基于MSP430的雙組份高壓聚氨酯發(fā)泡機(jī)的溫度控制.doc

基于MSP430的雙組份高壓聚氨酯發(fā)泡機(jī)的溫度控制摘要：詳細(xì)介紹了以MSP430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)溫度控制的設(shè)計(jì)，對(duì)溫度控制的原理，控制策略及其改進(jìn)都進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)以及軟件實(shí)現(xiàn)也作了細(xì)致的說(shuō)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。關(guān)鍵詞：發(fā)泡機(jī)；MSP430；聚氨酯Design of MSP430 based temperature control used to bi-component high-pressure polyurethane foaming machineAbstract：A temperature control system for foaming machine by using MSP430 is reported in this paper . The principle of temperature control and the strategy of the control implementation are studied , the structure of system and implementation of the software is also designed . The practice proved the effectiveness , credibility and stabilization of this system .Keyword：Foaming machine；MSP430；Polyurethane1 引言目前聚氨酯發(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(jí)加壓， 壓力低，制造成本相對(duì)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(guò)程浪費(fèi)大；而高壓發(fā)泡機(jī)是由兩臺(tái)柱塞泵將兩種發(fā)泡原料polyol和isocyanate泵到灌注槍頭，在槍頭中通過(guò)高壓對(duì)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1。本設(shè)備面向橋面聚氨酯噴涂領(lǐng)域。橋面用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、CaO、Cr2O3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，由此可大大減少涂層內(nèi)產(chǎn)生的氣泡。主要用于外表涂料，特別是混凝土表面涂裝，可經(jīng)受因車輛通行、氣候、溫度等起變化產(chǎn)生的應(yīng)力，特別適于作橋面有瀝青的混凝土橋蓋板用涂料。在聚氨酯發(fā)泡過(guò)程中，溫度和壓力是兩個(gè)關(guān)鍵量。壓力過(guò)低雙組分不能充分混合并且影響發(fā)泡速度，過(guò)高則對(duì)整個(gè)設(shè)備提出了更高的工藝要求。溫度對(duì)發(fā)泡速度亦有較大的影響，溫度過(guò)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(guò)低，反應(yīng)變慢、固化時(shí)間長(zhǎng)，相應(yīng)地影響生產(chǎn)效率1,2,3。因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中根據(jù)工藝要求溫度必須控制在651的范圍內(nèi)。本設(shè)計(jì)中壓力可以通過(guò)設(shè)定氣泵每分鐘動(dòng)作次數(shù)來(lái)改變，具有較高的靈活性；溫度的控制通過(guò)兩個(gè)固態(tài)繼電器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，采用PID控制，具有響應(yīng)快、穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)。2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1：圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖設(shè)計(jì)的要求為：氣泵通過(guò)空氣壓縮機(jī)供氣，能夠通過(guò)設(shè)置氣泵每分鐘的動(dòng)作頻率（默認(rèn)為30n/min）來(lái)改變雙組份的流量；每個(gè)加熱器為由六個(gè)1KW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651），當(dāng)外界干擾使溫度超出此規(guī)定范圍時(shí)能夠迅速恢復(fù)，即具有快速響應(yīng)性。本設(shè)計(jì)中采用的是MSP430系列單片機(jī)，它是美國(guó)TI公司推出的一款超低功耗功能強(qiáng)大的16位單片機(jī)，它分為31xx，32xx，33xx系列，在2000年TI公司又推出了Flash系列，本系統(tǒng)中采用的是MSP430F135單片機(jī)，它的硬件資源為：16K的程序存儲(chǔ)器，512B的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，一個(gè)高性能的八通道12位A/D轉(zhuǎn)換器、一個(gè)溫度傳感器以及電池低壓時(shí)的檢測(cè)電路，兩個(gè)帶有多個(gè)捕獲/比較寄存器的定時(shí)器（帶多路PWM輸出），一個(gè)看門狗，一個(gè)可實(shí)現(xiàn)同步、異步及多址訪問(wèn)的串行接口、一個(gè)模擬比較器，數(shù)個(gè)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(dòng)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(dòng)存入緩沖區(qū)，這樣，中央處理器的工作負(fù)擔(dān)就大為減輕。3 溫度系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1 溫度控制原理溫度的控制即為對(duì)加熱器兩端電壓的控制，一般對(duì)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(gè)周波內(nèi)通過(guò)對(duì)晶閘管開(kāi)通相位的控制，可以方便的調(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(dòng)機(jī)的軟啟動(dòng)，也用于異步電機(jī)調(diào)速，但是這種方法的缺點(diǎn)是會(huì)對(duì)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(gè)交流電源周期都對(duì)輸出波形進(jìn)行控制，而是將負(fù)載與交流電源接通幾個(gè)整周波，再斷開(kāi)幾個(gè)整周波，通過(guò)改變接通周波數(shù)與斷開(kāi)周波數(shù)的比值來(lái)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(duì)象，其時(shí)間常數(shù)往往很大，沒(méi)有必要對(duì)交流電源的每個(gè)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(duì)電網(wǎng)電壓造成通常意義的諧波污染4。鑒于以上的分析，本系統(tǒng)中我們采用了第二種調(diào)壓方式及交流調(diào)功，原理如圖2：圖2溫度控制原理圖3.2 溫度控制策略5PID控制在生產(chǎn)過(guò)程中是一種最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。PID是一種線性控制器，它根據(jù)給定值與實(shí)際輸出值構(gòu)成控制偏差，將偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）通過(guò)線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，其控制規(guī)律為：(3-1)在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，使用的是數(shù)字PID控制器，數(shù)字PID控制算法通常分為位置式PID控制算法和增量式PID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(shí)刻的偏差值計(jì)算控制量，故需要將(3-1)式進(jìn)行離散化處理。用一系列的采樣時(shí)刻點(diǎn)kT代表連續(xù)時(shí)間t，以和式代替積分，以增量代替微分，則可作如下近似變換：(3-2)將(3-2)式代入(3-1)式化簡(jiǎn)得：(3-3)其中：積分系數(shù)，；微分系數(shù)，。3.3改進(jìn)的單神經(jīng)元PID溫度控制器6本系統(tǒng)由于壓力大，組份流量快，故要求溫度動(dòng)態(tài)性能好，穩(wěn)態(tài)精度高，而且壓力可調(diào)會(huì)造成系統(tǒng)存在參數(shù)時(shí)變和負(fù)載擾動(dòng)等被控對(duì)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(dòng)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(duì)系統(tǒng)的影響。使用傳統(tǒng)的控制算法PID是很能滿足上述要求的。近年來(lái)，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)元是最基本的控制部件，它只有一個(gè)神經(jīng)元, 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，學(xué)習(xí)過(guò)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)中采用單神經(jīng)元PID溫度調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)方法。單神經(jīng)元的結(jié)構(gòu)圖如圖3所示：圖3單神經(jīng)元結(jié)構(gòu)圖傳統(tǒng)的單神經(jīng)元PID控制器的控制算法如下：(3-4) (3-5)(3-6）(3-7）(3-8）上面的式中，、分別對(duì)應(yīng)增量式PID控制器的三個(gè)參數(shù)、。這種控制策略是采用增量式的方式，對(duì)于本系統(tǒng)要求有快速響應(yīng)，控制器選擇絕對(duì)式的比較合適。當(dāng)單神經(jīng)元控制器采用絕對(duì)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(shí)神經(jīng)元的輸入變?yōu)椋?3-9）輸出為：(3-10）此神經(jīng)元控制器具有PID控制器的結(jié)構(gòu)，、分別對(duì)應(yīng)PID控制器的、，通過(guò)對(duì)其加權(quán)系數(shù)的調(diào)整來(lái)實(shí)現(xiàn)參數(shù)的在線整定，參數(shù)自適應(yīng)的功能。加權(quán)系數(shù)采取有監(jiān)督的學(xué)習(xí)規(guī)則，它與神經(jīng)元的輸入、輸出和偏差有關(guān)，可以定義為： （3-11）再在控制器中引入二次性能指標(biāo)，通過(guò)修改權(quán)值來(lái)使性能指標(biāo)趨于最小，這是控制最終能夠收斂的保證，從而保證系統(tǒng)能夠最終趨于穩(wěn)定。根據(jù)以往的理論證明，一般我們引入的二次性能指標(biāo)為，使加權(quán)系數(shù)的修正沿著J減小的方向，即對(duì)的負(fù)梯度方向進(jìn)行搜索調(diào)整。 （3-12）由于在PID算法中通常是未知的，可以近似用符號(hào)函數(shù)取代,這樣我們可以得到最終的權(quán)值學(xué)習(xí)規(guī)則： （3-13）由（3-9）式和（3-10）式可以看出，這種算法的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，整個(gè)算法中需要調(diào)整的參數(shù)比較少，也沒(méi)有除法計(jì)算。由（3-13）式可以看出，權(quán)值的調(diào)整算法也比較簡(jiǎn)單，只用計(jì)算加法和乘法，并且計(jì)算量不大，利用MSP430完全能夠?qū)崿F(xiàn)。采用單神經(jīng)元的PID控制算法后，其效果如圖4：圖4單神經(jīng)元PID控制效果圖1普通PID2單神經(jīng)元PID4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)程序采用中斷方式編程，主程序在完成初始化之后進(jìn)入等待狀態(tài)。共有三種中斷：每隔20ms讀AD、每隔200ms掃描鍵盤同時(shí)完成顯示、每隔500ms進(jìn)行一次PID運(yùn)算。如果進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，長(zhǎng)按對(duì)應(yīng)的鍵4s可進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置界面（此時(shí)正常顯示功能被中斷），參數(shù)設(shè)置完成后需要保存到EEPROM里面。中斷流程圖如圖5：5 結(jié)束語(yǔ)MSP430是一款性價(jià)比很高的單片機(jī)，其豐富的片內(nèi)硬件資源使系統(tǒng)的外圍電路大大簡(jiǎn)化，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來(lái)了極大的方便，其12位高精度AD轉(zhuǎn)換器保證了本設(shè)計(jì)中溫度的高控制質(zhì)量。實(shí)踐證明，基于MSP430的雙組份高壓聚氨酯發(fā)泡機(jī)具有控制準(zhǔn)確、操作簡(jiǎn)單、故圖5中斷流程圖障率低等優(yōu)點(diǎn)，具有很好的應(yīng)用前景。參考文獻(xiàn)1金修鋒。雙槍頭聚氨酯高壓發(fā)泡機(jī)的控制J。廣州自動(dòng)化，1995，16(50