电烤箱温度控制计算机控制系统设计

计算机控制系统

课程设计说明书

电烤箱温度控制系统设计

DESIGN OF ELECTRIC OVEN TEMPERATURE

CONTROL SYSTEM

学生姓名周泽民

学院名称信电工程学院

学号153

班级12电气 1

专业名称电气工程及其自动化

指导教师曹言敬

2015年7月10日

摘要

本次温度控制系统设计整体而言完全可以实现对电烤箱温度闭环恒定控制。但是不当之处在所难免。当热电阻检测出当前电烤箱所处温度时，不能和预置温度一起以数字形式很直观的对比显示出来。及操作者无法同时看到电烤箱当前所处温度和预置温度。鉴于此种情况，应再外接一个数码显示器以软件程序来实现，将电烤箱当前所处温度和预置温度同时显示出来；在实际使用过程中，由于电烤箱加热时有一定得温度缓冲，即当电烤箱断电时，加热并不是立即停止，而是过一段时间后温度才慢慢停下来以致开始下降。这样就使得我们控制很不准确，会出现严重超温或者低温现象。鉴于此种情况，我们应在电烤箱温度接近我们要求的温度时，由连续加热或连续降温改为断续加热或断续降温。

关键词单片机；温度；电烤箱；控制

目录

1 绪论

技术指标

温度控制是工业生产过程中经常遇到的控制，有些工艺过程对其温度的控制效果直接影响着产品质量，因而设计一种较为理想的温度控制系统是非常有价值的。根据温度变化快慢的特点，并且控制精度不易掌握等特点，本文电烤箱的温度控制为模型，设计了以AT89C51单片机为检测控制中心的温度控制系统。温度控制采用PID 数字控制算法，显示采用3位LED 静态显示。该设计结构简单，控制算法新颖，控制精度高，有较强的通用性。

电烤箱的具体指标如下：

（1）电烤箱为一封闭长方体结构， （2）烤箱内尺寸：××。

（3）加热器件为一1kw （220v ）电热丝。

（4）从室温开始升温到100℃系统调节时间t s ≤5分钟，超调量≤10%。 （5）控制温度范围为50～200℃连续可调。 （6）显示实时温度，显示精确到1℃。

控制方案

控制系统的建模

本文的被控对象为某公司生产的型号为××的电烤箱，其工作频率为 50HZ ，总功率为1kW ，工作范围为50～200℃。设计目的是要对它的温度进行控制，达到调节时间短、超调量≤10%的技术要求。

在工业生产过程中，控制对象各种各样。理论分析和实验结果表明：电加热装置是一个具有自平衡能力的对象，可用二阶系统纯滞后环节来描述。然而，对于二阶不振荡系统，通过参数辨识可以降为一阶模型。因而一般可用一阶惯性滞后环节来描述温控对象的数学模型。所以电烤箱模型的传递函数为：

1

)(+=⋅-Ts Ke s G s

τ 式

式中 K ——对象的静态增益； T ——对象的时间常数； τ——对象的纯滞后时间。

目前工程上常用的方法是对过程对象施加阶跃输入信号，测取过程对象的阶跃响应，然后由阶跃响应曲线确定过程的近似传递函数。具体用科恩-库恩（Cohn-Coon ）公式确定近似传递函数。

给定输入阶跃信号 200℃，用温度计测量电烤箱的温度，每半分钟采一次点，实验数据如下表2-1：

表2-1 烤箱模型的温度数据

Cohn-Coon 公式如下：

M C K ∆∆=/

)(5.128.0632.0t t T -=

)3

1

(5.1632.028.0t t -=τ 式

式中 △M ——系统阶跃输入； △C ——系统的输出响应；

——对象飞升曲线为△C 时的时间（分）； ——对象飞升曲线为 △C 时的时间（分）。

从而求得K=, T=144S ,τ =30S 所以电烤箱模型为：

1

14492.0)(30+=-s e s G s

式

PLC 系统

（1）PLC 的定义

可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专门为在工业环境下应用而设计。他采用了可编程序的储存器，用来在其内部储存执行逻辑运算、顺序控制、定时、计算和算术操作的面向用户的指令，并通过数字化或模拟式的输入/输出，控制各种类型的机械或生产过程。 （2）PLC 的特点

现代工业生产是复杂多样的，它们对控制的要求也各不相同。 1. 可靠性高，抗干扰能力强：

PLC 用软件取代了继电器控制系统中打量的仲坚继电器和时间继电器，接线可减少到继电器控制系统的十分之一以下，大大减少了因为触点接触不良造成的故障。 2. 硬件配套齐全，使用方便，适应性强：

PLC 产品已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的硬件装置。 3. 编程方法简单易学：

梯形图是使用的最多的PLC 编程语言，其电路符号和表达方式与继电器电路原理图相

时间

t(m)

温度

T(℃)

20 31 52 78 104 126 148 168 182 198 200

似，梯形图语言形象直观，易学易用，熟悉继电器电路图的电气技术人员只需花几天时间就可以熟悉梯形图语言，并用来编制用户程序。

4.系统的设计，安装，调试工作量少：

PLC用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，使控制柜的设计、安装、接线工作大大减少。PLC的梯形图程序可以用顺序控制设计方法来设计。这种设计方法很有规律，容易掌握。可以在实验室模拟调试PLC的程序，用小开关来模拟输入信号，通过个输出点对应的发光二极管的状态来观察输出信号的状态，调试的时间比继电器系统少得多。

5.功能强，性能价格比高：

一台小型德尔PLC内有成千上百个可供用户使用的编程元件，可以实现非常复杂的控制功能。与相同功能的继电器系统相比，具有很高的性价比。PLC可以通过通信联网，实现分散控制，集中管理。

6.维修工作量小，方便维修:

PLC的故障率很低，并且有完善的故障诊断功能。PLC或外部的输入装置和执行机构发生故障时，根据PLC的发光二极管或编程软件提供的信息，可以很方便地查明故障的原因，用更换模块的方法可以迅速地排除故障。

单片机系统

（1)单片机的定义

单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器、RAM、只读存储器、ROM多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算系统。

（2）单片机的特点

1.有优异的性价比。

2.集成度高，体积小，可靠性好。

3.控制能力强。

4.低功耗，低电压，便于生产便携式产品。

5.易拓展。

目前，应用广泛的主流机型是80C51系列8位单片机。该机型具有性能价格比高；芯片功能能够适用；有众多芯片制造厂商加盟，可广泛选择等优点，这次我们采用美国intel 公司生产的AT89C51单片机，其中包括CPU、存储器、I/O接口电路及时钟电路等。

选择最优方案

通过比较单片机和PLC的性价比，本文电烤箱的温度控制为模型，设计了以AT89C51单片机为检测控制中心的温度控制系统。温度控制采用PID数字控制算法，显示采用3位