基于PID算法的電加熱爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、1-2課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)及評(píng)語院（系）：電氣工程學(xué)院教研室：自動(dòng)化號(hào) 學(xué)課程設(shè)計(jì)(論文)任務(wù)H*g fi/- /I 也象溝 1 2 3 4 5 nm 空三 對(duì)應(yīng)值 制相度進(jìn)度計(jì)劃、1 / 任彬隹?jī)?cè)田天 置 八441 JJ 布被聲仿茅辯撰答 、 、 、 、 、 、 1 2 3 4 5 6指導(dǎo)教師評(píng)語及成績(jī)?nèi)帐略聰M年 答 刊總注：成績(jī)：平時(shí)20%論文質(zhì)量60%答辯20%以百分制計(jì)算沁、旳1-3電加熱爐隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)水平的提高，己經(jīng)在冶金、化工、 機(jī)械等各類工業(yè)控制中得到了廣泛應(yīng)用，并且在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有舉足輕重的地位。 對(duì)于這樣一個(gè)具有非線性、大滯后、大慣性、時(shí)變性、升溫單向性等特點(diǎn)

2、的控制 對(duì)象，很難用數(shù)學(xué)方法建立精確的數(shù)學(xué)模型，因此用傳統(tǒng)的控制理論和方法很難 達(dá)到好的控制效果。電加熱爐加熱溫度的改變是由上、下兩組爐絲的供電功率來調(diào)節(jié)的，它們分 別由兩套晶閘管調(diào)功器供電。調(diào)功器的輸出功率由改變過零觸發(fā)器的給定電壓來 調(diào)節(jié)，本設(shè)計(jì)以AT89C51單片機(jī)為控制核心，輸入通道使用AD590傳感器檢測(cè) 溫度，測(cè)量變送傳給ADC0809進(jìn)行AQ轉(zhuǎn)換，輸出通道驅(qū)動(dòng)執(zhí)行結(jié)構(gòu)過零觸發(fā) 器，從而加熱電爐絲。本系統(tǒng)PID算法，將溫度控制在50350C范圍內(nèi)，并能 夠?qū)崟r(shí)顯示當(dāng)前溫度值。關(guān)鍵詞：電加熱爐；功率；溫度范圍；PIDIV第1章緒論1第2章課程設(shè)計(jì)方案22. 1概述22. 2系統(tǒng)組成總

3、體結(jié)構(gòu)3第3章硬件設(shè)計(jì)43. 1器件選擇43. 2控制器43. 3電源部分43.4輸入通道設(shè)計(jì)53. 4.1溫度檢測(cè)電路53. 4.2 A/D轉(zhuǎn)換電路53.5輸出通道設(shè)計(jì)63. 6鍵盤的選取7第4章軟件設(shè)計(jì)84. 1系統(tǒng)流程圖84.2 PID算法流程圖94. 3程序流程圖10第5章系統(tǒng)測(cè)試與分析/實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析12第6章課程設(shè)計(jì)總結(jié)13參考文獻(xiàn)14第1章緒論電加熱爐在化工、冶金等行業(yè)應(yīng)用廣泛，因此溫度控制在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研 究中具有重要意義。其控制系統(tǒng)屬于一階純滯后環(huán)節(jié)，具有大慣性、純滯后、非 線性等特點(diǎn)，導(dǎo)致傳統(tǒng)控制方式超調(diào)大、調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng)、控制精度低。采用單片機(jī) 進(jìn)行爐溫控制，具有電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)

4、單、精度高、控制效果好等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)提高生產(chǎn)效 率、促進(jìn)科技進(jìn)步等方面具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。常規(guī)的溫度控制方法以設(shè)定溫度為臨界點(diǎn)，超出設(shè)定允許范圍即進(jìn)行溫度調(diào) 控：低于設(shè)定值就加熱，反之就停止或降溫。這種方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、成本低，但控 制效果不理想，控制溫度精度不高、容易引起震蕩，達(dá)到穩(wěn)定點(diǎn)的時(shí)間也長(zhǎng)，因 此，只能用在精度要求不高的場(chǎng)合。電加熱爐是典型的工業(yè)過程控制對(duì)象，在我國(guó)應(yīng)用廣泛。電加熱爐的溫度控 制具有升溫單向性，大慣性，大滯后，時(shí)變性等特點(diǎn)。其升溫、保溫是依靠電阻 絲加熱，降溫則是依靠環(huán)境自然冷卻。當(dāng)其溫度一旦超調(diào)就無法用控制手段使其 降溫，因而很難用數(shù)學(xué)方法建立精確的模型和確定參數(shù)，應(yīng)用傳統(tǒng)

5、的控制理論和 方法難以達(dá)到理想的控制效果。本設(shè)計(jì)采用達(dá)林算法進(jìn)行溫度控制，使整個(gè)閉環(huán) 系統(tǒng)所期望的傳遞函數(shù)相當(dāng)于一個(gè)延遲環(huán)節(jié)和一個(gè)慣性環(huán)節(jié)相串聯(lián)來實(shí)現(xiàn)溫度的 較為精確的控制。單片機(jī)作為控制系統(tǒng)中必不可少的部分，在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，用 單片機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理和控制，保證系統(tǒng)工作在最佳狀態(tài)，提高系統(tǒng)的控 制精度，有利于提高系統(tǒng)的工作效率。第2章課程設(shè)計(jì)方案2.1概述加熱爐是典型的工業(yè)過程控制對(duì)象，在我國(guó)應(yīng)用廣泛。電加熱爐的溫度控制 具有升溫單向性，大慣性，大滯后，時(shí)變性等特點(diǎn)。其升溫、保溫是依靠電阻絲 加熱，降溫則是依靠環(huán)境自然冷卻。當(dāng)其溫度一旦超調(diào)就無法用控制手段使其降 溫，因而很難

6、用數(shù)學(xué)方法建立精確的模型和確定參數(shù)，應(yīng)用傳統(tǒng)的控制理論和方 法難以達(dá)到理想的控制效果。本設(shè)計(jì)釆用PLD算法進(jìn)行溫度控制，使整個(gè)閉環(huán)系 統(tǒng)所期望的傳遞函數(shù)相當(dāng)于一個(gè)延遲環(huán)節(jié)和一個(gè)慣性環(huán)節(jié)相串聯(lián)來實(shí)現(xiàn)溫度的較 為精確的控制。在用PID算法進(jìn)行控制時(shí)，需要對(duì)參數(shù)進(jìn)行整定，從達(dá)林算法表達(dá)式可知， 參數(shù)的確定十分重要，其大小反映了表達(dá)式中差值與輸出值的不同權(quán)重之分及制 約關(guān)系。2.2系統(tǒng)組成總體結(jié)構(gòu)電加熱爐溫度控制系統(tǒng)原理圖如圖2.1,主要由溫度檢測(cè)電路、AQ轉(zhuǎn)換電路、 驅(qū)動(dòng)執(zhí)行電路、顯示電路及按鍵電路等組成。系統(tǒng)釆用可控硅交流調(diào)壓器，輸出不同的電壓控制電阻爐溫度的大小，溫度 通過熱電偶檢測(cè)，再經(jīng)過變送

7、器變成0 -5V的電壓信號(hào)送入A/D轉(zhuǎn)換器使之變 成數(shù)字量，此數(shù)字量通過接口送到微機(jī)，這是模擬量輸入通道。顯 示AT89C51溫度檢測(cè)AD590圖2. 1電加熱爐溫度控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖第3章硬件設(shè)計(jì)3. 1器件選擇本系統(tǒng)選用AT89C51作為控制器，溫度檢測(cè)部分選用AD590作為傳感器,ADC0809作為A/D轉(zhuǎn)換器，過零觸發(fā)器采用光耦驅(qū)動(dòng)電路及雙向可控硅電路。、3.2控制器控制器選擇AT89C51單片機(jī)。引腳圖如圖2.2:I I I U1I I I I I I I I I I I I I I I I123456781312廣、151431191891716INT1 INTOT1TOEA?V

8、PXIX2RESETRDWR39C51012345671A 1A 11 11 1A 1A 11 1APPPPPPPP01234567OOOOOOOOPPPPPPPP0123456722222222PPPPPPPPRZDTXD ALE/P PSEN21222324251130A2$圖3.1AT89C51引腳圖3. 3電源部分本系統(tǒng)所需電源有220V交流市電、直流5V電壓和低壓交流電，故需要變壓 器、整流裝置和穩(wěn)壓芯片等組成電源電路。電源變壓器是將交流電網(wǎng)220V的電 壓變?yōu)樗枰碾妷褐?，然后通過整流電路將交流電壓變?yōu)槊}動(dòng)的直流電壓。由 于此脈動(dòng)的直流電壓還含有較大的紋波，必須通過濾波電路加以濾

9、除，從而得到 平滑的直流電壓。但這樣的電壓還隨電網(wǎng)電壓波動(dòng)(一般有+-10%左右的波動(dòng))、 負(fù)載和溫度的變化而變化。因而在整流、濾波電路之后，還需要接穩(wěn)壓電路。穩(wěn) 壓電路的作用是當(dāng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)、負(fù)載和溫度變化時(shí)，維持輸出直流電壓穩(wěn)定。整流裝置釆用二極管橋式整流，穩(wěn)壓芯片采用7805,配合電容將電壓穩(wěn)定在5V, 供控制電路、測(cè)量電路和動(dòng)執(zhí)行電路中弱電部分使用。除此之外，220V交流市電 還是加熱電阻兩端的電壓，通過控制雙向可控硅的導(dǎo)通與截止來控制加熱電阻的 功率。低壓交流電即變壓器二次側(cè)的電壓，通過過零檢測(cè)電路檢測(cè)交流電的過零 點(diǎn)，送入單片機(jī)后，控制每個(gè)釆樣周期內(nèi)雙向可控硅導(dǎo)通正弦波個(gè)數(shù)的方法來

10、調(diào) 節(jié)加溫功率。3. 4輸入通道設(shè)計(jì)3. 4. 1溫度檢測(cè)電路溫度檢測(cè)元件選用溫度傳感器AD590o AD590是美國(guó)ANALOG DEVICES 公司的單片集成兩端感溫電流源。其主要特性如下：流過器件的電流(u A)等于器件所處環(huán)境的熱力學(xué)溫度(開爾文)度數(shù)：Ii/T=l式中，Ir一流過器件(AD590)的電流，單位為nA； T-熱力學(xué)溫度，單位為 K；AD590的測(cè)溫范圍為十50C十35OC；(3) AD590的電源電壓范圍為430 V,可以承受44V正向電壓和20V反向 電壓，因而器件即使反接也不會(huì)被損壞；(4) 輸出電阻為710mQ;(5) 精度高，AD590在50C350C范圍內(nèi)，非

11、線性誤差僅為土0.3C。3. 4. 2 A/D轉(zhuǎn)換電路ADC0809是一個(gè)典型的逐次逼近型8位AQ轉(zhuǎn)換器。它由8路模擬開關(guān)、8 位AQ轉(zhuǎn)換器、三態(tài)輸出鎖存器及地址鎖存譯碼器等組成。它允許8路模擬量分 時(shí)輸入，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量輸出是三態(tài)的(總線型輸出)，可以直接與單片機(jī)數(shù)據(jù)總 線連接c ADC0809采用+5V電源供電，外接工作時(shí)鐘。當(dāng)?shù)湫凸ぷ鲿r(shí)鐘為500KHz 時(shí)，轉(zhuǎn)換時(shí)間約為128uso要處理好模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)的雙向轉(zhuǎn)換，我們需要 一個(gè)轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)信號(hào)的轉(zhuǎn)換，采用ADC0809和DAC0832轉(zhuǎn)換器。ADC0809是 采樣頻率為8位的、以逐次逼近原理進(jìn)行模一數(shù)轉(zhuǎn)換的器件。其內(nèi)部有一個(gè)8通 道多

12、路開關(guān)，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號(hào)，只選通8路模擬輸入信號(hào)中 的一個(gè)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。DAC0832是8位分辨率的D/A轉(zhuǎn)換集成芯片。3. 5輸出通道設(shè)計(jì)輸出通道采用過零觸發(fā)器，由光耦驅(qū)動(dòng)電路和雙向可控硅電路組成。(1) 光耦驅(qū)動(dòng)電路在驅(qū)動(dòng)電路中，由于是弱電控制強(qiáng)電，而弱電乂很容易受到強(qiáng)電的干擾，影 響系統(tǒng)的工作效率和實(shí)時(shí)性，其至燒毀整個(gè)系統(tǒng)，導(dǎo)致不可挽回的后果，因此必 須要加入抗干擾措施，將強(qiáng)弱電隔離。光耦合器是靠光傳送信號(hào)，切斷了各部件 之間地線的聯(lián)系，從根本上對(duì)強(qiáng)弱電進(jìn)行隔離，從而可以有效地抑制掉干擾信號(hào)。 此外，光耦合器提供了較好的帶寬，較低的輸入失調(diào)漂移和增益溫度系數(shù)。因此, 能

13、夠較好地滿足信號(hào)傳輸速度的要求，且光耦合器非常容易得到觸發(fā)脈沖，具有 可靠、體積小、等特點(diǎn)。所以在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用了帶過零檢測(cè)的光電隔離器 MOC3061,用來驅(qū)動(dòng)雙向可控硅并隔離控制回路和主回路。MOC3061是一片把過 零檢測(cè)和光耦雙向可控硅集成在一起的芯片。其輸出端的額定電壓是400V,最大 重復(fù)浪涌電流為1.2A,最大電壓上升率dv/dt為lOOOv/us,輸入輸出隔離電壓為 7500V,輸入控制電流為15niAc在驅(qū)動(dòng)執(zhí)行電路中，當(dāng)單片機(jī)的P2.0、P2.1、P2.2發(fā)出邏輯數(shù)字量為高電平時(shí), 經(jīng)過三極管放大后驅(qū)動(dòng)光耦合器的放光二極管，MOC3061的輸入端導(dǎo)通，有大約 15mA的電

14、流輸入。當(dāng)MOC306的輸出端6腳和4腳尖電壓稍稍過零時(shí)，光耦內(nèi)部雙 向可控硅即可導(dǎo)通，提供一個(gè)觸發(fā)信號(hào)給外部晶閘管使其導(dǎo)通；當(dāng)P2.0、P2.1、P2.2 為低電平時(shí)，MOC3061截止，雙向可控硅始終處于截止?fàn)顟B(tài)。(2) 雙向可控硅電路在本設(shè)計(jì)中，考慮到電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定和現(xiàn)在市場(chǎng)上銷售的雙向可控硅型號(hào)， 選擇了工作電壓為400V,通態(tài)電流為4A的雙向可控硅BT136o利用單片機(jī)控制雙 向可控硅的導(dǎo)通角。在不同時(shí)刻利用單片機(jī)給雙向可控硅的控制端發(fā)出觸發(fā)信號(hào), 使其導(dǎo)通或關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)負(fù)載電壓有效值的不同，以達(dá)到調(diào)壓控制的目的。具體如 下：(a) 由硬件完成過零觸發(fā)環(huán)節(jié)，即在工頻電壓下，每10ms進(jìn)

15、行一次過零觸發(fā) 信號(hào)，由此信號(hào)來達(dá)到與單片機(jī)的同步。(b) 過零檢測(cè)信號(hào)接至P1.5轉(zhuǎn)換口，由單片機(jī)對(duì)此口進(jìn)行循環(huán)檢測(cè)，然后進(jìn) 行延時(shí)觸發(fā)。3. 6鍵盤的選取本系統(tǒng)采用3*3鍵盤，由單片機(jī)I/O 口控制，可通過按鍵設(shè)定溫度和時(shí)間, 有的按鍵在不同情況下可以實(shí)現(xiàn)不同功能。第4章軟件設(shè)計(jì)4. 1系統(tǒng)流程圖本系統(tǒng)的主程序流程圖如圖4.1所示:圖4. 1電加熱爐溫度控制系統(tǒng)主程序流程圖系統(tǒng)釆用可控硅交流調(diào)壓器，輸出不同的電壓控制電熱爐溫度的大小，溫度 通過熱電偶檢測(cè)，再經(jīng)過變送器變成0 -5V的電壓信號(hào)送入A/D轉(zhuǎn)換器使之變 成數(shù)字量，此數(shù)字量通過接口送到微機(jī)，這是模擬量輸入通道。在微機(jī)內(nèi)部，主機(jī)將采

16、樣值與給定值比較后進(jìn)行控制算法計(jì)算，再經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器變成模擬量，然 后經(jīng)放大器放大后輸入調(diào)壓器，調(diào)節(jié)電壓的大小，以達(dá)到控制溫度的目的。4.2PID算法流程圖PID流程圖如圖4.2：圖4. 2 PID算法流程圖4. 3程序流程圖系統(tǒng)程序流程圖如圖4.3：初始化調(diào)用掃描子程序調(diào)用AD轉(zhuǎn)換子程序調(diào)用溫度控制子程序調(diào)用顯示子程序鍵值復(fù)原圖4. 3程序流程圖部分PLD控制程序MOV R5, #01HMOVR4, #3CHDIVR5,#64HDIVR4,#64HADDR5,R4MOVR6,#74HDIVR6,#64HMULR5,#ZDECR5,R6MOVR7,R5MOVR5,#01HMOVR4,#0A2H

17、DIVR5,#64HDIVR4,#64HADDR5,R4MOVR6,#01HMULR6,#ZDECR6,R5DIVR7, R611第5章系統(tǒng)測(cè)試與分析/實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析對(duì)設(shè)定傳遞函數(shù)進(jìn)行PID算法仿真，使用AEDK-labACT實(shí)驗(yàn)箱，仿真接線圖如圖5.1o圖5.1達(dá)林算法連接圖其中時(shí)間常數(shù)7； =350秒，放大系數(shù)心=50,滯后時(shí)間t=20秒，控制算法選 用達(dá)林算法。得到仿真圖如圖5.2：圖5.仿真曲線12第6章課程設(shè)計(jì)總結(jié)此次課程設(shè)計(jì)中，我做的課題是基于PID算法的電加熱爐溫度控制系統(tǒng)設(shè) 計(jì)。在本控制對(duì)象電阻加熱爐功率為8KW, 20V交流電供電，采用雙向可控硅進(jìn) 行控制。本設(shè)計(jì)針對(duì)一個(gè)溫度

18、區(qū)進(jìn)行溫度控制，要求控制溫度范圍50350C,保 溫階段溫度控制精度為正負(fù)1度。選擇合適的傳感器，計(jì)算機(jī)輸出信號(hào)經(jīng)轉(zhuǎn)換后通 過雙向可控硅控制器控制加熱電阻兩端的電壓。由于時(shí)間緊張，所以我們決定通過將控制器的傳遞函數(shù)與采樣開關(guān)結(jié)合即用 離散化變化，來代替閉環(huán)的前向同路的一部分，即通過要達(dá)到的閉環(huán)傳遞函數(shù)與 給定的被控對(duì)象傳遞函數(shù)來求出控制器的傳遞函數(shù)。在對(duì)參數(shù)的調(diào)整中我們發(fā)現(xiàn) 采用PID算法可顯著減少超調(diào)，也可做到很小的穩(wěn)態(tài)誤差，可以做到較小的上升時(shí) 間和調(diào)節(jié)時(shí)間，當(dāng)對(duì)象模型具有不確定性和系統(tǒng)存在隨機(jī)干擾時(shí)，可對(duì)達(dá)林算法參 數(shù)作自尋最優(yōu)控制。本系統(tǒng)選用AT89C51作為控制器，溫度檢測(cè)部分選用AD590作為傳感器， ADC0809作為A/D轉(zhuǎn)換器，過零觸發(fā)器釆用光耦驅(qū)動(dòng)電路及雙向可控硅電路。通過理論推導(dǎo)和仿真驗(yàn)證，進(jìn)一步說明達(dá)林算法進(jìn)行控制時(shí)的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)