闸瓦热处理工艺控制系统
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[摘 要]针对合成闸瓦热处理过程中调整次数多且间隔时间长,各升温梯度所用时间难以控制等问题,兰州车辆修配段提出对TDL型恒温干燥箱进行自动化改造。本设计以单片机ADμC812为控制核心的温控系统硬件电路。实现了对热电偶冷端补偿、非线性的硬件校正和过零触发PWM脉宽调功控温。本设计还采用了改进Smith预估补偿―积分分离分段式抗饱和PID控制算法,较好的解决了热处理温度控制的难题。
[关键词]合成闸瓦热处理 改进Smith预估算法 ADμC812
[中图分类号]TP273[文献标识码]A[文章编号]1007-9416(2010)03-0030-02
1 热处理炉温控制方案
根据系统的要求以及控制方法的可实施性分析,系统的控制算法采用改进Smith预估补偿―积分分离分段式抗饱和PID控制算法。要实现Smith预估控制器,首先必须准确知道被控对象的精确模型。如果在设计控制系统时,一旦对象的参数在运行过程中发生变化,或者对象的传递函数本来就不精确,按原参数设计的预估器就不能完全补偿对象的纯滞后。事实上,对于大多数过程控制系统来说,其被控对象的精确传递函数是写不出来的,而对象的纯滞后时间则可通过实验方法获得。因此要对该控制系统作一些改进。
由图1可知,系统不需要被控对象的准确数学模型,因而不存在对象参数变化的影响,关键是对被控对象未来时刻其数值的准确预估。如果能做到这一点,就能实现系统的无模型控制。
对于一阶系统若输入信号为阶跃函数,则不带纯滞后的惯性环节其输出为指数曲线,即[1]:,将式写成离散形式的方程式:
将以上两个时刻的增量比值称为变化比,则:
物理意义是:下一个采样时刻的预估值等于当前时刻的实测值加上变化比乘以增量的积。
进一步计算:
由上式的计算结果可以看出,从时刻起步预估计算值与理论计算值是一样的。只要每个采样周期记录被测参数,,的值,并按下列公式分别计算参数变化的特征量:
上式即为针对惯性性质对象的预估计算公式。式中为大于等于1的正整数。从理论上说,按上式计算,可得出任意步的预估值。
2 炉温控制系统硬件总体设计方案
单片机控制的热处理炉温度控制系统原理如图2所示。控制系统包括:信号采集、模拟信号处理和功率输出控制接口等部分。
由于高温情况下系统的绝缘强度会下降,可能出现加热强电对热电偶的漏电现象。为了保证系统安全,在模拟信号处理电路中采用线性光耦进行隔离。
2.1 热电偶测温的冷端补偿
AD595是AD公司生产的一款热电偶放大器,它的内部具有冰点补偿电路,用来检测基准结点温度,并在内部相加点处增加一个合适的电压到热电偶回路之中。将得到的热电偶净电压被放大后以10mV/℃输出。
AD595实际输出为:
式中,为AD595的输出电压;
为热电偶的净电压。
采用AD595的输出电压值,通过下式计算热电偶的净电压[2]:
热电偶产生的电压值经过AD595和AD538的转换原理如图3所示。
2.2 控制电路设计
由于热处理车间环境较差,尤其在夏季,高温作业使得元器件不可避免的受到油污、灰尘的侵蚀,控制设备的可靠性大大降低。为提高控制系统的可靠性,保证产品质量,采用周
波过零触发器控制双向可控硅。根据实际需要选用TZC-2302[3]周波过零触发器。
实际的电路连接由周波控制器、双向可控硅、单片机和保护电路组成,原理图如图4所示。
3 算法软件调试
根据工程整定方法确定的PID控制参数还比较粗糙,还需要在现场进行调试时不断的修改,由于采用Smith改进预估补偿-积分分离分段式抗饱和PID控制算法,要不断的调节PID算法部分的分段区间以及在每一区间控制器的比例、积分、微分参数。参数调节可以根据参数调节的一般规律进行,最后确定各个参数值。
4 现场调试
4.1 经过在实验室对硬件和软件调试成功后,进行了现场调试。
调试总共分为两部分:
空箱加热温度控制试验干燥炉不放置合成闸瓦,空载对其进行控制,初步对PID参数进行整定,使其满足热处理的工艺要求。
4.2 合成闸瓦热处理温度控制试验
在干燥箱内放入一般热处理情况下闸瓦数量。在控制的过程中,随时可对参数进行调节。中途调试需停止时,记住所操作的阶段,进入设置菜单,设置起始步号。重新对某一阶段进行控制,使其满足工艺要求。
项目要求进入恒温区后,温度上下浮动在±2℃以内。在现场调试的基础上对理论值进行微调,最终确定的PID参数为:,,。
5 结语
本论文采用了一种新的控制方案:改进Smith预估补偿-积分分离分段式抗饱和PID控制算法,探索了对热处理温度这个具有时变、非线性、时滞特性对象的控制,并进行了现场调试,取得了良好的控制效果。
[参考文献]
[1] 席爱民.纯滞后过程的预估补偿控制[J].基础自动化,1997(5):42-45.
[2] 马静,苏三买.AD595温度-电压变换器的原理及应用[J].集成电路应用,2000.
[3] 航空航天部502所.可控硅线性控制输出板(STD 5239)使用说明书.
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