CN102573162B - 适应时变负载的多磁控管微波功率智能控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适应时变负载的多磁控管微波功率智能控制的方法，属于微波加热领域。实现该智能控制的方法是采用加热反应腔体，可编程单片机，微波功率检测装置，n个继电器、n个定向耦合器、n个同轴波导转换器，n个磁控管构成的多磁控管微波功率智能控制系统。根据控制系统中微波加热目标各个阶段中对微波吸收和反射情况的信息，通过微波功率检测装置的反馈信号；由单片机控制n个磁控管开关状态，从而自动调节多磁控管微波源的输出功率，使其协同工作，达到延长微波源寿命、提高其微波加热效率及节能环保目的。

Description

适应时变负载的多磁控管微波功率智能控制方法

技术领域

本发明涉及一种多磁控管微波源功率控制方法，特别涉及一种适应时变负载的多磁控管微波功率的智能控制方法，属于微波加热领域。

背景技术

相比传统的电、油加热方式，微波加热具有效率高，加热快，加热均匀等优点。但是在微波加热过程中，随着加热的进行，被加热目标的温度变化会引起其介电常数和电导率等参数发生变化，这些参数的变化可以等效为微波源负载的变化。另一方面，一些加热目标自身会由于化学反应等过程，产生介电常数等特性的变化，介电常数特性的变化同样可以等效为微波源负载的变化。微波源负载的时域变化会导致微波反射产生变化，反射的微波会被磁控管吸收转换为热量，从而降低微波源的效率，严重时会烧毁微波源。

磁控管是一种高效低成本的微波源，在工业加热得到广泛应用。相比使用单个高功率磁控管而言，经研究，使用多个600W至1000W中小功率的磁控管比使用单个高功率磁控管更能获得较高应用功率而更加降低成本。已有的中国专利，专利号：200410021986.7的多磁控管微波化学反应器，利用多磁控管提高微波功率。在应用多磁控管微波源的系统中，磁控管之间的耦合也会随着目标特性的变化而发生变化。加热目标等效负载随时间变化，引起阻抗不匹配和磁控管之间耦合的变化，通过耦合进入磁控管的功率也会被磁控管吸收并转化为热量，增大了能量消耗，降低了加热效率。

因此，如何合理地调节多个磁控管的输出功率，实现多磁控管微波源输出功率的智能控制，成为目前多磁控管微波源应用的一个关键问题。

已有的中国专利，专利号：200610020305.4多磁控管微波化学反应器主动功率控制方法，该方法将化学反应的控制参数写成单片机程序，在反应体系的不同阶段，主动改变多个磁控管的工作状态。但是对于复杂化学反应过程，或者具有非线性回应的微波加热目标，控制参数的提取非常困难和复杂。随着微波加热的应用越来越广泛，需要微波源通过信息采集，如微波反射和微波耦合信息的采集，自适应地对微波加热目标进行多磁控管的智能控制，达到节能环保的目的，这也正是本发明的任务所在。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述微波加热中所存在的缺陷和不足，而提出一种适应时变负载的多磁控管微波功率智能控制的新方法。该智能控制新方法是根据微波加热目标各阶段中对微波吸收和反射情况信息的反馈，通过可编程单片机进行智能控制，然后自动调节多磁控管微波源的输出功率，使其协同工作，达到延长微波源寿命、提高其微波加热效率及节能环保的目的。

为实现上述目的，本发明采用以下措施构成的技术方案来实现的：

本发明适应时变负载的多磁控管微波功率智能控制方法，其特征在于包括以下实现步骤：

(1)采用加热反应腔体，可编程单片机，微波功率检测装置，n个继电器、n个定向耦合器、n个同轴波导转换器，n个磁控管构成的多磁控管微波功率智能控制系统；

(2)根据所述控制系统中微波加热目标各阶段对微波吸收和反射情况的信息，通过微波功率检测装置的反馈信号，由单片机控制n个磁控管的开关状态，达到自动调节多磁控管微波输出功率的目的；

(3)所述控制系统通过n个定向耦合器，获得微波加热目标对微波的吸收和反射情况的信息，由微波功率检测装置转换为数字信号，单片机再根据微波功率检测装置反馈的数字信号，计算当n个磁控管中选取任意k个磁控管状态为“开”，其余所有磁控管状态为“关”时，所述所有磁控管的微波总反射功率和微波总输入功率之比值，将此比值存储；其中k取n，n-1，n-2，......1；

(4)最后比较上述存储的比值，选取所有磁控管的微波总反射功率和微波总输入功率之比值最小时的n个磁控管的开关状态，并执行此时n个磁控管的开关状态，自动协调控制磁控管微波源的输出功率；

上述技术方案中，所述多磁控管微波功率智能控制系统包括单片机，n个继电器，n个磁控管，n个同轴波导转换器，n个定向耦合器，微波功率检测装置，加热反应腔体；所述单片机，n个继电器，n个磁控管，n个同轴波导转换器，n个定向耦合器，微波功率检测装置通过固定装置安装在加热反应腔体外，所述n个继电器分别与n个磁控管连接，n个磁控管分别与n个同轴波导转换器连接，n个同轴波导转换器分别与n个定向耦合器输入端连接，n个定向耦合器的耦合端与微波功率检测装置连接，n个定向耦合器输出端连接到加热反应腔体，单片机连接n个继电器和微波功率检测装置。

上述技术方案中，所述磁控管微波源工作流程是：

单片机内部定时器初始时，n个磁控管工作状态为“开”，当工作时间到达预定控制时间T后，单片机依次按照选取n个磁控管中k个磁控管，使k个磁控管工作状态为“开”，其他n-k个磁控管工作状态为“关”的组合来控制n个磁控管开关，k取值为n，n-1，n-2，......1；此时单片机每次根据微波功率检测装置的反馈信号，计算并存储上述各种组合的所有磁控管的微波总反射功率和微波总输入功率之比值，选取所有磁控管的微波总反射功率和微波总输入功率之比值最小时的n个磁控管的开关状态，并执行此时n个磁控管的开关状态，当n个磁控管工作时间再一次到达预定控制时间T后，则再进行一次上述智能控制，直到完成微波加热目的。

上述技术方案中，所述可编程单片机程序为：

(i)单片机内部定时器初始时，关闭外部中断，单片机的相应n个端口输出高电平，n个继电器全部闭合，n个磁控管全部工作；

(ii)单片机内部定时器设定微波加热时间为10秒至10分钟，如果系统达到所设定加热时间，单片机则执行一次智能控制；具体步骤如下：

①首先，单片机根据微波功率检测装置反馈信号，计算并存储n个磁控管全部工作时，所有磁控管的微波总反射功率和微波总输入功率之比值；

②然后，将单片机的相应n个端口取1个端口输出低电平，关闭其相应的一个磁控管，其余磁控管打开，此时单片机根据微波功率检测装置反馈信号，计算并存储所有磁控管的微波总反射功率和微波总输入功率之比值，对n个端口中取1个端口输出低电平的所有组合，依次进行以上计算并存储；

③接着，单片机从相应n个端口中取2个端口输出低电平，关闭其相应2个磁控管，其余磁控管打开，此时单片机根据微波功率检测装置反馈信号，计算并存储所有磁控管的微波总反射功率和微波总输入功率之比值，对n个端口中取2个端口输出低电平的所有组合，依次进行以上计算并存储；

④接着，单片机从相应n个端口中取3个端口输出低电平，关闭其相应3个磁控管，其余磁控管打开，此时单片机根据微波功率检测装置反馈信号，计算并存储所有磁控管的微波总反射功率和微波总输入功率之比值，对n个端口中取3个端口输出低电平的所有组合，依次进行以上计算并存储；

⑤依照②、③步和④步，单片机从n个端口中取m个端口，采取与②、③步和④步同样的操作方式，其m取值为4，5，......n-2，n-1，n＞m；

⑥最后，单片机对采集的数据进行选取处理，采取所有磁控管的微波总反射功率和微波总输入功率之比值为最小的端口开关组合，控制其相应的磁控管开或关，保持该工作状态直到下一次重复智能控制。

本发明一种适应时变负载的多磁控管微波功率智能控制方法，其特点及有益技术效果是：采用加热反应腔体，可编程单片机，微波功率检测装置，n个继电器、n个定向耦合器、n个同轴波导转换器，n个磁控管构成的多磁控管微波功率智能控制系统。根据控制系统中微波加热目标各个阶段中对微波吸收和反射情况的信息，通过微波功率检测装置的反馈信号；由单片机控制n个磁控管开关状态，选取所有磁控管的微波总反射功率和微波总输入功率之比值最小时的n个磁控管的开关状态，并执行此时n个磁控管的开关状态，从而减少了微波加热时能量的损失，提高了微波加热效率，并达到节能环保的效果；而且可以避免加热目标在吸收微波情况变化时，导致反射波对磁控管的损害。

附图说明

图1是本发明实现适应时变负载的多磁控管微波功率智能控制方法的控制系统的方框示意图；

图2是本发明实施例中可编程单片机控制电路工作流程图；

图3是本发明实施例中4个磁控管微波功率智能控制电路原理图。

图中，1为89C52单片机，2为继电器，3为磁控管，4为同轴波导转换器，5为定向耦合器，6为加热反应腔体，7为微波功率检测装置。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施例对本发明进行具体的描述，但该具体描述只是对本发明的内容作进一步的说明，而不应理解为是对本发明保护范围的任何限定。

如图1所示，实现适应时变负载的多磁控管微波功率智能控制方法的控制系统中，包括单片机1，n个继电器2，n个磁控管3，n个同轴波导转换器4，n个定向耦合器5，加热反应腔体6，微波功率检测装置7，；所述单片机1，n个继电器2，n个磁控管3，n个同轴波导转换器4，n个定向耦合器5，微波功率检测装置7通过固定装置安装在加热反应腔体6外，所述n个继电器2与n个磁控管3连接，n个磁控管3与n个同轴波导转换器4连接，n个同轴波导转换器4与n个定向耦合器5的输入端连接，n个定向耦合器5的输出端连接到加热反应腔体6，n个定向耦合器5的耦合端与微波检测装置7连接，微波功率检测装置7与89C52可编程单片机1连接。

所述控制系统工作时，通过n个定向耦合器4获得微波加热目标对微波的吸收和反射情况的信息，由微波功率检测装置7转换为数字信号，单片机1根据微波功率检测装置7的反馈信号，计算当n个磁控管3中选取任意k个磁控管状态为“开”，其余所有磁控管状态为“关”时，所有磁控管的微波总反射功率和微波总输入功率之比值，并将比值存储；其中k取n，n-1，n-2，......1，k≤n；最后比较上述存储的比值，选取所有磁控管的微波总反射功率和微波总输入功率之比值最小时的n个磁控管的开关状态，并执行该工作状态；即可达到自动调节多磁控管的微波源输出功率。

实施例

如图2所示，以4个磁控管微波源为例，在具有4个磁控管的微波功率智能控制系统中，具体可编程单片机程序流程按以下步骤实现：

1、单片机内部定时器初始时，关闭外部中断，单片机1的p1.0，p1.2，p1.4，p1.6的4个端口输出高电平，4个继电器2全部闭合，4个磁控管3全部工作，工作加热时间为3分钟；

2、判断单片机内部定时器3分钟是否达到，达到3分钟执行下一步；

3、4个磁控管全部关闭时，单片机根据p2.0，p2.2，p2.4，p2.6的4个端口反馈信号，计算并存储控制系统中对应磁控管工作时，所有磁控管的微波总反射功率和微波总输入功率之比值；

4、4个磁控管中取1个磁控管关闭，其余磁控管打开，单片机根据p2.0，p2.2，p2.4，p2.6的4个端口反馈信号，计算并存储所有磁控管的微波总反射功率和微波总输入功率之比值；对4个磁控管中取1个磁控管关闭的所有组合，依次进行以上计算并存储；

5、4个磁控管中取2个磁控管关闭，其余磁控管打开，单片机根据p2.0，p2.2，p2.4，p2.6的4个端口反馈信号，计算并存储所有磁控管的微波总反射功率和微波总输入功率之比值；对4个磁控管中取2个磁控管关闭的所有组合，依次进行以上计算并存储；

6、4个磁控管中取3个磁控管关闭，其余磁控管打开，单片机根据p2.0，p2.2，p2.4，p2.6的4个端口反馈信号，计算并存储所有磁控管的微波总反射功率和微波总输入功率之比值；对4个磁控管中取3个磁控管关闭的所有组合，依次进行以上计算并存储；

7、比较上述依次组合关闭磁控管情况的所有存储的比值，找出所有磁控管的微波总反射功率和微波总输入功率之比值的最小时4个磁控管的开关状态，并执行4个磁控管该开关状态，保持加热3分钟；

8、保持加热3分钟后，再继续下一次智能控制，直到完成加热目的

如图3所示，4个磁控管微波功率智能控制电路原理图中4个继电器与4个磁控管分别连接，4个磁控管与4个同轴波导转换器分别连接，4个同轴波导转换器分别与4个定向耦合器的输入端连接，4个定向耦合器的输出端连接到加热反应腔体，4个定向耦合器的耦合端与微波检测装置连接，微波功率检测装置与89C52可编程单片机连接；本电路是以单片机为控制芯片，单片机为89C52，6MHz晶振Y1与电容C4和C5构成振荡电路，供单片机产生6MHz的时钟信号，电容C6，电阻R2和R3构成复位电路，当按钮开关SW2闭合时，单片机9脚为高电平，触发单片机重新启动系统。

Claims (4)

1.一种适应时变负载的多磁控管微波功率智能控制方法，其特征在于包括以下实现步骤：

（1）采用加热反应腔体，可编程单片机，微波功率检测装置，n个继电器、n个定向耦合器、n个同轴波导转换器，n个磁控管构成的多磁控管微波功率智能控制系统；

（2）根据所述多磁控管微波功率智能控制系统中微波加热目标各阶段对微波吸收和反射情况的信息，通过微波功率检测装置的反馈信号，由可编程单片机控制n个磁控管的开关状态； 

（3）所述多磁控管微波功率智能控制系统通过n个定向耦合器，获得微波加热目标对微波的吸收和反射情况的信息，由微波功率检测装置转换为数字信号，可编程单片机再根据微波功率检测装置反馈的数字信号，计算当n个磁控管中选取任意k个磁控管状态为“开”，其余所有磁控管状态为“关”时，所述所有磁控管的微波总反射功率和微波总输入功率之比值，将此比值存储；其中k取n，n-1，n-2，……，1；

（4）最后比较上述存储的比值，选取所有磁控管的微波总反射功率和微波总输入功率之比值最小时的n个磁控管的开关状态，并执行此时n个磁控管的开关状态，自动协调控制磁控管微波源的输出功率。

2.根据权利要求1所述的多磁控管微波功率智能控制方法，其特征在于所述多磁控管微波功率智能控制系统包括可编程单片机（1），n个继电器（2），n个磁控管（3），n个同轴波导转换器（4），n个定向耦合器（5），加热反应腔体（6），微波功率检测装置（7）；所述可编程单片机（1），n个继电器（2），n个磁控管（3），n个同轴波导转换器（4），n个定向耦合器（5），微波功率检测装置（7）通过固定装置安装在加热反应腔体（6）外，所述n个继电器分别与n个磁控管连接，n个磁控管分别与n个同轴波导转换器连接，n个同轴波导转换器分别与n个定向耦合器输入端连接，n个定向耦合器的耦合端与微波功率检测装置（7）连接，n个定向耦合器输出端连接到加热反应腔体，可编程单片机连接n个继电器和微波功率检测装置。

3.根据权利要求1或2所述的多磁控管微波功率智能控制方法，其特征在于所述磁控管微波源工作流程是：

可编程单片机内部定时器初始时，n个磁控管（3）工作状态为“开”，当工作时间到达预定控制时间T后，可编程单片机（1）依次按照选取n个磁控管中k个磁控管，使k个磁控管工作状态为“开”，其他n-k个磁控管工作状态为“关”的组合来控制n 个磁控管开关，k取值为n，n-1，n-2，……，1；此时可编程单片机每次根据微波功率检测装置的反馈信号，计算并存储上述各种组合的所有磁控管的微波总反射功率和微波总输入功率之比值，选取所有磁控管的微波总反射功率和微波总输入功率之比值最小时的n个磁控管的开关状态，并执行此时n个磁控管的开关状态，当n个磁控管工作时间再一次到达预定控制时间T后，则再进行一次上述智能控制，直到完成微波加热目的。

4.根据权利要求1或2所述的多磁控管微波功率智能控制方法，其特征在于所述可编程单片机工作流程为：

（ⅰ）可编程单片机（1）内部定时器初始时，关闭外部中断，可编程单片机（1）的相应n个端口输出高电平，n个继电器（2）全部闭合，n个磁控管（3）全部工作；

（ⅱ）可编程单片机内部定时器设定微波加热时间为10秒至10分钟，如果系统达到所设定加热时间，可编程单片机则执行一次智能控制；具体步骤如下：

①首先，可编程单片机根据微波功率检测装置（7）反馈信号，计算并存储n个磁控管全部工作时，所有磁控管的微波总反射功率和微波总输入功率之比值；

②然后，将可编程单片机的相应n个端口取1个端口输出低电平，关闭其相应的一个磁控管，其余磁控管打开，此时可编程单片机根据微波功率检测装置（7）反馈信号，计算并存储所有磁控管的微波总反射功率和微波总输入功率之比值，对n个端口中取1个端口输出低电平的所有组合，依次进行以上计算并存储；

③接着，可编程单片机从相应n个端口中取2个端口输出低电平，关闭其相应2个磁控管（3），其余磁控管打开，此时可编程单片机根据微波功率检测装置（7）反馈信号，计算并存储所有磁控管的微波总反射功率和微波总输入功率之比值，对n个端口中取2个端口输出低电平的所有组合，依次进行以上计算并存储；

④接着，可编程单片机从相应n个端口中取3个端口输出低电平，关闭其相应3个磁控管（3），其余磁控管打开，此时可编程单片机根据微波功率检测装置（7）反馈信号，计算并存储所有磁控管的微波总反射功率和微波总输入功率之比值，对n个端口中取3个端口输出低电平的所有组合，依次进行以上计算并存储；

⑤依照②、③步和④步，可编程单片机从n个端口中取m个端口，采取与②、③步和④步同样的操作方式，其m取值为4，5，……，n-2，n-1，n>m；

⑥最后，可编程单片机对采集的数据进行选取处理，采取所有磁控管的微波总反射功率和微波总输入功率之比值为最小的端口开关组合，控制其相应的磁控管开或关，保持该工作状态直到下一次重复智能控制。 

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