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引 言

隨著現場總線技術的發展，傳統的模擬儀表逐步讓步于智能化數字儀表，并具備數字化通信功能。

依據現場總線智能儀表技術的發展，設計了基于現場總線的氧化鋯智能氧量分析儀，其溫度控制系統采用了專家PID控制原理，提高了加熱速度與準確性。

1 總線智能氧量分析儀結構

基于CAN總線的智能氧量分析儀以單片機C8051F040為中央控制器，系統擴展的外圍電路及接口電路數量少，系統的可靠性及穩定性較高，系統功能擴展及軟硬件升級比較方便。系統的硬件結構見圖1。外圍硬件電路主要包括六部分：系統校正、數據采集、溫度控制、日歷時鐘、帶觸摸屏的液晶顯示、CAN總線接口。

圖1 系統硬件結構

帶觸摸屏的液晶顯示器提供了一個強有力的人機接口，有關信號、可調參數都能在上面顯示和修改。本系統采用穩壓電源，具有電源電壓的適用范圍大、抗干擾能力強等優點。主機是一種以單片機為基礎的智能儀表，所有的運算、處理和控制都由軟件完成。氧電勢、溫度信號的輸人轉換和電流輸出的轉換采用模塊化元件。這些元件具有可靠性高、精度高的特點。由于使用的元件集成度較高，使整機結構簡單，可靠性提高，使用、維護和維修方便。氧電勢和溫度信號經各自的處理模塊轉換成0～5V信號，并由多路開關和A／I）轉換成數字量，單片機根據“能斯特”公式計算出氧量。系統設有PID溫度調節功能，并通過固態繼電器控制加熱爐。系統還設有組態開關，能使儀表工作在不同的方式下。

2 溫度控制系統的硬件設計

Cygnal公司的51系列單片機C8051F040是集成在一塊芯片上的混合信號系統級單片機，在一個芯片內，集成了構成一個單片機數據采集或控制的智能節點所需要的模擬和數字外設及其他功能部件，代表了目前8位單片機控制系統的發展方向。芯片上有1個12位和1個8位多通道ADC，2個12位DAC，2個電壓比較器，1個電壓基準，1個32kB的FLASH存儲器，與MCS-51指令集完全兼容的高速CIP一51內核，峰值速度可達25MIPS，并且還有硬件實現的UART串行接口和完全支持CAN2．0A和CAN2．0B的CAN控制器。

C8051F040的18，19腳分別為AIN0．0和AIN0．1引腳，由于C8051F040片內具有ADC模塊，因此溫度信號可直接經外圍濾波、放大電路后輸入AIN0．0和AIN0．1引腳，AMUX的工作模式選擇單端輸入模式。選用熱電偶作為溫度傳感器，其電壓經信號放大后，送人C8051F040的A／D端，轉換后與給定溫度值比較，按PID調節算法和脈寬調功法，計算出該時刻的值，經光電隔離和功率放大后，通過控制大功率交流固態繼電器（過零型）的通斷時間來控制加熱的功率，達到溫度控制的目的。冷端測溫元件采用集成溫度傳感器AD590，所測溫度由AD590溫度傳感器檢測，經電壓放大后直接送至單片機C8051F040的AIN0．1輸入口。

3 溫度控制系統的軟件設計

3.1 溫度控制過程分析

加熱通斷的最小周期為10ms，加熱最短脈沖長度為10ms，PID控制輸出為加熱脈沖數。誤差越大，加熱脈沖數值就越大；誤差小，加熱脈沖數就小。為使PID的輸出有一定的可調節范圍，采樣周期，太小會使得控制量的范圍很窄；但也不能過大，否則會降低控制精度。綜合各方面的考慮及實驗測試，采樣周期定為2s，這樣，PID輸出的最大脈沖量（在一個控制周期內）為200。

系統的加熱過程分為三部分：第一，升溫起始階段或溫差大時，采取全功率加熱，使加熱元件快速升溫；第二，溫度變化劇烈時，采取關斷輸出，讓溫度在慣性作用下向下一階段過渡。因為電熱元件滯后嚴重，當溫度上升過快時，會導致下一階段控制失效或嚴重超調；第三，溫度偏差和溫度變化在一定范圍內時，根據專家智能在線調整PID參數，達到快速精確控制。

3.2 專家PID控制器的原理

溫度控制系統具有非線性、強耦合、時變、時滯等特性，采用常規PID控制難以兼顧高精度與快速性的雙重要求。本文提出專家式智能與PID相結合的復合控制方法，將專家經驗和PID控制定量調節特性充分運用于控制過程中。該總線智能氧量分析儀要求系統控溫范圍為680～760℃，穩定后溫度波動不超過1℃。為了實現快速精確的溫度控制，根據被控對象的特性建立專家系統PID控制方式，如圖2所示。

圖2 專家智能PID復合控制器的原理框圖

本專家控制器的推理結構采用數據驅動的正向推理策略。產生式規則采用IFe（n）ANDe（n）TNout（n）形式。專家系統的關鍵是專家知識的建立、確定。知識獲取，有些來自工藝人員的長期總結，有些借助于控制領域的知識和分析。

把專家系統和PID控制器結合，利用專家系統知識庫輸出修正PID參數，改變PID控制方式以達到最佳PID控制效果。根據對象特性及設計要求，設計了99條控制規則，并預先將規則下的調整方法及調整參數存儲于控制器中。專家控制規則根據當前偏差e（n）及其變化率△e（n）的大小，決定控制方式和是否需修改比例系數K P、積分增益KI和微分增益KD。控制過程中，控制器不需按系統辨識結果或某一目標函數整定PID參數，而是按當前狀態對基本PID參數進行調整即：

K_j＝a^T_jK^O_j，J=P，I，D

式中KP，KI和KD分別為基本比例、改進積分和微分增益； a^T_P，a^T_I和a^T_D分別為當前調整狀態下的比例、積分和微分項修正系數。

3.3 軟件流程

系統軟件采用C51語言，在Silicon Laboratories集成開發環境下進行編譯連接。

該儀表的溫度量程為0～1000℃，溫度控制為700℃±1℃，溫控定值為680～760℃，并且連續可調，當溫度大于800℃時，啟動斷偶保護功能。數據的采集用多次測量求平均值的方法來避免測量誤差。

4 結 論

本文設計的基于現場總線智能氧化鋯氧量分析儀具有自動化水平高、結構簡單等優點。對于電站鍋爐及煤焦爐等熱力設備生產效率的提高具有顯著的作用。試驗表明該溫度控制系統具有測量范圍寬、使用溫度高、運行可靠、測量及時準確等優點，同時克服了以往儀表不穩定、易損壞等缺點。該方法加以適當修改，也可應用于其它溫度控制系統中。