原料油加热炉温度控制系统

辽宁工业大学计算机控制技术课程设计（论文）题目原料油加热炉温度控制系统院（系）： 电气工程学院专业班级： 自动化091学号： 学生姓名： 指导教师： 起止日期：2012・12・19—12・28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。单片机以其高可靠性、高性能价格比、控制方便简单和灵活性大等优点，在工业控制系统、智能化仪器仪表等诸多领域得到广泛应用。采用单片机进行炉温控制，可以提高控制质量和自动化水平。加热炉是生产中常用的设备之一。工艺要求被加热物料的出口温度保持在60±0.5°C。影响炉出口温度的因素：被加热物料的流量和初温；燃烧压力的波动、流量的变化、燃料热值的变化；烟囱的抽力变化等。对原料流量及燃料影响起到抑制作用，且系统无余差本。设计要求采用单片机作为控制器，控制算法采用积分分离PID控制，由键盘进行温度控制值的选择，并显示温度。关键词：加热炉、PID目录TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"第1章绪论 1\o"CurrentDocument"第2章课程设计的方案 2\o"CurrentDocument"2.1系统组成总体结构 22.2数字控制器设计 32.3电源 3\o"CurrentDocument"2.4采样测量 4\o"CurrentDocument"2.5驱动执行部分 5\o"CurrentDocument"第3章硬件设计 6\o"CurrentDocument"3.1单片机最小系统设计 6\o"CurrentDocument"3.2模数转换模块 6\o"CurrentDocument"3.3LED显示模块 8\o"CurrentDocument"3.4键盘模块 9\o"CurrentDocument"3.5通信模块 9\o"CurrentDocument"3.6数模转换 10\o"CurrentDocument"第4章软件设计 11\o"CurrentDocument"4.1主程序流程图 11\o"CurrentDocument"A/D转换和数剧采集 12\o"CurrentDocument"D/A转换和控制 13\o"CurrentDocument"4.4系统的原理图 13\o"CurrentDocument"4.5在Simulink上进行仿真并整定PID参数 14\o"CurrentDocument"第5章课程设计总结 15\o"CurrentDocument"参考文献 16第1章绪论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。单片机以其高可靠性、高性能价格比、控制方便简单和灵活性大等优点，在工业控制系统、智能化仪器仪表等诸多领域得到广泛应用。采用单片机进行炉温控制，可以提高控制质量和自动化水平。本课程设计要求以工业退火炉作为被控对象，采用8位单片机作为计算机控制核心，实现退火炉多点温度信号的采集、运算及控制。退火炉数学模型为：G(s)=K°0W/1+*s，其中K°=1，T°=60，'°=60。要求给定温度8°°°C,温度误差小于5%。控制算法选用PID控制第2章课程设计的方案2.1系统组成总体结构温度控制系统是比较常见和典型的过程控制系统。温度是工业生产过程中重要的被控参数之一，当今计算机控制技术在这方面的应用，已使温度控制系统达到自动化、智能化，比过去单纯采用电子线路进行PID调节的控制效果要好得多，可控性方面也有了很大的提高。温度是一个非线性的对象，具有大惯性的特点，在低温段惯性较大，在高温段惯性较小。对于这种温控对象，一般认为其具有以下的传递函数形式：G(s)=———e-0T+1图2-1系统硬件结构框图采用以单片机为控制核心的控制系统，尤其对温度控制，可达到模拟控制所达不到的效果，并且实现显示和键盘设定功能，大大提高了系统的智能化。通过对机内数字PID参数的设置对受控对象的精确控制。使得系统所测得结果的精度大大提高。2.2数字控制器设计增量式PID控制算法公式为：△也=%-uk.t=Kp[ek-%】+7。舛弓气*丁f=自（1+-+W气-KpO+奚）+Kp^ek_2J 71 日■ ?n >■■-1 J rv乙=Aek-Bek_,+Ce”其中：TT/="+一+勺T、T£=自（1+导）JK耳由上式可以看出，如果计算机控制系统采用恒定的采样周期T，一旦确定A、B、C，只要使用前后三次测量的偏差值，就可以由上式求出控制量。增量式PID控制算法与位置式PID算法相比，计算量小得多，因此在实际中得到广泛的应用。2.3电源本系统所需电源有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78L05，配合电容将电压稳定在5V，供控制电路、测量电路和驱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，由控制程序决定双向可控硅的导通角，以达到控制加热电阻功率的目的。2.4采样测量在检测装置中，温度检测用WZP-231伯热电阻（Pt100），采用三线制接法，采样电路为桥式测量电路，其输入量程为50〜350°C，经测量电路采样后输出2〜5V电压，再经模数转换芯片ADC0809进行转换，变为数字量后送入单片机进行分析处理。伯电阻温度传感器是利用其电阻和温度成一定函数关系而制成的温度传感器，由于其测量准确度高、测量范围大、复现性和稳定性好等，被广泛用于中温（-200°C〜650°C）范围的温度测量中。PT100是一种广泛应用的测温元件，在-50~600C范围内具有其他任何温度传感器无可比拟的优势，包括高精度、稳定性好、抗干扰能力强等。由于伯电阻的电阻值与温度成非线性关系，所以需要进行非线性校正。校正分为模拟电路校正和微处理器数字化校正，模拟校正有很多现成的电路，其精度不高且易受温漂等干扰因素影响，数字化校正则需要在微处理系统中使用，将Pt电阻的电阻值和温度对应起来后存入EEPROM中，根据电路中实测的AD值以查表方式计算相应温度值。常用的Pt电阻接法有三线制和两线制，其中三线制接法的优点是将PT100的两侧相等的的导线长度分别加在两侧的桥臂上，使得导线电阻得以消除。常用的采样电路有两种：一为桥式测温电路，一为恒流源式测温电路。在本系统设计中，采用了第一种方法，即桥式测温。测温原理：电路采用TL431和电位器VR1调节产生4.096V的参考电源；采用R1、R2、VR2、Pt100构成测量电桥（其中R1=R2,VR2为100Q精密电阻），当Pt100的电阻值和VR2的电阻值不相等时，电桥输出一个mV级的压差信号，这个压差信号经过运放LM324放大后输出期望大小的电压信号，该信号可直接连AD转换芯片。差动放大电路中R3=R4、R5=R6、放大倍数=R5/R3，运放采用单一5V供电。2.5驱动执行部分硬件输出通道主要包括加热电阻的控制环节，而此控制环节的核心是双向可控硅，但电路的关键是设计双向可控硅的驱动电路。双向可控硅的通断直接决定加热电阻的工作与不工作，本部分用带过零触发的光耦MOC3061来驱动。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oMOC3061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。在图2-2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。也球土尊第3章硬件设计3.1单片机最小系统设计89C51是一种带4K字节Flash可编程可擦除的高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除 100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的 MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的89C51是一种高效微控制器。单片机的抗干扰性设计。单片机干扰最常见的现象就是程序出现不可逆状态，设计系统时一般要添加一个看门狗监控模块，在系统出现不可逆状态的干扰时，监控模块将重启系统。MAX1232微处理器监控电路给微处理器提供辅助功能以及电源供电监控功能，当电源过电压、欠电压时，MAX1232将提供至少250ms宽度的复位脉冲，其中的容许极限能用数字式的方法来选择5%或10%的容限。3.2模数转换模块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.时钟信号：由于ADC0809无片选端，因此电路增加了或非门74LS02，以便对ADC0809进行读/写控制。单片机采用6MHz/s的晶振，ALE输出66MHz/s时钟信号，经74LS74触发器2分频，得到500KHz的时钟信号，与ADC0809的时钟端CLK相连。通道选择：三位通道选择端ADDA、ADDB、ADDC与数据线P1口的低三位P1.0、P1.1、P1.2相连，用数据线进行通道选择，由P1.0、P1.1、P1.2三位决定选择那一通道。ADC0809启动：ADC0809的启动端START、地址所存端ALE均为高电平有效。将START和ALE连在一起，与74LS02的输出端相连。或非门74LS02的两个输入端/WR和P3.5均为低电平时，其输出为高电平，执行外部I/O口的写操作。转换数据的读取：当转换结束时，EOC端输出高电平。可用查询和中断的方法进行数据读取处理。输出允许OE端为高电平，8位转换数据D0~D7输出到数据线上。只有P3.5和/RD同时为低电平时，OE端才为高电平。执行外部I/O口读操作/RD为低电平。转换结束标志EOC:转换结束标志EOC端经反向器与单片机的/INT1相连，即转换一旦结束，外部中断1则申请中断。3.3LED显示模块8段LED显示屏是最常用的显示器件，分为共阳极和共阴极两种形式。共阳极LED将所有发光二极管的阳极接在一起作为公共端，当公共端接高电平，某一段的发光二极管阴极接低电平时，相应的字段就被点亮。共阴极LED将所有发光二极管的阴极接在一起作为公共端，当公共端接低电平，某一段的发光二极管阳极接高电平时，相应的字段就被点亮。LED数码管的显示方法：动态显示：动态扫描，分时循环。静态显示：一次输出，结果保持动态显示，就是微型机定时地对显示器件扫描，在这种方法中，显示器件分时工作，每次只能一个器件显示。但由于人视觉的暂留现象，所以，仍感觉所有的器件都在显示。静态显示，是由微型机一次输出显示后，就能保持该显示结果，直到下次送新的显示模型为止。这种显示占用机时少，显示可靠。通过比较及对程序的分析，本设计当中两组数码管均采用了共阴极静态显示。图3-2显示子程序3.4键盘模块在本次设计当中，输入设备采用4*4矩阵键盘。当“设定”键按下时触发键盘中断服务程序，由程序程控扫描法确定那个键按下并执行相应的动作。程控扫描的任务是：判断是否有键按下。方法：使所有的行输出均为低电平，然后从端口A读入列值。如果没有键按下，则读人值为FFH.如果有链按下.则不为FFH。去除键抖动。方法：延时10-20ms，再一次判断有无键按下，如果此时仍有键按下，则认为键盘上确实有键处于稳定闭合期。若有键闭合，则求出闭合键的键值。方法：对键盘逐行扫描。程序中需等闭合键释放后才对其进行处理。3.5通信模块在此部分主要是实现下位机与上位机之间的通信，将实时数据传送到上位机，进行同一协调和集中管理。RS232的电气接口是单端的、双极性电源电路。由于RS-232采用的数据传输线路是非平衡，且是误无差分的接收方式，当信号穿过电气干扰环境时，发送的信号将会受到影响。故数据传输速率局限于20KB/s；传输距离局限于15m，但RS-232也是目前最广泛使用的串行通信接口标准。在本设计当中，考虑到系统调试的方便，采用了RS232串行总线。MAX232芯片是美信公司专门为电脑的RS-232标准串口设计的接口电路，使用+5v单电源供电。内部结构基本可分三个部分：（1） 第一部分是电荷泵电路。由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。功能是产生+12v和-12v两个电源，提供给RS-232串口电平的需要。（2） 第二部分是数据转换通道。由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。其中13脚（R1IN）、12脚（R1OUT）、11脚（T1IN）、14脚（T1OUT）为第一数据通道。8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）、10脚（T2IN）、7脚（T2OUT）4彳E"为第二数据通道。TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转换成RS-232数据从T1OUT、T2OUT送到电脑DB9插头；DB9插头的RS-232数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1OUT、R2OUT输出。（3）第三部分是供电。15脚GND、16脚VCC（+5v）3.6数模转换DAC0832的逻辑框图和引脚排列L'一QQLLMA寄弃群JQa=LE懿撩«存露L'一QQLLMA寄弃群JQa=LE懿撩«存露TD口1020-DAC图DAC0832D0~D7:数字信号输入端。ILE:输入寄存器允许，高电平有效。CS：片选信号，低电平有效。WR1：写信号1，低电平有效。XFER：传送控制信号，低电平有效。WR2：写信号2，低电平有效。IOUT1、IOUT2：DAC电流输出端。Rfb:是集成在片内的外接运放的反馈电阻。Vref：基准电压（-10~10V）。Vcc：是源电压（+5~+15V）。AGND：模拟地NGND：数字地，可与AGND接在一起使用。DAC0832输出的是电流，一般要求输出是电压，所以还必须经过一个外接的运算放大器转换成电压。第4章软件设计4.1主程序流程图本系统的应用程序主要由主程序、中断服务程序和子程序组成。主程序的任务是对系统进行初始化，实现参数输入，并控制电加热炉的正常运行。主程序主要由系统初始化、数据采集及处理、智能推理等部分组成。系统初始化包括设置栈底、工作寄存器组、控制量的初始值、采样周期、中断方式和状态、定时器的工作方式以及8255的初始化、MAX1232的初始化等。数据采集及处理主要包括实时采集电加热炉的炉温信号，计算出实际炉温与理想值的差值以及温差的变化率，并对炉温信号进行滤波和限幅处理。主程序流程图如图所示。图4-1系统主程序4#小号4.2A/D转换和数剧采集A/D转换后得到的数据应及时传送给单片机进行处理。数据传送的关键问题是如何确认A/D转换的完成，因为只有确认完成后，才能进行传送。为此可采用下述三种方式。（1） 定时传送方式对于一种A/D转换其来说，转换时间作为一项技术指标是已知的和固定的。例如ADC0809转换时间为128us,相当于6MHz的MCS-51单片机共64个机器周期。可据此设计一个延时子程序，A/D转换启动后即调用此子程序，延迟时间一到，转换肯定已经完成了，接着就可进行数据传送。（2） 查询方式A/D转换芯片由表明转换完成的状态信号，例如ADC0809的EOC端。因此可以用查询方式，测试EOC的状态，即可却只转换是否完成，并接着进行数据传送。（3） 中断方式把表明转换完成的状态信号（EOC）作为中断请求信号，以中断方式进行数据传送。不管使用上述那种方式，只要一旦确定转换完成，即可通过指令进行数据传送。首先送出口地址并以反信号有效时，OE信号即有效，把转换数据送上数据总线，供单片机接受。初始化程序：MOVR0,#0A0H；数据存储区首地址MOVR2,#08H；8路计数器SETBIT1；边沿触发方式SETBEA；中断允许SETBEX1；允许外部中断1中断MOVDPTR,#0FEF8H；D/A转换器地址LOOP:MOVX@DPTR,A；启动A/D转换HERE:SJMPHERE；等待中断中断服务程序：DJNZR2,ADENDMOVXA,@DPTR；数据采样MOVX@R0,A；存数INCDPTR；指向下一模拟通道I