电加热炉计算机控制系统的研究

侯晓音

摘 要：本文就是在没有用数学方法建立精确的模型和参数的情况下，建立以电加热炉为研究对象，针对电加热炉的特点，设计了用计算机控制系统来控制加热炉，将其应用于电加热炉温度控制系统的智能控制系统，满足了温度控制稳定性的要求，并且在PC机上用高级语言实现了其控制算法。与传统的控制算法相比，智能控制算法具有计算量小、控制器结构简单、静动态性能指标好的特点，有较高的实用价值和理论价值。

关键词：电加热炉；计算机控制系统；智能控制系统

电加热炉是典型的工业过程控制对象，在我国应用广泛。电加热炉的温度控制具有升温单向性，大惯性，大滞后，时变性等特点。其升温、保温是依靠电阻丝加热，降温则是依靠环境自然冷却。当其温度一旦超调就无法用控制手段使其降温，因而很难用数学方法建立精确的模型和确定参数，应用传统的控制理论和方法难以达到理想的控制效果。

一、整体设计

本加热炉计算机控制系统主要是由热偶测量电路、冷端补偿电路组成的信号输入电路和由CD4051、ICL7135等组成的控制电路构成。首先输入电路对温度信号进行采集放大，然后将该信号送往多路复用器/分配器CD4051，在单片机的控制下对热偶测量电路信号进行选择，并经A/D转换器进行转换成数字信号。热偶测量电路主要是由OPA2335放大电路和制冷端电路组成，采用制冷端电路主要是考虑外界环境温度对信号采集的影响。在控制电路中，考虑到单片机W77E58与ICL

7135在信号频率上有很大差距，所以要加上74HC161分频器进行分频。为了方便人及时快速地了解加热炉的工作情况控制电路部分还要有与外界的接口，接口电路由MAX232组成，这样通过外设来达到人工控制。

图1 加热炉计算机控制系统结构图

二、硬件设计

（一）热偶测量电路部分。热偶测量电路部分主要负责对温度信号的采集、放大。加热炉工作后，采集到的信号经过热偶电路放大、隔断后送到控制部分电路，热偶电路主要是采用了OPA2335，它是一个非常精确的电子器件，他的最低补偿电压最大为5μv，并且温度随着时间漂移几乎为零。

信号采集到以后，经过放大处理送到控制电路部分。

OPA2335使用起来十分简单需要使用的其它原器件很少，方便使用。

图2 针脚配置

（二）控制电路部分。该部分由CD4051、ICL7135、W77E58、74HC161、MAX232等器件组成。CD4051主要是接收输入电路发送来的信号并进行1至8路模拟信号的选择与切换，

CD4051的开关漏电流为0.8nA，接通电阻为27Ω，它在单片机

W77E58的控制下来决定对那个炉进行选择的，CD4051有A、

B、C三个端口，产生八组控制信号具体如下：

CPU产生控制信号以决定那组信号进行选择后，CD4051把经过放大的热偶测量信号输入到A/D转换器中，这里A/D转换器采用ICL7135，它具有转换速度快、转换精度高、抗干扰性好等特点。ICL7135在双极性情况下，时钟最高频率为125KHZ，为了使ICL7135处在最好的工作状态，要调整好基准电压，另外要用精密的积分电阻，即Rint=满量程/20μA。

ICL7135的原理图和引脚如图3。

此外，ICL7135能够正常的工作，还需要CPU的控制，这里用的是W77E58，来产生控制CD4051的信号，同时，它还要协调A/D转换器的工作，但是它和ICL7135在时钟频率上相差很大，故此在二者之间加上74HC161分频器进行分频，74HC161有1/2、1/4、1/8、1/16分频，根据本系统设计要求，使用1/4分频就可以满足要求。

图3 ICL7135引脚图

图4 ICL7135的典型应用

（三）其它器件。（1）看门狗X25045。看门狗X25045有三种功能，看门狗定时、电压监视、E2PROM组合在单个封装之内。看门狗X25045是在系统出现故障时使系统准确复位。它需要2.7V到5.5V电压来供电，具有片内偶然性写保护功能和高的可靠性。它的引脚图如图5。

图5 X25045的引脚图和引脚

（2）MAX232。MAX232是一个双组驱动器/接收器，片内含有一个电容性电压发生器，以便在单5伏供电时提供EIA/TIA-232-E电平，MAX232工作温度范围为0℃到70℃。引脚排列图如图6。

图6 MAX232引脚图

MAX232的应用于电源供电系统、终端、调制解调、计算机等。

（四）接口部分。接口部分采用了MAX232作为与其它外设的接口，它符合甚至优于ANSI标准，有两个接收器、两个驱动器，可方便快捷与外设相连完成工作。

三、算法介绍

加热炉的控制算法有很多，例如自适应控制、随机最优控制、预测控制、解耦控制和变结构控制等。这类控制方法由于数学工具深奥，算法复杂，人们难以理解和接受，因而这些先进控制算法的推广受到制约。本章介绍的两种算法PID智能控制算法和单神经元自适PSD智能控制算法，由于算法简单、控制效果好，因而受到了人们广泛的关注，受到工程上应用广泛且结构简单的常规PID控制器的启发，利用具有自学习和自适应能力的单神经元来构成单神经元自适应智能控制器。

四、结论

设计所做的电加热炉计算机控制系统采用了先进的电子器件来设计电子电路部分，如在功率控制电路采用光电耦和固态继电器来控制加热炉的炉温，用热电偶来对温度信号进行测量。在控制算法上有使用了当前比较流行的PID智能控制算法，取得了很好的效果，实验表明，电加热炉计算机控制系统能对加热炉的温度做到了时时控制，另外，由于使用了冷端补偿电路有效的消除了外界环境温度的影响，极大地提高了炉温的控制精度。由于使用了智能控制算法，在加上外围计算机来控制加热炉是本次设计的创新点，这些无论是理论上还是在实践上都有很大的意义。

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