課程設(shè)計（論文）烤箱連續(xù)溫度控制系統(tǒng)

1、目 錄 烤箱連續(xù)溫度控制系統(tǒng) .1 1 設(shè)計概述.1 1.1 任務(wù)分析.1 1.2 整體方案.2 2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計.3 2.1.1 8155 接口電路.3 2.1.2 a/d 轉(zhuǎn)換電路.4 2.1.3 溫度檢測.5 2.1.4 電阻爐.5 2.1.5 電力電子裝置.6 2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計.7 2.2.1 主程序 .8 2.2.2 t0 中斷服務(wù)程序.8 3 控制過程說明.9 3.1 環(huán)節(jié)分析.9 3.2 調(diào)節(jié)規(guī)律.9 3.3 干擾分析.11 3.4 pid控制matlab仿真及參數(shù)整定 .11 參考文獻 .14 1 烤箱連續(xù)溫度控制系統(tǒng) 摘 要 自動控制系統(tǒng)在各個領(lǐng)域尤其是工業(yè)領(lǐng)域中有著

2、及其廣泛的應(yīng)用，溫度控制是控制 系統(tǒng)中最為常見的控制類型之一。隨著電力電子和單片機技術(shù)的飛速發(fā)展，通過芯片對 被控對象進行控制日益成為今后自動控制領(lǐng)域的一個重要發(fā)展方向。隨著國民經(jīng)濟的發(fā) 展，人們需要對各種加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐和鍋爐中溫度進行監(jiān)測和控制。采用單 片機來對他們控制不僅具有控制方便，簡單和靈活性大等優(yōu)點，而且可以大幅度提高被 控溫度的技術(shù)指標(biāo)，從而能夠大大的提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。 傳統(tǒng)的溫度采集方法不僅費時費力，而且精度差，單片機的出現(xiàn)使得溫度的采集和 數(shù)據(jù)處理問題能夠得到很好的解決。溫度是工業(yè)對象中的一個重要的被控參數(shù)。然而所 采用的測溫元件和測量方法也不相同；產(chǎn)品的工藝不同

3、，控制溫度的精度也不相同。因 此對數(shù)據(jù)采集的精度和采用的控制方法也不相同。傳統(tǒng)的控制方式以不能滿足高精度， 高速度的控制要求。 近幾年來快速發(fā)展了多種先進的溫度控制方式，如：pid 控制，模糊控制，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 及遺傳算法控制等。這些控制技術(shù)大大的提高了控制精度，不但使控制變得簡便，而且 使產(chǎn)品的質(zhì)量更好，降低了產(chǎn)品的成本，提高了生產(chǎn)效率。本系統(tǒng)所使用的加熱器件是 電爐絲，功率為三千瓦，要求溫度在 4001000。靜態(tài)控制精度可以達到 2.43。 本設(shè)計主要有四部分組成：（1）單片機控制器設(shè)計；（2）電力電子控制裝置； （3）溫度檢測變送部分 1 設(shè)計概述設(shè)計概述 1.1 任務(wù)分析 電烤箱是一種應(yīng)

4、用廣泛的食品加工設(shè)備 .電烤箱本身是個熱容系統(tǒng) ,具有大純滯后和 大慣性 ;由于家用烤箱的外殼很薄 ,封閉性不好 ,與環(huán)境溫差越大散熱越快 ,具有非線性 ; 同時對象的參數(shù)還受箱內(nèi)食品種類和數(shù)量的影響。 2 電阻爐是利用電流通過電熱體元件將電能轉(zhuǎn)化為熱能來加熱或者熔化工件和物料的 熱加工設(shè)備。 電阻爐由爐體、電氣控制系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)組成。爐體由爐殼、加熱器、爐襯（包括 隔熱屏）等部件組成。電氣控制系統(tǒng)包括電子線路、微機控制、儀表顯示及電氣部件等。 輔助系統(tǒng)通常指傳動系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等，雖爐種的不同而已。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用 如下圖所示。 給定溫度控制器電氣執(zhí)行裝置電爐 溫度檢測變送器 圖 1 系

5、統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 如圖 1 所示，該系統(tǒng)為單閉環(huán)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)由控制器，執(zhí)行器，被控對象，檢測 變送裝置構(gòu)成。其中溫度控制器及比較環(huán)節(jié)可以由單片機構(gòu)成；電爐溫度主要是由其電 流來決定，因此可以利用電力電子裝置組成電流可控的執(zhí)行裝置；檢測變送器則可以用 熱電偶及相關(guān)信號處理電路來構(gòu)成。對于該系統(tǒng)而言，冷工件進入電爐加熱時對電爐溫 度造成的影響是系統(tǒng)的主要干擾因素。 1.2 整體方案 由單片機完成溫度測量、控制，顯示等功能。用溫度傳感器測量溫度值，其選用 ad590,經(jīng)過運算放大器組成的信號調(diào)理電路變成 05v 電壓信號，由 a/d 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為 數(shù)字信號，送入單片機。單片機的數(shù)字信號經(jīng)過 d/a 轉(zhuǎn)換

6、器轉(zhuǎn)換成模擬量，由運算放大 器電路變成 05v 電壓信號，控制固態(tài)繼電器的導(dǎo)通角，進而控制被控對象的輸出功率。 由單片機完成溫度測量、控制，顯示等功能。用溫度傳感器測量溫度值，其選用標(biāo)準(zhǔn) 鉑電阻 pt100,經(jīng)過運算放大器組成的信號調(diào)理電路變成 05v 電壓信號，由 a/d 轉(zhuǎn)換器 3 轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，送入單片機。單片機的數(shù)字信號經(jīng)過 d/a 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬量，由運 算放大器電路變成 05v 電壓信號，控制固態(tài)繼電器的導(dǎo)通角，進而控制被控對象的輸 出功率。2 設(shè)計實現(xiàn) 2 系統(tǒng)硬件設(shè)計系統(tǒng)硬件設(shè)計 電烤箱溫度控制系統(tǒng)是以 ms-5l 單片機為控制核心，輔以采樣反饋電路，驅(qū)動電路， 晶閘管主電

7、路對電爐爐溫進行控制的微機控制系統(tǒng)。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖可表示為:系統(tǒng)采用 單閉環(huán)形式，其基本控制原理為:將溫度設(shè)定值(即輸入控制量)和溫度反饋值同時送入控制 電路部分，然后經(jīng)過調(diào)節(jié)器運算得到輸出控制量，輸出控制量控制驅(qū)動電路得到控制電 壓施加到被控對象上，電爐因此達到一定的溫度。 圖 2 控制電路的設(shè)計 2.1 8155 接口電路 8155 芯片內(nèi)具有 256 個字節(jié)的 ram，兩個 8 位、一個 16 位的可編程 i/o 口和一個 14 位計數(shù)器。它與 51 型單片機接口簡單，是單片機應(yīng)用系統(tǒng)中廣泛使用的芯片。 給定值 8051 控制電 路 驅(qū)動電 路 電 路 晶閘管 主電路 控制 對象 輸出

8、溫度 采樣電路 4 圖 4 帶有 i/o 接口和計時器的靜態(tài) ram8155 8155 用作鍵盤/led 顯示器接口電路，當(dāng) io/為高電平時，8155 選通片內(nèi)的 i/o 端m 口。a,b,c 三個口可以作為擴展的 i/o 口使用，mcs51 單片機的 po 口與 8155 的 ad0ad7 相連。 此時 p0 輸出的低 8 位地址只有 3 位有效，用于片內(nèi)選址，其他位無用。使用 a,b,c 三個口時，首先向命令寄存器寫入一個控制字以確定三個口的工作方式。如果寫入的控 制字規(guī)定他們工作于方式或方式下，則這三個口都是獨立的基本 i/o 口?？梢灾苯永?用 movx a,dptr 或 movx

9、dptr,a 指令完成這三個口的讀/寫（輸入/輸出）操作。 工作在方式或方式時，c 口用作控制口或部分用于控制。 mcs51 單片機可以和 8155 直接連接，不需要任何外加電路，給系統(tǒng)增加了 256 個 字節(jié)的 ram、22 位 i/o 線及一個計數(shù)器。當(dāng) p2.00 且 p2.1=0 時，選中 8155 的 ram 工作；在 p2.0=1 和 p20=0 時，8155 選中片內(nèi)三個 i/o 端口。相應(yīng)地址分配為： 0000h-00ffh 8155 內(nèi)部 ram 0100h 命令/狀態(tài)口 0101h a 口 0102h b 口 0103h c 口 0104h 定時器低八位口 0105h 定時

10、器高八位口 5 2.2 a/d 轉(zhuǎn)換電路 圖 5 a/d 轉(zhuǎn)換電路圖 adc0809 的 in0 和變送器輸出端相連，故 in0 上輸入的 0v-+5v 范圍的模擬電壓經(jīng) a/d 轉(zhuǎn)換后可由 8051 通過程序從 p0 口輸入到它的內(nèi)部 ram 單元。首先輸入地址選擇信 號，在 ale 信號作用下，地址信號被鎖存，產(chǎn)生譯碼信號，選中一路模擬量輸入。然后 輸入啟動轉(zhuǎn)換控制信號 start 啟動轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換結(jié)束，數(shù)據(jù)送三態(tài)緩沖鎖存器，同時發(fā)出 eoc 信號。在允許輸入信號 oe 的控制下，再將轉(zhuǎn)換結(jié)果輸入到外部數(shù)據(jù)總線。 2.3 溫度檢測 6 圖 6 溫度檢測電路 溫度的檢測通常用兩種方法：熱電阻和

11、熱電偶。熱電阻一般用于溫度低一些的地方， 而熱電偶則用于溫度比較高的地方。這里是要檢測電爐的溫度，因此選擇使用熱電偶。 對于 01000的溫度,可以使用鎳鉻熱電偶，分度號為 eu，其輸出信號為 041.32 ma，經(jīng)毫伏變送器,輸出 010ma，然后再經(jīng)過電流電壓變換電路轉(zhuǎn)換為 05v。為了提 高控制精度，可將變送器進行零點遷移，例如溫度測量范圍改為 4001000熱電偶給出 16.441.32 ma 時，使變送器輸出 010mv，這樣使用 8 位 a/d 轉(zhuǎn)換器，能使量化誤差 達到2.34。為了消除誤差,還必須考慮進行冷端溫度補償。具體電路如圖 5 所示。 2.4 電阻爐 電阻爐即為該系統(tǒng)的

12、被控對象。其工作原理是將電能轉(zhuǎn)化為電阻爐的熱能。根據(jù)焦 耳定律可知： 2 qi rt 其中 i 為流過電熱絲的電流，r 為電熱絲電阻，t 為工作時間。 很明顯改變電流就可以調(diào)節(jié)電阻爐的發(fā)熱功率，而且電阻爐屬于純電阻負載，要改 變其電流，只需要改變它的工作電壓就行了。 另外，電阻爐通常會給系統(tǒng)帶來很大的純滯后時間，致使系統(tǒng)開環(huán)相頻特性相角滯 后過大，造成閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性下降。為了解決這一問題，通?？梢圆捎貌蓸涌刂频姆绞?。 讓控制系以一定的時間間隔采樣一次被控參數(shù)，與設(shè)定值進行比較后，經(jīng)控制運算輸 出控制信號，然后保持該控制信號不變，保持時間必須大于純滯后時間。 0 7 圖 7 采樣控制過程結(jié)構(gòu)圖

13、2.5 電力電子裝置 電力電子裝置作為該系統(tǒng)的執(zhí)行器，由電阻爐工作原理的分析可知，它的任務(wù)是改 變供給電阻爐的電壓。這里使用的是交流調(diào)功電路的方式。 利用過零型雙向晶閘管的觸發(fā)特性，只有當(dāng)其兩端電壓過零時控制端上施加觸發(fā)信 號，它才導(dǎo)通；一旦導(dǎo)通，只有再次過零時才被關(guān)斷，針對這一特點，本系統(tǒng)采取了控 制在 m 個電網(wǎng)周期內(nèi)晶閘管導(dǎo)通的周期數(shù) m（0mm）的方法來控制輸出平均電壓。 為簡單起見，可以使控制運算說的控制量 u 和實際導(dǎo)通周期 m 直接對應(yīng)。 同步檢測電路檢出電網(wǎng)電壓信號的過零點，形成過零同步信號，并接到 cpu 的中斷 請求輸入端，以提供觸發(fā)參考點和控制周期 m 的計數(shù)信號。需要注

14、意的是，同步檢測電 路和電阻爐加熱回路的電源必須是同相的，以保證觸發(fā)信號的同步。 、 圖 8 過零型雙向晶閘管的觸發(fā)特性 驅(qū)動電路設(shè)計 為保證驅(qū)動電路可靠工作，其驅(qū)動電路應(yīng)滿足如下要求： 1）動態(tài)驅(qū)動能力強，能提供驅(qū)動脈沖，使加熱電路迅速導(dǎo)通。 2）能提供適當(dāng)?shù)恼蚱珘汉妥銐虻姆聪蚱珘?，使加熱電路可靠的開通和關(guān)斷。 3)有足夠的輸入輸出電氣隔離能力，使信號電路與柵極驅(qū)動電路隔離，且具有靈敏 的短路、過流保護功能。 所設(shè)計的驅(qū)動電路如圖 9 所示。 8 opt oiso1 q1 q2 r1 r2 r4 r5 r6 r3 +5v out g1 e -10v gnd +15v 圖 9 驅(qū)動電路工作原

15、理電路 q1，q2 組成功率放大電路，out1、out3 來自控制電路。該驅(qū)動電路能安全接受 輸入信號，在接到正確的控制信號后對加熱電路進行驅(qū)動，加熱電路開始工作，對外部 進行加熱，最大功率可達到 2000w。從而實現(xiàn)電烤箱的加熱過程。 9 3 系統(tǒng)軟件設(shè)計系統(tǒng)軟件設(shè)計 3.1 主程序 圖 10 主程序流程圖 應(yīng)當(dāng)注意：由于 t0 被設(shè)定為計數(shù)器方式 2，初值為 06h，故它的溢出中斷時間為 250 個過零同步脈沖。為了系統(tǒng)正常工作，t1 中斷服務(wù)程序的執(zhí)行時間必須滿足 t0 的制一時 間要求，因為 t1 的中斷是嵌套在 t0 中斷之中的。 3.2 t0 中斷服務(wù)程序 t0 中斷服務(wù)程序是溫度

16、控制系統(tǒng)的主程序，用于啟動 a/d 轉(zhuǎn)換器，讀如數(shù)據(jù)采樣， 數(shù)字濾波，越權(quán)溫度報警和處理，pid 計算和輸出可控硅的同步觸發(fā)脈沖等。p1.3 引腳上 輸出的該同步脈沖寬度由 t1 計數(shù)器的溢出中斷控制，8051 利用等待 t1 溢出中斷空隙時 間完成把本次采樣數(shù)值轉(zhuǎn)換成顯示值而放入顯示緩沖區(qū)和調(diào)用溫度顯示程序，8051 從 t1 中斷服務(wù)程序返回后便可以恢復(fù)現(xiàn)場和返回主程序，以等待下次 t0 中斷。 10 4 控制過程說明控制過程說明 4.1 環(huán)節(jié)分析 以熱電偶為主要組成的溫度檢測變送環(huán)節(jié)，主要是用來檢測電阻爐的爐溫，并以電 信號的形式反饋給系統(tǒng)，使系統(tǒng)構(gòu)成閉環(huán)。根據(jù)熱電偶的工作原理，電阻爐爐

17、溫越高， 其導(dǎo)體兩端的電壓差就越大，最后反饋給系統(tǒng)的電壓信號也越大。因此溫度檢測變送器 屬于正作用。 從電阻爐工作原理的分析可知，提供給電阻爐的平均工作電壓越高，其平均電流就 越大，根據(jù)焦耳定律，它的發(fā)熱功率就越大。因此被控對象電阻爐也屬于正作用。 作為執(zhí)行器的電力電子裝置是一種交流調(diào)功電路，它的輸出主要是由觸發(fā)信號來控 制的。而觸發(fā)信號是由控制器的輸出信號經(jīng)過處理放大后形成的，即輸入越大，輸出也 越大。所以執(zhí)行器也是正作用。 本系統(tǒng)的控制器是用單片機構(gòu)成的數(shù)字調(diào)節(jié)器，比較環(huán)節(jié)也有單片機來完成。調(diào)節(jié) 器的輸出決定于被控參數(shù)的測量值與設(shè)定值之差，被控參數(shù)的測量值與設(shè)定值變化，對 輸出的作用方向是

18、相反的。為了使本系統(tǒng)構(gòu)成閉環(huán)負反饋，應(yīng)該選擇為反作用，即隨著 測量值的增加，調(diào)節(jié)器的輸出要隨之減??；反之當(dāng)測量值減小時，調(diào)節(jié)器的輸出要增大。 4.2 調(diào)節(jié)規(guī)律 這里使用的是經(jīng)典控制中最常用的 pid 調(diào)節(jié)方式。另外由于采用數(shù)字控制器，因此 必須使用離散的 pid 控制算法。 pid 控制器是指按偏差的比例（p） 、積分（i）和微分（d）進行控制的 pid 控制器 （亦稱 pid 調(diào)節(jié)器）是應(yīng)用最為廣泛的一種自動控制器。它具有原理簡單，易于實現(xiàn)， 適用面廣，控制參數(shù)相互獨立，參數(shù)的選定比較簡單等優(yōu)點；而且在理論上可以證明， 對于過程控制的典型對象“一階滯后純滯后”與“二階滯后純滯后”的控制對象，

19、pid 控制器是一種最優(yōu)控制。pid 調(diào)節(jié)規(guī)律是連續(xù)系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì)校正的一種有效方法，它的參 11 數(shù)整定方式簡便，結(jié)構(gòu)改變靈活（pi、pd） 。 數(shù)字 pid 控制器的原理是將 pid 參量離散化。 在工業(yè)上，偏差控制又稱為 pid 控制，這是工業(yè)控制中常用的控制形式，一般能收 到令人滿意的效果。 pid 控制上目前包含三種比較簡單的 pid 控制算法，分別是：增量式算法，位置式算 法，微分先行。 這三種 pid 算法雖然簡單，但各有特點，基本上能滿足一般控制的大多 數(shù)要求。本設(shè)計中草用的是增量式 pid 算法。 控制論告訴我們，pid 控制的理想方程是： （1.1） 1 1 () pd de

20、 ukeedtt tdt 式中 e 測量值與給定值之間的偏差; td 微分時間: t - 積分時間; kp 調(diào)節(jié)器的放大系數(shù). 將上式離散化得到數(shù)字pid位置式算法，在位置式算法的基礎(chǔ)之上得到數(shù)字pid增量 式算法： （1.2） 11012 101 ()(2) () n pnnnnnn pnnnn u keek ek eee kek ekee 比例系數(shù)加大，使系統(tǒng)的動作靈敏，速度加快，穩(wěn)態(tài)誤差減小。kp 偏大，振蕩次數(shù) 加多，調(diào)節(jié)時間加長。kp 太大時，系統(tǒng)會趨于不穩(wěn)定。kp 太小，又會使系統(tǒng)的動作緩慢。 kp 可以選負數(shù)，這主要是由執(zhí)行機構(gòu)、傳感器以控制對象的特性決定的。如果 kp 的符 號

21、選擇不當(dāng)對象狀態(tài)就會離控制目標(biāo)的狀態(tài)越來越遠，如果出現(xiàn)這樣的情況 kp 的符號就 一定要取反。 積分作用使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，ti ?。ǚe分作用強）會使系統(tǒng)不穩(wěn)定，但能消除穩(wěn) 態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的控制精度。 微分作用可以改善動態(tài)特性，td 偏大時，超調(diào)量較大，調(diào)節(jié)時間較短。td 偏小時， 超調(diào)量也較大，調(diào)節(jié)時間也較長。只有 td 合適，才能使超調(diào)量較小，減短調(diào)節(jié)時間。 12 4.3 干擾分析 在實際的工業(yè)生產(chǎn)過程之中都要求系統(tǒng)能夠穩(wěn)定的工作。但是由于各種原因，往往 會出現(xiàn)一些不可預(yù)料的干擾因素破壞系統(tǒng)原先設(shè)計好的運行狀態(tài)，這就要求系統(tǒng)本身要 有一定得抗干擾能力，能夠在收到干擾的情況下自動恢復(fù)原來的

22、工作狀態(tài)。 如圖 1 所示，冷工件進入電爐加熱時對電爐溫度造成的影響是系統(tǒng)的主要干擾因素。 工件加熱的過程本身也并非是一個溫度線性上升的過程。當(dāng)工件剛進入爐中時，會導(dǎo)致 檢測到的溫度陡然降低很多。此時溫度檢測變送裝置將溫度信號反饋回去，與給定值進 行比較，會發(fā)現(xiàn)偏差的陡然增大，于是控制器輸出也增大。電力電子裝置輸出增大，電 阻爐的加熱功率也就隨之增大，使得爐內(nèi)溫度能夠盡快回到穩(wěn)定值。另外，若是由于電 網(wǎng)波動原因，令電阻爐在每一時段內(nèi)輸出偏高，而造成爐溫過高，經(jīng)檢測變送裝置也會 回饋到控制器上，控制器輸出會隨之減小，從而使輸出減小，電阻爐發(fā)熱功率也減小， 最終使?fàn)t內(nèi)恢復(fù)正常。 本系統(tǒng)屬于單閉環(huán)控

23、制系統(tǒng)。同開環(huán)控制系統(tǒng)相比，閉環(huán)控制具有一系列優(yōu)點。在 反饋控制系統(tǒng)中，不管出于什么原因（外部擾動或系統(tǒng)內(nèi)部變化） ，只要被控制量偏離規(guī) 定值，就會產(chǎn)生相應(yīng)的控制作用去消除偏差。因此，它本身就具有抑制干擾的能力，對 元件特性變化不敏感，并能改善系統(tǒng)的響應(yīng)特性。因此閉環(huán)控制系統(tǒng)也是工業(yè)上應(yīng)用得 最多的一種控制結(jié)構(gòu)。 當(dāng)然對于一些特殊的場合簡單的 pid 控制規(guī)律和單閉環(huán)結(jié)構(gòu)可能也滿足不了要求， 這就要求使用更為復(fù)雜的控制規(guī)律和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。 4.4 pid 控制 matlab 仿真及參數(shù)整定 因為是使用 matlab 對參數(shù)進行確定，所以可以選擇穩(wěn)定邊界法（臨界比例度法） ，選 擇的模擬控制模型如圖

24、中所示，即用一個一階環(huán)節(jié)和一個純比例滯后來模擬。純滯后時 間為 4（若選擇大于一階環(huán)節(jié)時間常數(shù)的純滯后時間常數(shù)則必須采用串級、前饋控制） 。 根據(jù)純比例控制系統(tǒng)臨界振蕩試驗所得數(shù)據(jù)（臨界比例度 pm和振蕩周期 tm） ，按經(jīng) 驗公式求出調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)。 13 圖 11 電烤箱仿真原理圖 首先，置調(diào)節(jié)器 ti ， td=0，比例度 p 較大值，將系統(tǒng)投入運行；再逐漸減小 p ，加干擾觀察，直到出現(xiàn)等幅減振蕩為止。記錄此時的臨界值 pm=1.31 和 tm=12。 按照穩(wěn)定邊界法整定參數(shù)計算表，得 pid 控制器的各參數(shù) p=1.36 ti=6 td=1.5 圖 12 系統(tǒng)臨界振蕩時輸出波形 圖 13 參數(shù)整定后 pid 控制輸出波形 14 總結(jié)體會 本設(shè)計使用無