计算机控制技术课程设计电加热炉温度控制系统.docx
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计算机控制技术课程设计电加热炉温度控制系统
计算机控制技术课程设计电加热炉温度控制系统
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8051单片机组成系统此外由于PIDPID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
绪论1
1电加热炉温度控制系统的构成2
11各个主要元件电加热炉温度控制系统中的功能2
12电加热炉温度控制系统的结构框图及工作原理2
13系统中要用的主要芯片的简介3
com8051芯片简介3
com定时计数器5
com锁存器74LS3736
com光可控硅6
com8279芯片的简介10
comAD转换器12
com电源电路13
14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
21电加热炉温度控制系统的性能指标15
22电加热炉温度控制系统数学模型的建立15
23PID控制器的控制算法16
comPID调节器参数对控制性能的影响18
comPID控制系统参数设定及其控制系统的优点18
24电加热炉积分分离PID控制的仿真研究20
3控制系统的仿真实验图及分析21
31积分分离PID控制算法21
32占空比25
结论27
致谢28
参考文献29
附录130
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5°C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
电加热炉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AD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
11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MCS51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74LS37374LS373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°C以下范围内长期工作短期可测1800°C的高温
12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流信号由于AD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AD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DA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
13系统中要用到的主要芯片的简介
com8051
8051单片机包含中央处理器程序存储器ROM数据存储器RAM定时计数器并行接口串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
据存储器RAM8051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ROM8051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ROM8051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IO口8051共有4组8位IO口P0P1P2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MCS-51的引脚说明8051采用40Pin封装的双列直接DIP结构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IO口中断口线与P3口线复用功能说明Pin20接地脚Pin40正电源脚正常工作或对片内EPROM烧写程序时接5V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IO引脚Pin39-Pin32为P00-P07输入输出脚Pin1-Pin1为P10-P17输入输出脚Pin21-Pin28为P20-P27输入输出脚Pin10-Pin17为P30-P37输入输出脚Pin9RESETVpd复位信号复用脚当8051通电时钟电路开始工作在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0000HP0-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0RESET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Pin30ALEPROE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端将有一个16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在编程其间将用于输入编程脉冲
Pin29当访问外部程序存储器时此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Pin31EAVpp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8031EA端必须接地在编程时EAVpp脚还需加上21V的编程电压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ic2β2ib2因为BG2的集电极直接与BG1的基极相连所以ib1ic2此时电流ic2再经BG1放大于是BG1的集电极电流ic1β1ib1β1β2ib2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
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件才能转化
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
当控制极开路阳极加上反向电压时见图3J2结正偏但J1J2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
2正向特性
当控制极开路阳极上加上正向电压时见图J1J3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
这时J1J2J3三个结均处于正偏可控硅便进入正向导电状态---通态此时它的特性与普通的PN结正向特性相似见图2中的BC段
3触发导通在控制极G上加入正向电压时见图5因J3正偏P2区的空穴时入N2区N2区的电子进入P2区形成触发电流IGT在可控硅的内部正反馈作用见图2的基础上加上IGT的作用使可控硅提前导通导致图3的伏安特性OA段左移IGT越大特性左移越快
普通晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数有
1额定通态平均电流It在规定的使用条件下．阳极阴极间可以连续通过50H正弦半波电流的平均值
2正向阻断峰值电压Vdrm在门极开路不加触发信号允许重复加在晶闸管阳极和阴极之间的正向峰值电压手册规定重复率为50次／s持续时间不大于10MS称为正向阻断峰值电压Vdrm3反向阻断峰值电压Vdrm当晶闸管加反向电压处于反向阻断状态时．可以重复加在晶闸管两端的反向峰值电压手册规定重复率为50次／s重复时间不大于10MS
4门极触发电流Igt在室温下阳极与阴极间加有6v正电压时使元件完全开通所必须的最小门极直流电流
5维持电流Ih在室温和门极断路时保持元件处于通态所必需的最小通态电流
8279复位后该命令字为3FH[4]
c读FIFO传感器RAM命令字
读显示RAM命令字在读显示RAM中的数据前必须先写入命令字它的D7D6D5011是特征位D3D2D1D0是要读的起始地址与上一命令字一样D41时每次读出后地址自动加1
d写显示RAM命令字
e屏蔽与消隐命令字需要改写显示RAM中某单元的半个字节而要求不影响即屏蔽它的另半个字节时要写入次命令字需要使显示熄灭即消隐时也要写入此命令字
f清除命令字在需要清除RAM中内容等情况下写入此命令字它
g结束中断设定出错命令字它有两中功能
8279的状态字的格式为D7当执行清除命令字为1此时写显示RAM无效D6位如为1在N键依次读出方式时表示出错而在传感器方式时表示至少有一个产肝气闭合D5D4D3位分别在FIFO传感器RAM溢出已空或全满时置1D2D1D0表示FIFO传感器RAM中的字符数
8279的数据格式为在键盘方式下D7D6分别表示CNTL键和SHIFT键的状态D5D4D3表示扫描计数器的数值也即键盘的行号D2D1D0表示由RL7-RL0确定的闭合键的列号在传感器方式和选通方式时则D7-D6分别与RL7-RL0的值相对应[2]
当8279的CS为高电平时8279才进入工作状态即CS1
A01时是命令状态字假设其余的全为低电平
即为10000000000000018001H
A00时是数据口地址假设其余的全为低电平
即为10000000000000008000H
comAD转换芯片
一般常见的有四种AD转换电路其用途与性能见下表
表1-4常见4种AD转换电路用途与性能
AD转换电路性能 用途计数器式最简单价格低转换速度很慢用得少双积分式精度高能消除干扰转换速度也慢用得多多见于数字式仪表逐次逼近式转换速度快用得最多并行式转换速度最快但硬件多成本高只用于要求转换速度很快的的场合这里选用的是ADC0809转换芯片ADC0809转换芯片是8位逐次比较式AD转换芯片具有地址锁存控制的8路模拟开关应用单一5V电源其模拟量输入电路的范围为05V对应的数值量输出为00HFFH转换时间为100us无须调零或调整满量程
图1-10ADC0809芯片引脚图
ADC0809有28个引脚在精度要求不太高的情况下供电电源就用做基准电源该芯片中的START是芯片中的起动引脚其上脉冲的下降沿起动一次新的AD转换EOC是转换结束信号可用于向单片机申请中断或供单片机查询OE是输出允许端CLK是时钟端因芯片的时钟频率最高只可工作于640kHZ故通常由单片机的ALE引脚经分频后接向该引脚
com电源电路
图1-11电源电路
在此电路里稳压器7805的压降是25V偏移电流是6mA我们需要的电压是5V电路提供的电压是9V则电阻承担的电压为15V由此得
1-1
图1-12电压波形图
14电加热炉温度控制系统的控制实例
在很多行业中有大量的应用电加热设备如用于热处理的加热炉用于融化金属的干果电阻炉及各种不同用途的温箱等人们都需要对它们的温度进行监测和控制
以上是设计系统中要用的主要芯片的简介
2电加热炉控制系统的控制算法
随着现代工业的不断发展在冶金化工机械等各类工业制造中电加热炉得到了广泛的应用其温度控制具有非线性大大滞后大惯性时变性升温单向性等特点在传统的控制中遇到了极大的困难在本文中采用算法简单效果好的PID控制算法与一般的控制算法相比具有计算量小控制结果简单静动态性能较好等特点有较高的使用价值
21电加热炉温度控制系统的性能指标
在这里讨论的电加热炉炉温控制由上下两组炉丝进行加热用上下两组热电偶检测炉温为了降低电加热炉的成本炉丝采用电阻丝直接加热系统要求采用实现温度闭环控制控制温度误差范围5℃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
与电阻炉的时间常数相比晶闸管调压器温度变送器功率放大器等环节都可以简化成比例环节在设计过程中的不管用哪种方法得到控制系统的参数直接使用时控制的效果不一定很好必须结合实际调试来选择数字控制器的参数所谓的设计过程中的调试就是按照公式计算出参数的数值然后送入到微机中运行观察效果如果效果不好则对相应的值作部分修改一直调试到满意的控制效果为止调试的过程中先按比例调节规律运行比例系数由小到大地改变然后加入积分调节规律积分时间常数有大到小地改变
22系统数学模型的建立
电加热炉本身由上下两组炉丝加热用上下两组热电偶检测炉内温度因此电加热炉为一双输入双输出的受控对象由于在各类工业控制中时滞现象相当普遍对于许多大的时间常数系统也可以用适当的时间常数加纯滞后环节来近似因此可以用阶跃响应近似确定电加热炉的连续模型本文采用被控对象的数学模型为
2-1
由于电加热炉本身是一个较复杂的被控对象它具有非线性时变和分布参数等特性所以通常我们把这个双输入双输出系统分解成两个单输入单输出的系统数学模型为上式两个系统的输入输出之间的相互影响看作是干扰假设检测元件的函数模型为Hs根据反馈控制系统图可得到系统的传递函数
工作原理热电偶可将检测的温度转换成mV级的电压信号经温度变送器放大后送入AD转换器转换成数字量送入计算机与设定值进行比较经PID调节后输出驱动信号控制光控可控硅的导通与关断从而达到调节温度的目的若检测的实际值与设定值相比高则报警低则控制继续加热
图2-1反馈控制系统
图中Gs与Gcs分别为控制器和被控对象的传递函数模型其闭环传递函数为
2-2
由以上公式得到PID的传递函数
2-3
23PID控制器的控制算法
以下介绍了其中的一种积分分离PID控制的控制算法
图2-2具有积分分离的PID控制过程
连续系统PID调节器为对误差的比例积分和微分控制即
或2-5
式中TiTd分别为积分和微分时间常数KpKiKd分别为比例系数积分系数微分系数在计算机控制系统中使用的是PID数字调节器就是对式离散化令
2-6
式中T是采样周期由式与式可得2-7
式称为位置式PID控制算法
由于位置式算法输出在计算过程中容易产生积分饱和作用导致控制器的响应速度变慢而且由于积分的累积作用在手动和自动切换时很难做到无扰动切换因此人们又提出一种新的控制算法PID增量式控制算法2-8
在普通的数字PID数字控制器中引入积分环节的目的主要是为了消除静差提高精度但在过程的启动结束或大幅度增减设定植时会造成PID运算积分积累致使算得的控制量超过执行机构可能最大的动作范围所对应的极限控制量最终引起系统较大的超调甚至引起系统的振荡这是大多数工业生产所不允许的为了避免上述情况的发生才用积分分离PID控制算法及保持了积分作用又可以减小超调量使得控制性能有了较大的改善其具体实现如下
1根据实际情况设定一阈值ε0
2当ekε时也即偏差值ek比较大时采用PD控制可避免过大的超调又使系统有较快的响应
3当ek≤ε时也即偏差值ek比较小时采用PID控制可保证系统的控制精度
对于算法实现可在积分项乘一个系数ββ按下式取值
2-9
当ekε时即β0进行PD控制PD控制算法为
2-10
当ek≤ε时即β1进行PID控制PID控制算法为
2-11
comPID调节器参数对控制性能的影响
1比例控制Kp对系统性能的影响
1对动态性能的影响
比例控制Kp加大使系统的动作灵敏速度加快Kp偏大振荡次数加多调节时间加长当Kp太大时系统回趋遇不稳定若Kp太小又会使系统的动作缓慢
2对稳态性能的影响
加大比例控制Kp在系统稳定的情况下可以减小稳态误差ess提高控制精度但是加大Kp只是减少ess却不能完全消除稳态误差
2积分控制Ti对控制性能的影响
积分控制通常与比例控制或微分控制联合使用构成PI控制或PID控制
1对动态性能的影响
积分控制Ti通常使系统稳定性下降Ti太小系统将不稳定Ti偏小振荡次数较多Ti太大对系统性能的影响减少当Ti合适时过渡特性比较理想
2对稳态性能的影响
积分控制Ti能消除系统的稳态误差提高控制系统的控制精度若是太大时积分作用太弱以致不能减小稳态误差
3微分控制Td对控制性能的影响
微分控制经常与比例控制或积分控制联合作用构成PD控制或PID控制
微分控制可以改善动态特性如超调量σp减少调节时间ts缩短允许加大比例控制使稳态误差减小提高控制精度
当Td偏大时超调量σp较大调解时间较长
当Td偏小时超调量σp也较大调解时间ts也较长只有合适时可以得到比较满意的过程
comPID控制器参数
PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数积分时间和微分时间的大小PID控制器参数整定的方法很多概括起来有两大类一是理论计算整定法它主要是依据系统的数学模型经过理论计算确定控制器参数这种方法所得到的计算数据未必可以直接用还必须通过工程实际进行调整和修改二是工程整定方法它主要依赖工程经验直接在控制系统的试验中进行且方法简单易于掌握在工程实际中被广泛采用
24电加热炉积分分离PID控制的仿真研究
MATLABSIMULINK环境是一种系统仿真工具软件其使用可大大提高系统仿真和CAD的效率和可靠性SIMULINK的含义相当直观其明显地表明该软件的2个显著功能simu仿真与link连接亦即可以利用鼠标器在模型窗口上画出所需的控制系统模型然后利用SIMULINK提供的功能来对系统进行仿真或线形化分析
抗干扰能力
1为了保护电路的性能电阻全部选用精密电阻电容选用高阻抗优质电容并且进行筛选配套要求印制电路板的绝缘质量要好布线安排要合理实践证明布线的安排对电路的性能影响是明显的
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外界干扰电场磁场的影响在控制电路中设置了光电隔离电路可以防止强电和弱电共地对单片机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的防止AD输入对单片机产生的共摸干扰
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流
4微机系统应用中供电系统抗干扰是很重要的我们要在交流电源进入处采用了隔离变压器并采用电源滤波技术
5采用软件滤波法提高软件的可靠性①程序高速循环法②输出反馈表决和周期刷新③存储器使用技巧④实时诊断技术⑤数字滤波技术
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