計算機控制在溫度中應用

計算機控制在溫度控制中應用計算機控制在溫度控制中應用在冶金、化工、電力、造紙、機械制造和食品加工等許多生產(chǎn)過程中，人們需要對各類加熱爐、熱處理爐、反應爐和鍋爐的溫度進行檢測和控制，因此，溫度是工業(yè)控制對象中一個比較常見的被控參數(shù)。以在工業(yè)領域中應用較為廣泛的電阻爐為被控對象，采用MCS—51單片機實現(xiàn)電阻爐溫度計算機控制系統(tǒng)的設計，介紹電阻爐溫度計算機控制系統(tǒng)的組成。1.電阻爐組成及其加熱方式電阻爐是工業(yè)爐的一種，是利用電流通過電熱體元件將電能轉(zhuǎn)化為熱能來加熱或者熔化元件或物料的熱加工設備。電阻爐由爐體、電氣控制系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)組成，爐體由爐殼、加熱器、爐襯（包括隔熱屏）等部件組成。由于爐子的種類不同，因而所使用的燃料和加熱方法也不同;由于工藝不同，所要求的溫度高低不同，因而所采用的測溫元件和測溫方法也不同;產(chǎn)品工藝不同，對控溫精度要求不同，因而控制系統(tǒng)的組成也不相同。電氣控制系統(tǒng)包括主機與外圍電路、儀表顯示等。輔助系統(tǒng)通常指傳動系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等，因爐種的不同而各異。電阻爐的類型根據(jù)其熱量產(chǎn)生的方式不同，可分為間接加熱式和直接加熱式兩大類。間接加熱式電阻爐，就是在爐子內(nèi)部有專用的電阻材料制作的加熱元件，電流通過加熱元件時產(chǎn)生熱量，再通過熱的傳導、對流、輻射而使放置在爐中的爐料被加熱。直接加熱式電阻爐，是將電源直接接在所需加熱的材料上，讓強大的電流直接流過所需加熱的材料，使材料本身發(fā)熱從而達到加熱的效果。工業(yè)電阻爐，大部分采用間接加熱式，只有一小部分采用直接加熱式。由于電阻爐具有熱效率高、熱量損失小、加熱方式簡單、溫度場分布均勻、環(huán)保等優(yōu)點，應用十分廣泛。控制系統(tǒng)組成電阻爐溫度計算機控制系統(tǒng)主要由主機、溫度檢測裝置、A/D轉(zhuǎn)換器、執(zhí)行機構及輔助電路組成。系統(tǒng)中主機可以選用工業(yè)控制計算機、單片微型計算機或可編程序控制器中的一種作為控制器，再根據(jù)系統(tǒng)控制要求，選擇一種合理的控制算法對電阻爐溫度進行控制。采用熱電偶作為測溫元件，經(jīng)變送器及A/D轉(zhuǎn)換電路對測得的溫度信號進行處理，送入主機與給定值比較，按控制算法計算后輸出控制量，通過固態(tài)繼電器實現(xiàn)對電阻爐加熱功率的調(diào)節(jié)，使爐溫按設定溫度曲線變化。本系統(tǒng)還具有報警、鍵盤輸入及顯示等功能?？刂葡到y(tǒng)工作原理（1）控制系統(tǒng)主機考慮到MCS-51系列單片機已經(jīng)過長期的應用，性能比較穩(wěn)定，其功能完全可以滿足本系統(tǒng)控制要求，人們對它又比較熟悉，因此主機采用AT89C51單片機。（2）檢測裝置系統(tǒng)選用鎳鉻-鎳硅熱電偶作為測溫元件檢測爐膛中的溫度。鎳鉻-鎳硅熱電偶測溫范圍為-200～+1200℃（分度號為k）。它線性度較好，價格便宜，輸出熱電動勢較大（40μA/℃），便于測量放大器的選配。熱電偶冷端溫度補償采用集成溫度傳感器AD590。變送器采用兩級放大，第一級選用高穩(wěn)定性運放ICL7650，第二級由通用型集成運算放大器μA741構成。（3）執(zhí)行機構采用交流過零觸發(fā)型固態(tài)繼電器控制電路。這種控制方式與傳統(tǒng)的采用移相觸發(fā)電路改變晶閘管導通角的雙向晶閘管（SCR）控制方式相比，具有穩(wěn)定、可靠、先進等優(yōu)點。（4）模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D轉(zhuǎn)換器）選用AD574A模/數(shù)轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)對溫度信號的轉(zhuǎn)換。AD574A是12位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時間為25μs，轉(zhuǎn)換精度為0.05%。2.系統(tǒng)的模型參數(shù)測試理論分析和實驗結(jié)果表明，電阻爐是一個具有自平衡能力的對象，可以近似為帶有純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)。被控對象的數(shù)學模型為

G（s）=

系統(tǒng)硬件設計（1）溫度檢測電路及功率放大電路（2）AD574A模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路（3）執(zhí)行機構（4）鍵盤/顯示電路（5）存儲器擴展電路（6）報警電路（1）溫度檢測電路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，它由兩種不同的金屬或合金組成，其優(yōu)點是結(jié)構簡單，可將溫度信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，測溫范圍廣、精度高，可實現(xiàn)遠距離測量和傳送，使用穩(wěn)定、可靠，因此被廣泛應用。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行溫度補償。熱電偶冷端溫度補償采用的是集成溫度傳感器AD590，流過AD590的電流Iu=273μA+T0×1μA/℃

溫度檢測電路及功率放大電路（2）AD574A模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路A/D轉(zhuǎn)換器的選擇應滿足其分辨率要高于系統(tǒng)的精度要求，且有一定的裕量。AD574A內(nèi)部有時鐘脈沖源和基準電壓源，無需外加時鐘信號。通過改變AD574A引腳8、10、12的外接電路可使其進行單極性和雙極性模擬信號的轉(zhuǎn)換。AD574A轉(zhuǎn)換電路（3）執(zhí)行機構本系統(tǒng)采用單片機控制的固態(tài)繼電器控溫電路，其波形為完整的正弦波，對電阻爐這樣的慣性較大的被控對象，是一種穩(wěn)定、可靠、較合理的控制方法。傳統(tǒng)控制采用移相觸發(fā)電路，通過改變晶閘管導通角的大小來調(diào)節(jié)輸出功率，從而達到自動控溫的目的。這種移相方式輸出一種非正弦波，實踐表明這種控制方式產(chǎn)生相當大的中頻干擾，并通過電網(wǎng)傳輸給電力系統(tǒng)造成“公害”。

交流過零觸發(fā)型固態(tài)繼電器控制電路（4）鍵盤/顯示電路系統(tǒng)采用專用鍵盤/顯示接口芯片8279實現(xiàn)鍵盤輸入和顯示控制兩種功能。8279既可以鍵盤掃描又可以輸出動態(tài)顯示，它可以減少CPU在掃描鍵盤或刷新顯示時的負擔，同時也簡化了應用軟件的編寫。系統(tǒng)配有6位LED顯示及24鍵小鍵盤，前兩位顯示爐子編號，后四位顯示溫度實測值，選擇75451作為LED的驅(qū)動。鍵盤上設有16個數(shù)字鍵、8個功能鍵。這樣控制器運行時既可以方便地在線修改各項參數(shù)，也可設置多個控制運行命令，操作方便。AT89C51與8279的接口電路（5）存儲器擴展電路AT89C51片內(nèi)帶有4KB程序存儲器和128字節(jié)數(shù)據(jù)存儲器，如果系統(tǒng)需要存儲的程序和數(shù)據(jù)較多，那么需要進行存儲器擴展，本系統(tǒng)擴展了1片2716EPROM和1片6216RAM，使程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器容量各增加了2KB。EPROM中用來存放程序、表格及加溫曲線等，RAM中則存放上次輸入的曲線參數(shù)以及各寄存器的內(nèi)容。（6）報警電路報警電路采用的是壓電式蜂鳴器，通過單片機的P2.7口經(jīng)過驅(qū)動器驅(qū)動其發(fā)聲。壓電式蜂鳴器約需要10