基于PID算法的電加熱爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計

1、課程設(shè)計（論文）任務(wù)及評語學(xué) 號學(xué)生姓名專業(yè)班級課程設(shè)計（論文）基于PID算法的電加熱爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計（論文）任務(wù)實現(xiàn)功能電加熱爐用電爐絲提供功率，使其在預(yù)定時間內(nèi)將爐內(nèi)溫度穩(wěn)定在給定值上。本控制對象電阻加熱爐功率為8kW，由220V交流電源供電。本設(shè)計以單片機為控制核心，加上相應(yīng)的輸入輸出通道，采用PID算法，將溫度控制在規(guī)定范圍內(nèi)，并要求實時顯示當前溫度值。被控對象由一階慣性和純滯后環(huán)節(jié)組成。設(shè)計任務(wù)及要求1、確定系統(tǒng)設(shè)計方案，包括單片機的選擇，輸入輸出通道，鍵盤顯示電路；2、建立被控對象的數(shù)學(xué)模型；3、推導(dǎo)控制算法，設(shè)計算法的程序流程圖或程序清單；4、仿真研究，驗證設(shè)計結(jié)果。5

2、、撰寫、打印設(shè)計說明書一份；設(shè)計說明書應(yīng)在4000字以上。技術(shù)參數(shù)溫度控制范圍：50350控制精度±1C°三位LED顯示溫度值進度計劃1、 布置任務(wù)，查閱資料，確定系統(tǒng)方案（1天）2、 被控對象建模（1天）3、 算法推導(dǎo)，程序設(shè)計（3天）4、 仿真研究（2天） 5、撰寫、打印設(shè)計說明書（2天） 6、答辯（1天）指導(dǎo)教師評語及成績 平時： 論文質(zhì)量： 答辯：總成績： 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日院（系）：電氣工程學(xué)院 教研室：自動化注：成績：平時20% 論文質(zhì)量60% 答辯20% 以百分制計算摘 要電加熱爐隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)水平的提高，已經(jīng)在冶金、化工、機械等各類工業(yè)

3、控制中得到了廣泛應(yīng)用，并且在國民經(jīng)濟中占有舉足輕重的地位。對于這樣一個具有非線性、大滯后、大慣性、時變性、升溫單向性等特點的控制對象，很難用數(shù)學(xué)方法建立精確的數(shù)學(xué)模型，因此用傳統(tǒng)的控制理論和方法很難達到好的控制效果。電加熱爐加熱溫度的改變是由上、下兩組爐絲的供電功率來調(diào)節(jié)的，它們分別由兩套晶閘管調(diào)功器供電。調(diào)功器的輸出功率由改變過零觸發(fā)器的給定電壓來調(diào)節(jié)，本設(shè)計以AT89C51單片機為控制核心，輸入通道使用AD590傳感器檢測溫度，測量變送傳給ADC0809進行A/D轉(zhuǎn)換，輸出通道驅(qū)動執(zhí)行結(jié)構(gòu)過零觸發(fā)器，從而加熱電爐絲。本系統(tǒng)PID算法，將溫度控制在50350范圍內(nèi)，并能夠?qū)崟r顯示當前溫度值。

4、關(guān)鍵詞：電加熱爐；功率；溫度范圍；PID目 錄第1章 緒論1第2章 課程設(shè)計方案22.1 概述22.2 系統(tǒng)組成總體結(jié)構(gòu)3第3章 硬件設(shè)計43.1 器件選擇43.2 控制器43.3 電源部分43.4 輸入通道設(shè)計5 溫度檢測電路53.4.2 A/D轉(zhuǎn)換電路53.5 輸出通道設(shè)計63.6 鍵盤的選取7第4章 軟件設(shè)計84.1 系統(tǒng)流程圖84.2 PID算法流程圖94.3 程序流程圖10第5章 系統(tǒng)測試與分析/實驗數(shù)據(jù)及分析12第6章 課程設(shè)計總結(jié)13參考文獻14第1章 緒論電加熱爐在化工、冶金等行業(yè)應(yīng)用廣泛，因此溫度控制在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究中具有重要意義。其控制系統(tǒng)屬于一階純滯后環(huán)節(jié)，具有大慣性

5、、純滯后、非線性等特點，導(dǎo)致傳統(tǒng)控制方式超調(diào)大、調(diào)節(jié)時間長、控制精度低。采用單片機進行爐溫控制，具有電路設(shè)計簡單、精度高、控制效果好等優(yōu)點，對提高生產(chǎn)效率、促進科技進步等方面具有重要的現(xiàn)實意義。  常規(guī)的溫度控制方法以設(shè)定溫度為臨界點，超出設(shè)定允許范圍即進行溫度調(diào)控：低于設(shè)定值就加熱，反之就停止或降溫。這種方法實現(xiàn)簡單、成本低，但控制效果不理想，控制溫度精度不高、容易引起震蕩，達到穩(wěn)定點的時間也長，因此，只能用在精度要求不高的場合。電加熱爐是典型的工業(yè)過程控制對象，在我國應(yīng)用廣泛。電加熱爐的溫度控制具有升溫單向性，大慣性，大滯后，時變性等特點。其升溫、保溫是依靠電阻絲加熱，

6、降溫則是依靠環(huán)境自然冷卻。當其溫度一旦超調(diào)就無法用控制手段使其降溫，因而很難用數(shù)學(xué)方法建立精確的模型和確定參數(shù)，應(yīng)用傳統(tǒng)的控制理論和方法難以達到理想的控制效果。本設(shè)計采用達林算法進行溫度控制，使整個閉環(huán)系統(tǒng)所期望的傳遞函數(shù)相當于一個延遲環(huán)節(jié)和一個慣性環(huán)節(jié)相串聯(lián)來實現(xiàn)溫度的較為精確的控制。單片機作為控制系統(tǒng)中必不可少的部分，在各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，用單片機進行實時系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理和控制，保證系統(tǒng)工作在最佳狀態(tài)，提高系統(tǒng)的控制精度，有利于提高系統(tǒng)的工作效率。 第2章 課程設(shè)計方案 2.1 概述加熱爐是典型的工業(yè)過程控制對象，在我國應(yīng)用廣泛。電加熱爐的溫度控制具有升溫單向性，大慣性，大滯后，時變性等

7、特點。其升溫、保溫是依靠電阻絲加熱，降溫則是依靠環(huán)境自然冷卻。當其溫度一旦超調(diào)就無法用控制手段使其降溫，因而很難用數(shù)學(xué)方法建立精確的模型和確定參數(shù)，應(yīng)用傳統(tǒng)的控制理論和方法難以達到理想的控制效果。本設(shè)計采用PID算法進行溫度控制，使整個閉環(huán)系統(tǒng)所期望的傳遞函數(shù)相當于一個延遲環(huán)節(jié)和一個慣性環(huán)節(jié)相串聯(lián)來實現(xiàn)溫度的較為精確的控制。在用PID算法進行控制時，需要對參數(shù)進行整定，從達林算法表達式可知，參數(shù)的確定十分重要，其大小反映了表達式中差值與輸出值的不同權(quán)重之分及制約關(guān)系。2.2 系統(tǒng)組成總體結(jié)構(gòu)電加熱爐溫度控制系統(tǒng)原理圖如圖2.1，主要由溫度檢測電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、驅(qū)動執(zhí)行電路、顯示電路及按鍵電

8、路等組成。系統(tǒng)采用可控硅交流調(diào)壓器，輸出不同的電壓控制電阻爐溫度的大小，溫度通過熱電偶檢測，再經(jīng)過變送器變成0 - 5 V 的電壓信號送入A/D 轉(zhuǎn)換器使之變成數(shù)字量，此數(shù)字量通過接口送到微機，這是模擬量輸入通道。 AT89C51鍵盤溫度檢測AD590測量變送A/D轉(zhuǎn)換ADC0809加熱電爐絲驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)顯示圖2.1 電加熱爐溫度控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖第3章 硬件設(shè)計3.1 器件選擇本系統(tǒng)選用AT89C51作為控制器，溫度檢測部分選用AD590作為傳感器，ADC0809作為A/D轉(zhuǎn)換器，過零觸發(fā)器采用光耦驅(qū)動電路及雙向可控硅電路。、3.2 控制器控制器選擇AT89C51單片機。引腳圖如圖2.2:

9、圖3.1 AT89C51引腳圖3.3 電源部分本系統(tǒng)所需電源有220V交流市電、直流5V電壓和低壓交流電，故需要變壓器、整流裝置和穩(wěn)壓芯片等組成電源電路。電源變壓器是將交流電網(wǎng)220V的電壓變?yōu)樗枰碾妷褐担缓笸ㄟ^整流電路將交流電壓變?yōu)槊}動的直流電壓。由于此脈動的直流電壓還含有較大的紋波，必須通過濾波電路加以濾除，從而得到平滑的直流電壓。但這樣的電壓還隨電網(wǎng)電壓波動（一般有+-10%左右的波動）、負載和溫度的變化而變化。因而在整流、濾波電路之后，還需要接穩(wěn)壓電路。穩(wěn)壓電路的作用是當電網(wǎng)電壓波動、負載和溫度變化時，維持輸出直流電壓穩(wěn)定。整流裝置采用二極管橋式整流，穩(wěn)壓芯片采用7805，配合電

10、容將電壓穩(wěn)定在5V，供控制電路、測量電路和動執(zhí)行電路中弱電部分使用。除此之外，220V交流市電還是加熱電阻兩端的電壓，通過控制雙向可控硅的導(dǎo)通與截止來控制加熱電阻的功率。低壓交流電即變壓器二次側(cè)的電壓，通過過零檢測電路檢測交流電的過零點，送入單片機后，控制每個采樣周期內(nèi)雙向可控硅導(dǎo)通正弦波個數(shù)的方法來調(diào)節(jié)加溫功率。3.4 輸入通道設(shè)計3.4.1 溫度檢測電路溫度檢測元件選用溫度傳感器AD590。AD590是美國ANALOG DEVICES公司的單片集成兩端感溫電流源。其主要特性如下：流過器件的電流(A)等于器件所處環(huán)境的熱力學(xué)溫度(開爾文)度數(shù)：Ir/T=1式中，Ir流過器件(AD590) 的

11、電流，單位為A；T熱力學(xué)溫度，單位為K； (2) AD590的測溫范圍為+50+350；(3) AD590的電源電壓范圍為430 V，可以承受44V正向電壓和20V反向電壓，因而器件即使反接也不會被損壞；(4) 輸出電阻為710 m；(5) 精度高，AD590在50350范圍內(nèi)，非線性誤差僅為±0.3。3.4.2 A/D轉(zhuǎn)換電路ADC0809是一個典型的逐次逼近型8位A/D轉(zhuǎn)換器。它由8路模擬開關(guān)、8位A/D轉(zhuǎn)換器、三態(tài)輸出鎖存器及地址鎖存譯碼器等組成。它允許8路模擬量分時輸入，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量輸出是三態(tài)的（總線型輸出），可以直接與單片機數(shù)據(jù)總線連接。ADC0809采用+5V電源供電，

12、外接工作時鐘。當?shù)湫凸ぷ鲿r鐘為500KHz時，轉(zhuǎn)換時間約為128us。要處理好模擬信號與數(shù)字信號的雙向轉(zhuǎn)換，我們需要一個轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)信號的轉(zhuǎn)換，采用ADC0809和DAC0832轉(zhuǎn)換器。ADC0809是采樣頻率為8位的、以逐次逼近原理進行模數(shù)轉(zhuǎn)換的器件。其內(nèi)部有一個8通道多路開關(guān)，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號，只選通8路模擬輸入信號中的一個進行A/D轉(zhuǎn)換。DAC0832是8位分辨率的D/A轉(zhuǎn)換集成芯片。3.5 輸出通道設(shè)計輸出通道采用過零觸發(fā)器，由光耦驅(qū)動電路和雙向可控硅電路組成。（1）光耦驅(qū)動電路在驅(qū)動電路中，由于是弱電控制強電，而弱電又很容易受到強電的干擾，影響系統(tǒng)的工作效率和實時性，甚

13、至燒毀整個系統(tǒng)，導(dǎo)致不可挽回的后果，因此必須要加入抗干擾措施，將強弱電隔離。光耦合器是靠光傳送信號，切斷了各部件之間地線的聯(lián)系，從根本上對強弱電進行隔離，從而可以有效地抑制掉干擾信號。此外，光耦合器提供了較好的帶寬，較低的輸入失調(diào)漂移和增益溫度系數(shù)。因此，能夠較好地滿足信號傳輸速度的要求，且光耦合器非常容易得到觸發(fā)脈沖，具有可靠、體積小、等特點。所以在本系統(tǒng)設(shè)計中采用了帶過零檢測的光電隔離器MOC3061，用來驅(qū)動雙向可控硅并隔離控制回路和主回路。MOC3061是一片把過零檢測和光耦雙向可控硅集成在一起的芯片。其輸出端的額定電壓是400V，最大重復(fù)浪涌電流為1.2A，最大電壓上升率dv/dt為

14、1000v/us，輸入輸出隔離電壓為7500V，輸入控制電流為15mA。在驅(qū)動執(zhí)行電路中，當單片機的P2.0、P2.1、P2.2發(fā)出邏輯數(shù)字量為高電平時，經(jīng)過三極管放大后驅(qū)動光耦合器的放光二極管，MOC3061的輸入端導(dǎo)通，有大約15mA的電流輸入。當MOC306的輸出端6腳和4腳尖電壓稍稍過零時，光耦內(nèi)部雙向可控硅即可導(dǎo)通，提供一個觸發(fā)信號給外部晶閘管使其導(dǎo)通；當P2.0、P2.1、P2.2為低電平時，MOC3061截止，雙向可控硅始終處于截止狀態(tài)。（2）雙向可控硅電路在本設(shè)計中，考慮到電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定和現(xiàn)在市場上銷售的雙向可控硅型號，選擇了工作電壓為400V，通態(tài)電流為4A的雙向可控硅BT1

15、36。利用單片機控制雙向可控硅的導(dǎo)通角。在不同時刻利用單片機給雙向可控硅的控制端發(fā)出觸發(fā)信號，使其導(dǎo)通或關(guān)斷，實現(xiàn)負載電壓有效值的不同，以達到調(diào)壓控制的目的。具體如下：（a）由硬件完成過零觸發(fā)環(huán)節(jié)，即在工頻電壓下，每10ms進行一次過零觸發(fā)信號，由此信號來達到與單片機的同步。（b）過零檢測信號接至P1.5轉(zhuǎn)換口，由單片機對此口進行循環(huán)檢測，然后進行延時觸發(fā)。3.6 鍵盤的選取 本系統(tǒng)采用3*3鍵盤，由單片機I/O口控制，可通過按鍵設(shè)定溫度和時間，有的按鍵在不同情況下可以實現(xiàn)不同功能。第4章 軟件設(shè)計4.1 系統(tǒng)流程圖本系統(tǒng)的主程序流程圖如圖4.1所示:開始系統(tǒng)的初始化溫度數(shù)據(jù)采集及處理NO停止

16、加熱是否低于預(yù)設(shè)值？YES結(jié)束求出輸出控制量PID算法控制輸出圖4.1 電加熱爐溫度控制系統(tǒng)主程序流程圖系統(tǒng)采用可控硅交流調(diào)壓器，輸出不同的電壓控制電熱爐溫度的大小，溫度通過熱電偶檢測，再經(jīng)過變送器變成0 - 5 V 的電壓信號送入A/D 轉(zhuǎn)換器使之變成數(shù)字量，此數(shù)字量通過接口送到微機，這是模擬量輸入通道。 在微機內(nèi)部，主機將采樣值與給定值比較后進行控制算法計算，再經(jīng)D/A 轉(zhuǎn)換器變成模擬量，然后經(jīng)放大器放大后輸入調(diào)壓器，調(diào)節(jié)電壓的大小，以達到控制溫度的目的。4.2 PID算法流程圖PID流程圖如圖4.2：離線計算q0, q1,q2置e(k-1)=e(k-2)=0將A/D結(jié)果賦給y(k)e(k

17、)=r(k)-y(k)按式計算控制增量 u(k)將 u(k)輸出給D/Ae(k-2)=e(k-1)e(k-1)=e(k)采樣時刻到否A/DD/A被控對象否到圖4.2 PID算法流程圖4.3 程序流程圖系統(tǒng)程序流程圖如圖4.3： 開始初始化調(diào)用掃描子程序調(diào)用A/D轉(zhuǎn)換子程序調(diào)用溫度控制子程序調(diào)用顯示子程序鍵值復(fù)原圖4.3 程序流程圖部分PID控制程序MOV R5，#01H MOV R4，#3CH DIV R5，#64H DIV R4，#64H ADD R5，R4 ； MOV R6，#74H DIV R6，#64H ； MUL R5，#ZDEC R5，R6MOV R7，R5 MOV R5，#01H

18、 MOV R4，#0A2H DIV R5，#64H DIV R4，#64H ADD R5，R4 ； MOV R6，#01H； MUL R6，#ZDEC R6，R5DIV R7，R6第5章 系統(tǒng)測試與分析/實驗數(shù)據(jù)及分析對設(shè)定傳遞函數(shù)進行PID算法仿真，使用AEDK-labACT實驗箱，仿真接線圖如圖5.1。圖5.1達林算法連接圖其中時間常數(shù)=350秒，放大系數(shù)=50，滯后時間=20秒，控制算法選用達林算法 。得到仿真圖如圖5.2： 圖5. 仿真曲線第6章 課程設(shè)計總結(jié)此次課程設(shè)計中，我做的課題是基于PID算法的電加熱爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計。在本控制對象電阻加熱爐功率為8KW，20V交流電供電，采用雙向可控硅進行控制。本設(shè)計針對一個溫度區(qū)進行溫度控制，要求控制溫度范圍50350，保溫階段溫度控制精度為正負1度。選擇合適的傳感器，計算