《总线智能仪表温度控制系统的设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《总线智能仪表温度控制系统的设计.docx（7页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、总线智能仪表温度控制系统的设计 huanglj 导语：介绍了一种基于现场总线的智能氧化锆氧量分析仪，阐述了整个系统的构造以及温度控制系统的软硬件设计。 摘 要：介绍了一种基于现场总线的智能氧化锆氧量分析仪，阐述了整个系统的构造以及温度控制系统的软硬件设计。该系统采用了基于专家智能与PID相结合的专家控制器，利用专家系统知识库输出修正PID参数，以改变PID控制方式。试验说明，总线智能氧化锆氧量分析仪的温度控制系统的精度、可靠性、可维护性和可测试性都得到了进步。 关键词：现场总线；智能氧量分析仪；温度控制；专家系统0 引 言 随着现场总线技术的开展，传统的模拟仪表逐步让步于智能化数字仪表，并具备
2、数字化通讯功能1-2。 根据现场总线智能仪表技术的开展，设计了基于现场总线的氧化锆智能氧量分析仪，其温度控制系统采用了专家PID控制原理，进步了加热速度与准确性。 1 总线智能氧量分析仪构造 基于CAN总线的智能氧量分析仪以单片机C8051F040为中央控制器，系统扩展的外围电路及接口电路数目少，系统的可靠性及稳定性较高，系统功能扩展及软硬件晋级比拟方便。系统的硬件构造见图1。外围硬件电路主要包括六局部：系统校正、数据收集、温度控制、日历时钟、带触摸屏的液晶显示、CAN总线接口。 带触摸屏的液晶显示器提供了一个强有力的人机接口，有关信号、可调参数都能在上面显示和修改。本系统采用稳压电源，具有电
3、源电压的适用范围大、抗干扰才能强等优点。主机是一种以单片机为根底的智能仪表，所有的运算、处理和控制都由软件完成。氧电势、温度信号的输人转换和电流输出的转换采用模块化元件。这些元件具有可靠性高、精度高的特点。由于使用的元件集成度较高，使整机构造简单，可靠性进步，使用、维护和维修方便。氧电势和温度信号经各自的处理模块转换成05V信号，并由多路开关和AI转换成数字量，单片机根据“能斯特公式计算出氧量。系统设有PID温度调节功能，并通过固态继电器控制加热炉。系统还设有组态开关，能使仪表工作在不同的方式下。 2 温度控制系统的硬件设计 Cygnal公司的51系列单片机C8051F040是集成在一块芯片上
4、的混合信号系统级单片机，在一个芯片内，集成了构成一个单片机数据收集或者控制的智能节点所需要的模拟和数字外设及其他功能部件，代表了目前8位单片机控制系统的开展方向。芯片上有1个12位和1个8位多通道ADC，2个12位DAC，2个电压比拟器，1个电压基准，1个32kB的FLASH存储器，与MCS一51指令集完全兼容的高速CIP一51内核，峰值速度可达25MIPS，并且还有硬件实现的UART串行接口和完全支持CAN20A和CAN20B的CAN控制器3。 C8051F040的18，19脚分别为AIN00和AIN01引脚，由于C8051F040片内具有ADC模块，因此温度信号可直接经外围滤波、放大电路后
5、输入AIN00和AIN01引脚，AMUX的工作形式选择单端输入形式。选用热电偶作为温度传感器，其电压经信号放大后，送人C8051F040的AD端，转换后与给定温度值比拟，按PID调节算法和脉宽调功法，计算出该时刻的值，经光电隔离和功率放大后，通过控制大功率沟通固态继电器过零型的通断时间来控制加热的功率，到达温度控制的目的。冷端测温元件采用集成温度传感器AD590，所测温度由AD590温度传感器检测，经电压放大后直接送至单片机C8051F040的AINO1输人口。 b3 温度控制系统的软件设计31 温度控制经过分析/b 加热通断的最小周期为10ms，加热最短脉冲长度为10ms，PID控制输出为加
6、热脉冲数。误差越大，加热脉冲数值就越大；误差小，加热脉冲数就小。为使PID的输出有一定的可调节范围，采样周期，太小会使得控制量的范围很窄；但也不能过大，否那么会降低控制精度。综合各方面的考虑及实验测试，采样周期定为2s，这样，PID输出的最大脉冲量在一个控制周期内为200。 系统的加热经过分为三局部：第一，升温起始阶段或者温差大时，采取全功率加热，使加热元件快速升温；第二，温度变化剧烈时，采取关断输出，让温度在惯性作用下向下一阶段过渡。由于电热元件滞后严重，当温度上升过快时，会导致下一阶段控制失效或者严重超调；第三，温度偏向和温度变化在一定范围内时，根据专家智能在线调整PID参数，到达快速准确
7、控制。 32 专家PID控制器的原理 温度控制系统具有非线性、强耦合、时变、时滞等特性，采用常规PID控制难以兼顾高精度与快速性的双重要求4-5。本文提出专家式智能与PID相结合的复合控制方法，将专家经历和PID控制定量调节特性充分运用于控制经过中。该总线智能氧量分析仪要求系统控温范围为680760，稳定后温度波动不超过1。为了实现快速准确的温度控制，根据被控对象的特性建立专家系统PID控制方式，如图2所示。 本专家控制器的推理构造采用数据驱动的正向推理策略。产生式规那么采用IFenANDenTNoutn形式。专家系统的关键是专家知识的建立、确定。知识获取，有些来自工艺人员的长期总结，有些借助
8、于控制领域的知识和分析。 把专家系统和PID控制器结合，利用专家系统知识库输出修正PID参数，改变PID控制方式以到达最正确PID控制效果。根据对象特性及设计要求，设计了99条控制规那么，并预先将规那么下的调整方法及调整参数存储于控制器中。专家控制规那么根据当前偏向en及其变化率en的大小，决定控制方式和是否需修改比例系数K P、积分增益KI和微分增益KD。控制经过中，控制器不需按系统辨识结果或者某一目的函数整定PID参数，而是按当前状态对根本PID参数进展调整即： ，J=P，I，D 式中KP，KI和KD分别为根本比例、改良积分和微分增益；，和分别为当前调整状态下的比例、积分和微分项修正系数。
9、 33 软件流程 系统软件采用C51语言，在Silicon Laboratories集成开发环境下进展编译连接。 该仪表的温度量程为01000，温度控制为7001，温控定值为680760，并且连续可调，当温度大于800时，启动断偶保护功能。数据的收集用屡次测量求平均值的方法来防止测量误差。 本文设计的基于现场总线智能氧化锆氧量分析仪具有自动化程度高、构造简单等优点。对于电站锅炉及煤焦炉等热力设备消费效率的进步具有显著的作用。试验说明该温度控制系统具有测量范围宽、使用温度高、运行可靠、测量及时准确等优点，同时克制了以往仪表不稳定、易损坏等缺点。该方法加以适当修改，也可应用于其它温度控制系统中。 参考文献：1李春文现场总线控制系统的设计J炼油与化工，2003，4：32342李健，徐莉萍，任德志基于现场总线的液压智能仪表的设计J机床与液压，2003， 2：2172183童长飞C8051F系列单片机开发与c语言编程M北京：北京航空航天大学出版社，20054孙志英，佟振声，赵文升，等模糊自整定PID过热汽温控制系统J华北电力大学学报，2001，1O：33385黄宇，王东风，韩璞模糊自整定PID控制及其在过热汽温系统中的应用J电力科学与工程，2004，3：37400