课程设计（论文）-烤箱连续温度控制系统.doc

目 录 烤箱连续温度控制系统 1 1 设计概述.1 1.1 任务分析.1 1.2 整体方案.2 2.1 系统硬件设计.3 2.1.1 8155 接口电路3 2.1.2 a/d 转换电路.4 2.1.3 温度检测.5 2.1.4 电阻炉.5 2.1.5 电力电子装置.6 2.2 系统软件设计.7 2.2.1 主程序 8 2.2.2 t0 中断服务程序8 3 控制过程说明.9 3.1 环节分析.9 3.2 调节规律.9 3.3 干扰分析11 3.4 pid控制matlab仿真及参数整定 .11 参考文献 .14 1 烤箱连续温度控制系统 摘 要 自动控制系统在各个领域尤其是工业领域中有着及其广泛的应用，温度控制是控制 系统中最为常见的控制类型之一。随着电力电子和单片机技术的飞速发展，通过芯片对 被控对象进行控制日益成为今后自动控制领域的一个重要发展方向。随着国民经济的发 展，人们需要对各种加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中温度进行监测和控制。采用单 片机来对他们控制不仅具有控制方便，简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被 控温度的技术指标，从而能够大大的提高产品的质量和数量。 传统的温度采集方法不仅费时费力，而且精度差，单片机的出现使得温度的采集和 数据处理问题能够得到很好的解决。温度是工业对象中的一个重要的被控参数。然而所 采用的测温元件和测量方法也不相同；产品的工艺不同，控制温度的精度也不相同。因 此对数据采集的精度和采用的控制方法也不相同。传统的控制方式以不能满足高精度， 高速度的控制要求。 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。本系统所使用的加热器件是 电炉丝，功率为三千瓦，要求温度在 4001000。静态控制精度可以达到 2.43。 本设计主要有四部分组成：（1）单片机控制器设计；（2）电力电子控制装置； （3）温度检测变送部分 1 设计概述设计概述 1.1 任务分析 电烤箱是一种应用广泛的食品加工设备 .电烤箱本身是个热容系统 ,具有大纯滞后和 大惯性 ;由于家用烤箱的外壳很薄 ,封闭性不好 ,与环境温差越大散热越快 ,具有非线性 ; 同时对象的参数还受箱内食品种类和数量的影响。 2 电阻炉是利用电流通过电热体元件将电能转化为热能来加热或者熔化工件和物料的 热加工设备。 电阻炉由炉体、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，虽炉种的不同而已。系统结构采用 如下图所示。 给定温度控制器电气执行装置电炉 温度检测变送器 图 1 系统结构框图 如图 1 所示，该系统为单闭环控制系统。系统由控制器，执行器，被控对象，检测 变送装置构成。其中温度控制器及比较环节可以由单片机构成；电炉温度主要是由其电 流来决定，因此可以利用电力电子装置组成电流可控的执行装置；检测变送器则可以用 热电偶及相关信号处理电路来构成。对于该系统而言，冷工件进入电炉加热时对电炉温 度造成的影响是系统的主要干扰因素。 1.2 整体方案 由单片机完成温度测量、控制，显示等功能。用温度传感器测量温度值，其选用 ad590,经过运算放大器组成的信号调理电路变成 05v 电压信号，由 a/d 转换器转换为 数字信号，送入单片机。单片机的数字信号经过 d/a 转换器转换成模拟量，由运算放大 器电路变成 05v 电压信号，控制固态继电器的导通角，进而控制被控对象的输出功率。 由单片机完成温度测量、控制，显示等功能。用温度传感器测量温度值，其选用标准 铂电阻 pt100,经过运算放大器组成的信号调理电路变成 05v 电压信号，由 a/d 转换器 3 转换为数字信号，送入单片机。单片机的数字信号经过 d/a 转换器转换成模拟量，由运 算放大器电路变成 05v 电压信号，控制固态继电器的导通角，进而控制被控对象的输 出功率。2 设计实现 2 系统硬件设计系统硬件设计 电烤箱温度控制系统是以 ms-5l 单片机为控制核心，辅以采样反馈电路，驱动电路， 晶闸管主电路对电炉炉温进行控制的微机控制系统。其系统结构框图可表示为:系统采用 单闭环形式，其基本控制原理为:将温度设定值(即输入控制量)和温度反馈值同时送入控制 电路部分，然后经过调节器运算得到输出控制量，输出控制量控制驱动电路得到控制电 压施加到被控对象上，电炉因此达到一定的温度。 图 2 控制电路的设计 2.1 8155 接口电路 8155 芯片内具有 256 个字节的 ram，两个 8 位、一个 16 位的可编程 i/o 口和一个 14 位计数器。它与 51 型单片机接口简单，是单片机应用系统中广泛使用的芯片。 给定值 8051 控制电 路 驱动电 路 电 路 晶闸管 主电路 控制 对象 输出 温度 采样电路 4 图 4 带有 i/o 接口和计时器的静态 ram8155 8155 用作键盘/led 显示器接口电路，当 io/为高电平时，8155 选通片内的 i/o 端m 口。a,b,c 三个口可以作为扩展的 i/o 口使用，mcs51 单片机的 po 口与 8155 的 ad0ad7 相连。 此时 p0 输出的低 8 位地址只有 3 位有效，用于片内选址，其他位无用。使用 a,b,c 三个口时，首先向命令寄存器写入一个控制字以确定三个口的工作方式。如果写入的控 制字规定他们工作于方式或方式下，则这三个口都是独立的基本 i/o 口。可以直接利 用 movx a,dptr 或 movx dptr,a 指令完成这三个口的读/写（输入/输出）操作。 工作在方式或方式时，c 口用作控制口或部分用于控制。 mcs51 单片机可以和 8155 直接连接，不需要任何外加电路，给系统增加了 256 个 字节的 ram、22 位 i/o 线及一个计数器。当 p2.00 且 p2.1=0 时，选中 8155 的 ram 工作；在 p2.0=1 和 p20=0 时，8155 选中片内三个 i/o 端口。相应地址分配为： 0000h-00ffh 8155 内部 ram 0100h 命令/状态口 0101h a 口 0102h b 口 0103h c 口 0104h 定时器低八位口 0105h 定时器高八位口 5 2.2 a/d 转换电路 图 5 a/d 转换电路图 adc0809 的 in0 和变送器输出端相连，故 in0 上输入的 0v-+5v 范围的模拟电压经 a/d 转换后可由 8051 通过程序从 p0 口输入到它的内部 ram 单元。首先输入地址选择信 号，在 ale 信号作用下，地址信号被锁存，产生译码信号，选中一路模拟量输入。然后 输入启动转换控制信号 start 启动转换。转换结束，数据送三态缓冲锁存器，同时发出 eoc 信号。在允许输入信号 oe 的控制下，再将转换结果输入到外部数据总线。 2.3 温度检测 6 图 6 温度检测电路 温度的检测通常用两种方法：热电阻和热电偶。热电阻一般用于温度低一些的地方， 而热电偶则用于温度比较高的地方。这里是要检测电炉的温度，因此选择使用热电偶。 对于 01000的温度,可以使用镍铬热电偶，分度号为 eu，其输出信号为 041.32 ma，经毫伏变送器,输出 010ma，然后再经过电流电压变换电路转换为 05v。为了提 高控制精度，可将变送器进行零点迁移，例如温度测量范围改为 4001000热电偶给出 16.441.32 ma 时，使变送器输出 010mv，这样使用 8 位 a/d 转换器，能使量化误差 达到2.34。为了消除误差,还必须考虑进行冷端温度补偿。具体电路如图 5 所示。 2.4 电阻炉 电阻炉即为该系统的被控对象。其工作原理是将电能转化为电阻炉的热能。根据焦 耳定律可知： 2 qi rt 其中 i 为流过电热丝的电流，r 为电热丝电阻，t 为工作时间。 很明显改变电流就可以调节电阻炉的发热功率，而且电阻炉属于纯电阻负载，要改 变其电流，只需要改变它的工作电压就行了。 另外，电阻炉通常会给系统带来很大的纯滞后时间，致使系统开环相频特性相角滞 后过大，造成闭环系统稳定性下降。为了解决这一问题，通常可以采用采样控制的方式。 让控制系以一定的时间间隔采样一次被控参数，与设定值进行比较后，经控制运算输 出控制信号，然后保持该控制信号不变，保持时间必须大于纯滞后时间。 0 7 图 7 采样控制过程结构图 2.5 电力电子装置 电力电子装置作为该系统的执行器，由电阻炉工作原理的分析可知，它的任务是改 变供给电阻炉的电压。这里使用的是交流调功电路的方式。 利用过零型双向晶闸管的触发特性，只有当其两端电压过零时控制端上施加触发信 号，它才导通；一旦导通，只有再次过零时才被关断，针对这一特点，本系统采取了控 制在 m 个电网周期内晶闸管导通的周期数 m（0mm）的方法来控制输出平均电压。 为简单起见，可以使控制运算说的控制量 u 和实际导通周期 m 直接对应。 同步检测电路检出电网电压信号的过零点，形成过零同步信号，并接到 cpu 的中断 请求输入端，以提供触发参考点和控制周期 m 的计数信号。需要注意的是，同步检测电 路和电阻炉加热回路的电源必须是同相的，以保证触发信号的同步。 、 图 8 过零型双向晶闸管的触发特性 驱动电路设计 为保证驱动电路可靠工作，其驱动电路应满足如下要求： 1）动态驱动能力强，能提供驱动脉冲，使加热电路迅速导通。 2）能提供适当的正向偏压和足够的反向偏压，使加热电路可靠的开通和关断。 3)有足够的输入输出电气隔离能力，使信号电路与栅极驱动电路隔离，且具有灵敏 的短路、过流保护功能。 所设计的驱动电路如图 9 所示。 8 opt oiso1 q1 q2 r1 r2 r4 r5 r6 r3 +5v out g1 e -10v gnd +15v 图 9 驱动电路工作原理电路 q1，q2 组成功率放大电路，out1、out3 来自控制电路。该驱动电路能安全接受 输入信号，在接到正确的控制信号后对加热电路进行驱动，加热电路开始工作，对外部 进行加热，最大功率可达到 2000w。从而实现电烤箱的加热过程。 9 3 系统软件设计系统软件设计 3.1 主程序 图 10 主程序流程图 应当注意：由于 t0 被设定为计数器方式 2，初值为 06h，故它的溢出中断时间为 250 个过零同步脉冲。为了系统正常工作，t1 中断服务程序的执行时间必须满足 t0 的制一时 间要求，因为 t1 的中断是嵌套在 t0 中断之中的。 3.2 t0 中断服务程序 t0 中断服务程序是温度控制系统的主程序，用于启动 a/d 转换器，读如数据采样， 数字滤波，越权温度报警和处理，pid 计算和输出可控硅的同步触发脉冲等。p1.3 引脚上 输出的该同步脉冲宽度由 t1 计数器的溢出中断控制，8051 利用等待 t1 溢出中断空隙时 间完成把本次采样数值转换成显示值而放入显示缓冲区和调用温度显示程序，8051 从 t1 中断服务程序返回后便可以恢复现场和返回主程序，以等待下次 t0 中断。 10 4 控制过程说明控制过程说明 4.1 环节分析 以热电偶为主要组成的温度检测变送环节，主要是用来检测电阻炉的炉温，并以电 信号的形式反馈给系统，使系统构成闭环。根据热电偶的工作原理，电阻炉炉温越高， 其导体两端的电压差就越大，最后反馈给系统的电压信号也越大。因此温度检测变送器 属于正作用。 从电阻炉工作原理的分析可知，提供给电阻炉的平均工作电压越高，其平均电流就 越大，根据焦耳定律，它的发热功率就越大。因此被控对象电阻炉也属于正作用。 作为执行器的电力电子装置是一种交流调功电路，它的输出主要是由触发信号来控 制的。而触发信号是由控制器的输出信号经过处理放大后形成的，即输入越大，输出也 越大。所以执行器也是正作用。 本系统的控制器是用单片机构成的数字调节器，比较环节也有单片机来完成。调节 器的输出决定于被控参数的测量值与设定值之差，被控参数的测量值与设定值变化，对 输出的作用方向是相反的。为了使本系统构成闭环负反馈，应该选择为反作用，即随着 测量值的增加，调节器的输出要随之减小；反之当测量值减小时，调节器的输出要增大。 4.2 调节规律 这里使用的是经典控制中最常用的 pid 调节方式。另外由于采用数字控制器，因此 必须使用离散的 pid 控制算法。 pid 控制器是指按偏差的比例（p） 、积分（i）和微分（d）进行控制的 pid 控制器 （亦称 pid 调节器）是应用最为广泛的一种自动控制器。它具有原理简单，易于实现， 适用面广，控制参数相互独立，参数的选定比较简单等优点；而且在理论上可以证明， 对于过程控制的典型对象“一阶滞后纯滞后”与“二阶滞后纯滞后”的控制对象，pid 控制器是一种最优控制。pid 调节规律是连续系统动态品质校正的一种有效方法，它的参 11 数整定方式简便，结构改变灵活（pi、pd） 。 数字 pid 控制器的原理是将 pid 参量离散化。 在工业上，偏差控制又称为 pid 控制，这是工业控制中常用的控制形式，一般能收 到令人满意的效果。 pid 控制上目前包含三种比较简单的 pid 控制算法，分别是：增量式算法，位置式算 法，微分先行。 这三种 pid 算法虽然简单，但各有特点，基本上能满足一般控制的大多 数要求。本设计中草用的是增量式 pid 算法。 控制论告诉我们，pid 控制的理想方程是： （1.1） 1 1 () pd de ukeedtt tdt 式中 e 测量值与给定值之间的偏差; td 微分时间: t - 积分时间; kp 调节器的放大系数. 将上式离散化得到数字pid位置式算法，在位置式算法的基础之上得到数字pid增量 式算法： （1.2） 11012 101 ()(2) () n pnnnnnn pnnnn u keek ek eee kek ekee 比例系数加大，使系统的动作灵敏，速度加快，稳态误差减小。kp 偏大，振荡次数 加多，调节时间加长。kp 太大时，系统会趋于不稳定。kp 太小，又会使系统的动作缓慢。 kp 可以选负数，这主要是由执行机构、传感器以控制对象的特性决定的。如果 kp 的符 号选择不当对象状态就会离控制目标的状态越来越远，如果出现这样的情况 kp 的符号就 一定要取反。 积分作用使系统的稳定性下降，ti 小（积分作用强）会使系统不稳定，但能消除稳 态误差，提高系统的控制精度。 微分作用可以改善动态特性，td 偏大时，超调量较大，调节时间较短。td 偏小时， 超调量也较大，调节时间也较长。只有 td 合适，才能使超调量较小，减短调节时间。 12 4.3 干扰分析 在实际的工业生产过程之中都要求系统能够稳定的工作。但是由于各种原因，往往 会出现一些不可预料的干扰因素破坏系统原先设计好的运行状态，这就要求系统本身要 有一定得抗干扰能力，能够在收到干扰的情况下自动恢复原来的工作状态。 如图 1 所示，冷工件进入电炉加热时对电炉温度造成的影响是系统的主要干扰因素。 工件加热的过程本身也并非是一个温度线性上升的过程。当工件刚进入炉中时，会导致 检测到的温度陡然降低很多。此时温度检测变送装置将温度信号反馈回去，与给定值进 行比较，会发现偏差的陡然增大，于是控制器输出也增大。电力电子装置输出增大，电 阻炉的加热功率也就随之增大，使得炉内温度能够尽快回到稳定值。另外，若是由于电 网波动原因，令电阻炉在每一时段内输出偏高，而造成炉温过高，经检测变送装置也会 回馈到控制器上，控制器输出会随之减小，从而使输出减小，电阻炉发热功率也减小， 最终使炉内恢复正常。 本系统属于单闭环控制系统。同开环控制系统相比，闭环控制具有一系列优点。在 反馈控制系统中，不管出于什么原因（外部扰动或系统内部变化） ，只要被控制量偏离规 定值，就会产生相应的控制作用去消除偏差。因此，它本身就具有抑制干扰的能力，对 元件特性变化不敏感，并能改善系统的响应特性。因此闭环控制系统也是工业上应用得 最多的一种控制结构。 当然对于一些特殊的场合简单的 pid 控制规律和单闭环结构可能也满足不了要求， 这就要求使用更为复杂的控制规律和系统结构。 4.4 pid 控制 matlab 仿真及参数整定 因为是使用 matlab 对参数进行确定，所以可以选择稳定边界法（临界比例度法） ，选 择的模拟控制模型如图中所示，即用一个一阶环节和一个纯比例滞后来模拟。纯滞后时 间为 4（若选择大于一阶环节时间常数的纯滞后时间常数则必须采用串级、前馈控制） 。 根据纯比例控制系统临界振荡试验所得数据（临界比例度 pm和振荡周期 tm） ，按经 验公式求出调节器的整定参数。 13 图 11 电烤箱仿真原理图 首先，置调节器 ti ， td=0，比例度 p 较大值，将系统投入运行；再逐渐减小 p ，加干扰观察，直到出现等幅减振荡为止。记录此时的临界值 pm=1.31 和 tm=12。 按照稳定边界法整定参数计算表，得 pid 控制器的各参数 p=1.36 ti=6 td=1.5 图 12 系统临界振荡时输出波形 图 13 参数整定后 pid 控制输出波形 14 总结体会 本设计使用无