電加熱爐溫度PID控制算法

文檔文檔文檔文檔基于PID電加熱爐溫度掌握系統(tǒng)設(shè)計1概述電加熱爐隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)展和工業(yè)生產(chǎn)水平的提高，已經(jīng)在冶金、化工、機(jī)械等各類工業(yè)掌握中得到了廣泛應(yīng)用，并且在國民經(jīng)濟(jì)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(diǎn)的掌握對象，很難用數(shù)學(xué)方法建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，因此用傳統(tǒng)的掌握理論和方法很難到達(dá)好的掌握效果。單片機(jī)以其高牢靠性、高性能價格比、掌握便利簡潔和敏捷性大等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)掌握系統(tǒng)、智能化儀器儀表等諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。承受單片機(jī)進(jìn)展?fàn)t溫掌握，可以提高掌握質(zhì)量和自動化水平。在本掌握對象電阻加熱爐功率為800W，由220V溝通電供電，承受雙向可控硅進(jìn)展掌握。本設(shè)計針對一個溫度區(qū)進(jìn)展溫度掌握，要求掌握溫度范圍50~350C，保溫階段溫度掌握精度為正負(fù)1度。選擇適宜的傳感器，計算機(jī)輸出信號經(jīng)轉(zhuǎn)換后通過雙向可控硅掌握器掌握加熱電阻兩端的電壓。其對象問溫控數(shù)學(xué)模型為：K esG(s) dTds1其中：時間常數(shù)Td=350秒放大系數(shù)Kd=50滯后時間=10秒掌握算法選用改PID掌握2系統(tǒng)硬件的設(shè)計本系統(tǒng)的單片機(jī)爐溫掌握系統(tǒng)構(gòu)造主要由單片機(jī)掌握器、可控硅輸出局部、熱電偶傳感器、溫度變送器以及被控對象組成。2系統(tǒng)硬件的設(shè)計本系統(tǒng)的單片機(jī)爐溫掌握系統(tǒng)構(gòu)造主要由單片機(jī)掌握器、可控硅輸出局部、熱電偶傳感器、溫度變送器以及被控對象組成。系統(tǒng)硬件構(gòu)造框圖如下：看門狗鍵盤微型掌握機(jī)8路A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809測量變送溫度檢測PT100溫度LED顯示8路D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)加熱電阻通信接口AT89S52報警提示圖2-2系統(tǒng)電路圖文檔文檔文檔文檔文檔電源局部本系統(tǒng)所需電源有220V溝通市電、直流5V電壓和低壓溝通電，故需要變壓器、整流裝置和穩(wěn)壓芯片等組成電源電路。電源變壓器是將溝通電網(wǎng)220V的電壓變?yōu)樗枰碾妷褐?，然后通過整流電路將溝通電壓變?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，必需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(fù)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(dāng)電網(wǎng)電壓波動、負(fù)載和溫度變化時，維持輸出直流電壓穩(wěn)定。整流裝置承受二極管橋式整流，穩(wěn)壓芯片承受 78L05,協(xié)作電容將電壓穩(wěn)定在5V，供掌握電路、測量電路和驅(qū)動執(zhí)行電路中弱電局部使用。除此之外，220V溝通市電還是加熱電阻兩端的電壓，通過掌握雙向可控硅的導(dǎo)通與截止來掌握加熱電阻的功率。低壓溝通電即變壓器二次側(cè)的電壓，通過過零檢測電路檢測溝通電的過零點(diǎn)，送入單片機(jī)后，由掌握程序打算雙向可控硅的導(dǎo)通角，以到達(dá)掌握加熱電阻功率的目的。采樣測量局部在檢測裝置中，溫度檢測用WZP-231鉑熱電阻〔Pt100〕，承受三線制接法，采樣電路為橋式測量電路，其輸入量程為50~350°C，經(jīng)測量電路采樣后輸出2~5V電壓，再經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADC0809進(jìn)展轉(zhuǎn)換，變?yōu)閿?shù)字量后送入單片機(jī)進(jìn)展分析處理。鉑電阻溫度傳感器是利用其電阻和溫度成肯定函數(shù)關(guān)系而制成的溫度傳感器由于其測量準(zhǔn)確度高、測量范圍大、復(fù)現(xiàn)性和穩(wěn)定性好等被廣泛用于中溫PT100是一種廣泛應(yīng)用的測溫元件，在-50~600℃范圍內(nèi)具有其他任何溫度傳感器無可比較的優(yōu)勢，包括高精度、穩(wěn)定性好、抗干擾力量強(qiáng)等。由于鉑電阻的電阻值與溫度成非線性關(guān)系，所以需要進(jìn)展非線性校正。校正分為模擬電路校正和微處理器數(shù)字化校正，模擬校正有很多現(xiàn)成的電路，其精度不高且易受溫漂等干擾因素影響，數(shù)字化校正則需要在微處理系統(tǒng)中使用，將Pt電阻的電阻值和溫度對應(yīng)起來后存入EEPROM中，依據(jù)電路中實(shí)測的AD值以查表方式計算相應(yīng)溫度值。Pt電阻接法有三線制和兩線制，其中三線制接法的優(yōu)點(diǎn)是將PT100的兩側(cè)相等的的導(dǎo)線長度分別加在兩側(cè)的橋臂上，使得導(dǎo)線電阻得以消退。常用的采樣電路有兩種：一為橋式測溫電路，一為恒流源式測溫電路。在本系統(tǒng)設(shè)計中，承受了第一種方法，即橋式測溫。測溫原理：電路承受TL431和電位器VR1調(diào)整產(chǎn)生4.096V的參考電源；承受R1、R2、VR2、Pt100構(gòu)成測量電橋〔R1＝R2，VR2100Ω〕，當(dāng)Pt100的電阻值和VR2的電阻值不相等時，電橋輸出一個mV級的壓差信號，這個壓差信號經(jīng)過運(yùn)放LM324放大后輸出期望大小的電壓信號，該信號可直接連AD轉(zhuǎn)換芯片。差動放大電路中R3＝R4、R5＝R6、放大倍數(shù)＝R5/R3，運(yùn)放承受單一5V供電。設(shè)計及調(diào)試留意點(diǎn)：同幅度調(diào)整R1R2的電阻值可以轉(zhuǎn)變電橋輸出的壓差大??；轉(zhuǎn)變R5/R3的比值即可轉(zhuǎn)變電壓信號的放大倍數(shù)，以便滿足設(shè)計者對溫度范圍的要求放大電路必需接成負(fù)反響方式，否則放大電路不能正常工作。VR2也可為電位器，調(diào)整電位器阻值大小可以轉(zhuǎn)變溫度的零點(diǎn)設(shè)定，調(diào)至109.885Ω25℃。測量電位器的阻值時須在沒有接入電路時調(diào)整，這是由于接入電路后測量的電阻值發(fā)生了轉(zhuǎn)變。理論上，運(yùn)放輸出的電壓為輸入壓差信號×放大倍數(shù)，但實(shí)際在電路工作時測量輸出電壓與輸入壓差信號并非這樣的關(guān)系，壓差信號比理論值小很多，實(shí)際輸出信號為式中電阻值以電路工作時量取的為準(zhǔn)。VCC的話，當(dāng)網(wǎng)壓波動造成VCC發(fā)生波動時，運(yùn)放輸出的信號也會發(fā)生轉(zhuǎn)變，此時再到以VCC電阻表中查表求值時就不準(zhǔn)確。驅(qū)動執(zhí)行局部硬件輸出通道主要包括加熱電阻的掌握環(huán)節(jié)，而此掌握環(huán)節(jié)的核心是雙向可控硅，但電路的關(guān)鍵是設(shè)計雙向可控硅的驅(qū)動電路。雙向可控硅的通斷直接打算加熱電阻的工作與不工作，本局部用帶過零觸發(fā)的光耦 MOC3061 來驅(qū)動。光耦驅(qū)動電路在驅(qū)動電路中，由于是弱電掌握強(qiáng)電，而弱電又很簡潔受到強(qiáng)電的干擾，影響系統(tǒng)的工作效率和實(shí)時性，甚至燒毀整個系統(tǒng)，導(dǎo)致不行挽回的后果，因此必必要參加抗干擾措施，將強(qiáng)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(qiáng)弱電進(jìn)展隔離，從而可以有效地抑制掉干擾信號。此外，光耦合器供給了較好的帶寬，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，且光耦合器格外簡潔得到觸發(fā)脈沖，具有牢靠、體積小、等特點(diǎn)。所以在本系統(tǒng)設(shè)計中承受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掌握回路和主回路。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1.2Adv/dt1000v/us,輸入輸出隔離電壓為7500V，輸入掌握電流為15mA。高電尋常，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(dāng)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，供給一個觸發(fā)信號給外部晶閘管使其導(dǎo)通；當(dāng)P2.0、P2.1、P2.2為低電尋常，MOC3061 截止，雙向可控硅始終處于截止?fàn)顟B(tài)。驅(qū)動電路有關(guān)元件的選擇R25，C10組成吸取電路，并接在雙向可控硅的兩極之間。吸取回路組成緩沖器。有了吸取回路，可控硅通斷過程中電源電壓的變化率受到R25，C10的限制。R25可以抑制雙向可控硅通斷時產(chǎn)生的浪涌電流。R25和C10依據(jù)閱歷公式選，一般C10取0.01~1.0uF，R25取幾歐到幾十歐，本電路中R25取39文檔文檔文檔文檔文檔C100.01uF。R27為限流電阻，用來限制MOC3061 的輸出驅(qū)動電流，其數(shù)值為電源電壓峰值除以雙向可控硅的允許重復(fù)電流。在本電路中 R27取300歐。R26：由于MOC3061 在輸出關(guān)斷狀態(tài)下也有小于或等于 500mA的輸出電流，所以參加R26分流消退這個電流對雙向可控硅的影響，以防止雙向可控硅誤觸發(fā)，提高了系統(tǒng)的牢靠性。在此電路中可以看出單片機(jī)的輸出通道承受了MOC3061 進(jìn)展驅(qū)動有以下優(yōu)點(diǎn)：〔1〕掌握簡潔?？捎肧ETB或CLR指令直接掌握P2.0、P2.1、P2.2以掌握加熱電阻的工作與否。〔2〕MOC3061 由于承受了過零觸發(fā)電路大大簡化了雙向可控硅的觸發(fā)電路，把SCR一向掌握變?yōu)橛杏玫臄?shù)字脈沖掌握。〕MOC3061與雙向可控硅實(shí)際組成了一個固態(tài)繼電器，實(shí)現(xiàn)了無觸電掌握。〕輸出通道實(shí)現(xiàn)了光電隔離，防止了射電干擾。P2.1、P2.2口直接掌握雙向可控硅，省去了的 D/A轉(zhuǎn)換電路，簡化了接口電路。雙向可控硅電路(1)雙向可控硅這種可控硅具有雙向?qū)üδ?，在溝通電的正?fù)半周都可以導(dǎo)通。其英文名TRIAC即三級溝通開關(guān)的意思，并把它的兩極稱為 MT1和MT2，其電路符合如下圖。雙向可控硅的通斷狀況由掌握極柵極〔G〕打算，當(dāng)柵極無信號時MT1和MT2成高阻態(tài)，管截止；而當(dāng)MT1與MT2之間加一個閾值電壓〔一般大于1.5V〕的電壓時，就可以利用掌握極柵極電壓來使可控硅導(dǎo)通。但需要留意的是，當(dāng)雙向可控硅接感性負(fù)載時，電流和電壓之間有肯定的相位差。在電流為零時，反向電壓可能不為零，且超過轉(zhuǎn)換電壓，使管子反向?qū)ǎ室茏幽艹惺苓@種反向電壓，并在回路中參加RC網(wǎng)絡(luò)加以吸取。觸發(fā)方式掌握雙向可控硅從高阻態(tài)〔阻斷區(qū)〕轉(zhuǎn)換到低阻態(tài)〔導(dǎo)通區(qū)〕可以用不同的方式實(shí)現(xiàn)。相應(yīng)的分為四種方式：〕MT1相對于MT2為正，掌握脈沖電壓Ug相對于MT1為正〕MT1相對于MT2為負(fù)，掌握脈沖電壓Ug相對于MT1為負(fù)〕MT1相對于MT2為正，掌握脈沖電壓Ug相對于MT1為負(fù)〕MT1相對于MT2為負(fù)，掌握脈沖電壓Ug相對于MT1為正式下，掌握靈敏度特別高。另外兩種掌握方式下，要求高一倍的觸發(fā)電流。在本設(shè)計中，選擇了掌握方式〔1〕和〔2〕。如同晶閘管的掌握極那樣，雙向可控硅的掌握極在觸發(fā)后便失去了作用。雙向可控硅長期維持低阻態(tài)，直到低于維持電流I，然后在轉(zhuǎn)換到高阻態(tài)。溝通電壓時，每次電源電壓過零雙向可控硅都會自動截止，所以雙向可控硅每半個周期都需要重觸發(fā)。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BT136。利用單片機(jī)掌握雙向可控硅的導(dǎo)通角。在不同時刻利用單片機(jī)給雙向可控硅的掌握端發(fā)出觸發(fā)信號，使其導(dǎo)通或關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)負(fù)載電壓有效值的不同，以到達(dá)調(diào)壓掌握的目的。具體如下：〔1〕由硬件完成過零觸發(fā)環(huán)節(jié)，即在工頻電壓下，每10ms進(jìn)展一次過零觸發(fā)信號，由此信號來到達(dá)與單片機(jī)的同步?！?〕過零檢測信號接至單片機(jī)的P2.3口，由單片機(jī)對此口進(jìn)展循環(huán)檢測，然后進(jìn)展延時觸發(fā)。掌握電路及程序流程圖微處理器89C5189C51是一種帶4K字節(jié)Flash可編程可擦除的高性能 CMOS8 位微處理器，俗稱單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除器件承受ATMEL 高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的

100次。該MCS-51 指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能 和閃耀存儲器組合在單個芯片中，ATMEL 的89C51是一種高效微掌握器。單片機(jī)的抗干擾性設(shè)計。單片機(jī)干擾最常見的現(xiàn)象就是程序消滅不行逆狀態(tài)，設(shè)計系統(tǒng)時一般要添加一個看門狗監(jiān)控模塊，在系統(tǒng)消滅不行逆狀態(tài)的干擾時，監(jiān)控模塊將重啟系統(tǒng)。MAX1232 微處理器監(jiān)控電路給微處理器供給關(guān)心功能以及電源供電監(jiān)控功能，當(dāng)電源過電壓、欠電壓時，MAX1232250ms寬度的復(fù)位脈沖，其中的容許極限能用數(shù)字式的方法來選擇的容限。模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊ADC0809 是一個典型的逐次靠近型位轉(zhuǎn)換器。它由88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

將供給至少5%或10%路模擬開關(guān)、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(jī)數(shù)據(jù)總線連接。ADC0809 承受+5V電源供電，外接工作時鐘。當(dāng)?shù)湫凸ぷ鲿r鐘為500KHz時，轉(zhuǎn)換時間約為128us.〔1〕ADC080974LS02，ADC0809/6MHz/s的晶振，ALE輸出66MHz/s時鐘信號，經(jīng)74LS74觸發(fā)器2分頻，得到500KHz的時鐘信號，與ADC0809 的時鐘端CLK相連?！?〕通道選擇：三位通道選擇端ADDA、ADDB、ADDC與數(shù)據(jù)線P1口的低三位P1.0、P1.1、P1.2相連，用數(shù)據(jù)線進(jìn)展通道選擇，由P1.0、文檔P1.1、P1.2三位打算選擇那一通道?！?〕ADC0809啟動：ADC0809的啟動端START、地址所存端ALE均為高電平有效。將START和ALE連在一起，與74LS02的輸出端相連?；蚍情T74LS02的兩個輸入端/WR和P3.5均為低電尋常，其輸出為高電平，執(zhí)行外部I/O口的寫操作?！?〕轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的讀?。寒?dāng)轉(zhuǎn)換完畢時，EOC端輸出高電平?？捎貌樵兒椭袛嗟姆椒ㄟM(jìn)展數(shù)據(jù)讀取處理。輸出允許OE端為高電平，8位轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)D0~D7輸出到數(shù)據(jù)線上。只有 P3.5和/ RD同時為低電平時，OE端才為高電平。執(zhí)行外部I/O/RD為低電平?！?〕轉(zhuǎn)換完畢標(biāo)志EOC:轉(zhuǎn)換完畢標(biāo)志EOC端經(jīng)反向器與單片機(jī)的/INT1相連，即轉(zhuǎn)換一旦完畢，外部中斷 1則申請中斷。開頭PSW壓棧讀A/D結(jié)果調(diào)顯示程序-20%<結(jié)果<20% 設(shè)定值與AD結(jié)果比較 結(jié)果=0關(guān)閉報警

結(jié)果>or<設(shè)定值的20%

置位狀態(tài)位F0F0是否等于零 F0=0F0=0調(diào)PID掌握算法程序

報警子程序N溝通電是否過零Y文檔啟動定時器 T1N溢出標(biāo)志TF1是否為零文檔文檔文檔文檔圖3-1A/D轉(zhuǎn)換完畢中斷效勞程序流程圖LED顯示模塊8段LED顯示屏是最常用的顯示器件，分為共陽極和共陰極兩種形式。共陽極LED將全部發(fā)光二極管的陽極接在一起作為公共端，當(dāng)公共端接高電平，某一段的發(fā)光二極管陰極接低電尋常，相應(yīng)的字段就被點(diǎn)亮。共陰極 LED將所有發(fā)光二極管的陰極接在一起作為公共端，當(dāng)公共端接低電平，某一段的發(fā)光二極管陽極接高電尋常，相應(yīng)的字段就被點(diǎn)亮。LED數(shù)碼管的顯示方法動態(tài)顯示：動態(tài)掃描，分時循環(huán)靜態(tài)顯示：一次輸出，結(jié)果保持動態(tài)顯示動態(tài)顯示，就是微型機(jī)定時地對顯示器件掃描，時工作，每次只能一個器件顯示。但由于人視覺的暫留現(xiàn)象，所以，仍感覺全部的器件都在顯示。靜態(tài)顯示靜態(tài)顯示，是由微型機(jī)一次輸出顯示后，就能保持該顯示結(jié)果，直到下次送的顯示模型為止。這種顯示占用機(jī)時少，顯示牢靠。通過比較及對程序的分析，本設(shè)計當(dāng)中兩組數(shù)碼管均承受了共陰極靜態(tài)顯示。

開頭將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為七段碼送入8255PA口譯碼選擇顯示位子程序返回圖3-2顯示子程序1度，故當(dāng)溫度下降或上2度時為故障狀態(tài)，需要報警提示。所以在電路設(shè)計上應(yīng)用了蜂鳴器和發(fā)光二極管，系統(tǒng)正常運(yùn)行時綠色發(fā)光二極管點(diǎn)亮，當(dāng)消滅故障時紅色發(fā)光二極管點(diǎn)亮并后自動復(fù)位后自動復(fù)位開頭置報警位P3.4去除報警狀態(tài)位F0子程序返回圖3-3報警子程序鍵盤模塊在本次設(shè)計當(dāng)中，輸入設(shè)備承受4*4矩陣鍵盤。當(dāng)“設(shè)定”鍵按下時觸發(fā)鍵盤中斷效勞程序，由程序程控掃描法確定那個鍵按下并執(zhí)行相應(yīng)的動作。程控掃描的任務(wù)是：首先推斷是否有鍵按下。方法：使全部的行輸出均為低電平，然后從端口 A讀入列值。假設(shè)沒有鍵按下，則讀人值為FFH．假設(shè)有鏈按下．則不為FFH。去除鍵抖動。方法：延時10—20ms，再一次推斷有無鍵按下，假設(shè)此時仍有鍵按下，則認(rèn)為鍵盤上確實(shí)有鍵處于穩(wěn)定閉合期。假設(shè)有鍵閉合，則求出閉合鍵的鍵值。文檔文檔文檔文檔方法：對鍵盤逐行掃描。程序中需等閉合鍵釋放后才對其進(jìn)展處理。通信模塊在此局部主要是實(shí)現(xiàn)下位機(jī)與上位機(jī)之間的通信，將實(shí)時數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)，進(jìn)展同一協(xié)調(diào)和集中治理。RS232的電氣接口是單端的、雙極性電源電路。由于RS-232承受的數(shù)據(jù)傳輸線路是非平衡，且是誤無差分的接收方式，當(dāng)信號穿過電氣干擾環(huán)境時，發(fā)送的信號將會受到影響。故數(shù)據(jù)傳輸速率局限于20KB/s；傳輸距離局限于15m，但RS-232也是目前最廣泛使用的串行通信接口標(biāo)準(zhǔn)。在本設(shè)計當(dāng)中，考慮到系統(tǒng)調(diào)試的便利，承受了RS232串行總線。MAX232芯片是美信公司特地為電腦的 RS-232 標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計的接口電路 使用+5v單電源供電。內(nèi)部構(gòu)造根本可分三個局部：〔1〕第一局部是電荷泵電路。由1、2、3、4、5、6腳和4只電容構(gòu)成。功能是產(chǎn)生+12v和-12v兩個電源，供給應(yīng)