基于数字PID的电加热炉温度控制系统设计

计算机控制技术课程考查报告题目基于数字PID的电加热炉温度控制系统设计授课教师学生姓名学号专业电子信息科学与技术教学单位物理系完成时间2023年7月5日目录摘要及关键字........................................................11.概述.............................................................22.系统硬件的设计...................................................22.1电源局部......................................................32.2采样测量局部..................................................32.3驱动执行局部............................................53.控制电路及设计图.................................................73.1微处理器89C51................................................73.2模数转换模块..................................................83.3LED显示模块...................................................93.4报警模块.....................................................103.5键盘模块.....................................................113.6通信模块.....................................................114.系统软件设计....................................................12总结...............................................................13参考文献...........................................................13附录...............................................................14Directoryabstractandkeywords..............................................11.overview.........................................................22.systemhardwaredesign............................................22.1powerpart.....................................................32.2samplingmeasurementpart.....................................32.3driversimplementpart........................................53.controlcircuitandprogramflowchart.............................73.1microprocessors89C51.......................................73.2modulusconversionmodule....................................83.3LEDdisplaymodule...........................................93.4alarmmodule................................................103.5keyboardmodule.............................................113.6communicationmodule.........................................114.systemsoftwaredesign..........................................12summary............................................................13references.........................................................13appendix...........................................................14【摘要】温度是流程工业中极为常见的热工参数，对它的控制也是过程控制的一个重点。由于加热过程、加热装置特殊结构等具体原因，使得过程对象经常具有大时滞、非线性、难以建立精确数学模型等特点，利用传统的PID控制策略对其进行控制，难以取得理想的控制效果，而应用数字PID控制算法能得到较好的控制效果。本文主要阐述了一种改良型的加热炉对象及其工艺流程，采用了PLC控制装置设计了控制系统，使加热炉的恒温及点火实现了自动控制，从而使加热炉实现了全自动化的控制。此种加热炉可广泛应用于铝厂、钢厂等金属冶炼、金属加工行业以及化工行业。此设计以工业中的电加热炉为原型，以实验室中的电加热炉为实际的被控对象，采用PID控制算法对其温度进行控制。提出了一种适合电加热炉对象特点的控制算法，并以PLC为核心，组成电加热炉自适应控制系统，其控制精度，可靠性，稳定性指标均远高于常规仪表组成的系统。【关键词】温度；电加热炉；PLC；控制系统AbstractTemperatureisaverypopularparameterofpyrologyinflowindustry，sotemperaturecontrolisanemphasesofprocesscontrol.Consideringsomespecialconditionsuchasheatingmechanismandthespecialstructureofheaterthereareoftensomefeaturessuchaslongtimelag，nonlinearityanddifficultiesofmodelingoftargetsofprocess.It'sdifficulttocontrolverywellbytraditionalPIDalgorithm，theDigitalPIDcontrolalgorithmcangetbettercontroleffect.Thisarticledescribedatypeofimprovedregenerativeheatingfurnace,whichmakesthetemperatureinvariableandautoignitionusingPLC.Itcanbeavailableinaluminumandsteelmillandothermetalindustry,whichcanbringobviouseconomicandsocialbenefits.Theindustrialdesignoftheprototypeelectricoventolaboratoryelectricfurnaceoftherealobject,PIDcontrolalgorithmfortemperaturecontrol.Thepaperpresentsatargetforelectricfurnacecharacteristicsofcontrolalgorithms,andPLCasthecoretoformthefurnaceadaptivecontrolsystem.Controlaccuracy,reliabilityandstabilityindicatorsaremuchhigherthanthesystemwhichisconsistedoftheconventionalinstrument,thedesignusesPIDalgorithmtocontrolitstemperature.Keyword:Temperature；heatingfurnace；PLC；controlsyste1概述电加热炉随着科学技术的开展和工业生产水平的提高，已经在冶金、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到达好的控制效果。单片机以其高可靠性、高性能价格比、控制方便简单和灵活性大等优点，在工业控制系统、智能化仪器仪表等诸多领域得到广泛应用。采用单片机进行炉温控制，可以提高控制质量和自动化水平。在本控制对象电阻加热炉功率为800W，由220V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区进行温度控制，要求控制温度范围50~350C，保温阶段温度控制精度为正负1度。选择适宜的传感器，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。其对象问温控数学模型为：其中：时间常数Td=350秒放大系数Kd=50滞后时间=10秒控制算法选用改PID控制2系统硬件的设计本系统的单片机炉温控制系统结构主要由单片机控制器、可控硅输出局部、热电偶传感器、温度变送器以及被控对象组成。系统硬件结构框图如下：看门狗看门狗报警提醒通信接口LED显示键盘微型控制机AT89S52温度检测PT100驱动执行机构8路D/A转换器DAC0832测量变送8路A/D转换器ADC0809加热电阻温度图2-1系统硬件结构框图2.1电源局部本系统所需电源有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。整流装置采用二极管桥式整流，稳压芯片采用78L05,配合电容将电压稳定在5V，供控制电路、测量电路和驱动执行电路中弱电局部使用。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，由控制程序决定双向可控硅的导通角，以到达控制加热电阻功率的目的。2.2采样测量局部在检测装置中，温度检测用WZP-231铂热电阻〔Pt100〕，采用三线制接法，采样电路为桥式测量电路，其输入量程为50~350°C，经测量电路采样后输出2~5V电压，再经模数转换芯片ADC0809进行转换，变为数字量后送入单片机进行分析处理。铂电阻温度传感器是利用其电阻和温度成一定函数关系而制成的温度传感器,由于其测量准确度高、测量范围大、复现性和稳定性好等,被广泛用于中温(-200℃～650℃)范围的温度测量中。PT100是一种广泛应用的测温元件，在-50~600℃范围内具有其他任何温度传感器无可比较的优势，包括高精度、稳定性好、抗干扰能力强等。由于铂电阻的电阻值与温度成非线性关系，所以需要进行非线性校正。校正分为模拟电路校正和微处理器数字化校正，模拟校正有很多现成的电路，其精度不高且易受温漂等干扰因素影响，数字化校正那么需要在微处理系统中使用，将Pt电阻的电阻值和温度对应起来后存入EEPROM中，根据电路中实测的AD值以查表方式计算相应温度值。常用的Pt电阻接法有三线制和两线制，其中三线制接法的优点是将PT100的两侧相等的的导线长度分别加在两侧的桥臂上，使得导线电阻得以消除。常用的采样电路有两种：一为桥式测温电路，一为恒流源式测温电路。在本系统设计中，采用了第一种方法，即桥式测温。测温原理：电路采用TL431和电位器VR1调节产生4.096V的参考电源；采用R1、R2、VR2、Pt100构成测量电桥〔其中R1＝R2，VR2为100Ω精密电阻〕，当Pt100的电阻值和VR2的电阻值不相等时，电桥输出一个mV级的压差信号，这个压差信号经过运放LM324放大后输出期望大小的电压信号，该信号可直接连AD转换芯片。差动放大电路中R3＝R4、R5＝R6、放大倍数＝R5/R3，运放采用单一5V供电。设计及调试注意点：1.同幅度调整R1和R2的电阻值可以改变电桥输出的压差大小；2.改变R5/R3的比值即可改变电压信号的放大倍数，以便满足设计者对温度范围的要求3.放大电路必须接成负反应方式，否那么放大电路不能正常工作 。4.VR2也可为电位器，调节电位器阻值大小可以改变温度的零点设定，例如Pt100的零点温度为0℃，即0℃时电阻为100Ω，当电位器阻值调至109.885Ω时，温度的零点就被设定在了25℃。测量电位器的阻值时须在没有接入电路时调节，这是因为接入电路后测量的电阻值发生了改变。5.理论上，运放输出的电压为输入压差信号×放大倍数，但实际在电路工作时测量输出电压与输入压差信号并非这样的关系，压差信号比理论值小很多，实际输出信号为4.096*(RPt100/(R1+RPt100)-RVR2/(R1+RVR2))〔1〕式中电阻值以电路工作时量取的为准。6.电桥的正电源必须接稳定的参考基准，因为如果直接VCC的话，当网压波动造成VCC发生波动时，运放输出的信号也会发生改变，此时再到以VCC未发生波动时建立的温度-电阻表中查表求值时就不准确。2.3驱动执行局部硬件输出通道主要包括加热电阻的控制环节，而此控制环节的核心是双向可控硅，但电路的关键是设计双向可控硅的驱动电路。因为双向可控硅的通断直接决定加热电阻的工作与不工作,所以本局部用带过零触发的光耦MOC3061来驱动。2.3.1光耦驱动电路在驱动电路中，由于是弱电控制强电，而弱电又很容易受到强电的干扰，影响系统的工作效率和实时性，甚至烧毁整个系统，导致不可挽回的后果，因此必须要参加抗干扰措施，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，用来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1000v/us,输入输出隔离电压为7500V，输入控制电流为15mA。在附录中驱动执行电路中，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。2.3.2驱动电路有关元件的选择R25，C10组成吸收电路，并接在双向可控硅的两极之间。吸收回路组成缓冲器。有了吸收回路，可控硅通断过程中电源电压的变化率受到R25，C10的限制。R25可以抑制双向可控硅通断时产生的浪涌电流。R25和C10根据经验公式选，一般C10取0.01~1.0uF，R25取几欧到几十欧，本电路中R25取39欧，C10取0.01uF。R27为限流电阻，用来限制MOC3061的输出驱动电流，其数值为电源电压峰值除以双向可控硅的允许重复电流。在本电路中R27取300欧。R26：由于MOC3061在输出关断状态下也有小于或等于500mA的输出电流，所以参加R26分流消除这个电流对双向可控硅的影响，以防止双向可控硅误触发，提高了系统的可靠性。在此电路中可以看出单片机的输出通道采用了MOC3061进行驱动有以下优点：〔1〕控制简单。可用SETB或CLR指令直接控制P2.0、P2.1、P2.2以控制加热电阻的工作与否。〔2〕MOC3061由于采用了过零触发电路大大简化了双向可控硅的触发电路，把SCR一向控制变为实用的数字脉冲控制。〔3〕MOC3061与双向可控硅实际组成了一个固态继电器，实现了无触电控制。〔4〕输出通道实现了光电隔离，防止了射电干扰。〔5〕输出通道用P2.0、P2.1、P2.2口直接控制双向可控硅，省去了的D/A转换电路，简化了接口电路。2.3.3双向可控硅电路(1)双向可控硅这种可控硅具有双向导通功能，在交流电的正负半周都可以导通。其英文名TRIAC即三级交流开关的意思，并把它的两极称为MT1和MT2，其电路符合如下图。双向可控硅的通断情况由控制极栅极〔G〕决定，当栅极无信号时MT1和MT2成高阻态，管截止；而当MT1与MT2之间加一个阈值电压〔一般大于1.5V〕的电压时，就可以利用控制极栅极电压来使可控硅导通。但需要注意的是，当双向可控硅接感性负载时，电流和电压之间有一定的相位差。在电流为零时，反向电压可能不为零，且超过转换电压，使管子反向导通，故要管子能承受这种反向电压，并在回路中参加RC网络加以吸收。(2)触发方式控制双向可控硅从高阻态〔阻断区〕转换到低阻态〔导通区〕可以用不同的方式实现。相应的分为四种方式：〔1〕MT1相对于MT2为正，控制脉冲电压Ug相对于MT1为正〔2〕MT1相对于MT2为负，控制脉冲电压Ug相对于MT1为负〔3〕MT1相对于MT2为正，控制脉冲电压Ug相对于MT1为负〔4〕MT1相对于MT2为负，控制脉冲电压Ug相对于MT1为正双向可控硅通常工作在控制方式〔1〕和控制方式〔2〕。在这两种控制方式下，控制灵敏度特别高。另外两种控制方式下，要求高一倍的触发电流。在本设计中，选择了控制方式〔1〕和〔2〕。如同晶闸管的控制极那样，双向可控硅的控制极在触发后便失去了作用。双向可控硅长期维持低阻态，直到低于维持电流IH，然后在转换到高阻态。在控制交流电压时，每次电源电压过零双向可控硅都会自动截止，所以双向可控硅每半个周期都需要重新触发。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BT136。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，以到达调压控制的目的。具体如下：〔1〕由硬件完成过零触发环节，即在工频电压下，每10ms进行一次过零触发信号，由此信号来到达与单片机的同步。〔2〕过零检测信号接至单片机的P2.3口，由单片机对此口进行循环检测，然后进行延时触发。3控制电路及程序流程图3.1微处理器89C5189C51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。单片机的抗干扰性设计。单片机干扰最常见的现象就是程序出现不可逆状态，设计系统时一般要添加一个看门狗监控模块，在系统出现不可逆状态的干扰时，监控模块将重启系统。MAX1232微处理器监控电路给微处理器提供辅助功能以及电源供电监控功能，当电源过电压、欠电压时，MAX1232将提供至少250ms宽度的复位脉冲，其中的容许极限能用数字式的方法来选择5%或10%的容限。3.2模数转换模块ADC0809是一个典型的逐次逼近型8位A/D转换器。它由8路模拟开关、8位A/D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。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128us.〔1〕时钟信号：由于ADC0809无片选端，因此电路增加了或非门74LS02，以便对ADC0809进行读/写控制。单片机采用6MHz/s的晶振，ALE输出66MHz/s时钟信号，经74LS74触发器2分频，得到500KHz的时钟信号，与ADC0809的时钟端CLK相连。〔2〕通道选择：三位通道选择端ADDA、ADDB、ADDC与数据线P1口的低三位P1.0、P1.1、P1.2相连，用数据线进行通道选择，由P1.0、P1.1、P1.2三位决定选择那一通道。〔3〕ADC0809启动：ADC0809的启动端START、地址所存端ALE均为高电平有效。将START和ALE连在一起，与74LS02的输出端相连。或非门74LS02的两个输入端/WR和P3.5均为低电平时，其输出为高电平，执行外部I/O口的写操作。〔4〕转换数据的读取：当转换结束时，EOC端输出高电平。可用查询和中断的方法进行数据读取处理。输出允许OE端为高电平，8位转换数据D0~D7输出到数据线上。只有 P3.5和/ RD同时为低电平时，OE端才为高电平。执行外部I/O口读操作/ RD为低电平。〔5〕转换结束标志EOC:转换结束标志EOC端经反向器与单片机的/INT1相连，即转换一旦结束，外部中断1那么申请中断。开始开始将PSW压栈调显示程序读A/D结果置位状态位F0置位状态位F0关闭报警F0是否等于零调PID控制算法程序报警子程序PSW出栈并返回输出控制量启动定时器T1溢出标志TF1是否为零设定值与AD结果比较交流电是否过零结果=0结果>or<设定值的20%-20%<结果<20%F0=0F0=0NYNY图3-1A/D转换结束中断效劳程序流程图3.3LED显示模块8段LED显示屏是最常用的显示器件，分为共阳极和共阴极两种形式。共阳极LED将所有发光二极管的阳极接在一起作为公共端，当公共端接高电平，某一段的发光二极管阴极接低电平时，相应的字段就被点亮。共阴极LED将所有发光二极管的阴极接在一起作为公共端，当公共端接低电平，某一段的发光二极管阳极接高电平时，相应的字段就被点亮。LED数码管的显示方法动态显示：动态扫描，分时循环静态显示：一次输出，结果保持(1)动态显示动态显示，就是微型机定时地对显示器件扫描，在这种方法中，显示器件分时工作，每次只能一个器件显示。但由于人视觉的暂留现象，所以，仍感觉所有的器件都在显示。(2)静态显示静态显示，是由微型机一次输出显示后，就能保持该显示结果，直到下次送新的显示模型为止。这种显示占用机时少，显示可靠。子程序返回子程序返回译码选择显示位送入8255PA口将数据转换为七段码开始图3-2显示子程序3.4报警模块开始开始置报警位P3.4子程序返回去除报警状态位F0图3-3报警子程序3.5键盘模块在本次设计当中，输入设备采用4*4矩阵键盘。当“设定〞键按下时触发键盘中断效劳程序，由程序程控扫描法确定那个键按下并执行相应的动作。程控扫描的任务是：(1)首先判断是否有键按下。方法：使所有的行输出均为低电平，然后从端口A读入列值。如果没有键按下，那么读人值为FFH．如果有链按下．那么不为FFH。(2)去除键抖动。方法：延时10—20ms，再一次判断有无键按下，如果此时仍有键按下，那么认为键盘上确实有键处于稳定闭合期。(3)假设有键闭合，那么求出闭合键的键值。方法：对键盘逐行扫描。程序中需等闭合键释放后才对其进行处理。3.6通信模块在此局部主要是实现下位机与上位机之间的通信，将实时数据传送到上位机，进行同一协调和集中管理。RS232的电气接口是单端的、双极性电源电路。由于RS-232采用的数据传输线路是非平衡，且是误无差分的接收方式，当信号穿过电气干扰环境时，发送的信号将会受到影响。故数据传输速率局限于20KB/s；传输距离局限于15m，但RS-232也是目前最广泛使用的串行通信接口标准。在本设计当中，考虑到系统调试的方便，采用了RS232串行总线。MAX232芯片是美信公司专门为电脑的RS-232标准串口设计的接口电路,使用+5v单电源供电。内部结构根本可分三个局部：〔1〕第一局部是电荷泵电路。由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。功能是产生+12v和-12v两个电源，提供应RS-232串口电平的需要。〔2〕第二局部是数据转换通道。由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。其中13脚〔R1IN〕、12脚〔R1OUT〕、11脚〔T1IN〕、14脚〔T1OUT〕为第一数据通道。8脚〔R2IN〕、9脚〔R2OUT〕、10脚〔T2IN〕、7脚〔T2OUT〕为第二数据通道。TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转换成RS-232数据从T1OUT、T2OUT送到电脑DB9插头；DB9插头的RS-232数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1OUT、R2OUT输出。〔3〕第三局部是供电。15脚GND、16脚VCC〔+5v〕4系统软件设计本系统的应用程序主要由主程序、中断效劳程序和子程序组成。主