摘要: 根据油质分析脱气要求,采用由单片机ADμ812组成的智能型油质分析脱气恒温振荡仪,并给出系统的工作原理、硬件结构及软件流程。在硬件方面,重点介绍了信号调理接口电路;在软件方面,简单叙述了模糊控制PID参数整定的思想及程序框图,最后讨论了系统软硬件抗干扰设计。
1 引 言
在很多场合,化学试样分析前需要加热、摇晃均匀。一般(特别是油中pH值和酸值的测量)情况下采用电炉加热和人工摇动的办法,这样既不易对加热温度进行控制,而且实验人员因长时间的摇动而劳累,工作效率低。因此,我们以分析变压器油试样为对象设计了一种能自动加热、自动控温、定时振荡、工作过程完成后能自动报警提示,且同时能完成多个油样分析(或其它化学试剂)的恒温振荡仪。它可广泛用于油田、电力、化工等场合的分析实验中。
由于不同的油样是在不同的温度下进行分析的,而且要求温度较稳定,因此该仪器的主要功能是保持温度稳定,要求精度为±0. 2℃。当实际温度达到设定值后,摇摆电机开始振荡,同时显示设定和实时温度,振荡结束后提示报警,且保持恒温,直到所有油样分析结束。
2 控制系统硬件设计
2.1 系统总体组成框图
根据上述功能要求,本系统采用了以ADμ812单片机为核心,外围电路包括温度检测及信号调理电路、温度/时间设定电路、显示电路、固态继电器驱动电路、报警提示电路,数据保存电路等,其具体组成框图如图1所示。
ADμ812主要特点:芯片内集成了高性能的自校准多通道12位ADC,两个12位DAC电压输出,可编程的8位(与8051兼容)的MCU, 8KB的闪速/电擦除(Flash/EE)程序存储器, 640字节的闪速/电擦除数据存储器,以及256字节数据SRAM。另外,MCU包括看门狗定时器、电源监视器、ADC DMA功能、3个16位定时器/计数器为多处理器接口和I/O扩展提供了32条可编程的I/O线、I2C兼容的SPI和标准的UART串行口I/O等[1]。
加热功率的调整采用以全波为最小调节量且分布均匀的波序控制法完成。通过改变系统在单位时间内的导通比实现温度的控制。
2.2 信号检测与调理电路
温度传感器采用铂电阻。根据本仪器的测温范围(0~100℃),拟定采用桥式测量电路来完成,经集成仪表放大器AD620放大和由高稳定性运算放大器OPA117组成的电压跟随器后再给MCU的A/D转换输入端。其中AD620的放大增益G = (1+49.4 kΩ/Rg),改变Rg的大小即可改变G的大小[2]。其电路图如图2所示。
3 系统的软件设计
3.1 控制算法设计思想
模糊PID控制算法自整定控制原理(Fuzzy2PID):模糊控制器是一种智能型控制器,其优点是不要求掌握受控对象的数学模型,而根据人工控制规则组织控制决策表,然后由该表决定控量的大小。具体地说,它是基于模糊条件语句描述的语言控制规则,根据模糊推理和模糊判决,查询模糊控制表,解模糊得到精确的控制量。模糊控制一般采用偏差e和偏差变化率Δe量化组成的二维模糊控制器[3]。其组成结构原理如图3所示。
Fuzzy自整定PID参数控制器是一种在常规PID控制器的基础上应用Fuzzy集合理论建立参数KP、KI、KD同偏差绝对值e和偏差变化绝对值Δe间的二元连续函数关系:KP=f1(| e |, |Δe |);KI=f2(|e |, |Δe |);KD=f3(|e |, |Δe |)。根据不同的|e|, |Δe|在线自整定参数KP、KI、KD的Fuzzy控制器。
考虑到模糊控制实现的简易性和快速性,通常将偏差和偏差变化率为输入语句变量。根据输入信号(即偏差)的大小方向及变化趋势等特征,通过模糊推理做出相应的决策,在线自整定参数KP、KI、KD,以获得满意的控制效果。
3.2 软件流程图
本系统的软件设计是按模块化设计进行,主要包括显示子程序、加热控制子程序、模糊控制算法子程序、温度信号的采集、数字滤波、标度变换子程序、键盘扫描子程序、数据保护子程序等功能模块组成。由于篇幅的关系,在此就不一一介绍,仅介绍主程序框图和模糊控制算法子程序框图(如图4所示)。
4 系统调试与抗干扰设计
本系统测量与控制精度要求较高,而被控对象的模型又难以确定,采用在线自整定参数KP、KI、KD的Fuzzy控制器是较合适的。但在实际调试过程中也相当麻烦,特别是表格的确定和参数的选择上需要摸索一定量的数据,同时还需考虑实际对象来合理选择,否则难以达到预期的控制效果。一般情况下,当温差较大时采用全功率加热,当温差达到一定范围时开始采用查表的办法确定KP、KI、KD,再计算u(k)并确定调功量的办法来实现系统调节,使其较稳定逼近设定参数。
本系统的工作环境存在着风扇电机和振荡电机,它们对系统的抗干扰有较大的影响,为了使系统可靠工作,系统设计从两方面进行了考虑。在电路的设计上着重考虑了以下几点:①信号调理电路中的第一级放大采用单片集成精密测量放大器AD620,以提高前级抗共模干扰的能力;②在输出通道的驱动电路中采用了过零型固态继电器来隔离控制电路与负载,以减小负载对控制电路的干扰。软件方面:①为了使“乱飞”程序在程序区迅速纳入正轨,尽量多采用单字节指令,并在关键的地方插入一些NOP指令或将有效的单字节指令重写;②采用软件陷阱技术处理出错程序;③“看门狗”技术来处理“死循环”程序;④采用数字滤波技术处理采样数据[4]。
5 结束语
该恒温振荡仪已经生产数十台,经过两年多的实际应用,运行状态良好,各项技术指标均达到了设计要求,彻底解决了人工作业带来的问题。同时也为类似产品的设计提供了一个例证。
[参考文献]
[1] 刘书明,冯小平.数据采集系统芯片ADμ812原理与应用[M].西安:西安电子科技大学出版社, 2000.
[2] 杨振江,孙占江,王曙梅,等.智能仪器与数据采集系统中的新器件及应用[M].西安:西安电子科技大学出版社, 2001.
[3] 杨 智,陈新军.一种PID自整定温度控制器及实现[J].化 工自动化及仪表, 2000, (1).
[4] 王幸之,王 雷,翟 成,等.单片机应用系统抗干扰技术[M].北京:北京航空航天大学出版, 2000.
