偏光显微镜热台温度控制系统的研制_邹自明

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

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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

[1], . [M].北京:中国

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

北京:清华大学出版社, 2001.

[3]刘光斌, 刘冬, 姚志成. 单片机系统实用抗干扰技术

[M].北京:人民邮电出版社, 2003.

[4]刘金琨. 先进P I D 控制及其MAT LAB 仿真[M].北京:

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

电子工业出版社, 2003.

[5]何克忠, 李伟. 计算机控制系统[M].北京:清华大学

　无误差率=(无误差时间/恒温时间) ×100%

出版社, 1998.

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