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温度控制系统的研究与设计
温度控制系统的研究与设计
摘要：
设计一个利用8086PC机实现多台电阻炉温度的自动巡回检测控制系统．该系统以8086为基础，以并行I/O接口8255A为核心，并配以适当的外围接口电路，实现对电阻炉温度自动检测与控制.设计了一种过零检测电路，利用硬件方法实现普通双向可控硅的同步过零触发从而实现功率可调．该控制系统具有电路简单、功能强、使用方便、测量控制精度高、工作稳定可靠、性价比高等优点．控制采用PID数字增量型控制算法，并选取合理最优的参数设置。
系统控制程序则采用了模块化设计结构，主要包括主程序、中断服务子程序、控制算法子程序等。
Abstract:
Inthisarticle，anewtemperaturecontrolsystemofresistancefurnaceisdesigned,whichrealizescircuitcheck,monitorandcontroloftemperatureofthemultipleresistancefurnaces.Itisbasedonparallelinterface8255Achapand8086chapandcombinedwithsuitableperipheralcircuit.Thiscontrolsystemrealizeszero-crossingdetectingcircuitandsynchronouszero-crossingtriggerofanordinarybi-directionalSCRofwhichthepoweroutputisadjustable.Thissystemcanmeasuretemperatureaccuratelyandsaveenergy.Itisalsoreliableandpractical.ThematurealgorithmofvariablespeedintegralseparationPIDhasbeenadoptedincontrolrule,andtheparameterofcontrolruleisusedoptimallybythesimulationanalysisincomputer.Thecontrolofsystemhasadoptedthemoduleprogxamconfiguration,itconsistsofthemainprogram,interruptservicesubroutineandcontrolalgorithmsubroutine,etc.
关键词：
PID算法；自动控制；温度控制;热电偶测温;模块化设计
keywords：
AlgorithmofPID;Autocontrol;Temperaturecontrol;Thermocoupletemperaturemeasurement;Moduleprogramdesign
前言
在钢铁、机械、石油化工、电力、工业炉窑等工业生产中，温度是极为普遍又极为重要的热工参数之一;温度控制一般指对某一特定空间的温度进行控制调节，使其达到并满足工艺过程的要求。
电阻炉温度控制系统，无论是启动或设定值升降，还是各种扰动影响，我们既希望时间上的快速性，也希望较平稳动态过程和精确的稳态值。
由于电阻炉的升温保温是靠电阻丝加热，降温则是靠环境自然冷却，所以当温度一旦超调就无法用控制手段来使其降温。
这类电阻炉控制系统具有非线性，时滞以及不确定性。
单纯的依靠传统的控制方式或现代控制方式都很难达到高质量的控制效果。
随着微电子技术和微型计算机的迅猛发展，微机测量和控制技术以其逻辑简单、控制灵活、使用方便及性能价格比高的优点得到了迅猛发展和广泛应用。
它不仅在航空、航天、铁路交通、冶金，电力、电讯、石油化工等领域获得了广泛应用，而且其技术在日常生活小诸如电梯、微波炉、电冰箱、电视机、智能照相机、电动玩具、全/半自动洗衣机、智能空调、携带式心脏监护机等高科技产品中也具有广阔的使用前景，尤其是许多智能仪表和测控系统中引入电脑控制技术后，使传统仪器、仪表设备发生了根本变化，为工业生产的自动化、智能化奠定了坚实的技术基础。
温度自动控制系统是计算机控制的一个最基本课题，因为温度是在农业生产和科学实验中是极为普遍且又极为重要的热工参数之一。
为了保证生产过程安全地进行，提高产品的质量和数量，节约能源，对各种电炉要求在一定条件下保持恒温，不能随电源电压波动或炉内物体而变化:
或者要求有的电炉炉温根据工艺条件，按照某个指定的升温或保温规律而变化，等等。
因此，对温度不仅要不断地测量，而且要进行实时控制。
加热炉作为一种应用特别广泛的热工设备之一。
尽管它所用的加热方法不同，例如煤、煤气、天然气、油、电等，或工艺要求不同，温度有高低、精度也有差异，但作为被控参数之一的温度总是可用不同的测温元件和不同的方法来获得，并通过微型计算机加以处理和控制，并按一定温度曲线工作，以满足生产需要。
一温度控制系统的基本介绍
1.1温度控制系统发展概况
温度控制电路广泛应用于社会生活的各个领域．如家电、汽车、材料、电力电子等，常用的控制电路根据应用场合和所要求的性能指标有所不同，传统的继电器调温电路简单实用，但由于继电器动作频繁，可能会因触点不良而影响正常工作．也有提出改进的电路，采用主回路无触点控制，克服继电器接触不良的缺点，且维修方便，缺点是温度控制范围小，精度不高．下面简单介绍一下最近几年温度控制系统的发展情况。
PID温控：
由于目前，工业中的温度控制对象，往往具有非线性、大时滞、时变、强耦合等特点，采用常规PID控制效果不理想，不能满足系统在不同条件下对参数自整定的要求，从而影响其控制效果进一步提高．模糊控制是一种语言控制，不依赖于精确的数学模型，对参数变化不敏感，具有很好的鲁棒性。
由于模糊控制易受模糊规则有限等级的限制而引起误差．因此,我们将模糊控制与常规PID控制相结合,使预测控制符合工业过程的实际要求。
设计基于预测的模糊自整定PID温度控制系统的主要思想是在常规PID调节基础上,采用模糊推理思想,对算法控制器进行改进,根据不同的E和EC实现PID参数自整定的温度调节器;并且在此基础上,还增加了对非线性、时变性、有滞后性的复杂温控对象的预测控制技术的研究,大大提高了控制系统的稳定性。
1.2节将重点介绍PID算法。
神经网络控制：
人工神经网络是当前主要的、也是重要的一种人工智能技术，是一种采用数理模型的方法模拟生物神经细胞结构及对信息的记忆和处理而构成的信息处理方法。
它用大量简单的处理单元广泛连接形成各种复杂网络，拓扑结构算法各异，其中误差反向传播算法．即BP算法．应用最为广泛．温度控制系统由于负载的变化以及外界干扰因素复杂，而PID控制只能对电参数的影响做精确的计算，对于外界环境的变化只能做近似的估算，影响控制精度．人工神经网络以其高度的非线映射，自组织，自学习和联想记忆等功能，可对复杂的非线性系统建模．该方法响应速度快，抗干扰能力强，算法简单，且易于用硬件和软件实现．
模糊控制：
模糊控制是基于模糊逻辑的描述一个过程的控制算法，主要凭嵌入式操作人员的经验和直觉知识．它适用于控制不易取得精确数学模型和数学模型不确定或经常变化的对象．员的经验和直观判断，非常容易应用．模糊温控的实现:
：
1将温控对象的偏差和偏差变化率以及输出量划分为不同的模糊值，建立规则，例如，如果温度太高或者温度正在上升，就减少控制输入，或风冷．将这些模糊规则写成模糊条件语句，形成模糊模型．2根据控制查询表，形成模糊算法．3对温度误差采样的精确量模糊化，经过数学处理输入计算机中，计算机根据模糊规则推理做出模糊决策，求出相应的控制量，变成精确量去驱动执行机构，调整输入，达到调节温度，使之稳定的目的．同传统的PID控制比较，模糊控制响应快，超调量小，参数变化不敏感．
1.2PID算法的基本理论
根据偏差的比例（P），积分（（I），微分（D）进行控制，简称PID控制，是控制系统中应用最广泛的一种控制规律．PID（比例一积分一微分）控制器对于过程控制是一种比较理想的控制器．在工业控制应用中，特别是在过程控制领域当中，被控参数主要是温度、压力、流量、物位等，尽管各种高级控制（如自适应控制、预测控制、模糊控制等）不断完善，但是，在过去的50多年中，对PID控制器的设计和应用己经拥有了许多的经验，而且，在SISO控制系统中，用的绝大部分控制器都是PID控制器（80%以上）。
有许多通用的PID控制器产品，对于不同的被控对象，只要适当地调整PID参数，就可以使控制系统达到所要求的性能指标。
PID控制器获得成功的一个重要原因，就是在工业过程控制中，PID控制器的动作行为与人对外界刺激的自然反应非常相似。
也就是说，PID控制器结合了人的自发性动作（比例动作）、以往的经验（积分动作）、根据趋势所做的对未来的推测（微分动作）的效果。
PID控制的特点是：
原理和结构简单，操作可靠，使用方便;适应性强，可以用于各种工业的过程控制，改善系统的动态特性，消除稳态误差;大大增强控制系统的抗干扰能力，大大提高控制系统的稳定性。
PID控制所起的作用，不是P，I，D三种作用的简单叠加，而是三种作用的相互促进。
另外，如果纯延迟时间大于时间常数，系统的相关阶数超过二阶，那么PID控制器可能不是最好的选择，这时应该采用更高级的控制器。
对于一个给定的控制系统，要实现预定的控制过程，必须通过选择合适的P，I，D控制参数来实现。
整定控制器的参数，是提高控制质量的主要途径。
当控制器参数整定好并且投运系统以后，被调参数可以稳定在工艺要求的范围之内，就可以认为控制器的参数整定好了。
选择合适的P，I，D控制参数可以采用两种方法：
理论计算整定法与通过在线实验的工程整定法。
因为工程整定法简单实用，计算简便，容易掌握，可以解决一般的实际问题，所以一般采用工程整定法。
目前，常用的工程整定法有Ziegler-Nichols整定法，Cohen-Coon整定法等。
在工业控制系统中，常采用的PID数字控制规律为:
式中，e（t）为偏差，e（t）=r（t）-y（t），即:
偏差二给定值一测量值
Kp为比例增益，Kp与比例
成倒数关系，即Kp=1/
;
Ti为时间积分常数;Td为微分时间常数;
u（t）为控制量，即调节器的输出控制电压信号。
对应的模拟PID调节器的传递函数为:
式中，U（s）和E（s）分别为u和e的拉氏变换。
比例控制能够迅速反映误差，从而减少误差，但比例控制不能消除稳态误差，Kp的加大会引起系统的不稳定;积分控制的作用是，只要系统存在误差，积分控制就不断地积累输出控制量，以消除误差，因此，只要有足够的时间，积分控制将完全消除误差;微分控制可以减少超调量，克服振荡，使系统的稳定性提高，同时加快系统的动态响应速度，减少调整时间，从而改善系统的动态性能。
为了便于计算机实现，把控制规律变换成差分方程:
（积分用求和代替）
（微分用差分代替）
其中，T为采样周期，k为采样序号。
数字PID控制算式为:
位置型控制算法不够方便，要积累偏差，不便于编写程序，为此，对上式进
行改进:
两式相减，得到PID增量型控制算式
u（k）=u（k）一u（k-1）
=Kp[e（k）-e（k-1）]+Ki*e（k）+Kd[e（k）-2e（k-1）+e（k-2）]
称为比例增益;
称为积分系数
称为微分系数。
为了便于编程，将其整理为:
其中
二温度控制系统的总体方案设计
2.1系统的总体说明
本温度控制系统主要由显示电路，主控制电路，报警点路，接口转换电路，温度传感电路等组成。
主控制电路由微处理器及其外围电路组成，是温度控制系统的核心部分。
主处理器采用Intel公司的8086微处理器，处理器及其外围电路共同完成整个系统的控制，数据传输和处理。
处理器对信号调理电路采集进来的模拟量进行A/D转换得到实时温度数据，由控制算法得到的数字控制量通过信号输出电路转换后对温度进行控制;处理器将要保存的历史数据存入存储器。
2.2硬件系统的设计原则
硬件系统设计的原则：
（1）稳定性和可靠性：
模拟量输入级的性能直接影响整个系统的技术指标，必须从一开始就要考虑应用现场的环境情况，采取抗干扰措施，注意元器件的老化和筛选并选择恰当的硬件参数，防止串扰及误差的积累与扩展。
整个设计充分考虑简化硬件电路（部分硬件软化），使用集成度高的元器件，提高器件组装密度，以增加系统抗干扰性能，达到高的稳定性和可靠性。
（2）速度与精度：
根据所给的整机误差限值，按一定的规则预分配各个部件模块所允许的误差。
系统设计过程中根据分配的允许误差选定电路结构、元器件性能。
（3）功耗与大容量数据存储:
功耗是硬件设计时必须考虑的问题。
2.3系统的整体结构
根据系统设计的要求，可以画出系统的整体框图如图1.1：
图1.1系统构成示意图
由微机控制的多台电阻炉温度控制系统构成如上图所示，图中由检测转换装置，多路模拟开关CD4051，A/D转换器AD574A及8255A构成输入通道，用于采集多个电阻炉的温度信号．其中检测转换装置由热电偶与AD595热电偶放大器构成．输出通道由D/A转换器DAC0832，多路分配器CD4051，光电耦合器以及双向可控硅控制电路构成．系统的工作过程即：
温度信号经过热电偶转换成毫伏数量级的电压信号，经过AD595A将热电偶信号（毫伏电压信号）放大为0-5V标准电压信号．以供A/D转换用．A/D转换后的数字量通过8255A送入微处理器，与炉温的给定值数字化量进行比较．炉温的设定值由键盘输入后．按照一定的规律，本系统中用到的是PID控制规律运算，输出控制量，由D/A转换器转换成模拟信号，经过多路分配器CD4051，并由8255A输出一个控制信号，与双向可控硅控制电路配合来控制每台电阻炉的炉温．
三系统硬件设计
3.1主要芯片介绍
（1）8086微处理器芯片
8086微处理器是Intel公司的全16位微处理器。
它由两个处理器组成，一个是上半部分的总线接口部件BIU，一个是下半部分的执行部件EU。
二者各受独立的控制，有相同的时钟但工作时并不同步。
BIU的组成包括形成地址的段寄存器及加法器、程序计数器PC、实现BIU与EU通信的地址寄存器JND及数据寄存器OPR、指令队列Q及其控制、BIU的定时（周期判决及状态控制）以及系统控制信号（即外部接口电路）。
BIU的功能是管理所有外部周期，包括取指令、读取数据以及写数据。
为此，它就要操作程序计数器PC及段寄存器，把适当的段寄存器左移4位后加到EU计算出来并给出的16位基本地址上，从而形成20位的物理地址。
此外，对于6字节的指令队列Q只要有两个以上的空位，它便自动取指并将其填满。
EU由逻辑控制部分、微程序控制器、中断电路、运算器及主寄存器组几大部分组成。
EU的功能是执行所有指令、复位及中断序列，包括译码及操作。
此外，它还为BIU准备1G位的基本地址，对主寄存器组及标志寄存器PSW进行操作与控制。
BIU与EU通过ALU总线、S总线、D总线及Q总线进行通信。
其中通过ALU,S,D总线传送16位的基本地址或数据，通过Q总线将指令队列Q中的指令送入EU进行译码并执行。
8086的指令系统在原有8080/8085的基础上作了很大的改进与扩充。
它既保持了兼容性，又为了方便于高级语言的编译，注意了指令的对称性，由面向累加器型的机器转
为面向寄存器的机器。
OV06的指令系统增加了一些功能很强的指令，包括乘、除法、字符串操作及协调多机系统的指令等。
8086的EU要实现整个指令系统的译码、控制及执行。
为了既便于采用CAD技
术、又要尽量压缩空间及提高速度，而采用了微程序一一随机逻辑联合控制但以微程序控制为主的方案。
（2）A/D转换器介绍
A/D转换器有计算比较型，逐次逼近性，双积分型等多种形式。
因逐次逼近法变换速度比较快，所以在集成化的A/D器件中普遍采用这种类型AD574A是12位逐次逼近型快速A/D转换器。
转换速度最大是35μs，转换精度≤0.05%。
AD574A片内配有三态输出缓冲电路，因而可直接与各种典型的8位或16位的微处理器连接，而无须附加逻辑接口电路，且能与CMOS及TTL电平兼容。
由于AD574A片内包含高精度的参考电压源和时钟电路，这使它在不需要任何外部电路和时钟信号的情况下完成一切A/D转换功能，应用非常方便。
（3）CD4051芯片
CD4051是单八路模拟开关。
CD4051引脚功能见表1.1。
CD4051相当于一个单刀八掷开关，开关接通哪一通道，由输入的3位地址码ABC来决定。
其真值表见表1。
“INH”是禁止端，当“INH”=1时，各通道均不接通。
此外，CD4051还设有另外一个电源端VEE，以作为电平位移时使用，从而使得通常在单组电源供电条件下工作的CMOS电路所提供的数字信号能直接控制这种多路开关，并使这种多路开关可传输峰－峰值达15V的交流信号。
例如，若模拟开关的供电电源VDD=＋5V，VSS=0V，当VEE=－5V时，只要对此模拟开关施加0～5V的数字控制信号，就可控制幅度范围为－5V～＋5V的模拟信号。
表1.1
输入状态
接通通道
INH
C
B
A
0
0
0
0
“0”
0
0
0
1
“1”
0
0
1
0
“2”
0
0
1
1
“3”
0
1
0
0
“4”
0
1
0
1
“5”
0
1
1
0
“6”
0
1
1
1
“7”
1
均不接通
3.2温度控制系统的输入通道
温度控制系统的输入通道由以下几个部分构成:
检测转换装置、多路模拟开关CD4051、A/D转换器AD574A、并行I/O接口8255A组成.构成框图如图１.２所示.
图1.2输入通道示意图
其中检测转换装置由8个热电偶以及8片热电偶放大器AD595组成，选择K型热电偶即镍络，镍硅作为测温传感器，它线性度较好，热电势较大，灵敏度较高，稳定性和复现较好.AD595热电偶放大器是一种将线性化和基准点补偿问题集中在一个芯片上解决的具有对应热电偶电势输出的专用放大器.AD595具有热电偶信号放大和冰点补偿双重功能。
8路温度信号经8个热电偶转换为毫伏信号,分别由8片AD595的第1,14脚引入,经过AD595放大为0-5V的电压信号,再由AD595的第8,9脚相连输出,直接接入多路模拟开关CD4051的X0-X7口.由8255A的控制CD4051的选通地址,即由8255A的控制口C口的PC0、PC1、PC2分别接CD4051的A、B、C三个口,PC6接CD4051的INH端.经过多路模拟开关后选通一路模拟信号由AΠD转换器AD574A的13脚即10VIN端接入,经A/D转换后的数字量由并行I/O接口8255A的8位输入端口,经由总线收发器8286引入8086CPU.芯片连接见图1.3：
图1.3输入通道连接图
由于本系统既要显示、报警，又要进行控制，其任务比较多，因此，光靠主机原来的接口是不够的，故采用8255A扩展PC机控制功能。
IN2TEL8255A是一种通用的可编程并行IΠO接口芯片，是专为INTEL公司微处理器设计的。
它具有可用程序来实现多种功能、通用性强、使用灵活的特点。
本设计利用8255A可编程的特点，作为微处理器与电阻炉的中间桥梁，扩展PC机控制功能。
以8台电阻炉为例，8255A负责8路信号的输入控制，分时接入8路温度信号，送入PC机处理。
根据炉温的实际值与给定值间偏差PC机运算结果，由8255A输出一个控制信号，与可控硅控制电路配合来控制每台电阻炉的炉温。
8255A总线缓冲器D0-D7与CPU的数据总线DB0-DB7通过地址锁存器8282相连，8255A的RD、WR与CPU的RD、WR直接相连，复位信号RESET直接接在CPU的复位号RESET上。
由8255A的接线方式可知，A口对应的端口地址为：
F1H，B口对应的端口地址为：
F3H，C口对应的端口地址为：
F5H，控制端口对应的地址为：
F7H。
8255有三种工作方式：
方式0、方式1、方式2。
两组端口可分别指定不同的工作方式。
每组端口在某种工作方式下，并不要求各信号同为输入或同为输出，而是可以分别指定。
本设计中利用8255A的A口作为输出，B口作为输入，与AD547A的D4-D11数据端相连。
C口为控制口，其中PC0、PC1、PC2作为CD4051的选通地址，按3-8译码的规律，选择某一路信号输入输出.PC6作为控制端，通过编程来实现，控制PC6分别为0或1，来关断或接通加热电路的开关。
PC3用以控制输入通道中CD4051的开关。
3.3温度控制系统的输出通道
输出通道是计算机的数据分配系统，它们的任务是把计算机的数字量转换成模拟量.这温度控制系统中的输出通道由以下几个部分构成：
D/A转换器DAC0832、多路分配器CD4051、光电耦合器、双向可控硅控制电路。
构成框图如图1.4所示：
图1.4输出通道示意图
由8086CPU计算得到的控制信号为数字量，经过D/A转换器DAC0832转换后得到模拟量（电流信号），由DAC0832的第11、12脚转换为电压信号输出，接入多路分配器CD4051，由并行接口8255A的C口选定输出到X0-X7中的一路.并经过光电耦合器的隔离，与过零脉冲触发器MC14528一起触发双向可控硅导通，到达控制炉温的目的。
本系统中温度控制电路采用可控硅调控方式，双向可控硅与50Hz交流电源和电阻炉串联。
控制电路采用了双向可控硅，使温度控制在无触点情况下进行，电炉的输入功率不受通断频率限制，因而易于实现电阻加热炉的输入功率的连续调节和炉温的连续控制，提高了控制质量.
双向可控硅要实现功率控制，关键有两点：
过零信号的检测和同步触发；正比于输出信号的输入信号的控制。
输入信号通过光电耦合器件与同步过零信号一起控制双向可控硅的导通与截止，从而起到控制较大功率负载的作用。
利用光电隔离实现输入与输出的电气隔离.故本温度控制系统的控制电路主要由光电耦合器、过零触发电路、双向可控硅组成。
由多路分配器CD4051出来的控制信号与过零触发电路的触发脉冲信号同时有效（通过与门来实现），来控制双向可控硅的导通时间来控制炉温.通过光电耦合器来隔离加热系统和微机系统。
以往通过控制双向可控硅导通角来改变流过可控硅的电流，从而改变输出功率；但这样得到的电压波形并非正弦波，对电网会形成较大的危害。
本设计采用向可控硅过零触发技术，如图1.5所示。
CD4051输出0触发信号，经反向器74LS00驱动（光电偶合器TLP521-1起控制门和强、弱电隔离作用），再经功率放大后加到双向可控硅的控制端上。
由于加热元件（电阻丝）在冷态时电阻很小，启动电流大，故本电路比采用固态继电器更便于系统启动，经济性也十分明显。
图1.5过零触发电路
四、系统的软件设计
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