第25卷 第1期 桂林工学院学报 Vol . 25No . 12005年1月 JOURNAL OF G U I L I N UN I V ERSI TY OF TECHNOLOGY Jan 12005
文章编号:1006-544X (2005) 01-0119-04
偏光显微镜热台温度控制系统的研制
邹自明, 陆绮荣
(桂林工学院电子与计算机系, 广西桂林
541004)
摘 要:针对现有热台存在着人工控温劳动强度高、控温精度低等问题, AT89C51的自动温度控制系统. , 温度补偿、变速积分P I D . , 该系统具有较高的测控精度和稳定性, 关键词:; :文献标识码:A
某型偏光显微镜热台可用于抛光磨片、烧结金属、矿物和耐火工业品等材料的结构构造和相变的显微研究, 可将材料在受控加热和冷却的条件下进行观察. 因该型设备是20世纪90年代从德国进口的, 虽然性能较优越, 但热台温度主要靠人工现场手动调节变压器进行控制, 不但增加了操作人员的劳动强度, 而且温度控制精度不高, 限制了该设备的使用范围. 为此研制了一个温控系统以实现自动温度控制, 在200℃以上时控制精度在±2℃左右, 并具有温升率可调、在线修改参数、数据显示、自动报警等功能.
值比较后, 将误差e 送P I D 控制器, 经运算后得到调整量N . 此调整量控制SCR 调功器在一个控制周期内导通的半波数, 即控制了输出功率, 从而控制热台的温度(图2)
.
1系统结构及原理
系统以AT89C51作为核心控件, 通过键盘/显
图1 系统结构
Fig 11 Frame of
system
示可编程控制芯片8279、A /D转换芯片7135、看门狗、掉电保护电路MAX705及外部扩展2k 字节
RAM (6116) 等外围元件构成应用系统(图1) .
工作原理:系统工作在闭环状态, 炉温T 经信号转换电路获得模拟电压, 经A /D转换及数字滤波得到与T 相应的数字信号, 再经标度变换、线性化自校正后得到相应的温度值. 一路送显示器显示, 另一路从单片机P0口输入, 与设定温度
图2 控制原理图
Fig 12 Contr ol theory
收稿日期:2004-08-24
基金项目:广西区科技厅资助项目(桂科攻0428002-1)
作者简介:邹自明(1966-) , 男, 工程师, 研究方向:仪器自动化. E -mail:zouzi m ing1@1631com
120桂 林 工 学 院 学 报 2005年
2 系统所采用的技术措施
(1) 选用双积分型A /D芯片7135进行A /D转
(2) SCR 调功电路设计[3]
(图4) . 图中
89C51外部中断口的2个计数器T 0和T 1分别对电
源电压的零点数进行计数. T 0以计算1500个电压期的时间间隔. T 1根据P I D 控制器运算后得到的调整量确定导通半波的时间间隔, 并结合电压零点将控制脉冲平均分配到整个控制周期中去, 以尽可能保持加热均匀.
换. 该型A /D具有转换精度高、抗周期干扰能力强、零点数(本系统采样周期为15s ) 来确定采样周价格低廉等优点. 其分辨率为01006%, 为提高系统测控精度提供了必要条件.
(2) 由于热电偶信号和温度之间呈非线性关
系, 因此在标度变换时须进行线性化自校正. 本系统采用非等距分段线性插值法校正, 即根据函数曲线形状变化率的大小来修正插值点间的距离. 该方法占用存储空间较少
, 处理后的最大误差在系统设计所允许的范围内.
(3) 为滤除随机干扰成分, RC 数字低通滤波25Hz, 以有效滤
除包括50Hz 的噪声.
(4) 采用硬、软件多种抗干扰措施, 使得程序在
发生紊乱时, 能够恢复程序的功能, 确保程序正常运行. 软件方面采用指令冗余、软件陷阱及软件看门狗等技术, 可以使“跑飞”的程序恢复正常. 硬件方面采用系统监控器MAX705, 实现系统复位、看门狗定时输出、电源电压监测等多种功能.
图4 SCR 调功电路
Fig 14 Circuit of adjusting power
断偶保护信号和从P110口输出的控制脉冲信号控制触发可控硅导通. 光电耦合器MOC3041除了具有隔离作用, 还具有过零检测功能, 使晶闸管能够在电源接近零点时触发.
3主要硬件电路设计
(1) 信号转换电路设计[1, 2]
(图3) . AD590
4系统软件设计
系统软件采用模块化结构设计, 主要包括初
作为K 型热电偶冷端补偿元件, 反相放大器A 2用于消除冷端补偿产生的误差. R 2、C 1组成RC 一阶滤波电路滤除高频干扰, 电压跟随器A 1起阻抗匹配作用, 放大器A 3将小信号放大120倍, 使0～1010℃的温度对应电压输出为0～5V.
电路采用低温漂的精密电阻及高精度运放
OP07, C 1为漏电小的聚丙乙烯电容, 以提高电路
始化、数据采集及数字滤波、显示、P I D 控制运算、定时中断、故障诊断报警等(图5) .
为增强系统适应能力, 改善调节品质, 实现较高的控制精度和稳定性, 本系统选用变速积分
P I D 算法.
P I D 控制运算及参数自整定程序为软件
的核心.
411
放大精度和稳定性.
变速积分P I D 算法普通P I D 算法的输出增量为
ΔU n =k p [(e n -e n -1) +(T /T i ) e n +T d /T (e n -2e n -1
+e n -2) ].
(1)
式中:e n , e n -1, e n -2分别为第n, n -1, n -2次目标温度与测量温度的偏差值; k p —比例系数; T i —积分时间; T d —微分时间; T —采样周期.
图3 信号转换电路
Fig 13 Signal conversion circuit
积分环节主要用于消除静差, 提高系统的无差度. 系统对积分要求是:系统偏差大时, 积分作用减弱以致全无, 以免积分作用过大产生超调,
第25卷 第1期 邹自明等:偏光显微镜热台温度控制系统的研制121
412基于自寻最优的P I D 参数自整定
要整定(4) 式中k p , T i , T d 和T 4个参数的
工作量很大, 因此采用Robets P D 提出的简化临界比例度整定法
[5]
, 这种方法只需整定1个参数,
可用程序的方法进行在线参数自整定, 从而大大提高了参数整定效率. 根据Zigler -N ichle 条件, 令T =0. 1T k , T i =0. 5T k , T d =0. 125T k (T k 为临界比例振荡周期) , 将该条件代入(4) 式
ΔU n =k p [2. 25e n -3. 3e n -1+1. 25e n -2+ 0. 2e n f (e n ) -0. 2e n -1f (e n -1) ].
(5)
f (e n ) B 参数值决定, 这样
1p IT , 即性能指标为J =
t |e |d t, 当J 最小∫
t
∞
时, 即为最优.
假设在计算J 前后, 系统是稳定的, 则可得出离散化性能指标(推导过程省略) J
3
N
=T
2
∑ke , 由于
k
k =0
T 为采样周期, 是常数, 对于性能指标而言, 可以不
图5 系统流程图
Fig 15 Fl ow p rogram of s oft ware of contr ol system
计算, 因此采用性能指标为J
33
N
=
33
∑ke .
k
k =0
参数整定方法:每次计算J n 后与上次计算得
甚至出现积分饱和; 系统偏差较小时, 则应加强积分作用, 有利于消除静差. 因此, 采用如下变速积分算法
3
u in
n -1
3333
到的J n -1值比较, 根据J 的变化趋势对(5) 式中的
k p 经N 个采样周期调整1次, 根据本系统实际情况, N 取5, 具体调整方案为:
=k p (T /T i ) (
∑e
j =0
j
+e n f (e n ) ) . (2)
①J n ②J n ③J n
33
J n -1, 若k p n
3333
33
式中:
3u in
C; k p n >k p n -1, 则k p n =k p n -1﹢C.
33
为变速积分的输出值, f 是e n 的函数, 可
[4]
以是线性的或高阶的. 本系统采用如下关系式
1, |e n |≤B,
f (e n ) (A +B-|e n |) /A,B k p n >k p n -1, 则k p n =k p n -1-C.
33
(3)
式中C 是常数, 相对k p 较小, 本系统调整时取C =
0. 1k p , 以提高抗干扰能力. 若想进一步提高控制精
0, |e n |≥A +B.
f 值在[0, 1]区间内变化, 当偏差|e n |大于所
度, 在保证系统稳定的前提下, 可取C =0101k p . 限于篇幅, 其算法子程序省略.
给分离区间A +B后, f =0, 不再对当前值e n 进行累加; |e n |≤(A +B) 后, f 随偏差的减少而增大, 累加速度加快, 直至偏差小于B 后, 累加速度达到最大值1.
(2) 和(3) 式容易得出如下变速积分从(1) 、
5 结果与讨论
应用本系统对额定功率为450W 的热台进行实际温度控制实验(图6) , 原热台配备的调压器和测温仪(经计量单位校正, 测温精度为011℃) 分别作为图中变压器和基准测温仪, 保留热台中原有的热电偶, 并在其附近另安装相同规格的热电偶分别作为基准和控温热电偶, 在测控过程中将两者互换使用, 以消除因位置差异引起的误差.
P I D 算法输出增量表达式
ΔU n =k p [(e n -e n -1) +(T /T i ) (e n -1+e n f (e n )
-e n -1f (e n -1) ) +T d /T (e n -2e n -1+e n -2) ].
(4)
这种算法对A, B 两参数要求不高, 通过初步整定, 确定A, B 分别取3和1, 取得了较好的效果.
122桂 林 工 学 院 学 报 2005年
为了检验系统抗干扰能力, 在实验过程中, 电网
250V 之间变化, 以对系统施加扰动.
度发生漂移时基本上能够自动达到最优, 具有较
微机测控系统工作环境比较恶劣, 会遇到各种各样的干扰. 尽管本系统在抑制干扰方面发挥了较好作用, 但供电电压的波动会对本系统的精度和稳定性造成一定的影响, 需要在电源系统和
I/O通道等的抗干扰设计方面作进一步完善.
电压通过一个大功率变压器控制供电电压在175～好的自适应性, 完全达到设计要求.
运行试验表明, 该温控系统具有较好的测控效果(表1) , 不仅控温精度高、稳定性好,
当温
图6 实验原理图
Fig 16 Experi ment p rinci p le diagram
参考文献
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表1 运行结果
Table 1 Result of experi m ent t /恒温范围最大超调
, [, , , 等. 8051单片机实践与应用
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2. 2±1. 0±1. 0±1. 0
±2. 6±1. 4±1. 3±1. 2
率/%67788480
±3. 0±2. 5±1. 8±1. 6
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D esi gn of Te m pera ture Con trol System of M i croscope Hea ti n g
St age for H i gh 2Te m pera ture M i croscopy
Z OU Zi 2m ing, LU Q i 2r ong
(D epart m ent of E lectron ics and Co m puter Science, Guilin U niversity of Technology, Guilin 541004, China )
Abstract:To s olve the p r oble m of high labor intensity and l ow accuracy of te mperature contr ol in the app licati on of artificial te mperature contr ol in the existing heating stage, an aut omatic te mperature contr ol syste m based on AT89C51is designed . An executing method f or the syste m design, including te mperature measure ment, te m 2perature aut omatic compensate of the cold juncti on of the ther mocoup le, algorithm f or gearshift integral P I D con 2tr ol and para meter self 2setting are p r oposed . heating stage .
Key words:monolithic computer; te mperature contr ol; gearshift integral; para meter self 2tuning
It is p r oved fr om experi m ents and p ractical app licati on that the sys 2
te m possesses high tracking accuracy and stability and can satisfy the de mands f or the te mperature contr ol of