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电阻炉温度控制系统设计
计算机控制课程设计报告
设计题目：
电阻炉温度控制系统设计
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目录
1.概述………………………………………………………………………………3
1.1电阻炉简介……………………………………………………………………3
1.2电阻炉加热原理……………………………………………………………3
2.方案的比较和确定……………………………………………………………3
3.电阻炉温度控制系统简介……………………………………………………4
3.1系统的介绍……………………………………………………………………4
3.2技术指标………………………………………………………………………5
4.控制算法…………………………………………………………………………5
4.1控制算法的确定……………………………………………………………5
4.2数学模型的建立……………………………………………………………6
5.系统总体设计…………………………………………………………………6
6.硬件系统设计…………………………………………………………………7
6.1温度输入电路…………………………………………………………………7
6.2执行信号输出电路…………………………………………………………8
6.3系统控制器电路……………………………………………………………8
6.4显示模块………………………………………………………………………9
6.5报警模块……………………………………………………………………10
7.软件系统设计…………………………………………………………………11
8.Matlab/Simulink仿真……………………………………………………12
9.不同控制算法的Simulink仿真…………………………………………16
9.1PID控制算法simulink仿真……………………………………………16
9.2Dahlin控制算法simulink仿真………………………………………17
9.3Smith控制算法simulink仿真…………………………………………18
10.总结与感想…………………………………………………………………19
参考文献…………………………………………………………………………21
附录一……………………………………………………………………………21
附录二……………………………………………………………………………22
附录三……………………………………………………………………………29
电阻炉温度控制系统设计
1.概述
电阻炉是工农业生产中常用的电加热设备，广泛应用于冶金、机械、建材等行业，而大功率的电阻炉则应用在各种工业生产过程中。
然而，大多数电阻炉存在着各种干扰因素，将会给工业生产带来极大的不便。
因此，在电阻炉温度控制系统的设计中，应尽量考虑到如何有效地避免各种干扰因素而采用一个较好的控制方案，选择合适的芯片及控制算法是非常有必要的。
随着单片机技术的飞速发展，通过单片机对被控对象进行控制日益成为今后自动控制领域的一个重要发展方向。
本设计以89C51单片机为核心控制器件，以ADC0809作为A/D转换器件，采用闭环直接数字控制算法，通过控制可控硅来控制热电阻，进而控制电炉温度，最终设计出一个电阻炉微型计算机温度控制系统。
1.1电阻炉简介
电阻炉是利用电流通过电热体元件将电能转化为热能来加热或者熔化工件和物料的热加工设备。
电阻炉由炉体、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。
电阻炉的主要参数由额定电压、额定功率、额定温度、工作空间尺寸。
生产率、空炉损耗功率、空炉升温时间、炉温控制精度及炉温均匀性等。
1.2电阻炉加热原理
当电流在导体中流过时，因为任何导体均存在电阻，电能即在导体中形成损耗，转换为热能，按焦耳楞次定律：
Q＝0.24xI²xRxt
Q—热能，卡；
I一电流，安培,
R一电阻，欧姆，
t一时间，秒。
按上式推算，当1千瓦小时的电能，全部转换为热能时Q＝（0．24×1000×3600）=864000卡=864千卡。
在电热技术上按1千瓦小时＝860千卡计算。
电阻炉在结构上是使电能转换为热能的设备，它能有效地用来加热指定的工件，并保持高的效率。
2.方案的比较和确定
方案一
系统采用8031作为系统的微处理器。
温度信号由热电偶检测后转换为电信号经过预处理（放大）送到A/D转换器，转换后的数字信号再送到8031内部进行判断或计算。
从而输出的控制信号来控制锅炉是否加热。
但对于8031来说，其内部只有128个字节的RAM，没有程序存储器，并且系统的程序很多，要完成键盘、显示等功能就必须对8031进行存储器扩展和I/O口扩展，并且需要容量较大的程序存储器，外扩时占用的I/O口较多，使系统的设计复杂化。
方案二
系统采用89C51作为系统的微处理器来完成对炉温的控制和键盘、显示功能。
8051片内除了128KB的RAM外，片内又集成了4KB的ROM作为程序存储器，是一个程序不超过4K字节的小系统。
系统程序较多时，只需要外扩一个容量较小的程序存储器，占用的I/O口减少，同时也为键盘、显示等功能的设计提供了硬件资源，简化了设计，降低了成本。
因此89C51可以完成设计要求。
综上所述的二种方案，该设计选用方案二比较合适。
3.电阻炉温度控制系统简介
3.1系统的介绍
该系统的被控对象为电炉，采用热电阻丝加热，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，来改变流经热电阻丝的电流，从而改变电炉炉内的温度。
可控硅控制器输入为0~3.73V时对应电炉温度0~100℃，温度传感器测量值对应也为0~3.73V，对象的特性为带有纯滞后环节的一阶惯性系统，这里惯性时间常数取T1＝30秒，滞后时间常数取τ＝10秒。
该系统利用单片机可以方便地实现对PID参数的选择与设定，实现工业过程中PID控制。
它采用温度传感器将检测到的实际炉温进行A/D转换，再送入计算机中，与设定值进行比较，得出偏差。
对此偏差按PID规律进行调整，得出对应的控制量来控制驱动电路，调节电炉的加热功率，从而实现对炉温的控制。
利用单片机实现温度智能控制，能自动完成数据采集、处理、转换、并进行PID控制和键盘终端处理及显示。
在设计中应该注意，采样周期不能太短，否则会使调节过程过于频繁，这样，不但执行机构不能反应，而且计算机的利用率也大为降低；采样周期不能太长，否则会使干扰无法及时消除，使调节品质下降。
3.2技术指标
设计一个基于闭环直接数字控制算法的电阻炉温度控制系统具体化技术指标如下：
1.电阻炉温度控制在0~100℃；
2.加热过程中恒温控制，误差为±2℃；
3.LED实时显示系统温度，用键盘输入温度，精度为1℃；
4.采用直接数字控制算法，要求误差小，平稳性好；
5.温度超出预置温度±5℃时发出报警。
3.3电阻炉温度控制系统结构
电阻炉温度控制系统是闭合的反馈系统。
温控系统主要由温度传感器、温度调节仪、执行装置、被控对象四个部分组成，其系统结构图如图2-1所示。
被控制对象是大容量、大惯性的电热炉温度对象，是典型的多阶容积迟后特性，在工程上往往近似为包含有纯滞后的二阶容积迟后；由于被控对象电容量大，通常采用可控硅作调节器的执行器，其具体的结构图如下图所示。
执行器的特性：
电阻炉的温度调节通过调节剂（供电能源）的断续作用，改变电炉丝闭合时间Tb与断开时间Tk的比值α=Tb/Tk。
调节加热炉的温度，在工业上是通过在设定周期范围内，将电路接通几个周波，然后断开几个周波，改变晶闸管在设定周期内通断时间的比例，来调节负载两端交流平均电压即负载功率，这就是通常所说的调功器或周波控制器；调功器是在电源电压过零时触发晶闸管导通的，所以负载上得到的是完整的正弦波，调节的只是设定周期Tc内导通的电压周波。
4.控制算法
4.1控制算法的确定
PID调节是连续系统中技术最成熟的、应用最广泛的一种控制算方法。
它结构灵活，不仅可以用常规的PID调节，而且可以根据系统的要求，采用各种PID的变型，如PI、PD控制及改进的PID控制等。
它具有许多特点，如不需要求出数学模型、控制效果好等，特别是在微机控制系统中，对于时间常数比较大的被控制对象来说，数字PID完全可以代替模拟PID调节器，应用更加灵活，使用性更强。
所以该系统采用PID控制算法,同时也分别用达林算法、Smith算法进行了建模、仿真，与PID控制算法进行效果比较。
4.2数学模型的建立
具有一阶惯性纯滞后特性的电阻炉系统，其数学模型可表示为：
在PID调节中，各校正环节的作用如下:
（1）比例环节能迅速反应误差，从而减小误差，但比例控制不能消除稳态误差，Kp的加大，会引起系统的不稳定。
（2）积分环节主要用于消除静差，提高系统的无差度。
只要系统存在误差，积分控制作用就不断地积累，输出控制量以消除误差，因而，只要有足够的时间，积分控制将能完全消除误差，积分作用太强会使系统超调加大，甚至使系统出现振荡。
（3）微分环节可以减小系统超调量，克服振荡，提高系统的稳定性，同时加快系统的动态响应速度，减小调整时间，从而改善系统的动态性能。
因此，将P、I、D三种调节规律结合在一起，可以使系统既快速敏捷，又平稳准确，只要三者强度配合适当，便可获得满意的调节效果。
5.系统总体设计
系统的硬件包括微控制器部分（主机）、温度检测、温度控制、人机对话（键盘/显示/报警）4个主要部分，系统的结构框图如下图所示：
系统总体结构框图
单片机温度控制系统是以89C51单片机为控制核心，辅以采样反馈电路，驱动电路，晶闸管主电路对电炉炉温进行控制的微机控制系统。
其系统基本控制原理为:
将温度设定值（键盘输入）和温度反馈值同时送入温度控制电路部分，然后经过调节器运算得到输出控制量，输出控制量控制驱动电路得到控制电压施加到被控对象（电阻炉）上，电阻炉因此达到设定的温度。
6.硬件系统设计
6.1温度输入电路
温度信号输入通道的原理图如图4-1所示。
电路主要由温度传感器、运算放大器和模/数（A/D）转换器三部分组成。
本方案比采用温度变送器的方案结构简单，体积小，价格低。
6.2执行信号输出电路
为了简化输出通道的硬件结构，考虑到加热系统具有较大的热惯性，即一阶惯性纯滞后特性动态特性，本系统采用脉冲宽度调制（PWM）的控制方法。
单片机输出控温信号：
输出高电平时，使双向可控硅导通，电热丝通电；输出低电平时，双向可控硅截止，电热丝断电。
脉冲宽度
与周期T的比值为P，它反映了系统的输出控制量。
执行信号输出通道的原理图如下，单片机系统AT89C51的P2.5口输出信号经过光电耦合器，直接控制双向可控硅的门极，从而控制电热丝的平均加热功率。
这样使输出通道省去了数/模（D/A）转换器和可控硅一项触发电路，大大简化了硬件；而且可控硅工作在过零触发状态，提高了设备的功率因数，减轻了对电网的干扰。
AT89C51的I/O脚的负载能力不足以驱动光电耦合器的发光二极管，所以用1413的一路作为功放。
光电耦合器的光敏二极管所能通过的电流足以触发5A的双向可控硅，其间不必加功放环节，其中对可控硅可用负极性触发。
触发电路6V不必采用稳压，只需一般的阻容滤波即可，但不能与单片机基本系统5V电源相通。
可控硅门极回路与220V电源相通，光电耦合器的结缘耐压能有效地把单片机系统与220V强电隔离。
6.3系统控制器电路
单片机控制系统原理图如下图所示。
微处理器采用51系列单片机AT89C51。
单片机系统的硬件结构简单，调试方便。
单片机系统主要I/O口的分配如下：
89C51的P1口为温度信号的输入口，P0口为温度显示信号数据输出，P2口的P2.0端到P2.3端为显示信号的扫描，P2.4端口为执行信号输出口。
6.4系统显示模块
设计中用到四个LED数码管显示器，LED有共阴、共阳数码管两种，使用LED显示器时，要注意区分这两种不同的接法。
为了显示数字或字符，必须对数字或字符进行编码。
七段数码管加上一个小数点，共计8段。
因此为LED显示器提供的编码正好是一个字节。
显示模块电路图如下图所示。
6.5报警模块
报警功能由蜂鸣器实现，当由于意外因素导致电阻炉温度高于设置温度时，单片机驱动蜂鸣器鸣叫报警。
报警上限温度值为预置温度+5℃，即当前温度上升到高于预置温度+5℃时报警，并停止加热；报警下限温度值设为预置温度-5℃，即当前温度下降到低于预置温度-5℃，且报警允许时报警，这是为了防止开始从较低温度加温时误报警。
7.软件系统设计
系统主程序初始化时，允许INT0中断，并设置为边沿触发方式，ADC0809EOC为中断请求信号口，中断服务程序把“转换结束”标志置位时，采用查询的方式，根据ADC0809的D0~D7的信息分别进行处理和存放。
程序的每次循环，只读入一组数据。
为了削弱干扰和纯滞后带来的影响，程序采用纯滞后补偿的方法，对读入信号进行平滑加工，显示更新程序把滤波后的温度从单片机的P0输送到显示接口电路。
8.Matlab/Simulink仿真
采用simulink仿真，通过simulink模块实现积分分离PID控制算示。
设采样时间Ts=10s，被控对象为：
Simulink仿真图如图
选择合适的Kp，Ki，Kd使系统的仿真效果趋于理想状态。
MATLAB程序如下：
clearall;
closeall;
ts=4;
sys=tf（[1],[30,1],'inputdelay',10）;
dsys=c2d（sys,ts,'zoh'）;
[num,den]=tfdata（dsys,'v'）;
kp=15;
ki=1;
kd=1;
执行结果：
MATLAB仿真波形如图所示（给定值为20）：
结果分析：
1.Ki，Kd一定时，改变Kp的值观察波形可以知道其对系统超调量以及调节时间的影响。
当Kp增大时的波形如图
当Kp减小时的波形如图
由图12，图13，图14我们可以观察到当Kp增大时系统超调量减小，稳态误差减小，调节时间增大，系统不稳定；当Kp减小时系统超调量增大，调节时间减小，加快了系统的动态响应速度。
2.Kp，Ki一定时，改变Kd的值观察波形。
Kd增大时的波形如图
Kd减小时的波形如图
3.Kp，Kd一定时，改变Ki的值观察波形。
Ki增大时的波形如图
Ki减小时的波形如图
因此，将P、I、D三种调节规律结合在一起，可以使系统既快速敏捷，又平稳准确，只要三者强度配合适当，便可获得满意的调节效果。
9.不同控制算法的Simulink仿真
以电炉控制对象的控制模型为
为例。
9.1PID控制算法simulink仿真
利用拼凑法整定PID参数，经多次改变参数以达到基本理想的效果。
Kp=1;Ki=0.15;Kd=0.02
9.2Dahlin控制算法simulink仿真
参数整定值及系统输出阶跃响应：
9.3Smith控制算法simulink仿真
Kp=2,Ki=0.3,Kd=0.9
10.总结与感想
11.参考文献
[1]高金源,夏洁.计算机控制系统[M].北京:
清华大学出版社,2007.
[2]戴胜华,蒋大明,杨世武等.单片机原理与应用[M].北京:
北京交通大学出版社,2008.
[3]周航慈.单片机程序设计基础[M].北京:
北京航空航天大学出版社,1997.
[4]吴金戌,沈庆阳,郭庭吉.8051单片机实践与应用[M].北京:
清华大学出版社,2000.
[5]李建忠.单片机原理及应用[M].西安:
西安电子科技大学出版社,2001.
[6]潘新民,王燕芳.微型计算机控制技术[M].北京:
高等教育出版社,2001.
[7]何立民.单片机应用系统设计[M].北京:
北京航空航天大学出版社,2000.
[8]韩志军,沈晋源,王振波.单片机应用系统设计[M].北京:
机械工业出版社,2005.
[9]宋书中.自动化技术工程设计实践[M].武汉:
武汉理工大学出版社,2004.
[10]周航慈.单片机程序设计基础[M].北京:
北京航空航天大学出版社,2000.
[11]
附录一（炉温控制系统proteus仿真电路图）
附录二
单片机89C51程序：
#include
#include
#include
#include
structPID{
unsignedintSetPoint;//设定目标DesiredValue
unsignedintProportion;//比例常数ProportionalConst
unsignedintIntegral;//积分常数IntegralConst
unsignedintDerivative;//微分常数DerivativeConst
unsignedintLastError;//Error[-1]
unsignedintPrevError;//Error[-2]
unsignedintSumError;//SumsofErrors
};
structPIDspid;//PIDControlStructure
unsignedintrout;//PIDResponse（Output）
unsignedintrin;//PIDFeedback（Input）
sbitdata1=P1^0;
sbitclk=P1^1;
sbitplus=P2^0;
sbitsubs=P2^1;
sbitstop=P2^2;
sbitoutput=P3^4;
sbitDQ=P3^3;
unsignedcharflag,flag_1=0;
unsignedcharhigh_time,low_time,count=0;//占空比调节参数
unsignedcharset_temper=35;
unsignedchartemper;
unsignedchari;
unsignedcharj=0;
unsignedints;
/***********************************************************
延时子程序,延时时间以12M晶振为准,延时时间为30us×time
***********************************************************/
voiddelay（unsignedchartime）
{
unsignedcharm,n;
for（n=0;nfor（m=0;m<2;m++）{}
}
/***********************************************************
获取温度子程序
***********************************************************/
voidget_temper（）
{
unsignedchari,j;
do
{
i=reset（）;/*复位*/
}while（i!
=0）;/*1为无反馈信号*/
i=0xcc;/*发送设备定位命令*/
write_byte（i）;
i=0x44;/*发送开始转换命令*/
write_byte（i）;
delay（180）;/*延时*/
do
{
i=reset（）;/*复位*/
}while（i!
=0）;
i=0xcc;/*设备定位*/
write_byte（i）;
i=0xbe;/*读出缓冲区内容*/
write_byte（i）;
j=read_byte（）;
i=read_byte（）;
i=（i<<4）&0x7f;
s=（unsignedint）（j&0x0f）;
s=（s*100）/16;
j=j>>4;
temper=i|j;/*获取的温度放在temper中*/
}
/****************************************************************
Smith控制算法
****************************************************************/
voidSMITHInit（structSMITH*pp）
{
memset（pp,0,sizeof（structSMITH））;
}
/**************************************************************
SMITH计算部分
**************************************************************/
unsignedintSMITHCalc（structSMITH*pp,unsignedintNextPoint）
{
unsignedintdError,Error;
Error=pp->SetPoint-NextPoint;//偏差
pp->SumError+=Error;//积分
dError=pp->LastError-pp->PrevError;//当前微分
pp->PrevError=pp->LastError;
pp->LastError=Error;
return（pp->Proportion*Error//比例项
+pp->Integral*pp->SumError//积分项
+pp->Derivative*dError）;//微分项
}
/***********************************************************
温度比较处理子程序
***********************************************************/
compare_temper（）
{
unsignedchari;
if（set_temper>temper）
{
if（set_temper-temper>1）
{
high_time=100;
low_time=0;
}
else
{
for（i=0;i<10;i++）
{get_temper（）;
rin=s;//ReadInput
rout=PIDCalc（&spid,rin）;//PerformPIDInteration
}
if（high_time<=100）
high_time=（unsignedchar）（rout/800）;
else
high_time=100;
low_time=（100-high_time）;
}
}
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