北华航天工业 电加热炉温度控制系统设计

参考文献： [1] 于海生.计算机控制技术[M].机械工业出版社. 2007.5 [2] 胡辉等.单片机原理与应用[M]. 中国水利水电出版社.2007.9
时间 安排
17 周的周一、周二
指导教师：齐建玲
教研室主任： 2015 年 7 月 4 日
注：本表下发学生一份，指导教师一份，栏目不够时请另附页。 课程设计任务书装订于设计计算说明书（或论文）封面之后，目录页之前。
内
容
摘
要
电阻炉被广泛地应用在工业生产中， 它的温度控制效果直接影响到生产效率 和产品质量，因而对温度控制系统的要求很高。设计一个控制精度高、运行稳定 的电阻炉温度控制系统具有很高的应用价值。 本文以电阻炉为控制对象，以单片机 AT89C51 为硬件核心元件，采用单片 机来对他们控制不仅具有控制方便，简单和灵活性大等优点.在输出控制中主要 采用硬件电路实现，降低了程序的复杂性。系统的软件设计采用了模块化结构， 具有可移植性强和通用性强的特点。 本设计采用常规 PID 控制在电阻炉上进行控制实验， 并对控制效果进行比较 和分析。控制系统的控制效果其具有超调小、控制精度高、运行稳定等优点，具 有较好的应用前景。
索引关键词：AT89C51 单片机
温度控制
PID 运算
目
录
一、概述
随着新技术的不断开发与应用， 近年来单片机发展十分迅速， 单片机的应用已经渗透到 电力、冶金、化工、建材、机械、食品、石油等各个行业。传统的温度采集方法不仅费时 费力，而且精度差，单片机的出现使得温度的采集和数据处理问题能够得到很好的解决。 本设计以单片机为核心对电加热炉的温度进行监测和控制， 采用单片机来对他们控制不 仅具有控制方便，简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而 能够大大的提高产品的质量和数量。 实时温度经过传感器的检测并通过变送器将其转换成 模拟的电压信号，而 A/D0808则用来采集电压信号并将其转换为数字信号存储在单片机中， 以便后续对数据的处理。 为了实现高精度的温度控制，本单片机系统采用 PID算法控制，通过控制双向可控硅改 变电炉和电源的接通、断开，从而用改变加热时间的方法来实现对温度的控制。本系统 由按键显示和温度采样控制以及上下限报警几个模块组成，通过模块间的通信完成温度设 定、实际温度和测量温度的显示等功能。 本设计使用单片机作为核心进行控制。单片机具有集成度高，通用性好，功 能 强 ，特别 是体积小，重量轻，耗能低，可靠性高，抗干扰能力强和使用方便等独特优点，在数字、 智能化方面有广泛的用途。本系统使用 AT89C51单片机，使温度控制大为简便。
PID 算法的数字化，其实质就是将连续形式的 PID 微分方程式转化为离散形式的 PID 差 分方程。在模拟系统中，PID 算法的表达式为：
u Kp (e
式中，u(t)-调节器的输出信号；
1 1 de edt Td ) Ti 0 dt
(3-1)
e(t)-调节器的偏差信号，等于给定值与测量值之差； Kp-调节器的比例系数； Ti-调节器的积分时间； Td-调节器的微分时间。 控制点目前包含三种比较简单的 PID 控制算法，分别是：增量式算法，位置式算法，微 分先行。这三种 PID 算法虽然简单，但各有特点，基本上能满足一般控制的大多数要求。 实际上，位置式与增量式控制对整个闭环系统并无本质区别。增量型算法仅仅是就是 方法的改进，而没有改变位置型算法的本质。 6.3 PID 算法的运用 由于计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值来计算控制量。因此， 在计算机控制系统中，必须首先对式（3-1）进行离散化处理，用数字形式的差分方程代替 连续系统的微分方程，此时积分项和微分项可用求和及增量式表达。 对温度的控制算法，采用技术成熟的 PID 算法，对于时间常数比较大的系统来说，其近 似于连续变化，因此用数字 PID 完全可以得到比较好的控制效果。 简单的比例调节器能够反应很快，但不能完全消除静差，控制不精确，为了消除比例调 节器中残存的静差， 在比例调节器的基础上加入积分调节器， 积分器的输出值大小取决于对 误差的累积结果，在误差不变的情况下，积分器还在输出直到误差为零，因此加入积分调节 器相当于能自动调节控制常量，消除静差，使系统趋于稳定。积分器虽然能消除静差，但使 系统响应速度变慢。 进一步改进调节器的方法是通过检测信号的变化率来预报误差， 并对误 差的变化作出响应， 于是在 PI 调节器的基础上再加上微分调节器， 组成比例、 积分、 微分(PID) 调节器，微分调节器的加入将有助于减小超调，克服振荡，使系统趋于稳定，同时加快了系 统的稳定速度，缩短调整时间，从而改善了系统的动态性能，其控制规律为：
指导教师：
课程设计题目：电加热炉温度控制系统设计 已知技术参数和设计要求： 1．控制算法采用常规PID控制，每组选择的控制算法不同； 2．自行设计温度检测电路； 3．显示模块实时现实温度； 4．温度超出正常范围发报警电路； 5．用单片机做控制微机；
所需仪器设备：计算机、keil 软件、protus 软件 成果验收形式：作品仿真展示，程序讲解
当开关置“十位”时每按下一次，温度就相应的加十或减十。
2.温度显示模块
本设计采用数码管显示温度值。74ls138 译码器对数码管位选。单片机的 P1 端口连接数 码管的段选端。两者相结合实现数码管的实时显示。
3.报警电路
报警电路由无源蜂鸣器与三极管组成。 当电阻炉内的温度低于 50°C 或高于 300°C 时。蜂鸣器报警。.报警电路电路图如图 2 所示。 4.单片机控制电路 单片机是本系统的核心器件。它控制温度的显示，PID 调节，利 用 PID 算法得出结果并 送输出，对电电阻炉温度进行调节等。
图 2.报警电路电路图
图 3.AD0808 接线图
6.PID 算法 6.1 PID 算法介绍
PID 调节是 Proportional（比例） 、Integral（积分） 、Differential（微分）三者的缩 写，是连续系统中技术最成熟、行之有效、应用最广泛的一种调节方式。PID 调节的实质就 是根据输入的偏差值， 按比例、 积分、 微分的函数关系进行运算， 其运算结果用以输出控制。 在实际应用中，根据被控对象的特性和控制要求，可灵活地改变 PID 的结构，取其中的一部 分环节构成控制规律，如比例（P）调节、比例积分（PI）调节、比例积分微分（PID）调节 等。尽管凭着单片微机的优势，计算机数字控制系统取代了模拟控制系统，但是，在长期生 产实践中， 模拟 PID 控制算法所积累的经验并未被人们遗忘， 而是被广泛地应用到计算机控 制系统中来，形成一种新型 PID 控制方式，称之为数字 PID 控制。 6.2 PID 算法的数字化
北 华 航 天 工 业 学 院
课程设计报告（论文）
设计课题： 电加热炉温度控制系统设计 专业班级： 学生姓名： 指导教师： 设计时间： 齐建玲 2015 年 6 月 30 日 B12221
北华航天工业学院电子工程系 计算机控制技术
姓 名： 齐建玲 专 业： 职 称：
课程设计任务书
自动化 教授 班 级： B12221
系统采用了两个按键和一个 单刀双置开关用来进行温度的设 定。其电路图如图 1 所示。 两个按键分别与单片机的外 部中断相连接。通过程序的设计可 以实现。一个按键对设定温度加， 另一个按键对设定温度减。单刀双 置开关是调节温度时的位选开关。 当开关置“个位”时，每按下 一次，温度就相应的加一或减一。
5.A/D 转换电路
AD0808是 CMOS 的8位模/数转换器， 采用逐次逼近原理进行 A/D 转换， 芯片内有模拟多路转 换开关和 A/D 转换两大部分，可对8路0～5V 的输入模拟电压信号分时进行转换。 AD0808芯片与电阻炉的 T 端口连接,即对电阻炉的温度是实时检测，该芯片将检测的电压信 号转换为数字量并传输给单片机进行处理。AD0808接线图如图3所示。
二、方案设计与论证
1.总体方案确定
由于温度控制系统的控制对象具有惯性大， 连续性的特点。 因而可以归于具有纯滞后的 一阶大惯性环节。一般来说，热过程大多具有较大的滞后，它对任何信号的响应都会推迟一 段时间，使输出与输入之间产生相移。对于这样一些存在大的滞后特性的过渡过程控制， 一般来说可以采用以下几种控制方案： 1．输出开关量控制 对于惯性较大的过程可以简单地采用输出开关量控制的方法。 这种方法通过比较给定 值与被控参数的偏差来控制输出的状态：开关或者通断，因此控制过程十分简单，也容易实 现。但由于输出控制量只有两种状态，使被控参数在两个方向上变化的速率均为最大，因 此容易引起反馈回路产生振荡，对自动控制系统会产生十分不利的影响，甚至会因为输出 开关的频繁动作而不能满足系统对控制精度的要求。 因此， 这种控制方案一般在大惯性系统 对控制精度和动态特性要求不高的情况下采用。 2．比例控制（P 控制） 比例控制的特点是控制器的输出与偏差成比例，输出量的大小 与 偏 差 之 间 有 对 应 关 系。当负荷变化时，抗干扰能力强，过 渡 时 间 短 ， 但过程 始终存在余差。因此它适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、允许被控量在一定范围 内变化的系统。使用时还应注意经过一段时间后需将累积误差消除。 3．比例积分控制（PI 控制）
2.系统组成
就控制器本身而言， 控制电路可以采用经典控制理论和常规模拟控制系统实现温度的自 动调节。但随着计算机与超大规模集成电路的迅速发展，以现代控制理论和计算机为基础， 采用数字控制、显示、A/D 与 D/A 转换，配合执行器与控制阀构成的计算机控制系统，在过 程控制过程中得到越来越广泛的应用。 由于本例是一个典型的检测、 控制型应用系统， 它要求系统完成从温度检测、 信号处理、 输入、运算到输出控制电炉加热功率以实现温度控制的全过程。因此，应以单片微型计算 机为核心组成一个专用计算机应用系统，以满足检测、控制应用类型的功能要求。另外，单 片机的使用也为实现温度的智能化控制以及提供完善的人机交互界面及多机通讯接口提供 了可能，而这些功能在常规数字逻辑电路中往往是难以实现或无法实现的。所以，本例 采用以单片机为核心的直接数字控制系统（DDC） 。