基于現(xiàn)場總線的智能儀表溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計

1 總線智能氧量分析儀結(jié)構(gòu)

基于can總線的智能氧量分析儀以單片機(jī)c8051f040為中央控制器，系統(tǒng)擴(kuò)展的外圍電路及接口電路數(shù)量少，系統(tǒng)的可靠性及穩(wěn)定性較高，系統(tǒng)功能擴(kuò)展及軟硬件升級比較方便。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)見圖1。外圍硬件電路主要包括六部分：系統(tǒng)校正、數(shù)據(jù)采集、溫度控制、日歷時鐘、帶觸摸屏的液晶顯示、can總線接口。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

帶觸摸屏的液晶顯示器提供了一個強(qiáng)有力的人機(jī)接口，有關(guān)信號、可調(diào)參數(shù)都能在上面顯示和修改。本系統(tǒng)采用穩(wěn)壓電源，具有電源電壓的適用范圍大、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點。主機(jī)是一種以單片機(jī)為基礎(chǔ)的智能儀表，所有的運(yùn)算、處理和控制都由軟件完成。氧電勢、溫度信號的輸人轉(zhuǎn)換和電流輸出的轉(zhuǎn)換采用模塊化元件。這些元件具有可靠性高、精度高的特點。由于使用的元件集成度較高，使整機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，可靠性提高，使用、維護(hù)和維修方便。氧電勢和溫度信號經(jīng)各自的處理模塊轉(zhuǎn)換成0～5v信號，并由多路開關(guān)和a/i)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，單片機(jī)根據(jù)“能斯特”公式計算出氧量。系統(tǒng)設(shè)有pid溫度調(diào)節(jié)功能，并通過固態(tài)繼電器控制加熱爐。系統(tǒng)還設(shè)有組態(tài)開關(guān)，能使儀表工作在不同的方式下。

2溫度控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

cygnal公司的51系列單片機(jī)c8051f040是集成在一塊芯片上的混合信號系統(tǒng)級單片機(jī)，在一個芯片內(nèi)，集成了構(gòu)成一個單片機(jī)數(shù)據(jù)采集或控制的智能節(jié)點所需要的模擬和數(shù)字外設(shè)及其他功能部件，代表了目前8位單片機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展方向。芯片上有1個12位和1個8位多通道adc，2個12位dac，2個電壓比較器，1個電壓基準(zhǔn)，1個32kb的flash存儲器，與mcs-51指令集完全兼容的高速cip一51內(nèi)核，峰值速度可達(dá)25mips，并且還有硬件實現(xiàn)的uart串行接口和完全支持can2.0a和can2.0b的can控制器。

c8051f040的18，19腳分別為ain0.0和ain0.1引腳，由于c8051f040片內(nèi)具有adc模塊，因此溫度信號可直接經(jīng)外圍濾波、放大電路后輸入ain0.0和ain0.1引腳，amux的工作模式選擇單端輸入模式。選用熱電偶作為溫度傳感器，其電壓經(jīng)信號放大后，送人c8051f040的a/d端，轉(zhuǎn)換后與給定溫度值比較，按pid調(diào)節(jié)算法和脈寬調(diào)功法，計算出該時刻的值，經(jīng)光電隔離和功率放大后，通過控制大功率交流固態(tài)繼電器(過零型)的通斷時間來控制加熱的功率，達(dá)到溫度控制的目的。冷端測溫元件采用集成溫度傳感器ad590，所測溫度由ad590溫度傳感器檢測，經(jīng)電壓放大后直接送至單片機(jī)c8051f040的ain0.1輸入口。

3溫度控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

3.1 溫度控制過程分析

加熱通斷的最小周期為10ms，加熱最短脈沖長度為10ms，pid控制輸出為加熱脈沖數(shù)。誤差越大，加熱脈沖數(shù)值就越大;誤差小，加熱脈沖數(shù)就小。為使pid的輸出有一定的可調(diào)節(jié)范圍，采樣周期，太小會使得控制量的范圍很窄;但也不能過大，否則會降低控制精度。綜合各方面的考慮及實驗測試，采樣周期定為2s，這樣，pid輸出的最大脈沖量(在一個控制周期內(nèi))為200。

系統(tǒng)的加熱過程分為三部分：第一，升溫起始階段或溫差大時，采取全功率加熱，使加熱元件快速升溫;第二，溫度變化劇烈時，采取關(guān)斷輸出，讓溫度在慣性作用下向下一階段過渡。因為電熱元件滯后嚴(yán)重，當(dāng)溫度上升過快時，會導(dǎo)致下一階段控制失效或嚴(yán)重超調(diào);第三，溫度偏差和溫度變化在一定范圍內(nèi)時，根據(jù)專家智能在線調(diào)整pid參數(shù)，達(dá)到快速精確控制。

3.2 專家pid控制器的原理

溫度控制系統(tǒng)具有非線性、強(qiáng)耦合、時變、時滯等特性，采用常規(guī)pid控制難以兼顧高精度與快速性的雙重要求。本文提出專家式智能與pid相結(jié)合的復(fù)合控制方法，將專家經(jīng)驗和pid控制定量調(diào)節(jié)特性充分運(yùn)用于控制過程中。該總線智能氧量分析儀要求系統(tǒng)控溫范圍為680～760℃，穩(wěn)定后溫度波動不超過1℃。為了實現(xiàn)快速精確的溫度控制，根據(jù)被控對象的特性建立專家系統(tǒng)pid控制方式，如圖2所示。

圖2 專家智能pid復(fù)合控制器的原理框圖

本專家控制器的推理結(jié)構(gòu)采用數(shù)據(jù)驅(qū)動的正向推理策略。產(chǎn)生式規(guī)則采用ife(n)ande(n)tnout(n)形式。專家系統(tǒng)的關(guān)鍵是專家知識的建立、確定。知識獲取，有些來自工藝人員的長期總結(jié)，有些借助于控制領(lǐng)域的知識和分析。

把專家系統(tǒng)和pid控制器結(jié)合，利用專家系統(tǒng)知識庫輸出修正pid參數(shù)，改變pid控制方式以達(dá)到最佳pid控制效果。根據(jù)對象特性及設(shè)計要求，設(shè)計了99條控制規(guī)則，并預(yù)先將規(guī)則下的調(diào)整方法及調(diào)整參數(shù)存儲于控制器中。專家控制規(guī)則根據(jù)當(dāng)前偏差e(n)及其變化率△e(n)的大小，決定控制方式和是否需修改比例系數(shù)k p、積分增益ki和微分增益kd?？刂七^程中，控制器不需按系統(tǒng)辨識結(jié)果或某一目標(biāo)函數(shù)整定pid參數(shù)，而是按當(dāng)前狀態(tài)對基本pid參數(shù)進(jìn)行調(diào)整即：

kj=atjkoj，j=p，i，d

式中kp，ki和kd分別為基本比例、改進(jìn)積分和微分增益; atp，ati和atd分別為當(dāng)前調(diào)整狀態(tài)下的比例、積分和微分項修正系數(shù)。

3.3 軟件流程

系統(tǒng)軟件采用c51語言，在silicon laboratories集成開發(fā)環(huán)境下進(jìn)行編譯連接。

該儀表的溫度量程為0～1000℃，溫度控制為700℃±1℃，溫控定值為680～760℃，并且連續(xù)可調(diào)，當(dāng)溫度大于800℃時，啟動斷偶保護(hù)功能。數(shù)據(jù)的采集用多次測量求平均值的方法來避免測量誤差。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計的基于現(xiàn)場總線智能氧化鋯氧量分析儀具有自動化水平高、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點。對于電站鍋爐及煤焦?fàn)t等熱力設(shè)備生產(chǎn)效率的提高具有顯著的作用。試驗表明該溫度控制系統(tǒng)具有測量范圍寬、使用溫度高、運(yùn)行可靠、測量及時準(zhǔn)確等優(yōu)點，同時克服了以往儀表不穩(wěn)定、易損壞等缺點。該方法加以適當(dāng)修改，也可應(yīng)用于其它溫度控制系統(tǒng)中。