计算机控制技术课程设计之电阻炉温度控制系统

.摘要随着科学技术的迅速发展，对各领域温度控制系统的精度、稳定性等要求越来越高，控制系统也千变万化。 电阻炉广泛应用于各行业，其温度控制通常通过模拟和数字调节器调节，但存在固有的缺点。 使用单片机进行炉温控制，能大幅度提高控制质量和自动化水平，具有良好的经济效益和普及价值。本设计以89C51单片机为中心控制装置，ADC0809为A/D转换装置，采用闭环直接数字控制算法，通过控制晶闸管控制热电阻，控制电炉温度，最终满足要求的电阻炉微机温度控制系统关键词：电阻炉89C51单片机温度控制A/D转换电阻炉温度控制系统1系统的说明和分析1.1系统的介绍该系统的控制对象是电炉，采用热阻线加热，用高功率晶闸管控制器控制施加在热阻线两端的电压的大小，使热阻线上流动的电流变化，使电炉炉内的温度变化。 晶闸管控制器的输入为05伏特时，与电炉温度0500对应，温度传感器的测量值也与05伏特对应，对象特性是具有纯滞后的一次惯性系统，在此惯性时间常数为T1=30秒，滞后时间常数为=10秒。该系统利用单片机容易实现PID参数的选择和设定，实现工业中的PID控制。 使用温度传感器热电偶，对检测出的实际炉温进行A/D转换，发送给计算机，与设定值进行比较并算出偏差。 根据PID规则调整该偏差，得到相应的控制量控制驱动电路，调节电炉的加热功率，实现炉温的控制。 利用单片机实现温度智能控制，能自动完成数据采集、处理、转换，进行PID控制和键盘终端处理(各参数数值的修改)和显示。 在设计中，采样周期不能太短，否则调整过程会变得频繁，不仅致动器无法反应，而且计算机的利用率也要注意的是，如果不太长采样周期，噪声就会很快消除，调整质量也会降低1.2技术指标设计了基于闭环直接数字控制算法的电阻炉温度控制系统的具体化技术指标。1 .电阻炉的温度为0500；2 .加热过程中恒温控制，误差为2；3. LED实时显示系统温度，用键盘输入温度，精度为1；4 .采用直接数控算法，要求误差小，稳定性好2方案的比较和决定剧本1系统采用8031作为系统的微处理器。 温度信号被热电偶检测和转换为电信号，被预处理(放大)后被发送到A/D转换器，转换后的数字信号被发送到8031内部，以进行判断或计算。 输出的控制信号控制锅炉是否加热. 但是在8031中，内部只有128字节的RAM，没有程序存储器，系统的程序很多，为了完成键盘和显示器等功能，需要扩展8031的存储器和I/O端口，需要大容量的程序存储器，外扩展剧本2系统采用89C51作为系统的微处理器，完成炉温控制和键盘显示功能。 是在8051片内除了128KB的RAM外，还将4KB的ROM作为程序存储器集成的程序在4K字节以下的小系统。 系统程序较多时，只要增加容量小的程序内存，就能减少占用的I/O端口，同时为键盘、显示器等功能的设计提供硬件资源，简化设计，降低成本。 89C51可以满足设计要求。总结以上两个方案，这个设计选择两个方案比较合适。三控制算法3.1控制算法的确定PID调节是连续系统中技术最成熟、应用最广泛的控制算法。 其结构很灵活，不仅可以用通常的PID调节，而且还可以采用各种PID的变化，例如PI、PD控制和改进的PID控制。 具有不需要求出数学模型、控制效果高等许多特征，特别是在微机控制系统中，对于时间常数比较大的被控制对象，数字PID可以完全取代模拟PID调节器，应用更灵活，使用性更强。 因此，该系统采用了PID控制算法。 系统的结构框图如图3-1所示图3-1系统结构框图3.2数学模型的建立具有一次惯性纯滞后特性的电阻炉系统可以如下表示数学模型(2-1)在PID调节中，比例控制可以迅速地对误差作出反应，减小误差，但比例控制不能消除稳态误差，一旦变大，就会引起系统不稳定的积分控制的作用是，只要系统有误差，积分控制作用就会不断地积累，输出控制量来消除误差，因此是足够的积分控制可以完全消除误差，积分作用过大时系统过冲，甚至有系统振动的微分控制可以减少过冲量，克服振动，提高系统的稳定性，同时加快系统的动态响应速度，减少调节时间，改善系统的动态性能结合p、I、d三种调节规则，系统快速敏捷、光滑准确，只要三者强度合适，就能得到满意的调节效果。模拟PID控制规则如下(2-2)式中：称为偏差值，可作为温控器的输入信号。 其中，是规定值，是被测定变量值，是比例系数，是积分时间常数，是微分时间常数，控制调节器的输出电压信号。因为计算机只能处理数字信号，所以上述数字方程式必须进行转换。 假设采样周期为t，第一次采样得到的输入偏差为，调节器的输出近似如下(用差分代替微分)(用合计代替积分)由此，式(2-2)能够如下改写(2-3)其中是调节器的第二个输出值，分别是第一个和第二个采样时刻的偏差值。 从公式中可以看出，在全比例输出中，每次的输出值都与致动器的位置一一对应，所以被称为位置型PID算法。 在这种位置型控制算法中，公式中存在累计项，而且输出的控制量不仅与此次的偏差相关，还与过去的采样偏差相关，发生大幅度变化，引起系统的冲击，导致事故。 因此，实际上，在致动器需要其增量而不是控制量的绝对值的情况下，可以采用增量式PID算法。 控制系统的致动器是步进电机、电动调节阀、多旋转电位器等具有保持历史位置的功能的装置的情况下，通常采用增量PID控制算法。与位置算法相比，增量PID算法具有以下优点(1)每次位置类型与整个过程状态语相关地被输出时，在计算式中使用过去的偏差的累计值，容易发生大的累计误差，另一方面，在增量式中积分项被消除，因此调节器的积分饱和被消除，在精度不足的情况下，计算误差对控制量的影响小(2)为了实现手动-自动安心切换，在切换的瞬间，需要将计算机的输出值设定为原来的阀开度，如果采用增量型算法，则该输出在作为与阀位置的变化对应的部分的公式中不出现项，因此能够容易地实现从手动到自动的安心的手动切换(3)由于采用增量算法时使用的执行元件本身具有寄存器功能，所以即使计算机发生故障，执行元件也可以停留在原来的位置，不会对生产造成不良影响。正因为有这种优点，在实际控制中，增量算法比位置算法应用得更广泛。 使用位置型PID控制算法，可以得到增量型PID控制算法的递归形式如下(2-4)式中作为比例增益积分系数的微分系数。为了简化编程，将公式(2-4)整理如下(2-5)式中：4系统硬件和软件的设计4.1整体设计系统硬件包括四个主要部分：微控制器部分(主机)、温度检测、温度控制、人机交互(键盘/显示/警报)，系统结构框图如图4-1所示。系统程序采用模块设计方法，程序由主程序、中断服务子程序和各功能模块程序构成，各功能模块可以直接调用。图4-1系统结构框图该部分电路主要包括89C51主程序的工作情况，主程序完成了系统初始化、温度预设及其合法性检查。 预设温度的显示和计时器T0的初始化设定等。 T0中断服务程序是温度控制系统的主体，用于温度检测。 主程序和中断服务子程序的流程图如图4-2所示。主要程序如下：TEMP1 EQU 50H； 当前检测温度(上位)temp2equesttemq1； 现在检测温度(下位)ST1 EQU 52H； 预设温度(上位)ST2 EQU 53H； 预设温度(下位)T100 EQU 54H； 温度BCD代码显示缓冲区(百位)T10 EQU T100 1； 温度BCD代码显示缓冲区(十位)T EQU T100 2； 温度BCD代码显示缓冲器(位)BT1 EQU 57H； 温度二进制代码显示缓冲器(上位)BT2 EQU BT1 1； 温度二进制代码显示缓冲区(下位)ADIN0 EQU 7FF8H； ADC 0809通道IN0的端口地址TEMP1 DB 00H，00H，00H，00H，00H，00H，00H，00H； 50H58H单元初始化(清零)ORG 0000HAJMP MAIN； 主例行程序ORG 00BHAJMP PT0； 到T0中断服务子程序ORG 0030H主： mov sp、#59H； 立堆叠标志MOV TMOD、#01H； 计时器0初始化(方式1 )MOV TL0、#0B0H； 计时器100ms的定时常数MOV TH0，#3CHMOV R7、#150； 15s软计数器初始值集SETB ET0； 允许计时器0中断SETB EA； 中断SETB TRO； 启动计时器0主1:a call kin； 调用键盘管理子程序ACALL DISP； 调用显示子程序。SJMP MAIN1计时器0中断服务子程序PT0 :PT0: MOV TL0、#0BOHMOV TH0，#3CH； 复位计时器0的初始值DJNZ R7、BACK； 15s开始no，不回来MOV R7、#150； 复位软计数器的初始值。甲醇三酮； 温度检测MOV BT1、TEMP1； 现在的温度被送到显示缓冲器MOV BT0，TEMP0ACALL DISP； 显示现在的温度后退： reti图4-2主程序和中断服务子程序的流程图4.2温度检测电路温度检测电路包含三个部分：温度传感器、振荡器和A/D转换。 传感器选定WZB-003型铂测温电阻体，可满足本系统0500测量范围的要求。 振荡器将电阻信号转换为与温度成比例的电压，温度达到0500时，振荡器输出04.9v左右的电压。 A/D转换既可以通过ADC0809进行，也可以通过单片机内部的A/D功能进行。 电路设计后，如果调整振荡器输出，使得0500的温度变化对应04.9v的输出，则与A/D转换对应的数字量子位00HFAH，即0250，转换结果乘以2，正好成为温度值。 在该方法中，能够减少比例转换的工作量，另一方面，也能够避免比例转换引起的计算误差。本设计的A/D转换采用查询方式(在P1.4中查询ADC0809的ECO转换结束信号)。 为了提高采样的可靠性，对采样温度进行数字滤波。 数字滤波器的方法很多，在此采用4次采样取平均值的方法。 因此，检测到4次采样的数字量之和除以2的当前温度。 温度检测子程序的流程图在图4-3中示出。图4-3温度检测子程序的流程图4.3温度控制电路控制电路通过晶闸管实现，三端双向可控硅SCR和电路电阻线与交流220V商用电路串联连接，单片机的信号通过光电隔离器和驱动电路发送至晶闸管的控制端，以端口的高低电平控制晶闸管的接通和断开，进行电阻线的通电加热将当前温度与预设温度进行比较，如果当前温度小于预设温度，继电器关闭，如果打开电阻线加热的当前温度大于预设温度，继电器关闭，停止加热。如果两者相等，电路保持原始状态的温度比预设温度低2，则温度控制模块的流程图如图4-4所示。图4-4温度控制模块的流程图4.4人机对话电路4.4.1键盘管理为了使系统紧凑化，键盘只设置了“开始键”、“百位”、“十位”和“个位”四个功能键。 把P1端口的低位4位作为键盘接口。 用数字键