隧道窑温度控制系统设计毕业论文.doc

目录摘要IABSTRACTII绪论11 玻璃隧道窑的发展状况21.1 玻璃窑的分类及构成21.2 玻璃窑温度控制的发展状况32 结构设计方案选择42.1 玻璃窑炉的工艺流程42.2 玻璃窑炉的动态特性52.3 隧窑系统的数学模型72.3.1 熔化部温度的理论数学模型72.3.2 冷却部温度的理论数学模型82.4 隧道窑温度控制系统的控制方案选择83 硬件设计103.1 温度检测电路113.2 信号处理电路123.3 A/D转换电路143.4 温度重置电路143.5 显示接口电路153.6 功率放大及执行电路154 软件设计164.1主程序模块164.2功能实现模块174.2.1 A/D转换子程序174.2.2 中断服务子程序184.2.3 步进电机驱动程序204.3运算控制模块214.3.1标度转换214.3.2 PID算法234.4抗干扰措施25结束语26参考文献27附录 1 总电路图28附录 2 主程序代码29致谢33摘要隧道窑是耐火材料生产中一种重要的高温烧成设备，是耐火材料生产过程中的重要环节，隧道窑的控制水平直接影响耐火材料的质量。近年来，我国的耐火材料工业发展迅速，窑炉设计水平有显著的提高，但隧道窑的控制技术发展相对缓慢，大部分窑炉的控制还停留在常规仪表控制的水平上，自动化程度较低。因此，进行隧道窑烧成制度尤其是温度制度控制方面的研究，对提高产品质量和稳定产品产量都非常重要。 本文首先介绍了隧道窑及其控制技术的发展和现状，然后以某玻璃厂的隧道窑的温度为控制对象，设计一个温度控制系统，介绍了玻璃窑炉的结构、工艺流程以及生产对温度控制系统的要求，分析了窑炉温度系统的动态特性。对隧道窑燃烧系统即烧成带温度的控制主要是对烧成带两侧天然气高速烧嘴喷出的燃料量进行控制，而对于冷却部的温度控制是通过控制冷却空气的流量，以及从熔化部经通道进入冷却部玻璃液流量进行控制。玻璃窑炉温度系统现有的控制方法主要是传统的PID控制。虽然这种方法在工作点附近的小范围内能够取得较好的控制效果，但在系统运行工况有较大波动时，由于纯滞后及参数变化的影响，控制效果明显变差，有较大的局限性。因此，人们直在设法改进对这类系统的控制。对于大纯滞后系统的控制问题，自1957年史密斯提出预估补偿控制以来，出现了多种控制方法，但到目前尚未完全解决。本文在回顾了大滞后过程的各种控制方法及近年来的进展后，基于智能控制理论设计了玻璃窑炉的智能控制方案。关键词：玻璃窑炉，PID控制，工艺流程，智能控制，温度控制ABSTRACTTunnel kiln is a set of important equipment in fire-resisting materials process,and the control technique of tunnel kiln has great effects on the quality of productsRecently,fire-resisting materials industry has developed quickly in our country,and the design of tunnel kiln has improved greatly.But the control technique of tunnel kiln has developed slowly,most tunnel kilns has still adopted instruments control method，and the degree of automation is very low.Thusit is important to do some researches on tunnel kiln firing control,especially on temperature control for good quality of firing-resisting materialsThis text has tell the source of exercise question at first, has explained the research state in long-range control system of modern transmission based on Internet both at home and abroad, typical example taking exchanging the transmission as modern transmission come to make the research object, and has summarized the task of the design and research means briefly. In this way, the understanding that designing the system entirely is preliminary. At present，the mainly method used in glass furnace temperature control is PID controlAlthough PID control call achieve satisfied result in small range near temperature set point，it cant control temperature to its set point rapidly and smoothly at the time of the work condition change by a wide margin due to the influence of time lag and parameters varyingSo PID control is subjected to comparatively big limitationFor this reason，researchers try to improve the control of this kind of systems continuouslyFor the large time lag and inertia system，many control methods have been put forward since the Smith predicator control rose in 1957，but the problem has not been solved completelySo it is of theoretical and practical significance to conduct researches in this respectAfter review of control methods for large time lag process and their improvements in recent yeats，the thesis design an intelligent control scheme based on intelligent control theory.Key words: glass furnace；PID control；technological process；intelligent control； temperature control.绪论玻璃窑炉是玻璃工厂最重要的热工工艺设备，而熔制是玻璃生产中最重要的工序之一，它是将混合均匀的配合料，送往玻璃窑炉，在高温条件下，经过一系列物理的、化学的变化和反应,形成均匀的、无气泡的、符合成形要求的玻璃液。这是一个非常复杂的过程,对硅酸盐形成、玻璃形成、澄清、均化和冷却成形各阶段的温度都有一定的工艺要求。所以，玻璃窑炉温度控制效果的好坏直接关系到成品玻璃液质量的优劣，因此说窑炉温度的稳定极为重要。如果温度控制不理想或受到干扰而不稳定, 就会使一系列的平衡遭到破坏, 特别是玻璃液流轨迹的破坏,严重时, 会造成泡界线偏移、热点位置及温度的改变和熔化带长短的变化, 进而导致结石、气泡、硝水及制品的多种缺陷同时产生, 严重影响产品的质量和产量。窑炉温度系统是一个自平衡过程，其纯滞后时间和时间常数都比较大，干扰因素较多，对象参数具有非线性和时变性等特点，过程的不确定性较大，因此属于复杂过程系统。控制对象可以被描述为一个单输入单输出时变系统，其传递函数为带纯滞后的一阶惯性环节，滞后时间、时间常数和增益系数等参数在反应过程中随窑炉温度和运行工况的不同不断变化。玻璃窑炉温度系统现有的控制方法主要是传统的PID控制。虽然这种方法在工作点附近的小范围内能够取得较好的控制效果，但在系统运行工况有较大波动时，由于纯滞后及参数变化的影响，控制效果明显变差，有较大的局限性。因此，人们直在设法改进对这类系统的控制。对于大纯滞后系统的控制问题，自1957年史密斯提出预估补偿控制以来，出现了多种控制方法，但到目前尚未完全解决。本文在回顾了大滞后过程的各种控制方法及近年来的进展后，基于智能控制理论设计了玻璃窑炉的智能控制方案。玻璃窑炉是一个时变的、非线性的、多变量耦合的复杂控制对象，其结构及其控制技术将极大的影响着产品的质量、生产的成本。故玻璃窑炉温度系统是一个大惯性、大滞后并具有非线性特征的变参数系统,难以建立精确的数型,而且窑炉在运行过程中要受到多种扰动因素影响。炉内温度靠调节烧成带两侧烧嘴的喷油量来控制。每个烧嘴附近装有热电偶，以检测该点的温度。某测点的温度同时还受其它烧嘴、窑内压力、坯件形状、湿度、燃油的温度以及外界气候环境等的影响，因此它具有大惯性、不确定性、强非线性、多变量耦合等特点。目前，国内外隧道窑的控制大都采用人工调节方式，因为采用自动控制，一是要建立炉窑的数学模型，用多变量控制技术进行控制，但其数学模型过于复杂，而控制精度却不理想；二是采用分散控制器(PID)来调节，用工程方法整定控制器参数，但在实用中变量之间的耦合使得参数整定过于复杂运行环境发生变化时参数需要重新调整。我们将自调整PID 控制策略用于隧道窑的控制，取得了良好的效果。 1 玻璃隧道窑的发展状况1.1 玻璃窑的分类及构成玻璃窑有许多窑型结构，适用于各种不同品种玻璃制品的生产要求。按照熔制玻璃所用容器的结构，玻璃窑可分为池窑和坩埚窑两大类。池窑是最常用的玻璃熔窑，由于配合料在这种槽型池内被熔化成玻璃液，故名玻璃熔窑；按照废气余热回收设备的形式，可分为蓄热式与换热式窑两种。本文只要是介绍玻璃池窑。玻璃池窑沿窑长方向按照玻璃液的熔化过程可相应分为溶化部冷却部，成型部三部分。溶化部是配合料熔化和玻璃液澄清、均化的部位，它是上下两部分构成，上部的部分称之为上部结构，又称火焰空间，下部是窑池。玻璃的熔化及冷却对熔窑热工制度提出了各自不同的要求，为了实现各个区的温度互不干扰，消除耦合，减少溶化部高温气体对冷却部的影响，保证各自独立的工作制度，需要在上部空间交界处设置分隔装置。为了不使溶化部未熔好的粉末及泡沫等杂物进入冷却区，常在溶化部和冷却部的窑池交界处设置玻璃液分隔装置。气体分隔装置有完全分隔和部分分隔两种。完全分隔是用一道或两道挡墙将溶化部和冷却部的空间完全隔离开，互不相通，避免了溶化部的热气流对冷却部的影响，这样既可以集中溶化部的热量，也可以独立控制冷却部温度的作业制度，冷却部空间可以缩小。但完全分隔开后，冷却部可能需要另外加设加热系统以调节温度制度。玻璃液分隔装置的作用是阻挡溶化部未熔化好的粉料浮渣等物流入冷却部，也可通过调节玻璃液对流量，调节冷却部玻璃液的温度状况。玻璃液的分隔装置有浅层分隔和深层分隔两种。深层分隔有流液洞，浅层分隔设备有卡脖，冷却水管等。1.2 玻璃窑温度控制的发展状况从玻璃窑炉温度控制的有关文献来看，目前在玻璃生产中，窑炉温度控制已普遍采用了计算机控制，但最常用的控制方法仍是普通PID控制，包括单回路、串级回路和分程控制等都是由PID作为基本的控制算法。改进的方法有Smith预估补偿加PID控制和模糊控制等。串级调节系统多用于燃料源受频繁扰动的玻璃窑炉，该系统由主回路和副回路组成，主回路根据实际值与给定值的偏差由PID调节规律对燃料流量进行调节，副回路根据燃料流量实际值与主回路温度调节器输出的燃料流量的偏差对流量进行调节，以避免扰动对燃料流量的影响。对窑炉温度系统所进行的动态特性分析表明，一般情况下窑炉温度系统是一个大惯性、大滞后并具有非线性特征的变参数系统。而且窑炉在运行过程中还可能受到多种扰动因素如煤气压力波动、进料质量波动、窑炉保温性能变化、工作环境温度变化等的影响。鉴于玻璃窑炉的上述特性，现行的控制方法难以满足对窑炉温度控制的高性能要求。如单纯的PID控制对滞后较大的窑炉控制效果不好，难以适应对象参数的变化，且存在快速性与超调量之间的矛盾。Smith控制方法的设计又过分依赖于被控对象的精确模型，当参数变化时或模型误差较大时控制性能显著变坏。计算机技术和现代控制理论特别是智能控制理论的发展，为改善窑炉这类大惯性、大滞后变参数系统的控制提供了可能。我国目前玻璃熔窑的控制大都是基于DDZIII型模拟仪表监测甚至人工手动控制来实现的，个别新建熔窑实现了关键参数点的仪表控制，但大多采用传统的PID控制。由于玻璃熔窑是一个非线性的滞后系统，因此控制精度差，能源消耗量大，劳动强度高，产品质量差且效益较低，因此根据玻璃熔窑的特点采取相应的自动控制方案，提高控制精度很有必要。2 结构设计方案选择2.1 玻璃窑炉的工艺流程隧道窑是耐火材料工业生产中比较先进的窑炉，为便于研究，将隧道窑分为窑体结构(主要包括窑墙、窑顶和刚架结构)、预热带结构(主要包括排烟系统)、烧成结构(主要包括燃烧系统)、冷却带结构(主要包括冷却系统)及其它结构(包括窑结构及车下冷却结构等)。窑体是由窑墙、窑顶和窑车衬砖等耐火材料砌成的一条长的隧道。隧道窑内铺设窑车行驶的钢轨，窑车上码放好待烧的砖坯。整个隧道窑沿窑车的行进方向分为预热、烧成、冷却三个带。(1)隧道窑预热带的结构隧道窑的前端预热区域，窑车上的砖坯首先在这里进行预热。预热带内窑墙上设有废气孔，窑墙内中空，置有排烟管道。废气孔的数量根据排出的烟气量来设定，保证预热带烟气温度不能超出规定的温度。(1)隧道窑溶化部结构隧道窑的中间烧成区域，窑墙上安装多个有高温烧嘴，窑车上的制品在这里进行充分的焙烧，烧嘴的数量多少主要根据烧成制品的种类以及制品所需的焙烧时间的多少来决定。(2)隧道冷却部结构隧道窑的末端冷却区域，烧好的制品在这里进行冷却。从冷却带鼓入大量的冷空气，这些冷空气在将制品冷却的同时本身被预热。被预热的空气一部分作为助燃的二次空气使用，另一部分作为一次空气，送到每一个烧嘴，供燃料燃烧使用，或送至其他的地方作干燥制品的热源。为避免热量损失，隧道窑前端设置两个窑门即外窑门和内窑门。两窑门利用卷扬传动机构，借助于终点开关和相应的电气设备进行控制，外窑门每次开启时进料，内窑门每次开启时出料。燃烧设备包括燃烧室和烧嘴，燃料(重油或天然气)在这些燃烧设备中燃烧，燃烧产物进入隧道，将热能传递给制品。通风设备包括排烟系统，气幕和气体的循环装置以及冷却系统。它们是由排烟机，烟囱，鼓风机及各种烟道、管道组成的。其作用是使窑内气体按一定的方向流动，排出烟气，供给空气，抽出热空气等，并维持窑内一定的温度、气氛和压力。玻璃窑炉的温度系统主要由熔化部、冷却部和成型部组成。熔化部负责玻璃熔制、澄清，冷却部负责将熔化好的玻璃液继续均化并且调整到成型所需要的温度。传统的冷却部著有冷却左右故得其名。根据玻璃成份和成型方法的不同，冷却过程中玻璃液温度的降低程度也是不同的。成型部就构成生产玻璃产品的车间，已不再细表。玻璃窑炉的输入是燃料、玻璃原料(由配料系统提供，主要成分是硅砂、纯碱、方解石、长石及混合小料等六种原料)和助燃空气，输出是玻璃液、烟气。燃料在熔化池上部的燃烧室内燃烧，并通过喷嘴形式，以一定方向和速度喷入窑内继续燃烧，这时需要提供助燃空气。所放出的热量将玻璃原料熔化，燃烧后产生的烟气进入排气装置。从玻璃熔窑排出的烟气温度都很高，一般都在1500C作用，因此分热有巨大能量可以利用。废气可以在蓄热室将助燃空气和燃气预热，保证燃烧火焰达到所需高温。熔化后形成的玻璃液经过一个连接通道进入工作池，然后通过下料槽进入行列机，最后制作成相应的玻璃产品。玻璃窑炉的炉体结构简图如图2-1所示。从投料到原料在窑炉内熔化、澄清、均化和冷却，经过一系列的物理、化学和物理 化学反应，最终形成均匀、无气泡、符合成型温度要求的熔融玻璃液，是一个复杂的工艺过程。图 2-1 玻璃窑炉结构简图2.2 玻璃窑炉的动态特性在玻璃窑内玻璃液沿着一定的轨迹和速度进行着复杂的流动，按照流动的不同原因，分为生产流和热对流。生产流是由于成型玻璃的拉力和投料机的推力而产生的从投料口到成型部的纵向流动。热对流是由于玻璃液内存在的温度差引起的。因为玻璃液随着温度的升高密度减小，窑池内不同部位的温度不同，其密度也不同，从而使玻璃液内部产生的静压差引起对流。和许多在工业生产过程中大量使用的电加热炉、燃液和燃气的加热炉一样，由于传热问题的复杂性，玻璃窑炉的动态特性也具有大滞后、非线性、时变性和不对称性等特点。在过程控制中，为了方便，通常把窑炉温度的动态特性看成是一个线性系统。用一个或两个惯性环节串联一个纯滞后环节来表示： (1)事实上，窑炉温度问题是相当复杂而又难以用数学公式精确描述的问题。尽管如此，上述近似处理的结果在许多情况下仍然可行。近年来，随着智能控制的迅速发展，对模型的依赖性相对降低，但对过程模型的属性进行研究仍有必要。在通常情况下，从控制角度考虑的炉温仅仅是检测点附近一个极小区域内的平均温度，而不是指整个炉内的温度场。窑炉温度的变化与炉内总发热量和总散热量以及负荷情况有关。由于发热过程时间与传热过程时间相比可以忽略不计，因而炉温的动态特性主要由传热过程所决定。传热有导热、对流、辐射三种形式。在任何一种加热炉里和任何温度点上都并存着三种形式的传热，只是在不同的温区，各种传热在总传热量里所占的比例不同。对于玻璃窑炉来说，炉体的容量、结构、检测元件及其安放位置等都影响着滞后的大小。它不是一个单一的问题，是一个系统问题(容积滞后时间就是级联的各个惯性环节的时间常数之和)。纯滞后产生的根源也要从整个铡量系统来考虑，并且与温度的高低有关。热量从热源传到温度传感器要经过多个热阻与热容相串联的热惯性环节，而串联的多容对象会产生等效纯时滞。随着温度的升高，辐射传热的比例增大，辐射具有穿透性，使传热路径缩短。传热速度加快。故纯滞后时间随温度升高而减小。在炉子的整个温度范围内，对象的增益、容积滞后时间、纯滞后时间都是与工作温度有关的变参数。从传热原理可知，这些参数也与负荷变化有关。在炉子设计的工作温区，在工作点附近的小范围内其动特性接近于线性，较容易控制，用常规的PID调节器也能控制得很好，但不能经受太大的扰动，也不能够大范围地跟踪变化较快的给定信号。对于常规仪表，大范围地改变温度要靠手动，仅当温度接近给定值时方可投入自动。温度上升靠强迫加热，温度下降靠自然冷却，一般不用强迫散热。这是绝大多数窑炉的共性。从节能的观点看，要求所有的加热炉都应当尽可能地具有良好的保温特性而不是要求它的散热性能好：从提高生产率出发，又希望升温时间尽量缩短，因而在设计炉体时所考虑的加热功率都有很大的余量。由于炉体设计上的这些特点，造成炉子升、降温速度上的巨大差异，升温时响应快，而降温时响应慢。从模型参数上看，在低温状态时，传递函数中的对象增益和容积滞后时间在升降温两个方向上差别很大，而在高温状态则很接近。根据以上分析，可以认为加热炉是一种具有大容积滞后和大纯滞后的对象。在整个炉子的温区内，其动态参数随炉子的工作温度变化，在工作点附近的小温度范围内，炉子的动态特性近似线性的。上述分析说明，玻璃窑炉的动态特性比较复杂，用先进的控制策略来对窑炉进行控制显然是必要的。2.3 隧窑系统的数学模型2.3.1 熔化部温度的理论数学模型浮法玻璃熔窑的燃烧正平衡热效率公式为： (2)：表示平均热效率；：表示单位质量的玻璃液的理论耗热量；：表示单位时间里熔化玻璃液的质量；：表示单位时间内燃料的平均流量；：表示燃料的平均热值。从正平衡热效率公式可见：当分子分母都不变时，热效率也不变。控制熔窑负荷、温度、压力在某一设定值不变时，需要的是一定的燃料流量，当燃料热值不变时，燃料的流量也是不变的；而当燃料热值变化时，所需燃料的流量应该相应的变化。实际上，控制熔窑负荷、温度、压力在某一设定值不变时，最终需要的是一定的热量。而这个热量应等于燃料热值与流量的乘积，或者说维持熔窑负荷、温度、压力在某一设定值不变，应有下式成立： (3)熔窑温度控制的过程是：当燃料热值变低时，同样的燃料耗量，就会使温度下降，但预测控制器(或PID调节器)的控制是保持温度稳定，这时稳定温度的控制作用就会增加燃料流量，从而把降低的温度重新拉回到原来的设定值，然后稳定在一个较高燃料流量的新的稳定状态；反之，当燃料热值提高时，同样的给燃料流量就会使热量过剩，过剩的热量必然要使温度提高，预测控制(或PID调节器)的控制是保持温度稳定，这时稳定温度的控制作用就会减少燃料流量，从而把提高的温度重新拉回到原来的设定值，然后稳定在一个较低燃料流量的新的稳定状态。根据以上分析可知，炉温问题是比较复杂的。对窑炉温度动态特性进行分段线性化，则在每个较小的温度区间，玻璃窑炉的燃料流量炉温系统的动态特性可近似地用一个惯性环节和一个纯滞后环节串联的简化模型来表征，即： (4)其中K0为过程的增益，为过程纯纯滞后时间，T0为过程的等效容积滞后时间。在窑炉的整个温度范围内，对象的增益、容积滞后时问和纯滞后时间都是窑炉温度和负载的非线性函数。K。、随窑炉温度升高而减小，瓦随窑炉温度升高而增大。各测温点的温度主要受它附近烧嘴的控制。一个烧嘴连同其相应的测温点可看成是一个单输入单输出子系统。它们之间可近似看成是独立的相互之间的耦合及外界的影响枧为对子系统的扰动。 2.3.2 冷却部温度的理论数学模型在冷却部窑内的传热中(假设为加热)，热源是火焰或高温气流，受热体式已具有一定温度的玻璃液。传热过程如图所示。玻璃液获取的能量Q为： (5)而Q辐比较复杂，为了使问题简化，我们规定和实际情况较为接近的假设条件，以便分析。如：火焰充满空间、而且温度各处均匀；窑内表面温度均匀等。得到的玻璃液获取的净辐射热（）为 (6)式中：窑壁对玻璃液的角度系数，=；玻璃液表面积；窑内表面积。对于玻璃液本身来说，其导热系数很小，因此靠热传导方式把表层冷(热)量传到深层的数量不大。而直接的热辐射只能透过很薄的一层玻璃液。因此玻璃液本身的热辐射是通过薄薄一层一层玻璃液逐层的以辐射方式向上、想下传递的。这种传热方式与玻璃也的吸热性关系极大。2.4 隧道窑温度控制系统的控制方案选择窑炉温度控制是熔化池温度控制、冷却池温度控制和通道温度控制的统称，其控制效果的好坏直接关系到成品玻璃液质量的优劣，因此说窑炉温度的稳定极为重要。对于熔化部温度控制来说，由于测温电偶与燃烧喷枪喷火口在同一截面上，测温点与燃烧火头的距离很近，因此通道燃料的改变能迅速引起测温点的温度变化，使得通道温度对象惯性较小，几乎没有滞后，用单回路控制系统即可。由于在实际生产过程中需要加工不同规格的产品，此时相应的工艺要求也随之改变，因此需要在上位机不断更改温度的设定值。在这种情况下，以往的控制系统对设定值如此频繁变化的场合就显得调整周期过长，而且当设定值迅速变化时，在PID算式中会引起控制输出变量过大增长，对系统造成冲击，影响窑炉系统的动态品质。由前面的分析可知，玻璃窑炉是一个变参数大滞后过程。滞后过程的主要控制困难是不能及时得到控制作用的反馈信息。因为当前施加的控制作用，需要经过一段滞后时间才会在输出中反映出来，等到控制效果能通过输出测量时，此时的控制作用强度往往已过了头；另一方面，当对象受到干扰而引起被调量改变时，由于滞后的存在使控制器产生的控制作用不能及时对于扰产生抑制作用。如此，严重影响了控制系统的性能，使得控制系统的稳定性交差、超调量大、调节时间长。纯滞后对象也因此而成为难控的对象。而且，纯滞后占整个动态过程的时间越长，难控的程度越大。如果过程的滞后对问具有时变特性，将使问题更加复杂。为了解决这一问题，可以使用模糊控制的智能控制方法改进常规PID控制方法。模糊控制的优点是不需要被控对象的精确数学模型，而且具有很强的鲁棒性，因而非常适合于不确定系统。模糊控制(FC)吸取了人的思维具有模糊性的特点，以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础，从行为上模拟人的近似推理和决策过程。该方法最终控制形式简单、易于实现，是一种实用控制方法。大量的工程实践表明，模糊控制主要适用于那些由于非线性和其它建模复杂性引起的结构或参数未建模的系统的控制。同基于精确数学模型的控制方法相比，模糊控制在处理不精确与启发式知识、控制具有高度不确定性的复杂系统时具有明显的优越性。普通模糊控制器的设计一般分为三步：(1)选取适当的语言变量，根据当前时刻的偏差e及偏差变化率如将精确量转化为以隶属度函数表示的模糊量E及EC。(2)根据控制规则用程序进行推理，确定控制量u和控制增量du对应的隶属度关系。(3)依掘某一准则(如重心法)进行模糊评判，得出控制量或控制增量，然后进行反模糊化完成由模糊量到精确量的转化，施于被控制对象。玻璃窑炉的模糊控制实现的温度控制采用双输入、单输出模糊控制，输入变量为窑炉温度误差e和误差变化率，输出变量为煤气流量的增量出，相应的语言变量分别用E、EC、DU表示。3 硬件设计该系统硬件电路是以AT89C52单片机为核心的单片机控制系统，并配有多路开关、A/D转换器、D/A转换器、温度检测、信号放大、功率放大及执行电路、显示、报警电路等部分构成。硬件电路结构图如图2所示。图3-1 硬件电路结构框图系统设计思路：首先由热电偶采集烧结炉的温度值，通过多路模拟开关选择一个通道，由A/D转换器ICL7109将模拟量转化成数字量。单片机AT89C52接受到前级输入的数据进行处理，把处理后的数据送给上位机，供用户用高级语言处理、打印等，并把上一级指令反馈给单片机，进行反馈调节。本系统选用单片机AT89C52为主机。AT89C52是一种低能耗、低电压、高性能的8位单片机，片内带有一个8 kB的Flash可编程、可擦除只读存储器(EPROM)，56字节的数据存储器以及32个I/O口。它采用了CMOS工艺和AIMEL公司的高密度非易失性存储器技术，而且其输出引脚和指令系统都与MCS-51相兼容，片内的Flash存储器允许在系统内编程或用常规的非易失性存储器编程器来编程。因此，AT89C52是一种功能强、灵活性高且价格合理的单片机，可方便地应用在各种控制领域。在本系统设计中，其P0口作数据线；P1口与报警电路和数据采集电路相连；P2口用作地址线；P3口用作读、写控制和中断控制以及多路开关的控制。AT89C52管脚图如图3-2所示。图3-2 89c52管脚图3.1 温度检测电路热电偶温度传感器可用于从室温到1000oC以上范围内的温度测量，测量范围广，精度高。本系统采用铂铑一铂热电偶或者铂铑一铂铑热电偶作为温度传感元件，冷端补偿由AD592型集成温度传感器、R8、R9、R10和RP1构成。AD592是由美国模拟器件公司(ADI)推出的一种电流输出式模拟集成温度传感器。其主要特点如下：(1) 测温精度高。在单电源供电的情况下，测量精度最高可达0.3C(典型值)。测量范围是-25C+105C。ADC592的重复性误差和长期稳定性均小于0.1C。(2) 它属于两端集成温度传感器，外围电路简单。在常温测量领域可替代电热调节器、电阻式温度传感器、PN结等传统温度传感器。ADC592的电流温度系数为1A/K。(3) 输出阻抗高，互换性强。电压范围为+4V+30V。由ADC592构成的热电偶冷端补偿电路如下图3-3所示。所谓冷端补偿就是在热电偶的冷端人为地加入一个受同一环境温度控制、并接与热电偶具有相同电压温度系数的相反极性的补偿电势E1,从而使冷端的总热电势不再随着环境温度变化而变化。图中ADC592和电阻R8来提供E1，其极性为上端正，下端负，并且 (7)图3-3 温度检测及信号处理电路传感器检测到的温度，存在线性误差，要进行校正，作为对误差的修正补充，保证系统连续运行时的温度与设定温度值一致。由热电偶采集的温度信号经AD693热电偶模块处理后作为输入信号传递给单片机，经PID运算后的输出量以脉冲宽度调制的方式输出到固态继电器， 通过调整占空比来调节加热器的输出功率，从而实现对加热炉温度的控制 3.2 信号处理电路系统采用AD693作为信号调理电路，AD693是ADI公司推出的单片信号调理器，它具有高精度、多功能的特点。其管脚图如图3-4所示。AD693适用于传感检测系统、工业过程控制系统及自动化仪表领域。具有以下性能特点：(1) 内含可编程输入放大器、U/I转换器和多路输出式基准电压源。其中+6.2V电压偏差仅为3mV。利用+6.2V基准电压源和经过激光校准的精密电阻分压器可以获得预校准的0mA、4mA和12mA的调零电流。(2) 输出电流形式有三种：4mA20mA、020mA和12mA8mA。(3) 输入电压范围和电流零点均可单独调节，二者互不影响。(4) AD693通常由环路电源供电，特殊情况下也可以有本地电源单独供电。工作电压允许范围为+12V+36V，静态工作电流为500A。图3-4 AD693管脚图由于热电偶本身的非线性，加上测量方法产生的误差，将使检测精度可能低于系统要求。对此，进行温度测量的线性补偿显得很有必要。在单片机测控系统中，有可能在不增加硬件开支的情况下，充分利用单片机的运算能力通过编程实现传感器实现线性化。目前广泛采用的方法是折线近似法。将实测的温度曲线分成若干分段，每段用直线代替曲线，再使用插值法根据曲线特型计算相应的温度。分段越多，计算结果就精度越高。但这种方法计算的工作量较大，且会产生计算误差。简单的方法是采用表格法。将测量范围内的温度标准数据建立表格，按照实际测量温度值查表，即可得出较为精准的温度。该系统拓展X25045芯片一片，该芯片集看门狗定时器、工作电压检测和5128位E2PROM于一体。存储器可用于存放表格，在单片机内RAM不敷使用的情况下也可用来存放数据处理的中间结果。该系统采用三线制连接方法，如图3-5所示，连接单片机方法参见附录1总电路图的相关部分。图3-5 线性化处理电路3.3 A/D转换电路采用ICL7109构成A/D转换电路。ICL7109为美国Intersil公司生产的带有微机接口的单片CMOS双积分式A/D转换器。ICL7109采用双积分工作原理，转换速率不高，但可满足该系统对采样速率的要求。该片有较强的抗噪声干扰能力，这对于保证整个系统的检测控制与控制精度是非常有利的。P1.6、P1.5、P1.3口线分别与AD转换器的运行/保持输入端RUN/HOLD、字节使能端HBEN、LBEN及CE/LOAD端相连，用以控制A/D转换。P1.4与A/D转换器的状态输入端STATUS相连，并定义为输入，用以检测芯片的工作状态。方式选择端MODE接地，置A/D转换器为直接输出工作方式。这样在片选和字节使能端信号的控制下CPU可以直接读取A/D转换器数据。单片机的时钟信号用来提供单片机片内各种操作的时间基准。AT89C52单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反向放大器，引脚XTAL1（X1）和XTAL2（X2）分别是此放大电器的输入端和输出端。该反向放大器可配置为内部振荡。在其外接晶体振荡器(简称晶振)或陶瓷谐振器就构成了内部振荡方式，时钟电路如图3-6所示。图3-6 时钟电路3.4 温度重置电路在P3.3P3.6口线上接4个开关。闭合K4时，P3.6为“0”，表示设置控制温度1；闭合K3时，设置控制温度2；闭合K2时，设置控制温度3。K1为降温控制开关，闭合K1时，停止加热，系统进入降温阶段，系统软件检测P3.3P3.6的状态，发现一开关闭合，即设置对应的控制温度，并转入相应的工作过程。3.5 显示接口电路用AT89C52的串行口扩展四片串/并转换的移位寄存器74LS164驱动四只1.5英寸共阳极LED数码管，实时显示各合成装置的温度，P3.0口输出数据，P3.1送清除信号，P3.2输出移位时钟。3.6 功率放大及执行电路采用步进电机作为执行元件，步进电机实质上是一种串行D/A转换器，其作用是将电脉冲信号转换为相应的位移量。他的特点是：(1) 步距值不受各种干扰因素的影响，转子运动的速度取决于脉冲信号的频率，而转子运动的总位移量则取决于总得脉冲个数；(2) 步进误差不长期积累，转子每转动一周，累计的误差就清零；(3) 控制性能好。启动、停车、反转及任何的运行方式改变都在少数的步进脉冲里完成，在一定的频率范围内运行时，任何运行方式都不会丢失一步。由于步进电机具有快速启停，精确步进以及能直接接受数字量的特点，在工业生产过程中的位置控制系统中，不用位移传感器也能实现精确定位，因而得到广泛应用。该系统使用三相反应式步进电机，型号是55BF004。步进电机控制系统主要由步进控制器、功率放大器及步进电机构成。步进控制器包括环脉冲分配器，控制逻辑及正反转控制门，其作用是把输出脉冲信号按一定顺序进行分配再通过功率放大送入步进电机绕组，驱动步进电机转动。步进电机的软件功能为步进电机的控制开辟了新的途径。利用单片机的软件或采用软件与硬件电路相结合的方法，不仅代替了上述硬件控制逻辑，而且使控制功能增强，用于实现复杂的控制方案，既可以使电路简化，降低成本，也可以使可靠性及灵活性大大提升。该系统采取的步进电机控制电路见总电路图的相关部分(图中只画出了其中的一相)。AT89C52的P2.0、P2.1、P2.2口作为步进电机三相绕组的控制端口，用以输出软件生成脉冲序列。采用光电耦合器可将单片机系统与步进电机驱动电路隔离，以提高系统的抗干扰能力，并能防止功率三极管损坏时步进电机驱动电路的高压对单片机系统的安全造成的威胁。功率三极管可根据步进电机的功率选择合适的大功率管，以完成功率放大及步进电机的驱动任务。二极管VD2为保护元件，可为停电的步进电机绕组提供低阻抗续流回路，以防止过高反向电压击穿三极管。程序置P2.0P2.2的某位为高时经反相器反相为低，光电耦合器内发光二极管导通，光敏三极管导通，功率三极管导通，该相绕组得电，步进电机启动。接着向该位送低电平，使相应的功率放大管截止，绕组失电，电机在转动预定的角度后停止。在连续的脉冲序列作用下，步进电机按照运算结果，以步进方式调节加热装置，实现对合成过程的温度控制。4 软件设计系统软件采用结构化模块程序设计，主要由三大模块组成：主程序模块、功能实现模块和运算控制模块。主程序的功能是：开机以后，首先进行初始化，负责管理和调用各个子程序，设置路数。子程序的功能是：温度采集时，A/D转换器将温度的模拟量转化为数字量，再输入到RAM存储器中；在反馈环节中，D/A转换器负责将处理后的数字量转换成模拟量；显示子程序主要是将显示缓冲器中的各路温度送到LED上显示出来；当温度高于或者低于给定值时发出声光报警信号。4.1主程序模块主程序流程图如图4-1所示。图4-1 主程序流程图在主程序中首先精定PID算法的参数值，然后通过循环显示当前温度并且设定键盘外部中断为最高优先级，以便能实时响应键盘处理；软件设定定时器T0为5秒定时，在无键盘响应时每隔5抄响应一次以用来采集经过A/D转换的温度信号；设定定时器T1为嵌套在邗之中的定时中断。初值由P1D算法子程序提供。在主程序中必须分配好每部分子程序的起始地址。4.2功能实现模块以用来执行对可控硅厦电炉的控制。功能实现模块主要由A/D转换子程序、中断处理子程序、步进电机驱动程序、显示子程序等部分组成。4.2.1 A/D转换子程序该子程序通过P1口的P1.3P1.6控制A/D转换。根据ICL7109的STATUS端的状态判断转换是否完成。待A/D转换完成后，将芯片置位保持状态(HOLD信号有效)。然后分两次读入12位转换数据，存放于片内数据存储区。连续测量多次，再经中值滤波及线性化程序段处理，得出一次温度检测值。数字控制系统中，采样周期的选取很重要。对于纯滞后延迟较大的控制系统中一般选采样周期Ts=0.050.1，Ts选取小时超调量减少，但调节时间过长；Ts增大时调节时间缩短，但超调量增加。本文采用Ts=0.1=4秒。A/D转换子程序流程图如图4-2所示。图4-2 A/D转换子程序4.2.2 中断服务子程序ICL7109的通道选择和方式数据为8位，其功能为：D7、D6、D5和D4用来选择要求转换的通道，D7D6D5D4=0000时选择0通道，D7D6D5D4=0001时选择1通道，依次类推；D3和D2用来选择输出数据长度，本程序选择输出数据长度为12位，即D3D2=00或D3D2=10；D1，DO选择输入数据的导前位，D1D0=00选择高位导前。在本数据采集器中，采用中断方式定时采集，即每10 ms采集一次。利用T0定时计数器产生定时。其中断服务程序为：CLK EQU P10DIN EQU P11DOUT EQU P12CS EQU P13MOVDPH，36H ；定义数据存储高位地址MOVDPL，35H ；定义数据存储低位地址CLR CLK ；清I0时钟SETB CS ；片选为高CLR CS ；片选为低MOVR7，#08H ；先读高8位MOVA，37H ；通道选择及数据输出方式入AOOPl：MOV C，DOUT ；数据输出到cRLC A ；A寄存器的内容左移MOVDIN，C ；输出方式通道字节SETB CLK ；设置IO时钟为高CLR CLK ；设置IO时钟为低DJNZ R7，LOOPl ；R7不为0则返回LOOPlMOVXDVrR,A ；采集数据存储到指定RAM区INC DPTR ；RAM区地址加一MOVA，#00H ；清累加器MOVR7，#04H ；再读低4位LOOP2：MOV C，DOUT ；读转换结果RLC A ；A寄存器左移，移入结果数据位SETB CLK ；设置IO时钟为高CLRCLK ；清IO时钟DJNZ R7，LOOP2 ；R7不为0，则返回LOOP2MOVXDPTR，A ；采集数据存储到指定RAM区SETB CS ；设置片选为高INC DPTR ；RAM区地址加一MOV36H，DPH ；RAM区地址入缓冲区MOV 35H，DPLRETI4.2.3 步进电机驱动程序该系统选择三相步进电机，采用三相六拍工作方式。由单片机的P2.0P2.2口来控制步进电机的三相绕组，驱动程序的功能如下控制步进电机的转动方向。步进电机的转动方向由输入三相绕组的脉冲变换顺序决定。由通电顺序为A-AB-B-BC-C-CA时，步进电机正转；如果将通电顺序变为A-AC-C-CB-BA，则步进电机反转，根据步进电机的转向与工作时绕组通电顺序变化规律，可以在内存中设置步进电机的状态表。控制步进电机的转速。电机转速由脉冲信号周期决定，而脉冲信号的周期由CPU通过延时程序或单片机片内定时器定时确定。该系统采用程序延时，其延时时间为100ms，则电机的转速为n=60(NT)，N为电机转动一周应输出的控制字节数。采用三相六拍工作时步距角为1.5，则N=360/1.5=240，所以电机的转速为2.5转/分。旋转角度控制。旋转角度与输出控制字节数M的关系是M=/1.5,只要把M保存在字节计数器里每输出一个字节步进电机转动一步，同时将字节计数器减一。当字节计数器为零，步进电机转动M步，对应的角度为。步进电机转动一步程序流程图如图4-3所示。图4-3 步进电机转动一步程序流程图入口条件为DPTR中已经存放步进电机的状态指针(即状态指针中的地址指针)，正转时置R3R2=0001H，R5R4=FFFAH；反转时置R3R2=FFFH,R5R4=0006H。每输出一个字节后延时时间为100ms。R3R2和R5R4的内容的设置是