毕业设计基于单片机的电阻炉温度控制系统设计.docx
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毕业设计基于单片机的电阻炉温度控制系统设计
基于单片机的电阻炉温度控制系统设计
摘要
电阻炉作为工业炉窑中的一种常用加热设备被广泛应用于工业生产中。
对电阻炉温度控制精确与否将直接影响到产品的质量和生产效率。
电阻炉是一种具有纯滞后的大惯性系统，开关炉门、加热材料、环境温度以及电网电压等都影响控制过程，传统的电阻炉控制系统大多建立在一定的模型基础上，难以保证加热工艺要求。
本文将PID控制算法引入到传统的电阻炉控制系统中，借此提高其控制效果。
设计一个控制精度高、运行稳定的电阻炉温度控制系统是很有必要的。
本设计是以电阻炉为被控对象，单片机为核心设计的一种控制系统。
其中以K型热电偶作为温度传感器，STC89C52单片机为控制核心，PID运算规律作为控制算法。
文中详细介绍了该控制系统的硬件电路设计、软件设计及PID控制算法。
在对电阻炉温度控制系统的研究之后，本设计主要完成温度控制系统的总体方案设计、硬件原理图的绘制、信号调理电路的设计、固态继电器的应用及温度控制电路的设计同时也完成了系统程序设计，并通过软件完成了对温度的控制功能。
关键词：
电阻炉；温度控制；PID算法；单片机
Thedesignofresistorfurnacetemperaturecontrolsystem
basedonsinglechip
Abstract
Resistancefurnacewaswidelyusedinindustrialproduction,theeffectofthetemperaturecontrolofResistancefurnacehasadirectimpactonproductqualityandproductivity.Therefore,thedesignofahigh-precisioncontrolandstableoperationoftheresistancefurnacetemperaturecontrolsystemhasahighapplicationvalue.
Inthisdesign,theresistancefurnaceasacontrolledobject,singlechipasthedesignofacontrolunit.WhichtypeofthermocoupletemperaturesensorasK,STC89C51microcontrollerascontrolcoreandPIDcontrolalgorithmforoperationrule.Thispaperintroducesthecontrolsystemofthehardwarecircuitdesign,softwaredesignandthePIDcontrolalgorithm.
Ontheresistancefurnacetemperaturecontrolsystem,thedesignofthemaincompletedtheoverallschemeofthetemperaturecontrolsystemdesign,hardwarecircuitprinciplediagram,thesignalofcircuit,theapplicationofsolidstaterelaysandtemperaturecontrolcircuitdesignofthesystem，meanwhilefinishtheprogramdesign,throughthesoftwarecontroltocompletethefunctionoftemperaturecontrol.
Keywords:
resistancefurnace;temperaturecontrol;PIDcontrol;single-chipmicrocomputer
第一章绪论
1.1课题研究的背景及意义
随着社会的发展，自动控制越来越成受到人们关注,自动调节电阻炉温度系统得到了广泛的应用。
其中微机及其应用已经成为高、新科学技术的重要内容和标志之一，它在国民经济的各个领域正在发挥着引人注目的作用。
在钢铁、机械、石油化工、电力、工业炉窑等工业生产中，温度是极为普遍又极为重要的热工参数之一。
随着工业的不断发展，对温度的测控精度要求越来越高，测温范围越来越广，在很多生产过程中，温度的测量和控制与生产安全、产品质量、生产效率、能源节约等重大技术经济指标紧密相连。
因此各个领域对温度控制的精确度、稳定性、可靠性等要求也越来越高，温度控制技术也成为现代科技发展中的一项重要技术。
因此温度测控技术的研究是一个重要的研究课题。
在工业电阻炉控制中温度的测控是十分重要的。
温控过程要严格按照事先设定的温度曲线运行，如果意外掉电导致加热终止或控温精度降低，都会导致工业加热的失败。
因此研究以工业电阻炉为控制对象，以单片机为控制工具的温控系统具有一定的实际应用价值。
在高新技术的推动下，作为工业主要技术工具的测控仪表正跨入真正的数字化、智能化、网络化时代。
不仅各类测控设备是数字化的，而且可通过网络将分散的控制装置和各类智能仪表连接起来，实现工业生产过程的集散监控管理[1]。
温度控制技术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。
定值开关控制方法的原理是若所测温度比设定温度低，则开启控制开关加热，反之则断开控制开关。
其控温方法简单，没有考虑温度变化的滞后性、惯性，导致系统控制精度低、超调量大、震荡明显。
PID控制温度的效果主要取决于P、I、D三个参数，对于控制大滞后、大惯性、时变性温度系统，控制品质难以保证。
电阻炉是由电阻丝加热升温，靠自然冷却降温，当电阻炉温度超调时无法靠控制手段降温，因而电阻炉温度控制具有非线性、滞后性、惯性、不确定性等特点。
目前国内成熟的电阻炉温度控制系统是以PID控制器为主，PID控制对于小型实验用的电阻炉控制效果良好，但对于大型工业电阻炉就难以保证电阻炉控制系统的精度、稳定性等。
智能控制是一类无需人的干预就能独立驱动智能机械而实现其目标的自动控制，随着科学技术和控制理论的发展，国外的温度测控系统发展迅速，实现对温度的智能控制。
应用广泛的温度智能控制方法有模糊控制、神经网络控制、专家控制等，具有自适应、自学习、自协调等能力，保证了控制系统的控制精度、抗干扰能力、稳定性等性能。
1.2国内外研究概况及发展趋势
电阻炉是热处理生产中应用最广的加热设备，通过布置炉内的电热元件利用电流使炉内电热元件或加热介质发热，从而对工件或物料加热的工业炉。
随着工业技术的高速发展和社会进步，对热处理的要求越来越高，高精度、全自控、低污染、节能型的热处理炉已成为发展方向。
20世纪70年代以来，发达国家随着机械制造技术的高速发展，以及新材料和控制技术的应用，热处理技术的传热理论、高温材料、炉体结构及控制手段都有了彻底变化，形成了专门的工程技术，从而又促进了整个工业技术的发展。
鉴于电阻炉炉温特性的复杂性，其炉温的测量和控制显得更为重要和复杂。
随着计算机、智能控制理论技术的飞速发展，炉温参数的测量和控制己进入了微机化、智能化的新时代。
其主要特点是新型的、现代化的测温技术不断出现；温度信号的转换与处理趋于数字化、微机化、智能化；智能控制理论与技术日渐成为温度控制的基本理论与技术；炉温控制己进入了智能化的新时代。
目前，我国的电阻炉控制系统与国外发达国家相比还比较落后。
占主导地位的是仪表控制，这种系统的控制参数由人工选择，需要配置专门的仪表调试人员，费时、费力且不准确；控制精度依赖于实验者的调节，控制精度不高，一旦生产环境发生变化就需要重新设置；操作不方便，控制数据无法保存。
因而，对生产工艺的研究很困难，因此造成产品质量低、废品率高、工作人员的劳动强度大、劳动效率低，这些都影响了企业的效益。
1.3智能温度控制技术的发展
所谓智能控制就是指能够模仿人的智能行为的一种控制技术，它由多学科相结合，并利用计算机技术实现的一门技术科学[2]。
按智能控制水平的高低可分为初级智能控制、中级智能控制、高级智能控制。
按智能控制构成的原理进行分类，按控制算法大致可分为以下几类[5]:
（1）PID控制系统
（2）仿人智能控制系统；（3）模糊控制系统；（4）神经网络控制系统；（5）专家控制系统；（6）集成智能控制系统；（7）综合智能控制系统。
1.3.1PID控制
目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。
自动控制技术都是基于反馈的概念。
反馈理论的要素包括三个部分：
测量、比较和执行。
测量关心的变量，与期望值相比较，用这个误差纠正调节控制系统的响应。
这个理论是应用自动控制的关键，在做出正确的测量和比较后，为了更好的纠正系统而引入了PID算法。
在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。
PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。
当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。
即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。
PID控制，实际中也有PI和PD控制。
PID控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。
其输入e（t）与输出u（t）的关系为公式（1.1）：
[4]（1-1）
传递函数为公式（1.2）：
[4]（1-2）
其中Kp为比例系数；TI为积分时间常数；TD为微分时间常数
PID控制器根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。
比例（P）控制
比例控制是一种最简单的控制方式。
其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。
当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。
积分（I）控制
在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。
对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统。
为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。
积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。
这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。
因此，比例+积分（PI）控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。
微分（D）控制
在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。
自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。
其原因是由于存在有较大惯性环节或有滞后环节，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。
解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。
这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。
所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分（PD）控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。
PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。
它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。
PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：
一是理论计算整定法。
它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。
这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。
二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。
PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。
三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。
但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。
现在一般采用的是临界比例法。
由于PID用途广泛、使用灵活，已有系列化产品，使用中只需设定三个参数（Kp，Ti和Td）即可。
在很多情况下，并不一定需要全部三个单元，可以取其中的一到两个单元，但比例控制单元是必不可少的。
首先，PID应用范围广。
虽然很多工业过程是非线性或时变的，但通过对其简化可以变成基本线性和动态特性不随时间变化的系统，这样PID就可控制了。
其次，PID参数较易整定。
也就是，PID参数Kp，Ti和Td可以根据过程的动态特性及时整定。
如果过程的动态特性变化，例如可能由负载的变化引起系统动态特性变化，PID参数就可以重新整定。
再次，PID控制器在实践中也不断的得到改进。
基于PID的以上特点，PID运算规律已经是当今工业控制中的主要控制算法。
在工业生产中得到了极为广泛的应用。
1.3.2模糊控制
模糊控制是基于模糊逻辑描述一个过程的控制算法，主要嵌入操作人员的经验和直觉知识。
它适用于控制不易取得精确数学模型和数学模型不确定或经常变化的对象。
模糊控制不需要装置的精确模型，仅依赖于操作人员的经验直观判断，非常容易应用。
对温度误差采样的精确量模糊化，经过数学处理输入到计算机中，计算机根据模糊规则推理做出模糊决策，求出相应的控制量，变成精确量去驱动执行机构，调整输入从而达到调节温度，使之稳定的目的。
同传统的PID控制比较，模糊控制响应速度快，超调量小，参数变化不敏感[6]。
1.3.3模糊自整定PID控制
模糊自整定PID控制是在一般PID控制的基础上，加上一个模糊控制规则环节，利用模糊控制规则在线对PID参数进行修改的一种自适应控制系统，以误差和误差变化作为输入，来满足不同时刻的误差和误差变化对参数自整定的要求。
如图1.1所示系统中，反映炉温的热电偶输出电势经冷端补偿放大后由A/D转换电路转换成与炉温相应的数字量，此数字量经数字滤波、线性化处理、标度变换，通过LED数码管显示炉温。
当采样周期到达，与设定温度进行比较，由比较后的误差大小来决定控制系统的控制方式，再作运算。
根据运算结果，计算机通过I/O口来改变控制脉冲宽度，也即改变了可控硅在一个固定控制周期TC内的导通时间，这样电阻炉的温度就随着电阻炉的平均输入功率的变化而变化，也即达到了控温目的。
图1.1模糊自整定PID电阻炉温度控制系统框图
用模糊自整定PID控制来提高电阻炉煅烧零件控制精度的方法，改善了系统的响应，使系统具有比较理想的稳态品质，温度控制精度在±5℃以内；当被控过程参数发生变化时，控制系统仍能保持较好的适应能力和鲁棒性；对保温加热工艺、保证产品质量、节约能源，提高炉子生产率和加热效率都有十分重要的意义。
1.3.4神经网络控制系统
神经网络控制以其高度的非线性映射，自组织，自学习和联想记忆等功能，可对复杂的非线性系统建模，将BP神经网络控制策略（最常用的神经网络就是BP网络，也叫多层前馈网络。
BP是backpropagation的所写，是反向传播的意思）引入到电阻炉的炉温控制系统中,通过神经网络模拟实现PID控制器参数在线调整[7]。
在电阻炉炉温控制系统中,将温度的影响因素如气温、外加电压、被加热物体性质以及被加热物体温度等作为网络的输入，将其输出作为PID控制器的参数，以实验数据作为样本，在微机上反复迭代，随实验与研究的进行与深入，自我完善与修正，直至系统收敛，得到网络权值，达到自整定PID控制器参数的目的。
利用BP神经网络对PID的三个参数快速拟合，建立参数kp，ki，kd自学习的PID控制器，不需要根据模型或工程实验方法选取控制器参数，克服了传统PID控制器操作的困难，提高了系统的智能化程度。
1.3.5专家控制系统
专家系统通过某种知识获取手段，把人类专家的领域知识和经验技巧移植到计算机中，并且模拟人类专家的推理、决策过程，表现出求解复杂问题的人工智能。
因而，专家系统是一种人工智能的计算机程序系统，这些程序软件具有相当于某个专门领域的专家的知识和经验水平，以及解决专门问题的能力。
专家系统在结构上有两个基本要素：
一、知识库——存储有某个专门领域中经过事先总结的按某种格式表示的专家水平的知识条目。
二、推理机制——按照类似专家水平的问题求解方法，调用知识库中的条目进行推理、判断和决策。
专家控制是将专家系统的理论和技术同控制理论方法和技术相结合，在未知环境下，仿效专家的智能，实现对系统的控制，是具有获得反馈信息并能实时在线控制的系统。
专家控制系统的结构如图1.2所示，其工作原理为：
特征识别模块对控制对象输出的性能指标进行识别，通知推理机制；性能识别模块对输入的信息进行识别，也传输给推理机制；推理机制根据所得信息计算出实际性能指标，并与期望的性能指标相比较，作出决策，判断是否进行参数调整；若需要，推理机制则根据采集的信息判断响应类型，告知知识库，启动相应的调整规则，计算出新的量化因子数值，使控制特性能向期望的性能逼近。
其中，r为输入，y为输出，e为误差，ec为误差变化率，Ke为误差输入量化因子，Kec为误差变化输入量化因子，Ku为控制量比例因子[8][9]。
控制系统具有下述特点：
（1）高可靠性及长期运行的连续性。
（2）在线控制的实时性。
（3）优良的控制性能和抗干扰性。
（4）使用的灵活性及维护的方便性[10]。
图1.2专家控制系统结构图
随着智能控制的蓬勃发展，目前正在兴起和研究形式有很多种，其中主要有1、分级递阶智能控制2、专家系统控制3、模糊控制4人工神经元网络控制5、各种智能控制方法的交叉和结合6各种智能控制方法与传统控制理论方法的交叉和结合。
与传统控制区别主要在于：
1智能控制研究的对象是整个任务和整个系统的运行。
2智能控制方法是人工智能技术、传统控制理论以及运筹学和信息论相结合的控制方法。
3智能控制是控制理论、人工智能、运筹学、信息论等学科的交叉，并利用计算机作为手段向工程使用全面深入的发展[24]。
传统的PID控制及改进型PID控制原理简单、工作稳定、可靠性高、鲁棒性强，曾在电阻炉温度控制系统中得到了普遍的采用，其缺点是必须预先建立控制对象的数学模型，因而其对于一些大滞后、多输入、时变性电阻炉系统，控制效果难以满意。
总体上说，智能控制不仅是科学技术和生产发展的推动和需要，而且也是科学发展的必然趋势；智能控制在温度控制系统中的应用越来越广泛。
目前，国外已研制出商品化、智能化、精度高、小型化的智能温度控制系统，开发出成熟的智能控制算法和控制软件。
相比较而言，国内智能控制技术的应用要落后于国外，目前国内成熟的温度控制系统以常规PID和各种改进PID控制为主，商品化的智能控制系统少，在智能控制算法和控制软件的开发方面投入人力、物力也较少。
第二章电阻炉温度控制系统总体方案设计
2.1基于虚拟仪器的电阻炉温度控制
LabVIEW是一种强大的图形化编程虚拟仪器软件开发平台，通过此法实现电阻炉温度控制系统，可以将整个系统分解为两个部分：
温度信号采集系统和PID控制器。
温度信号采集系统由硬件和软件两个部分组成。
其中硬件部分完成温度信号的输入；软件部分完成对硬件的驱动与控制，数据显示、处理与存储、超温报警及人机交互操作界面的生成。
控制器可以采用PID控制器，运用Matlab编程语言编写相应的程序，其控制系统框图如图2.1所示。
图2.1控制系统框图
2.2基于PLC的电阻炉温度控制
由于PLC具有编程方便,使用方便可靠,性价比高,抗干扰能力好、扩展功能强等优点,已经在各个工业领域得到广泛的使用。
在工业控制中,通常除了开关量以外,还经常遇见模拟量,要对模拟量进行控制,就必须首先采集模拟量,进行A/D转换后,PLC才能进行处理。
主要要实现如何利用PLC实现模拟量的采集。
目前PLC厂商众多,最具有竞争力的主要有西门子公司、三菱公司的产品。
电阻炉温度控制系统的模拟量主要为温度。
温度的检测有很多种方法,常用的有热电阻法、热电偶法等等。
它们的原理都基本相似,主要是将温度信号转换为电压或电流信号,如果转换的信号大小不在模拟量转换模块输入范围内,可以通过精密放大器将信号进行处理。
但通常温度与转换的数字量与默认的比例关系不相符合时,则需要对偏移量和增益量进行设置。
所谓偏移量指的是数字量为“0”时对应的温度值。
增益量指的是数字量为1000时对应的温度值。
例如我们测温范围为0~800℃,采Pt100作为热敏电阻,在输入PLC前将电阻的变化转换为电压信号,温度在0~800℃范围内对应的电压为1~8V,温度与电压成线性关系。
可以选用的数字量范围为0~2000,若数字量为“0”时,对应的电压为1V,则偏移量为1V;数字量为2000时,对应的电压为8V,则数字量为1000时,对应的电压为4.5V,所以增益量为4.5V。
利用PLC实现模拟量采集,可以使PLC摆脱只能处理逻辑量的限制,从而能够应用在更加广泛的领域。
例如应用三菱FX-2N系列PLC利用FX-2N-4AD转换模块实现电阻炉温度控制系统的模拟量采集方法,为模拟量的控制打下了基础。
在整体设计的过程中包括软件和硬件设计两部分设计。
电阻炉温控系统工作原理框图如图2.2所示,用PLC控制的温控系统工作原理框图如图2.3所示[29]。
图2.2电阻炉温控系统工作原理框图
图2.3PLC控制的温控系统工作原理框图
2.3单片机与FPGA综合实现电阻炉的温度控制
随着信息技术革命的深入和计算机技术的飞速发展，数字信号处理技术已经逐渐发展成为一门关键的技术学科。
而单片机的出现则为数字信号处理算法的实现提供了可能。
但在实时性要求高和数据量大的情况下，由于单片机对数据处理能力的限制，其实时性仍不能满足高密度信号环境的要求。
随着大规模的现场可编程门阵列（FPGA—FieldProgrnunaableGateArray）的出现，利用FPGA对高密度数据信号实时处理已成为可能。
FPGA具有通用的特点并可以实现并行运算，无论是作为独立的数字信号处理器，还是作为单片机和DSP的协处理器，这都是目前比较活跃的研究领域[11]。
而且使用FPGA具有很大的灵活性，可以针对不同的要求进行修改。
采用FPGA和单片机综合实现对电阻炉温度的控制，把大量的数字信号处理任务都交给FPGA进行处理，既可以利用FPGA对数据信号强大快速的处理能力，又可以减轻单片机的负担，让单片机有充分的时间做其它的运算。
这样，使得系统大大简化，其灵活性更强。
2.4基于单片机的电阻炉温度控制系统
电阻炉温度控制系统是以单片机为核心实现的电阻炉温度控制器，因其体积小、成本低、功能强、简便易行而得到广泛应用。
电阻炉温度控制器以PID温度控制器为主要控制算法。
但是，常规PID温度控制器必须由工程人员根据经验，手动进行PID参数的调节。
这对于需要经常对PID参数进行调整的用户十分不方便，限制了控制器的应用。
基于单片机电阻炉温度控制仪器硬件部分主要由单片机主控模块、前向通道模块、后向通道模块、人机接口模块和接口扩展模块等组成。
本温度控制系统以STC89C52单片机为核心，键盘输入、显示和超温报警装置等外围电路实现的。
电炉的温度由K型热电偶温度传感器检测并转换成微弱的电压信号，温度变送器将此弱信号进行非线性校正及电压-电流变换后以4~20mA的标准信号形式传送出去，接收端的I/V变换及放大电路将4~20mA的标准信号变换放大至0-5V电
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