烤箱連續(xù)溫度控制系統(tǒng)

1、目 錄烤箱連續(xù)溫度控制系統(tǒng) .11 設計概述.11.1 任務分析.11.2 整體方案.22.1 系統(tǒng)硬件設計.32.1.1 8155 接口電路.32.1.2 A/D 轉(zhuǎn)換電路.42.1.3 溫度檢測.52.1.4 電阻爐.52.1.5 電力電子裝置.62.2 系統(tǒng)軟件設計.72.2.1 主程序 .82.2.2 T0 中斷服務程序.83 控制過程說明.93.1 環(huán)節(jié)分析.93.2 調(diào)節(jié)規(guī)律.93.3 干擾分析.113.4 PID控制MATLAB仿真及參數(shù)整定 .11參考文獻 .141烤箱連續(xù)溫度控制系統(tǒng)摘 要自動控制系統(tǒng)在各個領域尤其是工業(yè)領域中有著及其廣泛的應用，溫度控制是控制系統(tǒng)中最為常見的

2、控制類型之一。隨著電力電子和單片機技術的飛速發(fā)展，通過芯片對被控對象進行控制日益成為今后自動控制領域的一個重要發(fā)展方向。隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，人們需要對各種加熱爐、熱處理爐、反應爐和鍋爐中溫度進行監(jiān)測和控制。采用單片機來對他們控制不僅具有控制方便，簡單和靈活性大等優(yōu)點，而且可以大幅度提高被控溫度的技術指標，從而能夠大大的提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。傳統(tǒng)的溫度采集方法不僅費時費力，而且精度差，單片機的出現(xiàn)使得溫度的采集和數(shù)據(jù)處理問題能夠得到很好的解決。溫度是工業(yè)對象中的一個重要的被控參數(shù)。然而所采用的測溫元件和測量方法也不相同；產(chǎn)品的工藝不同，控制溫度的精度也不相同。因此對數(shù)據(jù)采集的精度和采用的控制方法

3、也不相同。傳統(tǒng)的控制方式以不能滿足高精度，高速度的控制要求。近幾年來快速發(fā)展了多種先進的溫度控制方式，如：PID 控制，模糊控制，神經(jīng)網(wǎng)絡及遺傳算法控制等。這些控制技術大大的提高了控制精度，不但使控制變得簡便，而且使產(chǎn)品的質(zhì)量更好，降低了產(chǎn)品的成本，提高了生產(chǎn)效率。本系統(tǒng)所使用的加熱器件是電爐絲，功率為三千瓦，要求溫度在 4001000。靜態(tài)控制精度可以達到 2.43。本設計主要有四部分組成：（1）單片機控制器設計；（2）電力電子控制裝置；（3）溫度檢測變送部分1 設計概述設計概述1.1 任務分析電烤箱是一種應用廣泛的食品加工設備 .電烤箱本身是個熱容系統(tǒng) ,具有大純滯后和大慣性 ;由于家用烤

4、箱的外殼很薄 ,封閉性不好 ,與環(huán)境溫差越大散熱越快 ,具有非線性 ;同時對象的參數(shù)還受箱內(nèi)食品種類和數(shù)量的影響。2電阻爐是利用電流通過電熱體元件將電能轉(zhuǎn)化為熱能來加熱或者熔化工件和物料的熱加工設備。電阻爐由爐體、電氣控制系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)組成。爐體由爐殼、加熱器、爐襯（包括隔熱屏）等部件組成。電氣控制系統(tǒng)包括電子線路、微機控制、儀表顯示及電氣部件等。輔助系統(tǒng)通常指傳動系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等，雖爐種的不同而已。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用如下圖所示。給定溫度控制器電氣執(zhí)行裝置電爐溫度檢測變送器圖 1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖 1 所示，該系統(tǒng)為單閉環(huán)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)由控制器，執(zhí)行器，被控對象，檢測變送裝置構(gòu)成。其中溫度

5、控制器及比較環(huán)節(jié)可以由單片機構(gòu)成；電爐溫度主要是由其電流來決定，因此可以利用電力電子裝置組成電流可控的執(zhí)行裝置；檢測變送器則可以用熱電偶及相關信號處理電路來構(gòu)成。對于該系統(tǒng)而言，冷工件進入電爐加熱時對電爐溫度造成的影響是系統(tǒng)的主要干擾因素。1.2 整體方案 由單片機完成溫度測量、控制，顯示等功能。用溫度傳感器測量溫度值，其選用AD590,經(jīng)過運算放大器組成的信號調(diào)理電路變成 05V 電壓信號，由 A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，送入單片機。單片機的數(shù)字信號經(jīng)過 D/A 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬量，由運算放大器電路變成 05V 電壓信號，控制固態(tài)繼電器的導通角，進而控制被控對象的輸出功率。 由單片機完成溫

6、度測量、控制，顯示等功能。用溫度傳感器測量溫度值，其選用標準鉑電阻 pt100,經(jīng)過運算放大器組成的信號調(diào)理電路變成 05V 電壓信號，由 A/D 轉(zhuǎn)換器3轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，送入單片機。單片機的數(shù)字信號經(jīng)過 D/A 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬量，由運算放大器電路變成 05V 電壓信號，控制固態(tài)繼電器的導通角，進而控制被控對象的輸出功率。2 設計實現(xiàn)2 系統(tǒng)硬件設計系統(tǒng)硬件設計電烤箱溫度控制系統(tǒng)是以 MS-5l 單片機為控制核心，輔以采樣反饋電路，驅(qū)動電路，晶閘管主電路對電爐爐溫進行控制的微機控制系統(tǒng)。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖可表示為:系統(tǒng)采用單閉環(huán)形式，其基本控制原理為:將溫度設定值(即輸入控制量)和溫度反饋值同時

7、送入控制電路部分，然后經(jīng)過調(diào)節(jié)器運算得到輸出控制量，輸出控制量控制驅(qū)動電路得到控制電壓施加到被控對象上，電爐因此達到一定的溫度。 圖 2 控制電路的設計2.1 8155 接口電路8155 芯片內(nèi)具有 256 個字節(jié)的 RAM，兩個 8 位、一個 16 位的可編程 I/O 口和一個 14位計數(shù)器。它與 51 型單片機接口簡單，是單片機應用系統(tǒng)中廣泛使用的芯片。給定值8051 控制電路驅(qū)動電路電路晶閘管主電路控制對象輸出溫度采樣電路4圖 4 帶有 I/O 接口和計時器的靜態(tài) RAM81558155 用作鍵盤/LED 顯示器接口電路，當 IO/為高電平時，8155 選通片內(nèi)的 I/O 端M口。A,B

8、,C 三個口可以作為擴展的 I/O 口使用，MCS51 單片機的 PO 口與 8155 的AD0AD7 相連。此時 P0 輸出的低 8 位地址只有 3 位有效，用于片內(nèi)選址，其他位無用。使用 A,B,C三個口時，首先向命令寄存器寫入一個控制字以確定三個口的工作方式。如果寫入的控制字規(guī)定他們工作于方式或方式下，則這三個口都是獨立的基本 I/O 口。可以直接利用 MOVX A,DPTR 或 MOVX DPTR,A 指令完成這三個口的讀/寫（輸入/輸出）操作。工作在方式或方式時，C 口用作控制口或部分用于控制。MCS51 單片機可以和 8155 直接連接，不需要任何外加電路，給系統(tǒng)增加了 256 個

9、字節(jié)的 RAM、22 位 I/O 線及一個計數(shù)器。當 P2.00 且 P2.1=0 時，選中 8155 的 RAM工作；在 P2.0=1 和 P20=0 時，8155 選中片內(nèi)三個 I/O 端口。相應地址分配為：0000H-00FFH 8155 內(nèi)部 RAM 0100H 命令/狀態(tài)口 0101H A 口 0102H B 口 0103H C 口 0104H 定時器低八位口 0105H 定時器高八位口52.2 A/D 轉(zhuǎn)換電路圖 5 A/D 轉(zhuǎn)換電路圖ADC0809 的 IN0 和變送器輸出端相連，故 IN0 上輸入的 0V-+5V 范圍的模擬電壓經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換后可由 8051 通過程序從 P0

10、口輸入到它的內(nèi)部 RAM 單元。首先輸入地址選擇信號，在 ALE 信號作用下，地址信號被鎖存，產(chǎn)生譯碼信號，選中一路模擬量輸入。然后輸入啟動轉(zhuǎn)換控制信號 START 啟動轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換結(jié)束，數(shù)據(jù)送三態(tài)緩沖鎖存器，同時發(fā)出EOC 信號。在允許輸入信號 OE 的控制下，再將轉(zhuǎn)換結(jié)果輸入到外部數(shù)據(jù)總線。2.3 溫度檢測6圖 6 溫度檢測電路溫度的檢測通常用兩種方法：熱電阻和熱電偶。熱電阻一般用于溫度低一些的地方，而熱電偶則用于溫度比較高的地方。這里是要檢測電爐的溫度，因此選擇使用熱電偶。對于 01000的溫度,可以使用鎳鉻熱電偶，分度號為 EU，其輸出信號為 041.32 mA，經(jīng)毫伏變送器,輸出 01

11、0mA，然后再經(jīng)過電流電壓變換電路轉(zhuǎn)換為 05V。為了提高控制精度，可將變送器進行零點遷移，例如溫度測量范圍改為 4001000熱電偶給出16.441.32 mA 時，使變送器輸出 010mV，這樣使用 8 位 A/D 轉(zhuǎn)換器，能使量化誤差達到2.34。為了消除誤差,還必須考慮進行冷端溫度補償。具體電路如圖 5 所示。2.4 電阻爐電阻爐即為該系統(tǒng)的被控對象。其工作原理是將電能轉(zhuǎn)化為電阻爐的熱能。根據(jù)焦耳定律可知：2QI Rt其中 I 為流過電熱絲的電流，R 為電熱絲電阻，t 為工作時間。很明顯改變電流就可以調(diào)節(jié)電阻爐的發(fā)熱功率，而且電阻爐屬于純電阻負載，要改變其電流，只需要改變它的工作電壓就

12、行了。另外，電阻爐通常會給系統(tǒng)帶來很大的純滯后時間，致使系統(tǒng)開環(huán)相頻特性相角滯后過大，造成閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性下降。為了解決這一問題，通常可以采用采樣控制的方式。讓控制系以一定的時間間隔采樣一次被控參數(shù)，與設定值進行比較后，經(jīng)控制運算輸出控制信號，然后保持該控制信號不變，保持時間必須大于純滯后時間。07圖 7 采樣控制過程結(jié)構(gòu)圖2.5 電力電子裝置電力電子裝置作為該系統(tǒng)的執(zhí)行器，由電阻爐工作原理的分析可知，它的任務是改變供給電阻爐的電壓。這里使用的是交流調(diào)功電路的方式。利用過零型雙向晶閘管的觸發(fā)特性，只有當其兩端電壓過零時控制端上施加觸發(fā)信號，它才導通；一旦導通，只有再次過零時才被關斷，針對這一特點

13、，本系統(tǒng)采取了控制在 M 個電網(wǎng)周期內(nèi)晶閘管導通的周期數(shù) m（0mM）的方法來控制輸出平均電壓。為簡單起見，可以使控制運算說的控制量 u 和實際導通周期 m 直接對應。同步檢測電路檢出電網(wǎng)電壓信號的過零點，形成過零同步信號，并接到 CPU 的中斷請求輸入端，以提供觸發(fā)參考點和控制周期 M 的計數(shù)信號。需要注意的是，同步檢測電路和電阻爐加熱回路的電源必須是同相的，以保證觸發(fā)信號的同步。、圖 8 過零型雙向晶閘管的觸發(fā)特性驅(qū)動電路設計為保證驅(qū)動電路可靠工作，其驅(qū)動電路應滿足如下要求：1）動態(tài)驅(qū)動能力強，能提供驅(qū)動脈沖，使加熱電路迅速導通。2）能提供適當?shù)恼蚱珘汉妥銐虻姆聪蚱珘海辜訜犭娐房煽康拈_

14、通和關斷。3)有足夠的輸入輸出電氣隔離能力，使信號電路與柵極驅(qū)動電路隔離，且具有靈敏的短路、過流保護功能。所設計的驅(qū)動電路如圖 9 所示。8OPT OISO1Q1Q2R1R2R4R5R6R3+5VOUTG1E-10VGND+15V圖 9 驅(qū)動電路工作原理電路Q1，Q2 組成功率放大電路，OUT1、OUT3 來自控制電路。該驅(qū)動電路能安全接受輸入信號，在接到正確的控制信號后對加熱電路進行驅(qū)動，加熱電路開始工作，對外部進行加熱，最大功率可達到 2000W。從而實現(xiàn)電烤箱的加熱過程。93 系統(tǒng)軟件設計系統(tǒng)軟件設計3.1 主程序圖 10 主程序流程圖應當注意：由于 T0 被設定為計數(shù)器方式 2，初值為

15、 06H，故它的溢出中斷時間為 250個過零同步脈沖。為了系統(tǒng)正常工作，T1 中斷服務程序的執(zhí)行時間必須滿足 T0 的制一時間要求，因為 T1 的中斷是嵌套在 T0 中斷之中的。3.2 T0 中斷服務程序T0 中斷服務程序是溫度控制系統(tǒng)的主程序，用于啟動 A/D 轉(zhuǎn)換器，讀如數(shù)據(jù)采樣，數(shù)字濾波，越權溫度報警和處理，PID 計算和輸出可控硅的同步觸發(fā)脈沖等。P1.3 引腳上輸出的該同步脈沖寬度由 T1 計數(shù)器的溢出中斷控制，8051 利用等待 T1 溢出中斷空隙時間完成把本次采樣數(shù)值轉(zhuǎn)換成顯示值而放入顯示緩沖區(qū)和調(diào)用溫度顯示程序，8051 從 T1中斷服務程序返回后便可以恢復現(xiàn)場和返回主程序，以

16、等待下次 T0 中斷。104 控制過程說明控制過程說明4.1 環(huán)節(jié)分析以熱電偶為主要組成的溫度檢測變送環(huán)節(jié)，主要是用來檢測電阻爐的爐溫，并以電信號的形式反饋給系統(tǒng)，使系統(tǒng)構(gòu)成閉環(huán)。根據(jù)熱電偶的工作原理，電阻爐爐溫越高，其導體兩端的電壓差就越大，最后反饋給系統(tǒng)的電壓信號也越大。因此溫度檢測變送器屬于正作用。從電阻爐工作原理的分析可知，提供給電阻爐的平均工作電壓越高，其平均電流就越大，根據(jù)焦耳定律，它的發(fā)熱功率就越大。因此被控對象電阻爐也屬于正作用。作為執(zhí)行器的電力電子裝置是一種交流調(diào)功電路，它的輸出主要是由觸發(fā)信號來控制的。而觸發(fā)信號是由控制器的輸出信號經(jīng)過處理放大后形成的，即輸入越大，輸出也越

17、大。所以執(zhí)行器也是正作用。本系統(tǒng)的控制器是用單片機構(gòu)成的數(shù)字調(diào)節(jié)器，比較環(huán)節(jié)也有單片機來完成。調(diào)節(jié)器的輸出決定于被控參數(shù)的測量值與設定值之差，被控參數(shù)的測量值與設定值變化，對輸出的作用方向是相反的。為了使本系統(tǒng)構(gòu)成閉環(huán)負反饋，應該選擇為反作用，即隨著測量值的增加，調(diào)節(jié)器的輸出要隨之減?。环粗敎y量值減小時，調(diào)節(jié)器的輸出要增大。4.2 調(diào)節(jié)規(guī)律這里使用的是經(jīng)典控制中最常用的 PID 調(diào)節(jié)方式。另外由于采用數(shù)字控制器，因此必須使用離散的 PID 控制算法。PID 控制器是指按偏差的比例（P） 、積分（I）和微分（D）進行控制的 PID 控制器（亦稱 PID 調(diào)節(jié)器）是應用最為廣泛的一種自動控制器。

18、它具有原理簡單，易于實現(xiàn)，適用面廣，控制參數(shù)相互獨立，參數(shù)的選定比較簡單等優(yōu)點；而且在理論上可以證明，對于過程控制的典型對象“一階滯后純滯后”與“二階滯后純滯后”的控制對象，PID控制器是一種最優(yōu)控制。PID 調(diào)節(jié)規(guī)律是連續(xù)系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì)校正的一種有效方法，它的參11數(shù)整定方式簡便，結(jié)構(gòu)改變靈活（PI、PD） 。數(shù)字 PID 控制器的原理是將 PID 參量離散化。在工業(yè)上，偏差控制又稱為 PID 控制，這是工業(yè)控制中常用的控制形式，一般能收到令人滿意的效果。PID 控制上目前包含三種比較簡單的 PID 控制算法，分別是：增量式算法，位置式算法，微分先行。 這三種 PID 算法雖然簡單，但各有特點

19、，基本上能滿足一般控制的大多數(shù)要求。本設計中草用的是增量式 PID 算法?？刂普摳嬖V我們，PID 控制的理想方程是： （1.1）11()pDdeUKEedtTTdt式中 e 測量值與給定值之間的偏差;TD 微分時間:T - 積分時間;KP 調(diào)節(jié)器的放大系數(shù).將上式離散化得到數(shù)字PID位置式算法，在位置式算法的基礎之上得到數(shù)字PID增量式算法： （1.2）11012101()(2)()npnnnnnnpnnnnUKeeK eK eeeKeK eKee比例系數(shù)加大，使系統(tǒng)的動作靈敏，速度加快，穩(wěn)態(tài)誤差減小。Kp 偏大，振蕩次數(shù)加多，調(diào)節(jié)時間加長。Kp 太大時，系統(tǒng)會趨于不穩(wěn)定。Kp 太小，又會使系

20、統(tǒng)的動作緩慢。Kp 可以選負數(shù)，這主要是由執(zhí)行機構(gòu)、傳感器以控制對象的特性決定的。如果 Kp 的符號選擇不當對象狀態(tài)就會離控制目標的狀態(tài)越來越遠，如果出現(xiàn)這樣的情況 Kp 的符號就一定要取反。積分作用使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，Ti ?。ǚe分作用強）會使系統(tǒng)不穩(wěn)定，但能消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的控制精度。微分作用可以改善動態(tài)特性，Td 偏大時，超調(diào)量較大，調(diào)節(jié)時間較短。Td 偏小時，超調(diào)量也較大，調(diào)節(jié)時間也較長。只有 Td 合適，才能使超調(diào)量較小，減短調(diào)節(jié)時間。124.3 干擾分析在實際的工業(yè)生產(chǎn)過程之中都要求系統(tǒng)能夠穩(wěn)定的工作。但是由于各種原因，往往會出現(xiàn)一些不可預料的干擾因素破壞系統(tǒng)原先設計好的運行

21、狀態(tài)，這就要求系統(tǒng)本身要有一定得抗干擾能力，能夠在收到干擾的情況下自動恢復原來的工作狀態(tài)。如圖 1 所示，冷工件進入電爐加熱時對電爐溫度造成的影響是系統(tǒng)的主要干擾因素。工件加熱的過程本身也并非是一個溫度線性上升的過程。當工件剛進入爐中時，會導致檢測到的溫度陡然降低很多。此時溫度檢測變送裝置將溫度信號反饋回去，與給定值進行比較，會發(fā)現(xiàn)偏差的陡然增大，于是控制器輸出也增大。電力電子裝置輸出增大，電阻爐的加熱功率也就隨之增大，使得爐內(nèi)溫度能夠盡快回到穩(wěn)定值。另外，若是由于電網(wǎng)波動原因，令電阻爐在每一時段內(nèi)輸出偏高，而造成爐溫過高，經(jīng)檢測變送裝置也會回饋到控制器上，控制器輸出會隨之減小，從而使輸出減小

22、，電阻爐發(fā)熱功率也減小，最終使爐內(nèi)恢復正常。本系統(tǒng)屬于單閉環(huán)控制系統(tǒng)。同開環(huán)控制系統(tǒng)相比，閉環(huán)控制具有一系列優(yōu)點。在反饋控制系統(tǒng)中，不管出于什么原因（外部擾動或系統(tǒng)內(nèi)部變化） ，只要被控制量偏離規(guī)定值，就會產(chǎn)生相應的控制作用去消除偏差。因此，它本身就具有抑制干擾的能力，對元件特性變化不敏感，并能改善系統(tǒng)的響應特性。因此閉環(huán)控制系統(tǒng)也是工業(yè)上應用得最多的一種控制結(jié)構(gòu)。當然對于一些特殊的場合簡單的 PID 控制規(guī)律和單閉環(huán)結(jié)構(gòu)可能也滿足不了要求，這就要求使用更為復雜的控制規(guī)律和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。4.4 pid 控制 matlab 仿真及參數(shù)整定因為是使用 matlab 對參數(shù)進行確定，所以可以選擇穩(wěn)定邊界

23、法（臨界比例度法） ，選擇的模擬控制模型如圖中所示，即用一個一階環(huán)節(jié)和一個純比例滯后來模擬。純滯后時間為 4（若選擇大于一階環(huán)節(jié)時間常數(shù)的純滯后時間常數(shù)則必須采用串級、前饋控制） 。根據(jù)純比例控制系統(tǒng)臨界振蕩試驗所得數(shù)據(jù)（臨界比例度 Pm和振蕩周期 Tm） ，按經(jīng)驗公式求出調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)。13圖 11 電烤箱仿真原理圖首先，置調(diào)節(jié)器 Ti ， Td=0，比例度 P 較大值，將系統(tǒng)投入運行；再逐漸減小P ，加干擾觀察，直到出現(xiàn)等幅減振蕩為止。記錄此時的臨界值 Pm=1.31 和 Tm=12。按照穩(wěn)定邊界法整定參數(shù)計算表，得 pid 控制器的各參數(shù) p=1.36 ti=6 td=1.5圖 12 系統(tǒng)臨界振蕩時輸出波形圖 13 參數(shù)整定后 pid 控制輸出波形14總結(jié)體會本設計使用無 ROM 的 80