CN1128379A

CN1128379A - 煤胶质层测定温度调节装置的计算机控制程序

Info

Publication number: CN1128379A
Application number: CN 95113997
Authority: CN
Inventors: 姚邑柏
Original assignee: ANSHAN HEAT ENERGY INST METALLURGICAL INDUSTRY MINISTRY
Current assignee: ANSHAN HEAT ENERGY INST METALLURGICAL INDUSTRY MINISTRY
Priority date: 1995-12-18
Filing date: 1995-12-18
Publication date: 1996-08-07

Abstract

本发明涉及煤胶质层测定中温度调节的计算机控制程序。由温度传感器检测出来的讯号通过A/D转换和I/O接口输入计算机后计算出的煤样温度，然后通过PID计算得到控制量U_n，再经I/O接口及D/A转换电路变成0-10mA控制讯号输出，控制可控硅的导通角，以达到控制电炉功率及煤样温度始终跟随程序设定温度的目的。程序运行过程中，可显示出运行时间、温度设定值、煤样温度、环境温度、控制参数、控制输出、温度曲线等，使测定数据精确。

Description

煤胶质层测定温度调节装置的计算机控制程序

本发明涉及煤胶质层测定中温度调节的计算机控制程序。

目前，在煤胶质层测定中一般都采用由常规仪表组成的仪表型控温仪或由单片机组成的数显型控温仪来控制升温速率。前者易产生较大的电流冲击，并且当两个炉子同时做对比实验时，其温度常常出现差异；后者一般仅有数字显示，若要观察升温曲线，则需要另外配一个记录仪表。

本发明的目的是用计算机来自动控制煤胶质层测定中的升温速率。

本发明是一种计算机控制程序，对由计算机及接口电路、控制回路、电炉所构成的煤胶质层测定温度调节装置进行自动控制，对实验过程中的温度变化情况分别以数字方式和曲线方式加以显示，对实验数据可存储在磁盘上保存或用打印机打印出来，对存储在磁盘上的实验数据可分别以数据方式和曲线方式显示。

煤胶质层测定温度调节装置如图1所示，它由计算机及接口电路、控制回路、电炉等组成。电炉是测定煤样的加热装置，加热元件为硅碳棒；控制回路是控制加热电炉的仪表箱，由可控硅及触发电路组成，其中有手动及自动两种工作方式。手动方式是通过人工控制电炉的升温速率；自动方式是由温度传感器测量煤样的温度W，再通过计算机控制程序和计算机接口电路对控制回路中可控硅导通角的大小加以调节，从而改变升温速率：当W高于程序设定温度时，应减小可控硅导通角；反之，当W低于程序设定温度时则应增大可控硅导通角，以维持煤样温度W始终跟随程序设定值。

本发明中煤样温度W的升温规律是由计算机程序控制的，为了实现某一时刻对应于某一温度，采用了位置式比例、积分、微分控制算法，即位置式PID控制算法，其计算公式如下：

u_{n} = K e_{n} + K \frac{T}{T_{i}} Σ_{j = 1}^{n} e_{j} + K \frac{T_{d}}{T} (e_{n} - e_{n - 1}) + u_{o} - - - - (1)

其中：

u_n——第n次采样时的控制量

u_o——控制量的初始值

W_n——第n次采样时被控参数的实际值

G_n——第n次采样时的设定值

e_n——第n次采样时的控制偏差值(e_n＝G_n－W_n)

e_n－1——前一采样周期时的控制偏差值

K——比例系数

T_i——积分时间

T_d——微分时间

T——采样周期

由公式(1)中的积分项：

S_{n} = K \frac{T}{T_{i}} Σ_{j = 1}^{n} e_{j} - - - - (2)

可以看出，若改变积分时间T_i，则对积分项S_n影响较大，又由于积分项S_n占控制量u_n的主要成份，则将对控制量产生影响，将公式(2)作如下变换：

S_{n} = K \frac{T}{T_{i}} Σ_{j = 1}^{n - 1} e_{j} + K \frac{T}{T_{i}} e_{n} - - - - (3)

由公式(3)可见，由于

K \frac{T}{T_{i}} Σ_{j = 1}^{n - 1} e_{j} > > K \frac{T}{T_{i}} e_{n},

所以按公式(3)计算，在n时刻改变积分时间T_i，对积分项S_n的值几乎无影响，因而使控制量u_n不会产生异常的改变。

实际上，G_n是根据运行时间计算出的应达到的温度值，即设定值；W_n是由温度传感器检测出来的讯号通过A/D转换和I/O接口输入计算机后计算出的煤样温度，然后通过PID计算得到控制量u_n，再经I/0接口及D/A转换电路变成0-10mA控制讯号输出，控制可控硅的导通角，以达到控制电炉功率及煤样温度始终跟随程序设定温度的目的。

图2是煤胶质层测定温度控制的流程图。其中，e_max为偏差的上界值，s_n－1为上一次积分项的值，s_max为积分项的上界值。

程序启动后，首先进行初始化，置入所需的P、I、D等初始数值，然后进行温度检测得到W_n，再进行PID计算。先根据运行时间计算出设定温度G_n及偏差值e_n，再判断e_n是否超限，对e_n加以限制，以防止电炉中负载电流过大，然后进行积分项计算，判断S_n是否超限，对S_n加以限制，以防止积分值过大产生积分饱和效应。然后计算控制量u_n，再把u_n送D/A转换地址单元，变成0-10mA电流讯号，控制可控硅导通角，将温度检测数据暂存缓冲区，以便显示温度曲线及实验结束时存盘保留。然后为下一次计算作准备，使e_n－1＝e_n。把实验过程中的有关数据送屏幕显示，判断是否要修改P、I、D参数，是否到采样时间。采样时间到后再看是否到实验结束时间，如没到则继续重新开始温度检测和PID计算，周而复始地重新执行；若实验结束时间到，则使控制量置零，即u_n＝0，切断控制回路的输出，整个实验停止。这时可将数据缓冲区的数据结果以文件的方式存储在磁盘上，以备查看，也可以将数据用打印机打印出来。查看数据时，既能以数据方式查看，也能以曲线方式查看。整个程序运行过程中的显示图文结合，并有中文提示。

用计算机来自动控制煤胶质层测定中的升温速率，其好处在于：

(1)由于在计算机控制程序中对偏差值加以限制，可以克服仪表型控温仪易产生电流冲击过大的问题。

(2)由于在计算机控制程序中温度设定值是根据运行时间计算出来的数值，在两个电炉同时做实验时其设定值能保证完全一致，可减小对比实验的误差，而仪表型控温仪的设定值是由同步电机带动滑线电阻的滑臂来改变滑线电阻的分压比，两个电炉的设定值是由两个滑线电阻来完成的，欲使两个设定值完全一致，通常难以实现。

(3)实验结束时能自动切断控制回路，停止电炉加热。

(4)显示功能齐全。程序运行过程中，图文结合，并有中文提示，可显示出运行时间、温度设定值、煤样温度、环境温度、控制参数、控制输出、温度曲线等。

(5)实验结果以文件方式存盘，查找方便，有利于管理。

与本控制程序配套的硬件系统中，计算机可采用公知的PC-286以上的任何一种个人计算机，其显示器为VGA彩显或单显，接口电路为常规的A/D与D/A接口板，控制回路为常规的单相可控硅控制回路，电炉为煤胶质层测定实验专用的标准电炉。

实施例：

下面结合附图给出用计算机来自动控制煤胶质层测定中的升温速率的实施例。

图1为煤胶质层测定温度调节装置的方框图。

图2是煤胶质层测定温度控制程序流程图。

在图1所示温度调节装置中，由热电偶测量出煤样的温度讯号，此温度讯号送给计算机接口电路的模拟量输入通道，经计算机处理后，由模拟量输出通道输出0-10mA讯号到控制回路，调节可控硅的导通角以维持煤样温度为设定值。

该控制程序由BASIC语言编写。程序启动后，首先进行初始化，由随机文件调入PID控制参数及线性插值表，比例系数P＝1/K＝40，积分时间T_i＝960秒，微分时间T_d＝10秒，采样周期T＝2秒，初始设定值G₀等于初始煤样温度W₀，初始控制量u₀＝30，其中，PID控制参数可在程序运行过程中由操作员通过键盘进行修改。

煤样温度W的控制由计算机程序实现，采用位置式PID控制算法，其计算公式如下：

u_{n} = K e_{n} + K \frac{T}{T_{i}} Σ_{j = 1}^{n} e_{j} + K \frac{T_{d}}{T} (e_{n} - e_{n - 1}) + u_{o} - - - - (1)

其中：

u_n——第n次采样时的控制量

u_o——控制量的初始值

W_n——第n次采样时被控参数的实际值

G_n——第n次采样时的设定值

e_n——第n次采样时的控制偏差值(e_n＝G_n－W_n)

e_n－1——前一采样周期时的控制偏差值

K——比例系数

T_i——积分时间

T_d——微分时间

T——采样周期

首先进行温度检测得到W_n，然后根据运行时间计算出设定温度G_n：运行时间为0-30分钟时，所对应的设定温度为0-250℃，即每分钟8.33℃；运行时间为30-190分钟时，设定温度为250-730℃，即每分钟3℃。然后计算偏差值e_n，对e_n加以限制，当运行时间为0-30分钟时，偏差上界值e_max＝40；运行时间为30-190分钟时，e_max＝20，以限制电炉中负载电流，然后计算积分项S_n，判断S_n是否超限，对S_n加以限制，以防止积分值过大产生积分饱和效应，取S_n的上界值S_max＝130。然后计算控制量u_n，再把u_n送D/A转换地址单元，变成0-10mA电流讯号，控制可控硅导通角，将温度检测数据暂存缓冲区，以便显示温度曲线及实验结束时存盘保留。然后为下一次计算作准备，使e_n－1＝e_n。然后判断是否到采样时间，采样时间到再判断是否到实验结束时间，若没到结束时间则程序又返回到温度检测部分，程序周而复始地进行下去，直到实验结束时间到为止；若到实验结束时间，则使控制量u_n＝0，切断控制回路的输出，然后程序退出到操作菜单，此时可选则数据存盘及打印等功能。

本例所列参数为控制回路电源电压为单相220伏、加热电炉中硅碳棒阻值为5欧姆时所用，当硅碳棒阻值不同时，可适当调整PID控制参数来使升温速率符合要求。

Claims

1.一种由计算机、接口电路、打印机、控制回路、电炉所组成的以数字方式和曲线方式显示并可存储、打印的煤胶质层测定温度调节装置的计算机控制程序，其特征在于：煤样温度W的升温规律是由计算机程序控制的，为了实现某一时刻对应于某一温度，采用了位置式比例、积分、微分控制算法，即位置式PID控制算法，其计算公式如下：

U_{n} = K e_{n} + K \frac{T}{T_{i}} Σ_{j = 1}^{n} e_{j} + K \frac{T_{d}}{T} (e_{n} - e_{n - 1}) + U_{o} - - - - (1)

其中：

u_n——第n次采样时的控制量

u_o——控制量的初始值

W_n’——第n次采样时被控参数的实际值

G_n——第n次采样时的设定值

e_n——第n次采样时的控制偏差值(e_n＝G_n－W_n)＋ e_n－1——前一采样周期时的控制偏差值

K——比例系数

T_i——积分时间

T_d——微分时间

T——采样周期100293.1

由公式(1)中的积分项：

S_{n} = K \frac{T}{T_{i}} Σ_{j = 1}^{n} e_{j} - - - - (2)

S_{n} = K \frac{T}{T_{i}} Σ_{j = 1}^{n - 1} e_{j} + K \frac{T}{T_{i}} e_{n} - - - - (3)

由公式(3)可见，由于

K \frac{T}{T_{i}} Σ_{j = 1}^{n - 1} e_{j} > > K \frac{T}{T_{i}} e_{n},

所以按公式(3)计算，在n时刻改变积分时间T_i，对积分项S_n的值几乎无影响，因而使控制量u_n不会产生异常的改变；

实际上，G_n是根据运行时间计算出的应达到的温度值，即设定值；W_n是由温度传感器检测出来的讯号通过A/D转换和I/O接口输入计算机后计算出的煤样温度，然后通过PID计算得到控制量u_n，再经I/O接口及D/A转换电路变成0-10mA控制讯号输出，控制可控硅的导通角，以达到控制电炉功率及煤样温度始终跟随程序设定温度的目的；

程序启动后，首先进行初始化，置入所需的P、I、D等初始数值，然后进行温度检测得到W_n，再进行PID计算；先根据运行时间计算出设定温度G_n及偏差值e_n，再判断e_n是否超限，对e_n加以限制，以防止电炉中负载电流过大，然后进行积分项计算，判断S_n是否超限，对S_n加以限制，以防止积分值过大产生积分饱和效应；然后计算控制量u_n，再把u_n送D/A转换地址单元，变成0-10mA电流讯号，控制可控硅导通角，将温度检测数据暂存缓冲区，以便显示温度曲线及实验结束时存盘保留；然后为下一次计算作准备，使e_n－1＝e_n；把实验过程中的有关数据送屏幕显示，判断是否要修改P、I、D参数，是否到采样时间；采样时间到后再看是否到实验结束时间，如没到则继续重新开始温度检测和PID计算，周而复始地重新执行；若实验结束时间到，则使控制量置零，即u_n＝0，切断控制回路的输出，整个实验停止；这时可将数据缓冲区的数据结果以文件的方式存储在磁盘上，以备查看，也可以将数据用打印机打印出来；查看数据时，既能以数据方式查看，也能以曲线方式查看。