计算机控制技术课程设计电加热炉温度控制系统.doc

1、东华理工学院毕业设计（论文） 目录 电加热炉温度控制系统模型 建立及控制算法 本文以电加热炉为控制对象 .通过对电加热炉对象特性的分析来确定电加热炉系统的构成及控制方案。而这里主要采用的设计方案是普通电加热炉温度控制系统模型建立及控制算法 ,对电加热炉的温度进行控制的计算机控制系统 ，所含系统结构复杂，干扰多。这个系统结构简单，实施容易。对炉温控制，采用的主要是由 8051 单片机组成系统。此外由于 PID 算法具有计算量小，控制器结果简单，静动态性能指标好等特点，则应用了 PID 控制算法。本文还建立电加热炉数学模型。此外在论文中 也介绍了史密斯预估方案，以及关于占空比，这两个问题都有在论文

2、中提到，其中史密斯预估方案对系统的稳态性能影响很大，而占空比问题也对系统温度加热时间有很大关系。出此之外，论文中还介绍了 电加热炉温度控制系统 中要运用到的主要芯片 .以及这些芯片在系统中的各自功能也都有介绍。 此论文重点讨论了 电加热炉温度控制系统系统的控制算法 ， 关键词 电加热炉；温度控制；单片机； PID 算法 ; 目录 绪论 1 1. 电加热炉温度控制系统的构成 .2 1.1 各个主要元件电加热炉温度控制系统中的功能 .2 1.2 电加热炉温度控制系统的结构框图及工作原理 .2 1.3 系统中要用的主要芯片的简介 3 1.3.1 8051 芯片简介 3 1.3.2 定时计数器 5 1

3、.3.3 锁存器 74LS373.6 1.3.4 光可控硅 6 1.3.5 8279 芯片的简介 .10 东华理工学院毕业设计（论文） 目录 1.3.6 A/D 转换器 .12 1.3.7 电源电路 .13 1.4 电加热炉温度控制系统的控制实例 14 2.电加热炉温度控制系统的控制算法 15 2.1 电加热炉温度控制系统的性能指标 15 2.2 电加热炉温度控制系统数学模型的建立 15 2.3 PID 控制器的控制算法 .16 2.3.1 PID 调节器参数对控制性能的影响 . 18 2.3.2 PID 控制系统参数设定及其控制系统的优点 . 18 2.4 电加热炉积分分离 PID 控制的仿

4、真研究 . 20 3. 控制系统的仿真实验图及分析 21 3.1 积分分离 PID 控制算法 21 3.2 占空比 .25 结论 27 致谢 28 参考文献 29 附录 1 .30 附录 249 绪论 电加热炉的出现，给人类的生活带来了很多方便，使人类不管是在生活还是在工业方面都有了很多便利之处。但是电加热炉主要应用还是在生产过程、实验室及研究所。电加热炉本身可由多组炉丝提供功率，用多组温度传感器检测炉内温度，因此电加热炉属多区温度系统。控制理论从经典理论、现代理论已经发展到更先进的控制理论，控制系统也由简单的控制系统、大系统发展到今天的复杂系统。 本文讨 论的电加热炉炉温控制系统由上下两组炉

5、丝进行加热，用上下两组热电偶检测炉温。 本文所采用的电加热炉温度控制 ， 采用的是适用于工业控制的 8051 单片机组成的控制系统。 为了降低电加热炉的成本，系统要求采用实现温度闭环控制，控制温度误差范围 5C，调节温度的超调量小于 30%，系统被测参数是温度，由单片机 PID 运算得出的控制量控制光控可控硅的导通和关断，以便切断或接通加热电源，调整电功率，从而控制电加热炉的温度稳定在设定的值上，并实时显示炉内温度，记录温度的变化过程，以更好的控制电加热炉工作。本系统较理想地解决了炉温控 制中平稳性、快速性与精度之间的矛盾。 东华理工学院毕业设计（论文） 电加热温度控制系统的构成 2 电加热炉

6、是一种将电能转换为热能，在工矿企业和日常生活中，是一种常见的设备。在社会发展的今天，电加热炉的使用，即可以提高生产效益，节约能源，也减少了环境的污染，在社会经济发展和改善人民生活质量等方面的优点早已成为社会的共识。 随着社会经济的不断发展，科技水平的进步，人民生活水平的提 4 高，将使社会带入一个新的阶段。人们对热能的需求质量越来越大，电加热炉的优越性越发的突出来，这样就出现了一个问题，由于传统的电加热炉存在一定的弊端而造成能源的浪费，导致其生产效率低，其主要原因是 缺少有效的调节设备，导致的浪费。如何解决这一问题，满足社会的需求，设计得更加科学、合理，在全国仍在探讨。并且现代电加热炉的控制方

7、法由于数学深奥、算法复杂、现场工程师难以理解和接受，因而先进控制算法的推广受到制约，为克服以上种种困难，将来的电加热炉以控制算法简单，静动态性能好的特点，有较高的实用价值和理论价值，特别是以节约能源、保护环境的方向发展。 1. 电加热温度控制系统的构成 此次设计的电阻炉温度控制系统，主要包括 8051 单片机、温度控制检测元件和变送器、 A/D 转换器、键盘与显示器、温度控制 电路和报警电路等几个部分。 1.1 各主要芯片的在电加热炉温度控制系统中的功能。 首先该系统选用性能价格比较高的适用于工业控制 MCS 51 系列单片机 8051 作为主机，具有控制方便、简单和灵活性等特点，而且可以大幅

8、度提高被控温度的技术指标，从而能大大提高产品的质量和数量。 其次是应用了 定时 /计数器。定时 /计数器控制寄存器 TCON 的作用是控制定时器的启、停，标志定时器的溢出和中断情况。 此外还应用了锁存器 74LS373。 74LS373 片内是 8个输出带三态门的 D 锁存器，缩存器中内容可以根据设置的电平的高低对内 容进行更新和保存。 还有应用到了 光控可控硅。 晶闸管又叫硅可控整流元件，常简称为可控硅不只是 用5 来进行可控整流它还可以用作无触点开关以快速接通或切断电路，实现将直流电东华理工学院毕业设计（论文） 电加热温度控制系统的构成 3 变成交流电的逆变，将一种额率的交流电变成另 种频

9、率的交流电， 8279 芯片 ， 它是一种可编程的键盘 /显示器接口芯片。它含键盘输入和显示输出两种功能。 A/D 转换器 :这里采用 ADC0809 A/D 转换器。通过一个串行三态输出端与主处理器或其外围的串行口通信，可与主机高速传输数据，可编程输出数据长度和格式。 热电偶 : 常用的热电偶有好多种，根据我们实 际所需要的，在这里我采用铂铑。这种热电偶可在 1600C 以下范围内长期工作，短期可测 1800C 的高温。 1.2 电加热炉温度控制系统的结构框图及工作原理 图 1-1 系统结构框图 工作原理：热电偶用来检测炉温，将电阻炉中的温度转变成毫伏级的电压信号，经温度变送器放大并转换成电

10、流信号。由于 A/D 转换器接受的是电压量，所以在温度变送器的输出端介入电阻网络，把得到的电流信号转换成电压信号。通过采样和 A/D转换，所检测得到的电压信号和炉温给定的电压信号都转换成 数字量送入到微型机中进行比较，其差值即为实际电炉和给定炉温间的偏差。微型机构成的数字控制器对偏差按一定的控制规律进行运算，运算结果送 D/A 转换器转换成模拟电压，经功率放大器放大后送到晶闸管调压器，触发晶闸管并改变其导通角的大小，从而控制电阻炉的加温电压，起到调节炉温的作用。 1.3 系统中要用到的主要芯片的简介 1.3.1 8051 8051 单片机包含中央处理器、程序存储器 (ROM)、数据存储器 (R

11、AM)、定时 /计数器、并行接口、串 口 接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线， 具体介绍如下 ： 软盘显示 报警显示 A/D 光控可控硅 热电偶 8051 电加热炉 变送器 东华理工学院毕业设计（论文） 电加热温度控制系统的构成 4 中央处理器：中央处理器 (CPU)是整个单片机的核心部件，是 8 位数据宽度的处理器，能处理 8位二进制数据或代码， CPU 负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。 数 据存储器 (RAM)： 8051 内部有 128 个 8 位用户数据存储单元和 128 个专用寄存器单元，它们是统一编址的，专

12、用寄存器只能用于存放控制指令数据，用户只能访问，而不能用于存放用户数据，所以，用户能使用的的 RAM 只有 128 个，可存放读写的数据，运算的中间结果或用户定义的字型表。 程序存储器 (ROM)： 8051 共有 4096 个 8 位掩膜 ROM，用于存放用户程序，原始数据或表格。 定时 /计数器 (ROM)： 8051 有两个 16 位的可编程定时 /计数器，以实现定时或计数产生中断用于控制程序转向。 并行输入输出 (I/O)口： 8051 共有 4 组 8 位 I/O 口 (P0、 P1、 P2或 P3)，用于对外部数据的传输。 全双工串行口： 8051 内置一个全双工串行通信口，用于与

13、其它设备间的串行数据传送，该串行口既可以用作异步通信收发器，也可以当同步移位器使用 。 中断系统： 8051 具备较完善的中断功能， 时钟电路： 8051 内置最高频率达 12MHz 的时钟电路，用于产生整个单片机运行的脉冲时序，但 8051 单片机需外置振荡电容 2 MCS-51 的引脚说明： 8051 采用 40Pin 封装的双列直接 DIP 结构， 下 图是它们的引脚配置， 40 个引脚中，正电源和地线两根，外置石英振荡器的时钟线两根， 4 组 8 位共 32 个 I/O 口，中断口线与 P3 口线复用。功能 如下 说明： Pin20:接地脚 Pin40:正电源脚，正常工作或对片内 EP

14、ROM 烧写程序时，接 +5V 电 源。 Pin19:时钟 XTAL1 脚，片内振荡电路的输入端。 Pin18:时钟 XTAL2 脚，片内振荡电路的输出端 。 输入输出 (I/O)引脚： Pin39-Pin32 为 P0.0-P0.7 输入输出脚 也可作为低 8 位地址总线 ， Pin1-Pin1 为P1.0-P1.7 输入输出脚， Pin21-Pin28 为 P2.0-P2.7 输入输出脚 也可作为高 8 位地址总线 ， Pin10-Pin17 为 P3.0-P3.7 输入输出脚 还具有第二功能，功能如下图所示。 Pin9:RESET/Vpd复位信号复用脚，当 8051 通电，时钟电路开始工

15、作，在 RESET 引脚上出现 24 个时钟周期以上的高电平，系统即初始复位。初始化后，程序计数器 PC指向0000H， P0-P3 输出口全部为高电平，堆栈指钟写入 07H，其它专用寄存器被清 “0” 。 RESET由高电平下降为低电平后，系统即从 0000H 地址开始执行程序。然而，初始复位不改变RAM（包括工作寄存器 R0-R7）的状态， 8051 的初始态如下表： 东华理工学院毕业设计（论文） 电加热温度控制系统的构成 5 表 1-1 8051 初始态 Pin30:ALE/PROE 当访问外部程序器时， ALE(地址锁存 )的输出用于锁存地址的低位字节。而访问内部程序存储器时， ALE

16、 端将有一个 1/6 时钟频率的正脉冲信号，这个信号可以用于识别单片机是否工作，也可以当作一个时钟向外输出。更有一个特点，当访问外部程序 存储器， ALE 会跳过一个脉冲。如果单片机是 EPROM，在编程其间，PROE 将用于输入编程脉冲。 Pin29:当访问外部程序存储器时，此 引 脚输出负脉冲选通信号， PC 的 16 位地址数据将出现在 P0和 P2 口上，外部程序存储器则把指令数据放到 P0口上，由 CPU 读入并执行 。 4 Pin31:EA/Vpp程序存储器的内外部选通线， 8051 和 8751 单片机，内置有 4kB 的程序存储器，当 EA 为高电平并且程序地址小于 4kB 时

17、，读取内部程序存储器指令数据，而超过 4kB 地址则读取外部指令数据。如 EA为低电平，则不管地址大小，一律 读取外部程序存储器指令。显然，对内部无程序存储器的 8031,EA 端必须接地。 2在编程时， EA/Vpp脚还需加上 21V 的编程电压 。 1.3.2 定时 /计数器 1）工作方式寄存器 TMOD 图 1-2 TMOD 寄存器 M1、 M0选择方式 表 1-2 M1、 M0 选择工作方式 东华理工学院毕业设计（论文） 电加热温度控制系统的构成 6 功能选择位，当为 0时，为定时器方式：当为 1 时为计数器方式。 GATE 门控位，当为 0 时，只要控制位 TR0 或 TR1 置 1

18、，即可启动响应定时器开始工作；当为 1时，除需要 TR0 或 TR1 置 1 外，还需要 或 引脚为高电平时，才能启动响应的定时器 开始工作。 TMOD 不能进行寻址，只能用字节传送指令设置工作方式。 2）定时 /计数器控制寄存器 TCON TCON 的作用是控制定时器的启、停，标志定时器的溢出和中断情况。定时器 TCON格式如下： 图 1-3 TCON 定时器 TCON.7 TF1 定时器 1溢出标志。 当定时器 1计满溢出时，由硬件 TF1 置 1，并且申请中断。进入中断服务程序后，由硬件自动清 0。 TR1 定时器 1运行控制位。当为 1 时，启动定时器 1 工作；当为 0时，关闭定时器

19、1 工作。 TF0 定时器 0 溢出标志。 TR0 定时器 0 运行控制位。操作同上。 IE1 外部 中断 1 请求标志。 IT1 外部中断 1 触发方式选择位。 IE0 外部中断 0 请求标志。 IT0 外部中断 0触发方式选择位。 1.3.3 锁存器 74LS373 74LS373 片内是 8 个输出带三态门的 D 锁存器，其结构图如下。当使能端 G 程 高电平时锁存器中的内容可以改变更新，而在返回低电平瞬间实现锁存。如此时芯片的输出控制端为 OE 低，即输出三态门打开，锁存器中的地址信息便可经由三态门输出。 74LS373 是带清除端 CLR 的 8D 触发器。它不带三态门，但 CLR

20、端为低时， 8 个 D触发器中的内容将被清除而输出全零，所以正常工作时该端应 接高电平。它在时钟端CLK 输入为上升沿时触发器中的内容更新，因此单片机的 ALE 引脚应先经反相，再与该端相连接。经过我们对他们的分析最终我们采用 74LS373。 (4) 东华理工学院毕业设计（论文） 电加热温度控制系统的构成 7 74LS373 的外部结构图如下： 图 1-4 74LS373 的外部结构图 1.3.4 光控可控硅 ： 晶闸管又叫硅可控整流元件，常简称为可控硅。普通晶闸管是一种具有三个 PN 结的四层结构的大功率半导体器件。目前，晶闸管的派生器件很多，如双向晶闸管、可关断晶闸管、光控晶闸管等，在无

21、线电技术中应用也很广泛。事实上，晶闸管不只是川来进行可控整流它还 可以用作无触点开关以快速接通或切断电路，实现将直流电变成交流电的逆变，将一种额率的交流电变成另 种频率的交流电，等等。人们常称它为电力电子器件。 1) 可控硅工作原理 可控硅是 P1N1P2N2 四层三端结构元件，共有三个 PN 结，分析原理时，可以把它看作由一个 PNP 管和一个 NPN 管所组成 。 当阳极 A加上正向电压时， BG1 和 BG2 管均处于放大状态。此时，如果从控制极 G输入一个正向触发信号， BG2 便有基流 ib2 流过，经 BG2 放大，其集电极电流ic2=2ib2 。因为 BG2 的集电极直接与 BG

22、1 的基极相连，所以 ib1=ic2。此时，电流ic2 再经 BG1 放大，于是 BG1 的集电极电流 ic1=1ib1=12ib2 。这个电流又流回到 BG2 的基极，表成正反馈，使 ib2 不断增大，如此正向馈循环的结果，两个管子的电流剧增，可控硅使饱和导通。 由于 BG1 和 BG2 所构成的正反馈作用，所以一旦可控硅导通后，即使控制极 G 的电流消失了，可控硅仍然能够维持导通状态，由于触发信号只起触发作用，没有关断功能，所以这种可控硅是不可关断的。 东华理工学院毕业设计（论文） 电加热温度控制系统的构成 8 由于可控硅只有导通和关断两种工作状态，所以它具有开关特性，这种特性需要一定的条

23、件才能转化， 如下表 表 1-3 可控硅导通和关断条件 2) 基本伏安特性 图 1-5 可控硅基本伏安特性 （ 1）反向特性 东华理工学院毕业设计（论文） 电加热温度控制系统的构成 9 当控制极开路，阳极加上反向电压时（见图 3）， J2 结正偏，但 J1、 J2 结反偏。此时只能流过很小的反向饱和电流，当电压进一步提高到 J1 结的雪崩击穿电压后，接差 J3结也击穿，电流迅速增加，图 3 的特性开始弯曲，如特性 OR 段所示，弯曲处的电压 URO 叫 “ 反向转折电压 ” 。此时，可控硅会发生永久性反向击穿。 图 1-6 阳极加反向电压 （ 2）正向特性 当控制极开路，阳极上加上正向电压时（

24、见图 1-6）， J1、 J3结正偏，但 J2结反偏，这与普通 PN 结的反向特性相似，也只能流过很小电流，这叫正向阻断状态，当电压增加，图 3 的特性发生了弯曲，如特性 OA 段所示，弯曲处的是 UBO 叫：正向转折电压 图 1-7 阳极加正向电压 由于电压升高到 J2 结的雪崩击穿电压后， J2 结发生雪崩倍增效应，在结区产生大量的电子和空穴，电子时入 N1 区，空穴时入 P2 区。进入 N1区的电子与由 P1 区通过J1 结注入 N1 区的空穴复合，同样，进入 P2 区的空穴与由 N2 区通过 J3结注入 P2 区的电子复合，雪崩击穿，进入 N1 区的电子与进入 P2区的空穴各自不能全部复合掉，这样，在 N1 区就有电子积累，在 P2 区就有空穴积累，结果使 P2 区的电位升高， N1区 的电位下降， J2结变成正偏，只要电流稍增加，电压便迅速下降，出现所谓负阻特性，见图 3的虚线 AB 段。