电阻炉温度控制系统Word文件下载.docx

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对此偏差按PID规律进行调整，得出对应的控制量来控制驱动电路，调节电炉的加热功率，从而实现对炉温的控制。

利用单片机实现温度智能控制，能自动完成数据采集、处理、转换、并进行PID控制和键盘终端处理（各参数数值的修正）及显示。

在设计中应该注意，采样周期不能太短，否则会使调节过程过于频繁，这样，不但执行机构不能反应，而且计算机的利用率也大为降低；

采样周期不能太长，否则会使干扰无法及时消除，使调节品质下降。

1.2技术指标

1.温控范围：

0~500℃；

2.恒温控制：

误差为±

2℃；

3.LED实时显示，精度1℃；

4.采用直接数字控制算法。

；

5.温度超出预置温度±

5℃时发出报警。

二、方案设计

系统采用89C51作为系统的微处理器来完成对炉温的控制和键盘显示功能。

8051片内除了128KB的RAM外，片内又集成了4KB的ROM作为程序存储器，是一个程序不超过4K字节的小系统。

系统程序较多时，只需要外扩一个容量较小的程序存储器，占用的I/O口减少，同时也为键盘、显示等功能的设计提供了硬件资源，简化了设计，降低了成本。

因此89C51可以完成设计要求。

三、控制算法

3.1控制算法的确定

PID调节是连续系统中技术最成熟的、应用最广泛的一种控制算方法。

它结构灵活，不仅可以用常规的PID调节，而且可以根据系统的要求，采用各种PID的变型，如PI、PD控制及改进的PID控制等。

它具有许多特点，如不需要求出数学模型、控制效果好等，特别是在微机控制系统中，对于时间常数比较大的被控制对象来说，数字PID完全可以代替模拟PID调节器，应用更加灵活，使用性更强。

所以该系统采用PID控制算法。

系统的结构框图如图3-1所示：

图3-1系统结构框图

3.2数学模型的建立

具有一阶惯性纯滞后特性的电阻炉系统，其数学模型可表示为：

（2-1）

在PID调节中，比例控制能迅速反应误差，从而减小误差，但比例控制不能消除稳态误差，

的加大，会引起系统的不稳定；

积分控制的作用是：

只要系统存在误差，积分控制作用就不断地积累，输出控制量以消除误差，因而，只要有足够的时间，积分控制将能完全消除误差，积分作用太强会使系统超调加大，甚至使系统出现振荡；

微分控制可以使减小超调量，克服振荡，提高系统的稳定性，同时加快系统的动态响应速度，减小调整时间，从而改善系统的动态性能。

将P、I、D三种调节规律结合在一起，可以使系统既快速敏捷，又平稳准确，只要三者强度配合适当，便可获得满意的调节效果。

模拟PID控制规律为：

（2-2）

式中：

称为偏差值，可作为温度调节器的输入信号，其中

为给定值，

为被测变量值；

为比例系数；

为积分时间常数；

为微分时间常数；

为调节器的输出控制电压信号。

因为计算机只能处理数字信号，故上述数字方程式必须加以变换。

设采样周期为T，第

次采样得到的输入偏差为

，调节器的输出为

，作如下近似：

（用差分代替微分）

（用求和代替积分）

这样，式（2-2）便可改写为：

（2-3）

其中，

为调节器第

次输出值；

、

分别为第

次和第

次采样时刻的偏差值。

由式可知：

是全量值输出，每次的输出值都与执行机构的位置一一对应，所以称之为位置型PID算法。

在这种位置型控制算法中，由于算式中存在累加项，而且输出的控制量不仅与本次偏差有关，还与过去历次采样偏差有关，使得产生大幅度变化，这样会引起系统冲击，甚至造成事故。

所以在实际中当执行机构需要的不是控制量的绝对值，而是其增量时，可采用增量型PID算法。

当控制系统中的执行器为步进电机、电动调节阀、多圈电位器等具有保持历史位置的功能的这类装置时，一般均采用增量型PID控制算法。

与位置算法相比，增量型PID算法有如下优点：

（1）位置型算式每次输出与整个过程状态字有关，计算式中要用到过去偏差的累加值，容易产生较大的累积计算误差；

而在增量型算式中由于消去了积分项，从而可消除调节器的积分饱和，在精度不足时，计算误差对控制量的影响较小，容易取得较好的控制效果。

（2）为实现手动—自动无忧切换，在切换瞬时，计算机的输出值应设置为原始阀门开度，若采用增量型算法，其输出对应与阀门位置的变化部分，即算式中不出现项，所以易于实现从手动到自动得的无忧动切换。

（3）采用增量型算法时所用的执行器本身都具有寄存作用，所以即使计算机发生故障，执行器仍能保持在原位，不会对生产造成恶劣影响。

（4）不产生积分失控，所以容易获得较好的调节品质。

正因为具有上述优点，在实际控制中，增量型算法要比位置算法应用更加广泛。

利用位置型PID控制算法，可得到增量型PID控制算法的递推形式为：

（2-4）

式中，

为比例增益；

为积分系数；

为微分系数。

为了编程方便，可将式（2-4）整理成如下形式：

（2-5）

四、系统软硬件设计

4.1总体设计

系统的硬件包括微控制器部分（主机）、温度检测、温度控制、人机对话（键盘/显示/报警）4个主要部分，系统的结构框图如图4-1所示。

系统程序采用模块化设计方法，程序有主程序、中断服务子程序和各功能模块程序组成，各功能模块可直接调用。

图4-1系统结构框图

该部分电路主要包括89C51主程序的工作情况，主程序完成系统的初始化，温度预置及其合法性检测。

预置温度的显示及定时器T0的初始化设置等。

T0中断服务程序是温度控制体系的主体，用于温度检测、控制和报警。

主程序和中断服务子程序的流程图如图4-2所示。

主程序如下：

TEMP1EQU50H；

当前检测温度（高位）

TEMP2EQU51H；

当前检测温度（低位）

ST1EQU52H；

预置温度（高位）

ST2EQU53H；

预置温度（低位）

T100EQU54H；

温度BCD码显示缓冲区（百位）

T10EQU55H；

温度BCD码显示缓冲区（十位）

TEQU56H；

温度BCD码显示缓冲区（个位）

BT1EQU57H；

温度二进制码显示缓冲区（高位）

BT2EQU58H；

温度二进制码显示缓冲区（低位）

ADIN0EQU7FF8H；

ADC0809通道IN0的端口地址

F0BITPSW.5；

报警允许标志

TEMP1DB00H，00H，00H，00H，00H，00H，00H，00H，00H；

50H~58H单元初始化（清零）

ORG0000H

AJMPMAIN；

转主程序

ORG00BH

AJMPPT0；

转T0中断服务子程序

ORG0030H

MAIN：

MOVSP，#59H；

设堆栈标志

CLRF0；

报警标志清零

MOVTMOD，#01H；

定时器0初始化（方式1）

MOVTL0，#0B0H；

定时器100ms定时常数

MOVTH0，#3CH

MOVR7，#150；

置15s软计数器初值

SETBET0；

允许定时器0中断

SETBEA；

开中断

SETBTRO；

启动定时器0

MAIN1：

ACALLKIN；

调键盘管理子程序

ACALLDISP；

调用显示子程序

SJMPMAIN1定时器0中断服务子程序PT0：

PT0：

MOVTL0，#0BOH

MOVTH0，#3CH；

重置定时器0初值

DJNZR7，BACK；

15s到否，不到返回

重置软计数器初值

ACALLTIN；

温度检测

MOVBT1，TEMP1；

当前温度送到显示缓冲区

MOVBT0，TEMP0

显示当前温度

ACALLCONT；

温度控制

ACALLALARM；

温度越限报警

BACK：

RETI

图4-2主程序和中断服务子程序的流程图

4.2温度检测

温度检测电路包括温度传感器、变送器和A/D转换三部分。

传感器选用型号为WZB-003的铂热电阻，可满足本系统0~500℃测量范围的要求。

变送器将电阻信号转换成与温度成正比的电压，当温度在0~500℃时变送器输出0~4.9v左右的电压。

A/D转换可采用ADC0809进行，亦可采用单片机内部A/D功能进行。

电路设计好后调整变送器的输出，使0~500℃的温度变化对应于0~4.9v的输出，则A/D转换对应的数字量位00H~FAH,即0~250，转换结果乘以2正好是温度值。

用这种方法一方面可以减少标度变换的工作量，另一方面还可以避免标度变换带来的计算误差。

本设计A/D转换采用查询方式。

为提高采样的可靠性，对采样温度进行数字滤波。

数字滤波的方法很多，这里采用4次采样取平均值的方法。

因此，4次采样的数字量之和除以2就是检测的当前温度。

温度检测子程序流程图如图4-3所示。

图4-3温度检测子程序流程图

4.3温度控制

控制电路采用可控硅来实现，双向可控硅SCR和电路电阻丝串接在交流220V市电回路中，单片机信号通过光电隔离器和驱动电路送到可控硅的控制端，由端口的高低电平来控制可控硅的导通与断开，从而控制电阻丝的通电加热时间。

将当前温度与预置温度比较，当前温度小于预置温度时，继电器闭合，接通电阻丝加热；

当前温度大于预置温度时，继电器断开，停止加热；

当二者相等时电路保持原来状态；

当温度降低到比预置温度低2℃时，再重新启动加热；

当前温度超出报警上下限时将启动报警，并停止加热。

由于电炉加热时，当前温度有可能低于报警下限，为防止误报，在未达到预置温度时，不允许报警，为此设置了报警允许标志位F0。

温度控制模块流程图见图4-4。

图4-4温度控制模块流程图

4.4人机对话

4.4.1键盘管理

为使系统简单紧凑，键盘只设置四个功能键，分别是“启动键”、“百位”、“十位”和“个位”。

由P1口低四位作为键盘接口。

利用数字键可以分别对预置温度的百位、十位和个位进行0~500℃的温度设置。

程序设有预置温度合法检测报警，当预置温度超过500℃时会报警并且将温度设为500℃。

键盘管理子程序流程图如图4-5所示。

图4-5键盘管理子程序流程图

4.4.2数码显示

本系统设有3位LED数码显示器，用于显示电阻炉的设定温度和实际温度。

采用串行口扩展的静态显示电路作为显示接口电路。

显示子程序DISP如下：

DISP：

ACALLHTB；

调用将显示数据转换成BCD码的子程序HTB

MOVSCON,#00H；

置串行口为方式0

MOVR2,#03H；

显示位数送R2

MOVR0,#T100；

显示缓冲区首地址送R0

LD：

MOVDPTR,#TAB；

指向字符码表首地址

MOVA,@R0；

取出显示数据

MOVCA,@A+DPTR；

查表

MOVSBUF,A；

字符码送串行口

WAIT：

JBCTI,NEXT；

发送结束转下一个数据并清除中断标志

SJMPWAIT；

发送未完等待

NEXT：

INCR0；

修改显示缓冲区指针

DJNZR2,LD；

判断3位显示完否，未完继续

RET

TAB：

…；

字符码表

4.4.3报警

报警功能由蜂鸣器实现，当由于意外因素导致电阻炉温度高于设置温度时，单片机驱动蜂鸣器鸣叫报警。

报警上限温度值为预置温度+5℃，即当前温度上升到高于预置温度+5℃时报警，并停止加热；

报警下限温度值设为预置温度-5℃，即当前温度下降到低于预置温度-5℃，且报警允许时报警，这是为了防止开始从较低温度加温时误报警。

报警的同时也关闭电电炉。

图4-6为报警子程序流程图。

图4-6报警子程序流程图

五、基MATLAB仿真被控对象

采用simulink仿真，通过simulink模块实现积分分离PID控制算示。

设采样时间Ts=10s，被控对象为：

Simulink仿真图如图5-1所示。

图5-1Simulink仿真图

选择合适的Kp，Ki，Kd是系统的仿真效果趋于理想状态。

MATLAB编写程序如下：

clearall;

closeall;

ts=4;

sys=tf（[1],[30,1],'

inputdelay'

10）;

dsys=c2d（sys,ts,'

zoh'

）;

[num,den]=tfdata（dsys,'

v'

kp=13;

ki=0.4;

kd=0.2;

MATLAB仿真波形如图5-2所示。

图5-2MATLAB仿真波形

六、心得体会

一周的课程设计结束了，在这一周中我学到了很多。

这次课程设计是基于计算机控制技术而做的，它不仅仅检验了我对这门课程学习的掌握程度，同时也让我看到了我在各个方面的不足之处。

课程设计不仅是我们发现问题，解决问题的能力，同时，它更加让我们去寻找一种更适合我们学习的方法，例如我们在这次课程设计中要用到MATLAB，电路，现代控制理论等。

但这些需要用到的知识我都有或多或少的遗忘，所以我就不得不去主动的查资料，在查资料的过程中对于一些不明白的问题，我积极的问自己的同学，这样自己得以将这些自己一直不懂得知识弄懂。

同时通过这次课程设计，我不仅仅再次稳固了自己的所学过的知识，学会了怎样在实际中运用这门课程中的知识，而且，我还锻炼了自己的动手能力，极大的促进了我的自学能力。

通过这次课程设计，我懂得了理论与实际是相铺相成的关系，如果只有理论不注重实践，就会眼高手低，如果没有足够的知识，在设计中就会举步维艰，寸步难行。

[1]吴金戌,沈庆阳,郭庭吉.8051单片机实践与应用.北京:

清华大学出版社,2000.

[2]李建忠.单片机原理及应用.西安:

西安电子科技大学出版社,2001.

[3]潘新民,王燕芳.微型计算机控制技术.北京:

高等教育出版社,2001.

[4]何立民.单片机应用系统设计.北京:

北京航空航天大学出版社,2000.

[5]韩志军,沈晋源,王振波.单片机应用系统设计.北京:

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[7]周航慈.单片机程序设计基础.北京:

北京航空航天大学出版社,2000.