電阻爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)張飛飛

1、電3信 息鳥(niǎo)電 九工程系課程設(shè)計(jì)報(bào)告設(shè)計(jì)題目：基于pid算法的溫度控制 系另u ： 電子信息與電氣工程系年級(jí)專(zhuān)業(yè)：08級(jí)自動(dòng)化（1）班 學(xué) 號(hào)： 0805070029學(xué)生姓名：張飛飛指導(dǎo)教師：丁健2011年6月12日摘要屯阻爐在冶金工業(yè)中的運(yùn)用相當(dāng)廣泛，其溫度參數(shù)在生產(chǎn)過(guò)程中的自動(dòng)控制系統(tǒng)也 隨著微機(jī)單片機(jī)可控硅技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域的推廣、應(yīng)用，正朝著高精度、高穩(wěn)定性、 高智能化的方向發(fā)展。電阻加熱爐是典型的工業(yè)過(guò)程控制對(duì)象。其溫度控制具有升溫單 向性、大慣性、大滯后、吋變性等特點(diǎn)，且其升溫、保溫是依靠電阻絲加熱，降溫則是 依靠環(huán)境自然冷卻。溫度是工業(yè)對(duì)象中主要的被控參數(shù)之一。尤其是在冶金、化工

2、、機(jī)械各類(lèi)工業(yè)中， 廣泛使用各種加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐等。由于爐子的種類(lèi)不同，所采用的加熱方法 及燃料也不和同，如煤氣、天然氣等。但就控制系統(tǒng)木身的動(dòng)態(tài)特性而言，均屬于一階 純滯后環(huán)節(jié)，在控制算法上基本相同，可采用pid控制或其他純滯后補(bǔ)償算法。但對(duì)于 電阻加熱爐來(lái)說(shuō)，當(dāng)其溫度一旦超調(diào)就無(wú)法用控制手段使其降溫，因而很難用數(shù)學(xué)方法 建立精確模型和確定參數(shù)。而傳統(tǒng)pid控制是一種建立在經(jīng)典控制理論基礎(chǔ)上的控制策 略，其設(shè)計(jì)依賴(lài)于被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，因此對(duì)于加熱爐這類(lèi)控制對(duì)象采用傳統(tǒng)pid 的控制方案很難達(dá)到理想的控制效果。為了保證生產(chǎn)過(guò)程止常安全地進(jìn)行，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量，以及減輕工人的勞動(dòng)

3、強(qiáng)度，節(jié)約能源，對(duì)加熱用的各種電爐要求在一定條件下保持恒溫，不能隨電源電壓波 動(dòng)或爐內(nèi)物體而變化，或者冇的電爐的爐溫根據(jù)工藝要求按照某個(gè)指定的升溫或保溫規(guī) 律而變化等等。因此，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)或科學(xué)實(shí)驗(yàn)屮常常對(duì)溫度不僅要不斷地測(cè)量，而且要進(jìn)行控 制。在電阻爐溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡量考慮到如何有效地避免各種干擾因素而采 用一個(gè)較好的控制方案，選擇合適芯片及控制算法是非常有必要的木設(shè)計(jì)要用單片機(jī)設(shè) 計(jì)一個(gè)電阻爐溫度控制系統(tǒng)。關(guān)鍵詞：控制系統(tǒng)pid控制算法爐溫控制一、總體方案設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)任務(wù)：用一臺(tái)計(jì)算機(jī)及相應(yīng)的部件組成電阻爐爐溫的自動(dòng)控制系統(tǒng)，并使系統(tǒng) 達(dá)到工藝要求的性能指標(biāo)。二、硬件的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)1、

4、計(jì)算機(jī)機(jī)型：mcs- -51 8031 （不包含 rom、eprom）系統(tǒng)總線：pc總線2、設(shè)計(jì)支持計(jì)算機(jī)工作的外圍電路矩陣鍵盤(pán)技術(shù):36一 丄34-3337-31一30-29一28一279一 8llr-irdssctct* ct 九 jvcejgnres7樂(lè)a5521*1jj；圖2-1用8255接口的4x8鍵盤(pán)矩陣圖2-1為4x8矩陣組成的32鍵盤(pán)與微機(jī)接口電路。圖屮8255端口 c為行掃描口, 工作于輸出方式，端口 a工作于輸入方式，用來(lái)讀入列值。圖屮1/0 口地址必須滿足ce=0,才能選中和應(yīng)的寄存器。在每一行與列的交叉點(diǎn)接一個(gè)按鍵，故4x8共32個(gè) 鍵。溫度輸出顯示技術(shù)：led靜態(tài)顯示

5、接口技術(shù)，所謂靜態(tài)顯示，即cpu輸出顯示值后，由硬件保存輸出值,圖2-2用鎖存器連接的6位靜態(tài)顯示電路圖2-2為6位bcd碼靜態(tài)顯示電路原理圖。圖屮74ls244為總線驅(qū)動(dòng)器，6位數(shù)字 顯示共用同一組總線，每個(gè)led顯示器均配有一個(gè)鎖存器(74ls377),用來(lái)鎖存待顯示 的數(shù)據(jù)。當(dāng)被顯示的數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)總線經(jīng)74ls244傳送到各鎖存器的輸入端后，到底哪一 個(gè)鎖存器選通，取決于地址譯碼器74ls138各輸出位的狀態(tài)?？偩€驅(qū)動(dòng)器74ls244由 iow和a9控制,當(dāng)iow和a9同時(shí)為低電平時(shí),74ls244打開(kāi),將數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)傳 送到各個(gè)顯示器的鎖存器74ls377 ±o特點(diǎn)：占用機(jī)

6、時(shí)少，顯示可靠但使用元件多，且線路復(fù)雜、成本高。報(bào)警電路設(shè)計(jì)：正常運(yùn)行時(shí)綠燈亮，在保溫階段爐內(nèi)溫度超岀系統(tǒng)允差范圍，就要進(jìn)行報(bào)警。報(bào)警 時(shí)報(bào)警紅燈亮，電笛響，同時(shí)發(fā)送中斷信號(hào)至cpu進(jìn)行處理。如圖2-3正常運(yùn)轉(zhuǎn)爐溫上限報(bào)譽(yù)爐溫下限報(bào)警圖2-3加熱爐報(bào)警系統(tǒng)圖+5v3、設(shè)計(jì)輸入輸出通道輸入通道：因?yàn)樗氐膶?shí)際溫度在50350°c,即(350-50) =300所以選用8 位a/d轉(zhuǎn)換器，其分辨率約為1.5°c/字，再加放大器偏置措施實(shí)現(xiàn)。(通過(guò)調(diào)整放大器 的零點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)偏置)這里采用一般中速芯片adc0809o adc0809是帶有8位a/d轉(zhuǎn)換器, 8路多路開(kāi)關(guān)以及微型計(jì)算機(jī)兼

7、容的控制邏輯的cmos組件，其轉(zhuǎn)換方法為逐次逼近型。 8路的模擬開(kāi)關(guān)由地址鎖存器和譯碼器控制，可以在8個(gè)通道中任意訪問(wèn)一個(gè)通道的模 擬信號(hào)。這種器件無(wú)需進(jìn)行零位和滿量程調(diào)整。由于多路開(kāi)關(guān)的地址輸入部分能夠進(jìn)行 鎖存和譯碼，而且其三態(tài)ttl輸出也可以鎖存，所以它易于與微型計(jì)算機(jī)接口。其具有 較高的轉(zhuǎn)換速度和精度，受溫度影響較小，能較長(zhǎng)時(shí)間保證精度，重現(xiàn)性好，功耗較低,故用于過(guò)程控制是比較理想的器件0filabaddressdecodeo (ao4-ad15) write5v supply oground clk0evref2)eocvref(-)2-1start2“ale2-3員2-5adc08

8、08badc0809廠6c2-7vcc*n7gndno500 khi5.000v0.000v (匚ao1 ad2 圖2-4adc0809應(yīng)用接線圖interrupt> interrupt>ob7msb>db6>db5>0b4>083>db1>0600-5v> analog input range4、元器件的選擇傳感器的選擇：鉗錯(cuò)10鉗熱電偶，s型，正極性，量程o1300c,使用溫度小 于等于600°c,允茅±l5°c。執(zhí)行元件的選擇：電阻加熱爐采用晶閘管（scr）來(lái)做規(guī)律控制，結(jié)合電阻爐的具 體要求，為了減少爐

9、溫的紋波，對(duì)輸出通道采用較高的分辨率的方案，因此采用移和觸 發(fā)方式，并且由模擬觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)移相觸發(fā)。變送器的選擇：因?yàn)橄到y(tǒng)要求有偏置，乂需要對(duì)熱電偶進(jìn)行冷端補(bǔ)償，所以采用常 規(guī)的ddz系列溫度變送器。控制元件：采用雙向可控硅進(jìn)行控制，其功能和當(dāng)于兩個(gè)單向可控硅反向連接，具 有雙向?qū)üδ埽渫〝酄顟B(tài)有控制極g決定。在控制極加上脈沖可使其正向或反向?qū)?通。<? +5vt2電熱絲可控硅加熱爐控制原理圖三、數(shù)字控制器的設(shè)計(jì)1、控制算法:電阻加熱爐溫度控制系統(tǒng)框圖：.r(s)、d(z)u1- 巳-ts7/i g (s)y(z)整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)可用一個(gè)帶純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)來(lái)近似，所以其控制算法采用大林

10、/、2. 8e_40s g(s)二算法。電阻加熱爐溫度控制系統(tǒng)模型為1783+1其廣義的傳遞函數(shù)為：大林算法的設(shè)計(jì)目標(biāo)是設(shè)計(jì)一個(gè)合適的數(shù)字控制器，使整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)相e "ssg(s) = o=nt當(dāng)于一個(gè)帶冇純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)，即：ts+1通常認(rèn)為對(duì)象與一個(gè)零階保持器相串聯(lián)，相對(duì)應(yīng)的整個(gè)閉壞系統(tǒng)的脈沖傳遞函數(shù)是:g(5)=2.8嚴(yán)1785 + 1四. 軟件設(shè)計(jì)1、系統(tǒng)程序流程圖a.系統(tǒng)主程序框圖調(diào)用顯示子程序溫度大于上限設(shè)定值？y < 缶度小于下限設(shè)定值2r初始化參數(shù)設(shè)置r調(diào)用溫度采拝子程序slaw啟動(dòng)繼電器b、a/d轉(zhuǎn)換子程序流程圖c、d、數(shù)字控制算法了程序流程圖計(jì)

11、算ki*e c k) -kf*e ( k-1 )計(jì)算icd*u( k-1 )uc k) =ki*e ( k) -kp*e c k-1 ) +kd*u ( k)傳速數(shù)據(jù)為下一次采樣作準(zhǔn)備子程序返回五、完整的系統(tǒng)電路圖人機(jī)接口主機(jī)被控對(duì)歿溫度設(shè)定一打卬 vcpu單片機(jī)8031溫度顯示vi/o 接口 電路8255故障報(bào)粋v光電隔 離電路輸出鎖存器影路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)鍋爐溫度六、系統(tǒng)調(diào)試在系統(tǒng)調(diào)試過(guò)程中，將系統(tǒng)各部分硬件連接，檢測(cè)齊部分是否正確。然后就可以進(jìn) 入硬件調(diào)試，調(diào)試的主要任務(wù)是排除硬件的故障，其中包括設(shè)計(jì)錯(cuò)誤和工藝性故障，然 后在進(jìn)行軟件的調(diào)試，軟件調(diào)試時(shí)需耍檢查編程是否正確，用微型機(jī)對(duì)mcs51系列單片 機(jī)程序進(jìn)行交叉匯編。在硬件、軟件單獨(dú)調(diào)試后，即可進(jìn)入硬件、軟件聯(lián)合調(diào)試階段, 找出硬件、軟件z間不相匹配的地方，反復(fù)修改和調(diào)試，直到符合設(shè)計(jì)要求。七. 設(shè)計(jì)總結(jié)經(jīng)過(guò)一周的設(shè)計(jì)，我對(duì)這門(mén)課程有了更深的了解。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，首先要熟悉系統(tǒng) 的工藝，進(jìn)行對(duì)象的分析，要熟悉各元件的參數(shù)，按照要求確定方案。然后要進(jìn)行碩件 和軟件的設(shè)計(jì)和調(diào)試。由于沒(méi)有實(shí)際的樣機(jī)，所以不能看到系統(tǒng)的運(yùn)行結(jié)果。只能在理 論上對(duì)系統(tǒng)的結(jié)果進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，使我了解了人機(jī)交互接口技術(shù)、微型 機(jī)控制系統(tǒng)輸入/輸出接口的擴(kuò)展方法，模擬量輸入/輸出通道的設(shè)計(jì)，常用控制程序的 設(shè)