1. 溫控系統(tǒng)現(xiàn)狀
    隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展,要求儀表具備較強(qiáng)的遠(yuǎn)距離通信的功能，智能儀表逐漸向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化方向發(fā)展。在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)作業(yè)中，溫度控制是各種工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的重要因素。尤其是在鋼鐵、食品、化工、冶煉等行業(yè)的生產(chǎn)過(guò)程中，更加需要嚴(yán)密的溫度控制系統(tǒng)。而且在這樣的系統(tǒng)中通常是需要監(jiān)測(cè)和控制多個(gè)溫度參數(shù)并且需要將數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸?shù)娇刂平K端。
    在多功能單項(xiàng)表校驗(yàn)儀扼制系統(tǒng)預(yù)設(shè)，通常有以下的不足和缺陷:系統(tǒng)**度不夠，只能檢測(cè)單個(gè)溫度參數(shù);溫度控制儀表中檢測(cè)使用電壓較低，不能直接應(yīng)用于控制的對(duì)象系統(tǒng)。
    基于以上的考慮，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)的過(guò)程中增加了相應(yīng)的功能，以便提高系統(tǒng)對(duì)整體效率和性能。系統(tǒng)采用AT89S52為核心控制器，利用A\D轉(zhuǎn)換器和模糊智能算法實(shí)現(xiàn)四路溫度監(jiān)測(cè)和控制功能，并能通過(guò)遠(yuǎn)程通信傳輸?shù)娇刂平K端。
    2. 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)主要組成模塊:AT89S52單片機(jī)、CPLD,信號(hào)輸入、信號(hào)輸出以及串口通信。
    單片機(jī)電路:采集鍵盤(pán)的輸入信號(hào)、串行端口的傳輸信號(hào)、液品屏幕的顯示信號(hào)、過(guò)零檢測(cè)信號(hào)處理。
    CPLD模塊:產(chǎn)生PWM控制信號(hào)，利用PWM輸出的控制信號(hào)來(lái)控制加熱器件的工作狀態(tài)。
    功率控制電路模塊:采用可控硅輸出光禍的耦合形式，利用關(guān)斷與導(dǎo)通的時(shí)間比值作為參數(shù)調(diào)節(jié)器件的功率。芯片采用MOC3081，是零觸發(fā)雙向叫控硅模式芯片。這種設(shè)計(jì)方式叫以減少后續(xù)功能器件對(duì)前端器件模塊穩(wěn)定性的影響。
    智能模糊算法:設(shè)定溫度值，將監(jiān)測(cè)到的溫度數(shù)值與之比較，進(jìn)而得到控制量參數(shù)數(shù)值。通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)儀表內(nèi)的單片機(jī)編制PID算法，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)量的輸出。輸出的數(shù)據(jù)量在CPLD內(nèi)產(chǎn)生定時(shí)器數(shù)據(jù)，利用占空比方波，控制叫控硅導(dǎo)通與否，進(jìn)而控制發(fā)熱器件。在這個(gè)過(guò)程中，采用了四路定時(shí)器方式，叫以控制四路通道，實(shí)現(xiàn)多通道檢測(cè)的目的。
    3. 層狀結(jié)構(gòu)
    隨著多功能單項(xiàng)表校驗(yàn)儀扼制系統(tǒng)預(yù)設(shè)，在信號(hào)采集過(guò)程中，要求不僅能采集所需的工作過(guò)程測(cè)量的信息，同時(shí)也要采集設(shè)備自身的管理信息、錯(cuò)誤診斷信息等附加信息。這就要求在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮各種信息采集的要求，綜合各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，合理利用資源，設(shè)計(jì)出完善的功能系統(tǒng)。
    主要包括設(shè)備層和控制層。
    設(shè)備層:通過(guò)分析實(shí)際設(shè)備的工作特性和控制參數(shù)要求確定控制模式，將分析的控制過(guò)程和設(shè)備特性的詳細(xì)信息建立實(shí)際模型，根據(jù)設(shè)計(jì)的模型模塊要求設(shè)計(jì)系統(tǒng)需求方案，將方案保存，以合理配置智能儀器儀表。
    現(xiàn)場(chǎng)控制層:主要包括單片機(jī)控制器、CPLD,串口通信模塊、傳感器模塊、溫控調(diào)節(jié)執(zhí)行器等功能模塊。通過(guò)合理選擇配置相應(yīng)功能模塊的芯片，連接被控器件和上位機(jī)。向上連接優(yōu)化控制層的PC，發(fā)送控制數(shù)據(jù)信息;向下連接被控器件，如加熱其間模塊，控制其進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)。
    對(duì)于采集到的各節(jié)點(diǎn)設(shè)備狀態(tài)、信號(hào)參數(shù)采用數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理和傳輸，一方面提高其**度，減少干擾;另一方面可以在條總線(xiàn)上傳輸多路數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)多功能控制，降低控制成本。選用合適的芯片降低外圍電路的復(fù)雜度，簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，減少信號(hào)噪聲干擾。
    按照設(shè)計(jì)流程，分別考慮溫控過(guò)程和中的各項(xiàng)叫能影響因素，采用分層設(shè)計(jì)的方法，采用AT89S52, MOC3081和MAX7000系列芯片，利用PWM脈沖方式實(shí)現(xiàn)溫度檢測(cè)和調(diào)節(jié)控制。實(shí)現(xiàn)傳感器和主控機(jī)的連接，能夠較穩(wěn)定地控制溫度平衡，提高了系統(tǒng)反應(yīng)速度和穩(wěn)定性。
    4.   PID功能模塊
    在多功能單項(xiàng)表校驗(yàn)儀扼制系統(tǒng)預(yù)設(shè)，雖然普通PID系統(tǒng)具有調(diào)節(jié)穩(wěn)定、**性能好，但由于其響應(yīng)緩慢,響應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)和響應(yīng)滯后的原因可能會(huì)出現(xiàn)調(diào)節(jié)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)甚至調(diào)節(jié)過(guò)量的情況，這樣的情況不僅不能達(dá)到生產(chǎn)要求的穩(wěn)定溫度環(huán)境，甚至還會(huì)破壞的原本穩(wěn)定的溫度狀態(tài)，進(jìn)而對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程造成影響。
   對(duì)于這樣的問(wèn)題的存在，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)采用如下解決方案，即將溫度控制分為兩個(gè)過(guò)程，分別是溫度不穩(wěn)定范圍變化較大的狀態(tài)、溫度穩(wěn)定變化范圍較小的狀態(tài)。在溫度變化較大時(shí)采用模糊控制的方式進(jìn)行控制;在溫度變化穩(wěn)定時(shí)采用PID控制。實(shí)際測(cè)量結(jié)果表明，通過(guò)將PID模塊控制和智能模糊控制結(jié)介的形式達(dá)到了很好的溫度監(jiān)測(cè)和控制效果，使溫度波動(dòng)限制在1%以?xún)?nèi)。
    系統(tǒng)采用L.A.Zadh的智能模糊算法，采用雙輸入-單輸出的模型，輸入分別為溫度偏差和溫度偏差變化率，輸出為控制叫控硅的參數(shù)直接控制叫控硅。具體的做法是:通過(guò)設(shè)定控制系統(tǒng)的兩個(gè)參數(shù):輸入溫度偏差和溫度偏差變化率，依據(jù)這兩個(gè)參數(shù)求出其隸屬度;按照控制規(guī)則狀態(tài)計(jì)算出相對(duì)應(yīng)的加熱元器件控制規(guī)則，確定溫度偏差和溫度偏差變化率的*低范圍;通過(guò)輸出控制量的模糊變量求出控制量的模糊控制集;在此基礎(chǔ)上，通過(guò)重心法則，進(jìn)行模糊判決，得出控制量;按照得到的控制量表格來(lái)做出控制規(guī)則表。整個(gè)過(guò)程就是通過(guò)模糊算法來(lái)實(shí)現(xiàn)控制溫度元件工作的過(guò)程。
    在整個(gè)過(guò)程中，模糊控制法發(fā)揮著重要的作用，不僅叫以加快響應(yīng)速度，而且對(duì)系統(tǒng)對(duì)超調(diào)具有相當(dāng)程度的抑制作用。
    5 . CPLD功能
   由于多功能單項(xiàng)表校驗(yàn)儀扼制系統(tǒng)預(yù)設(shè)，需要的響應(yīng)速度較快，為了避免單片機(jī)工作負(fù)荷過(guò)大的情況，在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，使用了單片機(jī)和CPLD聯(lián)合工作的方式，采用MAX7000系列的核心控制芯片。該芯片集成有D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，相比較而言集成度高，封閉性好。與外置外圍電路相比較，具有抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。
    PWM波形的產(chǎn)生采用計(jì)數(shù)器法實(shí)現(xiàn)。
    高頻時(shí)鐘信號(hào)CLK經(jīng)脈沖序列發(fā)生器產(chǎn)生2nd個(gè)互差半個(gè)周期且頻率均為2nd .fpwm的脈沖信號(hào)，這樣可以使得PWM在一個(gè)輸出周期內(nèi)有2nd.2nc （即2n）個(gè)塊，通過(guò)nc位計(jì)數(shù)器利用Q 2nd-1得到cnt [nc-I:o]。進(jìn)行cnt與nc 的比較，若相等輸出高電平，若不相等輸出低電平，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)位信號(hào)Rcsct的控制;與此同時(shí)，cnt與地端(nc個(gè)低電平)進(jìn)行比較，若相等產(chǎn)生高電平，如不相等不相等則產(chǎn)生低電平 ,實(shí)現(xiàn)對(duì)置位信號(hào)Set的控制。
    通過(guò)這樣的控制方式，一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi):在起始時(shí)刻，觸發(fā)器RS置位，PWM信號(hào)輸出為‘1'，在高位部分nc信號(hào)與計(jì)數(shù)器輸出端輸出。nt信號(hào)相等時(shí)，系統(tǒng)由根據(jù)nd設(shè)定的十進(jìn)制選擇的脈沖信號(hào)出現(xiàn)高電平時(shí)，觸發(fā)器復(fù)位，PWM輸出電平由高轉(zhuǎn)為低，即‘1’變?yōu)?lsquo;0'，這樣就完成了脈沖序列的脈寬調(diào)制。整個(gè)過(guò)程中，只需要對(duì)參數(shù)nd進(jìn)行更改，便可以產(chǎn)生出適合具體系統(tǒng)需要的脈沖信號(hào)寬度。
    6. 應(yīng)用程序
     在實(shí)際的系統(tǒng)工作過(guò)程中，對(duì)溫度信號(hào)進(jìn)行采集和分析*終的目的是調(diào)節(jié)控制對(duì)象的功率。調(diào)節(jié)方式叫以采用兩種:對(duì)電壓進(jìn)行調(diào)節(jié);對(duì)功率進(jìn)行調(diào)節(jié)。
    而功率的調(diào)劑是依靠調(diào)節(jié)控制對(duì)象的交流電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)。故而在溫度調(diào)節(jié)就是對(duì)控制對(duì)象的交流電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。交流調(diào)壓是指頻率不變，對(duì)交流電壓幅值做變換。相對(duì)于交流調(diào)功的方式而言，負(fù)載的交流電壓有效值平穩(wěn)，對(duì)溫度穩(wěn)定比較有利。交流電頻率基本為5OHz，在進(jìn)行交流調(diào)壓的過(guò)程中，需要利用交流過(guò)零信號(hào)，正弦波的交流電在一個(gè)周期內(nèi)有兩個(gè)過(guò)零時(shí)刻，過(guò)零脈沖信號(hào)的頻率為100Hz,周期為lOms。
    基于以上數(shù)字，在進(jìn)行控制對(duì)象上的交流電壓幅值的過(guò)程中，需要在過(guò)零脈沖信號(hào)的周期內(nèi)，即在相應(yīng)的1Oms內(nèi)控制可控硅的通斷占空比。這個(gè)一部分通過(guò)單片機(jī)的計(jì)數(shù)器來(lái)實(shí)現(xiàn)，對(duì)單片機(jī)計(jì)數(shù)器賦初值，一旦有交流過(guò)零信號(hào)被檢測(cè)到時(shí)，計(jì)數(shù)器開(kāi)始工作，當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)滿(mǎn)溢出時(shí)產(chǎn)生的溢出中斷將叫控硅接通。通過(guò)這樣的方式便叫以在不改變交流電頻率的情況下實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)叫控硅的占空比來(lái)調(diào)節(jié)電壓，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)溫度。而占空比的調(diào)節(jié)僅僅依靠設(shè)定單片機(jī)的計(jì)數(shù)器初始值就叫以實(shí)現(xiàn) 。
    7.    結(jié) 語(yǔ)
    在綜介使用PID和智能模糊算法的基礎(chǔ)上，采用單片機(jī)和CPLD協(xié)同工作的模式，依據(jù)實(shí)際工程需要，設(shè)計(jì)了總線(xiàn)溫度控制系統(tǒng)，系統(tǒng)經(jīng)過(guò)實(shí)際應(yīng)用，性能穩(wěn)定，可靠性較高。