基于PID算法的电加热炉温度控制系统设计

1、1-2课程设计（论文）任务及评语院（系）：电气工程学院教研室：自动化号 学课程设计(论文)任务H*g fi/- /I 也象沟 1 2 3 4 5 nm 空三 对应值 制相度进度计划、1 / 任彬隹册田天 置 八441 JJ 布被聲仿茅辩撰答 、 、 、 、 、 、 1 2 3 4 5 6指导教师评语及成绩日事月拟年 答 刊总注：成绩：平时20%论文质量60%答辩20%以百分制计算沁、旳1-3电加热炉随着科学技术的发展和工业生产水平的提高，己经在冶金、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

2、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。电加热炉加热温度的改变是由上、下两组炉丝的供电功率来调节的，它们分 别由两套晶闸管调功器供电。调功器的输出功率由改变过零触发器的给定电压來 调节，本设计以AT89C51单片机为控制核心，输入通道使用AD590传感器检测 温度，测量变送传给ADC0809进行AQ转换，输出通道驱动执行结构过零触发 器，从而加热电炉丝。本系统PID算法，将温度控制在50350C范围内，并能 够实时显示当前温度值。关键词：电加热炉；功率；温度范围；PIDIV第1章绪论1第2章课程设计方案22. 1概述22. 2系统组成总

3、体结构3第3章硬件设计43. 1器件选择43. 2控制器43. 3电源部分43.4输入通道设计53. 4.1温度检测电路53. 4.2 A/D转换电路53.5输出通道设计63. 6键盘的选取7第4章软件设计84. 1系统流程图84.2 PID算法流程图94. 3程序流程图10第5章系统测试与分析/实验数据及分析12第6章课程设计总结13参考文献14第1章绪论电加热炉在化工、冶金等行业应用广泛，因此温度控制在工业生产和科学研 究中具有重要意义。其控制系统属于一阶纯滞后环节，具有大惯性、纯滞后、非 线性等特点，导致传统控制方式超调大、调节时间长、控制精度低。采用单片机 进行炉温控制，具有电路设计简

4、单、精度高、控制效果好等优点，对提高生产效 率、促进科技进步等方面具有重要的现实意义。常规的温度控制方法以设定温度为临界点，超出设定允许范围即进行温度调 控：低于设定值就加热，反之就停止或降温。这种方法实现简单、成本低，但控 制效果不理想，控制温度精度不高、容易引起震荡，达到稳定点的时间也长，因 此，只能用在精度要求不高的场合。电加热炉是典型的工业过程控制对象，在我国应用广泛。电加热炉的温度控 制具有升温单向性，大惯性，大滞后，时变性等特点。其升温、保温是依靠电阻 丝加热，降温则是依靠环境自然冷却。当其温度一旦超调就无法用控制手段使其 降温，因而很难用数学方法建立精确的模型和确定参数，应用传统

5、的控制理论和 方法难以达到理想的控制效果。本设计采用达林算法进行温度控制，使整个闭环 系统所期望的传递函数相当于一个延迟环节和一个惯性环节相串联來实现温度的 较为精确的控制。单片机作为控制系统中必不可少的部分，在各个领域得到了广泛的应用，用 单片机进行实时系统数据处理和控制，保证系统工作在最佳状态，提高系统的控 制精度，有利于提高系统的工作效率。第2章课程设计方案2.1概述加热炉是典型的工业过程控制对象，在我国应用广泛。电加热炉的温度控制 具有升温单向性，大惯性，大滞后，时变性等特点。其升温、保温是依靠电阻丝 加热，降温则是依靠环境自然冷却。当其温度一旦超调就无法用控制手段使其降 温，因而很难

6、用数学方法建立精确的模型和确定参数，应用传统的控制理论和方 法难以达到理想的控制效果。本设计釆用PLD算法进行温度控制，使整个闭环系 统所期望的传递函数相当于一个延迟环节和一个惯性环节相串联來实现温度的较 为精确的控制。在用PID算法进行控制时，需要对参数进行整定，从达林算法表达式可知， 参数的确定十分重要，其大小反映了表达式中差值与输出值的不同权重之分及制 约关系。2.2系统组成总体结构电加热炉温度控制系统原理图如图2.1,主要由温度检测电路、AQ转换电路、 驱动执行电路、显示电路及按键电路等组成。系统釆用可控硅交流调压器，输出不同的电压控制电阻炉温度的大小，温度 通过热电偶检测，再经过变送

7、器变成0 -5V的电压信号送入A/D转换器使之变 成数字量，此数字量通过接口送到微机，这是模拟量输入通道。显 示AT89C51温度检测AD590图2. 1电加热炉温度控制系统硬件结构框图第3章硬件设计3. 1器件选择本系统选用AT89C51作为控制器，温度检测部分选用AD590作为传感器,ADC0809作为A/D转换器，过零触发器采用光耦驱动电路及双向可控硅电路。、3.2控制器控制器选择AT89C51单片机。引脚图如图2.2:I I I U1I I I I I I I I I I I I I I I I123456781312广、151431191891716INT1 INTOT1TOEA?V

8、PXIX2RESETRDWR39C51012345671A 1A 11 11 1A 1A 11 1APPPPPPPP01234567OOOOOOOOPPPPPPPP0123456722222222PPPPPPPPRZDTXD ALE/P PSEN21222324251130A2$图3.1AT89C51引脚图3. 3电源部分本系统所需电源有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

9、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。整流装置釆用二极管桥式整流，稳压芯片采用7805,配合电容将电压稳定在5V, 供控制电路、测量电路和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，控制每个釆样周期内双向可控硅导通正弦波个数的方法来

10、调 节加温功率。3. 4输入通道设计3. 4. 1温度检测电路温度检测元件选用温度传感器AD590o AD590是美国ANALOG DEVICES 公司的单片集成两端感温电流源。其主要特性如下：流过器件的电流(u A)等于器件所处环境的热力学温度(开尔文)度数：Ii/T=l式中，Ir一流过器件(AD590)的电流，单位为nA； T-热力学温度，单位为 K；AD590的测温范围为十50C十35OC；(3) AD590的电源电压范围为430 V,可以承受44V正向电压和20V反向 电压，因而器件即使反接也不会被损坏；(4) 输出电阻为710mQ;(5) 精度高，AD590在50C350C范围内，非

11、线性误差仅为土0.3C。3. 4. 2 A/D转换电路ADC0809是一个典型的逐次逼近型8位AQ转换器。它由8路模拟开关、8 位AQ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c 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128uso要处理好模拟信号与数字信号的双向转换，我们需要 一个转换器实现信号的转换，采用ADC0809和DAC0832转换器。ADC0809是 采样频率为8位的、以逐次逼近原理进行模一数转换的器件。其内部有一个8通 道多

12、路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中 的一个进行A/D转换。DAC0832是8位分辨率的D/A转换集成芯片。3. 5输出通道设计输出通道采用过零触发器，由光耦驱动电路和双向可控硅电路组成。(1) 光耦驱动电路在驱动电路中，由于是弱电控制强电，而弱电乂很容易受到强电的干扰，影 响系统的工作效率和实时性，其至烧毁整个系统，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

13、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,用來驱动双向可控硅并隔离控制回路和主回路。MOC3061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lOOOv/us,输入输出隔离电压为 7500V,输入控制电流为15niAc在驱动执行电路中，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

14、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。(2) 双向可控硅电路在本设计中，考虑到电网电压的稳定和现在市场上销售的双向可控硅型号， 选择了工作电压为400V,通态电流为4A的双向可控硅BT136o利用单片机控制双 向可控硅的导通角。在不同时刻利用单片机给双向可控硅的控制端发出触发信号, 使其导通或关断，实现负载电压有效值的不同，以达到调压控制的目的。具体如 下：(a) 由硬件完成过零触发环节，即在工频电压下，每10ms进

15、行一次过零触发 信号，由此信号來达到与单片机的同步。(b) 过零检测信号接至P1.5转换口，由单片机对此口进行循环检测，然后进 行延时触发。3. 6键盘的选取本系统采用3*3键盘，由单片机I/O 口控制，可通过按键设定温度和时间, 有的按键在不同情况下可以实现不同功能。第4章软件设计4. 1系统流程图本系统的主程序流程图如图4.1所示:图4. 1电加热炉温度控制系统主程序流程图系统釆用可控硅交流调压器，输出不同的电压控制电热炉温度的大小，温度 通过热电偶检测，再经过变送器变成0 -5V的电压信号送入A/D转换器使之变 成数字量，此数字量通过接口送到微机，这是模拟量输入通道。在微机内部，主机将采

16、样值与给定值比较后进行控制算法计算，再经D/A转换器变成模拟量，然 后经放大器放大后输入调压器，调节电压的大小，以达到控制温度的目的。4.2PID算法流程图PID流程图如图4.2：图4. 2 PID算法流程图4. 3程序流程图系统程序流程图如图4.3：初始化调用扫描子程序调用AD转换子程序调用温度控制子程序调用显示子程序键值复原图4. 3程序流程图部分PLD控制程序MOV R5, #01HMOVR4, #3CHDIVR5,#64HDIVR4,#64HADDR5,R4MOVR6,#74HDIVR6,#64HMULR5,#ZDECR5,R6MOVR7,R5MOVR5,#01HMOVR4,#0A2H

17、DIVR5,#64HDIVR4,#64HADDR5,R4MOVR6,#01HMULR6,#ZDECR6,R5DIVR7, R611第5章系统测试与分析/实验数据及分析对设定传递函数进行PID算法仿真，使用AEDK-labACT实验箱，仿真接线图如图5.1o图5.1达林算法连接图其中时间常数7； =350秒，放大系数心=50,滞后时间t=20秒，控制算法选 用达林算法。得到仿真图如图5.2：图5.仿真曲线12第6章课程设计总结此次课程设计中，我做的课题是基于PID算法的电加热炉温度控制系统设 计。在本控制对象电阻加热炉功率为8KW, 20V交流电供电，采用双向可控硅进 行控制。本设计针对一个温度

18、区进行温度控制，要求控制温度范围50350C,保 温阶段温度控制精度为正负1度。选择合适的传感器，计算机输出信号经转换后通 过双向可控硅控制器控制加热电阻两端的电压。由于时间紧张，所以我们决定通过将控制器的传递函数与采样开关结合即用 离散化变化，来代替闭环的前向同路的一部分，即通过要达到的闭环传递函数与 给定的被控对象传递函数來求出控制器的传递函数。在对参数的调整中我们发现 采用PID算法可显著减少超调，也可做到很小的稳态误差，可以做到较小的上升时 间和调节时间，当对象模型具有不确定性和系统存在随机干扰时，可对达林算法参 数作自寻最优控制。本系统选用AT89C51作为控制器，温度检测部分选用AD590作为传感器， ADC0809作为A/D转换器，过零触发器釆用光耦驱动电路及双向可控硅电路。通过理论推导和仿真验证，进一步说明达林算法进行控制时的系统动态