烤箱连续温度控制系统.docx

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烤箱连续温度控制系统

烤箱连续温度控制系统

摘要

自动控制系统在各个领域尤其是工业领域中有着及其广泛的应用，温度控制是控制系统中最为常见的控制类型之一。

随着电力电子和单片机技术的飞速发展，通过芯片对被控对象进行控制日益成为今后自动控制领域的一个重要发展方向。

随着国民经济的发展，人们需要对各种加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中温度进行监测和控制。

采用单片机来对他们控制不仅具有控制方便，简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大的提高产品的质量和数量。

传统的温度采集方法不仅费时费力，而且精度差，单片机的出现使得温度的采集和数据处理问题能够得到很好的解决。

温度是工业对象中的一个重要的被控参数。

然而所采用的测温元件和测量方法也不相同；产品的工艺不同，控制温度的精度也不相同。

因此对数据采集的精度和采用的控制方法也不相同。

传统的控制方式以不能满足高精度，高速度的控制要求。

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。

本系统所使用的加热器件是电炉丝，功率为三千瓦，要求温度在400～1000℃。

静态控制精度可以达到2.43℃。

本设计主要有四部分组成：

（1）单片机控制器设计；

（2）电力电子控制装置；（3）温度检测变送部分

1设计概述

1.1任务分析

电烤箱是一种应用广泛的食品加工设备.电烤箱本身是个热容系统,具有大纯滞后和大惯性;由于家用烤箱的外壳很薄,封闭性不好,与环境温差越大散热越快,具有非线性;同时对象的参数还受箱内食品种类和数量的影响。

电阻炉是利用电流通过电热体元件将电能转化为热能来加热或者熔化工件和物料的热加工设备。

电阻炉由炉体、电气控制系统和辅助系统组成。

炉体由炉壳、加热器、炉衬（包括隔热屏）等部件组成。

电气控制系统包括电子线路、微机控制、仪表显示及电气部件等。

辅助系统通常指传动系统、真空系统、冷却系统等，虽炉种的不同而已。

系统结构采用如下图所示。

给定

温度控制器

电气执行装置

电炉

温度检测变送器

f

图1系统结构框图

如图1所示，该系统为单闭环控制系统。

系统由控制器，执行器，被控对象，检测变送装置构成。

其中温度控制器及比较环节可以由单片机构成；电炉温度主要是由其电流来决定，因此可以利用电力电子装置组成电流可控的执行装置；检测变送器则可以用热电偶及相关信号处理电路来构成。

对于该系统而言，冷工件进入电炉加热时对电炉温度造成的影响是系统的主要干扰因素。

1.2整体方案

由单片机完成温度测量、控制，显示等功能。

用温度传感器测量温度值，其选用AD590,经过运算放大器组成的信号调理电路变成0—5V电压信号，由A/D转换器转换为数字信号，送入单片机。

单片机的数字信号经过D/A转换器转换成模拟量，由运算放大器电路变成0—5V电压信号，控制固态继电器的导通角，进而控制被控对象的输出功率。

由单片机完成温度测量、控制，显示等功能。

用温度传感器测量温度值，其选用标准铂电阻pt100,经过运算放大器组成的信号调理电路变成0—5V电压信号，由A/D转换器转换为数字信号，送入单片机。

单片机的数字信号经过D/A转换器转换成模拟量，由运算放大器电路变成0—5V电压信号，控制固态继电器的导通角，进而控制被控对象的输出功率。

2设计实现

2系统硬件设计

电烤箱温度控制系统是以MS-5l单片机为控制核心，辅以采样反馈电路，驱动电路，晶闸管主电路对电炉炉温进行控制的微机控制系统。

其系统结构框图可表示为:

系统采用单闭环形式，其基本控制原理为:

将温度设定值（即输入控制量）和温度反馈值同时送入控制电路部分，然后经过调节器运算得到输出控制量，输出控制量控制驱动电路得到控制电压施加到被控对象上，电炉因此达到一定的温度。

给定值

8051控制电路

驱动电路

电路

晶闸管

主电路

控制对象

输出

温度

采样电路

图2控制电路的设计

2.18155接口电路

8155芯片内具有256个字节的RAM，两个8位、一个16位的可编程I/O口和一个14位计数器。

它与51型单片机接口简单，是单片机应用系统中广泛使用的芯片。

图4带有I/O接口和计时器的静态RAM8155

8155用作键盘/LED显示器接口电路，当IO/

为高电平时，8155选通片内的I/O端口。

A,B,C三个口可以作为扩展的I/O口使用，MCS－51单片机的PO口与8155的AD0～AD7相连。

此时P0输出的低8位地址只有3位有效，用于片内选址，其他位无用。

使用A,B,C三个口时，首先向命令寄存器写入一个控制字以确定三个口的工作方式。

如果写入的控制字规定他们工作于方式Ⅰ或方式Ⅱ下，则这三个口都是独立的基本I/O口。

可以直接利用MOVXA,@DPTR或MOVX@DPTR,A指令完成这三个口的读/写（输入/输出）操作。

工作在方式Ⅲ或方式Ⅳ时，C口用作控制口或部分用于控制。

MCS－51单片机可以和8155直接连接，不需要任何外加电路，给系统增加了256个字节的RAM、22位I/O线及一个计数器。

当P2.0＝0且P2.1=0时，选中8155的RAM工作；在P2.0=1和P20=0时，8155选中片内三个I/O端口。

相应地址分配为：

0000H-00FFH8155内部RAM

0100H命令/状态口

0101HA口

0102HB口

0103HC口

0104H定时器低八位口

0105H定时器高八位口

2.2A/D转换电路

图5A/D转换电路图

ADC0809的IN0和变送器输出端相连，故IN0上输入的0V-+5V范围的模拟电压经A/D转换后可由8051通过程序从P0口输入到它的内部RAM单元。

首先输入地址选择信号，在ALE信号作用下，地址信号被锁存，产生译码信号，选中一路模拟量输入。

然后输入启动转换控制信号START启动转换。

转换结束，数据送三态缓冲锁存器，同时发出EOC信号。

在允许输入信号OE的控制下，再将转换结果输入到外部数据总线。

2.3温度检测

图6温度检测电路

温度的检测通常用两种方法：

热电阻和热电偶。

热电阻一般用于温度低一些的地方，而热电偶则用于温度比较高的地方。

这里是要检测电炉的温度，因此选择使用热电偶。

对于0～1000℃的温度,可以使用镍铬热电偶，分度号为EU，其输出信号为0～41.32mA，经毫伏变送器,输出0～10mA，然后再经过电流电压变换电路转换为0～5V。

为了提高控制精度，可将变送器进行零点迁移，例如温度测量范围改为400～1000℃热电偶给出16.4～41.32mA时，使变送器输出0~10mV，这样使用8位A/D转换器，能使量化误差达到±2.34℃。

为了消除误差,还必须考虑进行冷端温度补偿。

具体电路如图5所示。

2.4电阻炉

电阻炉即为该系统的被控对象。

其工作原理是将电能转化为电阻炉的热能。

根据焦耳定律可知：

其中I为流过电热丝的电流，R为电热丝电阻，t为工作时间。

很明显改变电流就可以调节电阻炉的发热功率，而且电阻炉属于纯电阻负载，要改变其电流，只需要改变它的工作电压就行了。

另外，电阻炉通常会给系统带来很大的纯滞后时间，致使系统开环相频特性相角滞后过大，造成闭环系统稳定性下降。

为了解决这一问题，通常可以采用采样控制的方式。

让控制系以一定的时间间隔Ｔ采样一次被控参数，与设定值进行比较后，经控制运算输出控制信号，然后保持该控制信号不变，保持时间Ｔ必须大于纯滞后时间

。

图7采样控制过程结构图

2.5电力电子装置

电力电子装置作为该系统的执行器，由电阻炉工作原理的分析可知，它的任务是改变供给电阻炉的电压。

这里使用的是交流调功电路的方式。

利用过零型双向晶闸管的触发特性，只有当其两端电压过零时控制端上施加触发信号，它才导通；一旦导通，只有再次过零时才被关断，针对这一特点，本系统采取了控制在M个电网周期内晶闸管导通的周期数m（0≤m≤M）的方法来控制输出平均电压。

为简单起见，可以使控制运算说的控制量u和实际导通周期m直接对应。

同步检测电路检出电网电压信号的过零点，形成过零同步信号，并接到CPU的中断请求输入端，以提供触发参考点和控制周期M的计数信号。

需要注意的是，同步检测电路和电阻炉加热回路的电源必须是同相的，以保证触发信号的同步。

、

图8过零型双向晶闸管的触发特性

驱动电路设计

为保证驱动电路可靠工作，其驱动电路应满足如下要求：

1）动态驱动能力强，能提供驱动脉冲，使加热电路迅速导通。

2）能提供适当的正向偏压和足够的反向偏压，使加热电路可靠的开通和关断。

3）有足够的输入输出电气隔离能力，使信号电路与栅极驱动电路隔离，且具有灵敏的短路、过流保护功能。

所设计的驱动电路如图9所示。

图9驱动电路工作原理电路

Q1，Q2组成功率放大电路，OUT1、OUT3来自控制电路。

该驱动电路能安全接受输入信号，在接到正确的控制信号后对加热电路进行驱动，加热电路开始工作，对外部进行加热，最大功率可达到2000W。

从而实现电烤箱的加热过程。

3系统软件设计

3.1主程序

图10主程序流程图

应当注意：

由于T0被设定为计数器方式2，初值为06H，故它的溢出中断时间为250个过零同步脉冲。

为了系统正常工作，T1中断服务程序的执行时间必须满足T0的制一时间要求，因为T1的中断是嵌套在T0中断之中的。

3.2T0中断服务程序

T0中断服务程序是温度控制系统的主程序，用于启动A/D转换器，读如数据采样，数字滤波，越权温度报警和处理，PID计算和输出可控硅的同步触发脉冲等。

P1.3引脚上输出的该同步脉冲宽度由T1计数器的溢出中断控制，8051利用等待T1溢出中断空隙时间完成把本次采样数值转换成显示值而放入显示缓冲区和调用温度显示程序，8051从T1中断服务程序返回后便可以恢复现场和返回主程序，以等待下次T0中断。

4控制过程说明

4.1环节分析

以热电偶为主要组成的温度检测变送环节，主要是用来检测电阻炉的炉温，并以电信号的形式反馈给系统，使系统构成闭环。

根据热电偶的工作原理，电阻炉炉温越高，其导体两端的电压差就越大，最后反馈给系统的电压信号也越大。

因此温度检测变送器属于正作用。

从电阻炉工作原理的分析可知，提供给电阻炉的平均工作电压越高，其平均电流就越大，根据焦耳定律，它的发热功率就越大。

因此被控对象电阻炉也属于正作用。

作为执行器的电力电子装置是一种交流调功电路，它的输出主要是由触发信号来控制的。

而触发信号是由控制器的输出信号经过处理放大后形成的，即输入越大，输出也越大。

所以执行器也是正作用。

本系统的控制器是用单片机构成的数字调节器，比较环节也有单片机来完成。

调节器的输出决定于被控参数的测量值与设定值之差，被控参数的测量值与设定值变化，对输出的作用方向是相反的。

为了使本系统构成闭环负反馈，应该选择为反作用，即随着测量值的增加，调节器的输出要随之减小；反之当测量值减小时，调节器的输出要增大。

4.2调节规律

这里使用的是经典控制中最常用的PID调节方式。

另外由于采用数字控制器，因此必须使用离散的PID控制算法。

PID控制器是指按偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）进行控制的PID控制器（亦称PID调节器）是应用最为广泛的一种自动控制器。

它具有原理简单，易于实现，适用面广，控制参数相互独立，参数的选定比较简单等优点；而且在理论上可以证明，对于过程控制的典型对象──“一阶滞后＋纯滞后”与“二阶滞后＋纯滞后”的控制对象，PID控制器是一种最优控制。

PID调节规律是连续系统动态品质校正的一种有效方法，它的参数整定方式简便，结构改变灵活（PI、PD）。

数字PID控制器的原理是将PID参量离散化。

在工业上，偏差控制又称为PID控制，这是工业控制中常用的控制形式，一般能收到令人满意的效果。

PID控制上目前包含三种比较简单的PID控制算法，分别是：

增量式算法，位置式算法，微分先行。

这三种PID算法虽然简单，但各有特点，基本上能满足一般控制的大多数要求。

本设计中草用的是增量式PID算法。

控制论告诉我们，PID控制的理想方程是：

（1.1）

式中e—测量值与给定值之间的偏差;

TD—微分时间:

T-积分时间;

KP—调节器的放大系数.

将上式离散化得到数字PID位置式算法，在位置式算法的基础之上得到数字PID增量式算法：

（1.2）

比例系数加大，使系统的动作灵敏，速度加快，稳态误差减小。

Kp偏大，振荡次数加多，调节时间加长。

Kp太大时，系统会趋于不稳定。

Kp太小，又会使系统的动作缓慢。

Kp可以选负数，这主要是由执行机构、传感器以控制对象的特性决定的。

如果Kp的符号选择不当对象状态就会离控制目标的状态越来越远，如果出现这样的情况Kp的符号就一定要取反。

积分作用使系统的稳定性下降，Ti小（积分作用强）会使系统不稳定，但能消除稳态误差，提高系统的控制精度。

微分作用可以改善动态特性，Td偏大时，超调量较大，调节时间较短。

Td偏小时，超调量也较大，调节时间也较长。

只有Td合适，才能使超调量较小，减短调节时间。

4.3干扰分析

在实际的工业生产过程之中都要求系统能够稳定的工作。

但是由于各种原因，往往会出现一些不可预料的干扰因素破坏系统原先设计好的运行状态，这就要求系统本身要有一定得抗干扰能力，能够在收到干扰的情况下自动恢复原来的工作状态。

如图1所示，冷工件进入电炉加热时对电炉温度造成的影响是系统的主要干扰因素。

工件加热的过程本身也并非是一个温度线性上升的过程。

当工件刚进入炉中时，会导致检测到的温度陡然降低很多。

此时温度检测变送装置将温度信号反馈回去，与给定值进行比较，会发现偏差的陡然增大，于是控制器输出也增大。

电力电子装置输出增大，电阻炉的加热功率也就随之增大，使得炉内温度能够尽快回到稳定值。

另外，若是由于电网波动原因，令电阻炉在每一时段内输出偏高，而造成炉温过高，经检测变送装置也会回馈到控制器上，控制器输出会随之减小，从而使输出减小，电阻炉发热功率也减小，最终使炉内恢复正常。

本系统属于单闭环控制系统。

同开环控制系统相比，闭环控制具有一系列优点。

在反馈控制系统中，不管出于什么原因（外部扰动或系统内部变化），只要被控制量偏离规定值，就会产生相应的控制作用去消除偏差。

因此，它本身就具有抑制干扰的能力，对元件特性变化不敏感，并能改善系统的响应特性。

因此闭环控制系统也是工业上应用得最多的一种控制结构。

当然对于一些特殊的场合简单的PID控制规律和单闭环结构可能也满足不了要求，这就要求使用更为复杂的控制规律和系统结构。

4.4pid控制matlab仿真及参数整定

因为是使用matlab对参数进行确定，所以可以选择稳定边界法（临界比例度法），选择的模拟控制模型如图中所示，即用一个一阶环节和一个纯比例滞后来模拟。

纯滞后时间为4（若选择大于一阶环节时间常数的纯滞后时间常数则必须采用串级、前馈控制）。

根据纯比例控制系统临界振荡试验所得数据（临界比例度Pm和振荡周期Tm），按经验公式求出调节器的整定参数。

图11电烤箱仿真原理图

首先，置调节器Ti，Td=0，比例度P较大值，将系统投入运行；再逐渐减小P，加干扰观察，直到出现等幅减振荡为止。

记录此时的临界值Pm=1.31和Tm=12。

按照稳定边界法整定参数计算表，得pid控制器的各参数p=1.36ti=6td=1.5

图12系统临界振荡时输出波形

图13参数整定后pid控制输出波形

总结体会

本设计使用无ROM的8051作为主控芯片进行控制，单片机具有集成度高，通用性好，功能强，特别是体积小，重量轻，耗能低，可靠性高，抗干扰能力强和使用方便等独特优点，在数字、智能化方面有广泛的用途。

其中的温控系统采用镍铬/镍铝热电偶，此电偶用于0℃～1000℃的温度测量范围，相应的输出电压为0mV-41.32mV.温度是工业对象中的一个重要的被控参数，在本系统中，若采用模糊控制或者神经网络及遗传算法控制，这些控制技术会大大提高控制精度，不但使控制简捷，降低了产品的成本，提高了生产效率。

我在以后的设计实验中会加以致用，取得更好的成绩。

在查阅资料的过程中，学会了许多书本上学不到的东西，并且使自己的动手能力得到了加强，这次课程设计是我们学习完《过程控制系统与仪表》之后一次较为综合的设计

通过大约两周的过控课设使我深深的感到课设的过程是艰辛的，但是收获也是巨大的。

首先，我们再一次的加深巩固了对已有的知识的理解及认识；其次，我们第一次将过程控制系统与仪表运用到了实际设计，使得所学知识在更深的层次上得到了加深。

参考文献

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