基于智能控制技術的新型溫控系統的研究

摘要: 本文主要介紹了一種基于智能控制技術的新型溫控系統的硬件設計。設計了傳感器鉑電阻為本溫度控制系統提供溫度信號，經A/D轉換成數字信號送入微控制器中，通過微控制器及其接口電路，實現對溫度信號的顯示、判斷、決策及控制。最后系統輸出的適當控制量可調脈沖控制可控硅電路。通過可控硅調功對被控對象電阻爐的加熱，實現系統對被控對象電阻爐的溫度控制，以達到系統所要求的精度。
關鍵字: 傳感器；可控硅；溫度控制；A/D

1 引言

在鋼鐵、機械、石油化工、電力、工業爐窯等工業生產中，溫度是極為普遍又極為重要的熱工參數之一。溫度控制一般指對某一特定空間的溫度進行控制調節，使其達到并滿足工藝過程的要求。在本文中，主要研究對特定空間(電阻爐)的溫度進行高精度控制。采用九點控制器算法進行溫度控制，達到了很好的控制效果。

2 控制系統的硬件實現

控制系統硬件電路的組成由同步過零檢測電路、溫度信號檢測及可控硅觸發電路、時鐘芯片等組成，結構框圖如圖1所示，以單片機機為核心，數據采集由鉑電阻經補償放大后送至A/D轉換，調功部分由過零觸發電路及可控硅完成。

圖1 系統結構框圖

3 溫度傳感器的設計

本系統采用PT100熱電阻為測溫器件，PT100熱電阻是一種廣泛應用的測溫元件，在-50℃~600℃范圍內具有其他任何溫度傳感器無可比擬的優勢，包括高精度、穩定性好、抗干擾能力強等。由于鉑熱電阻的電阻值與溫度成非線性關系，所以本模塊需要進行非線性校正，一般的模塊采用模擬電路校正，這種校正的精度不高，而且溫漂等受干擾的程度也比較大。

熱電阻溫度傳感器是利用導體或半導體的電阻率隨著溫度值變化而變化的原理制成的，實現了將溫度變化轉化為元件電阻的變化。它主要用于對溫度和溫度有關參數檢測與控制。鉑熱電阻具有測溫范圍大、穩定性好、示值復現性高和耐氧化等特點，常被用來作為國際標準溫度計。鉑電阻的非線性特征按照國際電工委員會的鉑熱電阻技術標準，鉑電阻Pt100在0℃~650℃范圍內，符合TTS-90的國際分度表函數R(t)可用式(1)表示

式中 分別是t℃和0℃時的鉑電阻阻值， 。很顯然，上述表達式中，鉑電阻阻值R0與溫度t之間的關系為非線性的。

4 功率輸出電路及其控制原理分析

4.1 功率輸出電路

加熱絲輸出功率大小的調節，可以使用移相調壓電路，也可以采用占空比開關電路進行控制。在采用移相調壓電路時，即將計算得到的控制量經D/A變換，控制可控硅的移相觸發電路，實現輸出電壓的無級調節。由于電壓輸出波形的不完整，含有高次諧波分量，對電網有一定的干擾。

采用占空比開關電路控制，即考慮可控硅控制電壓和被控的交流電壓之間以及電熱絲產生的熱量和所加的電壓之間的非線性，通過調節周期時間內的通電時間來調節輸出功率的大小，可以避免D/A轉換和信號放大造成的不必要的誤差，也可以通過可控硅的過零觸發電路避免對電網的諧波干擾。在本系統中采用占空比開關電路控制，功率輸出電路設計如圖3所示。

圖3 功率輸出電路

MOC3041是一種過零觸發光電偶合芯片，用來實現BTA12雙向可控硅的過零觸發。R11的作用是限制流過MOC3041的輸出端的電流不超過其允許的最大重復浪涌電流。

4.2控制原理分析

本系統采用晶閘管過零觸發調功方式，為能精確控制晶閘管的導通時間，利用同步變壓器和電壓比較器LM311組成正弦交流電的正半波過零檢測電路，它在交流電每一個正半周的起始零點處產生上升沿，并在正半周回零處產生一個下降沿，通過可重復觸發集成單穩態觸發器MC14528，單穩態輸出的兩路窄脈沖再疊加，就得到100Hz的過零脈沖，脈沖寬度可由MC14528的外接電阻和外接電容調節。這一串矩形脈沖序列輸至控制器 C8051F020的中斷口，在方波的上跳沿或下跳沿時刻產生IRQ中斷，用于觸發可控硅進行同步移相，從而通過計算脈沖的個數控制晶閘管通斷的周期時間。過零檢測電路如圖4所示。