微控课设陶瓷隧道窑.doc

陶瓷隧道窑微机温度控制系统摘 要 关键词：隧道窑、计算机、温度控制隧道窑一般是一条长的直线形隧道，其两侧及顶部有固定的墙壁及拱顶，底部铺设的轨道上运行着窑车。目前我国陶瓷隧道窑炉大多采用人工或简单仪表控制，要想使窑炉长期达到最佳工作状态是不可能的，造成产品合格率、一级品率一直处于较低的水平。陶瓷隧道窑炉是由预热带、烧成带和冷却带三个部分组成，瓷件烧成温度在1320左右，若用人工控制这个温度场，不仅控制上有难度控制精度上的问题更大，因此，我们此处引入了计算机控制，通过采集各点的温度，然后通过A/D转换送入计算机与设定值进行比较，再输出并经过相应的硬件进行处理后输出到执行机构进行控制，它不仅能改善控制的精度，还能用软件代替一些硬件，大大的降低了成本，更主要的是解放了人的劳动力。Ceramic tunnel kiln temperature control system computerAbstractKey words: tunnel kiln, computers, temperature controlTunnel kiln is a general linear-long tunnel on both sides and the top of its walls and roof fixed, the laying of the track at the bottom of the kiln car running. At present, most of Chinas ceramic tunnel kiln or a simple manual control instruments in order to ensure the kiln to achieve the best long-term work status is not possible, resulting in the passing rate of products, product rate level has been at the lower level. Tunnel Kiln Ceramics by preheating zone, firing zone and cooling zone is composed of three parts, pieces of porcelain firing temperature of about 1320 , using the manual control of the temperature field, not only difficult to control on the control precision of the problem For this reason,We here introduced a computer-controlled by the temperature of collection points, and then through the A / D converter into the computer and compare the settings, and then through the corresponding output and hardware processed output to the control of implementing agencies, which not only to improve the accuracy of control, but also a number of software instead of hardware, greatly reducing costs, more important is the liberation of the peoples labor.目录陶瓷隧道窑微机温度控制系统- 1 -摘 要- 1 -Ceramic tunnel kiln temperature control system computer- 2 -Abstract- 2 -第一章 工艺对象分析- 5 -1.1 工艺描述- 5 -1.2 控制要求- 6 -1.3 功能分析- 6 -第二章 系统分析与选择- 7 -2.1 系统功能分析- 7 -2.2 系统选择- 7 -2.2.1 计算机机型- 7 -2.2.2 系统总线- 7 -2.3 软件算法选择分析- 7 -2.3.1 开关量控制- 8 -2.3.2 比例控制(P控制)- 8 -2.3.3 比例积分控制(PI控制)- 9 -2.3.4 比例积分加微分控制(PID控制)- 9 -2.4传感器选择- 10 -2.5执行机构选择- 10 -2.6数字滤波技术选择- 10 -第三章 硬件和软件设计- 12 -3.1 硬件设计- 12 -3.1.1 系统结构框图- 12 -3.1.2 键盘- 12 -3.1.3 显示- 13 -3.1.4 温度变送器及A/DC574A转换电路- 14 -3.1.5 D/A1210转换及隔离输出电路- 16 -3.2 数字控制器的设计- 17 -3.2.1增量型PID算式- 17 -3.2.2控制器结构框图- 18 -3.3 软件设计- 19 -3.3.1 主程序流程图- 19 -3.3.2 程控扫描程序流程图- 20 -3.3.3 计时中断程序流程图- 21 -3.3.4 PID算式流程图- 22 -3.3.5 越限报警设计流程图- 22 -第四章 仿真- 24 -4.1 系统仿真结构框图- 24 -4.2 示波器仿真图- 25 -4.3 系统输出响应曲线- 25 -4.4仿真计算过程- 27 -第五章 总结- 28 -参考文献- 29 -附录- 30 -A 系统电流图- 30 -B关键程序代码- 30 -1 程控扫描法程序- 30 -2 A/D（12位）转换程序如下- 34 -3 D/A（12位）转换器输出的接口驱动程序- 35 -4 PID算式程序- 35 -5 数字滤波程序- 38 -6 越限报警程序- 39 -第一章 工艺对象分析1.1 工艺描述目前我国陶瓷隧道窑炉大多采用人工或简单仪表控制，要想使窑炉长期达到最佳工作状态是不可能的，造成产品合格率、一级品率一直处于较低的水平。陶瓷隧道窑炉是由预热带、烧成带和冷却带三个部分组成，瓷件烧成温度在1320左右，窑内温度场主要由烧成带12对喷嘴燃冷煤气产生，窑炉系统用8组风机来调节窑内的压力场。排烟风、助燃风将直接影响烧成带的温度场，急冷风会影响最终产品的质量。窑温控制示意图1.2 控制要求窑温控制在132010范围内。被控过程传递函数1.3 功能分析温度控制系统将采集的各点温度值，经/转换后与设定值进行比较，控制器输出经由/变换，变成 420mA形式模拟量输出给电动执行器，驱动蝶形阀调节喷嘴的煤气进给量，从而控制烧成带的温度。12只温度传感器与12个喷嘴一一对应。第二章 系统分析与选择2.1 系统功能分析系统一共用了12个温度传感器，然后接入多路选择开关，由于温度场的温度变换比较缓慢，所以这就不用采样/保持器了，将多路开关的信号接入温度变送器，将其转换为标准信号再送入A/D转换器，经转换后将其输入计算机控制系统并与设定值进行比较输出给D/A转换器，转换为标准信号送入电动执行机构推动蝶形阀调节喷嘴的煤气进给量，从而控制烧成带的温度。2.2 系统选择2.2.1 计算机机型结合实验设备以及费用的问题，在此，选用了8088系统。2.2.2 系统总线 STD总线。2.3 软件算法选择分析由控制要求及工艺分析可知隧道窑温度控制系统的控制对象具有热储存能力大，惯性也较大的特点，因而可以归于具有纯滞后的一阶大惯性环节；对于大惯性系统的过渡过程控制，一般可采用以下几种控制方案：2.3.1 开关量控制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：开通或关断，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振荡，控制精度不高；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。2.3.2 比例控制(P控制)比例控制的输出与偏差成比例关系；当负荷变化时，抗干扰能力强，过渡过程时间短，但过程终了存在余差；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。2.3.3 比例积分控制(PI控制)控制器的输出与偏差的积分成比例，积分的作用使过渡过程结束时无余差，但降低了系统的稳定性；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。2.3.4 比例积分加微分控制(PID控制)微分的作用使控制器的输出与偏差变化的速度成比例，它对克服对象的容量滞后有显著的效果；在比例基础上加入微分作用，使稳定性提高，再加上积分作用，可以消除余差；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。结合本例题设计任务与要求，由于陶瓷隧道窑温度系统的传递函数有纯滞后环节，因而很难判断哪一种控制方法能够满足系统对控制品质的要求；但从以上对控制方法的分析来看，PID控制方法最适合本例采用：一方面，由于可以采用计算机实现控制过程，无论哪一种控制方法都不会增加系统硬件成本，而只需对软件作相应改变即可实现不同的控制方案；另一方面，采用PID的控制方式可以最大限度地满足系统对诸如控制精度、调节时间和超调量等控制品质的要求。且其适应性很强。2.4传感器选择温度传感器的种类较多。热敏电阻由于非线性而影响其精度；铂电阻温度传感器由于成本高，在一般小系统中很少使用；热电偶传感器测温范围大。采用铂铑-铂热电偶或者铂铑-铂铑热电偶作为温度传感元件，温度控制控制采用单点控制。在此，选用了铂铑铂热电偶传感器，它的测温范围是-501760。2.5执行机构选择电动执行机构接受010mADC或420mADC的输入信号，并将其转换成相应的输出力F和直线位移或输出力矩M和角位移，以推动相应机构动作。因此，我们选用电动执行机构来接受传感器输出的420没mADC直流电流。2.6数字滤波技术选择在工业过程控制系统中，由于被控对象所处的环境比较恶劣，常存在干扰源，如环境温度、电场、磁场等，使得采样值偏离真实值。对于各种随机出现的干扰信号，在微型机组成的自动检测系统中，常通过一定的计算程序，对多次采样信号构成的数据系列进行平滑加工，以提高其有用信号在采样值中所占的比例，减少乃至消除或削弱各种干扰及噪声造成的随机误差 ，从而保证系统工作的可靠性。 数字滤波的方法有很多种，可以根据不同的测量参数进行选择。常用的滤波方法有程序判断滤波、中值滤波、算术平均值滤波、加权平均值滤波、滑动平均值滤波、RC低通数字滤波和复合数字滤波等。 根据本设计系统的要求和参数要求选用算术平均值滤波。 第三章 硬件和软件设计3.1 硬件设计根据系统总体方案，系统由8088基本系统、前向通道、后向通道和人机对话通道等4个主要的功能模块组成；8088系统是整个控制系统的核心，前向通道是信息采集的通道，主要包括传感器、信号放大、A/D转换等电路，后向通道是实现控制信号输出的通道，人机对话通道主要由键盘、LED显示和打印机组成。3.1.1 系统结构框图 3.1.2 键盘 键盘由10个数字键和6个功能键组成。 数字键包括0、1、2、3、4、5、6、7、8、9共10个， 功能键包括A、B、C、D、E、F共6个。 其中：A表示确认，B表示取消，C表示温度设定，D表示修改PID参数，E表示运行，F表示打印。在此，用8255A芯片来外接键盘，其电路图如下：3.1.3 显示 本控制系统的采用LCD显示，液晶模块采用长沙太阳人电子有限公司生产的SMC2004A，该模块可显示204个字符，电路如图所示：P3.4脚输出LCD的选通信号，SMC2004A的总线地址分别为：3F00（写指令）7F00H（读状态）、BF00H（写数据）、FF00H（读数据）。用于显示温度值。 3.1.4 温度变送器及A/DC574A转换电路温度变送器的特性如下： 温度变化热电阻阻值变化温度变送器进行计算输出420mA信号 概述： WRZ系列一体化温度变送器是热电阻、热电偶与变送器的完美结合，以十分简捷的方式把温度信号转换为标准420mA电流信号实现对温度精确测量与控制。WRZ温度变送器可与显示仪、控制系统、记录仪等调节器配套使用，并被广泛应用于石油、化工、发电医药、纺织、锅炉等工业领域。技术指标： 仪表主要特点：温度模块内部采用环氧树脂浇注工艺，适应于各种恶劣和危险场所使用。冷端、温漂、非线形自动补偿。液晶、数码管、指针等多种指示功能方便现场适时监控。 基本误差：1.0%、0.5%、0.25% 二线制输出、无需补偿导线 输出信号：420mA 抗干扰能力强、远传性能好 负载电阻：250允许范围为0500 结构简单、合理安装方便 供电电源：24V DC 允许范围为1830VDC 小型化、安全可靠、使用寿命长 温度漂移：0.015%/ 三线制、二线制输入方法通用 环境温度：-2560、相对湿度：95% 液晶显示现场温度，清晰度高，无视觉误差 防爆等级：dIIBT4 热电偶镍铬-康铜E01000范围内任选镍铬-镍硅K01300范围内任选铂铑10-铂S01600范围内任选铂铑30-铂铑6B01800范围内任选热电阻铂热电阻Pt100-200600范围内任选铜热电阻Cu50-50150范围内任选铜热电阻Cu100-50150范围内任选ADC574A技术指标:单一电源,+5V供电,模拟量输入范围为0-5V分辨率为12位最大不可调误差:ADC574A1/2LSB ADC574A1LSB功耗为15mW转换速度取决于芯片的时钟频率3.1.5 D/A1210转换及隔离输出电路电路如图所示：隔离放大器采用ISO1002，ISO系列隔离放大器在同一芯片上提供了电源及信号的隔离，该混合集成芯片在同一芯片上集成了一个磁电耦合DC/DC变换电源及一个 电流/ 电压输出的光电耦合隔离放大器。该芯片除为内部放大电路供电外，还可向外部输出一路隔离电压，供外部电路扩展使用。这一特点可方便地为外部电路基准电源及外部放大电路或其他用户应用电路供电。输入及输出侧宽爬电距离及内部隔离措施使该芯片可提供3000VAC绝缘电压。 ISO系列产品使用非常方便，几乎无需外部元件，即可实现信号电流源长线传输（如图）。3.2 数字控制器的设计3.2.1增量型PID算式本文控制算法采用数字PID控制,数字PID控制是应用最广，技术最成熟的一种调节方式，其控制结构简单，参数容易调整，不必求出被控对象的数学模型便可以调节。PID调节的实质就是根据输入偏差值，按比例、积分、微分的函数关系进行运算，其运算结果用以输出控制。PID表达式为：u ( k) = u ( k - 1) + Kp e ( k) - e ( k - 1) + KI e ( k) + KD e ( k) - 2e ( k - 1) + e ( k - 2) 离散的PID表达式为：P(k)=P(k-1)+KpE(k)-E(k-1)+KI E(k)+KDE(k)-2E(k-1)+E(k-2)式中： T：采样周期 E（k）：第K次采样时的偏差值 E（k-1）：第K-1次采样时的偏差值E（k-2）：第K-2次采样时的偏差值 K：采样序号：K=0，1，2 P（k）：第K次采样时调节器的输出 Kp：比例系数TI 为积分时间系数TD 为微分时间系数 KI：积分系数, KI =KpTTI KD：微分系数, KD =KpTDT在本系统中当蒸球压力高于给定值 ，蒸汽调节阀应该关小，以降低蒸球内的压力，为达到这种控制效果，控制控制器必须彩反作用控制，这时输入E(k)=R(k)-C(k)。对于PID控制器,当偏差值输出较大时,输出值会很大,可能导致系统不稳定,所以在实际中,需要对调节器的输出限幅。3.2.2控制器结构框图3.3 软件设计3.3.1 主程序流程图3.3.2 程控扫描程序流程图3.3.3 计时中断程序流程图3.3.4 PID算式流程图3.3.5 越限报警设计流程图第四章 仿真4.1 系统仿真结构框图4.2 示波器仿真图4.3 系统输出响应曲线4.4仿真计算过程设置PID参数初值：Kp=0.5；ki=0.1；kd=2.0；仿真后的PID参数值Kp=0.8645；ki=0.1653；kd=9.5491；第五章 总结通过这次工艺系统的设计，我更加的了解到参考文献1、潘新民，王燕芳.微型计算机控制技术.高等教育出版社,20012、马修水，李晓林.传感器与检测技术（第二版）.电子工业出版社,20083、马春燕.微机原理与接口技术（基于32位机）.电子工业出版社,20074、陈良光,宋荷庆,金华频.数字式温度传感器原理及其应用.中国仪器仪表,2001 (1) :15 - 18.5、陶永华,尹怡欣,葛芦生.新型P ID控制及其应用M .北京机械工业出版社, 19986、李国勇,谢克明,杨丽娟.计算机仿真技术与CAD基于MATLAB的控制系统（第二版）,北京:电子工业出版社.2008-1 附录A 系统电流图B关键程序代码1 程控扫描法程序DESEGSEGMENTPORTCNLDW021BH,021AH,0219H,0218HBUFFDB?NUMDW0643HDESEGENDSSTACKSEGMENTDW32 DUP(?)TOSLABELWORDSTACKENDSCODESEGMENTBEGINPROCFARASSUME:CS:CODE,DS:DESEG,SS:STACKSTART:PUSHDSSUBAX,AXPUSHAXMOVAX,DESEGMOVDS,AXMOVAX,STACKMOVSS,AXMOVSP,OFFSET STOSMOVDX,POTCNLMOVAL,90HOUTDX,ALKEYSCAN:CALLDISUPKEYPRO:CALLKEXAMJZKEYPROCALLD10 msCALLKEXAMJZKEYPROKEY1:MOVAH,0FEHMOVBH,0MOVBL,0DECDXMOVAL,AHKEY2:OUTDX,ALDECDXDECDXINAL,DXCMPAL,0FFHJNZKEY3ADDBL,04HROLAH,1MOVAL,AHINCDXINCDXANDAL,10HJNZKEY2JMPKEYSCANKEY3:INCBHSHRAL,1JCKEY3KEY4:CALLD10 msCALLKEXAMJNZKEY4ADDBL,BHDECBLMOVBUFF,BLCALLKEYPROBEGINENDPD10 msPROCNEARNEXT:PUSHCXMOVCX,NUMDECCXJNZNEXTPOPCXRETD10 msENDPKEXAMPROCNEARPUSHDXDECDXMOVAL,00HOUTDX,ALDECDXDECDXINAL,DXCMPAL,0FFHPOPDXRETKEXAMENDPDISUPPROCNEARDISUPENDPCODEENDSENDSTART2 A/D（12位）转换程序如下DATA SEGMENTBUF DW？DATA ENDSCODE SEGMENTMAIN PROC FARASSUME：CS：CODE，DS：DATASTART：MOV AX，DATA ；设置数据段 MOV DS，AX MOV BX，OFFSET BUF；数据段缓冲区地址送BX MOV AL，9AH ；设A、B口及C口高4位为输入方式，低四位为输出方式MOV DX，2C3HOUT DX，ALMOV AL，00H ；使R/C为低电平，启动A/D转换OUT DX，ALNOPNOPLOOP：DEC DX IN AL，DX ；查询STS的状态 TEST AL，80H JNZ LOOP MOV AL，01H ；使R/C=1 OUT DX，AL MOV DX，2C1HIN AL，DX ；读高8位数据 MOV BX+1，AL ；存入数据 DEC DX IN AL，DX ；读低四位数据 ANL AL，0F0H MOV BX，AL ；存入数据 MOV AH，4COOH INT 21H MAIN ENDPCODE ENDSEND START 3 D/A（12位）转换器输出的接口驱动程序START:MOVDX,ADRESS；DAC基地址送DX寄存器MOVCL,4SHLBX,CL；BX中12位数向左对齐MOVAL,BHOUTDX,AL；写入高8位数INCDXMOVAL,BLOUTDX,AL；写入低4位数INCDXOUTDX,AL；启动D/A转换（AL中为任意数均可）HLT4 PID算式程序PID:MOVAX,SPECSUBAX,YKMOVR0,AXMOVR1,AXSUBAX,EK_1MOVR2,AXSUBAX,AEK_1MOVBEK,AXMOVR8,AXMOVAX,R1MOVEK_1,AXMOVAX,R2MOVAEK_1,AXTESTR1,8000HJZEK1NEGR1EK1:MOVAX,R1SUBAX,TBANDJCI1MOVR3,00HJMPDDDI1:MOVAL,TSMOVAH,00HMOVCX,R1MULCXMOVCX,KI1DIVCXMOVR3,AXTESTR0,8000HJZDDDNEGR3DDD:TESTBEK,8000HJZDDD1NEGBEKDDD1:MOVAX,BEKMOVCX,KDDMULCXPUSHAXPUSHDXMOVAL,TSMOVAH,00HMOVCX,0008HMULCXMOVCX,AXPOPDXPOPAXDIVCXMOVR4,AXTESTR8,8000HJZDD1NEGR4DD1:MOVAX,R3ADDAX,R4MOVR5,AXJ0L9L2:MOVAX,R5ADDAX,R2MOVR6,AXJ0L3L5:MOVAX,R6MOVCX