电阻炉微型计算机温度控制系统设计

1、电器元件（指示灯、按纽、接触器、 热继电器等）学 号： 0121111360323课 程 设 计4OMRON12接近开关套 4套题 目电阻炉微型计算机温度控制系统的设计学 院自动化专 业自动化班 级1103姓 名OMRON萨楚拉1.3筛碎设备规范指导教师1.3.1滚轴筛规范张素文滚轴2014筛设备型号7动4机日年XGS-1410电月电机型号DH100L4SRD课程设计任务书设备出力学生姓名： 萨楚拉 专业班级： 1103 指导教师： 张素文 工作单位： 自动化 电机转速题 目: 电阻炉微型计算机温度控制系统的设计初始条件：设备数量 设计一个 电阻炉微型计算机温度控制系统，系统为一阶惯性纯滞后特

2、性（参数自定），温度控制要求为 500 ， 温度控制精度为 1 ；通过 LED 显示温度； 要求完成的主要任务: 台）1输入通道及输出通道设计；数量2 LED接口设计；3 采用改进台控制算法 ； 1 系统软件流程及各程序模块设计并用仿真软件演示；出料粒度4 完成符合要求的设计说明书。25mm时间安排：2013年6月25日2013年7月4日功率2.2Kw指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 80日电压380 V驱动方式目录单轴驱动防护等级IP56筛轴数量1 20根（2×10）绝缘等级控制对象 1F 级翻板推杆型号及功率DT50050-400.75 Kw堵煤信号装置1

3、.1设备型号CTS-YG控制对象介绍 1减速机设备型号1.2 SEW设备数量控制性能要求 2台设备数量20台2电动推杆设备型号方案的比较和确定 DT50050-40设备数量2台1.3.2碎煤机规范3.2温度检测电路 3转子直径3.3 控制信号输出通道 3转速4.1 程序流程图 5厂家4.2仿真被控对象 8设备总重18000Kg6.附录一电路图 12附录二810Kg程序代码 13广东郁南福伊特液力传动有限公司转子线速度环统软硬件设计式2碎煤机型号HSZ-800A3.1电总体设计 2机型号YKK5003-10出力800t/h功率400KW1370mm电压6000V转子有效长度2165mm595r/

4、min42.3m/s3.4 LED防护等级IP55显示电路 转子偏心距40.13mm绝缘等级4 F级系统软件设计 536Kg重量4060kg圆锤环单重47Kg湘潭电机厂转子质量8400Kg控制算法 6SMC-2000外形尺寸2900×3355×1930mm基轴承MATLAB22238W33C33厂家瑞典SKF心得体会 10YL-10偶合器参考文献 11YOX1150齿环锤数量18最大充油量 170L16重量厂家沈阳电力机械总厂本次试验便以电阻炉的温度控制为例，试图探求一个具有良好稳定性的温度控制系统。本次试验以C51C51单片机能够按要求对电阻炉进行实时监测和控制算法的确定

5、，发出准确的控制命令；A/D转换芯片将得到的模拟量转化为数字量；单片机对数字量进行处理，得到应有的控制量，去控制加热功率，从而实现对温度的控制。关键词：单片机、电阻炉、温度测量、控制系统设备型号QYG1000电动机电机型号R167DV180L4设备出力电阻炉微型计算机温度控制系统的设计1 控制对象1000 t/h1.1控制对象介绍电阻炉是利用电流通过电热体元件将电能转化为热能来加热或者熔化工件和物料的热加工设备。电阻炉由炉体、电气控制系统和辅助系统组成。炉体由炉壳、加热器、炉衬（包括隔热屏）等部件组成。电气控制系统包括电子线路、微机控制、仪表显示及电气部件等。辅助系统通常指传动系统、真空系统、

6、冷却系统等，虽炉种的不同而已。1400 r/min电阻炉的主要参数由额定电压、额定功率、额定温度、工作空间尺寸。生产率、空炉损耗功率、空炉升温时间、炉温控制精度及炉温均匀性等1.2 控制性能要求1200 mm电阻炉，它是一个具有很大滞后性的系统，惯性也很大，其传递函数的形式可以写为，温度控制要求为500功率1，电阻炉的温度还要通过LED 实时显示出来。22 Kw2方案的比较和确定方案一设备数量系统采用8084芯片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8084芯片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

7、对于8084芯片来说，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电压I/O口扩展，并且需要容量较大的程序存储器，外扩时占用的口较多，使系统的设计复杂化。380 V方案二系统采用AT89C51作为系统的微处理器来完成对炉温的控制和键盘显示功能。C51单片机片内除了128KB的RAM外，片内又集成了4KB的ROM作为程序存储器，是一个程序不超过4K字节的小系统。系统程序较多时，只需要外扩一个容量较小的程序存储器，占用的I/O口减少，同时也为键盘、显示等功能的设计提供了硬件资源，简化了设计，降低了成本。因此89C51防护等级综上所述的二种方案，

8、该设计选用方案二比较合适。3IP223.1总体设计系统的硬件包括微控制器部分（主机）、温度检测、温度控制、人机对话（键盘/显示）4个主要部分，系统的结构框图如图3-1所示。3000 mm图绝缘等级3.2温度检测电路温度检测电路包括温度检测电路、放大器和级3-2所示叶轮转速310 r/min重量图3-2温度检测电路Pt100温度传感器的测量范围为：420 Kg铂电阻的阻值随温度的变化而变化的计算公式：行走速度 Rt=R01+At+Bt+C(t-100t （3-1）3.74 m/min 0 Rt=R0 （ 1+At+Bt2 ） （ 3-2 ） Rt为t时的电阻值，R0为0时的阻值。公式中的A,B,

9、系数为实验测定。这里给出标准的系数：；B=-5.802*10-7； C=-4.27350*10-12。生产厂家3.3 控制信号输出通道该电路用到了芯片MOC3021，它是过零触发双硅输出光耦。过零触发是在设定时间间隔内，改变晶闸管导通的周波数来实现电压或功率的控制。 实际上它就相当于一个用于交流电路中的“电子开关”，这个电子开关的“接通”、“断开7.985 t“0”点完成的。这样的电路，对用电负荷不会造成“电流冲击”。电路的工作状况是“断续”的，适用于本系统热惯性较大的电阻炉负载。控制信号输出通道的电路图如图10所示，考虑到加热系统具有较大的热惯性，即一阶惯性纯滞后特性，本系统采用脉冲宽度调制

10、（PWM）的控制方法，单片机输出控温信号。单片机输出低电平时，使双向可控硅导通，电热丝通电；输出高电平时，双向可控硅截止，电热丝断电。其中，7407用于驱动，提供更大的电流驱动发光二极管。可控硅门极回路与220V电源相通，光电耦合器有效地把单片机系统与220V强电隔离，确保了单片机系统的安全性。原理图如3-3所示图3-3控制信号输出通道3.4 LED显示电路由于温度控制精度为1，设计中选取型号为7SEG-MPX4-CC的数码管显示器，其为共阴极数码管。工作方式为动态显示方式7218F图3-4LED显示电路制造厂家4 系统软件设计4.1 秦皇岛市北戴河渤海电力设备有限公司该控制系统的流程图如图4

11、-1使用位置转换，读取转换后的数据。对转换后的数据进行滤波等操作，使数据的准确性提高，然后进行标度变换，得到实际的测量温度。把测量温度进行处理后送到数码管显示，把测量温度与规定温度作比较，判断是否动作。同时计算测量温度与标准值之间的偏差，根据偏差判断是进行PID计算还是积分项改进（分离）的PD计算，得到PWM脉冲控制执行机构，然后程序重复执行。被动车轮图4-1电阻炉系统控制流程图4.2型号4.2.1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进行改进，适时的采用各种PID的变型，如、PD控制等，本次

12、试验便是使用改进的PID控制算法，它具有许多特点，如不需要求出数学模型、控制效果好、能够避免积分饱和、能够消除积分不灵敏区等，特别是在温度调节系统中，由于被控量变化较为缓慢且有惯性和滞后情况，积分项往往会产生很大的积累，导致系统产生很大超调，甚至发生震荡，使用改进PID控制算法可以将积分项进行分离，提高系统稳定性。改进PID控制系统的结构框图如图4-2所示：图4-2 系统结构框图4 台具有一阶惯性纯滞后特性的电阻炉系统，其数学模型可表示为： （4-1）在改进PID调节中，需要根据多次测试确定积分分离阈值，当时，采用PD控制，当时，采用控制。阈值一定要选取合适，若选取过大，达不到积分分离的目的，

13、若选取过小，被控量无法跳出积分分离区，一直处于PD控制，将会出现残差。确定时，可以先假设一个值，然后测试若干个不同的PI、PD参数，得出一组较好的控制参数。积分分离控制算法可表示为： （4-2）式中：T为采样时间，a为积分项开关系数，当时，a=0；时，a=1。为积分系数；为微分系数；为比例系数。因此，炉温控制系统的输出量为：a=0， a=1，其中， 为输出量；、分别为第t次、第t-1次和第t-2次采样时刻的偏差值。由式可知： a=1时，比例系数和微分系数同时起作用，温度快速接近设定值。a=0时，比例系数和微分系数同时起作用，使系统更加稳定接近设定值，避免超调和过冲。与PID控制算法相比，改进P

14、ID控制算法有如下优点：（1）单纯的PID控制算法无法发挥计算机运算速度快、逻辑判断能力强、编程灵活等优势，从而很难获得更好的效果。而改进PID控制算法则能够更加灵活的根据输入量的变化与特点进行算法调整，使输出更加准确。（2）对于温度这种变化缓慢的过程，PID算法的积分项会使系统产生很大超调量和很长的调整时间，如果在较大时取消积分作用，在较小时才投入积分项，就可以很灵活的避免这种情况，获得更加准确的调整。正因为具有上述优点，在实际控制中，改进PID控制算法比标准PID控制算法应用更加广泛。5基MATLAB仿真被控对象由于在硬件电路中，我们看到的只是PID整定的结果，而对于其工作过程却不清楚，因

15、此为了更清楚的了解PID的调节过程，我们使用MATLAB的SIMULINK功能对PID调节进行仿真，得出其整定的工作波形，从而更直观的看到PID调节过程。采用SIMULINK仿真，通过SIMULINK模块实现积分分离PID控制算示。设采样时间Ts=10s，被控对象为：SIMULINK仿真图如图5-1所示。图5-1 Simulink仿真图选择合适的Kp，Ki，Kd是系统的仿真效果趋于理想状态。MATLAB编写程序如下：clear all;close all;ts=10sys=tf(1,30,1,'inputdelay',80;dsys=c2d(sys,ts,'zoh

16、9;num,den=tfdata(dsys,'v'kp=5.2ki=0.1;kd=0.1MATLAB仿真波形如图5-2所示。图5-2 MATLAB仿真波形6.心得体会本次课程设计之初，通过老师的给的资料，对报告的要求和所设计的内容有了一定的了解。由于对电阻炉，温度传感器等不是太了解，于是在我查询了相关的资料，了解了电阻炉，温度传感器，根据题目的要求选择了热电阻中的铂电阻。同时本次课程设计中运用到了51单片机、TLC2543等较多的芯片，为此查询了相关芯片的引脚图，对这些芯片有了大致的了解，在学会使用这些芯片的过程，我也学到了许多的知识。本次课程设计让protues，Diagra

17、m Designer，word，Keil等软件的使用，增强了我的电脑操作能力，对单片机的使用让我重新回顾了C语言的使用，对以前的知识有了复习的机会。而本次课程设计主要的难点也是在于程序的设计。本次课程设计中也遇到了些问题，如刚开始时题目的理解错误，程序运行出错，仿真出问题等，在同学的指导和帮助下，这些问题得到了一定的解决。在今后的学习生活中也是如此，除了自己的努力外，还需请教他人，学习他人的经验，让今后的路更加的平坦。参考文献1 陈立周、陈宇.单片机原理及其应用.北京：机械工业出版社，20062 于海生编著.计算机控制技术.机械工业出版社，20033 谭浩强.C程序设计.北京：清华大学出版社，

18、20054 于海生.计算机控制技术.北京：机械工业出版社，2007.5 刘红丽、张菊秀. 传感与检测技术. 国防工业出版社，2007.6 康华光编著.电子技术基础（模拟部分）.高等教育出版社，2000附录一 电路图附录二 程序代码#include #include #define uint unsigned int#define uchar unsigned charsbit D_OUT=P30;sbit D_IN=P31;sbit _CS=P32; sbit CLOCK=P33; /单片机与TLC2543连接的端口定义sbit C1=P21;sbit C0=P20;sbit C2=P22;s

19、bit C3=P23; /单片机与数码管位选连接的端口定义sbit dip=P07; /数码管小数点的定义sbit green=P34;sbit red=P35; /报警灯的定义uint KP=10; /比例系数uint KI=5; /积分系数uint KD=3; /微分系数uint KC=5; /速度调整sbit HEAT=P27;/执行装置端口定义float PWM; /脉冲调制宽度uint temp; /温度值uchar code table=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x7

20、9,0x71; /数码管显示表/*精确延时模块*/void delay(uchar nuchar i;for(i=0;i _nop_(;/*毫秒级延时模块*/void delayms(uchar muint x,y;for(x=m;x>0;x-for(y=110;y>0;y-;/*TLC2543驱动模块*/uint read2543(uchar portuint ad=0,i;CLOCK=0;_CS=0;port<<=4;for(i=0;i<12;i+if(D_OUT ad|=0x01;D_IN=(bit(port&0x80;CLOCK=1;delay(3

21、;CLOCK=0;delay(3;port<<=1;ad<<=1;_CS=1;ad>>=1;return(ad;/*温度显示函数*/void display(uchar qian,uchar bai,uchar shi,uchar geP0=tableqian;C0=0;delayms(2;C0=1;P0=tablebai; C1=0;delayms(2;C1=1;P0=tableshi;dip=1;C2=0;delayms(2; C2=1;P0=tablege;C3=0;delayms(2;C3=1;/*PID程序判断计算模块*/void PID( uin

22、t diff19=0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0;uint um_diff=0; /(diffuint urr_=0;float p_out,i_out,d_out,temp_pid;float pwm_0;temp_pid=diffcurr_;if(curr_+1>=19curr_=0;sum_diff-=diffcurr_;diffcurr_=abs(key-(uint(temp;sum_diff+=diffcurr_;p_out=KP*diffcurr_; /比例项输出i_out=KI*sum_diff; /积分项输出d_out=KD*(diff