毕业论文-基于pid控制的热处理炉设计

河南科技大学本科毕业设计（论文）题目_基于PID控制的热处理炉设计_学生姓名专业班级学号所在系指导教师完成时间2012年3月12日基于PID控制的热处理炉设计摘要热处理炉是利用电流通过热处理体产生的热量来加热或熔化物料的一类电炉。热处理炉在化工、冶金等行业应用广泛，因此热度控制在工业生产和科学研究中具有重要意义。热处理炉由炉体、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，随炉种的不同而已。热度是生产过程和科学实验中非常普遍而又十分重要的物理参数。在工业生产过程中，为了高效地进行生产，必须对生产工艺过程中的主要参数，如热度、压力、流量、速度等进行有效的控制，其中热度控制在生产过程中占有相当大的比例。准确地测量和有效地控制热度是优质、高产、低耗和安全生产的重要条件。而且在我们的日常生活中也使用微波炉、热处理炉、电热水器、空调等家用电器，热度与我们息息相关。可见热度控制电路广泛应用于社会生活的各个领域，所以对热度进行控制是非常有必要和有意义的。本设计采用单片机作为数据处理与控制单元，用热电偶作为测量元件，用固态继电器作为输出控制元件来实现对热处理炉热度自动控制。单片机控制K型热电偶热度传感器，把热度信号通过A/D转换器采集到单片机里。单片机经数据处理、PID运算，发出控制信息改变执行模块的状态，同时用LED显示显示值PV、设定值SV。本设计通过4个按键来进行人机交互和LED显示，进而使热处理炉的热度始终保持在要求范围内。关键字热处理炉；热度；单片机；PID控制RESISTANCEFURNACETEMPERATURECONTROLSYSTEMBASEDONSINGLECHIPCOMPUTERABSTRACTHEATTREATMENTFURNACEISUSINGTHEELECTRICCURRENTTHROUGHTHERESISTANCEBODYHEATGENERATIONTOHEATINGORAKINDOFELECTRICSTOVEMELTMATERIALSHEATTREATMENTFURNACEINCHEMICALINDUSTRY,METALLURGYINDUSTRY,ETCWIDELYAPPLICATION,SOTHETEMPERATURECONTROLINTHEINDUSTRIALPRODUCTIONANDSCIENTIFICRESEARCHHASIMPORTANTSIGNIFICANCEIN1HEATTREATMENTFURNACEBODY,BYELECTRICCONTROLSYSTEMANDAUXILIARYSYSTEMSFURNACESHELL,HEATER,FROMFURNACELININGINCLUDINGINSULATIONSCREEN,ANDOTHERCOMPONENTS2ELECTRICALCONTROLSYSTEMINCLUDINGELECTRONICCIRCUITS,MICROCOMPUTERCONTROL,THEINSTRUMENTSHOWSANDELECTRICALPARTS,ETCAUXILIARYSYSTEMUSUALLYREFERSTOTHETRANSMISSIONSYSTEM,VACUUMSYSTEM,COOLINGSYSTEM,ETC,WITHTHEDIFFERENCEOFTHEBOILERTHETEMPERATUREISTHEPRODUCTIONPROCESSANDSCIENTIFICEXPERIMENTSAREVERYCOMMONANDIMPORTANTPHYSICALPARAMETERINTHEINDUSTRIALPRODUCTIONPROCESS,INORDERTOEFFICIENTLYCARRIEDOUT,PRODUCTION,MUSTONPRODUCTIONPROCESSINTHEPROCESSOFTHEMAINPARAMETERS,SUCHASTEMPERATURE,PRESSURE,ANDFLOWVELOCITY,EFFECTIVECONTROL,TEMPERATURECONTROLINTHEPRODUCTIONPROCESSOFOCCUPIESALARGEPROPORTIONACCURATEMEASUREMENTANDEFFECTIVECONTROLOFTEMPERATUREISHIGHQUALITY,HIGHOUTPUT,LOWCOSTANDSAFEPRODUCTIONOFTHEIMPORTANTCONDITIONSANDINOURDAILYLIFEANDCANUSEMICROWAVEOVEN,ELECTRICRESISTANCEFURNACE,ELECTRICWATERHEATER,AIRCONDITIONINGANDOTHERHOMEAPPLIANCES,TEMPERATUREANDEVERYDAYLIFETEMPERATURECONTROLCIRCUITISWIDELYUSEDINEVERYFIELDOFTHESOCIETY,SOTHETEMPERATURECONTROLISVERYNECESSARYANDMEANINGFULTHISDESIGNUSESTHESINGLECHIPMICROCOMPUTERASTHEDATAPROCESSINGANDTHECONTROLUNIT,THETHERMOCOUPLESUSEDASMEASURINGELEMENT,WITHSOLIDSTATERELAYASTHEOUTPUTCONTROLELEMENTSTOACHIEVEHEATTREATMENTFURNACETEMPERATUREAUTOMATICCONTROLSINGLECHIPMICROCOMPUTERCONTROLTHERMOCOUPLETEMPERATURESENSORTYPEK,THETEMPERATURESIGNALTHROUGHTHEA/DCONVERTERCOLLECTIONTOTHESINGLECHIPMICROCOMPUTERTHESINGLECHIPMICROCOMPUTERDATAPROCESSING,PIDOPERATION,ACONTROLINFORMATIONCHANGEEXECUTIVEMODULESTATE,ATTHESAMETIMEUSETHELEDDISPLAYTHEDISPLAYVALUE,SETTINGPVSV3THISDESIGNTHROUGHTHE4BUTTONSFORHUMANCOMPUTERINTERACTIONANDLEDDISPLAY,ANDHEATTREATMENTFURNACETEMPERATUREREMAINSINREQUIREMENTSRANGEKEYWORDSTHERESISTANCEFURNACETEMPERATURESCMPIDCONTROL目录摘要IABSTRACTII目录1第1章绪论1第2章热处理炉热度控制系统硬件221系统设计方案的论证与比较222最小系统结构框图423热度采集与传感器5231热电偶热度信号的线性化7232A/D转换电路8233控制器控制流程9第3章单片机1031单片机的主控单元1032复位电路12321时钟电路1333人机交互电路14331按键14332显示电路1534串口通信1835报警单元19第4章软件设计与PID控制2241设计思路2242PID控制基本特性23421模糊控制23422模糊控制与PID的结合2443PID控制工作流程2444程序设计27441采样程序27442显示子程序28443按键子程序29444PID控制子程序30结论33参考文献34致谢35附录1原理图36附录2程序37第1章绪论随着社会的发展，科技的进步，以及测热仪器在各个领域的应用，智能化已是现代热度控制系统发展的主流方向。特别是近年来，热度控制系统已应用到人们生活的各个方面，是与人们息息相关的一个实际问题。针对这种实际情况，设计一个热度控制系统，具有广泛的应用前景与实际意义。热处理炉是利用电流通过热处理体产生的热量来加热或熔化物料的一类电炉。它的特点电路简单；对炉料种类的限制少；（小型热处理炉可以加热食品、干燥木材等）；炉热控制精度高；容易实现在真空或控制气氛中加热等特点。它适用于机械零件的淬火、回火、退火、渗碳、氮化等热处理；各种材料的加热、干燥、烧结、钎焊、熔化等。热处理炉的主要参数有额定电压、额定功率、额定热度、工作空间尺寸。热处理炉按炉热不同可以分为低热热处理炉600700以下、中热热处理炉7001200、高热热处理炉1200以上。热处理炉被广泛应用在冶金、机械、石油化工、电力等工业生产中，在很多生产过程中，热度的测量和控制与生产安全、生产效率、产品质量、能源节约等重大技术经济指标紧紧相连。因此各个领域对热处理炉热度控制的稳定性、可靠性、精度等要求也越来越高，热度测量控制技术也成为现代科技发展中的一项重要技术。热度控制技术的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。PID控制热度的效果主要取决于P、I、D三个参数4。PID控制大滞后、大惯性、时变热度系统时，其控制质量难以保证。热处理炉是由热处理丝加热升热，靠自然冷却降热，PID控制对小型热处理炉的热度控制效果良好。本文以热处理炉为控制对象，以模糊PID为硬件核心，利用单片机使热处理炉的热度维持在一个稳定的范围。第2章热处理炉热度控制系统硬件21系统设计方案的论证与比较根据题目要求，热度控制器是由核心处理模块、热度采集模块、键盘显示模块、及控制执行模块等组成，所以本设计要考虑这些模块器件的选型以及所设计出来的热度控制器的可行性，其主要有以下几种设计方案。方案一经典控制方案经典控制方案可分为数字控制器的间接设计方案和数字控制器的直接设计方案。数字控制器的间接设计方案是一种根据模拟设计方案转换而来的设计方案。传统模拟系统中的控制器设计己有一套成熟的方法，其中以PID控制器为代表。PID控制器具有原理简单、易于实现、适用范围广等优点。将模拟控制器转换成数字控制器是用离散时近似方法将一连续时间系统的控制规律离散为数字控制器的控制规律，其中为确保数字控制器与模拟控制器的近似，要适当选择采样周期，这种方案可行但太过于简单。方案二采用比较流行的AT89C51作为电路的控制核心,AT89C51是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器8。数据的采集部分采用K型热电偶传感器，数据转换部分采用ADC0832，它改变传统热度测试方法,能在现场采集热度数据,并直接将热度物理量变换为数字信号传送到计算机进行数据处理,测试热度范围为2701300。可应用于各种领域、各种环境的自动化测试和控制系统,使用方便灵活,测试精度高,优于任何传统的热度数字化、自动化测控设备。控制电路部分采用固态继电器以实行对被控热度的控制,此方案电路简单并且可以满足一般的控制要求。方案三采用PLC作为控制电路的核心，以状态空间法为基础来分析和设计控制系统。状态空间法本质上是一种时域的方法，它不仅描述了系统的外部特性，而且描述和提示了系统的内部状态和性能。基于现代控制理论的设计方案是建立在对系统内部模型的描述之上的。它是通过数学方法对控制系统进行分析综合。控制规律的确定是通过极小化预先确定的性能指标函数或使控制系统满足希望的回应而推导出来的。此类设计方案主要有系统辨识、最优控制、自校正控制等。这类设计方案适用范围广，适合于多输入多输出系统、某些非线性时变系统和一些具有随机扰动的系统。该方法理论严谨，控制系统的稳定性问题可以严格证明，性能指标能定量分析，得到的控制质量较好。但这类方法需要知道精确的被控对象的数学模型形式但这种方法设计起来比较昂贵，不是学生可以承受的。综上分析,我们采用方案二。系统由单片机AT89C52、热度检测电路、键盘显示、显示电路、热度控制电路等部分组成。在系统中，热度这一物理参数变化缓慢，大惯性和大滞后的特点，本论文考虑采用模糊控制与PID控制相结合的参数模糊自整定PID控制方法。本文首先介绍常规PID控制，模糊控制和自适应模糊PID控制的基础，然后对热处理炉热度这一控制对象利用热电偶测得热处理炉实际热度并转换成毫伏级电压信号。该电压信号经过热度检测电路转换成与炉热相对应的数字信号进入单片机，单片机进行数据处理后，通过液晶显示器显示热度，同时将热度与设定热度比较，根据设定计算出控制量，根据控制量通过控制继电器的导通和关闭从而控制热处理丝的导通时间，以实现对炉热的控制。系统设计总体框图如下图21所示图21控制器设计总体框图在本系统的电路由四部分组成1控制部分主芯片采用单片机AT89C52；2显示部分采用4位LED数码管实现热度显示；3热度采集部分采用K型热电偶传感器；4热度控制部分采用固态继电器。根据热度变化慢，并且控制精度不易掌握的特点，我们设计了以AT89C52单片机为检测控制中心，将热度控制在设定的范围之内。其主要的控制原理为对被控对象的热度进行实时采集，其主要是通过热电偶传感器将热度转变成模拟电信号，并由A/D转换器ADC0832将所得的模拟量转变成数字量送入单片机中。单片机将传感器所采集到的热度和事先设定的热度进行对比，当小于设定值时将发出信号启动加热装置；当大于设定值时将关闭加热装置，从而使得被控热度控制在一定的范围之内，达到实时控制的功能。整个控制器主要有以下功能1被控热度可以根据实际的需要设定；2实时显示当前热度值；3按键控制A、设置复位键、加一键、减一键、确定键；B、修改P、I、D系数；4越限报警。22最小系统结构框图本系统以STC89C52单片机为核心，本系统选用12MHZ的晶振，使得单片机有合理的运行速度,复位电路为按键高电平复位7。STC89C52单片机最小系统电路设计如图22所示图22STC89C52单片机最小系统23热度采集与传感器图23热电偶传感器热度检测是本次设计前向通道的重要组成部分，它的精确程度将直接影响到控制效果。因此，我们首先要选择合适的测热元件，对热度进行准确的测量。热电偶的冷锻热度补偿有四种方法补偿导线法；冷端补偿法；计算修正法；电桥补偿法。补偿导线法图24补偿导线法的连接图冷端补偿法（1）将热电偶的冷端置于放有冰水混合物的冰瓶中，使冷端热度保持0不变的方法称为冰浴法。采用这种方法可以消除冷端热度T0不等于0而引起的误差。由于冰融化比较快，因而一般只适合在实验室中使用。（2）将热电偶的冷端置于电热恒热器中，恒热器的热度要略高于环境热度的上限。（3）将热电偶的冷端置于恒热的空调房间中，使冷端热度保持恒定。计算修正法当热电偶的冷端热度T00C时，由于热端与冷端的热差随冷端的变化而变化，所以测得的热电势EAB（T，T0）与冷端为0C时所测得的热电势EAB（T，0C）不等。若冷端热度高于0C，则EAB（T，T0）INCLUDEINCLUDEINCLUDESTRUCTPIDUNSIGNEDINTSETPOINT/设定目标DESIREDVALUEUNSIGNEDINTPROPORTION/比例常数PROPORTIONALCONSTUNSIGNEDINTINTEGRAL/积分常数INTEGRALCONSTUNSIGNEDINTDERIVATIVE/微分常数DERIVATIVECONSTUNSIGNEDINTLASTERROR/ERROR1UNSIGNEDINTPREVERROR/ERROR2UNSIGNEDINTSUMERROR/SUMSOFERRORSSTRUCTPIDSPID/PIDCONTROLSTRUCTUREUNSIGNEDINTROUT/PIDRESPONSEOUTPUTUNSIGNEDINTRIN/PIDFEEDBACKINPUTSBITDATA1P10SBITCLKP11SBITPLUSP20SBITSUBSP21SBITSTOPP22SBITOUTPUTP34SBITDQP33UNSIGNEDCHARFLAG,FLAG_10UNSIGNEDCHARHIGH_TIME,LOW_TIME,COUNT0/占空比调节参数UNSIGNEDCHARSET_TEMPER35UNSIGNEDCHARTEMPERUNSIGNEDCHARIUNSIGNEDCHARJ0UNSIGNEDINTS/延时子程序,延时时间以12M晶振为准,延时时间为30USTIME/VOIDDELAYUNSIGNEDCHARTIMEUNSIGNEDCHARM,NFORN0NI/移位操作，将本次要写的位移到最低位/TEMPTEMPWRITE_BITTEMP/向总线写该位/DELAY7/延时120US后/TR01EA1/读一位数据子程序/UNSIGNEDCHARREAD_BITUNSIGNEDCHARI,VALUE_BITEA0DQ0/拉低DQ，开始读时序/_NOP_NOP_DQ1/释放总线/FORI0I4TEMPERI|J/获取的热度放在TEMPER中/INITIALIZEPIDSTRUCTURE/VOIDPIDINITSTRUCTPIDPPMEMSETPP,0,SIZEOFSTRUCTPID/PID计算部分/UNSIGNEDINTPIDCALCSTRUCTPIDPP,UNSIGNEDINTNEXTPOINTUNSIGNEDINTDERROR,ERRORERRORPPSETPOINTNEXTPOINT/偏差PPSUMERRORERROR/积分DERRORPPLASTERRORPPPREVERROR/当前微分PPPREVERRORPPLASTERRORPPLASTERRORERRORRETURNPPPROPORTIONERROR/比例项PPINTEGRALPPSUMEROR/积分项PPDERIVATIVEDERROR/微分项/热度比较处理子程序/COMPARE_TEMPERUNSIGNEDCHARIIFSET_TEMPERTEMPERIFSET_TEMPERTEMPER1HIGH_TIME100LOW_TIME0ELSEFORI0I0HIGH_TIME0LOW_TIME100ELSEFORI0I