电加热炉温度控制系统设计

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武汉华夏理工学院
信息工程课程设计报告书

课 程 名 称计算机控制技术课程设计
课程设计总评成绩
学生姓名、学 号
学 生 专 业 班级 自动化1142
指 导 教 师 姓名 李文彦
课程设计起止日期 ２017. 0６.１2-2016－6．2３
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课程设计基本要求
课程设计是工科学生十分重要的实践教学环节，通过课程设计,培养学生综合运
用先修课程的理论知识和专业技能,解决工程领域某一方面实际问题的能力。课程设
计报告是科学论文写作的基础,不仅可以培养和训练学生的逻辑归纳能力、综合分析
能力和文字表达能力，也是规范课程设计教学要求、反映课程设计教学水平的重要依
据。为了加强课程设计教学管理，提高课程设计教学质量,特拟定如下基本要求。
１. 课程设计教学一般可分为设计项目的选题、项目设计方案论证、项目设计结
果分析、答辩等4个环节,每个环节都应有一定的考核要求和考核成绩。
2. 课程设计项目的选题要符合本课程设计教学大纲的要求，该项目应能突出学
生实践能力、设计能力和创新能力的培养；该项目有一定的实用性，且学生通过努力
在规定的时间内是可以完成的。课程设计项目名称、目的及技术要求记录于课程设计
报告书一、二项中,课程设计项目的选题考核成绩占10%左右。
3. 项目设计方案论证主要包括可行性设计方案论证、从可行性方案中确定最佳
方案,实施最佳方案的软件程序、硬件电路原理图和PCB图。项目设计方案论证内容
记录于课程设计报告书第三项中，项目设计方案论证主要考核设计方案的正确性、可
行性和创新性，考核成绩占3０％左右。
４. 项目设计结果分析主要包括项目设计与制作结果的工艺水平，项目测试性
能指标的正确性和完整性，项目测试中出现故障或错误原因的分析和处理方法。项目
设计结果分析记录于课程设计报告书第四项中，考核成绩占２5％左右。
5. 学生在课程设计过程中应认真阅读与本课程设计项目相关的文献,培养自己
的阅读兴趣和习惯,借以启发自己的思维,提高综合分和理解能力。文献阅读摘要记录
于课程设计报告书第五项中,考核成绩占10%左右。
6. 答辩是课程设计中十分重要的环节,由课程设计指导教师向答辩学生提出
2~3个问题,通过答辩可进一步了解学生对课程设计中理论知识和实际技能掌握的程
度，以及对问题的理解、分析和判断能力。答辩考核成绩占２5%左右。
7.学生应在课程设计周内认真参加项目设计的各个环节，按时完成课程设计报告
书交给课程设计指导教师评阅。课程设计指导教师应认真指导学生课程设计全过程，
认真评阅学生的每一份课程设计报告，给出课程设计综合评阅意见和每一个环节的评
分成绩(百分制),最后将百分制评分成绩转换为五级分制(优秀、良好、中等、及格、
不及格)总评成绩。
8. 课程设计报告书是实践教学水平评估的重要资料,应按课程、班级集成存档
交实验室统一管理。
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课程设计任务书（八)
学生姓名: 专业班级: 自动化1１4２
指导教师： 李文彦 工作单位： 信息工程系
题 目: 电加热炉温度控制系统设计（一)

初始条件：
1、设计一个单片机电阻炉温度控制系统，控制对象为电阻加热炉功率为８

KＷ,220V交流电源供电，利用大功率可控硅控制器控制热阻丝两端所加的电压大小，来改变流
经热阻丝的电流，从而改变电炉炉内的温度。温度范围50－350℃，控制精度为±1℃，通过LED
显示温度,其对象温控数学模型为: 其中Tｄ=350秒， Ｋｄ＝50,τ=１0秒。
要求完成的主要任务:
1、硬件设计：设计系统总体电路，设计输入通道及输出通道，分析的工作原理；
2、软件设计:设计系统的总体程序程图，编写ＰID算法程序，从键盘接受Kｐ、Ti、Td、T;编写
显示程序；
3、采用ＰＩD算法，通过数据分析Ｋp改变时对系统超调量的影响；在MATLAB／SIMULIＮK上对
控制算法进行仿真；
4、仿真并调试设计的部分硬件电路和软件程序;
5、完成符合要求的课程设计说明书;
6、课程设计说明书要求：引言、设计要求、系统结构设计、原理分析、各个模块的设计与仿真、
软件设计、调试过程、收获、体会及总结、参考文献、电路图和源程序。说明书使用A4打印
纸计算机打印或手写,用Ｐroｔel等绘图软件绘制电子线路图纸。
时间安排：
第１~2天 下达课程设计任务书和日程安排，根据任务书查找资料；
第3-4天 完成方案论证比较，设计系统的总体结构；
第4~5天 详细设计系统的各部分的硬件电路;
第6～7天 详细总体软件及各部分的程序流程，完成程序的编写
第7～８天 仿真并调试设计的部分硬件电路和软件程序;
第9～10天 结果分析整理、撰写课程设计报告，验收和答辩。
指导教师签名： 年 月
日

1sTeKsGds-d
）（
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一、课程设计项目名称
电加热炉温度控制系统设计（一)

二、项目设计目的及技术要求
1、硬件设计：用５１单片机设计系统总体电路，设计输入通道及输出通道,分析的工作原理；
２、软件设计：设计系统的总体程序程图，编写积分分离PID算法程序，从键盘接受Kp、Ti、T
ｄ、Ｔ及β的值；编写显示程序;
３、采用ＰＩＤ算法,通过数据分析Kｐ改变时对系统超调量的影响;在MATLＡB/ＳIMULINK上对
控制算法进行仿真；
4、仿真并调试设计的部分硬件电路和软件程序；
５、完成符合要求的课程设计说明书;
6、课程设计说明书要求:引言、设计要求、系统结构设计、原理分析、各个模块的设计与仿真、
软件设计、调试过程、收获、体会及总结、参考文献、电路图和源程序。说明书使用A4打印
纸计算机打印或手写，用Proｔues等绘图软件绘制电子线路图纸。
ﻬ
三、项目设计方案论证

3.1.方案论证比较

3.１.1.硬件选择
微型计算机是指由微处理器加上采用大规模集成电路制成的程序存储器和数据存储器,以及
输入输出设备相连接的Ｉ/O接口电路,微型计算机简称MC。如果将微处理器、存储器和输入／输
出接口电路集成在一块集成电路芯版上，称为单片微型计算机，简称单片机。
本次设计选用的是ＡT8９C51，是MＣS－51单片机系列的一种。其结构体系完整、指令系统
功能完善、内部寄存器规范、性能优越、技术成熟、具有高可靠性和高性价比。
它提供以下标准功能：４k 字节Flash 闪速存储器，１28字节内部RAM，32 个I／Ｏ 口线,
两个16位定时/计数器,一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟
电路。同时，ＡT８9C51可降至０Ｈz的静态逻辑操作,并支持两种软件可选的节电工作模式。空
闲方式停止CＰＵ的工作，但允许RAM,定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方
式保存RＡM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。
3.1.2.算法选择
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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：ﻩ

010)1(udtdeTedtTeKudip•
(3-2)
单片机是一种采样控制,它只能根据采样时刻的误差值计算控制变量,不能直接计算公式中
的积分项和微分项，采用数值计算法逼近后，PIＤ的调节规律可以通过数值公式

010)]([ueeTTeTTeKuiiijdjiip•

（3-３)
计算,如果采样取得足够小，这种逼近可相当准确,被控过程与连续过程十分接近。我们变换
上式（3-3)得:

][211iiipiiieDeIeKuuuu
•••
(3－4)

把△ei = ei - ei-1,△２ ｅi=△ｅi -△ei-1带人上式（3－4）得：
)]2()[(2111•••iiiiiipieeeDeIeeKuu
（３-5)
式中eｉ=W—Yｉ，W为设定值,Yi为第i次实际输出值，Ｋp为比例系数,积分系数Ｉ=T/Ti,
微分系数D=Ｔd/T,T为采样周期，以（3-5)式来编程比较方便。
用PＩＤ控制算法实现温度控制是这样一个反馈过程：比较实际温度和设定炉温得到偏差,
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通过对偏差的处理获得控制信号，再去调节电加热炉的加热功率,从而实现对炉温的控制,由于电
阻炉一般都是下一阶段对象和带纯滞后的一阶对象，所以式中Kp、Kｄ和Kｉ的选择取决于电阻
炉的响应特性和实际经验。
本程序先将用户设定温度和锅炉实际温度T比较，计算出偏差ei,然后分两种情况进行计算
控制变量:
1.eｉ大于等于设定的偏差ｅ时，由于积分控制器使系统响应速度变慢，不采用积分控制器
调节,直接使用PD调节，获得比较快的动态响应,计算Pｄ和Pp，最终得到控制量获得比较快的
动态响应。
2．ｅi小于设定的设定的偏差e时，正常的分别计算Pi、Pd和Ｐp，然后根据算法公式计算
出控制变量。

3.2总体方案设计与原理分析
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：

３.2.1．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。
3．2．2．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。
３.2．3.比例积分控制(PI控制)