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温度被控参数
被控参数——温度
一、概述
温度是工业对象中主要的被控参数之一,在工业生产中虽然用来升温的加热炉的种类不
同,所采用的加热方法及燃料也不同,如冶金、机械、食品、化工等各类工业生产中广泛使用的各种加热炉、热处理炉、反响炉等;燃料有煤气、天然气、油、电等,对工件的处理温度也技术在这方面的应用,使温度控制技术指标得到了大幅度的提高。
该电炉炉温控制系统原理,控制过程是这样的:
热电偶定时对炉温进行检测,经A/D
转换到相应的数字量,再送到微机进行判断和运算,输出控制量,去控制加热功率,从而实
现对温度的控制。
1、控制要求及数学模型
1、控制要求
A、炉温变化规律的控制即炉温按预定的温度一时间变化,这主要在控制程序设计中
考虑。
温度控制范围为50〜350,升温、降温阶段的温度控制精度要求为保温阶段温
度控制精度为。
還度¥
B、微机自动调节
C、模拟手动操作
D、微机监控功能有灯光报警。
正常情况下,系统投入自动。
当系统发生异常,投入手动操作
显示当前被控量的设定值、实际值,控制量的输出值,参数报警时
2、受控对象的数学模型
电阻加热炉用于合金钢热力特性实验,电加热炉用电阻丝提供功率,使其在预定的时间
内将炉温控制在特定的温度值。
本控制对象电阻加热炉的功率为8KW,由220V交流电源
供电,采用双向可控硅进行控制。
三、系统的硬件配置
1、计算机机型和系统总线
主机:
Z80〔TANDY公司RADIOSHACK分部生产的TRS-80微机系统〕
主机CPU:
Z-80。
用户内存:
38K。
系统总线:
TRS-80有56个引脚,分为5个功能组,各组的引脚表示为:
引脚1〜6:
逻辑电源总线,引脚7〜14:
数据总线。
引脚15〜30:
地址总线,引脚31〜52:
控制总线,引脚53〜56:
辅助电源总线;
操作系统:
NEWDOS-80。
显示器:
绿色12'监'视器〔系统自带〕
2计算机工作的外围电路设备
〔1〕AC0832转换器
DAC0832是用CMOS工艺制成的8位数/模转换芯片。
数字输入端具有双重缓冲作用,可以双缓冲、单缓冲或直接输入,特别适用要求几个模拟量同时输出的场合,与微处理器连接很方便,功耗低,输出漏电流误差较少。
主要特性如下:
分辨率:
8位,建立时间:
1血,温度增益系数:
20ppm/C,输入:
TTL电平,功耗:
20mW
DAC0832芯片为20脚双列直插式封装的引脚
含义如下:
DI0〜DI7:
8位数字量数据输入引脚:
ILE:
:
数据锁存允许信号;
CSA:
片选信号,低电平有效。
它与ILE相结合,用以控制WR1A是否有效;
WR1A:
输入存放器的“写〞选通信号,低电平有效。
在CSA和ILE有效时,用它将数字
量输入,并锁存在输入存放器中;
WR2A:
DAC存放器的“写〞选通信号。
在XFERA有效时,用它将输入存放器中的数字传送到DAC8位存放器中;
XFERA:
传送控制信号。
用它来控制WR2A是否起作用。
在控制多个DAC0832同时输出时特别有用;
IOUT1:
DAC电流输出1,它是逻辑电平为“1〞的各位输出电流之和;
IOUT2:
DAC电流输出2,它是逻辑电平为“0〞的各位输出电流之和;
Rfb:
反响信号输入端,DAC0832内部已有反响电阻,所以,RFb端可以直接接到外部运算
放大器的输出端,这样,相当于将一个反响电阻接在运算放大器的输入端之间;
Vcc:
工作电源,+5V〜+15V,最正确工作状态是+15V;
AGND:
模拟量地。
芯片模拟电路接地点;
DGND:
数字量地。
芯片数字电路接地点。
注意D/A转换芯片输入的是数字量,输出为模拟量,而模拟信号很容易受到电源和数字信号的干扰,引起波动。
为提高输出的稳定性和减少误差,所以,模拟信号局部必须采用高精度基准电源VREF和独立的地线,一般把数字的和模拟地分开。
模拟地是模拟信号及基准电源的参考地。
其余信号的参考地,包括工作电源地、数据、地址、控制等数字信号的逻辑地都是数字地。
DAC0832
(2)ADC0809转换器
:
ADC0809是一个28引脚双列直插式封装的芯片,带有8位A/D转换器、8路多路开关
以及与微型计算机兼容的控制逻辑CMOS组件,其转换方法是逐次逼近型。
它的各引脚功
能如下:
IN0〜IN7:
8路模拟电压信号输入端;
21〜2「8:
8位数字量输出端;
START:
启动A/D转换的控制输入端,高电平有效;
ALE:
地址锁存允许控制信号输入端,该引脚有效时,ADDC、ADDB、ADDA才能控制所
选择8路输入模拟通道中的1路。
START和ALE这两个信号端可连在一起,当通过软件输入一个正脉冲时,便立即启动A/D转换;
0E:
输出数据允许信号端,高电平有效。
只有该信号有效时,才能翻开输出三态缓冲器,用于指示转换已完成,结果数据已存在锁存器中。
在中断方式下,此信号可以作为向CPU
申请中断的请求信号,在查询方式下,此信号可以作为A/D转换完毕的状态信号;
CLOCK:
时钟脉冲输入端;
Vcc:
电源+5V连线端;
GND:
接线端;
REF(+):
参考电源输入端,通常此引脚与Vcc相连;
REF(-):
参考电源地端,通常此引脚与GND相连;
ADDC、ADDB、ADDA选择模拟通道的地址输入端。
要注意的是只有在ALE引脚有效时,三个引脚才能控制选择。
STD总线有56个引脚,分为5个功能组,各组的引脚表示为:
引脚1〜6:
逻辑电源总线,引脚7〜14:
数据总线。
引脚15〜30:
地址总线,引脚31〜52:
控制总线,引脚53〜56:
辅助电源总线;
(3)执行器
电动执行器是自动控制系统中的一个重要组成局部,它接收来自调节仪表的电信号,用电动执行机构将其转换成适当地力或力矩,以推动各类调节阀(或其它执行机构),从而达
到自动生产的目的。
电动执行器与气动执行器相比,具有动作灵敏,能源取用方便,信号传递快捷和适合远距离控制的优点。
它由执行机构和调节机构两局部组成,其中将调节控制信号转换成为力或力矩的局部叫做电动之行机构,各种调节阀或调节设备统称为调节机构。
(4)智能阀
智能调节阀是集常规仪表的检测、控制、调节等功能形成一个完整结构的智能仪器,它
至少由以下六局部组成:
带有微处理器及智能软件的控制器,用于提供反响信号和诊断信号
的传感器,信号变换器,I/O及通讯接口;执行机构,调节阀。
智能调节阀的特点:
(1)具
有智能控制功能。
可按给定值自动进行PID调节,控制流量、压力、、压差和温度等过程变量,还可支持串级控制方式等。
(2)具有保持功能。
(3)具有通信功能。
(4)具有诊断功能。
(5)一体化结构,智能调节阀把阀体、控制电路、传感器、执行机构全部装在一个现场仪
器中。
STARPAC型智能调节阀是Valtek公司20世纪90年代末期的产品,其根本结构和功能如下图。
其主要特性和特点是:
阀体的进出口部位和内部安有压力、温度监测器、阀体内安装阀位监测器。
气缸执行机构进出口安装空气压力监测器。
这些检测器的输出信号都送到微处理器。
能进行压力、温度、流量的测量和自动控制。
流量测量是根据阀门开度所对应流量系数值及阀门前后压差由微处理器进行计算,还可以对此流量进行温度补偿,也可构成串级控制回路。
调节阀在运行过程中,随时根据气缸进出口压力、阀位的变化以及温度、压差、流量变化等工艺参数,分析调节阀的动态工作状态包括流量特性的变化,实时进行故障诊断,进行必要的调整和校准。
具有事故预测。
监视、报警及事故切断的程序,实现平安运行。
与上位机控制系统(DCS、主计算机系统)的连接用4〜20mA模拟信号或RS485串级数字信号的通信方式,两者可任选,与PC机的连接,进行组态、校准、数据检索与故
障诊断等重要通信采用数字通信方式。
(5)只读存储器EPROM
目前使用最为广泛的只读存储器是EPROM,其典型芯片为Inter2716UVEPROM存储器。
2716是N沟道FAMOS器件,存储容量为16K(2KX8)位,即:
2K个字,每字8位。
根本存储电路排列成128行X128列的阵列。
它们被分为8各16X128的矩阵,每个16X128
地矩阵都代表2048个字中的某一位,2716中一位的结构框图如下图:
其中:
高位地址信号A4〜Aio用来确定128行中的某一行,低位地址信号A。
〜A3用来控制
16根位线。
Inter2716采用24脚双列直插式封装。
其引脚排列如下图。
Inter2716的24条引脚分别为:
A10〜Ao:
11条地址输入线,可寻址2716芯片内部的2K存储单元。
其中7条用于行译码,以选择128行中的一行;4条用于列译码,用以选择16组中的一组。
被选中的一组,8位同时输出。
07〜Oo:
8位数据输入、输出线,都通过缓冲器输入、输出。
对2716进行编程写入时,O7〜Oo是输入线,用来输入要写入的信息;当2716处于正常读出时,07〜Oo是输出线,用来输出2716中的存储信息。
CSA:
片选信号。
当CSA=o时,允许对2716读出。
PD/PGM:
输入信号线,它是待机/编程的控制信号。
VPP:
编程电源。
在编程写入时,VPP=+25V;正常读入时,VPP=+5V。
。
Vcc:
工作电源,为+5V。
此外,芯片的上方开有一个透明的石英玻璃窗口,以便用紫外线擦除信息,经过擦除后又可
以重写。
由于写的过程很慢,所以在实际应用中,常作为只读存储器使用。
WfKC
Vre£-
4hj'叶出
一丄.5y
鸟盲営晡誰窥才常萍懿wJffEl
(6)PIO报警器
全软件报警程序,被测参数如温度、压力、流量、速度、成分等参数经传感器、变送器、模/
数转换器,送到微型机后,再与规定的上、下限值进行比拟,根据比拟的结果进行报警或处
理,整个过程都由软件实现。
这种报警程序又可分简单上、下限报警程序,以及上、下限饱经处理程序。
PIO接口地址为A/D转换器8位数据输入口。
B口PB4,作为A/D转换的启动信号。
B口PB。
—PB3分别作为上限、下限、正常情况及电笛报警信号。
其上限报警模型0F1H,
下限报警模型0F2H,正常情况报警模型0F3H。
报警电路原理如下列图所示:
〔7〕EU-2热电偶
镍铬—铜镍热电偶,又称镍铬—康铜热电偶,也是一种廉价金属热电偶。
其正极〔EP〕为镍铬io合金,化学成分与KP相同,负极〔EN〕为铜镍合金,名义化学成分为55%的铜、45%的镍以及少量的钴、锰、铁等元素。
该热电偶使用温度为—200八900CoE型热电偶电
动势之大,灵敏度之高属所有标准热电偶之最,宜制成热电堆来测量微小的温度变化。
E型
热电偶可用于湿度较大的环境里,具有稳定性好,抗氧化性能高,价格廉价等优点。
但不能
在高温下用于硫、复原性气氛中。
四、数字控制器的设计及其控制算法
本控制系统框图如下所示:
炉子的传递函数为Gc(s)=Ke-勺(ts+1),0=LT,其中t为电阻加热炉的时间常数;,0
为电阻加热炉的纯滞后时间,T为采样周期。
D/A转换器可划归为零阶保持器内,所以广义对象的传递函数为
-0s—Ts
Gi(s)=[Ke/(ts+1)][亿一e)/s]
广义对象的Z传递函数为Gi(z)=Z{[Ke-0s/(ts+1)][以—e—Ts)/s]}=
-L-i-T/ti-T/ti-i
Kz——(i—e—t)/(i—e—tz—)。
—Ts-0s—L—i—T/t
所以系统的闭环Z传递函数为①(z)=Z[(1—e)/sXe-/(t+1)]=z(1—e")/(1—e—T/t。
系统的数字控制器为U(z)/E(z)=D(z)=①(z)/Gi(z)[1—①(z)]=(1—e—T/Tz—1)(1—e—T/)/K(1——T/t1—T/t—1—T/t—1-L
e—t)[1—e—tz——(1—e—t)z—]
—T/t—T/t—T/t—T/t1
写成差分方程即为u(k)=e—u(k—1)+(1—e—)u(k—1—L)+(1—e—)e(k)/K(1—e—)
—T/t—T/t1—T/t1
—(1—e—T/t)e—T/t1e(k—1)/K(1—e—T/t1)
令a0=(1—e—T/t)/K(1—e—T/t1)
—T/t—T/t1—T/t1
a1=(1—e)e/K(1—e)
—T/t
b1=e
b2=1—e—t/t,得u(k)=a°e(k)—aie(k—1)+biu(k—1)+b2U(k—1—L)式中e(k)——第k次采样时的偏差;
e(k—1)——第k—1次采样时的偏差;
u(k—1)——第k—1次采样时的偏差;
五软件设计
由硬件组成可见,本程序采用双重中断设计,这样当系统控制较多个回路时,便可节省主机时间,从而提高计算机效率。
一重中断:
由CTC定时10秒产生,在此CTC中断效劳程序中,完成如下功能:
启动A/D转换,数字滤波,上下限报警处理,数字控制运算,输出。
当CTC中断效劳程序完成以后,便返回主程序等候下一次采样。
二重中断
在CTC中断效劳程序中,A/D转换结束产生二重中断,在中断效劳程序中,主要用来采样,然后返回CTC中断效劳程序。
本程序采用模块式结构设计,根据系统要求分为以下功能模块:
(1)主程序模块
(2)CTC中断效劳程序模块
(3)A/D转换中断效劳程序模块下面分别介绍各功能模块。
1、主程序模块
主程序模块完成如下功能:
(1)设置各接口通道的工作方式(如CTC及PIO等);
(2)设置中断方式
(3)设置中断矢量开中断,清采样数据单元及中间结果单元等。
主程序框图如下列图所示。
主程序如下:
ORG2000H
LD
SP,2300H
XOR
A
LD
(SJDY1),A
LD
(SJYD2),A
LD
(DE,0000H
LD
(PCDY0),DE
LD
(ZJJG1),DE
LD
(ZJJG2),DE
LD
(ZJJG3),DE
LD
(ZJJG4),DE
LD
(ZJJG5),DE
LD
(ZJJG6),DE
LD
A,22H
LD
I,A
LD
A,00H
OUT
(44H),A
LD
A,00110101B
OUT
(44H),A
LD
A,11011101B
OUT
(45H),A
LD
A,0FAH
OUT
(45H),A
LD
A,4FH
OUT
(82H),A
LD
A,0CFH
OUT
(83H),A
LD
A,00H
OUT
(83H),A
LD
A,87H
OUT
(82H),A
LD
A,0AH
OUT
(82H),A
IM2
EI
HALT
START:
RESTA:
转CTC中断效劳程序
执行完中断效劳程序返回
设堆栈指针
清采样数据单元及中间结果单元
2202H:
DBA0
2203H:
DB20
220AH:
DB70
2、CTC中断效劳程序模块
CTC中断程序完成如下功能:
〔1〕
启动A/D转换
〔2〕
数字滤波
〔3〕
上下限报警处理
〔4〕
数字控制器的计算与输出
如前所述,在此CTC中断效劳程序中,还有一种中断,即A/D转换结束产生的中断,
为使此中断能被响应,必须在CTC中断效劳程序中首先开中断,因为第一次定时中断使CPU
的中断触发器IEF1和IEF2都已关闭。
二重中断具体设计方法是:
用PIOB口的B4位启动
眄转换器,然后接着执行CTC中断效劳程序。
当A/D转换结束后,因为转换结束信号接到ASTB管脚,ASTB的下降沿把A/D转换完的数据装入PIOA口的数据存放器,的上升沿用来向CPU申请中断。
CTC中断效劳程序框图如下图。
CTC中断效劳程序如下:
ORG20A0H
CINT:
EI
LD
A,00H
OUT
(81H),A
LD
HL,SJDY2
CALL
SZLP
LD
A,(MAX)
LD
D,A
LD
A,(LPDY)
CP
D
JR
NC,SDBJZK
LD
A,(MIN)
LD
D,A
LD
A,(LPDY)
CP
D
JR
C,XXBJZK
LD
A,0F4H
OUT
(81H),A
CALL
DLSF
LD
A,L
OUT
(48H),A
FHZK:
RETI
SDBJZK:
LD
A,0F2H
OUT
(81H),A
■-JPFHZK
xxbjz/:
(LBC中tA,0F1&程序
JRFHZK
由中断效劳程序地址羔中得到入口地址
20AO
开中断
搭地址HL
启幼
F
a/b|
〈滤披后采样值片上限振警值?
——y
〈滤帔后采样敲下限报譬值?
〉
L+\帳下2报警处理卜
正常报警r
调用数字控制器计算程序
CTC申断效劳程序框图
CTC中断效劳程序中有两个功能子模块,由于本系统为带有纯滞后的一阶惯性环节,设滤波结果存放在LPDY单元。
数字控制器程序的设计。
本系统数字控制器的模型及系数前面算法已求出然后分别存入相应的内存单元中。
内存单元分配表如下所示:
内存单元名称
弃放的数
内存单元名祢
存放的數
SSAO
ao
PCDYO
e(k)
XSA1
PCDY1
e(k~l)
XSB1
ZJJG1
u(lfl)
^SB2
ba
ZJJC2
u(k-2)
GDZR
Ro
ZJJG3
u(k-3)
ZJJG4
u(1l4)
ZJJG5
u(k-5)
数字控制器程序如下:
ADD
HL,DE
LD
(ZCDY),HL
LD
BC,(XSB2)
LD
DE,(ZJJG5)
CALL
CFZK
LD
HL,(ZCDY)
ADD
HL,DE
LD
DE,(PCDY0)
LD
(PCDY1),DE
LD
DE,(ZJJG4)
LD
(ZJJG5),DE
LD
DE,(ZJJG3)
LD
(ZJJG4),DE
LD
DE,(ZJJG2)
LD
(AJJG3),DE
LD
DE,(ZJJG1)
LD
(ZJJG2),DE
LS
(ZJJG1),HL
RET
所以先
256,即
由于数字控制器的数学模型中,系数不仅有纯小数,还有大于1的混合小数,将模型式两边同乘以256,把纯小数化成整数,再调用乘法子程序,各乘积再除以得所求结果。
乘法子程序如下:
CFZK:
LD
A,00H
LD
(FHWE1),A
BIT
7,D
JR
Z,CZKKI
CALL
QBZK
LD
A,80H
LD
(FHWEI),A
CZKK1:
CALL
WFCF
LD
A,(FHWEI)
BIT
7,A
JR
Z,CZKK2
CALL
QBZK
CZKK2:
LD
B,08H
ZZK:
SRL
D
RR
E
DJNZ
ZZK
RET
QBZK;LD
A,E
CPT
LD
E,A
LD
A,D
CPT
LD
D,A
INC
DE
RET
WFCF:
LD
A,10H
LD
HL,0000H
LOOP:
BIT
0,E
JR
Z,FWZK
ADD
HL,BC
FWZK:
SRL
H
RR
L
RR
D
RR
E
DEC
A
JR
NZ,LOOP
RET
2、A/D转换中断效劳程序模块
在A/D转换中断效劳程序中完成的功能是:
读取A/D转换后的数据。
转换中断效劳程序如下:
ORG2270H
ADZH:
INA,(80H)
LD(HL),A
EI
RETI
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