專利名稱：煤膠質(zhì)層測定溫度調(diào)節(jié)裝置的計算機(jī)控制程序的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及煤膠質(zhì)層測定中溫度調(diào)節(jié)的計算機(jī)控制程序。
目前，在煤膠質(zhì)層測定中一般都采用由常規(guī)儀表組成的儀表型控溫儀或由單片機(jī)組成的數(shù)顯型控溫儀來控制升溫速率。前者易產(chǎn)生較大的電流沖擊，并且當(dāng)兩個爐子同時做對比實驗時，其溫度常常出現(xiàn)差異；后者一般僅有數(shù)字顯示，若要觀察升溫曲線，則需要另外配一個記錄儀表。
本發(fā)明的目的是用計算機(jī)來自動控制煤膠質(zhì)層測定中的升溫速率。
本發(fā)明是一種計算機(jī)控制程序，對由計算機(jī)及接口電路、控制回路、電爐所構(gòu)成的煤膠質(zhì)層測定溫度調(diào)節(jié)裝置進(jìn)行自動控制，對實驗過程中的溫度變化情況分別以數(shù)字方式和曲線方式加以顯示，對實驗數(shù)據(jù)可存儲在磁盤上保存或用打印機(jī)打印出來，對存儲在磁盤上的實驗數(shù)據(jù)可分別以數(shù)據(jù)方式和曲線方式顯示。
煤膠質(zhì)層測定溫度調(diào)節(jié)裝置如

圖1所示，它由計算機(jī)及接口電路、控制回路、電爐等組成。電爐是測定煤樣的加熱裝置，加熱元件為硅碳棒；控制回路是控制加熱電爐的儀表箱，由可控硅及觸發(fā)電路組成，其中有手動及自動兩種工作方式。手動方式是通過人工控制電爐的升溫速率；自動方式是由溫度傳感器測量煤樣的溫度W，再通過計算機(jī)控制程序和計算機(jī)接口電路對控制回路中可控硅導(dǎo)通角的大小加以調(diào)節(jié)，從而改變升溫速率當(dāng)W高于程序設(shè)定溫度時，應(yīng)減小可控硅導(dǎo)通角；反之，當(dāng)W低于程序設(shè)定溫度時則應(yīng)增大可控硅導(dǎo)通角，以維持煤樣溫度W始終跟隨程序設(shè)定值。
本發(fā)明中煤樣溫度W的升溫規(guī)律是由計算機(jī)程序控制的，為了實現(xiàn)某一時刻對應(yīng)于某一溫度，采用了位置式比例、積分、微分控制算法，即位置式PID控制算法，其計算公式如下un=Ken+KTTiΣj=1nej+KTdT(en-en-1)+uo----(1)]]>其中un——第n次采樣時的控制量uo——控制量的初始值Wn——第n次采樣時被控參數(shù)的實際值Gn——第n次采樣時的設(shè)定值en——第n次采樣時的控制偏差值(en＝Gn－Wn)en－1——前一采樣周期時的控制偏差值K——比例系數(shù)Ti——積分時間Td——微分時間T——采樣周期由公式(1)中的積分項Sn=KTTiΣj=1nej----(2)]]>可以看出，若改變積分時間Ti，則對積分項Sn影響較大，又由于積分項Sn占控制量un的主要成份，則將對控制量產(chǎn)生影響，將公式(2)作如下變換Sn=KTTiΣj=1n-1ej+KTTien----(3)]]>由公式(3)可見，由于KTTiΣj=1n-1ej>>KTTien,]]>所以按公式(3)計算，在n時刻改變積分時間Ti，對積分項Sn的值幾乎無影響，因而使控制量un不會產(chǎn)生異常的改變。
實際上，Gn是根據(jù)運行時間計算出的應(yīng)達(dá)到的溫度值，即設(shè)定值；Wn是由溫度傳感器檢測出來的訊號通過A/D轉(zhuǎn)換和I/O接口輸入計算機(jī)后計算出的煤樣溫度，然后通過PID計算得到控制量un，再經(jīng)I/0接口及D/A轉(zhuǎn)換電路變成0-10mA控制訊號輸出，控制可控硅的導(dǎo)通角，以達(dá)到控制電爐功率及煤樣溫度始終跟隨程序設(shè)定溫度的目的。
圖2是煤膠質(zhì)層測定溫度控制的流程圖。其中，emax為偏差的上界值，sn－1為上一次積分項的值，smax為積分項的上界值。
程序啟動后，首先進(jìn)行初始化，置入所需的P、I、D等初始數(shù)值，然后進(jìn)行溫度檢測得到Wn，再進(jìn)行PID計算。先根據(jù)運行時間計算出設(shè)定溫度Gn及偏差值en，再判斷en是否超限，對en加以限制，以防止電爐中負(fù)載電流過大，然后進(jìn)行積分項計算，判斷Sn是否超限，對Sn加以限制，以防止積分值過大產(chǎn)生積分飽和效應(yīng)。然后計算控制量un，再把un送D/A轉(zhuǎn)換地址單元，變成0-10mA電流訊號，控制可控硅導(dǎo)通角，將溫度檢測數(shù)據(jù)暫存緩沖區(qū)，以便顯示溫度曲線及實驗結(jié)束時存盤保留。然后為下一次計算作準(zhǔn)備，使en－1＝en。把實驗過程中的有關(guān)數(shù)據(jù)送屏幕顯示，判斷是否要修改P、I、D參數(shù)，是否到采樣時間。采樣時間到后再看是否到實驗結(jié)束時間，如沒到則繼續(xù)重新開始溫度檢測和PID計算，周而復(fù)始地重新執(zhí)行；若實驗結(jié)束時間到，則使控制量置零，即un＝0，切斷控制回路的輸出，整個實驗停止。這時可將數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)結(jié)果以文件的方式存儲在磁盤上，以備查看，也可以將數(shù)據(jù)用打印機(jī)打印出來。查看數(shù)據(jù)時，既能以數(shù)據(jù)方式查看，也能以曲線方式查看。整個程序運行過程中的顯示圖文結(jié)合，并有中文提示。
用計算機(jī)來自動控制煤膠質(zhì)層測定中的升溫速率，其好處在于(1)由于在計算機(jī)控制程序中對偏差值加以限制，可以克服儀表型控溫儀易產(chǎn)生電流沖擊過大的問題。
(2)由于在計算機(jī)控制程序中溫度設(shè)定值是根據(jù)運行時間計算出來的數(shù)值，在兩個電爐同時做實驗時其設(shè)定值能保證完全一致，可減小對比實驗的誤差，而儀表型控溫儀的設(shè)定值是由同步電機(jī)帶動滑線電阻的滑臂來改變滑線電阻的分壓比，兩個電爐的設(shè)定值是由兩個滑線電阻來完成的，欲使兩個設(shè)定值完全一致，通常難以實現(xiàn)。
(3)實驗結(jié)束時能自動切斷控制回路，停止電爐加熱。
(4)顯示功能齊全。程序運行過程中，圖文結(jié)合，并有中文提示，可顯示出運行時間、溫度設(shè)定值、煤樣溫度、環(huán)境溫度、控制參數(shù)、控制輸出、溫度曲線等。
(5)實驗結(jié)果以文件方式存盤，查找方便，有利于管理。
與本控制程序配套的硬件系統(tǒng)中，計算機(jī)可采用公知的PC-286以上的任何一種個人計算機(jī)，其顯示器為VGA彩顯或單顯，接口電路為常規(guī)的A/D與D/A接口板，控制回路為常規(guī)的單相可控硅控制回路，電爐為煤膠質(zhì)層測定實驗專用的標(biāo)準(zhǔn)電爐。
實施例下面結(jié)合附圖給出用計算機(jī)來自動控制煤膠質(zhì)層測定中的升溫速率的實施例。
圖1為煤膠質(zhì)層測定溫度調(diào)節(jié)裝置的方框圖。
圖2是煤膠質(zhì)層測定溫度控制程序流程圖。
在圖1所示溫度調(diào)節(jié)裝置中，由熱電偶測量出煤樣的溫度訊號，此溫度訊號送給計算機(jī)接口電路的模擬量輸入通道，經(jīng)計算機(jī)處理后，由模擬量輸出通道輸出0-10mA訊號到控制回路，調(diào)節(jié)可控硅的導(dǎo)通角以維持煤樣溫度為設(shè)定值。
該控制程序由BASIC語言編寫。程序啟動后，首先進(jìn)行初始化，由隨機(jī)文件調(diào)入PID控制參數(shù)及線性插值表，比例系數(shù)P＝1/K＝40，積分時間Ti＝960秒，微分時間Td＝10秒，采樣周期T＝2秒，初始設(shè)定值G0等于初始煤樣溫度W0，初始控制量u0＝30，其中，PID控制參數(shù)可在程序運行過程中由操作員通過鍵盤進(jìn)行修改。
煤樣溫度W的控制由計算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)，采用位置式PID控制算法，其計算公式如下un=Ken+KTTiΣj=1nej+KTdT(en-en-1)+uo----(1)]]>其中un——第n次采樣時的控制量uo——控制量的初始值Wn——第n次采樣時被控參數(shù)的實際值Gn——第n次采樣時的設(shè)定值en——第n次采樣時的控制偏差值(en＝Gn－Wn)en－1——前一采樣周期時的控制偏差值K——比例系數(shù)Ti——積分時間Td——微分時間T——采樣周期首先進(jìn)行溫度檢測得到Wn，然后根據(jù)運行時間計算出設(shè)定溫度Gn運行時間為0-30分鐘時，所對應(yīng)的設(shè)定溫度為0-250℃，即每分鐘8.33℃；運行時間為30-190分鐘時，設(shè)定溫度為250-730℃，即每分鐘3℃。然后計算偏差值en，對en加以限制，當(dāng)運行時間為0-30分鐘時，偏差上界值emax＝40；運行時間為30-190分鐘時，emax＝20，以限制電爐中負(fù)載電流，然后計算積分項Sn，判斷Sn是否超限，對Sn加以限制，以防止積分值過大產(chǎn)生積分飽和效應(yīng)，取Sn的上界值Smax＝130。然后計算控制量un，再把un送D/A轉(zhuǎn)換地址單元，變成0-10mA電流訊號，控制可控硅導(dǎo)通角，將溫度檢測數(shù)據(jù)暫存緩沖區(qū)，以便顯示溫度曲線及實驗結(jié)束時存盤保留。然后為下一次計算作準(zhǔn)備，使en－1＝en。然后判斷是否到采樣時間，采樣時間到再判斷是否到實驗結(jié)束時間，若沒到結(jié)束時間則程序又返回到溫度檢測部分，程序周而復(fù)始地進(jìn)行下去，直到實驗結(jié)束時間到為止；若到實驗結(jié)束時間，則使控制量un＝0，切斷控制回路的輸出，然后程序退出到操作菜單，此時可選則數(shù)據(jù)存盤及打印等功能。
本例所列參數(shù)為控制回路電源電壓為單相220伏、加熱電爐中硅碳棒阻值為5歐姆時所用，當(dāng)硅碳棒阻值不同時，可適當(dāng)調(diào)整PID控制參數(shù)來使升溫速率符合要求。
權(quán)利要求
1.一種由計算機(jī)、接口電路、打印機(jī)、控制回路、電爐所組成的以數(shù)字方式和曲線方式顯示并可存儲、打印的煤膠質(zhì)層測定溫度調(diào)節(jié)裝置的計算機(jī)控制程序，其特征在于煤樣溫度W的升溫規(guī)律是由計算機(jī)程序控制的，為了實現(xiàn)某一時刻對應(yīng)于某一溫度，采用了位置式比例、積分、微分控制算法，即位置式PID控制算法，其計算公式如下Un=Ken+KTTiΣj=1nej+KTdT(en-en-1)+Uo----(1)]]>其中un——第n次采樣時的控制量uo——控制量的初始值Wn’——第n次采樣時被控參數(shù)的實際值Gn——第n次采樣時的設(shè)定值en——第n次采樣時的控制偏差值(en＝Gn－Wn)＋ en－1——前一采樣周期時的控制偏差值K——比例系數(shù)Ti——積分時間Td——微分時間T——采樣周期100293.1由公式(1)中的積分項Sn=KTTiΣj=1nej----(2)]]>可以看出，若改變積分時間Ti，則對積分項Sn影響較大，又由于積分項Sn占控制量un的主要成份，則將對控制量產(chǎn)生影響，將公式(2)作如下變換Sn=KTTiΣj=1n-1ej+KTTien----(3)]]>由公式(3)可見，由于KTTiΣj=1n-1ej>>KTTien,]]>所以按公式(3)計算，在n時刻改變積分時間Ti，對積分項Sn的值幾乎無影響，因而使控制量un不會產(chǎn)生異常的改變；實際上，Gn是根據(jù)運行時間計算出的應(yīng)達(dá)到的溫度值，即設(shè)定值；Wn是由溫度傳感器檢測出來的訊號通過A/D轉(zhuǎn)換和I/O接口輸入計算機(jī)后計算出的煤樣溫度，然后通過PID計算得到控制量un，再經(jīng)I/O接口及D/A轉(zhuǎn)換電路變成0-10mA控制訊號輸出，控制可控硅的導(dǎo)通角，以達(dá)到控制電爐功率及煤樣溫度始終跟隨程序設(shè)定溫度的目的；程序啟動后，首先進(jìn)行初始化，置入所需的P、I、D等初始數(shù)值，然后進(jìn)行溫度檢測得到Wn，再進(jìn)行PID計算；先根據(jù)運行時間計算出設(shè)定溫度Gn及偏差值en，再判斷en是否超限，對en加以限制，以防止電爐中負(fù)載電流過大，然后進(jìn)行積分項計算，判斷Sn是否超限，對Sn加以限制，以防止積分值過大產(chǎn)生積分飽和效應(yīng)；然后計算控制量un，再把un送D/A轉(zhuǎn)換地址單元，變成0-10mA電流訊號，控制可控硅導(dǎo)通角，將溫度檢測數(shù)據(jù)暫存緩沖區(qū)，以便顯示溫度曲線及實驗結(jié)束時存盤保留；然后為下一次計算作準(zhǔn)備，使en－1＝en；把實驗過程中的有關(guān)數(shù)據(jù)送屏幕顯示，判斷是否要修改P、I、D參數(shù)，是否到采樣時間；采樣時間到后再看是否到實驗結(jié)束時間，如沒到則繼續(xù)重新開始溫度檢測和PID計算，周而復(fù)始地重新執(zhí)行；若實驗結(jié)束時間到，則使控制量置零，即un＝0，切斷控制回路的輸出，整個實驗停止；這時可將數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)結(jié)果以文件的方式存儲在磁盤上，以備查看，也可以將數(shù)據(jù)用打印機(jī)打印出來；查看數(shù)據(jù)時，既能以數(shù)據(jù)方式查看，也能以曲線方式查看。
全文摘要
本發(fā)明涉及煤膠質(zhì)層測定中溫度調(diào)節(jié)的計算機(jī)控制程序。由溫度傳感器檢測出來的訊號通過A/D轉(zhuǎn)換和I/O接口輸入計算機(jī)后計算出的煤樣溫度，然后通過PID計算得到控制量U
文檔編號G06F19/00GK1128379SQ9511399
公開日1996年8月7日 申請日期1995年12月18日 優(yōu)先權(quán)日1995年12月18日
發(fā)明者姚邑柏 申請人:冶金工業(yè)部鞍山熱能研究院