计算机控制在温度中应用

计算机控制在温度控制中应用计算机控制在温度控制中应用在冶金、化工、电力、造纸、机械制造和食品加工等许多生产过程中，人们需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉的温度进行检测和控制，因此，温度是工业控制对象中一个比较常见的被控参数。以在工业领域中应用较为广泛的电阻炉为被控对象，采用MCS—51单片机实现电阻炉温度计算机控制系统的设计，介绍电阻炉温度计算机控制系统的组成。1.电阻炉组成及其加热方式电阻炉是工业炉的一种，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元件或物料的热加工设备。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。由于炉子的种类不同，因而所使用的燃料和加热方法也不同;由于工艺不同，所要求的温度高低不同，因而所采用的测温元件和测温方法也不同;产品工艺不同，对控温精度要求不同，因而控制系统的组成也不相同。电气控制系统包括主机与外围电路、仪表显示等。辅助系统通常指传动系统、真空系统、冷却系统等，因炉种的不同而各异。电阻炉的类型根据其热量产生的方式不同，可分为间接加热式和直接加热式两大类。间接加热式电阻炉，就是在炉子内部有专用的电阻材料制作的加热元件，电流通过加热元件时产生热量，再通过热的传导、对流、辐射而使放置在炉中的炉料被加热。直接加热式电阻炉，是将电源直接接在所需加热的材料上，让强大的电流直接流过所需加热的材料，使材料本身发热从而达到加热的效果。工业电阻炉，大部分采用间接加热式，只有一小部分采用直接加热式。由于电阻炉具有热效率高、热量损失小、加热方式简单、温度场分布均匀、环保等优点，应用十分广泛。控制系统组成电阻炉温度计算机控制系统主要由主机、温度检测装置、A/D转换器、执行机构及辅助电路组成。系统中主机可以选用工业控制计算机、单片微型计算机或可编程序控制器中的一种作为控制器，再根据系统控制要求，选择一种合理的控制算法对电阻炉温度进行控制。采用热电偶作为测温元件，经变送器及A/D转换电路对测得的温度信号进行处理，送入主机与给定值比较，按控制算法计算后输出控制量，通过固态继电器实现对电阻炉加热功率的调节，使炉温按设定温度曲线变化。本系统还具有报警、键盘输入及显示等功能。控制系统工作原理（1）控制系统主机考虑到MCS-51系列单片机已经过长期的应用，性能比较稳定，其功能完全可以满足本系统控制要求，人们对它又比较熟悉，因此主机采用AT89C51单片机。（2）检测装置系统选用镍铬-镍硅热电偶作为测温元件检测炉膛中的温度。镍铬-镍硅热电偶测温范围为-200～+1200℃（分度号为k）。它线性度较好，价格便宜，输出热电动势较大（40μA/℃），便于测量放大器的选配。热电偶冷端温度补偿采用集成温度传感器AD590。变送器采用两级放大，第一级选用高稳定性运放ICL7650，第二级由通用型集成运算放大器μA741构成。（3）执行机构采用交流过零触发型固态继电器控制电路。这种控制方式与传统的采用移相触发电路改变晶闸管导通角的双向晶闸管（SCR）控制方式相比，具有稳定、可靠、先进等优点。（4）模/数转换器（A/D转换器）选用AD574A模/数转换器实现对温度信号的转换。AD574A是12位逐次逼近型A/D转换器，转换时间为25μs，转换精度为0.05%。2.系统的模型参数测试理论分析和实验结果表明，电阻炉是一个具有自平衡能力的对象，可以近似为带有纯滞后的一阶惯性环节。被控对象的数学模型为

G（s）=

系统硬件设计（1）温度检测电路及功率放大电路（2）AD574A模/数转换电路（3）执行机构（4）键盘/显示电路（5）存储器扩展电路（6）报警电路（1）温度检测电路及功率放大电路本系统采用镍铬-镍硅热电偶检测电阻炉中的温度，热电偶测温是基于物体的热电效应，它由两种不同的金属或合金组成，其优点是结构简单，可将温度信号转换成电压信号，测温范围广、精度高，可实现远距离测量和传送，使用稳定、可靠，因此被广泛应用。其不足之处是测温精度受冷端温度（即环境温度）的影响，为了提高热电偶测温精度，需要在热电偶冷端进行温度补偿。热电偶冷端温度补偿采用的是集成温度传感器AD590，流过AD590的电流Iu=273μA+T0×1μA/℃

温度检测电路及功率放大电路（2）AD574A模/数转换电路A/D转换器的选择应满足其分辨率要高于系统的精度要求，且有一定的裕量。AD574A内部有时钟脉冲源和基准电压源，无需外加时钟信号。通过改变AD574A引脚8、10、12的外接电路可使其进行单极性和双极性模拟信号的转换。AD574A转换电路（3）执行机构本系统采用单片机控制的固态继电器控温电路，其波形为完整的正弦波，对电阻炉这样的惯性较大的被控对象，是一种稳定、可靠、较合理的控制方法。传统控制采用移相触发电路，通过改变晶闸管导通角的大小来调节输出功率，从而达到自动控温的目的。这种移相方式输出一种非正弦波，实践表明这种控制方式产生相当大的中频干扰，并通过电网传输给电力系统造成“公害”。

交流过零触发型固态继电器控制电路（4）键盘/显示电路系统采用专用键盘/显示接口芯片8279实现键盘输入和显示控制两种功能。8279既可以键盘扫描又可以输出动态显示，它可以减少CPU在扫描键盘或刷新显示时的负担，同时也简化了应用软件的编写。系统配有6位LED显示及24键小键盘，前两位显示炉子编号，后四位显示温度实测值，选择75451作为LED的驱动。键盘上设有16个数字键、8个功能键。这样控制器运行时既可以方便地在线修改各项参数，也可设置多个控制运行命令，操作方便。AT89C51与8279的接口电路（5）存储器扩展电路AT89C51片内带有4KB程序存储器和128字节数据存储器，如果系统需要存储的程序和数据较多，那么需要进行存储器扩展，本系统扩展了1片2716EPROM和1片6216RAM，使程序存储器、数据存储器容量各增加了2KB。EPROM中用来存放程序、表格及加温曲线等，RAM中则存放上次输入的曲线参数以及各寄存器的内容。（6）报警电路报警电路采用的是压电式蜂鸣器，通过单片机的P2.7口经过驱动器驱动其发声。压电式蜂鸣器约需要10