（机械工程专业论文）箱式电热炉温度控制系统的研究.pdf

t h er e s e a r c ho fe l e c t r i cb o xf u r n a c et e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s r e m b y c h e n y u d o n g b e ( h u n a ni n s t i t u t eo fe n g i n e e r i n g ) 2 0 0 5 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no f t h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a n u n i v e r s i t y s u p e r v i s o r v i c ep r of es s o rc h e n g f a n g z u s e n i o re n g i n e e rd e n gj u f a o c t o b e r ，2 0 1 0 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者躲甲。坊、 帆m 护年f 蝴2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 。 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者繇嫉 嗍扣。年嘲上日 翩豳铽磅耙- 伴、眺加月彦日 工程硕上学位论文 摘要 温度是日常生活和生产中一个十分重要的过程变量。箱式电热炉是金属热处 理中应用广泛的一种周期性热处理炉，其测温、控温系统对于保证工件的热处理 质量具有重要的作用。箱式电热炉温度的高低对零部件的质量有较大的影响，温 度自动控制系统的性能，将直接影响到产品的合格率、公司的生产效率以及节能 效果。因此为该类型的箱式电热炉开发出一种合理的温度控制系统对公司的生产 有着十分重要的意义。 本论文以零部件车间的箱式电加热炉为研究对象，针对电加热炉存在的炉温 控制不准，废品率高等缺点，主要进行了以下几方面的研究： 1 设计开发了基于p c 机的箱式电加热炉温度控制和校验装置，通过键盘输 入所要达到的温度，p c 机可以对一台电加热炉的温度在1 4 0 0 之内自由控制， 设计了检测与变送电路、温度控制电路和温度控制的输出通道。 2 建立了在温度控制系统中合适的p i d 调节数学模型，编写了温度控制和校 验环节中需要的程序，包含有主程序、数字滤波程序、检验程序等，并开发出了 实用的人机对话界面。 3 在改造前后的箱式电热炉中进行了某轴类零件的正火热处理实验，实验结 果表明，温度控制精度、产品合格率得到较大提高，且降低了劳动力成本。验证 了该温度控制系统是切实可行的。 关键词：温度控制；箱式电热炉；p i d 调节；人机界面 a b s t r a c t t e m p e r a t u r ei so n eo f t h em o s ti m p o r t a n tp r o c e s sv a r i a b l e si nd a i l yl i f e e l e c t r i c b o xf u r n a c ei sab r o a d l ya p p l i e dc y c l i ch e a tt r e a t m e n tf u r n a c ei nm e t a lh e a t t r e a t m e n t w h i c ht e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t s y s t e ma n dt e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e ma r ev e r v i m p o r t a n tt ot h eh e a tt r e a t m e n tq u a l i t yo ft h ew o r kp i e c e t h et e m p e r a t u r eo fe l e c t r i c b o xf u r n a c ei n f l u e n c e st h eq u a l i t yo ft h es p a r ep a r t s ，t h e p e r f o r m a n c eo fa u t o m a t i c t e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e mi n f l u e n c e st h ep a s s i n gr a t eo ft h ep r o d u c t ，t h ep r o d u c t i o n e f f i c i e n c yo ft h ec o m p a n y , a n dt h ee n e r g ys a v i n g s ot h ed e v e l o p m e n to fap r o p e r t e m p e r a t u r ec o n t r ols y s t e mf o rt h i st y p eo fe l e c t r i cb o xf u r n a c ei s v e r yi m p o r t a n tt o t h ep r o d u c t i o no ft h ec o m p a n y t h i sp a p e rf o c u s e so nt h ee l e c t r i cb o xf u r n a c ei nt h e s p a r ep a r t sw o r k s h o p c o n c e r n i n gt h et e m p e r a t u r ec o n t r o li n a c c u r a c ya n dt h eh i g hr e j e c t i o nr a t e so ft h e e l e c t r i cf u r n a c e ，t h ep a p e rr e s e a r c h e si nt h ef o l l o w i n ga s p e c t s 1 d e s i g n e da n dd e v e l o p e dt h et e m p e r a t u r ec o n t r o la n dc a l i b r a t i o nd e v i c ef o rt h e e l e c t r i cb o xf u r n a c e ，w h i c hi sb a s e do nt h ep c b yi n p u t t i n gt h et e m p e r a t u r en e e d e d t h ep cc a nc o n t r o lt h et e m p e r a t u r eo ft h ee l e c t r i cb o xf u r n a c ew i t h i n 14 0 0d e g r e e s a n dd e s i g n e dt h ed e t e c t i o na n dt r a n s m i s s i o nc i r c u i t ，t e m p e r a t u r ec o n t r o lc i r c u i ta n d t e m p e r a t u r e - c o n t r o l l e do u t p u tc h a n n e l s 2 s e tu pt h ep r o p e rp i dr e g u l a t o rm o d e li n t h et e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e m e d i t e dt h ep r o g r a m sn e e d e di nt h et e m p e r a t u r ec o n t r o la n dc a l i b r a t i o np r o c e s s w h i c h i n c l u d i n gm a i np r o g r a m ，d i g i t a lf i l t e r i n g p r o c e s s ，i n s p e c t i o np r o c e d u r e sa n de t c p r a c t i c a li n t e r a c t i v ei n t e r f a c ew a sa l s ob e e n d e v e l o p e d 3 n o r m a l i z i n gh e a tt r e a t m e n te x p e r i m e n to fas h a f tp a r tw a so p e r a t e db e f o r ea n d a f t e rt h et r a n s f o r m a t i o no ft h ee l e c t r i cb o xf u r n a c e t h e e x p e r i m e n ts h o w st h a t t e m p e r a t u r ec o n t r o l sa c c u r a c y ，p a s s i n gr a t ei m p r o v e m e n ta n dl a b o u rc o s tr e d u c t i o n t h et e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e mw a st e s t e dt ob ep r a c t i c a l k e yw o r d s ：t e m p e r a t u r ec o n t r o l ；e l e c t r i cb o xf u r n a c e ；p i d ； h u m a n m a c h i n ei n t e r f a c e i i i 工程硕j ：学位论文 目录 学位论文原创性声明及学位论文版权使用授权书i 摘要i i a b s t r a c t i i i 插图索引v i 附表索引v i i 第1 章绪论1 1 1 课题的研究背景1 1 2 温度控制系统的发展概况1 1 2 1 温度控制系统的发展历程1 1 2 2 温度传感器的发展状况4 1 2 3 控制系统的发展趋势5 1 2 4 温度数据采集与监测技术的发展历程5 1 3 课题研究的内容和目的6 第2 章温度控制和检测的基本构成及数学模型8 2 1 温度控制的重要性8 2 2 微机测控系统的典型结构1 0 2 3 温度控制中热电偶的校验：10 2 4 温度控制和检测系统的原理- 1 2 2 5 电阻炉的数学模型及控制算法1 3 2 6 温度控制设计的要求1 5 2 7 小结15 第3 章温度控制硬件设计及选型1 7 3 1 微型计算机的选择1 7 3 2 热电偶18 3 3 检测与变送电路2 0 3 3 1 温度变送器的选择21 3 3 2 多路模拟开关c d 4 0 51 一2 3 3 3 3a d5 7 0a d 转换器2 4 3 3 4 可编程并行i o 接口芯片8 2 5 5 a 一2 6 3 4 温度控制系统的输出通道2 7 3 5 温度控制电路3 0 3 6 小结31 i v 箱式电热炉温度控制系统的研究 第4 章温度控制系统的软件设计与控制算法实现及校验系统设计3 2 4 1 软件总体设计3 2 4 2 主程序模块j 3 4 4 2 1 数字滤波3 6 4 2 2 数据采集程序3 8 4 2 3 标度变换程序一4 1 4 2 4p i d 运算程序4 4 4 3 校验程序4 6 4 4 人机对话界面的设计4 6 4 5 j 、结4 8 第5 章实验结果5 0 5 1 箱式电热炉改造前后基本状况5 0 5 2 箱式电热炉改造前后实验数据对比及结果5 1 5 3 小结5 2 结论与展望5 3 参考文献5 5 附录a 通讯协议5 8 致 射6 1 v 下程硕士学位论文 插图索引 图2 1 微机测控系统典型结构框图1 0 图2 2 系统原理框图1 2 图2 3 系统构成框图13 图2 4p i d 流程图15 图3 18 0 8 6 引脚图18 图3 2 输入通道构成框图2 0 图3 3 输入通道芯片连接图2 1 图3 4a d 6 9 3 内部结构图2 1 图3 5c d 4 0 51 内部结构图一2 3 图3 6c d 4 0 51 引脚图? 2 4 图3 7a d 5 7 0 引脚图2 5 图3 88 2 5 5 a 芯片引脚图2 6 图3 9 输出控制通道框图2 7 图3 1 0 输出通道芯片配接图2 8 图3 1 1d a c 0 8 3 2 原理框图2 9 图3 12d a c 0 8 3 2 引脚图2 9 图3 1 3 控制通道配接图3 0 图4 1 主程序流程图3 3 图4 2 数字滤波程序3 7 图4 3 数据采集程序流程图一4 0 图4 4 标度变换程序框图4 3 图4 5 校验子程序的流程图一4 6 图4 6 人机对话界面4 7 图4 7 通讯协议的流程图一4 8 图5 1 改造前图片5 1 图5 2 电热炉改造后图片5 1 v l 箱式电热炉温度控制系统的研究 附表索引 表2 1 温度控制的原因9 表2 2 常用热电偶校验允许偏差1 1 表3 1 工业热电偶分类及性能2 0 表3 2c d 4 0 5 1 通道选通表2 4 表5 1 轴类零件热处理数据统计表5 2 v i l 工程硕 学位论文 第1 章+ 绪论 1 1 课题的研究背景 箱式电热炉是金属热处理中应用广泛的一种周期性作业炉，其测温、控温系 统对于保证工件的热处理质量具有重要的作用。传统箱式电热炉存在的问题之一 是炉温均匀度差、控温精度低，造成产品质量问题。控温方式采用采用位式调节 的箱式热处理炉在教学实验、科学研究和零部件热处理中应用广泛，由于其温控 系统相对落后，常常导致温度控制不准确而实验数据的不准确货产品缺陷。因此， 针对位式调节的箱式电热炉的温度控制系统进行改造设计，对于提高温控精度、 保证产品质量具有十分重要的意义。 本课题是根据长丰汽车零部件制造车间原有的箱式电热炉存在的温度不准 确、废品率居高不下等原因来设计改造的。 1 2 温度控制系统的发展概况 1 2 1 温度控制系统的发展历程 温度控制，在工业自动化控制中占有非常重要的地位。在生产过程控制中采 用计算机的思想出现在上世纪5 0 年代中期。来自t r w 公司设计出一个采用 r w - 3 0 0 计算机控制的聚合装置系统来，计算机控制技术获得迅速的发展。2 0 世 纪8 0 年代以来，自动控制系统的被控对象更加复杂化，他不仅表现在多输入、多 输出的强耦合性、参数时变性和严重的非线性，更突出的是从系统对象所能获得 的数据量相对的减少，以及对控制性能要求的日益提高。随着多媒体计算机和人 工智能计算机的发展，应用自动化控制理论和智能控制技术来实现先进的计算机 控制系统，必将大大推动科学技术的进步和提高工业自动化系统的水平。温度控 制经历了以下一些阶段： ( 1 ) 继电器控制 传统的继电器调温电路简单实用瞳，引，通过继电器的通断来控制加热状态，但 由于继电器动作频繁，可能会因触点不良而影响正常工作。文献心1 提出改进的电 路，采用主回路无触点控制，克服继电器接触不良的缺点，且维修方便，其共同 的缺点是继电器只有“0 、“l 两种状态，所以超调较大，精度不高，温度控制 范围较小。 ( 2 ) p i d 控制 p i d 控制即比例、积分、微分控制。自19 世纪4 0 年代被提出以来，广泛应 箱式电热炉温度控制系统的研究 用在工业生产中，由于其结构和算法简单实用，在相当广泛的过程控制中可以达 到满意的控制效果。p i d 调节器有位置式和增量式两种控制算法，由于增量式实 时性和安全性都优于位置式，因而得到了广泛的应用。如p i d 温控系统将实时采 集的温度值与设定值比较，差值e 作为p i d 调节器的输入，p i d 算法根据比例、 积分、微分系数计算出合适的输出控制量，实现闭环控制，使控制过程连续，是 很常用的调节方法。p i d 控制算法中，三个组成部分控制作用特点如下： 1 ) 比例环节p 系统有误差e ，控制器立即就有控制作用，使被控对象朝着误差减小的方向 变化，控制作用的强弱取决于比例系数肠，加大肠可减少静差，但勋过大， 会导致系统超调增大，使系统的动态性能变坏。 2 ) 积分环节1 只要存在误差e ，就对误差进行积分，有利于消除系统的静差。但积分控制 作用具有滞后特性，积分系数鼢太大会使系统动态品质变差，以至于导致闭环系 统不稳定。 3 ) 微分环节d 通过对误差e 进行微分，便于对误差的变化趋势及早判断，增大微分系数k d ， 可以加快系统响应速度，使超调量减小。缺点是对系统干扰同样敏感，降低了系 统对干扰的抑制能力。 ( 3 ) 神经网络 神经网络作为当前重要的一种人工智能信息处理技术与方法，采用数理模型 的方法模拟生物神经细胞结构及其对信息的记忆和处理过程。神经网络的最小组 成功能单元称为神经元，由大量的神经元广泛连接形成各种复杂网络，其运算功 能由各种不同的算法实现，其中误差反向传播算法( 即b p 算法) 应用最为广泛。神 经网络以其高度的非线映射，自组织与自学习及联想记忆等功能，可对复杂的非 线性时变系统建模，通过训练方法实现神经网络的自学习过程，即根据事先定义 好的学习规则，按照提供的学习实例，调节网络系统各节点之间相互连接的权值 大小，从而达到记忆，联想，归纳等目的h 8 3 。 神经网络的缺点是算法较复杂，执行的是一个非线性梯度寻优过程，故收敛 较慢，且容易陷入局部极小点。 ( 4 ) 模糊控制 模糊控制是基于模糊逻辑描述过程的控制算法，主要依据操作人员的经验和 专家知识，适用于控制较难取得精确数学模型和数学模型不确定或经常变化的对 象。对被控对象参数的变化具有较强的鲁棒性，对于外界的干扰具有较强的抑制 能力等特点。模糊控制器的控制规则是基于手动控制策略，而手动控制策略又是 人们通过学习、试验及长期经验积累而逐渐形成的，存贮在操作者头脑的一种技 2 工程硕士学位论文 术知识集合。模糊控制一般是根据测量值与设定值的偏差和偏差变化率进行离线 制表、在线查表来取得控制输出量，从而达到控制对象的目的。模糊控制具有多 值逻辑模型，其输入、输出特性具有多值继电器特性，显然动静态控制性能要优 于继电器控制的二值继电器。同传统的p i d 控制相比，模糊控制响应快，超调量 小，参数变化不敏感，可有效克服温控系统的大滞后凹1 。遗传算法是一种模拟 生物进化机制的随即全局优化搜索方法，具有很强的全优化功能及鲁棒性。 ( 5 ) 自适应神经网络模糊推理系统 温控系统由于被控过程常常伴有严重的非线性时变性、大滞后以及大量现场 干扰，这使得基于精确数学模型的传统控制方案很难获得满意的动静态控制效果。 近些年来模糊逻辑控制在取得了巨大成功。但是，模糊控制所基于的专家经验不 易获得，并且模糊建模的主观性影响控制效果且影响相当大。因此应使模糊控制 向着自适应方向发展。自适应神经网络模糊推理系统提供了一种非常有效的途径， 利用神经网络的学习能力计算出隶属度函数的参数以及相应的模糊规则，以得到 所需模糊系统的核心一一模糊推理规则库，从而可以达到更高的控制精度，具有 极强的鲁棒性和自适应能力。通常采用三层前向模糊b p 神经网络，选择温度采 样误差值、误差积分以及变化率作为网络输入，用模糊控制理论赋予隐层含义， 确定神经元个数；用高斯函数作为节点激励函数，忽略远离中心的神经元输出， 计算隐层输出，通过给定的教师学习，以调整网络权值，使目标函数最小，由于 模糊隶属度函数参数具有明确的物理意义，因此就更容易找到一个较好的方法来 选择初始参数，从而大大加速了学习过程的收敛速度n 纠。 随着科学技术的进步，人们越来越多地利用计算机来实现控制系统，因此， 了解计算机控制系统是很有必要的。近几年来，计算机技术、自动控制技术、检 测和传感技术、c r t 显示技术、通信与网络技术、微电子技术的高速发展，给计 算机控制技术带来了巨大的变革。人们利用这种技术可以完成常规控制技术无法 完成的任务，达到常规控制技术无法达到的性能指标。随着计算机技术、高级控 制策略、现场总线智能仪表和网络技术的发展，计算机控制技术必将大大的提高。 随着生产过程自动化技术的发展，为了保证生产过程安全、可靠的运行，要 随时对生产过程中使用的仪表进行维护和校准。传统的将生产过程中使用的仪表 拿回实验室进行校准的方法己不能满足生产的要求，取而代之的是在现场直接对 仪表进行校准。根据这一趋势，国外许多著名的仪表生产厂商纷纷推出自己的现 场型过程仪表校验仪产品，如美国福禄克公司的f 7 1 0 系列，日本横河公司的c a l 0 系列等等。这类校验仪除功能和应用范围及精度要满足需求外，同时它还应具有 对温度、湿度变化及水溅和偶然跌落的环境适应能力。另外为了保证校验仪的精 度指标，它还应能方便的溯源到国家标准。 箱式电热炉温度控制系统的研究 在人类的生活环境中，温度扮演着极其重要的角色。无论你生活在哪里，从 事什么工作，无时无刻不在与温度打着交道。自1 8 世纪工业革命以来，工业发展 对是否能掌握温度有着绝对的联系。在冶金、钢铁、石化、水泥、玻璃、医药等 等行业，可以说几乎8 0 的工业部门都不得不考虑着温度的因素。 1 2 2 温度传感器的发展状况 ( 1 ) 温度传感器的主要发展阶段 1 ) 模拟集成温度传感器【l 引。该传感器是采用硅半导体集成工艺制成，因此 亦称硅传感器或单片集成温度传感器。此种传感器具有功能单一( 仅测量温度) 、 测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等，适合远距 离测量温度和控制温度，不需要进行非线性校准，外围电路简单。它是目前在国 内外应用最为普遍的一种集成传感器，典型产品有a d 5 9 0 、a d 5 9 2 、t m p l 7 、l m l 3 5 植 i 手o 2 ) 模拟集成温度控制器。模拟集成温度控制器主要包括温控开关、可编程温 度控制器，典型产品有l m 5 6 、a d 2 2 1 0 5 和m a x 6 5 0 9 。某些增强型集成温度控制 器( 例如t c 6 5 2 6 5 3 ) 中还包含了a d 转换器以及固化好的程序，这与智能温度传 感器有某些相似之处。但它自成系统，工作时并不受微处理器的控制，这是二者 的主要区别。 3 ) 智能温度传感器。智能温度传感器( 亦称数字温度传感器) 是在2 0 世纪9 0 年代中期问世的。它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术( a t e ) 的结晶【1 4 】。 智能温度传感器内部都包含温度传感器、a d 转换器、信号处理器、存储器( 或 寄存器) 和接口电路。有的产品还带多路选择器、中央控制器( c p u ) 、随机存取存 储器( r a m ) 和只读存储器( r o m ) 。智能温度传感器的特点是能输出温度数据及相 关的温度控制量，适配各种微控制器( m c u ) ；并且它是在硬件的基础上通过软件 来实现测试功能的，其智能化程度也取决于软件的开发水平。 ( 2 ) 温度传感器的发展趋势 进入2 1 世纪后，温度传感器正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性 及安全性、开发虚拟传感器和网络传感器、研制单片测温系统等高科技的方向迅 速发展。 传感器在温度测控系统中的应用。目前市场主要存在单点和多点两种温度测 量仪表。对于单点温测仪表，主要采用传统的模拟集成温度传感器，其中又以热 电阻、热电偶等传感器的测量精度高，测量范围大，而得到了普遍的应用。此种 产品测温范围大都在2 0 0 8 0 0 之间，分辨率1 2 位，最小分辨温度在0 0 0 1 o 0 1 之间。自带l e d 显示模块，显示4 位到l6 位不等。有的仪表还具有存储功能， 可存储几百到几千组数据。该类仪表可很好的满足单个用户单点测量的需要。多 4 工程硕士学位论文 点温度测量仪表，相对与单点的测量精度有一定的差距，虽然实现了多路温度的 测控，但价格昂贵。 1 2 3 控制系统的发展趋势 由于计算机技术、控制技术、网络技术和通信技术的迅猛发展，各种自动化 手段的发展与相互影响，呈现以下特点【l5 1 。 ( 1 ) 各种自动化手段之间界限越来越模糊 高校的专业合并与渗透，工业控制计算机系统、自动化、信息技术改造传统 产业、机电一体化、数控、先进制造技术、专业、学科之间的界限越来越模糊， 似乎也没有必要把它们分得很清楚，这是实际的需要，发展的需要，技术发展的 必然。 ( 2 ) 各种控制系统之间融合是大势所趋 在今后相当长的一段时间内，f c s 、i p c 、n c c n c 与d c s 、p l c 将会相互补 充、相互促进、彼此共存。p l c 、d c s 、n c c n c 、i p c 、f c s 等虽然设计的初衷 不一，各有特色，各有适宜的应用领域，自然也各有不适应的地方，但技术上都 知道学人之长，补己之短，p l c 、d c s 学习提高到已失去传统意义上的自己，可 以看出各种控制系统之间融合是大势所趋，不可阻挡。 ( 3 ) 渴望单一现场总线 现有f f 、p r o f i b u s 、w o r d f i p 等8 种现场总线为国际标准，据说最近将增加 到12 种，现场总线和以太网的捆绑、以网到底等。在这种发展态势下、各种现场 总线在技术上的争论反而少了，市场竞争依然激烈。科技部“十五攻关项目， 怕加入w t o 后，有不正当竞争之嫌疑减少到近百个，重大2 0 多个，重点7 0 多 个。模糊是哪种现场总线，主要是要很好构成完整系统，搞好应用。 对我国而言，在现有现场总线基础上，构成适合国情的、适合某些领域的系 统，搞好应用，提高经济效益是我国主要精力所在。 工业控制计算机的应用领域迅速扩大。过去工控机主要应用于过程控制，如 电、煤、化、油等连续化、流程化的生产过程；制造自动化，如机械、电子、汽 车等离散加工的生产过程；单机自动化，如数控机床、智能仪器仪表，机器人、 汽车电子化、变频调速电动机、电子化家用电器、医疗器械等产品机电一体化 等。今后，应特别关注工控机应用的新的增长点：环保、公用工程、道路与交通、 楼宇与社区、农业与农村、家庭等n 引。 1 2 4 温度数据采集与监测技术的发展历程 最早的也是最简单的实现对温度的监测是采用人工的方式，这种方式不仅效 率低，劳动时间长，而且会由于抽样的不具代表性使得监测结果失去原有的意义。 该方式还有一个弊端其应用场所有很大的局限性，例如，工作人员不可能直 箱式电热炉温度控制系统的研究 接测量地下电缆的表面温度；去提取存有炸药、鞭炮等危险品仓库温湿度数据的 工作人员还要承担一定的风险。 随着电子技术的出现与进步，科研人员开始采用温度与湿度传感器代替原始 的温度计与湿度计，开发了以单片机为核心的检测系统，并佐以接口芯片将结果 显示在l e d 数码显示管上，单片机可直接控制打印检测数据。这种方式在很大 程度上提高了工作效率，并扩展了应用范围。但其中所采用的温度、湿度传感器 直接输出为模拟电压信号，该信号在传输过程中易损耗，影响系统精度，且传输 距离较近，需要经过a d 转换芯片才能被单片机接收。每个测试点都需要各自独 立的信号线，为了实现多点监测不仅需要成百上千条信号线，还需要多路模拟转 换开关电路轮流对多个测试点进行连续监测，从而增加了整个系统的环节，使其 难于维护，价格昂贵。 近年来，伴随微处理器芯片和网络通信技术的发展，为了简化系统设计并降 低成本，各公司及科研机构开始致力于相关领域的探索，使得温湿度数据监测数 字化、网络化的实现成为可能。随着微处理器与计算机功能的不断增强和价格的 急剧降低，计算机与计算机网络系统得到迅速发展，而处于生产过程底层的测控 自动化系统，采用一对一连线，用电压、电流的模拟信号进行测量控制，或采用 自封闭式的集散系统，难以实现设备之间以及系统与外界之间的信息交换。现场 总线作为过程自动化、制造自动化、楼宇、交通等领域现场智能设备之间的互连 通信网络，沟通了生产过程现场控制设备之间及其与更高控制管理层网络之间的 联系。现场总线控制系统既是一个开放通信网络，又是一种全分布控制系统。它 作为智能设备的联系纽带，把挂接在总线上、作为网络节点的智能设备连接为网 络系统，并进一步构成自动化系统，实现基本控制、补偿计算、参数修改、报警、 显示、监控、优化及控管一体化的综合自动化功能。这是一项以智能传感器、控 制、计算机、数字通信、网络为主要内容的综合技术7 。多个微机测控系统的各 一个微型计算机相互之间通过“通信接口 传送指令或数据n 引。 1 3 课题研究的内容和目的 本文设计的是基于p c 机的电炉温度控制校验装置，它是一个简单的计算机 控制系统，直接数据控制系统( d d c ) ，它能更好的达到控制目的，而且他的可 靠性高，冗余性、实时性、操作性、维修性、通用性、经济性等性能都有明显提 高。它要求通过p c 机实现对一台电阻炉的温度控制，并对其测温装置进行校验。 这个设计是以8 2 5 5 a 接口电路为主要芯片，作为被控对象电阻炉和p c 机之间的 桥梁。通过a d 通道采集现场温度，通过a d 转换器将模拟量转换成数据量发送 到c p u ，经c p u 处理，然后通过d a 通道的d a 转换器，将指令转换成模拟量 控制执行器直接控制电炉温度，实现p c 机对温度的控制和校验。以6 个热电偶 6 工程硕上学位论文 同时测量一个电阻炉为例，由8 2 5 5 a 负责6 路信号的控制，分时接入6 路温度测 量信号，送入p c 机进行数据处理。p c 机根据标准热电偶的实际测量值与给定值 的偏差( p c 机运算结果) ，运算结果通过8 2 5 5 a 输出控制可控硅在控制周期内过 零触发脉冲的个数，也就是控制电阻炉平均功率的大小来达到控温的目的，使其 逐渐趋于设定值，且达到平衡【l9 1 。另外，把其它需校验的热电偶的测量值和标准 的进行比较，通过人机界面上显示热电偶的电势值和温度值，并进行p i d 参数的 调整以及报警。 本文以基于微机控制，进行p i d 运算来调节箱式电热炉的温度为研究对象， 系统的设计了本系统中所需要的硬件、编写了温度控制和校验中的所有程序和开 发出了基本人机界面。在数模转换过程中设计了坐标变换程序，以满足数字运算 的需要，通过对温度控制的研究，解决了公司零部件车间电热炉的温度不易控制 的问题，提高了劳动生产率，达到了研究的目的。其基本内容安排如下： ( 1 ) 系统的介绍了温度控制的发展，课题的研究背景，本文的目的和意义； ( 2 ) 说明了温度控制的重要性，设计了温度控制和检测的原理框图，建立了 电阻炉的数学模型，设计了p i d 控制算法； ( 3 ) 设计了温度控制和检测环节所需的硬件，并对硬件进行选型和说明； ( 4 ) 系统的编写p i d 调节程序、数字滤波、数据采集及标度变换等程序； ( 5 ) 经过系统的设计，对车间的箱式电热炉进行改造，对改造前后的数据进 行比较； ( 6 ) 最后对本文所做的工作做了一个总结，并对今后的研究方向进行了展望。 7 箱式电热炉温度控制系统的研究 第2 章温度控制和检测的基本构成及数学模型 控制论的创始人维纳教授在谈到人胜过最完美的机器时说1 2 0 】：“人具有运用 模糊概念的能力 。这清楚的指明了人脑与电脑之间的本质区别，人脑具有善于 判断和处理模糊现象的能力。“模糊”是与“精确 相对的概念，它与“随机 存在本质的区别。模糊逻辑和模糊数学虽然只有短短几十年的历史，但其理论和 应用的研究已取得了丰硕的成果。在模糊理论研究方面，以z a d e h 教授提出的分 解定理和扩展原则【2 l j 为基础的模糊数学理论已有大量成果问世。19 8 4 成立了国 际模糊系统协会( i f s a ) ，“f u z z ys e t a n ds y s t e m s ”杂志和i e e e 的“模糊系统” 杂志也先后创刊；在模糊逻辑的应用方面，自从1 9 7 4 年英国的m a m d a n i 首次将 模糊逻辑用于蒸汽机的控制【2 2 】后，模糊控制在工业过程控制、机器人、交通运输 等方面得到了广泛且卓有成效的应用。目前，已经有越来越多的领域开始采用模 糊逻辑控制，如聚类分析、故障诊断、专家系统和图像识别等拉3 ，2 4 j 。 众多化工、 热工、轻工、冶炼、电站等过程控制中，p i d 类型的控制仍占主导地位，虽然未 来的控制技术应用领域越来越广、被控对象越来越复杂，相应的控制技术也越来 越精巧，但是以p i d 为原理的各种控制器是过程控制中不可或缺的基本控制单元【2 5 1 。 模糊控制器的结构模型与p i d 控制器具有很大的相识性，很多学者对他们二者的 关系进行了深入的研究1 2 b 2 9 j ( a b d e l n o u r l9 9 1 ；m i s e r ，m a l k i ，c h e n l9 9 6 ；刘向杰， 柴天佑，张焕永1 9 9 8 ，李洪兴1 9 9 9 ；) 。研究表明，模糊控制就是非线性p i 、p d 或p i d 控制器。 在计算机控制系统，使用的是数字p i d 控制器，数字p i d 控制算法通常又分 为位置式p i d 控制算法和p i d 控制算法。本课题采用的是增量式p i d 控制。 2 1 温度控制的重要性 温度、压力、流量和液位是四种最常见的过程变量。其中温度是一个非常重 要的过程变量，因为它直接影响燃烧、化学反应、发酵、烘烤、煅烧、蒸馏、浓 度、挤压成形，结晶以及空气流动等物理和化学过程。温度控制不好就可能引起 生产安全，产品质量和产量等一系列问题。尽管温度控制很重要，但是要控制好 温度常常会遇到意想不到的困难。表2 1 列出了温度回路控制困难的一些主要原 因： 8 工程硕上学位论文 表2 1 温度控制的原因 9 箱式电热炉温度控制系统的研究 2 2 微机测控系统的典型结构 微机测控系统是以微机为核心、测控一体化的系统，这种系统对被控对象的 控制是依据对被控对象的测量结果决定的。因此，它实质上是一种闭环控制系统， 其基本组成框图如图2 1 所示。图中左侧的输入、输出通道，称为过程通道，它 是微机和测控对象的联结通道，因此，我们称之为“测控通道”。 测控通道又分为模拟量输入通道、模拟量输出通道、开关量输入通道、开关 量输出通道。带有模数转换器的模拟量输入通道用来连接各类模拟信号输出的传 感器，也可直接用做模拟形式的电压或电流的输入端。模拟量输出通道带有数模 转换器，使计算机能对模拟形式的执行机构或输出设备进行控制。开关量输入通 道用来接收外界以“开关”形式表示的信息。例如，在电网实时监控系统中，它 可用来监视电网各类断路器的开合状态。在另一些在线检测中，开关量输入可用 来表示“超值 、“告警 、“极性转换 等状态并通知计算机做相应的处理。开关 量输出也可用编码的形式向计算机输入信息，这种信息既可以是命令信息( 要求 计算机执行某种动作) ，也可以是单纯的数据信息。开关量输出通道通常用来控制 开关型执行机构( 继电器、步进电机等) ，也可用来以编码形式输出信息。 i 传感器 i- l 模拟量输入通道i 微 一人机接口h 操作员l 测 i 执行器 卜i 模拟量输出通道i一 型 控计 对 i 传感器 i- i 开关量输入通道l - 算 + 象机通讯接口 _ 其他微机 执行器 开关量输f ；通道 图2 1 微机测控系统典型结构框图 图2 1 中右侧“人机接口 是微型计算机与操作人员的联结渠道，称为“人 机通道”，最常用的有输入命令和数据的键盘和显示测量结果和运行状态的显示 器、打印机以及各种记录器等。 图2 1 中“通信接口”是图中的微型计算机与其它微型计算机的联系渠道， 称为“相互通道”。多微机测控系统的各个微型计算机相互之间通过“通信接口 传送指令或数据n 引。 2 3 温度控制中热电偶的校验 由于热电极在使用过程中，热端受氧化、腐蚀和高温下热电偶材料的再结晶， 1 0 工程硕上学位论文 使热电偶特性发生变化，而使测量误差越来越大。为了使温度的测量能保证一定 的精度，热电偶必须定期进行校验，以测出热电势变化的情况0 1 。 当其变化超出规定的误差范围时，可以更换热电丝或把原来热电偶的冷段剪 去一端，重新焊接后加以使用。再使用时必须重新进行校验。 热电偶校验是一项比较