基于PID控制的管式电炉温度控制系统

1、辽辽 宁宁 工工 业业 大大 学学 计算机控制技术计算机控制技术 （论文）（论文） 题目：题目： 基于基于pidpid算法的管式电炉温度控制系统设计算法的管式电炉温度控制系统设计 院（系）：院（系）： 电气工程学院电气工程学院 专业班级：专业班级： 自动化自动化094094 学学 号：号： 090302118090302118 学生姓名：学生姓名： 指导教师：指导教师： 起止日期：起止日期： 本科生课程设计（论文） i 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： 学 号学生姓名专业班级 课程设计 题目 基于pid算法的管式电炉温度控制系统设计 课程设

2、计（论文）任务 课题完成的功能、设计任务及要求、技术参数课题完成的功能、设计任务及要求、技术参数 实现功能实现功能 实验用管式电炉可用于实验室做物理测定、实验化学分析、热电偶校定及小 型机件热处理。通过巡回检测两路电炉内温度，根据测量到的温度采样值与系 统给定值进行比较来决定是否启动电热丝加热，本设计要求采用单片机作为控 制器，控制算法采用常规的pid控制，由键盘进行温度控制值的选择，三位led 显示炉温。 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； 3、设计pid算法的程序流程图，给出程序清单； 4、仿真研究，验证设计结果。 5、撰写、

3、打印设计说明书一份；设计说明书应在4000字以上。 技术参数 实验用管式电炉： 额定功率6kw，额定电压 220v 额定温度1000 炉膛尺寸 100*1000（mm） 检测范围 01000 检测精度 2% 进度计划 1、布置任务，查阅资料，确定系统方案（1天） 2、系统功能分析（1天） 3、算法推导，程序设计（2天） 4、仿真分析与研究（2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） ii 注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算 摘 要 自动控制系统在各个领域尤其是工业领域中有着及其广泛的应用，温度

4、控制 是控制系统中最为常见的控制类型之一。随着单片机技术的飞速发展，通过单片 机对被控对象进行控制日益成为今后自动控制领域的一个重要发展方向。 本文研究的主要问题是实验室常用的管式电阻炉的温度控制，在控制过程中 主要应用 stc89c52、adc0832、adc0832 和 led 显示。以单片机为核心控制 部件，并通过三位数码管显示实时温度的一种数字温度计。要实现对电阻炉的温 度控制，就需要了解这一被控对象的特性，因此又介绍了电阻炉温度特性测试实 验的整个过程、测试方案及处理方法。然后针对电阻炉的特点，利用实验室有的 设备，提出了利用 ddz-iii 型仪表组合成一套单闭环负反馈的控制系统，

5、通过调 节 pid 调节器的比例系数、积分系数和微分系数来实现对电阻炉温度 p k f k d k 的控制。 关键词：管式电阻炉；单闭环负反馈；pid； 本科生课程设计（论文） iii 目 录 第 1 章 绪论.1 第 2 章 课程设计的方案.2 2.1 概述 .2 2.2 系统组成总体结构 .2 第 3 章 硬件设计.4 3.1 单片机 stc89c52 .4 3.2 k 型热电偶 .5 3.3 a/d 芯片 adc0832 .5 3.4 d/a 芯片 dac0832 .7 3.5 led 显示 .8 3.6 执行器 .9 3.7 按键电路 .10 第 4 章 管式电阻炉系统软件设计.12

6、4.1 管式电阻炉系统主程序 .12 4.2 pid 控制算法 .13 4.3 pid 调节器的参数整定方法 .14 第 5 章 系统测试与分析/实验数据及分析.15 第 6 章 课程设计总结.16 参考文献.17 本科生课程设计（论文） 1 第 1 章 绪论 随着现代化生产对温度控制品质要求的日益提高，一些控制精度且难以管理 的老式电阻炉必须用新技术进行改造，其中控制算法研究处于至关重要的地位。 现在所说的管式电阻炉温度控制系统，多指采用电脑或微处理器进行智能控制系 统，在系统的发展史上，称为第三代控制系统，以 plc 和 dcs 为代表，从 70 年 代开始应用以来，在冶金、电力、石油、化

7、工、轻工等工业过程控制中获得迅猛 发展。从 90 年代开始，陆续出现了现场总线电阻炉温度控制系统、基于 pc 的电 阻炉温度控制系统等。 电阻炉是热处理工业中常用的设备，具有大滞后、参数时变、非线性等特点。 各个领域对电阻炉温度控制的精度、稳定性、可靠性要求越来越高。提高该类对 象的控制品质具有广泛的应用价值。常规 pid 控制算法简单、易于实现，适用于 可建立精确数学模型的确定性控制系统。而实际工业生产过程往往具有非线性和 时变性，难以建立精确的数学模型，因此常规 pid 控制器不能达到理想的控制效 果。模糊控制不需要被控对象的精确数学模型，而且控制灵活、鲁棒性强，但模 糊控制器的积分作用较

8、弱，导致系统的动态品质较差。将模糊控制和 pid 控制两 者结合起来的复合型控制器，对复杂控制系统具有良好的控制效果。 文中在深入研究先进 pid 控制理论及其智能优化控制策略的基础上，以电阻 炉为被控对象，建立一种温度控制系统。由前端温度传感器及温度检测模块实时 检测电阻炉温度，并转换成电压信号，该电压信号经过温度检测电路转换成与炉 温相对应的数字信号进入单片机，单片机进行数据处理后，通过液晶显示屏显示 温度并判断是否报警，同时将得到的温度偏差和偏差变化率进行模糊化，建立模 糊控制规则表，由设定的模糊控制算法计算出控制量，通过控制固态继电器的导 通和关闭从而控制电阻丝的导通时间，以实现对炉温

9、的控制。 本科生课程设计（论文） 2 第 2 章 课程设计的方案 2.1 概述 本次设计选用的管式电阻炉为回转式管式电阻炉，其最高使用温度为 1100 。电炉炉体由角钢、薄钢板构成。炉膛系单节封闭式管型炉，外形呈一横置的 c 圆柱体，炉膛系碳化硅制成长圆体放于炉子内部，两端用轻质耐火粘土制成的炉 圈固定，炉膛和炉壳之间填由硅酸铝纤维毡和珍珠岩做保温材料。发热元件制成 螺旋形后绕于炉壁之中。炉体由柱体支撑旋转钮可进行旋转。控制器由内部分测 量、调节控制和电路电源装置三个部分构成，其中测量和控制由配置的 tdw- 2001 型温度指示调节仪来完成，电炉电源装置由接触器、电流表、电源开头、端 子板等

10、元件组成，因此不但能测量温度，而且能自动控制温度在给定范围内。 2.2 系统组成总体结构 在该控制系统中管式电阻为被控对象，检测元件为 k 型热电偶，由于热电偶 所检测的温度信号为模拟信号，因此必须转换为单片机能接受的数字信号。该管 式电阻炉温度控制系统的框图如图 2.1 所示。 stc89c52 k 型热电偶a/d 转换 测仪 管 式 电 阻 炉 温度控制 led 显示 d/a 转换 键 盘 图2.1 系统总体结构 本科生课程设计（论文） 3 上述电路中我们使用 adc0832 来进行 a/d 转换。转换后的数字信号送入 stc89c52 单片机，经单片机运算处理，转换成 rom 地址，在经

11、过线性化标度 变换计算出实际温度值。此值送 3 位数码管显示。同样，单片机输出的为数字信 号，要使记录仪显示结果，就必须把数字量转换为模拟量，该设计中使用 dac0832 进行 d/a 转换。 本科生课程设计（论文） 4 第 3 章 硬件设计 3.1 单片机 stc89c52 stc89c52 单片机是新一代超强抗干扰、高速、低功耗的单片机，指令代码 完全兼容 8051 单片机，12 时钟/机器周期可任意选择可任意选择。 该 stc 系列单片机具有如下特点： （1）增强型 6 时钟/机器周期，12 时钟/机器周期； （2）工作电压：5.5v-3.4v（5v 单片机）/3.8v-2.0v（3v

12、单片机） ； （3）工作频率范围：0-40mhz，相当于普通 8051 的 0-80mhz，实际工作频 率可达 48mhz； （4）用户应用程序空间 4k/8k/13k/16k/20k/32k/64k 字节； （5）片上集成 1280 字节/512 字节 ram； （6）通用 i/o 口（32/36 个） ，复位后为：p0/p1/p2/p3 是准双向口/弱上拉 （普通 8051 传统 i/o 口）p0 口开漏输出，作为总线扩展时，不用加上拉电阻， 作为 i/o 口用时，需加上拉电阻； （7）isp（在系统可编程）/iap（在应用可编程） ，无需专用编程器/仿真器 可通过串口（p3.0/p3.1

13、）直接下载用户程序，8k 程序 3 秒即可完成一片； （8）eeprom 功能； （9）看门狗； （10）内部集成 max810 专用复位电路，外部晶体 20m 以下时，可省外部 复位电路； （11）共 3 个 16 位定时器/计数器，其中定时器 0 还可以当成两个 8 位定时 器使用； （12）外部中断 4 路，下降沿中断或低电平触发中断，power down 模式可 由外部中断低电平触发中断方式唤醒； （13）通用异步串行口（uart） ，还可用定时器软件实现多个 uart； （14）工作温度范围：0-75 度/-40-+85 度； （15）封装：pdip-40，plcc-44，pqfp-

14、44; 该单片机最小系统如下图 3.1 所示： 本科生课程设计（论文） 5 图3.1 单片机最小系统 3.2 k 型热电偶 本文用的是镍铬镍硅热电偶，镍铬硅-镍硅 热电偶 (n 型热电偶)为廉金属 热电偶，是一种最新国际标准化的热电偶，是在 70 年代初由澳大利亚国防部实 验室研制成功的它克服了 k 型热电偶的两个重要缺点：k 型热电偶在 300500 间由于镍铬合金的晶格短程有序而引起的热电动势不稳定;在 800左右由于镍铬 合金发生择优氧化引起的热电动势不稳定。正极(np)的名义化学成分为： ni:cr:si=84.4:14.2:1.4，负极(nn)的名义化学成分为：ni:si:mg=95

15、.5:4.4:0.1，其 使用温度为-2001300。 n 型热电偶具有线性度好，热电动势较大，灵敏度较高，稳定性和均匀性较 好，抗氧化性能强，价格便宜，不受短程有序化影响等优点,其综合性能优于 k 型热电偶,是一种很有发展前途的热电偶. 3.3 a/d 芯片 adc0832 adc0832 体积小，兼容性强，性价比高。如图 3.3 所示，它是 8 脚双列直插 式双通道 a/d 转换器，能分别对两路模拟信号实现模数转换，可以用在单端输入 方式和差分方式下工作。adc0832 采用串行通信方式，通过 di 数据输入进行通 道选择、数据采集及数据传送。8 位的分辨率，可以适应一般的模拟量转换要求。

16、 本科生课程设计（论文） 6 其内部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入在 0-5v 之间。 adc0832 具有以下特点： （1）8 位分辨率； （2）双通道 a/d 转换器； （3）输入输出电平与 ttl/cmos 相兼容； （4）5v 电源供电时输入电压在 0-5v 之间； （5）工作频率为 250khz，转换时间为 32us； （6）一般功耗仅为 15mw； （7）8p、14p-dip、picc 多封装； （8）商用级芯片温宽为 0 度-70 度，工业级芯片温度-40 度-85 度； 芯片引脚说明： ：片选使能端； cs ch0：模拟输入通道 0； ch1：模拟输入通道 1

17、；或作为 in+/-使用； gnd：芯片参考零电位（地） ； di：数据信号输入，选择通道控制； 图3.2 adc0832 本科生课程设计（论文） 7 3.4 d/a 芯片 dac0832 本设计选用的是 dac0832，它基本组成包括基准电压源，电阻解码网络，电 子开关阵列和相加运算放大器四部分。为了降低成本，某些 d/a 转换器只包含解 码网络和开关阵列。基准电压源通常是具有温度补偿的稳压二极管。电子开关阵 列与 d/a 转换器的二进制位相对应，每闭合一个电子开关，就增加一个二进制权 电流（或电压）增量，并加到输出求和总线上。电阻解码网络是 d/a 转换器的核 心，常用的电阻网络有二进制加

18、权电阻网络和 r2r 梯形电阻网络。它所输出的 电流信号放大后，输送到 i/v 转换电路中。 dac0832 管脚分布如图 3.3 所示： 图3.3 dac0832 dac0832 的引脚功能： di0di7：数据输入线，tll 电平； ile：数据锁存允许控制信号输入线，高电平有效； ：片选信号输入线，低电平有效；cs ：输入寄存器的写选通信号；1wr 本科生课程设计（论文） 8 ：数据传送控制信号输入线，低电平有效；xfer ：dac 寄存器写选通输入线；2wr ：电流输入线，当输入全为 1 时最大； 1out i 1out i ：电流输出线，其值与之和为常数； 2out i 1out i

19、 rfb：反馈信号输入线，芯片内部有反馈电阻； ：电源输入线（+5v+15v） ； cc v ：基准电压输入线（-10v+10v） ； ref v agnd：模拟地，模拟信号和基准电源的参考地； dgnd：数字地； 3.5 led 显示 led 数码管是单片机控制系统中最常用的显示器件之一，它具有体积小、抗 冲击和抗震性能好，可靠性高，寿命长，工作电压低，功耗小，响应速度快等优 点，常用于显示系统的显示系统的工作状态、系统中某一功能电路，甚至某一输 出引脚的电平状态，使人 一目了然。此外，led 数码管在单片机系统中，常用 到一只到数只，甚至几十只 led 数码管显示 cpu 的处理结果、输入

20、/输出信号状 态或大小。 led 数码管的两种显示方法，其内部结构如图 3.4 所示： 共阳极接法：把发光二级管的阳极连在一起构成公共阳极，使用时公共阳极 接+5v，每个发光二级管的阴极通过电阻与输入端相连。 图3.4 led数码管内部结构图 共阴极接法：把发光二极管的阴极连在一起构成公共阴极，使用时公共阴极 接地。每个发光二级管的阳极通过电阻与输入端相连。 本科生课程设计（论文） 9 在本次设计中，我们使用动态扫描的方式内进行显示，其中 p0 口为段码输出 口，p1 口为位选端口，单片机将显示数据通过 p0 口送给 led 显示，p1 口选择 要点亮的 led，进行动态显示。该 led 显示

21、的电路图如 3.5 所示： 图3.5led显示电路图 3.6 执行器 对电炉加热部分的电路图如图 3.6 所示： 图 3.4 中，当反向驱动器 7404 左边输入为高电平时，经 7404 变为低电平， 使发光二级管发光，从而使光敏三极管导通，同时使三极管 9013 导通，因而使 继电器 j 的线圈通电，继电器的触点闭合，使交流 220v 电源接通。反之当反向 本科生课程设计（论文） 10 驱动器 7404 左边输入为低电平时，使继电器触点断开。图中电阻为限流电阻， 二极管 d 的作用是保护晶体管 t。当继电器 j 吸合时，二极管 d 截止，不影响电 路工作。继电器释放时，由于继电器线圈存在电感

22、，这时晶体管 t 已经截止，所 以会在线圈的两端产生较高的电压。此电压的极性为上正下负，正端接在晶体管 的集电极。当感应电压与 12v 之和大于晶体管 t 的集电极反向电压时。晶体管 t 有可能损坏。加入二级管 d 后，继电线圈产生的感应电流由二极管 d 流过，因 此，不会产生很高的感应电压，因而使晶体管 t 得到保护。 图3.6 加热电路 3.7 按键电路 单片机的按键输入一般可分为简单的独立式按键，及行列键盘输入两种。独 立式键盘输入适合于按键输入不多的情况，具有占用口线较少、软件编写简单容 易等特点。如图 3.7 所示： 图3.7 键盘电路 本科生课程设计（论文） 11 本设计中输入按键

23、只有 4 个，一个为“输入使能键” ，一个为“左移键” ，另 两个为“加法键” 、 “减法键” 。欲输入设定值时，按一下“输入使能键” ， 程序 进入设定状态，按下“左移键”可以选择各值的各个位数进行输入；再按下“加 法键”或“减法键” ，即可输入对应位的值；点按一下“左移键” ，输入另一位的 值，这样可完成各个环境参数的设定。完成输入后，再按一下“输入使能键” ， 程序即退出设定状态，进入工作运行。 本科生课程设计（论文） 12 第 4 章 管式电阻炉系统软件设计 4.1 管式电阻炉系统主程序 其主程序流程图如图 4.1 所示： 是 否 n y 开始 系统初始化 调用 a/d 转换程 序 调

24、用标度变换子程序 调用积分分离控制子程序 是否有键按下 下 按下 控制量输出 继电器控制 调显示子程序 调 d/a 转换程序 是否继续 结束 调用键盘处理子程序 图 4.1 主程序流程图 本科生课程设计（论文） 13 在该控制系统中采用 k 型热电偶测温，热电偶输出的电压信号经放大器放大 后输入 a/d 转换芯片。随后单片机调用 a/d 转换子程序，读取转换值。接着调 用线性化标度变换子程序，将数字量和温度值相对应。以便用 led 显示所测温 度值。当所测温度曲线不理想时，可通过键盘调节比例系数 kp、积分系数 kf 和 微分系数 kd，改变所测温度曲线，已达到理想曲线。最后单片机将将调用 d

25、/a 转换芯片 dac0832 将所测温度用记录仪显示出来。 4.2 pid 控制算法 在该控制系统中采用增量型 pid 运算规律，在位置型控制方式中，不仅需要 对 e（j）进行累加，而且计算机的任何故障都会引起 p（k）大幅度变化，对生 产不利。增量控制虽然改动不大，却带来很多优点。该运算子程序流程图如图 4.2 所示： 开始 输入 m（k） r（k） 计算 e（k）=m（k）- r（k） 计算)1()()(kekekkp pp 计算)()(kpiekpi 计算)2() 1(2)()(kekekekdkpd )()()()(kpkpkpkp dip e(k-2) e(k-1)，e(k-1)

26、e(k) 返回 图 4.2 pid 运算子程序流程图 （1）由于计算机输出是增量，所以误动作影响小，必要时可用逻辑判断的方 本科生课程设计（论文） 14 法去掉； （2）在位置型控制算法中，由手动到自动切换时，必须首先使计算机的输出 值等于阀门的原始开度，即 p（k-1） ，才能保证手动到自动的无扰动切换，这将 给程序设计带来困难。而增量设计只与本次的偏差值有关，与阀门原来的位置无 关，因而增量算法易于实现手动/自动的无扰动切换。 （3）不产生积分失控，所以容易获得较好的调节品质。 4.3 pid 调节器的参数整定方法 在数字控制系统中，参数的整定十分重要，调节系统中参数整定的好坏直接 影响调

27、节品质。 一般整定方法为归一参数整定法。pid 参数整定是一个复杂的过程，一般需 要根据被控对象慢慢进行。因此可以选用一种适合计算机控制的一种简单方法， 该方法是 roberts.p.d 在 1994 年提出的。由于该方法只需一个参数即可，故称为 归一参数整定法。 已知增量型 pid 控制的公式为： （4-)2() 1(2)()() 1()()(kekeke t t ke t t kekekkp d i p 1） 根据 ziegler-nichle 条件，令 t=0.1，0.5，=0.125，式中为 k t i t k t d t k t k t 纯比例作用下的临界震荡周期，则： （4-2）)

28、2(25 . 1 ) 1(5 . 3)(45 . 2 )(kekekekkp p 这样，整个问题便简化为只要整定一个参数，改变，观察控制效果， p k p k 到满意为止。 本科生课程设计（论文） 15 第 5 章 系统测试与分析/实验数据及分析 系统的被控对象为 sx2-10 系列实验室低温箱式电阻炉，额定电压为 220 v， 额定功率为 6000 w。设计目的是对炉膛的温度进行升温和恒温控制，达到调节 时间短、超调量低且稳态误差在5内的技术要求。管式电炉加热器模型的传 递函数为： （5- s e s sg 15 . 0 5 . 0 )( 1） 进行仿真的传函模型如图 5.1 所示 如图 5

29、.1 传函模型图 最后对 pid 控制方法进行仿真实验，对各输入参数进行处理，取选取经过优 化后的初始 pid 参数，使=1、=1、=0、输入脉冲起始时间为 1，得到的 p k i k d k pid 控制仿真曲线如图 5.2 所示。 本科生课程设计（论文） 16 图 5.2 仿真曲线 本科生课程设计（论文） 17 第 6 章 课程设计总结 文中将模糊控制算法引入传统的管式电炉温度控制系统构成 pid 控制系统。 通过将常规 pid 控制方法、纯模糊控制方法和模糊 pid 控制方法进行仿真对比， 发现 pid 控制方法具有较好的动静态响应特性和较强的鲁棒性，还能够消除系统 余差，这对具有非线性、时变和延迟等特征的控制对象尤为适用。并且该方法设 计比较简单，易于实现，适合于工业控制应用。 在本次课程设计过程中我获益匪浅，同时也遇到了许多困难，在看到我的毕 业设计题目时，我的感性认识让我感觉题目挺简单，但在理性分析和实际操作过 程中却处处碰壁，这都是由于基础知识不牢造成的，最后在老师的耐心指导下， 我对题目有了一定程度的认识和理解，对具体的细节有了清晰