控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖及溫度控制系統(tǒng)設(shè)計

 

　　設(shè)計要求為:氣泵通過空氣壓縮機供氣，能夠通過設(shè)置氣泵每分鐘的動作頻率(默認為30n /m州來改變雙組份的流量;每個加熱器為1所示。

 

　　由6個11}W的加熱管并聯(lián)在一起組成的加熱箱，溫度能夠人為設(shè)定，并且能夠穩(wěn)定在設(shè)定值(默認為( 65士1) }C )，當(dāng)外界干擾使溫度超出此規(guī)定范圍時能夠迅速恢復(fù)，即具有快速響應(yīng)性。

 

　　控制系統(tǒng)的核心部件采用M SP430系列單片機，它是美國TI公司推出的一款超低功耗功能強大的16位單片機。本系統(tǒng)中采用M SP430F 135單片機，它具有16kB的程序存儲器，512B的數(shù)據(jù)存儲器，1個高性能的8通道12位A /D轉(zhuǎn)換器，1個溫度傳感器以及電池低壓時的檢測電路，2個帶有多個捕獲此較寄存器的定時器(帶多路IMM輸出)，1個可實現(xiàn)同步、異步及多址訪問的串行接口，1個模擬比較器，數(shù)個可實現(xiàn)方向設(shè)置及中斷功能的并行輸入、輸出端口等。利用芯片內(nèi)置的自動掃描功能，A /D轉(zhuǎn)換器可以不需要中央處理器的協(xié)助而獨立工作，并且將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)自動存入緩沖區(qū)，使中央處理器的工作負擔(dān)大為減輕。

 

　　2溫度控制系統(tǒng)設(shè)計

 

　　2. 1溫度控制原理

 

　　溫度的控制即為對加熱器兩端電壓的控制，一般對交流電壓的調(diào)節(jié)分為調(diào)壓和調(diào)功兩種。所謂交流調(diào)壓就是指在每半個周波內(nèi)通過對晶閘管開通相位的控制，可以方便地調(diào)節(jié)輸出電壓的有效值，這種調(diào)壓方式廣泛用于燈光控制和異步電動機的軟啟動，也用于異步電機調(diào)速，但這種方法的缺點是會對電網(wǎng)電壓造成諧波污染。交流調(diào)功和交流調(diào)壓的電路形式是完全相同的，只是控制方式不同。交流調(diào)功不是在每個交流電源周期都對輸出波形進行控制，而是將負載與交流電源接通幾個整周波，再斷開幾個整周波，通過改變接通周波數(shù)與斷開周波數(shù)的比值來調(diào)節(jié)負載所消耗的平均功率。這種電路常用于電爐的溫度控制，因為像電爐這樣的大慣性控制對象，其時間常數(shù)往往很大，沒有必要對交流電源的每個周期進行頻繁的控制，只要以周波數(shù)為單位進行控制就足夠了，而且這種調(diào)壓方式不對電網(wǎng)電壓造成通常意義的諧波污染f41。

 

　　鑒于以上的分析，在本系統(tǒng)中，筆者采用了第二種調(diào)壓方式即交流調(diào)功，其溫度控制原理如圖2所示。

 

　　2. 2溫度控制策略

 

　　PD控制在生產(chǎn)過程中是一種zui普遍采用的控制方法，在冶金、機械、化工等行業(yè)中獲得了廣泛的應(yīng)用!5' o  P D是一種線性控制器它根據(jù)給定值叮t)與實際輸出值c(t)構(gòu)成控制偏差e(t}-r(t)一c(t)，將偏差的比例(P)、積分(I)和微分(D)通過線性組合構(gòu)成控制量，對被控對象進行控制，其控制規(guī)律為:

 

　　在計算機控制系統(tǒng)中，使用的是數(shù)字P}控制器，數(shù)字P}控制算法通常分為位置式P}控制算法和增量式P}控制算法。本設(shè)計中采用的是位置式。由于計算機控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時刻的偏差值計算控制量，故需要將式(1)進行離散化處理。用一系列的采樣時刻點kT代表連續(xù)時間4以和式代替積分，以增量代替微分，則可作如下近似變換:

 

　　2. 3改進的單神經(jīng)元P}溫度控制器

 

　　本系統(tǒng)由于壓力大，組份流量快，故要求溫度動態(tài)性能好，穩(wěn)態(tài)精度高，而且壓力可調(diào)會造成系統(tǒng)存在參數(shù)時變和負載擾動等被控對象的非線性特性等不確定因素。因此理想的控制策略不僅要求能滿足上述動態(tài)和靜態(tài)性能，而且還應(yīng)該具有抑制各種非線性因素對系統(tǒng)的影響。使用傳統(tǒng)的控制算法P}是很難滿足上述要求的。近年來，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究引起了控制界的高度重視，單神經(jīng)元是zui基本的控制部件，它只有一個神經(jīng)元，結(jié)構(gòu)簡單，學(xué)習(xí)過程比較快，又具有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的信息綜合、學(xué)習(xí)記憶和自適應(yīng)能力，表現(xiàn)出良好的自適應(yīng)性和魯棒性，本設(shè)計采用單神經(jīng)元PD溫度調(diào)節(jié)器的設(shè)計方法!闊，單神經(jīng)元的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

 

　　傳統(tǒng)的單神經(jīng)元P}控制器的控制算法如下:

 

　　這種控制策略是采用增量式的方式，對于本系統(tǒng)要求有快速響應(yīng)，控制器選擇對式的比較合適。當(dāng)單神經(jīng)元控制器采用對式控制器方式，同增量式控制器結(jié)構(gòu)基本一樣，只是控制器的輸入和輸出有了變化。此時神經(jīng)元的輸入變?yōu)?

 

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　　M SP430是一款性價比很高的單片機，其豐富的片內(nèi)硬件資源使系統(tǒng)的外圍電路大大簡化，為系統(tǒng)設(shè)計帶來了極大的方便，其12位高精度AD轉(zhuǎn)換器保證了本設(shè)計中溫度的高質(zhì)量控制。實踐證明，基于M SP430的雙組份高壓聚氨醋發(fā)泡機具有控制準(zhǔn)確、操作簡單、故障率低等優(yōu)點，具有很好的應(yīng)用前景。