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河南科技大学毕业论文

河南科技大学

本科毕业设计（论文）

题目_基于PID控制的热处理炉设计_

学生姓名

专业班级

学号

所在系

指导教师

完成时间2012年3月12日

基于PID控制的热处理炉设计

摘要

热处理炉是利用电流通过热处理体产生的热量来加热或熔化物料的一类电炉。

热处理炉在化工、冶金等行业应用广泛，因此热度控制在工业生产和科学研究中具有重要意义。

热处理炉由炉体、电气控制系统和辅助系统组成。

炉体由炉壳、加热器、炉衬（包括隔热屏）等部件组成。

电气控制系统包括电子线路、微机控制、仪表显示及电气部件等。

辅助系统通常指传动系统、真空系统、冷却系统等，随炉种的不同而已。

热度是生产过程和科学实验中非常普遍而又十分重要的物理参数。

在工业生产过程中，为了高效地进行生产，必须对生产工艺过程中的主要参数，如热度、压力、流量、速度等进行有效的控制，其中热度控制在生产过程中占有相当大的比例。

准确地测量和有效地控制热度是优质、高产、低耗和安全生产的重要条件。

而且在我们的日常生活中也使用微波炉、热处理炉、电热水器、空调等家用电器，热度与我们息息相关。

可见热度控制电路广泛应用于社会生活的各个领域，所以对热度进行控制是非常有必要和有意义的。

本设计采用单片机作为数据处理与控制单元，用热电偶作为测量元件，用固态继电器作为输出控制元件来实现对热处理炉热度自动控制。

单片机控制K型热电偶热度传感器，把热度信号通过A/D转换器采集到单片机里。

单片机经数据处理、PID运算，发出控制信息改变执行模块的状态，同时用LED显示显示值PV、设定值SV。

本设计通过4个按键来进行人机交互和LED显示，进而使热处理炉的热度始终保持在要求范围内。

关键字：

热处理炉；热度；单片机；PID控制

ResistanceFurnaceTemperatureControlSystem

BasedonSinglechipComputer

ABSTRACT

Heattreatmentfurnaceisusingtheelectriccurrentthroughtheresistancebodyheatgenerationtoheatingorakindofelectricstovemeltmaterials.Heattreatmentfurnaceinchemicalindustry,metallurgyindustry,etcwidelyapplication,sothetemperaturecontrolintheindustrialproductionandscientificresearchhasimportantsignificancein[1].

Heattreatmentfurnacebody,byelectriccontrolsystemandauxiliarysystems.Furnaceshell,heater,fromfurnacelining（includinginsulationscreen）,andothercomponents[2].Electricalcontrolsystemincludingelectroniccircuits,microcomputercontrol,theinstrumentshowsandelectricalparts,etc.Auxiliarysystemusuallyreferstothetransmissionsystem,vacuumsystem,coolingsystem,etc,withthedifferenceoftheboiler.

Thetemperatureistheproductionprocessandscientificexperimentsareverycommonandimportantphysicalparameter.Intheindustrialproductionprocess,inordertoefficientlycarriedout,production,mustonproductionprocessintheprocessofthemainparameters,suchastemperature,pressure,andflowvelocity,effectivecontrol,temperaturecontrolintheproductionprocessofoccupiesalargeproportion.Accuratemeasurementandeffectivecontroloftemperatureishighquality,highoutput,lowcostandsafeproductionoftheimportantconditions.Andinourdailylifeandcanusemicrowaveoven,electricresistancefurnace,electricwaterheater,airconditioningandotherhomeappliances,temperatureandeverydaylife.Temperaturecontrolcircuitiswidelyusedineveryfieldofthesociety,sothetemperaturecontrolisverynecessaryandmeaningful.

ThisdesignUSESthesinglechipmicrocomputerasthedataprocessingandthecontrolunit,thethermocouplesusedasmeasuringelement,withsolidstaterelayastheoutputcontrolelementstoachieveheattreatmentfurnacetemperatureautomaticcontrol.Single-chipmicrocomputercontrolthermocoupletemperaturesensortypeK,thetemperaturesignalthroughtheA/Dconvertercollectiontothesinglechipmicrocomputer.Thesinglechipmicrocomputerdataprocessing,PIDoperation,acontrolinformationchangeexecutivemodulestate,atthesametimeusetheLEDdisplaythedisplayvalue,settingPVSV[3].Thisdesignthroughthe4buttonsforhuman-computerinteractionandLEDdisplay,andheattreatmentfurnacetemperatureremainsinrequirementsrange.

Keywords：

Theresistancefurnace;Temperature;SCM;PIDcontrol

目录

摘要I

ABSTRACTII

目录1

第1章绪论1

第2章热处理炉热度控制系统硬件2

2.1系统设计方案的论证与比较2

2.2最小系统结构框图4

2.3热度采集与传感器5

2.3.1热电偶热度信号的线性化7

2.3.2A/D转换电路8

2.3.3控制器控制流程9

第3章单片机10

3.1单片机的主控单元10

3.2复位电路12

3.2.1时钟电路13

3.3人机交互电路14

3.3.1按键14

3.3.2显示电路15

3.4串口通信18

3.5报警单元19

第4章软件设计与PID控制22

4.1设计思路22

4.2PID控制基本特性23

4.2.1模糊控制23

4.2.2模糊控制与PID的结合24

4.3PID控制工作流程24

4.4程序设计27

4.4.1采样程序27

4.4.2显示子程序28

4.4.3按键子程序29

4.4.4PID控制子程序30

结论33

参考文献34

致谢35

附录1:

原理图36

附录2:

程序37

第1章绪论

随着社会的发展，科技的进步，以及测热仪器在各个领域的应用，智能化已是现代热度控制系统发展的主流方向。

特别是近年来，热度控制系统已应用到人们生活的各个方面，是与人们息息相关的一个实际问题。

针对这种实际情况，设计一个热度控制系统，具有广泛的应用前景与实际意义。

热处理炉是利用电流通过热处理体产生的热量来加热或熔化物料的一类电炉。

它的特点：

①电路简单；②对炉料种类的限制少；（小型热处理炉可以加热食品、干燥木材等）；③炉热控制精度高；④容易实现在真空或控制气氛中加热等特点。

它适用于：

①机械零件的淬火、回火、退火、渗碳、氮化等热处理；②各种材料的加热、干燥、烧结、钎焊、熔化等。

热处理炉的主要参数有额定电压、额定功率、额定热度、工作空间尺寸。

热处理炉按炉热不同可以分为低热热处理炉（600～700℃以下）、中热热处理炉（700℃～1200℃）、高热热处理炉（1200℃以上）。

热处理炉被广泛应用在冶金、机械、石油化工、电力等工业生产中，在很多生产过程中，热度的测量和控制与生产安全、生产效率、产品质量、能源节约等重大技术经济指标紧紧相连。

因此各个领域对热处理炉热度控制的稳定性、可靠性、精度等要求也越来越高，热度测量控制技术也成为现代科技发展中的一项重要技术。

热度控制技术的发展经历了三个阶段：

1、定值开关控制；2、PID控制；3、智能控制。

PID控制热度的效果主要取决于P、I、D三个参数[4]。

PID控制大滞后、大惯性、时变热度系统时，其控制质量难以保证。

热处理炉是由热处理丝加热升热，靠自然冷却降热，PID控制对小型热处理炉的热度控制效果良好。

本文以热处理炉为控制对象，以模糊PID为硬件核心，利用单片机使热处理炉的热度维持在一个稳定的范围。

第2章热处理炉热度控制系统硬件

2.1系统设计方案的论证与比较

根据题目要求，热度控制器是由核心处理模块、热度采集模块、键盘显示模块、及控制执行模块等组成，所以本设计要考虑这些模块器件的选型以及所设计出来的热度控制器的可行性，其主要有以下几种设计方案。

方案一：

经典控制方案

经典控制方案可分为数字控制器的间接设计方案和数字控制器的直接设计方案。

数字控制器的间接设计方案是一种根据模拟设计方案转换而来的设计方案。

传统模拟系统中的控制器设计己有一套成熟的方法，其中以PID控制器为代表。

PID控制器具有原理简单、易于实现、适用范围广等优点。

将模拟控制器转换成数字控制器是用离散时近似方法将一连续时间系统的控制规律离散为数字控制器的控制规律，其中为确保数字控制器与模拟控制器的近似，要适当选择采样周期，这种方案可行但太过于简单。

方案二：

采用比较流行的AT89C51作为电路的控制核心,AT89C51是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器[8]。

数据的采集部分采用K型热电偶传感器，数据转换部分采用ADC0832，它改变传统热度测试方法,能在现场采集热度数据,并直接将热度物理量变换为数字信号传送到计算机进行数据处理,测试热度范围为-270℃～+1300℃。

可应用于各种领域、各种环境的自动化测试和控制系统,使用方便灵活,测试精度高,优于任何传统的热度数字化、自动化测控设备。

控制电路部分采用固态继电器以实行对被控热度的控制,此方案电路简单并且可以满足一般的控制要求。

方案三：

采用PLC作为控制电路的核心，以状态空间法为基础来分析和设计控制系统。

状态空间法本质上是一种时域的方法，它不仅描述了系统的外部特性，而且描述和提示了系统的内部状态和性能。

基于现代控制理论的设计方案是建立在对系统内部模型的描述之上的。

它是通过数学方法对控制系统进行分析综合。

控制规律的确定是通过极小化预先确定的性能指标函数或使控制系统满足希望的回应而推导出来的。

此类设计方案主要有:

系统辨识、最优控制、自校正控制等。

这类设计方案适用范围广，适合于多输入多输出系统、某些非线性时变系统和一些具有随机扰动的系统。

该方法理论严谨，控制系统的稳定性问题可以严格证明，性能指标能定量分析，得到的控制质量较好。

但这类方法需要知道精确的被控对象的数学模型形式但这种方法设计起来比较昂贵，不是学生可以承受的。

综上分析,我们采用方案二。

系统由单片机AT89C52、热度检测电路、键盘显示、显示电路、热度控制电路等部分组成。

在系统中，热度这一物理参数变化缓慢，大惯性和大滞后的特点，本论文考虑采用模糊控制与PID控制相结合的参数模糊自整定PID控制方法。

本文首先介绍常规PID控制，模糊控制和自适应模糊PID控制的基础，然后对热处理炉热度这一控制对象利用热电偶测得热处理炉实际热度并转换成毫伏级电压信号。

该电压信号经过热度检测电路转换成与炉热相对应的数字信号进入单片机，单片机进行数据处理后，通过液晶显示器显示热度，同时将热度与设定热度比较，根据设定计算出控制量，根据控制量通过控制继电器的导通和关闭从而控制热处理丝的导通时间，以实现对炉热的控制。

系统设计总体框图如下图2-1所示：

图2-1控制器设计总体框图

在本系统的电路由四部分组成

（1）控制部分主芯片采用单片机AT89C52；

（2）显示部分采用4位LED数码管实现热度显示；

（3）热度采集部分采用K型热电偶传感器；

（4）热度控制部分采用固态继电器。

根据热度变化慢，并且控制精度不易掌握的特点，我们设计了以AT89C52单片机为检测控制中心，将热度控制在设定的范围之内。

其主要的控制原理为：

对被控对象的热度进行实时采集，其主要是通过热电偶传感器将热度转变成模拟电信号，并由A/D转换器ADC0832将所得的模拟量转变成数字量送入单片机中。

单片机将传感器所采集到的热度和事先设定的热度进行对比，当小于设定值时将发出信号启动加热装置；当大于设定值时将关闭加热装置，从而使得被控热度控制在一定的范围之内，达到实时控制的功能。

整个控制器主要有以下功能：

（1）被控热度可以根据实际的需要设定；

（2）实时显示当前热度值；

（3）按键控制：

a、设置复位键、加一键、减一键、确定键；b、修改P、I、D系数；

（4）越限报警。

2.2最小系统结构框图

本系统以STC89C52单片机为核心，本系统选用12MHZ的晶振，使得单片机有合理的运行速度,复位电路为按键高电平复位[7]。

STC89C52单片机最小系统电路设计如图2-2所示：

图2-2STC89C52单片机最小系统

2.3热度采集与传感器

图2-3热电偶传感器

热度检测是本次设计前向通道的重要组成部分，它的精确程度将直接影响到控制效果。

因此，我们首先要选择合适的测热元件，对热度进行准确的测量。

热电偶的冷锻热度补偿有四种方法：

补偿导线法；冷端补偿法；计算修正法；电桥补偿法。

补偿导线法：

图2-4补偿导线法的连接图

冷端补偿法：

（1）将热电偶的冷端置于放有冰水混合物的冰瓶中，使冷端热度保持0℃不变的方法称为冰浴法。

采用这种方法可以消除冷端热度t0不等于0℃而引起的误差。

由于冰融化比较快，因而一般只适合在实验室中使用。

（2）将热电偶的冷端置于电热恒热器中，恒热器的热度要略高于环境热度的上限。

（3）将热电偶的冷端置于恒热的空调房间中，使冷端热度保持恒定。

计算修正法：

当热电偶的冷端热度t00C时，由于热端与冷端的热差随冷端的变化而变化，所以测得的热电势EAB（t，t0）与冷端为0C时所测得的热电势EAB（t，0C）不等。

若冷端热度高于0C，则EAB（t，t0）

可以利用下式计算并修正测量误差：

EAB（t,0C）=EAB（t,t0）+EAB（t0,0C）

电桥补偿法：

图2-5电桥补偿法的接线图

本次设计采用计算修正法。

2.3.1热电偶热度信号的线性化

热电偶热度信号非线性是比较大的，如B型热电偶，从0°C升高到1800°C，热电势从0mV变化到13.585mV，每100°C热电势增加最大的约为最小的8倍。

B偶的最大输出热电势只有13.585mV，而且当热度升高到约1700°C时，该增加值下降。

其他热电偶都存在类似的问题，尽管稍有不同。

这又给线性化增加了难度。

从这一特性出发，热电偶热度信号的线性化主要有如下几种方法。

（1）单反馈法：

利用负反馈，可以改善其线性，但是很有限。

几种非线性稍小的热电偶，可以采用这种方法，特别是在热区要求不宽的情况下。

有时，由于在其一热区有精度要求，那么就在该热区对信号进行调理，达到要求的目标；在其他热区可以放宽精度要求，甚至不要求，只作监视用。

（2）折线近似法：

这是一种对非线性较大的信号处理的较好的方法。

处理得好可以达到较高的精度。

这种方法普遍适用于各种热电偶的整个正信号热区。

图2-6折线近似法

该种方法的电路原理图如图2-6所示。

该电路的工作过程是：

当输入的电压信号较低时，IC1中的反相端电压较同相端（A）低得多（同相端的电压大小是根据线性化要求设定的，B点同样），IC1的输出端电压较高，D1截止。

当输入信号电压接近IC1的同相端时，IC1的输出逐渐降低，随之，D1逐渐导通，V4逐渐增大，直到V4接近A点电压为止。

这就有效地限制了热电偶信号迅速增加，降低了非线性。

IC2的工作过程与此类似，不同的是B点电位比A点高。

当输入电压在A点电压以下时，D2截止，IC2不工作；只有当输入电压高于A点电压或接近B点电压时IC2才工作。

工作过程与IC1相同。

所用折线的段数是根据精度要求决定的。

对于热电偶信号处理来说，有三段就可以使精度达到0.5%以上。

2.3.2A/D转换电路

本设计中热度检测电路输出信号为模拟量，要想将检测数据送入单片机，必须将其转换为数字信号，这里选用集成A/D转换器——ADC0832。

A/D转换电路用来把连续的模拟信号转变成数字形式，即二进制数。

实际的转换过程包括在特定时刻的信号采样并保持其值直到一个稳定信号被输入到模/数转换器即止。

模/数转换器产生的二进制数通过微机的输入通道进入微型机。

复杂的硬件或具有合适的软件指令的简单硬件都可能实现模数转换。

软件的使用会降低模数转换过程的速度。

高速模数转换的整个过程均需要使用硬件。

用于特定用途的模/数转换器可按其精度和速度分类。

出于各种实用的目的，模/数转换器可视为一个黑盒子，它能把在一定范围取任意连续值的模拟电压转换成离散的二进制代码。

模拟电压转换得到的二进制码的数值取决于模/数转换器的位数。

一个N位模/数转换器将提供2N个离散代码来代表输入的模拟电压。

大多数模/数转换器基于逐次逼近和双斜式转换技术。

N位的逐次逼近模/数转换器涉及N次比较操作。

每次比较可以产生该位确切的二进制值（0或1）。

最先产生的为最高位，最后产生的则是最低位。

第一次比较时，用输入的电压与参考信号电压的一半（1/22）进行比较。

如果输入电压大于参考信号的一半，那么最高位置为1，否则置为0。

假定输人电压大于参考信号的一半，对8位ADC来说，第一次比较将产生二进制码10000000。

下一步是把参考电压的四分之一（1/22）迭加到由上面代码产生的电压上，并再次用它与输入电压比较。

根据这次比较，产生的二进制代码将是11000000（模拟输入电压大于代码电压时），或者是10000000（模拟输入电压小于代码电压时）。

接着把参考电压的八分之一（1/23）迭加到第二位转换后的二进制代码所产生的电压上，把迭加后的电压与输入模拟电压比较以确定第三位的二进制值。

这个过程重复进行N次（模数转换器的位数）。

因此对于第N位，由第N-1位产生的代码得到的电压被迭加到1/2N倍的参考电压后，并且让它与输入电压比较以决定第N位的二进制值。

2.3.3控制器控制流程

目前模糊PID控制器有多种结构形式，但工作原理基本一致。

人们运用模学的基本原理和方法，把规则的条件、操作用模糊集表示，并把这些模糊控制则以及其有关信息作为知识存入计算机的知识库中，然后计算机根据系统的实回应情况运用模糊推理，即可自动实现对PID参数的最佳调整，构成模糊自整PID控制器。

自整定模糊PID控制是在PID算法的基础上，通过计算当前系统的误差e和误差变化率ec，利用模糊规则进行模糊推理，查询模糊矩阵表进行参数的整定。

因此模糊自整定PID控制器设计的核心是总结工程设计人员的技术知识实际操作经验，建立合适的模糊控制规则表，得到针对

，

，

三个参分别整定的模糊控制表。

基于以上相关的理论研究和分析，我们总结出模糊PID控制器的设计分为如下部分:

（l）确定模糊PID控制器的输入和输出变量。

模糊控制器的输入变量通常取误差E和误差的变化EC，构成二维模糊PD控制器，输出变量一般选择控制量的增量。

模糊PID控制系统中控制量通常是

，

，

，取其增量△Kp,△Ki,△Kd为输出量。

（2）根据输入输出变量的变化范围，确定它们的量化等级、量化因子、比例因子。

在每个变量的量化论域内定义模糊子集。

首先确定模糊子集个数，确定每个模糊子集的语言变量，然后为各语言变量选择合适的隶属度函数。

（3）建立模糊控制规则。

模糊控制是语言控制，因此用语言归纳专家的手动控制策略，从而建立模糊控制规则表。

模糊控制规则实际上是一组多重条件语句。

（4）模糊推理模糊判决。

通过模糊控制规则，得到从误差论域到控制量的模糊关系矩阵R，再通过误差的模糊矢量E和误差变化的模糊矢量EC与模糊关系R合成进行模糊推理，得到控制量的模糊矢量。

采用清晰化方法将模糊控制矢量转化为精确量。

（5）求模糊控制表。

模糊关系、模糊推理以及模糊判决的运算可以离线进行，最后得到模糊控制器输入量的量化等级E、EC与PID控制量

，

，

之间的确定关系。

（6）把采样得到的偏差、偏差变化再经过模糊化，代入模糊控制规则表，得出新的PID参数，再经过PID算法的计算就得出了最后的输出量，也就是系统的控制量。

（7）通过仿真分析模糊PID控制性能，再对比例因子和量化因子进行调整以获得最佳的控制效果。

第3章单片机

在多数电子设计当中，基于性价比的考虑，8位单片机仍是首选。

AT89C52是一种低功耗/低电压、高性能的8位单片机。

片内带有一个8KB的Flash可编程、可擦除只读存储器（EPROM）。

它采用了CMOS工艺和ATMEL公司的高密度非易失性存储器（NURAM）技术，而且其输出引脚和指令系统都与MCS-51兼容、片内的Flash存储器允许在系统内改编程序或用常规的非易失性存储器编程器来编程。

因此，AT89C52是一种功能强、灵活性高，且价格合理的单片机，可方便地应用在各种控制领域。

基于上