基于PID电加热炉温度控制系统设计 刘.docx

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基于PID电加热炉温度控制系统设计刘

目录

第1章绪论2

第2章总体方案3

2.1系统结构3

2.2具体设计考虑4

第3章控制系统的建模和数字控制器设计5

3.1选择计算机机型—8031温度控制电路5

3.2设计支持计算机工作的外围电路6

3.3转换电路7

3.4信号处理电路8

3.5主电路8

第4章软件设计9

4.1内存分配9

4.2温度控制系统程序框图10

4.3PID算法的微机实现12

4.4PID算法的程序设计13

第5章软件说明以及电路图14

参考文献17

基于PID电加热炉温度控制系统设计

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。

1概述

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。

单片机以其高可靠性、高性能价格比、控制方便简单和灵活性大等优点，在工业控制系统、智能化仪器仪表等诸多领域得到广泛应用。

采用单片机进行炉温控制，可以提高控制质量和自动化水平。

在本控制对象电阻加热炉功率为800W，由220V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50~350C，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。

其对象问温控数学模型为：

其中：

时间常数Td=350秒

放大系数Kd=50

滞后时间

=10秒

控制算法选用改PID控制

总体方案

根据功能和指标要求，本系统可以从元件级开始设计，选用MCS-51单片机为主控机。

通过扩展必要的外围接口电路，实现对烘箱温度的测量和控制。

2．1系统结构

该系统以89C51单片机为核心，由温度测量变换、测量放大、大功率运放、A/D与D/A转换器、输入光电隔离、驱动电路、键盘显示、存储器共同组成。

在系统中，温度和时间的设置、温度值及误差显示、控制参数得设置、运行、暂停及复位等功能由键盘及显示电路完成。

图2-1单片机温度控制系统方案原理示意图

传感器把测量的烘箱温度信号转换成弱电压信号，经过信号放大电路，送入低通滤波电路，以消除噪音和干扰，滤波后的信号输入到A/D转换器（ADC0809）转换成数字信号输入主机（单片机8031）。

2．2具体设计考虑

1、由于温度测量范围为0～120℃，控制精度也不高，可选用8路8位ADC0809作A/D转换器，分辨率可达0.5℃；为了方便操作，系统可不扩展专用键盘，温度给定输入可用2位BCD码拨盘开关置数；温度显示可用4位LED；为了实现通过调节蒸汽流量控温，可扩展8位DAC0832作D/A转换器。

于是，单片机基本系统应为：

8031+2764+8255+ADC0809+DAC0832+4位LED。

2、温度测量可以选用半导体集成温度传感器AD590，它的响应速度快，与单片机接口简单。

其测温范围为-55～+150℃，工作电压4～30V，输出电流与绝对温度成正比，即为1µA/K。

执行机构可选用ZKZP-Ⅱ型线性电动单座调节阀，用它来调节通入烘箱的蒸汽流量。

调节阀用D/A转换器输出的可调电流控制，0mA对应阀门完全关闭，10mA对应阀门全打开。

3、可采用带死区的比例积分（PI）控制算法实现对温度的控制。

烘箱温度与给定值的偏差小时，调节阀不动作，以减少阀的机械磨损；偏差较大时，经PI算法运算后，单片机通过D/A输出控制信号控制阀门的开度，为了使控制参数现场可调，可用3个电位器产生3路可调电压经过A/D转换实现对A/D转换，实现对PI算法的3个参数（比例系数Kp、积分系数KI、控制周期Tc）在线整定。

这种方法不仅可使参数调整方便，而且具有掉电保护功能。

4、为了提高系统的抗干扰能力，D/A转换器与单片机之间进行光电隔离。

使电动阀和单片机之间不共地。

控制系统的建模和数字控制器设计

3.1选择计算机机型—8031温度控制电路

8031对温度的控制是通过双向可控硅实现的。

如单片机温度控制系统电路原理图所示，双向可控硅管和加热丝串接在交流220V、50Hz是电回路。

在给定周期T内，8031只要改变可控硅管的接通时间即可改变加热丝的功率，以达到调节温度的目的。

可控硅接通时间可以通过可控硅控制极上触发脉冲控制。

该触发脉冲由8031用软件在P3.1引脚上产生，在过零同步脉冲同步后经光电耦合管和驱动器输出送到可控硅的控制极上。

如图是单片机8051的结构。

3.2设计支持计算机工作的外围电路

根据总体方案，采用8031外扩2764作程序存储器；外扩8255用于4位LED显示温度、声光报警和扩展光电隔型DAC产生0～10mA可调电流控制电动阀；外扩8路8位ADC0809作温度测量和通过3个电位器产生3个可调控制参数；2位BCD码给定拨盘则和8031的P1口相连。

完整的硬件电路组成是通过8255的PA口和PC0～PC3口扩展4位LED；通过PB口和PC5扩展光电隔型D/A，DAC0832设置为单缓冲方式，VREF=-5V，于是经运算放大器A1后产生0～5V可调直流电压，再经运算放大器A2在复合三极管T的集电极和+12V电源之间产生0～10mA可调电流，以便控制电动阀的动作（RW1于调整满量程值，D1用于保护三极管T）；通过总线直接扩展ADC0809，由于仅使用4路，故选择通道的C端直接接地，由于温度传感器是输出电流信号且与绝对温度成正比，故采用电平移动电路及放大电路使运算放大器A3输出电压值与摄氏温度成正比（RW2，RW3分别用语温度测量电路的零点调节和满量程调节）；声音报警电路中，蜂鸣器采用长鸣形式，由门电路构成1s振荡器产生的响音；2位BCD码给定拨盘则和8031的P1口直接接口，各位又通过2kΩ电阻接地。

由于各扩展芯片用线选发产生片选信号，故他们的接口地址分别为：

2764：

0000H～1FFFH

8255：

7000H～7003H

ADC0809：

B000H～B003H

3.3转换电路

在设计测温电路时，首先应将电流转换成电压。

由于AD590为电流输出元件，它的温度每升高1K，电流就增加1µA。

当AD590的电流通过一个10K的电阻时，这个电阻上的压降为10mV即转换成10mV/K，为了使此电阻精确（0.1%），可用一个9.6K的电阻与一个1K电位器串联，然后通过调节电位器来获得精确的10KΩ。

图所示是一个电流/电压和绝对/摄氏温标的转换电路，其中运算放大器A1被接成电压跟随器形式，以增加信号的输入阻抗。

而运放A2的作用是把绝对温标转换成摄氏温标，给A2的同相输入端输入一个恒定的电压（如1.235V），然后将此电压放

图3-3电流/电压和绝对/摄氏温标的转换电路

大到2.73V。

这样，A1与A2输出端之间的电压即为转换成的摄氏温标。

将AD590放入0℃的冰水混合溶液中，A1同相输入端的电压应为2.73V，同样使A2的输出电压也为2.73V，因此A1与A2两输出端之间的电压：

2.73-2.73=0℃即对应于0℃。

3.4信号处理电路

温度检测的小信号放大与绝对/摄氏温度转换采用图电路，其中RW用来完成绝对/摄氏温度转换及调零功能，运放要求采用一片集成普通四运放LM324来完成图的信号处理功能，其工作电源取单电源VCC=9V。

设计中电阻元件可参考下列取值：

R1=R2=10K、R3=R4=20K、R5=R6=20K、RG=5K、RW=10K；高频滤波电容可取C=0.01µF。

图3-4信号处理电路

3.5主电路

主电路如图4-4所示，温度检测信号输入ADC0809的IN3引脚，经过模数转换结果输入AT89C51，结果从P1口输出驱动2个LED实现数据显示功能。

图3-5温度检测主电路

软件设计

4.1内存分配

为了编程方便，可以把8031的内部128BRAM先进行分配；也可在程序中用标号代替，最后用EQU或DATA定义。

如果先对内存进行分配，本系统可分配为：

00H～07H，R0～R7　　供主程序使用

08H～0FH，R′0～R′7　　供T0中断服务程序使用

20H定时1s时间常数（初值为10）

21H8255A口数据暂存（显示器段码）

22H8255B口数据暂存（D/A数据）

23H8255C口数据暂存

24H8031P1口的T给定BCD值暂存。

当T给定=01H时，显示的数据为KP参数，格式为P-××；当T给定=02H，显示器显示的数据为KI参数，格式为I-×××；当T给定=03H，显示器显示的数据为Tc参数，格式为T-××；T给定为其他值（85℃左右），显示器显示的数据为温度测量值

25HKP参数暂存

26HKI参数暂存

27HTc参数暂存

28HT测量值（A/D）暂存

29He（n）参数暂存

2AHe（n-1）参数暂存

2BH～2EH4次A/D值暂存

2FH定时Tc秒调节工作单元

30H～31HT测量BCD码值暂存、格式为×××.×

32HT测量值实际温度暂存

50H～7BHSP指针工作区

7CH～7FH　显示缓冲区（从左到右）

4.2温度控制系统程序框图

如图4—2所示，为主程序框图，为T0通道中断服务程序框图。

T0中断服务程序是温度控制系统的主体程序，用于启动A/D转换，读入采样数据，数字滤波，越限温度报警和越限处理，PID计算和输出可控硅的同步触发脉冲等。

P1.3引脚上输出的该同步触发脉冲宽度由T1计数器的溢出中断控制，8031利用等待T1溢出中断空隙时间完成把本次采样值转换成显示值而放入显示缓冲区和调用温度显示程序。

8031从T1中断服务程序返回后便可恢复现场和返回主程序，以等待下次T0中断。

图4-2温度控制系统程序框图

4.3PID算法的微机实现

由于微机控制系统是一种时间离散控制系统，故必须把微分方程离散化为差分方程，最终写出递推公式才能直接应用。

显然：

（4-2）

（4-3）

于是，

KP{e（n）+

+

[e（n）-e（n-1）]}（4-4）

式中Δt=T，为采样周期；e（t）为第n次采样的偏差值；e（n-1）为第（n-1）次采样时的偏差值；n为采样序列，n=0,1,2,…。

由式（4-4）可以看出：

计算一次Y（n），不仅需要的存储器空间大，而且计算量也很大，于是进一步写出递推公式：

由Y（n-1）=KP{e（n-1）+

+

[e（n-1）-e（n-2）]}（4-5）

由式（4）减去式（5）得：

ΔY（n）=Y（n）-Y（n-1）

=KP{[e（n）-e（n-1）]+

[e（n）-2e（n-1）+e（n-2）]}

=KP[e（n）-e（n-1）]+KIe（n）+KD[e（n）-2e（n-1）+e（n-2）]（4-6）

或Y（n）=Y（n-1）+KP[e（n）-e（n-1）]+KIe（n）+KD[e（n）-2e（n-1）+e（n-2）]（4-7）

式中KI=KP

，称为积分常数；KD=KP

，称为微分常数。

4.4PID算法的程序设计

在本控制系统中，烘箱温度与给定值的偏差经过单片机PI算法运算后从DAC0832输出0～10mA控制电流去控制电动阀的开度，所以应采用式（7）的位置式算法（且KD=0即为PI），即：

YPI（n）=Y（n-1）+KP[e（n）-e（n-1）]+KIe（n）（4-8）

如果设KP，KI为纯小数，KP，KI，e（n）,e（n-1）分别放在8031片内RAM的25H，26H,29H,2AH中，PI结果YPI（n）放在R3R4中，则PI控制程序如下:

PI：

MOVA，29H；e（n）

CLRC

SUBBA，2AH；e（n）-e（n-1）

MOVB，25H；KP

LCALLMULTS；KP[e（n）-e（n-1）]

MOVR4，A

MOVR3，B；暂存于R3R4

MOVA，29H；e（n）

MOVA，26H；KI

LCALLMULTS；KIe（n）

ADDA，R4

MOVR4，A

MOVA，B

ADDCA，R3

MOVR3，A；R3R4=KP[e（n）-e（n-1）]+KIe（n）

RET

MULTS：

CLRF0；置e（n）符号标志位为正

JNBACC.7，MUL1

SETBF0；置e（n）符号标志位为负

CPLA

INCA；取绝对值

MUL1：

MULAB

JNBF0，MUL2

CPLA

ADDA，#1

MOVR2，A

MOVA，B

CPLA

ADDCA，#0

MOVB，A

MOVA，R2；还原为补码

MUL2：

RET

软件说明以及电路图

本设计介绍的单片机温度控制系统，可了解微机系统硬、软件的构成及各种控制参数变化对系统动、静态特性的影响。

系统用PID控制算法实现温度控制，可以使系统的精度达到±0.1℃，准确度和稳定性都可以令人满意。

系统还以单回路控制为例，极易扩展成多回路控制。

MCS-51单片机，体积小，重量轻，抗干扰能力强，对环境要求不高，价格低廉，可靠性高，灵活性好，即使是非电子计算机专业人员，通过学习一些专业基础知识以后也能依靠自己的技术力量，来开发所希望的单片机应用系统。

本文的温度控制系统，只是单片机广泛应用于各行各业中的一例，相信单片机的应用会更加广泛化。

本系统的设计方案有多种，上述方案是从多种方案中选出的最优方案，其具有功能强、成本低、元件少、精度高、可靠性好、稳定性高、抗干扰性强、执行速度快、简单易行、具有实效性、使用范围广等特点，故具有推广价值。

系统电路

参考文献

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