基于大林算法与组态技术的电阻温度炉控制系统的设计

胡开明，钱敏，王怀平

（东华理工大学 信息与电子工程学院，抚州 344000）

0 引言

电阻炉是工业中应用最多的加热设备，广泛应用于化验室样品熔样，冶金冶炼，热处理中工件的分段加热和冷却等。而电阻炉是一个具有较大纯滞后和时间常数的温度对象，过去通常采用位式控制或连续PID控制，一般控制质量不高，如超调量大、稳定时间长等[2]。为提高电阻炉温度的控制质量，本文以单片机为核心，采用大林控制算法与组态技术，较好地解决了PID控制系统中存在的不足，提高了系统的温度控制精度，同时用组态技术实现了实时监控。

1 系统结构

该电阻炉系统以AT89C51单片机为核心，采用大林控制算法和组态技术实现了炉温理想控制与在线监控。

该系统由单片机系统、控制算法、温度检测、键盘输入、温度显示、加热丝功率控制以及通讯监控等部分组成，系统结构如图1所示。系统采用晶闸管作为功率放大器件,对电阻炉提供可控制功率输入。温度经过热电偶检测、放大、I/V变换、A/D转换后送入单片机。在单片机内部,主机将采样值与给定值比较后进行控制算法计算得到控制量，再经D/A转换器变成输出脉冲触发信号，通过过零触发电路驱动双向可控硅，单片机通过改变控制脉冲宽度，即改变了可控硅在一个固定控制周期内的导通时间，这样电阻炉的温度就随着电阻炉的平均输入功率改变而变化，也就达到了控温目的。同时将过零同步信号接到单片机外部中断输入端 上，在中断服务程序中进行触发控制和控制周期计数。另外利用串口通讯实现系统的组态监控。

图1 系统硬件原理框图

2 控制算法设计

2.1 系统数学模型

本系统中把晶闸管、电阻炉、温度变送器统一地作为被控对象。电阻炉系统是个自衡系统，可以近似为一带有纯滞后的一阶惯性环节。传递函数可为

其中, T1为电阻炉的惯性时间常数;τ为其纯延迟时间,为了简化,设其为采样周期的整数倍,即τ=NT，T为采样周期，N为正整数[5]。该炉温控制系统的数学模型如图2所示，晶闸管一旦触发导通即可保持到电网电压过零，相当于内含零阶保持器。

图2 系统模型结构图

2.2 大林控制算法

大林算法是由美国IBM公司的大林(Dahllin)于1968年针对工业生产过程中含纯滞后的控制对象的控制算法。该算法的设计目标是设计一个合适的数字控制器,使整个系统的闭环传递函数为带有原纯滞后时间的一阶惯性环节。电阻炉温控制系统对加热的波动量即超调量要求较高，而对调节时间要求不高，很适合大林算法进行控制[5]。

大林算法设计的目的是使整个闭环系统所期望的传递函数ϕ(s)相当与一个延迟环节与惯性环节的串联，即闭环脉冲传递函数

式中U(k)为数字控制器的输出；E(k)为输入的偏差信号。[6]

3 系统软件设计

系统软件部分包括主程序、采样定时中断程序、数字滤波、串口通讯及大林算法运算等。

主程序完成硬件初始化、变量初始化等任务，然后循环检测热电偶检测的温度值，若发现温度超限，则断开控制输出、屏蔽采用定时中断，发出报警信号，并等待温度降至安全值后重启。

采样中断服务程序完成对温度的采样、控制算法、输出触发控制晶闸管导通角。采用定时器中断，产生控制周期，控制周期一到，程序则转入控制模块，调A/D转换模块及热电偶线性化模块得到炉温的反馈信号，根据给定值和控制算法得到控制量，经输出口输出脉冲控制过零触发器。

系统采用惯性滤波法，以消除噪声干扰。

控制器是控制系统的核心，用它完成大林控制算法程序，实现了炉温的有效控制。大林算法流程图如图3所示。[1]

图3 大林控制算法流程图

4 系统组态

设计中采样北京昆仑通态自动化软件科技公司开发的MCGS工业组态监控软件。它融过程控制设备、现场操作及资源管理与一体，具有强大的图形组态功能，能够实现人机交换控制界面和网络控制功能。通过运行程序命令语言实现大林控制算法设计从而达到电阻炉的温度控制；完成了上位机功能，实现了实时温度监控的主控界面；创建组态窗口，实现了实时数据与历史数据的报表；以及温度实时曲线和报警时间记录等[4]。

5 系统仿真分析

图4 系统仿真图形

该系统数学模型的参数用单位阶跃响应曲线法求取，为了方便运算取整可得设给定的温度为 1000C，采用大林控制算法其simulink仿真图形如图4a所示。选用PI控制器对该系统进行控制，并整定其参数，得到仿真图形如图4b所示。从图形中可以看出对于大滞后系统采用大林算法能使系统稳态无静差，超调为零，调节时间也很小，控制效果很好。而采用普通PID控制虽然超调量仅为10%，但调节时间很长，不利于控制。

6 结束语

对于含大滞后环节的电阻炉温度控制系统，普通PID控制难以达到较理想的控制效果，而采用大林算法进行控制效果明显提高。同时将组态技术运用其中，有利于较好的实现系统监控功能，该技术在现实中具有较高的应用价值。

[1] 赵德元.电阻炉温度的大林控制算法[J].成都大学学报,2006,23(2):25-29.

[2] 蔡春桥,等.电阻炉温度控制系统的设计与实现[J].科学技术与工程,2007,7(10):2379-2382.

[3] 陈岭贵.单片机温度控制系统在电阻炉中的应用[J].煤炭技术,2005,24(6):33-34.

[4] 祝琴,等.基于组态王6.03的台车式电阻炉温度控制系统[J].加热设备,2004,33(3);52-53.

[5] 李元春.计算机控制系统[M].高等教育出版社,2005.

[6] 于海生.计算机控制技术[M].机械工业出版社,2008.