计算机控制技术课程设计_电加热炉温度控制系统

《计算机控制技术课程设计_电加热炉温度控制系统》由会员分享，可在线阅读，更多相关《计算机控制技术课程设计_电加热炉温度控制系统（54页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、电加热炉温度控制系统模型电加热炉温度控制系统模型 建立及控制算法建立及控制算法 本文以电加热炉为控制对象.通过对电加热炉对象特性的分析来确定电加热炉系 统的构成及控制方案。而这里主要采用的设计方案是普通电加热炉温度控制系统模 型建立及控制算法,对电加热炉的温度进行控制的计算机控制系统，所含系统结构复 杂，干扰多。这个系统结构简单，实施容易。对炉温控制，采用的主要是由 8051 单 片机组成系统。此外由于 PID 算法具有计算量小，控制器结果简单，静动态性能指 标好等特点，则应用了 PID 控制算法。本文还建立电加热炉数学模型。此外在论文 中也介绍了史密斯预估方案，以及关于占空比，这两个问题都有

2、在论文中提到，其 中史密斯预估方案对系统的稳态性能影响很大，而占空比问题也对系统温度加热时 间有很大关系。出此之外，论文中还介绍了电加热炉温度控制系统中要运用到的主 要芯片.以及这些芯片在系统中的各自功能也都有介绍。 此论文重点讨论了电加热炉温度控制系统系统的控制算法， 关键词关键词 电加热炉；温度控制；单片机；PID 算法; 目录目录 绪论1 1. 电加热炉温度控制系统的构成 .2 1.1 各个主要元件电加热炉温度控制系统中的功能2 1.2 电加热炉温度控制系统的结构框图及工作原理.2 1.3 系统中要用的主要芯片的简介3 1.3.1 8051 芯片简介3 1.3.2 定时计数器5 1.3.

3、3 锁存器 74LS3736 1.3.4 光可控硅6 1.3.5 8279 芯片的简介10 1.3.6 A/D 转换器.12 1.3.7 电源电路.13 1.4 电加热炉温度控制系统的控制实例14 2电加热炉温度控制系统的控制算法15 2.1 电加热炉温度控制系统的性能指标15 2.2 电加热炉温度控制系统数学模型的建立15 2.3 PID 控制器的控制算法.16 2.3.1 PID 调节器参数对控制性能的影响. 18 2.3.2 PID 控制系统参数设定及其控制系统的优点. 18 2.4 电加热炉积分分离 PID 控制的仿真研究 20 3. 控制系统的仿真实验图及分析 21 3.1 积分分离

4、 PID 控制算法 21 3.2 占空比.25 结论27 致谢28 参考文献29 附录 1.30 附录 249 绪论绪论 电加热炉的出现，给人类的生活带来了很多方便，使人类不管是在生活还是在工 业方面都有了很多便利之处。但是电加热炉主要应用还是在生产过程、实验室及研 究所。电加热炉本身可由多组炉丝提供功率，用多组温度传感器检测炉内温度，因 此电加热炉属多区温度系统。控制理论从经典理论、现代理论已经发展到更先进的 控制理论，控制系统也由简单的控制系统、大系统发展到今天的复杂系统。本文讨 论的电加热炉炉温控制系统由上下两组炉丝进行加热，用上下两组热电偶检测炉温。 本文所采用的电加热炉温度控制，采用

5、的是适用于工业控制的 8051 单片机组成的 控制系统。为了降低电加热炉的成本，系统要求采用实现温度闭环控制，控制温度 误差范围 5C，调节温度的超调量小于 30%，系统被测参数是温度，由单片机 PID 运算得出的控制量控制光控可控硅的导通和关断，以便切断或接通加热电源，调整 电功率，从而控制电加热炉的温度稳定在设定的值上，并实时显示炉内温度，记录 温度的变化过程，以更好的控制电加热炉工作。本系统较理想地解决了炉温控制中 平稳性、快速性与精度之间的矛盾。 电加热炉是一种将电能转换为热能，在工矿企业和日常生活中，是一种常见的设 备。在社会发展的今天，电加热炉的使用，即可以提高生产效益，节约能源，

6、也减 少了环境的污染，在社会经济发展和改善人民生活质量等方面的优点早已成为社会 的共识。 随着社会经济的不断发展，科技水平的进步，人民生活水平的提 4 高，将使社会 带入一个新的阶段。人们对热能的需求质量越来越大，电加热炉的优越性越发的突 出来，这样就出现了一个问题，由于传统的电加热炉存在一定的弊端而造成能源的 浪费，导致其生产效率低，其主要原因是缺少有效的调节设备，导致的浪费。如何 解决这一问题，满足社会的需求，设计得更加科学、合理，在全国仍在探讨。并且 现代电加热炉的控制方法由于数学深奥、算法复杂、现场工程师难以理解和接受， 因而先进控制算法的推广受到制约，为克服以上种种困难，将来的电加热

7、炉以控制 算法简单，静动态性能好的特点，有较高的实用价值和理论价值，特别是以节约能 源、保护环境的方向发展。 1. 电加热温度控制系统的构成电加热温度控制系统的构成 此次设计的电阻炉温度控制系统，主要包括 8051 单片机、温度控制检测元件和变 送器、A/D 转换器、键盘与显示器、温度控制电路和报警电路等几个部分。 1.1 各主要芯片的在电加热炉温度控制系统中的功能。各主要芯片的在电加热炉温度控制系统中的功能。 首先该系统选用性能价格比较高的适用于工业控制 MCS51 系列单片机 8051 作 为主机，具有控制方便、简单和灵活性等特点，而且可以大幅度提高被控温度的技 术指标，从而能大大提高产品

8、的质量和数量。 其次是应用了定时/计数器。定时/计数器控制寄存器 TCON 的作用是控制定时器的 启、停，标志定时器的溢出和中断情况。 此外还应用了锁存器 74LS373。74LS373 片内是 8 个输出带三态门的 D 锁存器，缩 存器中内容可以根据设置的电平的高低对内容进行更新和保存。 还有应用到了光控可控硅。晶闸管又叫硅可控整流元件，常简称为可控硅不只是 用 5 来进行可控整流它还可以用作无触点开关以快速接通或切断电路，实现将直 流电变成交流电的逆变，将一种额率的交流电变成另种频率的交流电， 8279 芯片，它是一种可编程的键盘/显示器接口芯片。它含键盘输入和显示输出 两种功能。 A/D

9、 转换器:这里采用 ADC0809 A/D 转换器。通过一个串行三态输出端与主处理 器或其外围的串行口通信，可与主机高速传输数据，可编程输出数据长度和格式。 热电偶: 常用的热电偶有好多种，根据我们实际所需要的，在这里我采用铂铑。 这种热电偶可在 1600C 以下范围内长期工作，短期可测 1800C 的高温。 1.2 电加热炉温度控制系统的结构框图及工作原理电加热炉温度控制系统的结构框图及工作原理 软盘显示 报警显示 A/D 光控可控 硅 热电偶 8051 电加热炉 变送器 图图 1-1 系统结构框图系统结构框图 工作原理：热电偶用来检测炉温，将电阻炉中的温度转变成毫伏级的电压信号， 经温度变

10、送器放大并转换成电流信号。由于 A/D 转换器接受的是电压量，所以在温 度变送器的输出端介入电阻网络，把得到的电流信号转换成电压信号。通过采样和 A/D 转换，所检测得到的电压信号和炉温给定的电压信号都转换成数字量送入到微 型机中进行比较，其差值即为实际电炉和给定炉温间的偏差。微型机构成的数字控 制器对偏差按一定的控制规律进行运算，运算结果送 D/A 转换器转换成模拟电压， 经功率放大器放大后送到晶闸管调压器，触发晶闸管并改变其导通角的大小，从而 控制电阻炉的加温电压，起到调节炉温的作用。 1.3 系统中要用到的主要芯片的简介系统中要用到的主要芯片的简介 1.3.1 8051 8051 单片机

11、包含中央处理器、程序存储器(ROM)、数据存储器(RAM)、定时/计数 器、并行接口、串口接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线 等三大总线，具体介绍如下： 中央处理器：中央处理器(CPU)是整个单片机的核心部件，是 8 位数据宽度的处理 器，能处理 8 位二进制数据或代码，CPU 负责控制、指挥和调度整个单元系统协调 的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。 数据存储器(RAM)：8051 内部有 128 个 8 位用户数据存储单元和 128 个专用寄存 器单元，它们是统一编址的，专用寄存器只能用于存放控制指令数据，用户只能访 问，而不能用于存放用户数据，所以，用户能使用的

12、的 RAM 只有 128 个，可存放读 写的数据，运算的中间结果或用户定义的字型表。 程序存储器(ROM)：8051 共有 4096 个 8 位掩膜 ROM，用于存放用户程序，原始数据或 表格。 定时/计数器(ROM)：8051 有两个 16 位的可编程定时/计数器，以实现定时或计数产 生中断用于控制程序转向。 并行输入输出(I/O)口：8051 共有 4 组 8 位 I/O 口(P0、 P1、P2 或 P3)，用于对外部 数据的传输。 全双工串行口：8051 内置一个全双工串行通信口，用于与其它设备间的串行数据传送， 该串行口既可以用作异步通信收发器，也可以当同步移位器使用。 中断系统：80

13、51 具备较完善的中断功能， 时钟电路：8051 内置最高频率达 12MHz 的时钟电路，用于产生整个单片机运行的脉 冲时序，但 8051 单片机需外置振荡电容2 MCS-51 的引脚说明： 8051 采用 40Pin 封装的双列直接 DIP 结构，下图是它们的引脚配置，40 个引脚中， 正电源和地线两根，外置石英振荡器的时钟线两根，4 组 8 位共 32 个 I/O 口，中断 口线与 P3 口线复用。功能如下说明： Pin20:接地脚 Pin40:正电源脚，正常工作或对片内 EPROM 烧写程序时，接+5V 电源。 Pin19:时钟 XTAL1 脚，片内振荡电路的输入端。 Pin18:时钟

14、XTAL2 脚，片内振荡电路的输出端。 输入输出(I/O)引脚： Pin39-Pin32 为 P0.0-P0.7 输入输出脚也可作为低 8 位地址总线，Pin1-Pin1 为 P1.0-P1.7 输入输出脚，Pin21-Pin28 为 P2.0-P2.7 输入输出脚也可作为高 8 位地址 总线，Pin10-Pin17 为 P3.0-P3.7 输入输出脚还具有第二功能，功能如下图所示。 Pin9:RESET/Vpd复位信号复用脚，当 8051 通电，时钟电路开始工作，在 RESET 引 脚上出现 24 个时钟周期以上的高电平，系统即初始复位。初始化后，程序计数器 PC 指 向 0000H，P0-P3 输出口全部为高电平，堆栈指钟写入 07H，其它专用寄存器被清“0” 。 RESET 由高电平下降为低电平后，系统即从 0000H 地址开始执行程序。然而，初始复位 不改变 RAM（包括工作寄存器 R0-R7）的状态，8051 的初始态如下表： 表表 1-11-1 80518051 初始态初始态 Pin30:ALE/PROE 当访问外部程序器时，ALE(地址锁存)的输出