基于PID算法的电加热炉温度控制系统设计.docx

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基于PID算法的电加热炉温度控制系统设计

课程设计（论文）任务及评语

学号

学生姓名

专业班级

课程设计（论文）

基于PID算法的电加热炉温度控制系统设计

课程设计（论文）任务

实现功能

电加热炉用电炉丝提供功率，使其在预定时间内将炉内温度稳定在给定值上。

本控制对象电阻加热炉功率为8kW，由220V交流电源供电。

本设计以单片机为控制核心，加上相应的输入输出通道，采用PID算法，将温度控制在规定范围内，并要求实时显示当前温度值。

被控对象由一阶惯性和纯滞后环节组成。

设计任务及要求

1、确定系统设计方案，包括单片机的选择，输入输出通道，键盘显示电路；

2、建立被控对象的数学模型；

3、推导控制算法，设计算法的程序流程图或程序清单；

4、仿真研究，验证设计结果。

5、撰写、打印设计说明书一份；设计说明书应在4000字以上。

技术参数

温度控制范围：

50～350℃

控制精度±1C°

三位LED显示温度值

进度计划

1、布置任务，查阅资料，确定系统方案（1天）

2、被控对象建模（1天）

3、算法推导，程序设计（3天）

4、仿真研究（2天）

5、撰写、打印设计说明书（2天）

6、答辩（1天）

指导教师评语及成绩

平时：

论文质量：

答辩：

总成绩：

指导教师签字：

年月日

院（系）：

电气工程学院教研室：

自动化

注：

成绩：

平时20%论文质量60%答辩20%以百分制计算

摘要

电加热炉随着科学技术的发展和工业生产水平的提高，已经在冶金、化工、机械等各类工业控制中得到了广泛应用，并且在国民经济中占有举足轻重的地位。

对于这样一个具有非线性、大滞后、大惯性、时变性、升温单向性等特点的控制对象，很难用数学方法建立精确的数学模型，因此用传统的控制理论和方法很难达到好的控制效果。

电加热炉加热温度的改变是由上、下两组炉丝的供电功率来调节的，它们分别由两套晶闸管调功器供电。

调功器的输出功率由改变过零触发器的给定电压来调节，本设计以AT89C51单片机为控制核心，输入通道使用AD590传感器检测温度，测量变送传给ADC0809进行A/D转换，输出通道驱动执行结构过零触发器，从而加热电炉丝。

本系统PID算法，将温度控制在50～350℃范围内，并能够实时显示当前温度值。

关键词：

电加热炉；功率；温度范围；PID

第1章绪论

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。

本设计采用达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。

单片机作为控制系统中必不可少的部分，在各个领域得到了广泛的应用，用单片机进行实时系统数据处理和控制，保证系统工作在最佳状态，提高系统的控制精度，有利于提高系统的工作效率。

第2章课程设计方案

概述

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PID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。

在用PID算法进行控制时，需要对参数进行整定，从达林算法表达式可知，参数的确定十分重要，其大小反映了表达式中差值与输出值的不同权重之分及制约关系。

系统组成总体结构

电加热炉温度控制系统原理图如图2.1，主要由温度检测电路、A/D转换电路、驱动执行电路、显示电路及按键电路等组成。

系统采用可控硅交流调压器，输出不同的电压控制电阻炉温度的大小，温度通过热电偶检测，再经过变送器变成0-5V的电压信号送入A/D转换器使之变成数字量，此数字量通过接口送到微机，这是模拟量输入通道。

图2.1电加热炉温度控制系统硬件结构框图

第3章硬件设计

器件选择

本系统选用AT89C51作为控制器，温度检测部分选用AD590作为传感器，ADC0809作为A/D转换器，过零触发器采用光耦驱动电路及双向可控硅电路。

、

控制器

控制器选择AT89C51单片机。

引脚图如图2.2:

图3.1AT89C51引脚图

电源部分

本系统所需电源有220V交流市电、直流5V电压和低压交流电，故需要变压器、整流装置和稳压芯片等组成电源电路。

电源变压器是将交流电网220V的电压变为所需要的电压值，然后通过整流电路将交流电压变为脉动的直流电压。

由于此脉动的直流电压还含有较大的纹波，必须通过滤波电路加以滤除，从而得到平滑的直流电压。

但这样的电压还随电网电压波动（一般有+-10%左右的波动）、负载和温度的变化而变化。

因而在整流、滤波电路之后，还需要接稳压电路。

稳压电路的作用是当电网电压波动、负载和温度变化时，维持输出直流电压稳定。

整流装置采用二极管桥式整流，稳压芯片采用7805，配合电容将电压稳定在5V，供控制电路、测量电路和动执行电路中弱电部分使用。

除此之外，220V交流市电还是加热电阻两端的电压，通过控制双向可控硅的导通与截止来控制加热电阻的功率。

低压交流电即变压器二次侧的电压，通过过零检测电路检测交流电的过零点，送入单片机后，控制每个采样周期内双向可控硅导通正弦波个数的方法来调节加温功率。

输入通道设计

温度检测电路

温度检测元件选用温度传感器AD590。

AD590是美国ANALOGDEVICES公司的单片集成两端感温电流源。

其主要特性如下：

流过器件的电流（μA）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数：

Ir/T=1

式中，Ir—流过器件（AD590）的电流，单位为μA；T—热力学温度，单位为K；　　

（2）AD590的测温范围为+50℃~+350℃；

（3）AD590的电源电压范围为4～30V，可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件即使反接也不会被损坏；

（4）输出电阻为710mΩ；

（5）精度高，AD590在50℃~350℃范围内，非线性误差仅为±0.3℃。

A/D转换电路

ADC0809是一个典型的逐次逼近型8位A/D转换器。

它由8路模拟开关、8位A/D转换器、三态输出锁存器及地址锁存译码器等组成。

它允许8路模拟量分时输入，转换后的数字量输出是三态的（总线型输出），可以直接与单片机数据总线连接。

ADC0809采用+5V电源供电，外接工作时钟。

当典型工作时钟为500KHz时，转换时间约为128us。

要处理好模拟信号与数字信号的双向转换，我们需要一个转换器实现信号的转换，采用ADC0809和DAC0832转换器。

ADC0809是采样频率为8位的、以逐次逼近原理进行模—数转换的器件。

其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。

DAC0832是8位分辨率的D/A转换集成芯片。

输出通道设计

输出通道采用过零触发器，由光耦驱动电路和双向可控硅电路组成。

（1）光耦驱动电路

在驱动电路中，由于是弱电控制强电，而弱电又很容易受到强电的干扰，影响系统的工作效率和实时性，甚至烧毁整个系统，导致不可挽回的后果，因此必须要加入抗干扰措施，将强弱电隔离。

光耦合器是靠光传送信号，切断了各部件之间地线的联系，从根本上对强弱电进行隔离，从而可以有效地抑制掉干扰信号。

此外，光耦合器提供了较好的带宽，较低的输入失调漂移和增益温度系数。

因此，能够较好地满足信号传输速度的要求，且光耦合器非常容易得到触发脉冲，具有可靠、体积小、等特点。

所以在本系统设计中采用了带过零检测的光电隔离器MOC3061，用来驱动双向可控硅并隔离控制回路和主回路。

MOC3061是一片把过零检测和光耦双向可控硅集成在一起的芯片。

其输出端的额定电压是400V，最大重复浪涌电流为1.2A，最大电压上升率dv/dt为1000v/us，输入输出隔离电压为7500V，输入控制电流为15mA。

在驱动执行电路中，当单片机的P2.0、P2.1、P2.2发出逻辑数字量为高电平时，经过三极管放大后驱动光耦合器的放光二极管，MOC3061的输入端导通，有大约15mA的电流输入。

当MOC306的输出端6脚和4脚尖电压稍稍过零时，光耦内部双向可控硅即可导通，提供一个触发信号给外部晶闸管使其导通；当P2.0、P2.1、P2.2为低电平时，MOC3061截止，双向可控硅始终处于截止状态。

（2）双向可控硅电路

在本设计中，考虑到电网电压的稳定和现在市场上销售的双向可控硅型号，选择了工作电压为400V，通态电流为4A的双向可控硅BT136。

利用单片机控制双向可控硅的导通角。

在不同时刻利用单片机给双向可控硅的控制端发出触发信号，使其导通或关断，实现负载电压有效值的不同，以达到调压控制的目的。

具体如下：

（a）由硬件完成过零触发环节，即在工频电压下，每10ms进行一次过零触发信号，由此信号来达到与单片机的同步。

（b）过零检测信号接至P1.5转换口，由单片机对此口进行循环检测，然后进行延时触发。

键盘的选取

本系统采用3*3键盘，由单片机I/O口控制，可通过按键设定温度和时间，有的按键在不同情况下可以实现不同功能。

第4章软件设计

系统流程图

本系统的主程序流程图如图4.1所示:

图4.1电加热炉温度控制系统主程序流程图

系统采用可控硅交流调压器，输出不同的电压控制电热炉温度的大小，温度通过热电偶检测，再经过变送器变成0-5V的电压信号送入A/D转换器使之变成数字量，此数字量通过接口送到微机，这是模拟量输入通道。

在微机内部，主机将采样值与给定值比较后进行控制算法计算，再经D/A转换器变成模拟量，然后经放大器放大后输入调压器，调节电压的大小，以达到控制温度的目的。

PID算法流程图

PID流程图如图4.2：

图4.2PID算法流程图

程序流程图

系统程序流程图如图4.3：

图4.3程序流程图

部分PID控制程序

MOVR5，#01H　

MOVR4，#3CH

DIVR5，#64H

DIVR4，#64H

ADDR5，R4；

MOVR6，#74H　

DIVR6，#64H；

MULR5，#Z

DECR5，R6

MOVR7，R5

MOVR5，#01H　

MOVR4，#0A2H

DIVR5，#64H

DIVR4，#64H

ADDR5，R4；

MOVR6，#01H　；

MULR6，#Z

DECR6，R5

DIVR7，R6

第5章系统测试与分析/实验数据及分析

对设定传递函数进行PID算法仿真，使用AEDK-labACT实验箱，仿真接线图如图5.1。

图5.1达林算法连接图

其中时间常数

=350秒，放大系数

=50，滞后时间τ=20秒，控制算法选用达林算法。

得到仿真图如图5.2：

图5.仿真曲线

第6章课程设计总结

此次课程设计中，我做的课题是《基于PID算法的电加热炉温度控制系统设计》。

在本控制对象电阻加热炉功率为8KW，20V交流电供电，采用双向可控硅进行控制。

本设计针对一个温度区进行温度控制，要求控制温度范围50~350℃，保温阶段温度控制精度为正负1度。

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。

由于时间紧张，所以我们决定通过将控制器的传递函数与采样开关结合即用离散化变化，来代替闭环的前向同路的一部分，即通过要达到的闭环传递函数与给定的被控对象传递函数来求出控制器的传递函数。

在对参数的调整中我们发现采用PID算法可显著减少超调,也可做到很小的稳态误差，可以做到较小的上升时间和调节时间，当对象模型具有不确定性和系统存在随机干扰时,可对达林算法参数作自寻最优控制。

本系统选用AT89C51作为控制器，温度检测部分选用AD590作为传感器，ADC0809作为A/D转换器，过零触发器采用光耦驱动电路及双向可控硅电路。

通过理论推导和仿真验证，进一步说明达林算法进行控制时的系统动态性能指标优越。

特别适用于对象为滞后的系统，因此PID算法是一种较好的控制算法，能在工业控制中得到较好地应用。

参考文献

[1]于海生•.计算机控制技术出版年••机械工业出版社，2007.5。

[2]丁健•干开峰•计算机控制技术实验指导书，2009。

[3]胡寿松•自动控制原理•科学出版社，2001。

[4]张晓华•控制系统数字仿真与CAD•哈尔滨工业大学，1999.10。

[5]黄忠霖•控制系统计算及仿真实训•国防工业出版社，2006.4。

[6]何立民•单片机应用系统设计•北京航空航天大学出版社，1991年。

[7]黄一夫•微型计算机控制技术•华中工学院，1992年。

[8]谢剑英•微型计算机控制技术•国防工业出版社，1991年