基于PID控制的淬火炉炉温控制系统设计.doc

计算机控制技术计算机控制技术 课程设计任务书课程设计任务书 学生姓名学生姓名专业班级专业班级学号学号 题题 目目基于 PID 控制的淬火炉炉温控制系统设计 课题性质课题性质课程设计课题来源课题来源自拟课题 指导教师指导教师 主要内容主要内容 针对淬火炉炉温控制系统的控制功能要求 设计一个计算机控 制系统 能够对淬火炉内的温度进行测量及显示 并通过执行机构 控制淬火炉内的温度保持在给定值 任务要求任务要求 第 1 天 熟悉课程设计任务及要求 针对课题查阅技术资料 第 2 天 确定设计方案 要求对设计方案进行分析 比较 论证 画出方框图 并简述工作原理 第 3 4 天 按照确定的方案设计单元电路 要求画出单元电路图 元件及元件参数选择要有依据 各单元电路的设计要有详细论 述 第 5 天 撰写课程设计报告 要求内容完整 图表清晰 文理流畅 格式规范 方案合理 设计正确 篇幅不少于 5000 字 主要参主要参 考资料考资料 1 沙占友 单片机应用技术与实例 北京 电子工业出版社 2005 2 楼然苗 单片机课程设计指导 北京 北京航空航天大学出版 社 2007 3 张毅刚等 MCS 51 单片机应用设计 哈工大出版社 2007 年 4 张晋格 计算机控制原理与应用 北京 电子工业出版社 1995 审查意见审查意见 系 教研室 主任签字 系 教研室 主任签字 年年 月月 日日 目录目录 1 1 引言引言 4 4 1 1 课题背景 4 1 2 控制对象 5 1 3 系统功能及技术要求 5 2 2 总体方案设计总体方案设计 5 5 2 1 控制方案选择 5 2 2 数学模型的建立 6 2 3 控制算法的确定 6 2 4 系统组成框图及工作原理 7 3 3 硬件电路设计硬件电路设计 8 8 3 1 微控制器 8 3 2 A D 转换模块 8 3 3 温度测量电路 8 3 4 温度控制电路 9 3 5 键盘与显示电路 9 3 6 报警电路 10 4 4 软件设计软件设计 1111 4 1 主程序流程图 11 4 2 中断程序流程图 12 5 5 总结总结 1313 参考文献参考文献 1414 附录附录 系统总原理图系统总原理图 1616 1 1 引言引言 1 11 1 课题背景课题背景 温度是工业对象中一个主要的被控参数 它是一种常见的过程变量 因为 它直接影响燃烧 化学反应 发酵 烘烤 煅烧 蒸馏 浓度 挤压成形 结 晶以及空气流动等物理和化学过程 温度控制不好就可能引起生产安全 产品 质量和产量等一系列问题 温度控制是许多设备的重要的构成部分 它的功能 是将温度控制在所需要的温度范围内 以利于进行工件的加工与处理 不论是 在生活中还是在工业生产过程中 温度的变化对生活 生产的某些细节环节都 会造成不同程度的影响 所以适时地对温度进行控制具有重要的意义 一直以来 人们采用了各种方法来进行温度控制 都没有取得很好的控制 效果 起先由于电阻炉的发热体为电阻丝 传统方法大多采用仪表测量温度 并通过控制交流接触器的通断时间比例来控制加热功率 由于模拟仪表本身的 测量精度差 加上交流接触器的寿命短 通断比例低 故温度控制精度低 且 无法实现按程序设定的升温曲线升温和故障自诊断功能 因此要对传统的温度 控制方法进行改造 如今 随着以微机为核心的温度控制技术不断发展 用微 机取代常规控制已成必然 因为它确保了生产过程的正常进行 提高了产品的 数量与质量 减轻了工人的劳动强度以及节约了能源 并且能够使加热对象的 温度按照某种指定规律变化 这不但对用户来说具有很大的意义 而且对整个 社会来说都是有重大意义 1 21 2 控制对象控制对象 淬火是生产过程中的一道关键工序 其温度控制的精度直接影响到产品的 质量 因此淬火炉的温度控制在工业生产中具有重要意义 1 31 3 系统功能及技术要求系统功能及技术要求 淬火炉温度控制通常由多个温区 本设计针对一个温区进行温度控制 要 求控制温度范围 600 800 控制精度在 1 温度探头选用热电偶 系统具 体化技术指标如下 1 淬火炉温度控制在 600 800 2 加热过程中恒温控制 误差为 2 3 LED 实时显示系统温度 用键盘输入温度 精度为 1 4 采用直接数字控制算法 要求误差小 平稳性好 5 温度超出预置温度 5 时发出报警 2 2 总体方案设计总体方案设计 2 12 1 控制方案选择控制方案选择 方案一 系统采用 8031 作为系统的微处理器 温度信号由热电偶检测后转 换为电信号经过预处理 放大 送到 A D 转换器 转换后的数字信号再送到 8031 内部进行判断或计算 从而输出的控制信号来控制锅炉是否加热 但对于 8031 来说 其内部只有 128 个字节的 RAM 没有程序存储器 并且系统的程 序很多 要完成键盘 显示等功能就必须对 8031 进行存储器扩展和 I O 口扩展 并且需要容量较大的程序存储器 外扩时占用的 I O 口较多 使系统的设计复 杂化 方案二 AT89C51 单片机是最常用的单片机 是一种低损耗 高性能 CMOS 八位微处理器 AT89C51 与 MCS 51 系列的单片机在指令系统和引脚上 完全兼容 而且能使系统具有许多 MCS 51 系列产品没有的功能 功能强 灵 活性高而且价格低廉 AT89C51 可构成真正的单片机最小应用系统 缩小系统 体积 增加系统的可靠性 降低了系统成本 只要程序长度小于 4K 四个 I O 口全部提供给拥护 系统运行中需要存放的中间变量较少 可不必再扩充外部 RAM 综上所述的二种方案 该设计选用方案二比较合适 2 22 2 数学模型的建立数学模型的建立 本设计针对一个温区进行温度控制 要求控制温度范围 600 800 控制 精度在 1 温度探头选用热电偶 输出 0 10mA 电流信号 通过双向可控硅 控制器控制加热电阻两端的电压 输入电流输出电压线性关系 其对象温控数 学模型为 2 2 1 1 sT Ke sU s p s 其中 s 为炉温 U s 为输入电压 K TP 为炉子的参数 这三个 参数都能通过实验的方法得到 2 32 3 控制算法的确定控制算法的确定 PID 调节是连续系统中技术最成熟的 应用最广泛的一种控制算方法 它 结构灵活 不仅可以用常规的 PID 调节 而且可以根据系统的要求 采用各种 PID 的变型 如 PI PD 控制及改进的 PID 控制等 它具有许多特点 如不需要 求出数学模型 控制效果好等 特别是在微机控制系统中 对于时间常数比较 大的被控制对象来说 数字 PID 完全可以代替模拟 PID 调节器 应用更加灵活 使用性更强 所以该系统采用 PID 控制算法 在计算机控制系统中 PID 控制规律的实现必须用数值逼近的方法 当采 样周期相当短时 用求和代替积分 用后向差分代替微分 是模拟 PID 离散化 变为差分方程 数字 PID 位置型控制算式为 2 3 1 数字 PID 增量型控制算式为 2 3 2 其中 称为比例增益 称为积分系数 称为微分系数 2 42 4 系统组成框图及工作原理系统组成框图及工作原理 系统的硬件包括微控制器部分 主机 A D 转换模块 温度检测 温度控 制 键盘与显示 报警几个主要部分 系统的组成框图如图 2 1 所示 2 1 2 1 kekekeKkeTkekeKku DIP 1 0 k i D I P T keke Tie T T keKku 1 P K I PI T T KK T T KK D PD 报警电路 单片机 AT89C51 显示电路 键盘 可控硅控制器 温度传感器 光耦驱动电路 淬火炉 A D转换模块 图 2 1 系统组成框图 工作原理 淬火炉的温度由温度传感器获得 经 A D 转换模块转换后送给 单片机 然后经相应的显示电路显示出来 工作人员根据工序所需温度然后通 过键盘把相应的指令送入单片机 经过光耦驱动电路和可控硅控制器的控制使 淬火炉的温度满足工序的需要 报警电路则是在淬火炉温度低于 600 或高于 800 的时候发出报警信号 3 3 硬件电路设计硬件电路设计 3 13 1 微控制器微控制器 AT89C51 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 AT89C51 单片机为很多嵌入式控制系统提供了 一种灵活性高且价格低廉的方案 3 23 2 A DA D 转换模块转换模块 系统中的 AD 转换模块的功能主要是由 AD574 来实现的 AD574 是 12 位逐 次逼近型的 AD 转换芯片 片内有数据输出寄存器并有三态输出的控制逻辑 其 运算方式灵活 可进行 12 位转换 也可进行 8 位转换 转换结果可直接 12 位 输出 也可先输出高 8 位 后输出低 4 位 片内有时钟电路 无需外部时钟 3 33 3 温度测量电路温度测量电路 本系统采用热电偶来采集温度 热电偶是一种感温元件 它把温度信号转 换成热电动势信号 通过电气仪表转换成被测介质的温度 热电偶测温的基本 原理是两种不同成份的均质导体组成闭合回路 当两端存在温度梯度时 回路 中就会有电流通过 此时两端之间就存在电动势 即热电动势 这就是所谓的 塞贝克效应 两种不同成份的均质导体为热电极 温度较高的一端为工作端 温度较低的一端为自由端 自由端通常处于某个恒定的温度下 根据热电动势 与温度的函数关系 制成热电偶分度表 分度表是自由端温度在 0 时的条件 下得到的 不同的热电偶具有不同的分度表 在热电偶回路中接入第三种金属 材料时 只要该材料两个接点的温度相同 热电偶所产生的热电 势将保持不 变 即不受第三种金属接入回路中的影响 因此 在热电偶测温时 可接入测 量仪表 测得热电动势后 即可知道被测介质的温度 3 43 4 温度控制电路温度控制电路 电阻丝由过零触发型的双向晶闸管整流电路驱动 通过调节加热阻丝上的 平均电压来控制加热功率 最终达到控制炉温的目的 其原理见图 3 1 MOC3021 是晶闸管型光电隔离器件 它只能触发小功率晶闸管 因此 本 系统中通过 MOC3021 控制双向晶闸管 T1 再由 T1 控制主电路的双向晶闸管 T2 将当前温度与预置温度比较 当前温度小于预置温度时 继电器闭合 接 通电阻丝加热 当前温度大于预置温度时 继电器断开 停止加热 当二者相 等时电路保持原来状态 当温度降低到比预置温度低 2 时 再重新启动加热 当前温度超出报警上下限时将启动报警 并停止加热 由于淬火炉加热时 当 前温度有可能低于报警下限 为防止误报 在未达到预置温度时 不允许报警 为此设置了报警允许标志位 F0 R1 R2 R3 R4 R5 U MOC 3021 C2C1 T 1T 2 12V 出出出 出出出出 R5R6 出出 220V 图 加热控制电路原理图 3 53 5 键盘与显示电路键盘与显示电路 键盘可以分为独立连接式和行列式 矩阵式 两类 独立式键盘是各按键 相互独立地接通一条输入数据线 电路简单 但是当按键较多时 要占用较多 的 I O 口线 为了减少键盘与单片机接口时所占用 I O 线的数目 在键数较多 时 通常将键盘排列成行列矩阵形式 本系统允许用户根据需要随时改变系统 的工作状态和控制参数 为此设置了 4 位 LED 显示和相应的操作键盘 并由专 用控制芯片 8279 实现与 CPU 的接口 采用 8279 后 可以节省 CPU 用于查询键 盘输入和管理显示输出的时间 降低了对 CPU 处理速度的要求 同时也减少了 软件工作量 接口电路图如图 3 2 所示 图 U 键盘与显示电路 其工作原理 用 8 行 2 列扩展 14 个键盘 8 条行线分别接到 8279 的 RL0 RL7 2 条列线接 74LS138 的 BO B1 输出端 假设 B0 为低电平 B1 为高 电平 若 BO 这列有键按下 则该行被拉为低电平 因此 如果某列扫描信号为 低电平 这列中有某一行输入到 8279 为低电平 则可以知道该行和列交叉的键 被按下 当然 这些工作是由 8279 自动扫描来完成的 不需要 CPU 的干涉 3 63 6 报警电路报警电路 在系统中设计报警电路是很重要的 在本系统中检测的温度信号高于或低 于测温范围时发出警告信号 保证性能好 结构简单 适用 所以选择鸣音报 警 本系统中分别设计了断点报警信号和恒温完成报警信号 均采用扬声器加 指示灯的方法来进行报警 其电路如图 3 3 所示 若出现断偶故障 则输入 P2 5 由低变高 红色指示灯亮 同时扬声器发出声音 若恒温时间到 则输入 P2 4 由低变高 黄色指示灯亮 同时扬声器发出声音 P2 5 1K YELLOW P2 4 R16 1K R15 1K R18 1K RED NPN1 5 NPN2 A0 5 LS2 SPEAKER LS1 SPEAKER R17 1K 图 3 3 报警与指示电路 4 4 软件设计软件设计 4 14 1 主程序流程图主程序流程图 主程序流程图如图 4 1 所示 热电偶检测到的温度经 MAX6675 放大和 A D 转换送入单片机 程序首先在液晶显示器上显示开始设定的温度和实际温度 接着一直扫描键盘 如果 KS0 按下一次 则设定温度加 1 并在液晶显示器上 显示出来 如果 KS1 按下一次 则设定温度减 1 在液晶显示器上显示出来 将设定值温度与实际值比较 计算差值 如果实际温度小于设定温度 将差值 送入 AD 转换器 使加热电路进行加热 如果实际温度大于设定温度 因为没有 冷却装置 只能不进行加热 是温度自然降下来 运行过程对键盘扫描重复上 述过程 初始化 显示设定温度和实际温度 键盘扫描 是否有键按下 设定温度是否 大于实际温度 不加热 计算差值 PID控制输出 D A转换 加热 温度 由差值决定 改变设定温度并显示 将温度转换为电压值 是 是 否 否 开始 图 4 1 主程序流程图 4 24 2 中断程序流程图中断程序流程图 主程序首先进行初始化 包括 I O 口 定时器 中断系统 8255A 的初始 化 然后等待定时器中断 在定时器中断服务子程序中 先判断 30s 到否 若 未满 30s 则返回 若到 30s 则进行一系列操作 检测键盘设定值 检测温度 并进行标度变换 刷新显示温度 输出温度控制 并根据温度检测值是否超限 而报警等 系统程序结构属中断方式 系统功能均在中断服务子程序中完成 30s 完成一次 根据总体结构 可将程序划分为几个功能模块 温度设定输入 温度检测 温度值标度变换 温度显示 PID 算法 温度控制 报警 中断程 序流程图如图 4 2 所示 并行口初始化 串行口初始化 定时器初始化 中断系统初始化 等待定时中断 30s 定时到 键盘设定值检测 温度检测 标度变换 温度显示 温度超出范围否 报警及事故处理 Y N N Y 温度控制 8255A初始化 主程序 定时中 断程序 中断返回 图 4 2 中断程序流程图 5 5 总结总结 大三下学期开了五门专业课 各种学科相互交叉 好多东西我都不是很理 解不能够掌握其精髓 课程设计帮我及时梳理了这么多的知识 让我能把所学 的知识应用于实践 对即将进入社会的我有很大的帮助 课程设计是对我们这学期学的计算机控制技术这门课的理论知识的一个综 合测评 是对我们将理论结合实践的综合能力的考查 是培养我们发现问题 解决问题的能力 是激发我们内在创新意识的途径 在此次课程设计中 我学 到了许多平时课堂上学不到的东西 比如 单片机系统的可行性分析 淬火炉 的设计与制作 各种器件的选型等 在设计过程中我还遇到了许多难以解决的 问题 并为之投入了大量的时间和精力 回想起这次的课程设计 我感触颇多 为很多从没碰到的问题而绞尽脑汁 为无法找出的错误而郁闷烦躁 也曾经为取 得的一小步成功而欣喜过 几分欣喜几分愁 终于 功夫不负有心人 最终我 成功了 看着自己做的课程设计 看看自己亲自用 Protel 画的电路图及用 Visio 做的程序流程图 我激动不已 在本次设计中 我发现了自己的许多缺点 比如 知识面太窄 学习知识 不牢固 在硬件上的水平还比较差 不能很好地将自己所学的知识与实际相结 合等 所以 在以后的学习中 我会努力完善自己 使自己的实践动手能力进 一步提高 参考文献参考文献 1 赵建领 51 单片机开发与应用技术详解 北京 电子工业出版社 2009 2 熊静琪 计算机控制技术 北京 电子工业出版社 2003 3 高金源 计算机控制技术 北京 北京航空航天大学出版社 2001 4 张晋格 计算机控制原理与应用 北京 电子工业出版社 1995 5 沙占友 单片机应用技术与实例 北京 电子工业出版社 2005 6 楼然苗 单片机课程设计指导 北京 北京航空航天大学出版社 2007 7 张毅刚等 MCS 51 单片机应用设计 哈工大出版社 2007 年第 4 版 8 马忠梅等 单片机的 C 语言应用程序设计 北京航空航天大学出版社 9 李广弟等 单片机基础 北京航空航天出版社 2008 7 10 肖洪兵 跟我学用单片机 北京 北京航空航天大学出版社 2009 8 附录附录 系统总原理图系统总原理图 EA VPP 31 X1 19 X2 18 RESET 9 RD P37 17 WR P36 16 P32 INT0 12 P33 INT1 13 P34 T0 14 P35 T1 15 P10 1 P11 2 P12 3 P13 4 P14 5 P15 6 P16 7 P17 8 P00 39 P01 38 P02 37 P03 36 P04 35 P05 34 P06 33 P07 32 P20 21 P21 22 P22 23 P23 24 P24 25 P25 26 P26 27 P27 28 PSEN 29 ALE PRDG 30 P31 TXD 11 P30 RXD 10 U1 AT89C51 OUTA0 27 OUTB0 31 OUTA1 26 OUTB1 30 OUTA2 25 OUTB2 29 OUTA3 24 OUTB3 28 DB0 12 BD 23 DB1 13 DB2 14 SL0 32 DB3 15 SL1 33 DB4 16 SL2 34