電路老化試驗箱恒溫控制系統(tǒng)的設(shè)計

0 引 言
    目前，各種電子產(chǎn)品應用于我們?nèi)粘Ｉ畹姆椒矫婷?，但是所有的電子產(chǎn)品都有一定的使用壽命，會隨著使用時間的推移逐漸老化電路測試實驗箱被廣泛采用，在恒溫箱溫度控制系統(tǒng)中，一般基于單片機設(shè)計，其執(zhí)行器一般采用可控硅模塊，控制算法采用雙位控制方法、模糊控制方法、傳統(tǒng)：PID控制方法、模糊PID控制方法等。采用可控硅模塊作為執(zhí)行機構(gòu)電路實現(xiàn)比較復雜，并且系統(tǒng)可靠性難以保證。采用雙位控制方法控制精度比較粗糙，簡單模糊控制方法控制精讀同樣不能保證。對于具有大時滯特性的溫度控制系統(tǒng)，傳統(tǒng)PID控制和模糊PID控制方法都存在參數(shù)難以調(diào)整的缺點?；谝陨戏治?，本文提出基于固態(tài)繼電器和自整定PID算法的單片機恒溫控制系統(tǒng)，具有電路簡單可靠并且控制精度高的特點。

1 固態(tài)繼電器的分類及其工作原理
1．1 固態(tài)繼電器分類
    固態(tài)繼電器(solid state relay，SSR)是用分離的電子元件、集成電路或芯片，及混合微電路技術(shù)結(jié)合發(fā)展起來的一種具有繼電器特性的無觸點電子開關(guān)。SSR具有輸入控制電壓低、驅(qū)動電流小、無觸點、電磁干擾小、絕緣耐壓高、耐腐蝕、抗干擾能力強、壽命長、可靠性高等特點。
    按負載電源的類型不同可將SSR分為交流固態(tài)繼電器(AC－SSR)和直流固態(tài)繼電器(DC－SSR)。按AC－SSR的控制觸發(fā)方式不同，又可分為隨機導通(P)型和過零觸發(fā)(Z)型兩種。P型AC－SSR是當控制信號輸入后能立即導通，在負載電流過零時關(guān)斷，因此在導通瞬間可能產(chǎn)生較大的干擾。Z型AC－SSR則是當控制信號輸入后，在交流電源經(jīng)過零電壓附近時導通，其關(guān)斷條件與P型相同，故干擾很小。
1．2 固態(tài)繼電器的工作原理
    由于Z型AC－SSR具有干擾小的特性，故在此選用Z型AC-SSR作為恒溫箱溫度控制系統(tǒng)的執(zhí)行器，并以圖1為例介紹其工作原理。

    電路由信號輸入電路、零電壓監(jiān)測系統(tǒng)、工作指示電路、雙向可控硅控制電路和吸收電路組成。光電耦合器GD作為輸入電路和輸出電路之間的隔離元件，VD防止Vin正負接反燒壞GD。VT為反相器，SCR為單向可控硅，BR為雙向整流橋，TR為雙向可控硅。R7和C1組成浪涌吸收網(wǎng)絡(luò)，以吸收電源中帶有的尖峰電壓或浪涌電流，防止對開關(guān)電路產(chǎn)生沖擊或干擾。
    電路的工作過程是：當無輸入信號時，GD中的光敏三極管截止，VT為交流電壓零點監(jiān)測器，通過R3獲得基極電流而飽和導通，將SCR的門極扣在低電位而處于關(guān)斷狀態(tài)。當有輸入信號時，光敏三極管導通，此時SCR的狀態(tài)由VT決定。如果電源電壓大于過零電壓時，分壓器R2、R3的分壓點P電壓大于VBE，VT飽和導通，SCR門極因扣位在低電壓而截止，TR的門極因沒有觸發(fā)脈沖而處于關(guān)斷狀態(tài)。只有當電源電壓小于過零電壓，P點電壓小于VBE時VT截止，SCR門極通過R4獲得觸發(fā)信號而導通。在TR的門極獲得從R6→BR→SCR→BR→R5以及R5→BR→SCR→BR→R6正負兩個方向的觸發(fā)脈沖，TR導通，從而接通負載電源。當輸入信號關(guān)斷后，GD中的光敏三極管截止，VT飽和導通，使SCR門極箝位在低電位而關(guān)斷，但是此時TR仍保持導通狀態(tài)，負載上仍有電流流過，直到負載電流隨VAC減小到小于雙向可控硅TR的維持電流后才自行關(guān)斷，切斷負載電源。
    需要注意的是所謂的過零電壓并非真正的必須是電源電壓波形的零處，而是指在10～20 V或者-(10～20)V區(qū)域進行觸發(fā)。

2 恒溫控制系統(tǒng)的實現(xiàn)
    在某治療儀電路板的電氣老化試驗設(shè)計中，需要用到一個恒溫老化試驗箱。根據(jù)電路老化原理，在電子產(chǎn)品壽命周期T內(nèi)，產(chǎn)品壽命初期和末期的故障率遠遠大于產(chǎn)品壽命中期的故障率。其使用時間一故障率曲線如圖2所示。設(shè)計恒溫老化試驗箱的目的是為了在產(chǎn)品出廠之前通過在短時間內(nèi)高溫老化，使其老化程度同等于實際產(chǎn)品使用時間t1，從而檢測出產(chǎn)品壽命初期容易出現(xiàn)故障的產(chǎn)品，以減少出廠后的產(chǎn)品返修率，提高出廠產(chǎn)品的質(zhì)量。

    根據(jù)經(jīng)驗及實際計算，該電子產(chǎn)品的老化試驗箱的溫度控制要求是：70±0．2℃恒溫2 h。
2．1 基于單片機的硬件設(shè)計
    基于AT89C51單片機的恒溫控制系統(tǒng)硬件設(shè)計框圖如圖3所示。由于控制溫度為70℃，故選用PT100鉑電阻作為檢測元件。選用并行接口電路8155A芯片擴張鍵盤、LED顯示接口，A／D轉(zhuǎn)換器ADC0809進行數(shù)摸轉(zhuǎn)換。報警輸出外接蜂鳴器，用于檢測溫度的高溫報警。鍵盤用于系統(tǒng)參數(shù)、給定值的設(shè)置，實現(xiàn)系統(tǒng)啟動、停止及其他功能。LED用于設(shè)定參數(shù)、給定溫度、當前溫度等的顯示。

    系統(tǒng)的工作過程如下：系統(tǒng)進入工作狀態(tài)后，首先鉑電阻把老化試驗箱的溫度轉(zhuǎn)換為電流量，并經(jīng)過溫度檢測電路和A／D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸入單片機。然后經(jīng)過單片機運算得出控制輸出并發(fā)送到PWM芯片，PWM芯片把數(shù)字信號整定為在一定周期內(nèi)為一定占空比的PWM信號，驅(qū)動SSR控制發(fā)熱絲的通斷。如此循環(huán)下去，最終達到精確控制溫度的目的。
2．2 基于自整定PID算法的軟件設(shè)計
    系統(tǒng)的軟件設(shè)計流程圖如圖4所示。系統(tǒng)首先進行初始化，通過鍵盤設(shè)定控制器的參數(shù)，通過PID自整定鍵啟動PID自整定功能。然后通過鍵盤設(shè)定所需的溫度值，接著調(diào)用測量顯示子程序顯示當前溫度。當測量溫度等于設(shè)定溫度時，程序返回溫度設(shè)定模塊，當測量溫度不等于設(shè)定溫度時，啟動PID控制模塊，然后返回測量顯示模塊，如此循環(huán)下去，直到測量溫度等于設(shè)定溫度為止。由于恒溫箱溫度控制系統(tǒng)具有大時滯和非線性特性，常規(guī)PID控制參數(shù)難以整定。在此設(shè)計了自整定PID算法，解決了PID整定困難的問題。下面介紹自整定PID算法的設(shè)計過程。

    離散PID控制算法表達式為：
   
    根據(jù)Ziegler-Nichle條件，PID三個參數(shù)可由以下公式整定：

   
    式中：TC為臨界振蕩周期。
    將式(2)代入式(1)，則離散PID算法只存在一個整定參數(shù)
    KP選取具有快速平穩(wěn)特性的偏差絕對值乘時間的積分(ITAE)最優(yōu)準則：
   
    作為目標函數(shù)。當其為最小值時，控制系統(tǒng)為最佳狀態(tài)。它具有對單位階躍響應的起始誤差考慮少，而著重權(quán)衡瞬態(tài)響應后期出現(xiàn)誤差的功能。應用這種準則設(shè)計的系統(tǒng)特點是其瞬態(tài)響應的超調(diào)量很小，即抗干擾能力強，且振蕩有足夠的阻尼，具有良好的選擇性和靈敏度。
    離散化式(3)得：
   
    參數(shù)自整定方法：每次計算QITAEn后與上次計算的QITAEn-1比較，根據(jù)QITAE的變化趨勢對PID算法中的KP進行修正，修正周期一般取(5～10)T。具體修正算法如下：

    當QITAE趨于恒定時，PID自整定算法結(jié)束。

3 結(jié)束語
    根據(jù)電路老化試驗箱的溫度控制要求設(shè)計出的基于固態(tài)繼電器的自整定PID恒溫控制系統(tǒng)，具有設(shè)計方法簡單可靠、使用方便、控制精度高的特點。此設(shè)計可應用于企業(yè)的電路老化試驗箱新產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計中，能取得了良好的控制效果，滿足用戶的產(chǎn)品需求，值得向廣大企業(yè)推廣應用。