电加热炉控制系统讲解.docx

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电加热炉控制系统讲解

大连理工大学城市学院

本科生毕业设计（论文）

学院：

电子与自动化学院

专业：

自动化

学生：

孙启轩

指导教师：

吕攀

完成日期：

2015年5月26日

大连理工大学城市学院本科生毕业设计（论文）

电加热炉控制系统设计

总计毕业设计（论文）63页

表格1个

插图15幅

摘要

电加热炉控制系统设计实际上的意义就是对于工业用的电加热炉的温度进行智能控制的手段。

而温度又是工业领域里最为重要的几个模拟量参数之一。

因此，对于温度的控制也是在过程控制领域中的一个重要的步骤。

电加热炉作为特种工业炉，其优点在于高效节能而且安全性相比于传统的工业用锅炉更高。

其核心为导热油以及热油泵，也就是所谓的电加热导热油系统，通过它们从而提供高效的热量。

导热油在电加热炉工作系统中扮演着介质这样一个角色。

加热元件通电后产生热量，热量通过导热油传递给用热设备。

而导热油的循环是通过循环泵的工作，热量因此被传递出去。

综上所述，电加热炉在工业领域有着举足轻重的地位，其特点大致可以总结为以下几点：

（1）运行控制完备齐全，达到自动化控制

（2）在压力较为低的环境中依旧可以工作，且工作温度同样很高

（3）工作效率高、控制精度高

（4）空间小，结构简单，安装简便

电加热炉自身有着如此大的优势，而在控制的过程当中，较为难加以控制的当属于某些控制对象的时滞性以及非线性，这些原因则往往来自于加热的过程的不同，以及加热的对象的构造成分上的差异，因此，而产生难以建立数学模型的结果。

然而，伴随着社会的不断进步，工业领域对于温度的控制也极大地不同。

传统老套的PID控制的策略方法显然已经难以适应高新技术的浪潮的席卷。

而新型的数字式PID或者更为先进的嵌入式微控制器则可以更好地完成对于温度的调控。

嵌入式微控制器的使用已经越来越接近于工业领域的发展需求，使用嵌入式微控制器来调控电加热炉的温度则是简单且灵活，而且，嵌入式微控制器还有成本低的优势，构造及操作也相对于其他的调控方式更为简单，温度调控的技术指标也可以得到大幅度的提升。

有了以上所叙述的优点的支持，也会使得电加热炉产品无论是在数量上还是在质量上同样会有大幅度的提升。

在众多的嵌入式微控制器中，AT89C51单片机无论是从兼容性上还是从配置上都符合要求。

而且AT89C51也满足了简单灵活，且成本较为低廉的优点。

AT89C51单片机的编程方式及语言和开发也是更为简便。

汇编语言更是可以有效且严谨的控制每一步工作流程。

从而提高了系统在工作状态下的自动化水平。

关键词：

电加热炉；微控制器；电加热导热油系统；AT89C51

Abstract

Theelectricheatingfurnacecontrolsystemdesignisactuallythesignificanceofintelligentcontrolmethodforindustrialuseofelectricheatingfurnacetemperature.Whilethetemperatureisthemostimportantindustrialfieldsinoneofseveralanalogparameters.Therefore,thetemperaturecontrolisalsointhefieldofprocesscontrolinanimportantstep.

Theelectricheatingfurnaceasaspecialindustrialfurnace,theutilitymodelhastheadvantagesofhighefficiencyandenergysavingandsafetycomparedtothetraditionalindustrialboilerismorehigh.Thecoreofheatconductingoil,hotoilpump,whichiscalledtheelectricalheatingoilsystem,throughwhichtoprovideefficientheat.

Oilplaysamediuminthesystemofelectricheatingfurnaceinsucharole.Theheatingelementisenergizedafterheat,heatthroughtheheatconductingoiltransfertoheatequipment.Whileconductingoilcirculatingthroughthecirculationpumpisworking,sotheheatisdelivered.

Tosumup,theelectricheatingfurnacehasplayadecisiverolepositionintheindustrialfield,itscharacteristicscanbesummarizedasfollows:

（1）Operationcontroliscomplete,toachieveautomaticcontrol

（2）Canstillworkunderpressureislowintheenvironment,andtheworkingtemperatureisalsohigh

（3）Highworkingefficiency,highcontrolprecision

（4）Smallspace,simplestructure,convenientinstallation

Theelectricfurnaceitselfhassuchabigadvantage,whileinthecontrolprocess,themoredifficulttocontrolwhenthecontrolobjectbelongstoacertaintimelagandnonlinearprocess,thesereasonsareoftendifferentfromheating,anddifferences,structuralcomponentsofheatingontheobjectandtherefore,itisdifficulttoestablishmathematicstheresultsofthemodel.

However,withtheprogressofsociety,theindustrialfieldfortemperaturecontrolisalsogreatlydifferent.ThetraditionalmethodofoldPIDcontrolstrategyisobviouslyalreadydifficulttoadaptthesweepingwaveofhigh-tech.ThenewdigitalPIDormoreadvancedembeddedmicrocontrollercanbetterachievethetemperatureregulation.

Thedevelopmentneedstousetheembeddedmicrocontrollerismoreandmoreclosetotheindustrialfield,theuseofembeddedmicrocontrollertocontrolthetemperatureoftheelectricheatingfurnaceissimpleandflexible,andtheembeddedmicrocontrollerand,theadvantagesoflowcost,constructionandoperationisalsorelativetotheregulationofothermoresimple,technicalindexandtemperaturecontrolcanalsobehasbeengreatlyenhanced.Theadvantageoftheabovedescribedsupport,willmaketheelectricheatingfurnaceproductsbothinquantityandqualitycanalsobegreatlyimproved.

InmanyoftheembeddedmicrocontrollerAT89C51microcontroller,eitherfromthecompatibilityorfromtheconfigurationtomeettherequirements.ButAT89C51alsomeettheadvantagesofsimpleandflexible,andthecostisrelativelylow.

AT89C51microcontrollerprogramminglanguageanddevelopmentandisalsomoreconvenient.Assemblylanguageismorerigorousandeffectivecontrolofeverystepoftheworkprocess.Inordertoimprovethelevelofautomationintheworkingconditionofsystem.

Keywords:

electricheatingfurnace;microcontroller;electricalheatingoilsystem;AT89C51

第一章：

引言

1.1选题的背景情况以及国内国外的研究概况

温度控制是工业领域的重中之重。

温度对于工业的影响也是巨大的。

举个例子来说，可能1℃温度的偏差就有可能导致整个工程的崩溃。

工业温度控制在我国的发展同样是飞速的，中国作为世界上有名的工业大国当然不会忽视这些。

只是，相比于美国、德国或者是日本这些发达国家来讲，我们和他们在温度控制领域上还是有着不小的差距的。

工业锅炉的工作环境为高温高压，这也就意味着锅炉内水温可能不止于传统定义的100℃这一标准值，换言之，水温会高于100℃。

可往往有些时候我们又不需要那么高的温度，较为低一些的温度同样可以达到我们所需要的效果。

几十度甚至于更低的温度。

这也就意味着我们在工业领域对于与锅炉水温的调节是在一个范围内所变化的，而这个范围又是确定的，往往在工业上，由于高压的环境，锅炉水温被控制在50-150℃这之间。

PID控制是工业温度控制的灵魂，而点位控制又是温度控制的重点所在。

当最为常规的PID控制遇上了点位控制，也就构造出了一个较为成熟的温度控制系统。

但是它们只能适应一般温度系统控制，对于智能化水平更高的温控平台亦或者是自适应控制仪表，我们国内的技术还不是十分的成熟，能够形成商品化并且应用广泛的控制仪表还是较少的。

我国经济的发展尤其是在近几年是飞速的。

早些年前，随着中国加入世界贸易组织（WTO）之后，我国政府及企业对此都是非常的重视，也重组了相关的，一些国家和企业的研发中心也相继被建立，开展出创新性的研究。

由此，我国的仪表工业也得到了飞速的发展。

由于社会的发展，时代的进步，我国的科技腾飞向上。

近年来，嵌入式微控制器的发展也是十分的迅速，各个企业逐渐放弃了庞大的控制器集群，一个以微型控制器为主的革命浪潮正在逐步发展壮大，嵌入式微控制器的应用已经渗透到了大到航空航天，小到软件开发的各个行业当中去。

传统的温度采集方法过于繁琐不说，更重要的是浪费时间资源和人力资源。

而且精度还无法保证满足需求，嵌入式微控制器的出现和介入使得温度数据的挖掘、采集以及数据的处理问题能够得到很好的解决办法。

在之前我们已经提到过，温度是工业领域中的一个非常非常重要的被控参数。

但是我们有多种测量温度的方法，对于测量温度的元器件的选择也是多样的，由于产品工艺的各不相同，控制温度的精度也不相同，对数据采集的精度和采用的控制方法也不相同。

传统老旧的温度控制技术显然已经被高速发展的科技浪潮所淘汰。

例如：

表面温度接触器，其最大的缺点是温度测量结果不准确，上下波动的范围较大，其工作原理大致为控制接触器的通断时间比例被控制，从而来达到加热功率被改变的最终目的，但是其通断的频率是非常低的，原因是仪表本身的误差和交流接触器的寿命。

近几年来快速发展了多种先进的温度控制方式，如：

PID控制，模糊控制，神经网络及遗传算法控制等。

这些控制技术大大的提高了控制精度，不但使控制变得简便，而且使产品的质量更好，降低了产品的成本，提高了生产效率。

本系统要求有数据处理，显示功能等,被控对象为一阶惯性环节和一阶积分环节的组合，惯性时间常数为2s，开环增益k=10，温度控制范围为50～150℃。

[1]

之前提到过的嵌入式微控制器又被简称为“单片机”。

在今天的工业领域中常用的品牌有西门子、摩托罗拉等等。

型号多见为AT89C51或者是STM32等等。

本设计采用51单片机为基础。

51单片机兼容因特尔8031指令系统，而且高度集成、形状简便以及应用广泛。

1.2自动化控制理论的简介及其发展

所谓自动控制理论，字面上的理解可以定义为工业控制的高度自动化，从而解放人力资源，大力开发机械以及电力资源。

人类在发展，科学在进步。

伴随着人类社会的不断前行的步伐，自动化控制技术不仅仅是在工业领域。

其他的在各个应用领域中也被广泛的使用。

生产流水线从原来的人力手工生产变成了今天的高度自动化的生产，劳动生产率和产品质量被大大提高，劳动条件得到充分改善。

自动控制（automaticcontrol），顾名思义，就是指即使是在没有看守的情况之下，设备依旧可以正常工作，而且质量、数量或者是测量精度等等指标均符合标准。

自动控制是现代企业共同追求的目标，企业不会再和以前一样的大肆使用人力资源，而应当充分发挥机械的才能。

让它们按照想实现的目标状态来自我按照规律运行。

自动控制理论（又称经典控制理论）是建立在自动控制规律性上面的一门科学技术研究。

，是分析和设计自动控制系统的理论的基础。

其最早的形成和后来的发展就是经典控制理论的雏形。

早在19世纪，当时的英国爆发了著名的第一次工业革命，这便是经典控制理论的由来，瓦特蒸汽机使得人类的双脚被解放。

到了第二次工业革命，“自动”两个字的体现也许就更为明显了许多。

再到第二次世界大战，各式各样的飞机，战船的制作过程中都体现了自动控制的身影，更值得一提的是，英国人在二战期间首次使用了雷达技术。

这一切其实都是建立在以经典控制理论为基础之上的。

自动控制理论的发展历程如下：

1．40年代--60年代初

由于社会动荡，连年的战争较多（主要有第二次世界大战、朝鲜战争、越南战争），资源需求较大，许多经历过第二次世界大战的国家都需要战后重建。

但是又要尽可能降低人力资源的使用，因此，出现了较为低级的自动控制系统。

又称单机自动化控制系统。

机床就可以看作是那个年代的自动控制系统产物。

2．60年代中--70年代初期

社会趋近于平稳，各个国家开始集中精力发展自己的工业。

因此出现了不可避免的竞争加剧等情况，还包括更新换代加快等等。

此时，人们更看重的时质量而不是曾经的数量。

在一些国家出现了此前从未出现过的自动化生产流水线。

加大数量的同时又可以提高质量。

除此之外，人们开始使用软件和硬件结合的方法使得机床等自动控制装置得到了又一轮的升华。

3．70年代中期--至今

70年代之后，时代又向前迈进了一大步。

美国和苏联当时两个世界霸主在各个领域都是那个时代的领先者。

包括1979年中国实行了改革开放。

中国也从此走上了工业大国之路。

市场环境因为上述的众多原因又一次发生了不小的变化。

人们开始对自动控制进行了新一轮的探讨，对自动的含义又一次的加深，开始了纵向的深入研发。

这一时代的显著提升就是计算机的高度融合使得自动化控制系统更加的实至名归。

软件和硬件的搭配变得更加完美无缺、天衣无缝。

进入新的时代之后，也就是我们所谓的计算机时代之后，计算机技术和现代应用数学形成了完美的结合。

为适应新型的自动化控制过程的发展，自动控制理论（经典控制理论）也被时代的浪潮带入了一个新的阶段——现代控制理论。

研究的对象具有了更高的性能，更高的精度。

变量和参数也从之前的单一性变成了今天的多样性。

控制达到最优的水准。

状态空间法是现代控制理论的基础，它以状态的为基础。

目前，现代控制理论仍然处于继续发展的状态，正向的以控制论，信息论，仿生学论等等为基础。

智能控制理论慢慢地深入。

控制的任务是一个复杂的过程，实现的方法如下。

首先，控制任务有开环有闭环，开环就是首尾相连成一条直线，闭环则是形成一个或者多个环路。

两种形式都会最终组成一个范围广大的总体，从此形成了自动控制系统的主干。

在自动化控制系统中，被控制对象的输出量是绝对要严加控制的，因此，可以说输出量是非常重要的物理量。

被控制对象的输出量可以是保持恒定不变的，例如气压、速度、加速度等等；对被控制对象加以控制作用的装置机构的集合总体就是之前提到过的控制装置，它对控制对象的控制方式和控制原理的选择是多种多样的。

但是，反馈控制系统是所有方式的基础所在，该方法是基于反馈控制原理而产生的。

反馈控制伴随着不断地修正，因为正是不断地修正才可以使的结果的偏差被不断的减小。

被控制的对象是要受到控制装置的影响的。

反馈值正是从此而来。

1.3课题的建立以及本文完成的主要工作

1．以嵌入式微控制器为核心基础，自动化控制系统的建立，按钮的构建、数据挖掘、滤波、水温测量结果的显示以及输出电路的外围构造，整个系统的搭建的实现方式方法，以及电加热炉控制系统的设计仿真图的建立；

2．软件流程图构思以及最后的定型，编写程序源代码（根据软件流程图），调试以及编辑，知道其可以满足设计的需求。

3．源代码确认无误后进行编译并下载到嵌入式微控制器中，根据功能的实现，对符合实际情况的系统进行最终的设计。

4．确认设计的具体对象是工业锅炉的水温，设定的水温波动范围为50-150℃。

5．确认整个系统以AT89C51嵌入式微控制器为中心，看门狗定时器、键盘电路以及通信接口和LED发光二极管作为控制模块。

8路A/D转换器和温度传感器构成水温采集模块。

8路D/A转换器和驱动装置以及共阴极LED数码管显示屏构成了显示模块。

6．D/A转换后得到的模拟信号不仅仅是为共阴极LED显示屏（显示模块）所用，由于系统可以根据需求自动调节温度，实现“调节”二字的装置就是同样需要模拟信号支持的加热电阻。

加热电阻会根据不同的模拟信号而做出不同的动作，从而达到不同的效果。

第二章：

方案设计

2.1方案介绍

2.1.1方案确定

1．输出开关量控制

对于惯性较大的过程可以简单地采用输出开关量控制的方法。

这种方法通过比较给定值与被控参数的偏差来控制输出的状态：

开关或者通断，因此控制过程十分简单，也容易实现。

但由于输出控制量只有两种状态，使被控参数在两个方向上变化的速率均为最大，因此容易引起反馈回路产生振荡，对自动控制系统会产生十分不利的影响，甚至会因为输出开关的频繁动作而不能满足系统对控制精度的要求。

因此，这种控制方案一般在大惯性系统对控制精度和动态特性要求不高的情况下采用。

2．比例控制（P控制）

比例控制的特点是控制器的输出与偏差成比例，输出量的大小与偏差之间有对应关系。

当负荷变化时，抗干扰能力强，过渡时间短，但过程始终存在余差。

因此它适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、允许被控量在一定范围内变化的系统。

使用时还应注意经过一段时间后需将累积误差消除。

3．比例积分控制（PI控制）

由于比例积分控制的特点是控制器的输出与偏差的积分成比例，积分的作用使得过渡过程结束时无余差，但系统的稳定性降低。

虽然加大比例度可以使稳定性提高，但又使过渡时间加长。

因此，PI控制适用于滞后较小、负荷变化不大、被控量不允许有余差的控制系统，它是工程上使用最多、应用最广的一种控制方法。

4．比例积分加微分控制（PID控制）

比例积分加微分控制的特点是微分的作用使控制器的输出与偏差变化的速度成正比例,它对克服对象的容量滞后有显著的效果。

在比例基础上加上微分作用，使稳定性提高，再加上积分作用，可以消除余差。

因此，PID控制适用于负荷变化大、容量滞后较大、控制品质要求又很高的控制系统。

[2]

2.1.2系统组成

系统的组成大方面讲就是软件和硬件组成，本系统中，硬件包括温度检测模块、A/D转换模块，嵌入式微控制器模块、D/A转换模块、显示模块等等。

由于本例是一个典型的检测、控制型应用系统，它要求系统完成从温度检测、信号处理、输入、运算到输出控制电炉加热功率以实现温度控制的全过程。

因此，应以单片微型计算机为核心组成一个专用计算机应用系统，以满足检测、控制应用类型的功能要求。

另外，单片机的使用也为实现温度的智能化控制以及提供完善的人机交互界面及多机通讯接口提供了可能，而这些功能在常规数字逻辑电路中往往是难以实现或无法实现的。

[3]综合以上所述情况，我们采用以嵌入式微控制器为核心的DDC方式（直接数字控制系统）。

2.2控制器介绍

2.2.1AT89C51简介

微型计算机是指由CPU（微处理器）以及大规模集成电路所制成的ROM（程序存储器）和RAM（数据存储器），以及I/O接口电路（与输入和输出紧密相关的电路），微型计算机（Microcomputer）简称为MC。

如果将微处理器、存储器和输入/输出接口电路集成在一块集成电路芯版上，称为单片微型计算机，简称单片机。

本次设计选用的是AT89C51，是MCS-51单片机系列的一种。

其结构体系完整、指令系统功能完善、内部寄存器规范、性能优越、技术成熟、具有高可靠性和高性价比。

它提供以下标准功能：

4k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，2组16位的定时计数器，1组5向量两级中断结构，1组全双工串行通信接口，片内振荡器以及时钟电路。

2.2.2引脚简介

图2-1AT89C51嵌入式微控制器引脚分布图

其各引脚的功能如下

VCC：

电源，12V。

GND：

地端。

P0口：

双向输入/输出接口，使用时必须在外部接出上拉电阻。

P1口：

双向输入/输出接口，不同于P0的是P1口的内部自带了上拉电阻，因此，无需再外接上拉电阻。

P2口：

双向输入/输出接口，端口内部自带上拉电阻。

P3口：

双向输入/输出接口，端口内部自带上拉电阻。

P3口也可以作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：

各管脚备选功能

P3.0RXD（串口输入）

P3.1TXD（串口输出）

P3.2