基于PID算法的电加热炉温度控制系统设计.doc

辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 论文 课程设计 论文 任务及评语课程设计 论文 任务及评语 院 系 电气工程学院 教研室 自动化 注 成绩 平时20 论文质量60 答辩20 以百分制计算 学 号学生姓名专业班级 课程设计 论文 基于PID算法的电加热炉温度控制系统设计 课程设计 论文 任务 实现功能实现功能 电加热炉用电炉丝提供功率 使其在预定时间内将炉内温度稳定在给定值上 本控 制对象电阻加热炉功率为8kW 由220V交流电源供电 本设计以单片机为控制核心 加 上相应的输入输出通道 采用PID算法 将温度控制在规定范围内 并要求实时显示当 前温度值 被控对象由一阶惯性和纯滞后环节组成 设计任务及要求设计任务及要求 1 确定系统设计方案 包括单片机的选择 输入输出通道 键盘显示电路 2 建立被控对象的数学模型 3 推导控制算法 设计算法的程序流程图或程序清单 4 仿真研究 验证设计结果 5 撰写 打印设计说明书一份 设计说明书应在 4000 字以上 技术参数技术参数 温度控制范围 50 350 控制精度 1C 三位 LED 显示温度值 进度计划 1 布置任务 查阅资料 确定系统方案 1 天 2 被控对象建模 1 天 3 算法推导 程序设计 3 天 4 仿真研究 2 天 5 撰写 打印设计说明书 2 天 6 答辩 1 天 指导教师评语及成绩 平时 论文质量 答辩 总成绩 指导教师签字 年 月 日 本科生课程设计 论文 IV 摘 要 电加热炉随着科学技术的发展和工业生产水平的提高 已经在冶金 化工 机械等各类工业控制中得到了广泛应用 并且在国民经济中占有举足轻重的地位 对于这样一个具有非线性 大滞后 大惯性 时变性 升温单向性等特点的控制 对象 很难用数学方法建立精确的数学模型 因此用传统的控制理论和方法很难 达到好的控制效果 电加热炉加热温度的改变是由上 下两组炉丝的供电功率来调节的 它们分 别由两套晶闸管调功器供电 调功器的输出功率由改变过零触发器的给定电压来 调节 本设计以 AT89C51 单片机为控制核心 输入通道使用 AD590 传感器检测 温度 测量变送传给 ADC0809 进行 A D 转换 输出通道驱动执行结构过零触发 器 从而加热电炉丝 本系统 PID 算法 将温度控制在 50 350 范围内 并能 够实时显示当前温度值 关键词 电加热炉 功率 温度范围 PID 本科生课程设计 论文 V 目 录 第 1 章 绪论 1 第 2 章 课程设计方案 2 2 1 概述 2 2 2 系统组成总体结构 3 第 3 章 硬件设计 4 3 1 器件选择 4 3 2 控制器 4 3 3 电源部分 4 3 4 输入通道设计 5 3 4 1 温度检测电路 5 3 4 2 A D 转换电路 5 3 5 输出通道设计 6 3 6 键盘的选取 7 第 4 章 软件设计 8 4 1 系统流程图 8 4 2 PID 算法流程图 9 4 3 程序流程图 10 第 5 章 系统测试与分析 实验数据及分析 12 第 6 章 课程设计总结 13 参考文献 14 本科生课程设计 论文 1 第 1 章 绪论 电加热炉在化工 冶金等行业应用广泛 因此温度控制在工业生产和科学研 究中具有重要意义 其控制系统属于一阶纯滞后环节 具有大惯性 纯滞后 非 线性等特点 导致传统控制方式超调大 调节时间长 控制精度低 采用单片机 进行炉温控制 具有电路设计简单 精度高 控制效果好等优点 对提高生产效 率 促进科技进步等方面具有重要的现实意义 常规的温度控制方法以设定温度为临界点 超出设定允许范围即进行温度调 控 低于设定值就加热 反之就停止或降温 这种方法实现简单 成本低 但控 制效果不理想 控制温度精度不高 容易引起震荡 达到稳定点的时间也长 因 此 只能用在精度要求不高的场合 电加热炉是典型的工业过程控制对象 在我国应用广泛 电加热炉的温度控 制具有升温单向性 大惯性 大滞后 时变性等特点 其升温 保温是依靠电阻 丝加热 降温则是依靠环境自然冷却 当其温度一旦超调就无法用控制手段使其 降温 因而很难用数学方法建立精确的模型和确定参数 应用传统的控制理论和 方法难以达到理想的控制效果 本设计采用达林算法进行温度控制 使整个闭环 系统所期望的传递函数相当于一个延迟环节和一个惯性环节相串联来实现温度的 较为精确的控制 单片机作为控制系统中必不可少的部分 在各个领域得到了广泛的应用 用 单片机进行实时系统数据处理和控制 保证系统工作在最佳状态 提高系统的控 制精度 有利于提高系统的工作效率 本科生课程设计 论文 2 第 2 章 课程设计方案 2 1 概述 加热炉是典型的工业过程控制对象 在我国应用广泛 电加热炉的温度控制 具有升温单向性 大惯性 大滞后 时变性等特点 其升温 保温是依靠电阻丝 加热 降温则是依靠环境自然冷却 当其温度一旦超调就无法用控制手段使其降 温 因而很难用数学方法建立精确的模型和确定参数 应用传统的控制理论和方 法难以达到理想的控制效果 本设计采用 PID 算法进行温度控制 使整个闭环系 统所期望的传递函数相当于一个延迟环节和一个惯性环节相串联来实现温度的较 为精确的控制 在用 PID 算法进行控制时 需要对参数进行整定 从达林算法表达式可知 参数的确定十分重要 其大小反映了表达式中差值与输出值的不同权重之分及制 约关系 本科生课程设计 论文 3 2 2 系统组成总体结构 电加热炉温度控制系统原理图如图 2 1 主要由温度检测电路 A D 转换电 路 驱动执行电路 显示电路及按键电路等组成 系统采用可控硅交流调压器 输出不同的电压控制电阻炉温度的大小 温度 通过热电偶检测 再经过变送器变成 0 5 V 的电压信号送入 A D 转换器使之变 成数字量 此数字量通过接口送到微机 这是模拟量输入通道 图 2 1 电加热炉温度控制系统硬件结构框图 AT89C51 A D 转换 ADC0809测量变送 温度检测 AD590 驱动执行机构 加热电炉丝 键盘显示 本科生课程设计 论文 4 第 3 章 硬件设计 3 1 器件选择 本系统选用 AT89C51 作为控制器 温度检测部分选用 AD590 作为传感器 ADC0809 作为 A D 转换器 过零触发器采用光耦驱动电路及双向可控硅电路 3 2 控制器 控制器选择 AT89C51 单片机 引脚图如图 2 2 图 3 1 AT89C51 引脚图 3 3 电源部分 本系统所需电源有 220V 交流市电 直流 5V 电压和低压交流电 故需要变 压器 整流装置和稳压芯片等组成电源电路 电源变压器是将交流电网 220V 的 电压变为所需要的电压值 然后通过整流电路将交流电压变为脉动的直流电压 由于此脉动的直流电压还含有较大的纹波 必须通过滤波电路加以滤除 从而得 本科生课程设计 论文 5 到平滑的直流电压 但这样的电压还随电网电压波动 一般有 10 左右的波动 负载和温度的变化而变化 因而在整流 滤波电路之后 还需要接稳压电路 稳 压电路的作用是当电网电压波动 负载和温度变化时 维持输出直流电压稳定 整流装置采用二极管桥式整流 稳压芯片采用 7805 配合电容将电压稳定在 5V 供控制电路 测量电路和动执行电路中弱电部分使用 除此之外 220V 交 流市电还是加热电阻两端的电压 通过控制双向可控硅的导通与截止来控制加热 电阻的功率 低压交流电即变压器二次侧的电压 通过过零检测电路检测交流电 的过零点 送入单片机后 控制每个采样周期内双向可控硅导通正弦波个数的方 法来调节加温功率 3 4 输入通道设计 3 4 1 温度检测电路 温度检测元件选用温度传感器 AD590 AD590 是美国 ANALOG DEVICES 公司的单片集成两端感温电流源 其主要特性如下 流过器件的电流 A 等于器件所处环境的热力学温度 开尔文 度数 Ir T 1 式中 Ir 流过器件 AD590 的电流 单位为 A T 热力学温度 单位为 K 2 AD590 的测温范围为 50 350 3 AD590 的电源电压范围为 4 30 V 可以承受 44V 正向电压和 20V 反向 电压 因而器件即使反接也不会被损坏 4 输出电阻为 710 m 5 精度高 AD590 在 50 350 范围内 非线性误差仅为 0 3 3 4 2 A D 转换电路 ADC0809 是一个典型的逐次逼近型 8 位 A D 转换器 它由 8 路模拟开关 8 位 A D 转换器 三态输出锁存器及地址锁存译码器等组成 它允许 8 路模拟量分 时输入 转换后的数字量输出是三态的 总线型输出 可以直接与单片机数据 总线连接 ADC0809 采用 5V 电源供电 外接工作时钟 当典型工作时钟为 500KHz 时 转换时间约为 128us 要处理好模拟信号与数字信号的双向转换 我 本科生课程设计 论文 6 们需要一个转换器实现信号的转换 采用 ADC0809 和 DAC0832 转换器 ADC0809 是采样频率为 8 位的 以逐次逼近原理进行模 数转换的器件 其内 部有一个 8 通道多路开关 它可以根据地址码锁存译码后的信号 只选通 8 路模 拟输入信号中的一个进行 A D 转换 DAC0832 是 8 位分辨率的 D A 转换集成芯 片 3 5 输出通道设计 输出通道采用过零触发器 由光耦驱动电路和双向可控硅电路组成 1 光耦驱动电路 在驱动电路中 由于是弱电控制强电 而弱电又很容易受到强电的干扰 影 响系统的工作效率和实时性 甚至烧毁整个系统 导致不可挽回的后果 因此必 须要加入抗干扰措施 将强弱电隔离 光耦合器是靠光传送信号 切断了各部件 之间地线的联系 从根本上对强弱电进行隔离 从而可以有效地抑制掉干扰信号 此外 光耦合器提供了较好的带宽 较低的输入失调漂移和增益温度系数 因此 能够较好地满足信号传输速度的要求 且光耦合器非常容易得到触发脉冲 具有 可靠 体积小 等特点 所以在本系统设计中采用了带过零检测的光电隔离器 MOC3061 用来驱动双向可控硅并隔离控制回路和主回路 MOC3061是一片把 过零检测和光耦双向可控硅集成在一起的芯片 其输出端的额定电压是400V 最 大重复浪涌电流为1 2A 最大电压上升率dv dt为1000v us 输入输出隔离电压为 7500V 输入控制电流为15mA 在驱动执行电路中 当单片机的P2 0 P2 1 P2 2发出逻辑数字量为高电平时 经过三极管放大后驱动光耦合器的放光二极管 MOC3061的输入端导通 有大约 15mA的电流输入 当MOC306的输出端6脚和4脚尖电压稍稍过零时 光耦内部双 向可控硅即可导通 提供一个触发信号给外部晶闸管使其导通 当 P2 0 P2 1 P2 2为低电平时 MOC3061截止 双向可控硅始终处于截止状态 2 双向可控硅电路 在本设计中 考虑到电网电压的稳定和现在市场上销售的双向可控硅型号 选择了工作电压为400V 通态电流为4A的双向可控硅BT136 利用单片机控制双 向可控硅的导通角 在不同时刻利用单片机给双向可控硅的控制端发出触发信号 使其导通或关断 实现负载电压有效值的不同 以达到调压控制的目的 具体如 下 a 由硬件完成过零触发环节 即在工频电压下 每10ms进行一次过零触 发信号 由此信号来达到与单片机的同步 本科生课程设计 论文 7 b 过零检测信号接至P1 5转换口 由单片机对此口进行循环检测 然后进 行延时触发 3 6 键盘的选取 本系统采用 3 3 键盘 由单片机 I O 口控制 可通过按键设定温度和时间 有的按键在不同情况下可以实现不同功能 本科生课程设计 论文 8 第 4 章 软件设计 4 1 系统流程图 本系统的主程序流程图如图 4 1 所示 图 4 1 电加热炉温度控制系统主程序流程图 系统采用可控硅交流调压器 输出不同的电压控制电热炉温度的大小 温度 通过热电偶检测 再经过变送器变成 0 5 V 的电压信号送入 A D 转换器使之变 成数字量 此数字量通过接口送到微机 这是模拟量输入通道 在微机内部 开始 系统的初始化 温度数据采集及处理 是否低于预设值 PID 算法 求出输出控制量 控制输出 结束 停止加热 YES NO 本科生课程设计 论文 9 主机将采样值与给定值比较后进行控制算法计算 再经 D A 转换器变成模拟量 然后经放大器放大后输入调压器 调节电压的大小 以达到控制温度的目的 4 2 PID 算法流程图 PID流程图如图 4 2 离线计算q0 q1 q2 置 e k 1 e k 2 0 将 A D 结果赋给 y k e k r k y k 按式计算控制增量 u k 将 u k 输出给 D A e k 2 e k 1 e k 1 e k 采样时刻到否 A D D A 被 控 对 象 否 到 图 4 2 PID 算法流程图 本科生课程设计 论文 10 4 3 程序流程图 系统程序流程图如图 4 3 开始 初始化 调用扫描子程序 调用 A D 转换子程序 调用温度控制子程序 调用显示子程序 键值复原 图 4 3 程序流程图 部分 PID 控制程序 MOV R5 01H 本科生课程设计 论文 11 MOV R4 3CH DIV R5 64H DIV R4 64H ADD R5 R4 MOV R6 74H DIV R6 64H MUL R5 Z DEC R5 R6 MOV R7 R5 MOV R5 01H MOV R4 0A2H DIV R5 64H DIV R4 64H ADD R5 R4 MOV R6 01H MUL R6 Z DEC R6 R5 DIV R7 R6 本科生课程设计 论文 12 第 5 章 系统测试与分析 实验数据及分析 对设定传递函数进行 PID 算法仿真 使用 AEDK labACT 实验箱 仿真接线 图如图 5 1 图 5 1 达林算法连接图 其中时间常数 350 秒 放大系数 50 滞后时间 20 秒 控制算法 d T d K 选用达林算法 得到仿真图如图 5 2 图 5 仿真曲线 本科生课程设计 论文 13 第 6 章 课程设计总结 此次课程设计中 我做的课题是 基于PID算法的电加热炉温度控制系统设 计 在本控制对象电阻加热炉功率为8KW 20V交流电供电 采用双向可控硅进 行控制 本设计针对一个温度区进行温度控制 要求控制温度范围50 350 保 温阶段温度控制精度为正