电阻炉温度控制系统设计

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电子信息与电气工程系

课程设计报告

设计题目：基于PID算法的温度控制

系别：电子信息与电气工程系

年级专业：08级自动化（1）班

学号：0805070029

学生XX：X飞飞

指导教师：丁健

2011年6 月12日

摘要

电阻炉在冶金工业中的运用相当广泛,其温度参数在生产过程中的自动控制系统也随着微机单片机可控硅技术在工业控制领域的推广、应用,正朝着高精度、高稳定性、高智能化的方向发展。电阻加热炉是典型的工业过程控制对象。其温度控制具有升温单向性、大惯性、大滞后、时变性等特点，且其升温、保温是依靠电阻丝加热，降温则是依靠环境自然冷却。

温度是工业对象中主要的被控参数之一。尤其是在冶金、化工、机械各类工业中，广泛使用各种加热炉、热处理炉、反应炉等。由于炉子的种类不同，所采用的加热方法及燃料也不相同，如煤气、天然气等。但就控制系统本身的动态特性而言，均属于一阶纯滞后环节，在控制算法上基本相同，可采用PID控制或其他纯滞后补偿算法。但对于电阻加热炉来说，当其温度一旦超调就无法用控制手段使其降温，因而很难用数学方法建立精确模型和确定参数。而传统PID控制是一种建立在经典控制理论基础上的控制策略，其设计依赖于被控对象的数学模型，因此对于加热炉这类控制对象采用传统PID的控制方案很难达到理想的控制效果。

为了保证生产过程正常安全地进行，提高产品的质量和数量，以及减轻工人的劳动强度，节约能源，对加热用的各种电炉要求在一定条件下保持恒温，不能随电源电压波动或炉内物体而变化，或者有的电炉的炉温根据工艺要求按照某个指定的升温或保温规律而变化等等。

因此，在工农业生产或科学实验中常常对温度不仅要不断地测量，而且要进行控制。在电阻炉温度控制系统的设计中，应尽量考虑到如何有效地避免各种干扰因素而采用一个较好的控制方案，选择合适芯片及控制算法是非常有必要的本设计要用单片机设计一个电阻炉温度控制系统。

关键词：控制系统PID控制算法炉温控制

一、总体方案设计

设计任务：用一台计算机及相应的部件组成电阻炉炉温的自动控制系统，并使系统达到工艺要求的性能指标。

二、硬件的设计和实现

1、计算机机型：MCS—51 8031（不包含ROM、EPROM）

系统总线：PC总线

2、设计支持计算机工作的外围电路

矩阵键盘技术：

图2-1用8255接口的4×8键盘矩阵

图2-1为4×8矩阵组成的32键盘与微机接口电路。图中8255端口C为行扫描口，工作于输出方式，端口A工作于输入方式，用来读入列值。图中I/O口地址必须满足

___

CE=0，才能选中相应的寄存器。在每一行与列的交叉点接一个按键，故4×8共32个键。

温度输出显示技术：

LED静态显示接口技术，所谓静态显示,即CPU输出显示值后,由硬件保存输出值,保持显示结果.

图2-2用锁存器连接的6位静态显示电路

图2-2为6位BCD码静态显示电路原理图。图中74LS244为总线驱动器，6位数字显示共用同一组总线，每个LED显示器均配有一个锁存器（74LS377），用来锁存待显示的数据。当被显示的数据从数据总线经74LS244传送到各锁存器的输入端后，到底哪一个锁存器选通，取决于地址译码器74LS138各输出位的状态。总线驱动器74LS244由IOW和A9控制，当IOW和A9同时为低电平时，74LS244打开，将数据总线上的数据传送到各个显示器的锁存器74LS377上。

特点:占用机时少,显示可靠.但使用元件多,且线路复杂、成本高。

报警电路设计：

正常运行时绿灯亮，在保温阶段炉内温度超出系统允差X围，就要进行报警。报警时报警红灯亮，电笛响，同时发送中断信号至CPU进行处理。如图2-3

图2-3加热炉报警系统图

3、设计输入输出通道

输入通道：因为所控的实际温度在50 ～350℃，即（350－50）＝300所以选用8位A/D转换器，其分辨率约为1.5℃/字，再加放大器偏置措施实现。（通过调整放大器的零点来实现偏置）这里采用一般中速芯片ADC0809。ADC0809是带有8位A/D转换器，8路多路开关以及微型计算机兼容的控制逻辑的CMOS组件，其转换方法为逐次逼近型。8路的模拟开关由地址锁存器和译码器控制，可以在8个通道中任意访问一个通道的模拟信号。这种器件无需进行零位和满量程调整。由于多路开关的地址输入部分能够进行锁存和译码，而且其三态TTL输出也可以锁存，所以它易于与微型计算机接口。其具有较高的转换速度和精度，受温度影响较小，能较长时间保证精度，重现性好，功耗较低，故用于过程控制是比较理想的器件。

图2-4ADC0809应用接线图

4、元器件的选择

传感器的选择：铂铑10—铂热电偶，S型，正极性，量程0—1300℃，使用温度小于等于600℃，允差±1.5℃。

执行元件的选择：电阻加热炉采用晶闸管（SCR）来做规律控制，结合电阻炉的具体要求，为了减少炉温的纹波，对输出通道采用较高的分辨率的方案，因此采用移相触发方式，并且由模拟触发器实现移相触发。

变送器的选择：因为系统要求有偏置，又需要对热电偶进行冷端补偿，所以采用常规的DDZ系列温度变送器。

控制元件：采用双向可控硅进行控制，其功能相当于两个单向可控硅反向连接，具有双向导通功能，其通断状态有控制极G决定。在控制极加上脉冲可使其正向或反向导通。

三、数字控制器的设计

1、控制算法：

电阻加热炉温度控制系统框图：.

整个闭环系统可用一个带纯滞后的一阶惯性环节来近似，所以其控制算法采用大林

算法。电阻加热炉温度控制系统模型为

其广义的传递函数为：

大林算法的设计目标是设计一个合适的数字控制器，使整个闭环系统的传递函数相

当于一个带有纯滞后的一阶惯性环节，即：

通常认为对象与一个零阶保持器相串联，相对应的整个闭环系统的脉冲传递函数是：