智能仪表论文智能仪表的温度控制系统

智能仪表的温度控制系统

摘要：随着总线智能仪表技术的不断发展，智能化数字仪表功能和应用日益广泛。本系统是基于CPLD和AT89S52单片机设计采用专家PID控制的总线型温度控制系统。系统具有稳定度高、精度高和抗干扰能力强的优点，并且可以在工业生产过程中进行实时监控，具有将监控数据远程传输给控制终端的能力。应用实践证明，系统各方面均较为完善，具有很好的应用意义和市场价值。

关键词：温度控制；CPLD；PID控制；智能模糊算法

1 温控系统现状

智能仪表中的微处理器具有一定的数据存储和处理能力,在软件的配合下,智能仪表功能可以大大增强,用于温度测量的温度传感器如热电偶、热电阻,因其温度与热电势(或电阻)的关系是非常复杂的曲线关系,因此寻求合适的温度与热电势(或电阻)的关系式,以应用于温度测量及计算,是决定智能仪表温度测量精度高低的关键。

随着现代科学技术的迅速发展及工业控制中自动化要求的提高，对现场检测控制仪表的智能化程度的要求也越来越高,并且要求仪表具备较强的远距离通信的功能,智能仪表逐渐向数字化、网络化和智能化方向发展。在现代工业生产作业中，温度控制是各种工业生产过程中的重要因素。尤其是在钢铁、食品、化工、冶炼等行业的生产过程中，更加需要严密的温度控制系统。而且在这样的系统中通常是需要监测和控制多个温度参数并且需要将数据远程传输到控制终端。在以往的温度控制系统中，通常有以下的不足和缺陷：系统精确度不够，只能检测单个温度参数；温度控制仪表中检测使用电压较低，不能直接应用于控制的对象系统。基于以上的考虑，在设计系统的过程中增加了相应的功能，以便提高系统对整体效率和性能。系统采用AT89S52为核心控制器，利用A\\D转换器和模糊智能算法实现四路温度监测和控制功能，并能通过远程通信传输到控制终端。

2 系统设计

系统主要组成模块：AT89S52 单片机、CPLD、信号输入、信号输出以及串口通信，如图1 所示。单片机电路：采集键盘的输入信号、串行端口的传输信号、液晶屏幕的显示信号、过零检测信号处理。CPLD模块：产生PWM控制信号，利用PWM输出的控制信号来控制加热器件的工作状态。功率控制电路模块：采用可控硅输出光耦的耦合形式，利用关断与导通的时间比值作为参数调节器件的功率。芯片采用MOC3081，是零触发双向可控硅模式芯片。这种设计方式可以减少后续功能器件对前端器件模块稳定性的影响。

图1.系统框架图

智能模糊算法：设定温度值，将监测到的温度数值与之比较，进而得到控制量参数数值。通过对监测仪表内的单片机编制PID算法，实现数据量的输出。输出的数据量在CPLD内产生定时器数据，利用占空比方波，控制可控硅导通与否，进而控制发热器件。在这个过程中，采用了四路定时器方式，可以控制四路通道，实现多通道检测的目的。

3 层状结构

随着多变量、智能化、具有各种附加功能的智能设备不断的应用过程控制系统，在信号采集过程中，要求不仅能采集所需的工作过程测量的信息，同时也要采集设备自身的管理信息、错误诊断信息等附加信息。这就要求在进行系统设计时要充分考虑各种信息采集的要求，综合各项技术指标，合理利用资源，设计出完善的功能系统。

主要包括设备层和控制层。 设备层：通过分析实际设备的工作特性和控制参数要求确定控制模式，将分析的控制过程和设备特性的详细信息建立实际模型，根据设计的模型模块要求设计系统需求方案，将方案保存，以合理配置智能仪器仪表。

现场控制层：主要包括单片机控制器、CPLD、串口通信模块、传感器模块、温控调节执行器等功能模块。通过合理选择配置相应功能模块的芯片，连接被控器件和上位机。向上连接优化控制层的PC，发送控制数据信息；向下连接被控器件，如加热其间模块，控制其进行温度调节。对于采集到的各节点设备状态、信号参数采用数字信号进行处理和传输，一方面提高其精确度，减少干扰；另一方面可以在一条总线上传输多路数据信息，实现多功能控制，降低控制成本。选用合适的芯片降低外围电路的复杂度，简化系统结构，减少信号噪声干扰。按照设计流程，分别考虑温控过程和中的各项可能影响因素，采用分层设计的方法，采用AT89S52、MOC3081和MAX7000系列芯片，利用PWM脉冲方式实现温度检测和调节控制。实现传感器和主控机的连接，能够较稳定地控制温度平衡，提高了系统反应速度和稳定性。

4 PID 功能模块

在工业控制中，温度系统由于其惯性大、滞后性强的原因，虽然普通PID系统具有调节稳定、安全性能好，但由于其响应缓慢、响应时间过长和响应滞后的原因可能会出现调节时间过长甚至调节过量的情况，这样的情况不仅不能达到生产要求的稳定温度环境，甚至还会破坏的原本稳定的温度状态，进而对整个生产过程造成影响。

对于这样的问题的存在，在设计系统时采用如下解决方案，即将温度控制分为两个过程，

分别是温度不稳定范围变化较大的状态、温度稳定变化范围较小的状态。在温度变化较大时采用模糊控制的方式进行控制；在温度变化稳定时采用PID控制。实际测量结果表明，通过将PID模块控制和智能模糊控制结合的形式达到了很好的温度监测和控制效果，使温度波动限制在1%以内。

系统采用L.A.Zadh的智能模糊算法，采用双输入-单输出的模型，输入分别为温度偏差和温度偏差变化率，输出为控制可控硅的参数直接控制可控硅。具体的做法是：通过设定控制系统的两个参数:输入温度偏差和温度偏差变化率，依据这两个参数求出其隶属度；按照控制规则状态计算出相对应的加热元器件控制规则，确定温度偏差和温度偏差变化率的最低范围；通过输出控制量的模糊变量求出控制量的模糊控制集；在此基础上，通过重心法则，进行模糊判决，得出控制量；按照得到的控制量表格来做出控制规则表。整个过程就是通过模糊算法来实现控制温度元件工作的过程。

在整个过程中，模糊控制法发挥着重要的作用，不仅可以加快响应速度，而且对系统对超调具有相当程度的抑制作用。

5 CPLD功能

由于系统的计算机数据较大，需要的响应速度较快，为了避免单片机工作负荷过大的情况，在本系统的设计中，使用了单片机和CPLD联合工作的方式，采用MAX7000系列的核心控制芯片。该芯片集成有D/A数模转换芯片，相比较而言集成度高，封闭性好。与外置外围电路相比较，具有抗干扰能力强的特点。

PWM波形的产生采用计数器法实现。

高频时钟信号CLK经脉冲序列发生器产生2nd个互差半个周期且频率均为2nd·fpwm的脉冲信号，这样可以使得PWM在一个输出周期内有2nd·2nc（即2n）个块，通过nc位计数器利用Q 2nd - 1得到cnt[nc-1:0]。进行cnt与nc的比较，若相等输出高电平，若不相等输出低电平，实现对复位信号Reset的控制；与此同时，cnt与地端（nc个低电平）进行比较，若相等产生高电平，如不相等不相等则产生低电平，实现对置位信号Set 的控制。

通过这样的控制方式，一个开关周期内：在起始时刻，触发器RS置位，PWM信号输出为‘1’，在高位部分nc信号与计数器输出端输出cnt信号相等时，系统由根据nd设定的十进制选择的脉冲信号出现高电平时，触发器复位，PWM输出电平由高转为低，即‘1’变为‘0’，这样就完成了脉冲序列的脉宽调制。整个过程中，只需要对参数nd进行更改，便可以产生出适合具体系统需要的脉冲信号宽度。

具体公式如下：

ΔD = 1/2n 注释：PWM电路占空比数据的n的位宽与PWM输出信号占空比精度的关系。

D=Value/M 注释：PWM输出信号占空比。 fclk=2n·fpwm 注释：时钟信号频率fclk与fpwm的关系，fpwm为PWM输出信号频率。

6 温度测量

温度传感器

温度传感器：输出0～5V电压对应0～100℃的温度→1V电压对应20℃的温度。温度测量通常采用热电阻元件。它是利用金属导体的电阻值随温度变化而变化的特性来进行温度测量的。其电阻值与温度间的关系式为：Rt＝Rt[1+α(t-t0)]由于温度的变化，导致了金属导体

0

电阻的变化，这样只要设法测出电阻值的变化，就可达到温度测量的目的。虽然大多数金属导体的电阻值随温度的变化而变化，但是它们并不都能作为测温用的热电阻。作为热电阻的材料一般要求是：电阻温度系数小、电阻率要大、热容量要小；在整个测温范围内，应具有稳定的物理和化学的良好性能；并要求电阻值随温度的变化呈线性关系。但是，要完全符合上述要求的热电阻材料实际上是有困难的。根据具体情况，目前应用最广泛的热电阻材料是铂和铜。本系统使用的是铂电阻元件PT100，并通过温度变送器将电阻值的变化转换为电压信号。铂电阻元件是采用特殊的工艺和材料制造，它具有很高的稳定性和其他等特点，还具有较强的抗污染能力。在0~650℃的温度范围内，铂电阻与温度的关系为；

Rt＝Rt(1+At+Bt2+Ct3)式中：A=（3.908 02*10－31）/℃ B=（-5.802*10－71）/℃ C=（-4.273 5*10－121）/℃

温度连续控制，直接将单相调压模块的输出端与电加热器的输入端相连，PT100铂热电阻输出端，是检测加热水箱温度的，直接加到智能仪表的“PT100铂热电阻”输入端。AI-818 输出的是0~5V连续的电压信号，然后去控制单相移相调压模块的输出电压，当智能仪表输出0V电压时，单相移相调压模块没有输出；当智能仪表输出5V电压时，单相移相调压模块输出220V电压。所以，当智能仪表的控制信号从0~5V线性变化时单相移相调压模块的输出电压也从0~220V变化，PT100把实时检测到的温度值变换为电压信号输出到AI-818的输入端作为反馈信号。AI-818能与上位机通讯，能够自由的交换数据，能够输出连续的电压或电流信号驱动执行机构。内部有集成的PID算法。控制系统方框图如图2。

0

图2 仪表温度控制图

7 应用程序

在实际的系统工作过程中，对温度信号进行采集和分析最终的目的是调节控制对象的功率。调节方式可以采用两种：对电压进行调节；对功率进行调节。而功率的调剂是依靠调节控制对象的交流电压来实现。故而在温度调节就是对控制对象的交流电压进行调节。交流调压是指频率不变，对交流电压幅值做变换。相对于交流调功的方式而言，负载的交流电压有效值平稳，对温度稳定比较有利。交流电频率基本为50Hz，在进行交流调压的过程中，需要利用交流过零信号，正弦波的交流电在一个周期内有两个过零时刻，过零脉冲信号的频率为100Hz，周期为10ms。基于以上数字，在进行控制对象上的交流电压幅值的过程中，需要在过零脉冲信号的周期内，即在相应的10ms内控制可控硅的通断占空比。这个一部分通过单片机的计数器来实现，对单片机计数器赋初值，一旦有交流过零信号被检测到时，计数器开始工作，当计数器计满溢出时产生的溢出中断将可控硅接通。通过这样的方式便可以在不改变交流电频率的情况下实现调节可控硅的占空比来调节电压，进而实现调节温度。而占空比的调节仅仅依靠设定单片机的计数器初始值就可以实现，如图3所示。

图3 过零检测和可控硅输出图

8 结束

智能仪表能与上位机通讯，能够自由地交换数据，能够输出连续的电压或电流信号驱动执行机构。内部有集成的PID算法，具有高精度测量、显示、变送、连续/人工智能/PID调节或报警等功能。在综合使用PID和智能模糊算法的基础上，采用单片机和CPLD协同工作的模式，依据实际工程需要，设计了总线温度控制系统，系统经过实际应用，性能稳定，可靠性较高。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/hw0t.html