[摘 要]：本文以DSP為信息處理單元，將電子天平與紅外干燥箱融為一體，設(shè)計(jì)了一種水分測(cè)定電子天平。這種儀器具有水分測(cè)定與質(zhì)量稱(chēng)量?jī)煞N計(jì)量功能。采用時(shí)間最優(yōu)控制與PID控制相結(jié)合的控制策略來(lái)對(duì)烘箱的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，既可以發(fā)揮時(shí)間最優(yōu)控制快速消除大偏差的優(yōu)點(diǎn)，又能發(fā)揮PID控制精度高、超調(diào)小的優(yōu)點(diǎn)，從而使靜態(tài)、動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)較為理想，同時(shí)又達(dá)到了準(zhǔn)確、快速測(cè)定的目的。

　　水分是決定產(chǎn)品質(zhì)量和工藝的基本參數(shù)，水分含的準(zhǔn)確測(cè)定是產(chǎn)品質(zhì)量的重要保證。目前諸多行業(yè)水分測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)方法（仲裁依據(jù)）是烘干失重法，即將重量為W1，的試樣按規(guī)定時(shí)間和溫度烘干，烘干后失重設(shè)為W∞，則含水率為： 　　該方法直接測(cè)出水分蒸發(fā)量，稱(chēng)直接法，又稱(chēng)經(jīng)典法。該方法需要使用分析天平和電烘箱，操作繁瑣，而且由于電烘箱的溫度波動(dòng)較大，容易損壞樣品。
　　本文以DSP為信息處理單元，將電子天平與紅外干燥箱融為一體，并將時(shí)間最優(yōu)控制和PID控制相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一種基于DSP的新型水分測(cè)定電子天平，采用時(shí)間最優(yōu)控制和PID控制相結(jié)合的控制策略對(duì)烘箱溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，這樣既可發(fā)揮時(shí)間最優(yōu)控制快速消除大偏差的優(yōu)點(diǎn)，又能發(fā)揮PID控制精度高、超調(diào)小的優(yōu)點(diǎn)。

1 測(cè)試機(jī)理與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
　　本文采用TMS320LF2407A的DSP作為信息處理單元，設(shè)計(jì)了一種基于DSP的新型水分測(cè)定電子天平，如圖1所示。
　　電磁力平衡傳感器將被測(cè)質(zhì)量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出至放大電路，變成0～5V直流電壓信號(hào)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換送DSP處理，顯示、打印或語(yǔ)音輸出測(cè)量結(jié)果。
　　紅外干燥箱內(nèi)的熱敏元件通過(guò)測(cè)溫電路和A/D轉(zhuǎn)換隨時(shí)向DSP提供溫度測(cè)量信息。DSP根據(jù)鍵盤(pán)設(shè)定溫度和烘箱內(nèi)實(shí)測(cè)溫度進(jìn)行PWM控制，通過(guò)可控硅調(diào)功電路實(shí)現(xiàn)。

1.1紅外輻射干燥機(jī)理
　　紅外輻射烘干法的干燥機(jī)理仍基于經(jīng)典法，用電阻式烘箱，試樣中水分的蒸發(fā)主要靠熱傳導(dǎo)，失水速度慢，測(cè)量效率低。而紅外法、微波法的加熱方式可直接從物質(zhì)內(nèi)部加熱，大大縮短了烘干時(shí)間，而且還具有清潔、無(wú)附件、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，因此在烘干加熱領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。
　　由于微波加熱方式一般功率較大，難以控制，而且可能導(dǎo)致輻射泄漏，因此本文設(shè)計(jì)的新型水分快速測(cè)定電子天平采用了紅外輻射加熱方式加速樣品烘干。

1.2質(zhì)量稱(chēng)量原理
　　水分測(cè)定電子天平質(zhì)量稱(chēng)量范圍為0～300g，感量為0.001g。稱(chēng)重前，杠桿平衡，遮光板處于零位，加待稱(chēng)重物后，杠桿失去平衡，帶動(dòng)遮光板偏離零位，零位檢測(cè)差分光電二極管輸出的差分電壓信號(hào)不為零；該信號(hào)經(jīng)放大送入PID調(diào)節(jié)電路；PID調(diào)節(jié)信號(hào)送入動(dòng)圈的驅(qū)動(dòng)電路，改變動(dòng)圈中的電流，使得杠桿向平衡方向運(yùn)動(dòng)；同時(shí)，差分光電二極管的輸出信號(hào)減小，但由于PID調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)的存在，調(diào)節(jié)信號(hào)繼續(xù)增大，直到杠桿回到平衡位置，遮光板回到零位。質(zhì)量稱(chēng)量信號(hào)經(jīng)放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)換后送人DSP信息處理單元進(jìn)行后續(xù)處理。

2紅外干燥箱的溫度檢測(cè)與控制
2.1溫控器原理
　　本系統(tǒng)選用MAXIM公司生產(chǎn)的自帶溫度補(bǔ)償?shù)腒型熱電偶串行模/數(shù)轉(zhuǎn)換器MAX6675為測(cè)量電路，選用雙向可控硅為控制元件，以DSP芯片TMS320LF2407為中心，設(shè)計(jì)了一套溫控器電路。
　　主電路由雙向可控硅BCR50GM控制，其開(kāi)關(guān)電流為50A，通過(guò)實(shí)際調(diào)試，確定了控制電路參數(shù)，如圖2所示。
　　MAX6675將熱電偶輸出的mV信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送給DSP， MAX6675可對(duì)冷端溫度進(jìn)行補(bǔ)償。
　　DSP送出PWM控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)光電耦合器MOC3061，以控制可控硅BCR50GM的導(dǎo)通與截止，使電阻爐的溫度能夠穩(wěn)定在給定點(diǎn)附近。
　　通過(guò)測(cè)量溫度與設(shè)定溫度比較來(lái)調(diào)節(jié)DSP輸出脈沖信號(hào)的占空比，進(jìn)一步控制鹵素紅外燈平均導(dǎo)通功率，從而達(dá)到調(diào)節(jié)溫度的目的。

2.2溫度控制方法 　　PID控制是一種技術(shù)成熟、應(yīng)用廣泛的控制方法，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，參數(shù)整定方便，而且對(duì)大多數(shù)過(guò)程均有較好的控制效果，因而本系統(tǒng)采用了PID算法控制加熱艙溫度。
　　對(duì)于采用調(diào)壓調(diào)功方式的溫度控制，PID算式應(yīng)當(dāng)采用位置算式，即：
　　　　u（k）=u（k-1）+△u（k） （2）
　　式中： 　　u（k）為k時(shí)刻的輸入量；
　　u（k-1）為k-1時(shí)刻的輸入量；
　　△u（k）為輸入調(diào)節(jié)量；
　　Kp，K1，KD分別為比例系數(shù)、積分系數(shù)、微分系數(shù)；
　　e（k）為當(dāng)前時(shí)刻的溫度與溫度設(shè)定值差；
　　e（k-1）為上次采樣時(shí)刻的溫度與溫度設(shè)定值差；
　　e（k-2）為再上次之差。
　　溫度變化是一個(gè)緩慢的過(guò)程，若單純采用PID控制，溫度超調(diào)量大，調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng)，從通電加熱到溫度恒定至少需要20min，控制效率低，能源浪費(fèi)大，設(shè)備損壞率高。
　　時(shí)間最優(yōu)控制使系統(tǒng)從一個(gè)初始狀態(tài)轉(zhuǎn)到另一個(gè)狀態(tài)所經(jīng)歷的過(guò)渡時(shí)間最短。這種類(lèi)型的最優(yōu)切換系統(tǒng)，也稱(chēng)為開(kāi)關(guān)控制（Bang-Bang）系統(tǒng)。即： 　　可以規(guī)定一閾值ε，當(dāng)偏差大于ε時(shí)，實(shí)行時(shí)間最優(yōu)控制，而在閾值以?xún)?nèi)，實(shí)行PID控制。這樣，既可以發(fā)揮Bang-Bang控制快速消除大偏差的優(yōu)點(diǎn)，又能發(fā)揮PID控制精度高，超調(diào)小的優(yōu)點(diǎn)，從而使溫度控制過(guò)程的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)較為理想。

2.3參數(shù)整定
　　由于溫度變化速度較慢，本系統(tǒng)選擇采樣時(shí)間TS為5ms，其余調(diào)節(jié)參數(shù)均在PID仿真基礎(chǔ)上參考ZEGLER-NICHLE整定方法經(jīng)實(shí)驗(yàn)確定。 　　由于控制電路輸出脈沖信號(hào)的臨界電壓為1.66V，對(duì)應(yīng)數(shù)字量為AAH（十進(jìn)制數(shù)為170），所以將該電壓值作為系統(tǒng)首次進(jìn)入控制過(guò)程時(shí)u（k-1）值。

3 性能測(cè)試
　　本系統(tǒng)經(jīng)過(guò)反復(fù)溫控試驗(yàn)以及連續(xù)運(yùn)行的可靠性試驗(yàn)，最終確定了PID算法的參數(shù)。當(dāng)系統(tǒng)施加給定升溫時(shí)，在20～80℃范圍內(nèi)最大動(dòng)態(tài)超調(diào)小于土2℃，穩(wěn)態(tài)誤差小于±0.2℃，系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)良好。其典型響應(yīng)曲線如圖3所示。
4 結(jié)論
　　本文提出了一種基于時(shí)間最優(yōu)-PID控溫水分測(cè)定電子天平，有效地避免了經(jīng)典方法水分測(cè)定的重復(fù)性，大大提高了測(cè)量速度，為水分測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)方法的發(fā)展開(kāi)辟了新的途徑。這種一儀多用的新型天平簡(jiǎn)化了水分測(cè)定與質(zhì)量稱(chēng)量的操作，有利于提高實(shí)驗(yàn)室分析測(cè)試的工作效率，減少設(shè)備投資，因而具有廣闊的應(yīng)用前景。