摘要:介紹了以M SP 430單片機(jī)為核心控制部件的雙組份高壓
聚氨酯發(fā)泡機(jī)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，對溫度控制的原理、控制策略及其改進(jìn)方法進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，同時對系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)以及軟件實(shí)現(xiàn)也作了細(xì)致的說明。該系統(tǒng)運(yùn)用交流調(diào)功的方案取得了很好的控制效果，具有很好的穩(wěn)定性和可靠性。
目前聚氨酯發(fā)泡機(jī)有高壓發(fā)泡機(jī)和低壓發(fā)泡機(jī)兩種。低壓發(fā)泡機(jī)只有提料泵一級加壓，壓力低，制造成本相對比較低，但其原料混合效果比較差，發(fā)泡質(zhì)量不穩(wěn)定，生產(chǎn)效率低，故障率高，且生產(chǎn)過程浪費(fèi)大;而高壓發(fā)泡機(jī)是由兩臺柱塞泵將兩種發(fā)泡原料Polyp 1}口Iuxryanate泵到灌注槍頭，在槍頭中通過高壓對射達(dá)到完全混合，故高壓發(fā)泡機(jī)較之低壓發(fā)泡機(jī)有更高的性能和更高的生產(chǎn)效率!”。
本設(shè)備適用于橋而聚氨酯噴涂領(lǐng)域。橋而用的雙組份聚氨酯涂料的A組份由蓖麻油、甘油、聚丁二烯、分子篩、Can, Cr203等按比例充分混合制成，B組份為改性MDI B與A充分混合，立即發(fā)生反應(yīng)，從而制成聚氨酯涂料。涂層常溫下數(shù)分鐘固化，堅(jiān)硬，能經(jīng)受至少1h /200℃的高溫，附著力良好，特別是疏水性與抗潮性優(yōu)良，因而可大大減少涂層內(nèi)產(chǎn)生的氣泡。主要用于外表涂料，特別是混凝土表而涂裝，可經(jīng)受因車輛通行、氣候、溫度等變化產(chǎn)生的應(yīng)力，特別適用于橋而有瀝青的混凝土橋蓋板涂料。
在聚氨酯發(fā)泡過程中，溫度和壓力是兩個關(guān)鍵量。壓力過低時雙組份不能充分混合并且影響發(fā)泡速度，過高則對整個設(shè)備提出了更高的工藝要求。溫度對發(fā)泡速度亦有較大的影響，溫度過高，反應(yīng)速度加快，相應(yīng)地要求其它設(shè)備和工藝與之相適應(yīng);溫度過低，反應(yīng)變慢、固化時間長，相應(yīng)地影響生產(chǎn)效率!’一3，。因此在設(shè)計(jì)過程中根據(jù)工藝要求溫度必須控制在(65士1)℃的范圍內(nèi)。本設(shè)計(jì)中壓力可以通過設(shè)定氣泵每分鐘動作次數(shù)來改變，具有較高的靈活性;溫度控制是通過兩個固態(tài)繼電器來實(shí)現(xiàn)的，采用PD控制，具有響應(yīng)快、穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)。
1，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖
設(shè)計(jì)要求為:氣泵通過空氣壓縮機(jī)供氣，能夠通過設(shè)置氣泵每分鐘的動作頻率(默認(rèn)為30n /m州來改變雙組份的流量;每個加熱器為1所示。尸，，廠冬門牛一一}哩竺睽)墮圖洲iu#y}{圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖由6個11}W的加熱管并聯(lián)在一起組成的加熱箱，溫度能夠人為設(shè)定，并且能夠穩(wěn)定在設(shè)定值(默認(rèn)為( 65士1) }C )，當(dāng)外界干擾使溫度超出此規(guī)定范圍時能夠迅速恢復(fù)，即具有快速響應(yīng)性。
控制系統(tǒng)的核心部件采用M SP430系列單片機(jī)，它是美國TI公司推出的一款超低功耗功能強(qiáng)大的16位單片機(jī)。本系統(tǒng)中采用M SP430F 135單片機(jī)，它具有16kB的程序存儲器，512B的數(shù)據(jù)存儲器，1個高性能的8通道12位A /D轉(zhuǎn)換器，1個溫度傳感器以及電池低壓時的檢測電路，2個帶有多個捕獲此較寄存器的定時器(帶多路IMM輸出)，1個可實(shí)現(xiàn)同步、異步及多址訪問的串行接口，1個模擬比較器，數(shù)個可實(shí)現(xiàn)方向設(shè)置及中斷功能的并行輸入、輸出端口等。利用芯片內(nèi)置的自動掃描功能，A /D轉(zhuǎn)換器可以不需要中央處理器的協(xié)助而獨(dú)立工作，并且將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)自動存入緩沖區(qū)，使中央處理器的工作負(fù)擔(dān)大為減輕。
2溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2. 1溫度控制原理
溫度的控制即為對加熱器兩端電壓的控制，一般對交流電壓的調(diào)節(jié)分為調(diào)壓和調(diào)功兩種。所謂交流調(diào)壓就是指在每半個周波內(nèi)通過對晶閘管開通相位的控制，可以方便地調(diào)節(jié)輸出電壓的有效值，這種調(diào)壓方式廣泛用于燈光控制和異步電動機(jī)的軟啟動，也用于異步電機(jī)調(diào)速，但這種方法的缺點(diǎn)是會對電網(wǎng)電壓造成諧波污染。交流調(diào)功和交流調(diào)壓的電路形式是完全相同的，只是控制方式不同。交流調(diào)功不是在每個交流電源周期都對輸出波形進(jìn)行控制，而是將負(fù)載與交流電源接通幾個整周波，再斷開幾個整周波，通過改變接通周波數(shù)與斷開周波數(shù)的比值來調(diào)節(jié)負(fù)載所消耗的平均功率。這種電路常用于電爐的溫度控制，因?yàn)橄耠姞t這樣的大慣性控制對象，其時間常數(shù)往往很大，沒有必要對交流電源的每個周期進(jìn)行頻繁的控制，只要以周波數(shù)為單位進(jìn)行控制就足夠了，而且這種調(diào)壓方式不對電網(wǎng)電壓造成通常意義的諧波污染f41。
鑒于以上的分析，在本系統(tǒng)中，筆者采用了第二種調(diào)壓方式即交流調(diào)功，其溫度控制原理如圖2所示。
2. 2溫度控制策略
PD控制在生產(chǎn)過程中是一種普遍采用的控制方法，在冶金、機(jī)械、化工等行業(yè)中獲得了廣泛的應(yīng)用!5' o P D是一種線性控制器它根據(jù)給定值叮t)與實(shí)際輸出值c(t)構(gòu)成控制偏差e(t}-r(t)一c(t)，將偏差的比例(P)、積分(I)和微分(D)通過線性組合構(gòu)成控制量，對被控對象進(jìn)行控制，其控制規(guī)律為:
在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，使用的是數(shù)字P}控制器，數(shù)字P}控制算法通常分為位置式P}控制算法和增量式P}控制算法。本設(shè)計(jì)中采用的是位置式。由于計(jì)算機(jī)控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時刻的偏差值計(jì)算控制量，故需要將式(1)進(jìn)行離散化處理。用一系列的采樣時刻點(diǎn)kT代表連續(xù)時間4以和式代替積分，以增量代替微分，則可作如下近似變換:
2. 3改進(jìn)的單神經(jīng)元P}溫度控制器
本系統(tǒng)由于壓力大，組份流量快，故要求溫度動態(tài)性能好，穩(wěn)態(tài)精度高，而且壓力可調(diào)會造成系統(tǒng)存在參數(shù)時變和負(fù)載擾動等被控對象的非線性特性等不確定因素。因此理想的控制策略不僅要求能滿足上述動態(tài)和靜態(tài)性能，而且還應(yīng)該具有抑制各種非線性因素對系統(tǒng)的影響。使用傳統(tǒng)的控制算法P}是很難滿足上述要求的。近年來，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究引起了控制界的高度重視，單神經(jīng)元是基本的控制部件，它只有一個神經(jīng)元，結(jié)構(gòu)簡單，學(xué)習(xí)過程比較快，又具有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的信息綜合、學(xué)習(xí)記憶和自適應(yīng)能力，表現(xiàn)出良好的自適應(yīng)性和魯棒性，本設(shè)計(jì)采用單神經(jīng)元PD溫度調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)方法!闊，單神經(jīng)元的結(jié)構(gòu)如圖3所示。
這種控制策略是采用增量式的方式，對于本系統(tǒng)要求有快速響應(yīng)，控制器選擇對式的比較合適。當(dāng)單神經(jīng)元控制器采用對式控制器方式，同增量式控制器結(jié)構(gòu)基本一樣，只是控制器的輸入和輸出有了變化。此時神經(jīng)元的輸入變?yōu)?
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