電加熱爐計算機控制系統(tǒng)設計論文.doc

1、.電加熱爐計算機控制系統(tǒng)摘 要： 本文設計的是電加熱爐爐溫度自動控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用單片機可以方便地實現(xiàn)對PID參數(shù)的選擇與設定；實現(xiàn)工業(yè)過程中PID控制。它采用溫度傳感器熱電偶將檢測到的實際爐溫進行A/D轉(zhuǎn)換，再送入計算機中，與設定值進行比較，得出偏差。對此偏差按PID規(guī)律進行調(diào)整，得出對應的控制量來控制固態(tài)繼電器、調(diào)節(jié)電爐的加熱功率，從而實現(xiàn)對爐溫的控制。利用8051單片機實現(xiàn)溫度智能控制，能自動完成數(shù)據(jù)采集、處理、轉(zhuǎn)換、并進行PID控制。在設計中應該注意，采樣周期不能太短，否則會使調(diào)節(jié)過程過于頻繁，這樣，不但執(zhí)行機構(gòu)不能反應，而且計算機的利用率也大為降低；采樣周期不能太長, 否則會使干擾

2、無法及時消除，使調(diào)節(jié)品質(zhì)下降。關(guān)鍵詞：單片機，溫度控制，PID調(diào)節(jié)概述傳統(tǒng)的以普通雙向晶閘管(SCR)控制的高溫電加熱爐采用移相觸發(fā)電路改變晶閘管導通角的大小來調(diào)節(jié)輸出功率,達到自動控制電爐溫度的目的。這種移相方式輸出一種非正弦波,實踐表明這種控制方式產(chǎn)生相當大的中頻干擾,并通過電網(wǎng)傳輸,給電力系統(tǒng)造成“公害”。采用固態(tài)繼電器控溫電路,通過單片機控制固態(tài)繼電器,其波形為完整的正弦波,是一種穩(wěn)定、可靠、較先進的控制方法。為了降低成本和保證較高的控溫精度,采用普通的ADC574芯片和具有零點遷移、冷端補償功能的溫度變送器橋路,使實際測溫范圍縮小。為了在工業(yè)現(xiàn)場應用中具有較強的抗干擾能力,采取了一系

3、列抗干擾措施。1. 電加熱爐溫度控制系統(tǒng)的硬件設計1.1系統(tǒng)的組成電加熱爐溫度控制系統(tǒng)的硬件由圖1所示各部分組成。它以8051單片機為核心,電加熱爐爐內(nèi)的實際溫度由熱電偶測量并轉(zhuǎn)換成毫伏級的電壓信號,通過溫度變送器橋路實現(xiàn)零點遷移和冷端補償,經(jīng)運算放大器7650放大到05 V,再經(jīng)有源低通濾波器濾波后,由A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。此數(shù)字量經(jīng)數(shù)字濾波、標度變換后,將該溫度值與被控溫度值進行比較,根據(jù)其偏差值的大小,采用比例微分控制,通過固態(tài)繼電器控溫電路控制電爐絲的導通時間,就可以控制電爐絲的加熱功率大小,從而控制電爐的溫度,使其逐漸趨于給定值且達到平衡。 圖1 電加熱爐溫度控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖1.

4、2 熱電偶的選取 熱電偶是測量傳感器,對它的選擇將直接影響檢測誤差大小。目前多選用K型(鎳鉻鎳硅)或S型(鉑銠鉑)熱電偶。兩者相比,K型有較好的溫度熱電勢的線性度,但它不適宜于長時間在高溫區(qū)使用;S型有高的精度,但溫度熱電勢的線性度較差。1.3 A/D轉(zhuǎn)換器本系統(tǒng)采用的是12位A/D 轉(zhuǎn)換器AD574A，這是一種高性能的12位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時間約為25us，線性誤差為+-1/2LSB，內(nèi)部有時鐘脈沖源和基準電壓源，單通道單極性或雙極性電壓輸入，采用28腳雙立直插式封裝，它是由12位A/D轉(zhuǎn)換器，控制邏輯，三態(tài)輸出鎖存器，10伏基準電壓源四部分構(gòu)成。1.4 低漂移毫伏放大器低漂移毫

5、伏放大器與前端電路的連接如下圖2 所示：圖2. 低漂移毫伏放大器與前端電路1.5 固態(tài)繼電器溫度控制電路單片機通過PWM脈沖調(diào)寬功率放大器控制SSR固態(tài)繼電器調(diào)節(jié)電爐絲的功率而達到調(diào)節(jié)溫度的目的。調(diào)功的原理為：設電網(wǎng)連續(xù)N個完整的正弦波為一個控制周期T，則式中 -電網(wǎng)頻率，HZ若在設定的周期T內(nèi)控制主回路導通n(nN)個完整的正弦波(周波),則負載功率為式中 U-電網(wǎng)電壓的有效值R-負載的有效電阻因此,只要控制在設定的周期T內(nèi)主回路導通的周波數(shù)n的個數(shù),就可調(diào)節(jié)負載的功率P。固態(tài)繼電器控溫電路如圖4所示,采用Z型交流固態(tài)繼電器SSR,實現(xiàn)零觸發(fā)交流調(diào)功。SSR內(nèi)設光電隔離電路,可減少與電網(wǎng)間的

6、相互干擾,其電路圖如下：2. 控制算法的確定PID調(diào)節(jié)是連續(xù)系統(tǒng)中技術(shù)最成熟的、應用最廣泛的一種控制算方法。它結(jié)構(gòu)靈活，不僅可以用常規(guī)的PID調(diào)節(jié)，而且可以根據(jù)系統(tǒng)的要求，采用各種PID的變型，如PI、PD控制及改進的PID控制等。它具有許多特點，如不需要求出數(shù)學模型、控制效果好等，特別是在微機控制系統(tǒng)中，對于時間常數(shù)比較大的被控制對象來說，數(shù)字PID完全可以代替模擬PID調(diào)節(jié)器，應用更加靈活，使用性更強。所以該系統(tǒng)采用PID控制算法。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示：圖3. 電加熱爐溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖2.2 數(shù)學模型的建立 PID控制的理想微分方程為： （1）上式中e（t）=r(t)-y(t)稱為

7、偏差值，可作為溫度調(diào)節(jié)器的輸入信號，其中的r(t)為給定值，y(t)為被測量值； 比例系數(shù)，Ti為積分時間常數(shù)；Td為微分時間常數(shù)，u(t)為調(diào)節(jié)器的輸出控制電壓信號。但計算機只能處理數(shù)字信號，故上述數(shù)學方程必須加以變換，若設溫度的采樣周期為T，第n次采樣得到的輸入偏差信號為，調(diào)節(jié)器輸出為，則有：(微分用差分代替)，（積分用求和代替）。這樣式（1）便可改寫為： （2） 寫成遞推形式則有：根據(jù)PID算法設計出本溫度控制系統(tǒng)的流程圖，如圖4 所示2.3 系統(tǒng)仿真通過在MATLAB仿真，我們可以大致看到我們設計的系統(tǒng)工作情況，從而可以檢驗設計的合理與否，以便于修改。下面是MATLAB仿真程序，編程采

8、用simulink 圖形編程。程序如圖5所示：圖5.仿真程序結(jié)果如圖6所示圖6.仿真結(jié)果附錄一附錄二主程序#include<reg51.h> #include<math.h> #define uchar unsigned char #define uint unsigned int #define TH0_TL0 (65536-1000)/設定中斷的間隔時長 1ms int j=0; uint count0 = 0; double ad4; double Un; struct PID double SetPoint; / 設定目標 Desired Value doubl

9、e Proportion; / 比例常數(shù) Proportional Const double Integral; / 積分常數(shù) Integral Const double Derivative; / 微分常數(shù) Derivative Const double LastError; / Error-1 double PrevError; / Error-2 double SumError; / Sums of Errors PID; uint xdata *xdp; sbit PWM=P10;/PWM 通道 void Delay(uint x); void Tem_add(void); void

10、Tem_dec(void); void Timer0_init(void);延時處理： void Delay(uint x) uint i; for(i=0;i<x;i+) ; /*PWM*/ void Timer0_int(void) interrupt 1 using 1/定時0中斷處理 TR0 = 0; TL0 += TH0_TL0% 256; TH0 += TH0_TL0/ 256 ; TR0 = 1; PWM=1;count0=(uint)Un;Delay(count0);PWM=0; /*初始化*/ void init(void) TMOD=0x11; TH0=TH0_TL0

11、 / 256; TL0=TH0_TL0 % 256; TH1=0X3C; TL1=0XB0; IT1=1; PX1=1; EX1=1; TR0=1; TR1=1; ET0=1; EA=1; xdp=0x7ff8; /啟動AD *xdp=ACC; /*AD轉(zhuǎn)換*/ void ADC(void) interrupt 2 using 1 int k; uint sum; if(j>2) j=0; else ACC=*xdp; adj=ACC; j+; for(k=0;k<=2;k+) sum+=adk; ad3=sum/3; xdp=0x7ff8; /啟動AD *xdp=ACC; /*輸

12、入信號產(chǎn)生*/ void sets(void) double t; if(TF1=1) TF1=0; TR1=0; TH1=0X3C; TL1=0XB0; if(t<=50) t+=0.05;PID.SetPoint=t; else t=50;PID.SetPoint=75; /*PID計算部分*/double PIDCalc( double NextPoint ) double dError,Error; Error = PID.SetPoint - NextPoint; / 偏差 PID.SumError += Error; / 積分 dError = PID.LastError - PID.PrevError; / 當前微分 PID.PrevError = PID.Last