转过程中，内通蒸汽将输送产品烘干。铸铁烘缸是用作产品干燥的关键部件——Ⅰ类压力容器，烘缸在加热过程中一般采用蒸汽，热油等流体加热。

在烘缸压力检测系统中，烘缸的内部压力主要通过压力传感器来读取，分别有总阀门压力传感器传感器和分阀门压力传感器。只有总阀门和分阀门的压力都在允许的压力范围之内时，烘缸才能正常运转。如图2所示：

3 A/D电路设计

模/数转换电路采用89C51外扩ADC08098位模/数转换芯片构成模拟量采集电路。IN0作为烘缸温度信号输入。P2.6为作为ADC0809芯片的片选信号。参考电压REF[+]端接5V直流电压，REF[—]端与GND端相连。利用74LS373输出的低位地址线、、与ADC0809的A、B、C对应连接，以确定8个输入通道的地址。8个输入通道的地址为：BFF0H ～BFF7H。

4软件设计部分

4.1对象特征

以烘缸加热系统为例，设被控对象温度为T，环境温度为T0，供热量为，散热量为，期中Kr为散热系数，A为散热面积，能量平衡公式为：

式中，G为被加热介质（水）的质量，CP为水的比热。将Q2带入式（4—1），整理得：

设为对象的供热时间常数，为对象的供热比例系数，则对象特性的微分方程为：

式（4—3）表明了对象温度与供热能量及环境温度之间的关系，式中T、T0为变量。

4.2对象传递函数分析

相对于一段时间，T0为不变量，则式（4—3）变为：

对式（4—4）作拉式变换，推出被测温度与供热（超调量）之间的传递函数为：

4.3对象的飞升曲线

对于上述电加热系统（不加控制器、开环），当给定值处于平衡后，加一阶跃电压（220V），其飞升曲线如图2所示。

由图可求得对象的滞后时间为，对象的时间常数。故对象的传递函数可表示为一阶惯性加纯滞后环节，即：

5 结论

单片机的自适应PID烘缸温度控制系统是基于89C51单片机的温度控制系统，通过采集现场温度和设定的温度进行比较，采用PID控制温度，若采集的温度超过设定温度，则报警，若低于设定温度，则加热，温差越大则加热功率越高，从而达到温度控制的目的。

（a）温控对象的飞升曲线

（b）带纯滞后的控制系统

参考文献

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