基于大林算法的电加热炉温度控制系统设计.docx
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基于大林算法的电加热炉温度控制系统设计
合貶摩孩
HefeiUniversity
基于大林算法的电加热炉温度控制系统设计
课程名称计算机控制技术课程设计
任课教师丁健
班级10级自动化1班
姓名
学号1005072100507210050720
日期2013/06/20
论文
基于大林算法的电加热炉温度控制系统
设计
设计型
导师
丁健
题目
设计
类型
姓名
2010级自动化专业《计算机控制技术》课程设计任务书
主要内容及目标
O
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任务分工：
针对本次设计课题，我们明确了各自的分工，顾胜池主要负责软件程
序的编写、连接和调试，黄安福主要负责各个模块硬件的仿真和调试和部分模块程序的编写，柴文峰负责报告的整理。
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、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
1.1系统设计背景6
1.2技术综述6
7.
.9.
附录一系统原理图22
附录二程序22
、系统总体设计
2、1系统概述
2、2系统的结构框图
硬件设计
一、绪论
1.1系统设计背景
近年来，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。
1、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2.1
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。
⑵MAX6675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S4送至ADC。
对于K型热电偶，电压变化率为（41卩V/C），电压可由如下公式来近似热电偶的特性。
5=（41卩V/C）X（T-TO）
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0C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=（41卩V/C）XT0
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。
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10—20ms，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、5LED显示模块
图3-5LM016L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
（MicrocontrollerUnit）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）0IR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CGRAM,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，门‘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
书⑹二_
「&+1，其中0三MT
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
于是数字控制器的脉冲传递函数为
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：
5
r^+1
“+1
二后
11严
卜十_1-打“訂-
★cur宀-丄訂
1—21~ffZ
1/X）
1一严尸
将此式代入（2-4），可得
亦（1-戶山尹）（1-尸几）
-口-尸勺口-吃叫“-卩-严“曲]（2-5）
式中：
T――采样周期350秒:
被控对象的时间常数50;
1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
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