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1、基于大林算法的电加热炉温度控制系统设计2010级自动化专业计算机控制技术课程设计任务书论文题目基于大林算法的电加热炉温度控制系统设计设计类型设计型导师姓名主要内容及目标电阻加热炉用于合金钢产品热力特性实验，电加热炉用电炉丝提供功率，使其在预定的时间内将炉内温度稳定到给定的温度值。在本控制对象电阻加热炉功率为8KW，有220V交流电源供电，采用双向可控硅进行控制。本设计针对一个温区进行控制，要求控制温度范围50350，保温阶段温度控制精度为1。选择合适的传感器，计算机输出信号经转换后通过双向可控硅控制器控制加热电阻两端的电压，其对象温控数学模型为： 其中：时间常数=350秒，放大系数=50，滞后
2、时间=10秒，控制算法选用大林算法 。件条1 PC机一台，教学实验箱一台;计划学生数及任务3人（1）：明确课题功能。（2）：把复杂问题分解为若干模块，确定各模块处理方法，画出流程图。（3）：存储器资源分配（4）：编制程序，根据流程图来编制源程序（5）：对程序进行汇编，调试和修改，直到程序运行结果正确为止。计划设计进程一、 总体方案设计二、 控制系统的建模和数字控制器设计三、 硬件的设计和实现1、 选择计算机字长(选用 51内核的单片机)2、 设计支持计算机工作的外围电路(EPROM、RAM、I/O端口、键盘、显示接口电路等)；3、 设计输入信号接口电路；4、 设计DA转换和电流驱动接口电路；5
3、、 其它相关电路的设计或方案(电源、通信等)。四、 软件设计1、 分配系统资源，编写系统初始化和主程序模块框图；2、 编写AD转换和温度检测子程序框图；3、 编写控制程序和DA转换控制子程序模块框图；4、 其它程序模块(显示与键盘等处理程序)框图。五、编写课程设计说明书，绘制完整的系统电路图(A3幅面)。任务分工：摘 要电加热炉在化工、冶金等行业应用广泛，因此温度控制在工业生产和科学研究中具有重要意义。其控制系统属于一阶纯滞后环节，具有大惯性、纯滞后、非线性等特点，导致传统控制方式超调大、调节时间长、控制精度低。采用单片机进行炉温控制，具有电路设计简单、精度高、控制效果好等优点，对提高生产效率
4、、促进科技进步等方面具有重要的现实意义。常规的温度控制方法以设定温度为临界点，超出设定允许范围即进行温度调控：低于设定值就加热，反之就停止或降温。这种方法实现简单、成本低，但控制效果不理想，控制温度精度不高、容易引起震荡，达到稳定点的时间也长，因此，只能用在精度要求不高的场合。电加热炉是典型的工业过程控制对象，在我国应用广泛。电加热炉的温度控制具有升温单向性，大惯性，大滞后，时变性等特点。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。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的模型和确定参数，应用传统的控制理论和方法难以达到理想的控制效果。本设计采用大林算法
5、进行温度控制，使整个闭环系统所期望的传递函数相当于一个延迟环节和一个惯性环节相串联来实现温度的较为精确的控制。关键词：单片机；A/D、D/A；达林算法；传感器；炉温控制目 录一、绪论51.1系统设计背景51.2技术综述5二、系统总体设计52、1系统概述52、2系统的结构框图5三、 硬件设计73、1微处理器80C5173、2温度传感器83、3驱动电路93、4键盘模块93、5 LED显示模块10四、软件设计114、1系统软件设计114、2大林算法的系统设计114、3程序控制流程图13五、调试运行14六、课程设计总结15参考文献17附录一 系统原理图18附录二 程序18一、绪论1.1系统设计背景近年
6、来，加热炉温度控制系统是比较常见和典型的过程控制系统，温度是工业生产过程中重要的被控参数之一，冶金机械食品化工等各类工业生产过程中广泛使用的各种加热炉热处理炉反应炉，对工件的处理均需要对温度进行控制。因此，在工业生产和家居生活过程中常需对温度进行检测和监控。由于许多实践现场对温度的影响是多方面的，使得温度的控制比较复杂，传统的加热炉电气控制系统普遍采用继电器控制技术，由于采用固定接线的硬件实现逻辑控制，使控制系统的体积增大，耗电多，效率不高且易出故障，不能保证正常的工业生产。随着计算机控制技术的发展，传统继电器控制技术必然被基于计算机技术而产生的计算机控制技术所取代。1.2技术综述自70年代以
7、来，由于工业过程控制的需要，特别是在电子技术的迅猛发展，以及自动控制理论和设计方法发展的推动下，国外温度控制系统发展迅速，并在智能化自适应参数自整定等方面取得成果。在这方面以日本、美国、德国、瑞典等国技术领先，并且都生产出了一批商品化的性能优异的温度控制器及仪器仪表，在各行业广泛应用。二、系统总体设计2、1系统概述本设计在硬件部分选择了单片机的AT80C51芯片为核心控制部分，输出为K型热电偶传感器，检测温度后传回单片机系统，最后经过温度控制系统，从而加热电阻，来达到控制电加热炉的目的。2、2系统的结构框图电加热炉控制系统的硬件结构框图如图2.1LED显示驱动模块热电偶传感器AT80C51电加
8、热炉键盘图2.1 系统的总体结构框图加热炉温度控制实现过程是:首先温度传感器将加热炉的温度传回单片机，然后AT80C51芯片将给定的温度值与反馈回来的温度值进行比较并经过最小拍无纹波算法运算处理后，传给温度控制系统，判断加热器材输出端导通与否从而使加热炉开始加热或停止加热。既加热炉温度控制得到实现。其中单片机的80C51系统为加热炉温度控制系统的核心部分起着重要作用。三、 硬件设计3、1微处理器80C51本系统设计的单片机采用80C51或其兼容系列芯片，采用24MHZ或更高频率晶振，以获得较高的刷新频率，时期显示更稳定。图3.1 单片机芯片引脚图3、2温度传感器 在温度传感器部分，选择了K型热
9、电偶传感器。(1) K 型热电偶的测温原理热电传感器是利用转换元件的参数随温度变化的特性，将温度和与温度有关的参数的变化转换为电量变化输出的装置。两种不同的导体或半导体组成的闭合回路就构成了热电偶，热电偶两端为两个热电极，温度高的接点为热端、测量端或自由端；温度低的接点为冷端、参考端或自由端。测量时，将工作端置于被测温度场中，自由端恒定在某一温度。热电偶是基于热电效应工作的，热电效应产生的热电势是由接触电势和温差电势两部分组成的。(2) MAX6675单片热电偶数字转换器。其工作原理如下：K型热电偶产生的热电势，经过低噪声电压放大器A1和电压跟随器A2放大、缓冲后，得到热电势信号U1，再经过S
10、4送至ADC。对于K型热电偶，电压变化率为（41V/），电压可由如下公式来近似热电偶的特性。U1=（41V/）（T-T0） 上式中，U1为热电偶输出电压（mV），T是测量点温度；T0是周围温度。在将温度电压值转换为相应的温度值之前，对热电偶的冷端温度进行补偿，冷端温度即是MAX6675周围温度与0实际参考值之间的差值。通过冷端温度补偿二极管，产生补偿电压U2经S4输入ADC转换器。U2=（41V/）T0 在数字控制器的控制下，ADC首先将U1、U2转换成数字量，即获得输出电压U0的数据，该数据就代表测量点的实际温度值T。这就是MAX6675进行冷端温度补偿和测量温度的原理如图3-2所示。 图3
11、.2 温度采集电路3、3驱动电路 图3.3 驱动电路3、4键盘模块在本次设计当中，输入设备采用矩阵键盘：图3-4键盘模块电路当“设定”键按下时触发键盘中断服务程序，由程序程控扫描法确定那个键按下并执行相应的动作。程控扫描的任务是：(1)首先判断是否有键按下。方法：使所有的行输出均为低电平，然后从端口A读入列值。如果没有键按下，则读人值为FFH如果有链按下则不为FFH。（2）去除键抖动。方法：延时1020 ms，再一次判断有无键按下，如果此时仍有键按下，则认为键盘上确实有键处于稳定闭合期。（3）若有键闭合，则求出闭合键的键值。方法：对键盘逐行扫描。（4）程序中需等闭合键释放后才对其进行处理。3、
12、5 LED显示模块图3-5 LM016L液晶模块LM016L液晶模块采用 HD44780控制器。 HD44780具有简单而功能较强的指令集，可以实现字符移动、闪烁等功能。LM016L与单片机 MCU（Microcontroller Unit）通讯可采用 8位或者 4位并行传输两种方式。 HD44780控制器由两个 8位寄存器、指令寄存器（ IR）和数据寄存器（DR）、忙标志（BF）、显示数据 RAM（DDRAM）、字符发生器ROM（CGROM）、字符发生器 RAM（CGRAM）、地址计数器（ AC）。IR用于寄存指令码，只能写入不能读出；DR用于寄存数据，数据由内部操作自动写入 DDRAM和C
13、GRAM，或者暂存从DDRAM和 CGRAM读出的数据。BF为 1时，液晶模块处于内部处理模式，不响应外部操作指令和接受数据。 DDRAM用来存储显示的字符，能存储 80个字符码。 CGROM由 8位字符码生成 5*7点阵字符 160种和 5*10点阵字符 32种，8位字符编码和字符的应关系。四、软件设计4、1系统软件设计控制系统的软件主要包括：温度的采样和处理、控制计算、控制输出、中断、显示、调节参数修改、温度设定及修改。其中控制算法采用最小拍无纹波控制算法，以达到更好的控制效果。 考虑到电加热炉是一个非线性、时变和分布参数系统，所以本文采用一种新型的智能控制算法。它充分吸取数学和自动控制理
14、论成果，与定性知识相结合，做到取长补短，在实时控制中取得较好的成果。其中，系统的软件流程图如图4.1 系统软件流程图4、2大林算法的系统设计大林算法中D(z)的基本形式 设被控对象为带有纯滞后的一阶惯性环节惯性环节，其传递函数分别为： 其中t1为被控对象的时间常数，为被控对象的纯延迟时间，为了简化，设其为采样周期的整数倍，即N为正整数。 由于大林算法的设计目标是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 ，其中 由于一般控制对象均与一个零阶保持器相串联，所以相应的整个闭环系统的脉冲传递函数是 （2-3）于是数字控制器的脉冲传递函数为 （2-4） D(z)可由计算机程序实现。由上式可知，它与被控对象有关。下面对一阶纯滞后环节进行讨论。 一阶惯性环节的大林算法的D(z)基本形式 当被控对象是带有纯滞后的一阶惯性环节时，由式（2-1）的传递函数可知，其脉冲传递函数为 ：将此式代入（2-4），可得 （2-5） 式中：T采样周期350秒： 被控对象的时间常数50； 闭环系统的时间常数10秒。4、3程序控制流程图1、 程序流程基本思路：控制过程：手动输入一个温度设定值，需要调用键盘扫描子程序，再由传感器检测现场的温度值，调用A/D转换子程序，将模拟信号转换为数字信号送单片机处理，调用温度控制子程序来实现温度控制，调用显示子程序将处理后的结
