电加热炉.docx

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电加热炉

辽宁工业大学

微型计算机控制技术课程设计（论文）

题目：

电加热炉温度控制系统的设计

院（系）：

电气工程学院

专业班级：

第1章引言

微型计算机控制系统的发展是与组成该控制系统的核心部分—微型计算机的发展紧密相连的。

微型计算机和微处理器自从20世纪70年代崛起以来，发展极为迅猛：

芯片的集成度越来越高；半导体存储器的容量越来越大；控制和计算机性能，几乎每两年就提高一个数量级。

另外，大量新型接口和专用芯片不断涌现、软件的日益完善和丰富，大大扩大了微型计算机的功能，这为促进微型计算机机系统的发展创造了条件。

    目前，计算机控制技术正向智能化、网络化和集成化的方向发展。

微型计算机控制系统的发展趋势右以下几个方面：

• 以工业PC为基础的低成本工业控制自动化将成为主流。

• PLC在向微型化、网络化、PC化合开放性方向发展。

• 面向测控管一体化设计的DCS系统。

• 控制系统正向现场总线（FCS）方向发展。

• 仪器仪表技术在向数字化、智能化、网络化、微型化方向发展。

• 工业控制网络将向有线和无线相结合的方向发展。

• 工业控制软件正向先进控制方向发展。

随着工业技术的不断发展，传统的控制方式以不能满足高精度，高速度的控制要求，如温度控制表温度接触器，其主要缺点是温度波动范围大，由于他主要通过控制接触器的通断时间比例来达到改变加热功率的目的，受仪表本身误差和交流接触器的寿命限制，通断频率很低。

近几年来快速发展了多种先进的温度控制方式，如：

PID控制，模糊控制，神经网络及遗传算法控制等。

这些控制技术大大的提高了控制精度，不但使控制变得简便，而且使产品的质量更好，降低了产品的成本，提高了生产效率。

单片微型计算机的功能不断的增强，为先进的控制算法提供的载体，许多高性能的新型机种应运而生。

单片机以其功能强、体积小、可靠性高、造价低和开发周期短等优点，成为自动化领域和其他测控领域中广泛应用的器件，在工业生产中成为必不可少的器件。

在温度控制系统中，单片机更是起到了不可替代的核心作用。

像用于热处理的加热炉、用于融化金属的坩锅电阻炉等类似工业用加热炉中都可以广泛应用，随着生产的发展，在工业中，一些设备对温度的控制要求越来越高，而本文则以单片机为核心、PID算法为控制方式而设计的电加热炉温度控制系统。

第2章温度控制系统的总体设计

本文选用电加热炉为被控对象。

电加热炉是典型的工业过程控制对象,被广泛应用于冶金、化工、机械、食品等行业的工业生产和实验。

控制方法的优劣,运行效果的好坏,直接影响到产品的质量、能源的消耗、设备的生产效率。

搭建温度控制系统,其总体框图如下:

图1温度控制系统总体框图

第3章电加热炉温度控制系统硬件设计

电加热炉温度控制系统的硬件以8051单片机为核心，外扩键盘输入和LED显示温度。

电加热炉炉内的实际温度由热电偶测量并转换成毫伏级的电压信号，通过温度变送器桥路实现零点迁移和冷端补偿，经运算放大器ICL7650放大到0～5V，再经过有源低通滤波器滤波后，由A/D转换成数字量。

此数字量经数字滤波、标度转换后，一方面通过LED将炉温显示出来；另一方面，将该温度值与被控温度值进行比较，根据其偏差值的大小，采用PID控制，通过PWM脉冲调宽功率放大器控制SSR固态继电器来控制电加热炉炉丝的导通时间，就可以控制电炉丝的加热功率大小，从而控制电炉的温度及升温速度，使其逐渐趋于给定值且达到平衡。

3.1热电偶的选取

热电偶是温度测量传感器，对它的选择将直接影响检测误差的大小。

目前多选K型或S型（镍铬-镍硅）热电偶。

两者相比，K型有较好的温度—热电势的线性度，但它不适宜于长时间在高温区适用；S型有高的精度，但温度-热电势的线性度较差。

3.2A/D转换电路

A/D转换芯片采用ADC0809，其转换精度是1/256。

若电加热炉工作温度是256℃，则在（0～256）℃范围A/D的转换精度为256℃/256＝1℃/bit，即一个数字量表示1℃，这显然不能满足控制精度为±0.5℃要求。

为了提高控制精度，可以选用更高位的A/D转换器，如10位、12位、16位A/D转换器，其控值精度均能满足要求。

然而根据实际需要温度控制情况，也可以通过具有零点迁移和冷端补偿功能的温度变送桥路，缩小测温的范围，如炉温升到90℃后要求温度维持90℃基本不变，那就可以将测温范围缩小为（0～128）℃、（128～256）℃，从而使理论设计控温精度达到±0.5℃。

电路图如下图所示：

图2A/D转换电路

3.3低漂移毫伏放大电路

低漂移毫伏放大电路如图所示。

A1采用性能优良的斩波稳零运算放大器ICL7650，斩波电容C1和C2选用绝缘电阻高的聚脂薄膜电容器，由调零放大器在斩波振荡器和时钟电路控制下轮流为本身的主放大器调零。

D1和D2选用低漏流型的硅开关二极管，起保护ICL7650的作用。

A1输出信号经二阶有源低通滤波器滤波，使信噪比S/N提高，此有源滤低通滤波器的截止频率.约1.5Hz。

A2的增益为1，A2可选用μA741，A2的输出经A/D转换器转换成数字信号后读入单片机，然后由软件转换成相应的温度显示值。

图3低漂移毫伏放大电路

3.4键盘/显示电路

系统采用专用键盘/显示接口芯片8255，，实现键盘输入和显示控制两种功能。

8255芯片既可以键盘扫描又可以输出动态显示，这样可以减少CPU在扫描键盘或刷新显示时的负担，也简化了应用软件的编写。

图4键盘显示电路

3.5电源电路

电加热炉温度控制系统的电源电路设计如下图所示：

图5电源电路

第4章温度控制器软件设计

4.1控制算法的实现

以模糊控制、专家系统、神经网络等为代表的智能控制技术被广泛应用于工业控制领域,并取得了良好的效果。

智能控制技术特点是把人工智能的方法引入控制系统,利用人的实践经验、逻辑推理和自学习能力,从定性和定量相结合的方法入手,对那些因结构复杂、参数时变而难以用精确数学模型来描述的被控对象给出灵活的控制策略。

正是因为智能控制具备这些优点,本系统选用模糊控制方法来解决电加热炉的控制问题。

控制算法：

针对被控对象的特征，本系统可采用两种控制算法：

1）PID算法加针对性处理

采用增量型PID控制算式：

其中：

2）SMITH补偿算式控制

计算机实现的PID附加SMITH补偿控制系统。

如果将被对象视为带纯滞后的一阶惯性环节，即

那么SMITH补偿器的传递函数

为：

式中

为对象的增益；

为对象的时间常数；

为纯滞后时间；其相应的差分方程式为；

式中：

；

称为滞后时间常数；如果控制部分采用PID算式，可知

4.2飞升曲线法实测电加热炉参数

电加热炉是一阶惯性加纯滞后环节，传递函数为：

G（s）=Ke-τs/（1+Ts）

式中：

K—放大系数；T—对象时间常数；τ—对象滞后时间

输出从起始值到达0.632倍稳定值的时间，即为时间常数T，而滞后时间τ可直接从图中测量。

有时实测的飞升曲线有弯曲，这时可采用一阶加纯滞后的虚拟曲线来逼近，而起始部分则可定出一个等效的滞后时间τ，可在曲线斜率的折点处作一切线，与时间轴的交点认为是一阶的起点，坐标原点到一阶的起点即纯滞后时间τ，一阶的起点到切线与稳定值的交点的时间为时间常数T。

4.3软件程序结构设计

系统的软件由主程序、中断服务程序和子程序等组成。

大体说来，本程序包括设置有关标志、暂存单元和显示缓冲区清零、T0初始化、CPU开中断、温度显示和键盘扫描

等程序。

见图所示。

T0中断服务程序是温度控制系统的主体程序，用于启动数／模转换器、读入采样数据、数字滤波、越限温度报警和越限处理、PID计算和输出固态继电器SSR的触发脉冲等。

P3.0引脚上输出的该同步触发脉冲宽度由T1计数器的溢出中断控制。

8051利用等待T1溢出中断的空闲时间完成把本次采样值转换成显示值而放入显示单元缓冲区和调用温度显示程序。

8051从T1中断服务程序返回后即可恢复现场和返回主程序。

主程序流程图如图所示：

图6主程序流程图

4.4抗干扰措施

1）为了保证电路性能，电阻全部选用精密电阻，电容选用高阻抗优质电容，并进行筛选配套。

印制电路板的绝缘质量要好，布线安排要合理。

2）采用屏蔽技术、隔离技术和接地技术。

以金属材料例如铁制作的封闭金属盒具有电磁屏蔽功能，可使屏蔽盒内的电路免受电场、磁场的干扰。

将数字地、模拟地分开，

最后在电源板一点共地，可有效防止A/D输入对单片机产生的共模干扰。

3）电桥电源采用专用桥头电源变压器，整流后用大电容滤波，使桥路有一个很稳定的电压。

4）微机系统应用中供电系统干扰是很重要的。

在交流电源进入处采用隔离变压器，并采用了电源滤波技术。

第5章总结

本系统以8051单片机为核心，采用零点迁移和固态继电器控温电路，使得硬件成本降低，性能价格比提高。

此系统操作简便、抗干扰能力强、运行可靠，适合中、低温电加热炉的温度控制。

参考文献

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附录

整体电路图：