计算机课程设计--基于数字PID的电加热炉温度控制系统设计.doc

1、计算机控制讲述课程设计任务书 I 计算机控制技术课程设计任务书 题目：基于数字 PID 的电加热炉温度控制系统设计 设计内容 电阻加热炉用于合金钢产品热力特性实验，电加热炉用电炉丝提供功率，使其在预定的时问内将炉内温度稳定到给定的温度值。在木控制对象电阻加热炉功率为 8Kw ，由 220V 交流电源供电，采用双向可控硅进行控制。本设计针对一个温区进行温度控制，要求控制温度范困 50-350 ，保温阶段温度控制精度为土 l 选择和合适的传感器，计算机输出信号经转换后通过双向可控硅控制器控制加热电阻两端的电压。其对象温控数学模型为： 1)( sT eKsG dsd 其中： 时间常数 Td= 350

2、 秒 放 大 系数 Kd = 50 滞后时间 Td = 10 秒 控制算法选用 PID 控制。 设计步骤 一、总体方案设计 二、控制系统的建模和数字控制器设计 三、硬件的设计和实现 1、 选择 计算机 机型（采 用 51 内核的单片机） ； 2、 设计支持计算机 工 作的外围电路 （ EPROM , RAM 、 I/O 端 口 、键盘、显示接口电 路等） 3、设计 输入信号 接口 电路； 4、设计 D/A 转换和电流 驱动接口电路； 5、其它相关电路的设计 或方案 （ 电源、通 信等） 四、软件设计 1、 分配系统资源，编写系统初始化和主程序模块 框 图； 2 编写 A/D 转换和温度检测子程

3、序枢图 ； 3、 编写控制程序和 D/A 转换控制 子 程序模块粗图 ； 4、 其它 程序 模块（显示与键盘等处理程序）枢图。 五、编写课程设计说明书，绘制完整的系统电路图（ A3 幅面）。 课程设计说明书要求 1 课程设计说明书应书写认真字迹工稚，论文格式参考国家正式出版的 书 籍和论文编排。 2 论理正确、逻辑性强、文理通顾、层次分明、表达确切，并提出自己的见解和观点。 3 课程设计说明书应有目录、摘要、序言、主 干内容（按章节编写）、主要 结论 和参考书，附录应有系统方枢图和电路原理图。 4 课程设计说明书应包括按 上 述设计步骤进行设计的分析和思考内容和引 用 的相关知识摘要 I 摘要

4、 单片机的应用正在不断地走向深入，同时带动传统控制检测日新月益更新。在实时检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往是作为一个核心部件来使用，仅单片机方面知识是不够的，还应根据具体硬件结构，以及具体应用对象特点的软件结合，以作完善。 本设计从 和软件两方面来讲述 加热炉 动控制过程 ,在控制过程中主要应用AT89C51、 ADC0809、 LED 显 示器，通过 DS18B20 数字温度传感器采集环境温度，以单片机为核心控制部件，并通过四位数码管显示实时温度的一种数字温度计。软件方面采用汇编语言来进行程序设计，使指令的执行速度快，节省存储空间。为了便于扩展和更改，软件的设计采用模块化结构，使

5、程序设计的逻辑关系更加简洁明了，使硬件在软件的控制下协调运作。 而系统的过程则是：首先 ,通过设置按键 ,设定恒温运行时的温度值，并且用数码管显示这个温度值 .然后 ,在运行过程中将采样的温度模拟量送入 A/D 转换器中进行模拟 -数字转换，再将转换后的数字量用数码管进行显示 ，最后用单片机来控制加热器 ,进行加热或停止加热，直到能在规定的温度下恒温加热。 关键词：单片机系统；数据采集；模数转换器；温度 ；加热炉 ABSTRACT II ABSTRACT The application of SCM is to keep at the same time, traditional contro

6、l testing update on Crescent benefits. In real-time detection and automatic control system of single-chip applications, often as a single-chip core component to use only single-chip is not enough knowledge, but also the specific hardware structure and the specific features of application software ob

7、jects combine to make perfect. In this paper, both hardware and software for automatic control of water temperature on the process, in the control of the main application of the process of AT89C51, ADC0809, LED display, through the digital temperature sensor DS18B20 collecting ambient temperature to

8、 single-chip microcomputer as the core control components, and through four real-time digital display of a digital thermometer temperature. Software using assembly language for programming, so that the implementation of Directive speed, to save storage space. In order to facilitate the expansion and

9、 changes to the design of modular software structure, so that the logic of the relationship between program design more concise,Hardware software co-operation under the control of it. And systematic process is: First of all, by setting the button, set the thermostat temperature at the time of operat

10、ion, and digital display of the temperature. Then, in the running temperature of the process of sampling analog into the A / D converter in the simulation - digital converter, and then converted digital control with digital display, the last single-chip microcomputer to control the heater used for h

11、eating or stop heating until the temperature in the provisions under the constant temperature heating. Key words： Single-chip microcomputer system ； Data Acquisition； ADC；Temperature； heating furnace； 目录 III 目 录 计算机控制技术课程设计任务书 . I 摘要 . II 第一章 基 于数字 PID 的电加热炉温度控制系 统 总体设计 . 1 1.1系统总体设计 . 1 1.2 控制系统的建模

12、 . 2 1.3 数字控制器设计 . 5 第二章 数字 PID 的电加热炉温度控制系统 硬件设计 . 8 2.1主电路设计 . 8 2.1.1系统硬件结构 .8 2.1.2系统硬件 .8 2.1.3 选择计算机机型 .9 2.2控制电路设计 . 20 2.2.1显示单元 . 20 2.2.2按键控制单元 . 20 2.2.3 温度采样单元 . 21 2.2.4 电源部分 . 21 2.2.5 采样测量部分 . 22 2.2.6 驱动执行部分 . 23 第三章 数字 PID 的电加热炉温度控制系统 软件设计 .25 3.1软件结构 . 25 3.2 算法实现 . 26 3.2.1 LED显示模块

13、 . 26 3.2.2 报警模块 . 27 3.2.3 键盘模块 . 27 3.2.4 A/D 转换器模块 . 28 3.2.5 通信模块 . 28 心得体会 .30 参考书目 .31 附录 .32 第一章 基于数字 PID 的电加热炉温度控制系统总体设计 1 第一章 基于数字 PID 的电加热炉温度控制系统总体设计 1.1 系统总体设计 11 温度控制系统是比较常见和典型的过程控制系统。温度是工业生产过程中重要的被控对象参数之一，当今计算机控制技术在这方面的应用，已使温度控制系统达到自动化、智能化，比过去单纯采用电子线路进行 PID 调节的控制效果要好得多，可控性方面也有很大的提高。 温度是

14、一个非线性的对象，具有大惯性的特点，在低温段惯性较大，在高温段惯性较小。对于这种温控对象，一般认为其具有以下的传递函 数形式： 1sSKSeT （ 1 1） 采用以单片机为控制核心的控制系统，尤其对温度控制，可达到模拟控制所达不到的效果，并且实现显示和键盘设定功能，大大提高了系统的智能化。通过第一章 基于数字 PID 的电加热炉温度控制系统总体设计 2 对机内数字 PID 参数的设置对受控对象的精确控制。使得系统所没得结果的精度大大提高。 1.2 控制系统的建模 11 加热炉内水温为被控对象，循环冷却水的流量为操纵变量。根据非稳态下的 热平衡方程可得到： Q= UA（ T -T a） +MCd

15、TdT （ 1-2） Q-发热量， U-总传热系数， A-传热面积， Ta -冷却水平均温度， T-加热炉内水温， M-炉内水的质量， C-水的比热容 把式 2-1 整理成一阶时滞模型的形式，即 M C d T QT + T aU A d T U A（ 1-3） MCUA 由稳态热平衡方程，利用对数平均温差的关系式： U A T - T i T - T o T - T iQ = F C l n T - T ol n T - T i T - T o （ 1-4） F 冷却水流量， Ti 冷却水入口温度 To 冷却水出口温度 T-TiUA=FC ln T-To（ 1-2） F T i F c T

16、c + F -F c T o （ 1-5） FcT i=T o- T o-T c F（ 1-6） Q=F cCc To-Tc（ 1-7） dT + T = K o F t- odt（ 1-8） 将上式进行拉氏变换，得到了过程传递函数为： - o STs KoG o S = = eF s s 1 （ 1-9） 选择锅炉的高为和 h=400mm，直径 D=200mm，则传热面积 A=0.5024 体积 V=0.0293 3m 。冷却水入口温度 T i=20 ，冷却水出口温度 T o=50 。 第一章 基于数字 PID 的电加热炉温度控制系统总体设计 3 带入已知参数如下： 水的比热容： C 4.1

17、868 3 -1 -110 J Kg K 水的传热系数 ： U0.6W/mK 水的密度：31000kg m 炉内水的质量： 2DM = V = ( ) h = 7 5 .3 6 k g2 3M C 4 . 1 8 6 8 1 0= = 1 0 0 = 4 0 7 . 0 5A U 6 0 0 3C 4 . 1 8 6 8 1 0K o = = = 1 3 . 8 9U A 6 0 0 0 . 1 6 3 . 1 4 30K o 1 3 .8 9G ( s ) = s + 1 4 0 7 1t o s sees 根据 以上数学模型，在 MATLAB 中进行仿真 7。首先创建 M 文件，输入Mat

18、lab 仿真程序： clc； clear； sysl=tf（ 13.89,407,1,ioDelay,30 ）； step（ sys1） 然后保存并且运行，可 加热炉 以得到 对象的响应曲线为下图所示。 第一章 基于数字 PID 的电加热炉温度控制系统总体设计 4 图 1-2 加热炉温度对象开环阶跃响应曲线 根据以上数学模型，打开 Matlab 中的 Simulink 模块，选用数字 PID 控制，完成各组件连接。 图 1-3 单闭环控制回路 采用工程整定经验法 10，设置 PID 的三个参数，如下图 图 1-4 PID 三个参数 阶跃响应闭环控制效果图如下 第一章 基于数字 PID 的电加热

19、炉温度控制系统总体设计 5 图 1-5 PID 控制阶跃响应曲线 由上述仿真图可看出，采用数字 PID控制对电加热炉温度对象进行闭环单回路控制滞后较大，控制效果不是非常理想，故考虑对其进行串级控制。 1.3 数字控制器设计 增量式 PID 控制算法公式为： 1211121222( 1 ) ( 1 )k k kk k k p k k k did d dp k p k p kik k ke e eTU u u K e e e TTTT T TTK e K e K eT T T TA e B e C e 其中： (1 )2(1 )dpidpdpTTAKTTTBKTTCKT 第一章 基于数字 PID 的电加热炉温度控制系统总体设计 6 由上式可以看出，如果计算机控制系统采用恒定的采样周期 T，一旦确定A,B,C,k 只要使用前后三资测量的偏差值，就可以由上式求出控制量。 增量式 PID 控制算法与位置式 PID 算法相比，计算量小得多，因此在实际中得到广泛的应用。 Typedef struct PID Int setpoint; Long sumerror; Double proportion; Double integral; Double derivative; Int preverror;