基于數(shù)字PID的電加熱爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、 計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告題 目基于數(shù)字PID的電加熱爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 授課教師 蓋寧 學(xué)生姓名 學(xué) 號(hào) 專 業(yè) 教學(xué)單位 完成時(shí)間 目錄摘要.1第1章課程設(shè)計(jì)方案.1 1.1系統(tǒng)組成中體結(jié)構(gòu) .1第2章控制系統(tǒng)的建模和數(shù)字控制器設(shè)計(jì).1 2.1 數(shù)字PID控制算法.1第3章 硬件設(shè)計(jì) .4 3.1 溫度檢測及功率放大電路.4 3.2AD574A模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路.4 3.3 執(zhí)行機(jī)構(gòu).5 3.4 報(bào)警電路設(shè)計(jì) .6 3.5 設(shè)計(jì)輸入輸出通道.7第4章軟件設(shè)計(jì).8 4.1 系統(tǒng)程序流程圖.8 4.1.1 系統(tǒng)主程序框圖 .8 4.1.2 A/D轉(zhuǎn)換子程序流程圖.9 4.1.3 LED顯示流程圖

2、.10 4.1.4 報(bào)警程序流程圖.11 4.1.5數(shù)字控制算法子程序流程圖.12第5章 總結(jié)以及電路圖.12 5.1系統(tǒng)電路圖.12參考文獻(xiàn).14 基于數(shù)字PID的電加熱爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘 要：電加熱爐控制系統(tǒng)屬于一階純滯后環(huán)節(jié)，具有大慣性、純滯后、非線性等特點(diǎn)，導(dǎo)致傳統(tǒng)控制方式超調(diào)大、調(diào)節(jié)時(shí)間長、控制精度低。本設(shè)計(jì)采用PID算法進(jìn)行溫度控制，使整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)所期望的傳遞函數(shù)相當(dāng)于一個(gè)延遲環(huán)節(jié)和一個(gè)慣性環(huán)節(jié)相串聯(lián)來實(shí)現(xiàn)溫度的較為精確的控制。電加熱爐加熱溫度的改變是由上、下兩組爐絲的供電功率來調(diào)節(jié)的，它們分別由兩套晶閘管調(diào)功器供電。調(diào)功器的輸出功率由改變過零觸發(fā)器的給定電壓來調(diào)節(jié)，本設(shè)計(jì)以AT

3、89C51單片機(jī)為控制核心，輸入通道使用AD590傳感器檢測溫度，測量變送傳給ADC0809進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，輸出通道驅(qū)動(dòng)執(zhí)行結(jié)構(gòu)過零觸發(fā)器，從而加熱電爐絲。本系統(tǒng)PID算法，將溫度控制在50350范圍內(nèi)，并能夠?qū)崟r(shí)顯示當(dāng)前溫度值。 關(guān)鍵詞：電加熱爐；PID ； 功率；溫度控制；一.課程設(shè)計(jì)方案1.1 系統(tǒng)組成中體結(jié)構(gòu)電加熱爐溫度控制系統(tǒng)原理圖如下，主要由溫度檢測電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、驅(qū)動(dòng)執(zhí)行電路、顯示電路及按鍵電路等組成。系統(tǒng)采用可控硅交流調(diào)壓器，輸出不同的電壓控制電阻爐溫度的大小，溫度通過熱電偶檢測，再經(jīng)過變送器變成0 - 5 V 的電壓信號(hào)送入A/D 轉(zhuǎn)換器使之變成數(shù)字量，此數(shù)字量通過接口

4、送到微機(jī)，這是模擬量輸入通道。2.控制系統(tǒng)的建模和數(shù)字控制器設(shè)計(jì)2.1 數(shù)字PID控制算法在電子數(shù)字計(jì)算機(jī)直接數(shù)字控制系統(tǒng)中，PID控制器是通過計(jì)算機(jī)PID控制算法程序?qū)崿F(xiàn)的。計(jì)算機(jī)直接數(shù)字控制系統(tǒng)大多數(shù)是采樣-數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)。進(jìn)入計(jì)算機(jī)的連續(xù)-時(shí)間信號(hào),必須經(jīng)過采樣和整量化后，變成數(shù)字量，方能進(jìn)入計(jì)算機(jī)的存貯器和寄存器，而在數(shù)字計(jì)算機(jī)中的計(jì)算和處理，不論是積分還是微分，只能用數(shù)值計(jì)算去逼近。在數(shù)字計(jì)算機(jī)中，PID控制規(guī)律的實(shí)現(xiàn)，也必須用數(shù)值逼近的方法。當(dāng)采樣周期相當(dāng)短時(shí)，用求和代替積分，用差商代替微商，使PID算法離散化，將描述連續(xù)時(shí)間PID算法的微分方程，變?yōu)槊枋鲭x散-時(shí)間PID算法的差分方

5、程。 用矩形積分時(shí)，有 (1) 用差分代替微分 （2） 由上式得 （3） 式中 u0控制量的基值，即k=0時(shí)的控制；u(k)第k個(gè)采樣時(shí)刻的控制；KP比例放大系數(shù)；KI積分放大系數(shù)；KD微分放大系數(shù)；TS采樣周期。 式（3）是數(shù)字PID算法的非遞推形式，稱全量算法。算法中，為了求和，必須將系統(tǒng)偏差的全部過去值e(j)（j=1，2，3，. ，k）都存儲(chǔ)起來。這種算法得出控制量的全量輸出u(k)，是控制量的絕對(duì)數(shù)值。在控制系統(tǒng)中，這種控制量確定了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置，例如在閥門控制中，這種算法的輸出對(duì)應(yīng)了閥門的位置（開度）。所以，將這種算法稱為“位置算法”。當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要的不是控制量的絕對(duì)值，而是控制量

6、的增量（例如去驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)）時(shí)，需要用PID的“增量算法”。 由位置算法求出 再求出 兩式相減，得出控制量的增量算法 (4)式(4)稱為增量式PID算法。對(duì)增量式PID算法（4）歸并后，得 (5) 其中（5）已看不出是PID的表達(dá)式了，也看不出P、I、D作用的直接關(guān)系，只表示了各次誤差量對(duì)控制作用的影響。從式（5）看出，數(shù)字增量式PID算法，只要貯存最近的三個(gè)誤差采樣值e(k)，e(k-1)，e(k-2)就足夠了。3.硬件設(shè)計(jì)3.1 溫度檢測及功率放大電路本系統(tǒng)采用鎳鉻-鎳硅熱電偶檢測電阻爐中的溫度，熱電偶測溫是基于物體的熱電效 應(yīng)，它由兩種不同的金屬或合金組成，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，可將溫度信

7、號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，測溫范圍廣、精度高，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離測量和傳送，使用穩(wěn)定、可靠，因此被廣泛應(yīng)用。其不足之處是測溫精度受冷端溫度（即環(huán)境溫度）的影響，為了提高熱電偶測溫精度，需要在熱電偶冷端進(jìn)行溫度補(bǔ)償。溫度檢測電路及功率放大電路如圖所示。熱電偶冷端溫度補(bǔ)償采用的是集成溫度傳感器AD590，流過AD590的電流Iu=273A+ T01A/，式中，T0為室溫。負(fù)載電阻R3上輸出電壓UOUT= Iu R3，選擇電阻R3使UOUT在AD590允許輸入電壓范圍內(nèi)。本系統(tǒng)選擇R3=10 k。這種測量方法冷端溫度準(zhǔn)確，克服了常規(guī)方法補(bǔ)償誤差大和不方便的缺點(diǎn)。 熱電偶傳感器輸出的電壓信號(hào)較為微弱（只有幾毫伏到幾

8、十毫伏），因此在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換之前必須進(jìn)行信號(hào)變送，由高放大倍數(shù)的電路將它放大到A/D轉(zhuǎn)換器通常所要求的電壓范圍，熱電偶的輸出熱電勢為056 mV。本系統(tǒng)前級(jí)選用自穩(wěn)態(tài)高精度斬波運(yùn)放 ICL7650，輸入信號(hào)為差動(dòng)信號(hào)，放大倍數(shù)為15倍。后級(jí)運(yùn)放選用較廉價(jià)的A741，放大倍數(shù)可調(diào)，最大可達(dá)100倍，主要完成反相功能。ICL7650輸入端的鉗位二極管起保護(hù)作用，避免輸入線路發(fā)生故障時(shí)的瞬態(tài)尖峰干擾損壞運(yùn)放，輸入電壓可直接送入AD574A進(jìn)行轉(zhuǎn)換。3.2 AD574A模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路如下圖所示，AD574A工作在12位狀態(tài)，轉(zhuǎn)換值分兩次輸出，高8位從DB4DB11輸出，低4位從DB0DB3輸出，并直

9、接和單片機(jī)的數(shù)據(jù)線相連，AD574A的片選端接鎖存器的Q7端，低電平有效;CE為片選使能端，高電平有效;CS 和CE共同用于片選控制，只有當(dāng)兩個(gè)信號(hào)同時(shí)有效時(shí)，才能選中本芯片工作。A0端接鎖存器74LS373的Q1端。A0=0時(shí)啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換。R/接鎖存器74LS373的Q0端。R/=0時(shí)，啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換;R/=1時(shí)，允許讀出轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)。AT89C51的和經(jīng)“與非”門74LS00與AD574A的CE端相接。12/8接地表示AT89C51要分兩次從AD574A讀出A/D轉(zhuǎn)換的12位數(shù)字量。3.3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳統(tǒng)的SSR控制采用移相觸發(fā)電路，通過改變晶閘管導(dǎo)通角的大小來調(diào)節(jié)輸出功率，從而達(dá)到自動(dòng)控

10、溫的目的。這種移相方式輸出一種非正弦波，實(shí)踐表明這種控制方式產(chǎn)生相當(dāng)大的中頻干擾，并通過電網(wǎng)傳輸給電力系統(tǒng)造成“公害”。本系統(tǒng)采用單片機(jī)控制的固態(tài)繼電器控溫電路，其波形為完整的正弦波，對(duì)電阻爐這樣的慣性較大的被控對(duì)象，是一種穩(wěn)定、可靠、較合理的控制方法。 調(diào)功原理為:設(shè)電網(wǎng)連續(xù) N個(gè)完整的周波為一個(gè)控制周期TC，則 若在設(shè)定的控制周期TC內(nèi)控制主回路導(dǎo)通 n（nN）個(gè)完整的周波，則負(fù)載功率為 式中，U為電網(wǎng)電壓有效值; 為負(fù)載的有效電阻。因此，控制在設(shè)定周期TC內(nèi)主回路導(dǎo)通的周波數(shù) n的個(gè)數(shù)，就可調(diào)節(jié)負(fù)載的功率P。采用交流過零型固態(tài)繼電器控溫時(shí)需交流過零檢測電路，此電路輸出對(duì)應(yīng)于50 Hz交流

11、電壓過零時(shí)刻的脈沖，在交流電壓過零時(shí)刻導(dǎo)通。如圖所示是一種由兩個(gè)光電耦合器和一個(gè)單穩(wěn)態(tài)電路組成的交流過零檢測電路。 其中，GD1、GD2為光電耦合器，具有檢零和隔離功能，R10為限流電阻。在交流正半周，GD1導(dǎo)通，GD2截止，VA為低電平;在交流負(fù)半周，GD1截止，GD2導(dǎo)通，VA仍為低電平。只有在交流過零點(diǎn)時(shí)，GD1和GD2均截止，VA為高電平。VA再經(jīng)過74LS123單穩(wěn)態(tài)電路整形，得到一過零脈沖序列VB，VB波形。VB脈沖序列再與單片機(jī)P1.X輸出的觸發(fā)脈沖信號(hào)進(jìn)行“與非”運(yùn)算后得到控制信號(hào)。用它來控制固態(tài)繼電器，從而調(diào)節(jié)電阻爐溫度。 交流過零檢測電路3.4 報(bào)警電路設(shè)計(jì)正常運(yùn)行時(shí)綠燈亮

12、，在保溫階段爐內(nèi)溫度超出系統(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。如圖加熱爐報(bào)警系統(tǒng)圖3.5 設(shè)計(jì)輸入輸出通道輸入通道：因?yàn)樗氐膶?shí)際溫度在50 350，即（35050）300所以選用8位A/D轉(zhuǎn)換器，其分辨率約為1.5/字，再加放大器偏置措施實(shí)現(xiàn)。（通過調(diào)整放大器的零點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)偏置）這里采用一般中速芯片ADC0809。ADC0809是帶有8位A/D轉(zhuǎn)換器，8路多路開關(guān)以及微型計(jì)算機(jī)兼容的控制邏輯的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)通道中任意訪問一個(gè)通道的模擬信號(hào)。這種器件無需進(jìn)行零位和滿量程調(diào)整

13、。由于多路開關(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，能較長時(shí)間保證精度，重現(xiàn)性好，功耗較低，故用于過程控制是比較理想的器件。ADC0809應(yīng)用接線圖輸出通道：據(jù)其實(shí)際情況，D/A轉(zhuǎn)換器的位數(shù)可低于A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)，因?yàn)橐话憧刂葡到y(tǒng)對(duì)輸出通道分辨率的要求比輸入通道的低，所以這里采用常用的DAC0832芯片。DAC0832是8位D/A轉(zhuǎn)換器，與微處理器完全兼容。期間采用先進(jìn)的CMOS工藝，因此功耗低，輸出漏電流誤差較小。它的內(nèi)部具有兩級(jí)輸入數(shù)據(jù)緩沖器和一個(gè)R-2RT型電阻網(wǎng)絡(luò)，因DAC0832電流

14、輸出型D/A轉(zhuǎn)換芯片，為了取得電壓輸出，需在電流輸出端接運(yùn)算放大器，Rf為為運(yùn)算放大器的反饋電阻端。雙極性電壓輸出的D/A轉(zhuǎn)換電路通常采用偏移二進(jìn)制碼、補(bǔ)碼二進(jìn)制碼和符號(hào)一數(shù)值編碼。只要在單極性電壓輸出的基礎(chǔ)上再加一級(jí)電壓放大器，并配以相關(guān)電阻網(wǎng)絡(luò)就可以構(gòu)成雙極性電壓輸出。在上圖中，運(yùn)算放大器A2的作用是把運(yùn)算放大器A1的單向輸出電壓轉(zhuǎn)變?yōu)殡p向輸出。4.軟件設(shè)計(jì)4.1 系統(tǒng)程序流程圖 4.1.1 系統(tǒng)主程序框圖 4.1.2 A/D轉(zhuǎn)換子程序流程圖 4.1.3 LED顯示流程圖4.1.4 報(bào)警程序流程圖4.1.5數(shù)字控制算法子程序流程圖5.課程設(shè)計(jì)總結(jié)本系統(tǒng)選用AT89C51作為控制器，溫度檢測部分選用AD590作為傳感器，ADC0809作為A/D轉(zhuǎn)換器，過零觸發(fā)器采用光耦驅(qū)動(dòng)電路及雙向可控硅電路。通過理論推導(dǎo)和仿真驗(yàn)證，進(jìn)一步說明數(shù)字PID進(jìn)行控制時(shí)的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)優(yōu)越