“溫度”是各類工業(yè)控制生產(chǎn)中常見的、而又十分重要的控制參數(shù)。人們研制出各種針對不同控制對象的溫度自動控制系統(tǒng)，其中軟件控制算法已比較成熟，但溫度控制系統(tǒng)的硬件構成特別是功率控制部分往往存在著硬件結構復雜，分離元件較多，結構較為封閉等問題。隨著CPLD器件的大規(guī)模運用，采用CPLD器件可簡化控制系統(tǒng)的硬件結構。本文設計了一種以8051單片機為核心的溫度控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)的控制部分由CPLD來完成，針對不同的控制對象可采用不同的控制算法，因此該控制系統(tǒng)具有結構開放、成本低廉、性能可靠等特點。

1 系統(tǒng)硬件構成

對一個溫度自動控制系統(tǒng)來說，其硬件結構由兩大部分構成：溫度測量部分和功率控制部分。系統(tǒng)結構總框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總框圖

1.1 溫度測量部分

(1)信號轉換電路：根據(jù)被控對象的不同，采用不同的溫度傳感器，將物理信號變換為電信號，以便8051單片機處理。

(2)信號處理電路：由傳感器所變換得到的電信號一般為小的電壓信號，受到控制精度的限制，不能直接送入到A/D，而需要對小信號進行放大。本系統(tǒng)中采用了程控差分放大器，其電路圖如圖2所示。差分放大器A3采用高精度運放AD844;前置放大器A1改變了小信號的測量精度以及傳感器和差分放大器的匹配;射級跟隨器A2則實現(xiàn)了D/A和差分放大器的匹配和緩沖;由于小于1.2V的低阻驅動的電壓基準源難以獲得，因此采用16位D/A轉換器MAX542構成數(shù)控基準源，整個數(shù)控基準電壓源的最大輸出為2.5V，其最小分辨率為2.5V/216≈0.04mV;根據(jù)傳感器輸出電壓信號的范圍確定差分放大器的放大倍數(shù)，這樣就構成了整個程控可變增益差分放大器。該程控放大電路不僅克服了傳統(tǒng)程控放大器增益分檔不夠多的缺點，還具有高精度，控制容易等優(yōu)點，因此系統(tǒng)的測量精度、控制精度得到了提高。

圖2 信號處理電路部分

(3)信號采集電路：該部分電路由12位的A/D轉換器構成。A/D轉換器的字長，決定了系統(tǒng)的控制精度，字長越大，控制精度就越高，但綜合考慮系統(tǒng)控制指標以及控制效率，采用12位的A/D轉換器即可，其轉換精度可以達到±0.012%。在本系統(tǒng)中我們采用MAXIM公司近年推出的高速A/D轉換器MAX197，與一般A/D芯片相比，品質(zhì)因素高、外圍電路簡單并具有標準的微機接口，數(shù)據(jù)總線的時序與絕大多數(shù)通用的微處理器兼容，全部邏輯輸入和輸出與TTL/CMOS電平兼容。

1.2 功率控制部分

常見的功率控制有兩種方法：一是調(diào)功，通過控制單位時間內(nèi)加在功率器上的正弦波的波頭數(shù)來控制功率;二是調(diào)相，通過控制可控硅的導通角，來控制導通時加在功率器上的電壓幅值，實現(xiàn)對功率器的精確均勻控制。由于方法二可以均勻精確的控制功率，并能夠對功率進行微調(diào)，使得被控對象的溫度平滑地到達設定值，因此在本系統(tǒng)中選擇方法二。其控制電路的電路框圖如圖3所示，圖中方框內(nèi)的硬件部分由CPLD器件實現(xiàn)，具有簡潔，性能可靠等特點。

圖3 溫度控制電路框圖

利用調(diào)相法控制功率，必須隨時知道并記錄220V市電的相角，從而準確的控制導通時刻。在傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)中一般利用模擬鎖相環(huán)電路提取市電的同步信號，但加大了電路構成的復雜程度。在本系統(tǒng)中省去了模擬鎖相環(huán)器件，簡化了電路結構。硬件電路描述如下：

(1)采用變壓器將220V市電轉換為同步的峰值為5V的正弦波電壓信號，然后經(jīng)過過零比較器把正弦波電壓信號轉換為占空比1：1的50Hz方波信號。

(2)50HZ的方波信號通過邊沿檢測電路得到同相的100HZ的窄脈沖信號，其邊沿檢測電路原理圖如圖4所示。

圖4 邊沿檢測電路

(3)8位計數(shù)器對25KHZ的頻標信號進行計數(shù)，計數(shù)器具備一個上升沿清零端，該端的接入信號為(2)中得到的100HZ的窄脈沖，該窄脈沖以頻率100HZ對計數(shù)器清零，使得計數(shù)的開始時刻為50HZ市電信號的過零處，從而保證嚴格同步。具體信號時序關系如圖5所示。

(4)8位計數(shù)器的計數(shù)值輸入到數(shù)字比較器中，與單片機設置的預定值進行比較：當計數(shù)值小于等于單片機輸入的預定值時，數(shù)字比較器的輸出端輸出為高電平。當計數(shù)值大于單片機輸入的預定值時，數(shù)字比較器的輸出端輸出為低電平。這樣輸出周期性的與市電半波同步的方波信號去控制可控硅的導通角，通過改變單片機輸入值的大小可以方便的調(diào)節(jié)可控硅的導通角，準確地高精度地實現(xiàn)功率調(diào)節(jié)。

圖5 信號時序關系圖

從該部分硬件結構的組成特點可以看出，其組成核心是由可重新配置特點的CPLD器件 MAX7128構成。MAX7128為高性能可擦除器件，采用第二代多陣列矩陣(MAX)結構，可用門數(shù)為2500門，宏單元數(shù)為128，邏輯陣列塊數(shù)為8，通過標準的JTAG接口，支持在系統(tǒng)可編程(ISP)。它實現(xiàn)了控制部分的核心功能，其它的電路都屬于輔助電路。因此系統(tǒng)在結構上具有典型的開放性，這對實現(xiàn)軟件的開放是一個很好的支持。

2 溫度自動控制系統(tǒng)的軟件設計

溫度自動控制系統(tǒng)的軟件算法通常是根據(jù)對象的純滯后時間τ與對象的慣性時間常數(shù)Tm之比來確定,一般來說,當τ/Tm<0.5時，可采用PID算法控制,當τ/Tm>0.5時，可采用達林算法控制。在本系統(tǒng)中,針對不同的被控對象，可加載不同的軟件算法，因此大大提高了本控制系統(tǒng)的靈活性。由于在工業(yè)控制過程中,大量的被控對象具有非線性、純滯后性，采用PID控制很難獲得良好的控制性能，因此本文重點討論達林算法，用它來控制非線性、純滯后對象具有良好的效果(被控對象一般為帶有滯后的一階慣性環(huán)節(jié))。

2.1 dahlin算法的數(shù)學模型

被控對象為帶有滯后的一階慣性環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)為

，θ=NT (2-1)

式中：τ1 -----對象的時間參數(shù)

θ -----對象的純延遲時間，為了簡化，設其為采樣周期的整數(shù)倍，即N為正整數(shù)。

K -----對象放大系數(shù)

達林算法的設計目標是使整個閉環(huán)系統(tǒng)所期望的傳遞函數(shù)Φ(s)，相當于一個延時環(huán)節(jié)和一個慣性環(huán)節(jié)相串聯(lián)，即

Φ(s)=

，θ=NT (2-2)

如圖6所示，根據(jù)控制理論易得到帶有一階慣性對象的達林算法的基本形式：

×

(2-3)

式中：K -----對象放大系數(shù)

T ------ 為采樣周期;

τ1 ------為被控對象時間參數(shù);

τ ------為閉環(huán)系統(tǒng)的時間參數(shù)。

根據(jù)D(Z)=U(Z)/E(Z)得出差分方程：

U(K)=b1U(K-1)+b2U(K-N-1)+a0E(K)-a1E(K-1) (2-4)

其中

圖6 控制系統(tǒng)方框圖

2.2 dahlin算法參數(shù)的整定

(1)由系統(tǒng)的飛升曲線(如圖7)確定對象的純滯后時間參數(shù)θ和被控對象的時間參數(shù)τ1。

5

圖7 被控對象的飛升曲線

(2)綜合控制精度、超調(diào)量等指標選取合適的采樣周期T。若T偏大，則取樣稀疏，單位時間內(nèi)控制點過少，勢必造成較大的過沖量以及系統(tǒng)控制誤差;若T偏小，則對采樣量化字長要求過高，對于有限字長的控制系統(tǒng)過密的采樣周期會使系統(tǒng)控制失敗。

(3)由N=θ/T確定N值。

(4)對象放大系數(shù)K的確定。K可由下列公式確定：

5

(5)τ一般與T取同量級，不斷調(diào)整τ值，觀察系統(tǒng)的響應圖，使得閉環(huán)系統(tǒng)的指標達到最佳。

3 系統(tǒng)應用

從該溫度自動控制系統(tǒng)的軟硬件構成可以看出，這種設計具有比較好的開放性，便于在軟硬件方面進行功能擴展和重新配置，同時應用系統(tǒng)的構造也比較靈活。由于采用了高容量低成本的CPLD器件 MAX7128,將本系統(tǒng)的控制部分的核心電路的硬件資源進行了整合集成，提高了系統(tǒng)硬件的可靠性。針對不同的控制對象，只要適當?shù)母淖円幌虑岸说男盘柼幚黼娐?，并采用滿足要求的控制算法，即可勝任面對各種對象的控制任務。因此系統(tǒng)具備結構開放、性能可靠、靈活方便等特點，可以靈活地勝任不同對象的溫度自動控制任務。