电阻炉温度控制系统设计(3).docx

宁波理工学院题 冃 电阻炉温度控制系统设计 姓 名 袁俊霄 郑志成 专业班级 自动化142 学 院 信息科学与工程学院 目录摘要 31.电阻炉温度控制系统 41.1系统的介绍 41.2控制要求 52. 控制算法的确定 53. 数学模型的建立 54. 设计 74. 1总体设计 74. 2温度检测电路 94. 3温度控制电路 94. 4人机对话电路 105. 基MATLAB仿真被控对象 12摘要温度是工业生产中主要的被控参数z—在冶金、化工、电力工程、造纸、 机械制造和食品加工等诸多生产过程中，人们需要对各种加热炉、热处理炉、反 应炉和锅炉的温度进行检测和控制，且温度的控制效果直接影响产品的质量本系统以在工业领域中应用较为广泛的的电阻炉为被控对象，采用上下位机 控制方式实现电阻炉温度计算机控制系统的设计本次作业也将介绍电阻炉温度 计算机控制系统的组成，完成系统总控制方案和大林算法控制器的设计关键词：电阻炉、A/D转换器、温度控制、89C51单片机1. 电阻炉温度控制系统1.1系统的介绍该系统的被控对象为电炉，采用热阻丝加热，利用大功率可控硅控制器控制 热阻丝两端所加的电压大小，來改变流经热阻丝的电流，从而改变电炉炉内的温 度。

可控硅控制器输入为0〜5伏时对应电炉温度0〜500C,温度传感器测量值对应 也为0〜5伏，对彖的特性为带有纯滞后环节的一阶惯性系统，这里惯性时间常数 取Ti = 30秒，滞后时间常数取工=10秒该系统利用单片机可以方便地实现对PID参数的选择与设定，实现工业过 程中PID控制它采用温度传感器热电偶将检测到的实际炉温进行A/D转换， 再送入计算机中，与设定值进行比较，得出偏差对此偏差按PID规律进行调 整，得出对应的控制量来控制驱动电路，调节电炉的加热功率，从而实现对炉温 的控制利用单片机实现温度智能控制，能自动完成数据采集、处理、转换、并 进行PID控制和键盘终端处理（各参数数值的修正）及显示在设计中应该注 意，采样周期不能太短，否则会使调节过程过于频繁，这样，不但执行机构不能 反应，而且计算机的利用率也大为降低；采样周期不能太长，否则会使干扰无 法及时消除，使调节品质下降1.2控制要求设计一个基于闭环直接数字控制算法的电阻炉温度控制系统具体化技术指 标如下：1. 电阻炉温度控制在0〜500C；2. 加热过程中恒温控制，误差为2C；3. LED实时显少系统温度，用键盘输入温度，精度为1 C ；4. 采用直接数字控制算法，要求误差小，平稳性好；5. 温度超出预置温度5C时发出报警。

2. 控制算法的确定PID调节是连续系统中技术最成熟的、应用最广泛的一种控制算方法它结 构灵活，不仅可以用常规的PID调节，而且可以根据系统的要求，采用各种PID的变型，如PI、PD控制及改进的PID控制等它具有许多特点，如不需要求岀 数学模型、控制效果好等，特别是在微机控制系统中，对于时间常数比较大的被 控制对象来说，数字PID完全可以代替模拟PID调节器，应用更加灵活，使用 性更强所以该系统采用PID控制算法系统的结构框图如图所示：3. 数学模型的建立具有一阶惯性纯滞后特性的电阻炉系统，其数学模型可表示为:G(s) =Ke~TS小+ 1(3-1)在PID调节中，比例控制能迅速反应误差，从而减小误差，但比例控制不 能消除稳态误差，K〃的加大，会引起系统的不稳定；积分控制的作用是：只要 系统存在误差，积分控制作用就不断地积累，输出控制量以消除误差，因而，只 要有足够的时间，积分控制将能完全消除误差，积分作用太强会使系统超调加大, 甚至使系统出现振荡；微分控制可以使减小超调量，克服振荡，提高系统的稳定 性，同时加快系统的动态响应速度，减小调整时间，从而改善系统的动态性能 将P、I、D三种调节规律结合在一起，可以使系统既快速敏捷，又平稳准确， 只要三者强度配合适当，便可获得满意的调节效果。

模拟PID控制规律为：u⑴=K”[(/) + *[(/)〃/ + 厶1 (3・2)式中：e(t) = r(t) - y(t)称为偏差值，可作为温度调节器的输入信号，其中应) 为给定值，)心)为被测变量值；K”为比例系数；7；为积分时间常数；心为微分 时间常数；讥/)为调节器的输出控制电压信号因为计算机只能处理数字信号，故上述数字方程式必须加以变换设采样周期为T,第次采样得到的输入偏差为幺仗），调节器的输出为u（k）,作如下近似:如=（用差分代替微分）dt Te（t）dt -工Te（i）（用求和代替积分）f=l这样，式（3-2）便可改写为："伙）=K”[e伙）+ *北⑴ + Tp 锹）% （3-3）/ / ;=1 1其中，u伙）为调节器第次输出值；e（k） > e（k - 1）分别为第k次和第R-1次 采样时刻的偏差值由式可知:u（k）是全量值输出，每次的输出值都与执行机 构的位置一一对应，所以称Z为位置型PID算法在这种位置型控制算法中， 由于算式中存在累加项，而且输出的控制量不仅与本次偏差有关，还与过去历次 采样偏差有关，使得产生大幅度变化，这样会引起系统冲击，甚至造成事故所 以在实际中当执行机构需要的不是控制量的绝对值，而是其增量时，可采用增量 型PID算法。

当控制系统中的执行器为步进电机、电动调节阀、多圈电位器等 具有保持历史位置的功能的这类装置时，一般均采用增量型PID控制算法4 •设计4.1总体设计系统的硬件包括微控制器部分（主机）、温度检测、温度控制、人机对话（键 盘/显示/报警）4个主要部分系统程序采用模块化设计方法，程序有主程序、中断服务子程序和各功能模 块程序组成，各功能模块可直接调用该部分电路主要包括89C51主程序的工作情况，主程序完成系统的初始化, 温度预置及其合法性检测预置温度的显示及定吋器TO的初始化设置等TO中 断服务程序是温度控制体系的主体，用于温度检测、控制和报警主程序和中断 服务子程序的流程图如图4-1所示开始图4T主程序和中断服务子程序的流程图主程序如下：TEMPI EQU 50HTEMP2 EQU TEMQ1+1STI EQU 52HST2 EQU 53H;当前检测温度（高位）;当前检测温度（低位）;预置温度（高位）;预置温度（低位）T100EQU 54H；温度BCD码显示缓冲区（百位）T10EQUT100+1；温度BCD码显示缓冲区（十位）TEQUT100+2;温度BCD码显示缓冲区（个位）BT1EQU 57H;温度二进制码显示缓冲区（高位）BT2EQU BT1+1;温度二进制码显示缓冲区（低位）ADIN0EQU 7FF8H；ADC 0809通道IN0的端口地址F0BIT PSW.5;报警允许标志TEMPIDB 00H, OOH,00H, 00H, 00H, 00H, 00H, 00H,;5OH〜58H单元初始化（清零）ORG 0000HAJMP MAIN;转主程序ORG 00BHAJMP PTO;转TO中断服务子程序ORG 0030HMAIN：MOV SP, #59H;设堆栈标志CLR F0;报警标志清零MOV TMOD, #01H;定时器0初始化（方式1）MOV TLO, #0B0H;定时器100ms定时常数MOV THO, #3CHMOV R7, #150;置15s软计数器初值SETB ETO；允许定时器0中断SETB EA;开中断SETB TRO;启动定时器0MAIN1：ACALL KIN;调键盘管理子程序ACALL DISP ；调用显示子程序OOHSJMP MAIN1PTO：MOV TLO, #OBOHMOV THO, #3CHDJNZ R7, BACKMOV R7, #150ACALL TINMOV BT1, TEMPIMOV BTO, TEMPOACALL DISP定时器0中断服务子程序PTO：;重置定时器0初值；15s到否，不到返回;重置软计数器初值；温度检测;当前温度送到显示缓冲区；显示当前温度ACALLCONTACALLALARM;温度控制;温度越限报警BACK： RETI4.2温度检测电路温度检测电路包括温度传感器、变送器和A/D转换三部分。

传感器选用型 号为WZB-003的钳热电阻，可满足本系统0-500C测量范围的要求变送器将 电阻信号转换成与温度成止比的电压，当温度在0〜500C时变送器输出0〜4.9v 左右的电压A/D转换可采用ADC0809进行，亦可采用单片机内部A/D功能进 行电路设计好后调整变送器的输出，使0〜500C的温度变化对应于0〜4.9v的输 出，则A/D转换对应的数字量位00H〜FAH,即0〜250,转换结果乘以2止好是温 度值用这种方法一方面可以减少标度变换的工作量，另一方面还可以避免标度 变换带来的计算误差本设计A/D转换采用查询方式（由P1.4查询ADC0809的ECO转换结束信 号）为提高采样的可靠性，对采样温度进行数字滤波数字滤波的方法很多， 这里采用4次采样取平均值的方法因此，4次采样的数字量之和除以2就是检 测的当前温度温度检测子程序流程图如图4・3所示图4-3温度检测子程序流程图4.3温度控制电路控制电路采用可控硅来实现，双向可控硅SCR和电路电阻丝串接在交流 220V市电回路中，单片机信号通过光电隔离器和驱动电路送到可控硅的控制端, 由端口的高低电平来控制可控硅的导通与断开，从而控制电阻丝的通电加热时 间。

将当前温度与预置温度比较，当前温度小于预置温度时，继电器闭合，接通 电阻丝加热；当前温度大于预置温度时，继电器断开，停止加热；当二者相等时 电路保持原来状态；当温度降低到比预置温度低2C时，再重新启动加热；当前 温度超出报警上下限时将启动报警，并停止加热由于电炉加热时，当前温度有 可能低于报警下限，为防止误报，在未达到预置温度时，不允许报警，为此设置 了报警允许标志位F0温度控制模块流程图见图4・4开始图4-4温度控制模块流程图4.4人机对话电路4. 4. 1键盘管理为使系统简单紧凑，键盘只设置四个功能键，分别是“启动键”、“百位”、 “十位”和“个位”由P1 口低四位作为键盘接口利用数字键可以分别对预置 温度的百位、十位和个位进行0〜500C的温度设置程序设有预置温度合法检测 报警，当预置温度超过500C时会报警并且将温度设为500Co键盘管理子程序 流程图如图4・5所示4. 4. 2数码显示本系统设有3位LED数码显示器，用于显示电阻炉的设定温度和实际温度 采用串行口扩展的静态显示电路作为显示接口电路D1SP：ACALLHTB；调用将显示数据转换成BCD码的子程序HTBMOVSCON, #00H；置串行口为方式0MOVR2,#03H；显示位数送R2MOVRO,#T100；显示缓冲区首地址送R0LD：MOVDPTR, #TAB;指向字符码表首地址MOVA, @R0;取出显示数据MOVCA, 。