基于 MSP430 的双组份高压聚氨酯发泡机的温度控制摘要：详细介绍了以 MSP430 单片机为核心控制部件的双组份高压聚氨酯发泡机温度控制的设计，对温度控制的原理，控制策略及其改进都进行了详细的介绍，同时对系统的结构以及软件实现也作了细致的说明。该系统运用交流调功的方案取得了很好的控制效果，具有很好的稳定性和可靠性。关键词：发泡机；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 引言目前聚氨酯发泡机有高压发泡机和低压发泡机两种。低压发泡机只有提料泵一级加压，压力低，制造成本相对比较低，但其原料混合效果比较差，发泡质量不稳定，生产效率低，故障率高，且生产过程浪费大；而高压发泡机是由两台柱塞泵将两种发泡原料 polyol 和isocyanate 泵到灌注枪头，在枪头中通过高压对射达到完全混合，故高压发泡机较之低压发泡机有更高的性能和更高的生产效率 1。本设备面向桥面聚氨酯喷涂领域。桥面用双组份聚氨酯涂料的 A 组份由蓖麻油、甘油、聚丁二烯、分子筛、CaO、Cr 2O3 等按比例充分混合制成， B 组份为改性 MDI。B 与 A 充分混合，立即发生反应，从而制成聚氨酯涂料。涂层常温下数分钟固化，坚硬，能经受至少 1h/200的高温，附着力良好，特别是疏水性与抗潮性优良，由此可大大减少涂层内产生的气泡。主要用于外表涂料，特别是混凝土表面涂装，可经受因车辆通行、气候、温度等起变化产生的应力，特别适于作桥面有沥青的混凝土桥盖板用涂料。在聚氨酯发泡过程中，温度和压力是两个关键量。压力过低双组分不能充分混合并且影响发泡速度，过高则对整个设备提出了更高的工艺要求。温度对发泡速度亦有较大的影响，温度过高，反应速度加快，相应地要求其它设备和工艺与之相适应；温度过低，反应变慢、固化时间长，相应地影响生产效率 1,2,3。因此在设计过程中根据工艺要求温度必须控制在 651的范围内。本设计中压力可以通过设定气泵每分钟动作次数来改变，具有较高的灵活性；温度的控制通过两个固态继电器来实现的，采用 PID 控制，具有响应快、稳定性好的优点。2 系统结构系统的结构图如图 1：A 组份B 组份高压气泵高压气泵加 热器 A加 热器 BM S P 4 3 0人机接口喷枪温度 检测图 1系统结构图设计的要求为：气泵通过空气压缩机供气，能够通过设置气泵每分钟的动作频率（默认为 30n/min）来改变双组份的流量；每个加热器为由六个 1KW 的加热管并联在一起组成的加热箱，温度能够人为设定，并且能够稳定在设定值（默认为 651） ，当外界干扰使温度超出此规定范围时能够迅速恢复，即具有快速响应性。本设计中采用的是 MSP430 系列单片机，它是美国 TI 公司推出的一款超低功耗功能强大的 16 位单片机，它分为 31xx，32xx，33xx 系列，在 2000 年 TI 公司又推出了 Flash 系列，本系统中采用的是 MSP430F135 单片机，它的硬件资源为：16K 的程序存储器，512B 的数据存储器，一个高性能的八通道 12 位 A/D 转换器、一个温度传感器以及电池低压时的检测电路，两个带有多个捕获/ 比较寄存器的定时器（带多路 PWM 输出） ，一个看门狗，一个可实现同步、异步及多址访问的串行接口、一个模拟比较器，数个可实现方向设置及中断功能的并行输入、输出端口等。利用芯片内置的自动扫描功能，A/D 转换器可以不需要中央处理器的协助而独立工作，并且将转换后的数据自动存入缓冲区，这样，中央处理器的工作负担就大为减轻。3 温度系统设计3.1 温度控制原理温度的控制即为对加热器两端电压的控制，一般对交流电压的调节分为调压和调功两种。所谓交流调压就是指在每半个周波内通过对晶闸管开通相位的控制，可以方便的调节输出电压的有效值。这种调压方式广泛用于灯光控制和异步电动机的软启动，也用于异步电机调速，但是这种方法的缺点是会对电网电压造成谐波污染。交流调功和交流调压的电路形式是完全相同的，只是控制方式不同。交流调功不是在每个交流电源周期都对输出波形进行控制，而是将负载与交流电源接通几个整周波，再断开几个整周波，通过改变接通周波数与断开周波数的比值来调节负载所消耗的平均功率。这种电路常用于电炉的温度控制，因为像电炉这样的大惯性控制对象，其时间常数往往很大，没有必要对交流电源的每个周期进行频繁的控制，只要以周波数为单位进行控制就足够了，而且这种调压方式不对电网电压造成通常意义的谐波污染 4。鉴于以上的分析，本系统中我们采用了第二种调压方式及交流调功，原理如图 2：M S P 4 3 0SSR1 5 VA C 2 2 0 V加 热器图 2温度控制原理图3.2 温度控制策略 5PID 控制在生产过程中是一种最普遍采用的控制方法，在冶金、机械、化工等行业中获得了广泛的应用。PID 是一种线性控制器，它根据给定值 与实际输出值 构成控()rt()ct制偏差 ，将偏差的比例（P） 、积分（I ）和微分（D）通过线性组合构成()()etrct控制量，对被控对象进行控制，其控制规律为：(3-1)01()()()()pDtIdetutKtTe在计算机控制系统中，使用的是数字 PID 控制器，数字 PID 控制算法通常分为位置式PID 控制算法和增量式 PID 控制算法。本设计中采用的是位置式。由于计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量，故需要将(3-1)式进行离散化处理。用一系列的采样时刻点 kT 代表连续时间 t，以和式代替积分，以增量代替微分，则可作如下近似变换：(3-2)000(,12.)()()1)kktjjTedeTet 将(3-2)式代入(3-1)式化简得：(3-3)0()()()()1)kpIDjukKeeKke其中： 积分系数， ；I /IpIT微分系数， 。DD3.3改进的单神经元 PID 温度控制器 6本系统由于压力大，组份流量快，故要求温度动态性能好，稳态精度高，而且压力可调会造成系统存在参数时变和负载扰动等被控对象的非线性特性等不确定因素。因此理想的控制策略不仅要求能满足上述动态和静态性能，而且还应该具有抑制各种非线性因素对系统的影响。使用传统的控制算法 PID 是很能满足上述要求的。近年来，神经网络的研究引起了控制界的高度重视，单神经元是最基本的控制部件，它只有一个神经元, 结构简单，学习过程比较快，又具有神经网络的信息综合、学习记忆和自适应能力，表现出良好的自适应性和鲁棒性。本设计中采用单神经元 PID 温度调节器的设计方法。单神经元的结构图如图 3 所示：.x 1x 2x nw 1w 2w ny图 3 单神经元结构图传统的单神经元 PID 控制器的控制算法如下：(3-4)31()()iiukkxk(3-5)31()/|()|ijjjww(3-6）1 ()Ikzkuek(3-7）22()( )P(3-8）33D上面的式中， ， ， 、 、 分别对应增量式)(1)ekek(zek1w23PID 控制器的三个参数 、 、 。这种控制策略是采用增量式的方式，对于本系统PKId要求有快速响应，控制器选择绝对式的比较合适。当单神经元控制器采用绝对式控制器方式，同增量式控制器结构基本一样，只是控制器的输入和输出有了变化。此时神经元的输入变为：(3-9）1213()()()kjxe输出为：(3-10）123()()()()ukwxkwx此神经元控制器具有 PID 控制器的结构， 、 、 分别对应 PID 控制器的 、12w3 PK、 ，通过对其加权系数的调整来实现参数的在线整定，参数自适应的功能。加权系IKd数采取有监督的学习规则，它与神经元的输入、输出和偏差有关，可以定义为：（3-11）(1)()()iiiiwkekux再在控制器中引入二次性能指标，通过修改权值来使性能指标趋于最小，这是控制最终能够收敛的保证，从而保证系统能够最终趋于稳定。根据以往的理论证明，一般我们引入的二次性能指标为 ，使加权系数的修正沿着 J 减小的方向，即对 的2()/Jek ()iwk负梯度方向进行搜索调整。（3-12）(1)()1)(1)iiiiiiJykwkwekxu由于在 PID 算法中 通常是未知的，可以近似用符号函数 取代,这()yku ()sgnyk样我们可以得到最终的权值学习规则：（3-13）(1)(1)(1)(sgniiiiykwkekxu由（3-9）式和（3-10）式可以看出，这种算法的结构比较简单，整个算法中需要调整的参数比较少，也没有除法计算。由（3-13）式可以看出，权值的调整算法也比较简单，只用计算加法和乘法，并且计算量不大，利用MSP430完全能够实现。采用单神经元的PID控制算法后，其效果如图4：图4单神经元PID控制效果图1普通PID2单神经元PID4 系统软件设计程序采用中断方式编程，主程序在完成初始化之后进入等待状态。共有三种中断：每隔 20ms 读 AD、每隔 200ms 扫描键盘同时完成显示、每隔 500ms 进行一次 PID 运算。如果进行参数设置，长按对应的键 4s 可进入参数设置界面（此时正常显示功能被中断） ，参数设置完成后需要保存到 EEPROM 里面。中断流程图如图 5：5 结束语MSP430 是一款性价比很高的单片机，其丰富的片内硬件资源使系统的外围电路大大简化，为系统设计带来了极大的方便，其 12 位高精度 AD 转换器保证了本设计中温度的高控制质量。实践证明，基于 MSP430 的双组份高压聚氨酯发泡机具有控制准确、操作简单、故中断 初始化读A D 、滤波显示、识别按键？有按键?按 键处理显示温度调 节 ?P I D 运算 更新 占空比返回YNYNYN图5中断流程图障率低等优点，具有很好的应用前景。参考文献1金修锋。双枪头聚氨酯高压发泡机的控制J 。广州自动化， 1995，16(50)。2王厚淳，徐晓安。温控器的设计与实现J 。江西化工， 2004，(3)：53-55。3汪奎，偡铎文。发泡机温控系统设计J 。广东化工， 2006，33(1)。4王兆安，黄俊。电力电子技术M 。北京：机械工业出版社， 2000。112-120。5陶永华，尹怡欣等。新型 PID 控制及其应用M。北京：机械工业出版社，1998.9。1-10。6江开东。单神经元 PID 控制器在矢量控制中的应用研究。华中科技大学硕士学位论文，2004