電阻爐微型計算機(jī)溫度控制系統(tǒng)設(shè)計

1、電器元件（指示燈、按紐、接觸器、 熱繼電器等）學(xué) 號： 0121111360323課 程 設(shè) 計4OMRON12接近開關(guān)套 4套題 目電阻爐微型計算機(jī)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計學(xué) 院自動化專 業(yè)自動化班 級1103姓 名OMRON薩楚拉1.3篩碎設(shè)備規(guī)范指導(dǎo)教師張素文滾軸2014篩設(shè)備型號7動4機(jī)日年XGS-1410電月電機(jī)型號DH100L4SRD課程設(shè)計任務(wù)書設(shè)備出力學(xué)生姓名： 薩楚拉 專業(yè)班級： 1103 指導(dǎo)教師： 張素文 工作單位： 自動化 電機(jī)轉(zhuǎn)速題 目: 電阻爐微型計算機(jī)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計初始條件：設(shè)備數(shù)量 設(shè)計一個 電阻爐微型計算機(jī)溫度控制系統(tǒng)，系統(tǒng)為一階慣性純滯后特性（參數(shù)自定），溫度

2、控制要求為 500 ， 溫度控制精度為 1 ；通過 LED 顯示溫度； 要求完成的主要任務(wù): 臺）1輸入通道及輸出通道設(shè)計；數(shù)量2 LED接口設(shè)計；3 采用改進(jìn)臺控制算法 ； 1 系統(tǒng)軟件流程及各程序模塊設(shè)計并用仿真軟件演示；出料粒度4 完成符合要求的設(shè)計說明書。25mm時間安排：2013年6月25日2013年7月4日功率2.2Kw指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日系主任（或責(zé)任教師）簽名： 年 80日電壓380 V驅(qū)動方式目錄單軸驅(qū)動防護(hù)等級IP56篩軸數(shù)量1 20根（2×10）絕緣等級控制對象 1F 級翻板推桿型號及功率DT50050-400.75 Kw堵煤信號裝置1.1設(shè)備型號CTS-

3、YG控制對象介紹 1減速機(jī)設(shè)備型號1.2 SEW設(shè)備數(shù)量控制性能要求 2臺設(shè)備數(shù)量20臺2電動推桿設(shè)備型號方案的比較和確定 DT50050-40設(shè)備數(shù)量2臺3.2溫度檢測電路 3轉(zhuǎn)子直徑3.3 控制信號輸出通道 3轉(zhuǎn)速4.1 程序流程圖 5廠家4.2仿真被控對象 8設(shè)備總重18000Kg6.附錄一電路圖 12附錄二810Kg程序代碼 13廣東郁南福伊特液力傳動有限公司轉(zhuǎn)子線速度環(huán)統(tǒng)軟硬件設(shè)計式2碎煤機(jī)型號HSZ-800A3.1電總體設(shè)計 2機(jī)型號YKK5003-10出力800t/h功率400KW1370mm電壓6000V轉(zhuǎn)子有效長度2165mm595r/min42.3m/s3.4 LED防護(hù)等

4、級IP55顯示電路 轉(zhuǎn)子偏心距40.13mm絕緣等級4 F級系統(tǒng)軟件設(shè)計 536Kg重量4060kg圓錘環(huán)單重47Kg湘潭電機(jī)廠轉(zhuǎn)子質(zhì)量8400Kg控制算法 6SMC-2000外形尺寸2900×3355×1930mm基軸承MATLAB22238W33C33廠家瑞典SKF心得體會 10YL-10偶合器參考文獻(xiàn) 11YOX1150齒環(huán)錘數(shù)量18最大充油量 170L16重量廠家沈陽電力機(jī)械總廠本次試驗便以電阻爐的溫度控制為例，試圖探求一個具有良好穩(wěn)定性的溫度控制系統(tǒng)。本次試驗以C51C51單片機(jī)能夠按要求對電阻爐進(jìn)行實時監(jiān)測和控制算法的確定，發(fā)出準(zhǔn)確的控制命令；A/D轉(zhuǎn)換芯片將得

5、到的模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量；單片機(jī)對數(shù)字量進(jìn)行處理，得到應(yīng)有的控制量，去控制加熱功率，從而實現(xiàn)對溫度的控制。關(guān)鍵詞：單片機(jī)、電阻爐、溫度測量、控制系統(tǒng)設(shè)備型號QYG1000電動機(jī)電機(jī)型號R167DV180L4設(shè)備出力電阻爐微型計算機(jī)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計1 控制對象1000 t/h1.1控制對象介紹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(jī)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。1400

6、r/min電阻爐的主要參數(shù)由額定電壓、額定功率、額定溫度、工作空間尺寸。生產(chǎn)率、空爐損耗功率、空爐升溫時間、爐溫控制精度及爐溫均勻性等1.2 控制性能要求1200 mm電阻爐，它是一個具有很大滯后性的系統(tǒng)，慣性也很大，其傳遞函數(shù)的形式可以寫為，溫度控制要求為500功率1，電阻爐的溫度還要通過LED 實時顯示出來。22 Kw2方案的比較和確定方案一設(shè)備數(shù)量系統(tǒng)采用8084芯片作為系統(tǒng)的微處理器。溫度信號由熱電偶檢測后轉(zhuǎn)換為電信號經(jīng)過預(yù)處理（放大）送到A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號再送到8084芯片內(nèi)部進(jìn)行判斷或計算。從而輸出的控制信號來控制鍋爐是否加熱。但對于8084芯片來說，其內(nèi)部只有128個

7、字節(jié)的RAM，沒有程序存儲器，并且系統(tǒng)的程序很多，要完成鍵盤、顯示等功能就必須對電壓I/O口擴(kuò)展，并且需要容量較大的程序存儲器，外擴(kuò)時占用的口較多，使系統(tǒng)的設(shè)計復(fù)雜化。380 V方案二系統(tǒng)采用AT89C51作為系統(tǒng)的微處理器來完成對爐溫的控制和鍵盤顯示功能。C51單片機(jī)片內(nèi)除了128KB的RAM外，片內(nèi)又集成了4KB的ROM作為程序存儲器，是一個程序不超過4K字節(jié)的小系統(tǒng)。系統(tǒng)程序較多時，只需要外擴(kuò)一個容量較小的程序存儲器，占用的I/O口減少，同時也為鍵盤、顯示等功能的設(shè)計提供了硬件資源，簡化了設(shè)計，降低了成本。因此89C51防護(hù)等級綜上所述的二種方案，該設(shè)計選用方案二比較合適。3IP223.

8、1總體設(shè)計系統(tǒng)的硬件包括微控制器部分（主機(jī)）、溫度檢測、溫度控制、人機(jī)對話（鍵盤/顯示）4個主要部分，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖3-1所示。3000 mm圖絕緣等級3.2溫度檢測電路溫度檢測電路包括溫度檢測電路、放大器和級3-2所示葉輪轉(zhuǎn)速310 r/min重量圖3-2溫度檢測電路Pt100溫度傳感器的測量范圍為：420 Kg鉑電阻的阻值隨溫度的變化而變化的計算公式：行走速度 Rt=R01+At+Bt+C(t-100t （3-1）3.74 m/min 0 Rt=R0 （ 1+At+Bt2 ） （ 3-2 ） Rt為t時的電阻值，R0為0時的阻值。公式中的A,B,系數(shù)為實驗測定。這里給出標(biāo)準(zhǔn)的系數(shù)：；B

9、=-5.802*10-7； C=-4.27350*10-12。生產(chǎn)廠家3.3 控制信號輸出通道該電路用到了芯片MOC3021，它是過零觸發(fā)雙硅輸出光耦。過零觸發(fā)是在設(shè)定時間間隔內(nèi)，改變晶閘管導(dǎo)通的周波數(shù)來實現(xiàn)電壓或功率的控制。 實際上它就相當(dāng)于一個用于交流電路中的“電子開關(guān)”，這個電子開關(guān)的“接通”、“斷開7.985 t“0”點完成的。這樣的電路，對用電負(fù)荷不會造成“電流沖擊”。電路的工作狀況是“斷續(xù)”的，適用于本系統(tǒng)熱慣性較大的電阻爐負(fù)載?？刂菩盘栞敵鐾ǖ赖碾娐穲D如圖10所示，考慮到加熱系統(tǒng)具有較大的熱慣性，即一階慣性純滯后特性，本系統(tǒng)采用脈沖寬度調(diào)制（PWM）的控制方法，單片機(jī)輸出控溫信號

10、。單片機(jī)輸出低電平時，使雙向可控硅導(dǎo)通，電熱絲通電；輸出高電平時，雙向可控硅截止，電熱絲斷電。其中，7407用于驅(qū)動，提供更大的電流驅(qū)動發(fā)光二極管?？煽毓栝T極回路與220V電源相通，光電耦合器有效地把單片機(jī)系統(tǒng)與220V強(qiáng)電隔離，確保了單片機(jī)系統(tǒng)的安全性。原理圖如3-3所示圖3-3控制信號輸出通道3.4 LED顯示電路由于溫度控制精度為1，設(shè)計中選取型號為7SEG-MPX4-CC的數(shù)碼管顯示器，其為共陰極數(shù)碼管。工作方式為動態(tài)顯示方式7218F圖3-4LED顯示電路制造廠家4 系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1 秦皇島市北戴河渤海電力設(shè)備有限公司該控制系統(tǒng)的流程圖如圖4-1使用位置轉(zhuǎn)換，讀取轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)。對轉(zhuǎn)

11、換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波等操作，使數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性提高，然后進(jìn)行標(biāo)度變換，得到實際的測量溫度。把測量溫度進(jìn)行處理后送到數(shù)碼管顯示，把測量溫度與規(guī)定溫度作比較，判斷是否動作。同時計算測量溫度與標(biāo)準(zhǔn)值之間的偏差，根據(jù)偏差判斷是進(jìn)行PID計算還是積分項改進(jìn)（分離）的PD計算，得到PWM脈沖控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，然后程序重復(fù)執(zhí)行。被動車輪圖4-1電阻爐系統(tǒng)控制流程圖4.2型號PID調(diào)節(jié)是連續(xù)系統(tǒng)中技術(shù)最成熟的、應(yīng)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)的要求進(jìn)行改進(jìn)，適時的采用各種PID的變型，如、PD控制等，本次試驗便是使用改進(jìn)的PID控制算法，它具有許多特點，如不需要求出數(shù)

12、學(xué)模型、控制效果好、能夠避免積分飽和、能夠消除積分不靈敏區(qū)等，特別是在溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，由于被控量變化較為緩慢且有慣性和滯后情況，積分項往往會產(chǎn)生很大的積累，導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生很大超調(diào)，甚至發(fā)生震蕩，使用改進(jìn)PID控制算法可以將積分項進(jìn)行分離，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。改進(jìn)PID控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖4-2所示：圖4-2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖4 臺具有一階慣性純滯后特性的電阻爐系統(tǒng)，其數(shù)學(xué)模型可表示為： （4-1）在改進(jìn)PID調(diào)節(jié)中，需要根據(jù)多次測試確定積分分離閾值，當(dāng)時，采用PD控制，當(dāng)時，采用控制。閾值一定要選取合適，若選取過大，達(dá)不到積分分離的目的，若選取過小，被控量無法跳出積分分離區(qū)，一直處于PD控制，將會出現(xiàn)

13、殘差。確定時，可以先假設(shè)一個值，然后測試若干個不同的PI、PD參數(shù)，得出一組較好的控制參數(shù)。積分分離控制算法可表示為： （4-2）式中：T為采樣時間，a為積分項開關(guān)系數(shù)，當(dāng)時，a=0；時，a=1。為積分系數(shù)；為微分系數(shù)；為比例系數(shù)。因此，爐溫控制系統(tǒng)的輸出量為：a=0， a=1，其中， 為輸出量；、分別為第t次、第t-1次和第t-2次采樣時刻的偏差值。由式可知： a=1時，比例系數(shù)和微分系數(shù)同時起作用，溫度快速接近設(shè)定值。a=0時，比例系數(shù)和微分系數(shù)同時起作用，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定接近設(shè)定值，避免超調(diào)和過沖。與PID控制算法相比，改進(jìn)PID控制算法有如下優(yōu)點：（1）單純的PID控制算法無法發(fā)揮計算機(jī)

14、運算速度快、邏輯判斷能力強(qiáng)、編程靈活等優(yōu)勢，從而很難獲得更好的效果。而改進(jìn)PID控制算法則能夠更加靈活的根據(jù)輸入量的變化與特點進(jìn)行算法調(diào)整，使輸出更加準(zhǔn)確。（2）對于溫度這種變化緩慢的過程，PID算法的積分項會使系統(tǒng)產(chǎn)生很大超調(diào)量和很長的調(diào)整時間，如果在較大時取消積分作用，在較小時才投入積分項，就可以很靈活的避免這種情況，獲得更加準(zhǔn)確的調(diào)整。正因為具有上述優(yōu)點，在實際控制中，改進(jìn)PID控制算法比標(biāo)準(zhǔn)PID控制算法應(yīng)用更加廣泛。5基MATLAB仿真被控對象由于在硬件電路中，我們看到的只是PID整定的結(jié)果，而對于其工作過程卻不清楚，因此為了更清楚的了解PID的調(diào)節(jié)過程，我們使用MATLAB的SIM

15、ULINK功能對PID調(diào)節(jié)進(jìn)行仿真，得出其整定的工作波形，從而更直觀的看到PID調(diào)節(jié)過程。采用SIMULINK仿真，通過SIMULINK模塊實現(xiàn)積分分離PID控制算示。設(shè)采樣時間Ts=10s，被控對象為：SIMULINK仿真圖如圖5-1所示。圖5-1 Simulink仿真圖選擇合適的Kp，Ki，Kd是系統(tǒng)的仿真效果趨于理想狀態(tài)。MATLAB編寫程序如下：clear all;close all;ts=10sys=tf(1,30,1,'inputdelay',80;dsys=c2d(sys,ts,'zoh'num,den=tfdata(dsys,'v'

16、;kp=5.2ki=0.1;kd=0.1MATLAB仿真波形如圖5-2所示。圖5-2 MATLAB仿真波形6.心得體會本次課程設(shè)計之初，通過老師的給的資料，對報告的要求和所設(shè)計的內(nèi)容有了一定的了解。由于對電阻爐，溫度傳感器等不是太了解，于是在我查詢了相關(guān)的資料，了解了電阻爐，溫度傳感器，根據(jù)題目的要求選擇了熱電阻中的鉑電阻。同時本次課程設(shè)計中運用到了51單片機(jī)、TLC2543等較多的芯片，為此查詢了相關(guān)芯片的引腳圖，對這些芯片有了大致的了解，在學(xué)會使用這些芯片的過程，我也學(xué)到了許多的知識。本次課程設(shè)計讓protues，Diagram Designer，word，Keil等軟件的使用，增強(qiáng)了我的

17、電腦操作能力，對單片機(jī)的使用讓我重新回顧了C語言的使用，對以前的知識有了復(fù)習(xí)的機(jī)會。而本次課程設(shè)計主要的難點也是在于程序的設(shè)計。本次課程設(shè)計中也遇到了些問題，如剛開始時題目的理解錯誤，程序運行出錯，仿真出問題等，在同學(xué)的指導(dǎo)和幫助下，這些問題得到了一定的解決。在今后的學(xué)習(xí)生活中也是如此，除了自己的努力外，還需請教他人，學(xué)習(xí)他人的經(jīng)驗，讓今后的路更加的平坦。參考文獻(xiàn)1 陳立周、陳宇.單片機(jī)原理及其應(yīng)用.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，20064 于海生.計算機(jī)控制技術(shù).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.5 劉紅麗、張菊秀. 傳感與檢測技術(shù). 國防工業(yè)出版社，2007.6 康華光編著.電子技術(shù)基礎(chǔ)（模擬部分）

18、.高等教育出版社，2000附錄一 電路圖附錄二 程序代碼#include #include #define uint unsigned int#define uchar unsigned charsbit D_OUT=P30;sbit D_IN=P31;sbit _CS=P32; sbit CLOCK=P33; /單片機(jī)與TLC2543連接的端口定義sbit C1=P21;sbit C0=P20;sbit C2=P22;sbit C3=P23; /單片機(jī)與數(shù)碼管位選連接的端口定義sbit dip=P07; /數(shù)碼管小數(shù)點的定義sbit green=P34;sbit red=P35; /報警燈的

19、定義uint KP=10; /比例系數(shù)uint KI=5; /積分系數(shù)uint KD=3; /微分系數(shù)uint KC=5; /速度調(diào)整sbit HEAT=P27;/執(zhí)行裝置端口定義float PWM; /脈沖調(diào)制寬度uint temp; /溫度值uchar code table=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71; /數(shù)碼管顯示表/*精確延時模塊*/void delay(uchar nuchar i;for(i=0;i _nop_(;/*毫秒級延時模塊*/void del

20、ayms(uchar muint x,y;for(x=m;x>0;x-for(y=110;y>0;y-;/*TLC2543驅(qū)動模塊*/uint read2543(uchar portuint ad=0,i;CLOCK=0;_CS=0;port<<=4;for(i=0;i<12;i+if(D_OUT ad|=0x01;D_IN=(bit(port&0x80;CLOCK=1;delay(3;CLOCK=0;delay(3;port<<=1;ad<<=1;_CS=1;ad>>=1;return(ad;/*溫度顯示函數(shù)*/voi

21、d display(uchar qian,uchar bai,uchar shi,uchar geP0=tableqian;C0=0;delayms(2;C0=1;P0=tablebai; C1=0;delayms(2;C1=1;P0=tableshi;dip=1;C2=0;delayms(2; C2=1;P0=tablege;C3=0;delayms(2;C3=1;/*PID程序判斷計算模塊*/void PID( uint diff19=0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0;uint um_diff=0; /(diffuint urr_=0;float p_out,i_out,d_out,temp_pid;float pwm_0;temp_pid=diffcurr_;if(curr_+1>=19curr_=0;sum_diff-=diffcurr_;diffcurr_=abs(key-(uint(temp;sum_diff+=diffcurr_;p_out=KP*diffcurr_; /比例項輸出i_out=KI*sum_diff; /積分項輸出d_out=KD*(diffcurr_-te