1、计算机控制技术课程设计 电加热炉温度控制系统电加热炉温度控制系统模型 建立及控制算法 本文以电加热炉为控制对象.通过对电加热炉对象特性的分析来确定电加热炉系统的构成及控制方案。而这里主要采用的设计方案是普通电加热炉温度控制系统模型建立及控制算法,对电加热炉的温度进行控制的计算机控制系统，所含系统结构复杂，干扰多。这个系统结构简单，实施容易。对炉温控制，采用的主要是由8051单片机组成系统。此外由于PID算法具有计算量小，控制器结果简单，静动态性能指标好等特点，则应用了PID控制算法。本文还建立电加热炉数学模型。此外在论文中也介绍了史密斯预估方案，以及关于占空比，这两个问题都有在论文中提到，其中
2、史密斯预估方案对系统的稳态性能影响很大，而占空比问题也对系统温度加热时间有很大关系。出此之外，论文中还介绍了电加热炉温度控制系统中要运用到的主要芯片.以及这些芯片在系统中的各自功能也都有介绍。此论文重点讨论了电加热炉温度控制系统系统的控制算法， 关键词电加热炉；温度控制；单片机；PID算法;绪论11. 电加热炉温度控制系统的构成 .21.1 各个主要元件电加热炉温度控制系统中的功能.21.2 电加热炉温度控制系统的结构框图及工作原理.21.3 系统中要用的主要芯片的简介31.3.1 8051芯片简介31.3.2 定时计数器51.3.3 锁存器74LS373.61.3.4 光可控硅61.3.5
3、8279芯片的简介.101.3.6 A/D转换器.121.3.7 电源电路.131.4 电加热炉温度控制系统的控制实例142.电加热炉温度控制系统的控制算法152.1 电加热炉温度控制系统的性能指标152.2 电加热炉温度控制系统数学模型的建立152.3 PID控制器的控制算法.162.3.1 PID调节器参数对控制性能的影响. 182.3.2 PID控制系统参数设定及其控制系统的优点. 18 2.4 电加热炉积分分离PID控制的仿真研究. 203. 控制系统的仿真实验图及分析 213.1 积分分离PID控制算法 213.2 占空比.25结论27致谢28参考文献29附录1.30附录249绪论电
4、加热炉的出现，给人类的生活带来了很多方便，使人类不管是在生活还是在工业方面都有了很多便利之处。但是电加热炉主要应用还是在生产过程、实验室及研究所。电加热炉本身可由多组炉丝提供功率，用多组温度传感器检测炉内温度，因此电加热炉属多区温度系统。控制理论从经典理论、现代理论已经发展到更先进的控制理论，控制系统也由简单的控制系统、大系统发展到今天的复杂系统。本文讨论的电加热炉炉温控制系统由上下两组炉丝进行加热，用上下两组热电偶检测炉温。本文所采用的电加热炉温度控制，采用的是适用于工业控制的8051单片机组成的控制系统。为了降低电加热炉的成本，系统要求采用实现温度闭环控制，控制温度误差范围5C，调节温度的
5、超调量小于30%，系统被测参数是温度，由单片机PID运算得出的控制量控制光控可控硅的导通和关断，以便切断或接通加热电源，调整电功率，从而控制电加热炉的温度稳定在设定的值上，并实时显示炉内温度，记录温度的变化过程，以更好的控制电加热炉工作。本系统较理想地解决了炉温控制中平稳性、快速性与精度之间的矛盾。电加热炉是一种将电能转换为热能，在工矿企业和日常生活中，是一种常见的设备。在社会发展的今天，电加热炉的使用，即可以提高生产效益，节约能源，也减少了环境的污染，在社会经济发展和改善人民生活质量等方面的优点早已成为社会的共识。随着社会经济的不断发展，科技水平的进步，人民生活水平的提4高，将使社会带入一个
6、新的阶段。人们对热能的需求质量越来越大，电加热炉的优越性越发的突出来，这样就出现了一个问题，由于传统的电加热炉存在一定的弊端而造成能源的浪费，导致其生产效率低，其主要原因是缺少有效的调节设备，导致的浪费。如何解决这一问题，满足社会的需求，设计得更加科学、合理，在全国仍在探讨。并且现代电加热炉的控制方法由于数学深奥、算法复杂、现场工程师难以理解和接受，因而先进控制算法的推广受到制约，为克服以上种种困难，将来的电加热炉以控制算法简单，静动态性能好的特点，有较高的实用价值和理论价值，特别是以节约能源、保护环境的方向发展。1. 电加热温度控制系统的构成此次设计的电阻炉温度控制系统，主要包括8051单片
7、机、温度控制检测元件和变送器、A/D转换器、键盘与显示器、温度控制电路和报警电路等几个部分。1.1 各主要芯片的在电加热炉温度控制系统中的功能。首先该系统选用性能价格比较高的适用于工业控制MCS51系列单片机8051作为主机，具有控制方便、简单和灵活性等特点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能大大提高产品的质量和数量。其次是应用了定时/计数器。定时/计数器控制寄存器TCON的作用是控制定时器的启、停，标志定时器的溢出和中断情况。此外还应用了锁存器74LS373。74LS373片内是8个输出带三态门的D锁存器，缩存器中内容可以根据设置的电平的高低对内容进行更新和保存。还有应用到了光控可
8、控硅。晶闸管又叫硅可控整流元件，常简称为可控硅不只是用5来进行可控整流它还可以用作无触点开关以快速接通或切断电路，实现将直流电变成交流电的逆变，将一种额率的交流电变成另种频率的交流电，8279芯片，它是一种可编程的键盘/显示器接口芯片。它含键盘输入和显示输出两种功能。A/D转换器:这里采用ADC0809 A/D转换器。通过一个串行三态输出端与主处理器或其外围的串行口通信，可与主机高速传输数据，可编程输出数据长度和格式。热电偶: 常用的热电偶有好多种，根据我们实际所需要的，在这里我采用铂铑。这种热电偶可在1600C以下范围内长期工作，短期可测1800C的高温。1.2 电加热炉温度控制系统的结构框
9、图及工作原理图1-1 系统结构框图工作原理：热电偶用来检测炉温，将电阻炉中的温度转变成毫伏级的电压信号，经温度变送器放大并转换成电流信号。由于A/D转换器接受的是电压量，所以在温度变送器的输出端介入电阻网络，把得到的电流信号转换成电压信号。通过采样和A/D转换，所检测得到的电压信号和炉温给定的电压信号都转换成数字量送入到微型机中进行比较，其差值即为实际电炉和给定炉温间的偏差。微型机构成的数字控制器对偏差按一定的控制规律进行运算，运算结果送D/A转换器转换成模拟电压，经功率放大器放大后送到晶闸管调压器，触发晶闸管并改变其导通角的大小，从而控制电阻炉的加温电压，起到调节炉温的作用。1.3 系统中要
10、用到的主要芯片的简介1.3.1 8051 8051单片机包含中央处理器、程序存储器(ROM)、数据存储器(RAM)、定时/计数器、并行接口、串口接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线，具体介绍如下：中央处理器：中央处理器(CPU)是整个单片机的核心部件，是8位数据宽度的处理器，能处理8位二进制数据或代码，CPU负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。 数据存储器(RAM)：8051内部有128个8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元，它们是统一编址的，专用寄存器只能用于存放控制指令数据，用户只能访问，而不能用于存放用户数据，
11、所以，用户能使用的的RAM只有128个，可存放读写的数据，运算的中间结果或用户定义的字型表。程序存储器(ROM)：8051共有4096个8位掩膜ROM，用于存放用户程序，原始数据或表格。定时/计数器(ROM)：8051有两个16位的可编程定时/计数器，以实现定时或计数产生中断用于控制程序转向。并行输入输出(I/O)口：8051共有4组8位I/O口(P0、 P1、P2或P3)，用于对外部数据的传输。全双工串行口：8051内置一个全双工串行通信口，用于与其它设备间的串行数据传送，该串行口既可以用作异步通信收发器，也可以当同步移位器使用。中断系统：8051具备较完善的中断功能， 时钟电路：8051内
12、置最高频率达12MHz的时钟电路，用于产生整个单片机运行的脉冲时序，但8051单片机需外置振荡电容2MCS-51的引脚说明：8051采用40Pin封装的双列直接DIP结构，下图是它们的引脚配置，40个引脚中，正电源和地线两根，外置石英振荡器的时钟线两根，4组8位共32个I/O口，中断口线与P3口线复用。功能如下说明：Pin20:接地脚Pin40:正电源脚，正常工作或对片内EPROM烧写程序时，接+5V电源。Pin19:时钟XTAL1脚，片内振荡电路的输入端。Pin18:时钟XTAL2脚，片内振荡电路的输出端。输入输出(I/O)引脚：Pin39-Pin32为P0.0-P0.7输入输出脚也可作为低
13、8位地址总线，Pin1-Pin1为P1.0-P1.7输入输出脚，Pin21-Pin28为P2.0-P2.7输入输出脚也可作为高8位地址总线，Pin10-Pin17为P3.0-P3.7输入输出脚还具有第二功能，功能如下图所示。Pin9:RESET/Vpd复位信号复用脚，当8051通电，时钟电路开始工作，在RESET引脚上出现24个时钟周期以上的高电平，系统即初始复位。初始化后，程序计数器PC指向0000H，P0-P3输出口全部为高电平，堆栈指钟写入07H，其它专用寄存器被清“0”。RESET由高电平下降为低电平后，系统即从0000H地址开始执行程序。然而，初始复位不改变RAM（包括工作寄存器R0
14、-R7）的状态，8051的初始态如下表：表1-1 8051初始态Pin30:ALE/PROE当访问外部程序器时，ALE(地址锁存)的输出用于锁存地址的低位字节。而访问内部程序存储器时，ALE端将有一个1/6时钟频率的正脉冲信号，这个信号可以用于识别单片机是否工作，也可以当作一个时钟向外输出。更有一个特点，当访问外部程序存储器，ALE会跳过一个脉冲。如果单片机是EPROM，在编程其间，PROE将用于输入编程脉冲。Pin29:当访问外部程序存储器时，此引脚输出负脉冲选通信号，PC的16位地址数据将出现在P0和P2口上，外部程序存储器则把指令数据放到P0口上，由CPU读入并执行。4Pin31:EA/
15、Vpp程序存储器的内外部选通线，8051和8751单片机，内置有4kB的程序存储器，当EA为高电平并且程序地址小于4kB时，读取内部程序存储器指令数据，而超过4kB地址则读取外部指令数据。如EA为低电平，则不管地址大小，一律读取外部程序存储器指令。显然，对内部无程序存储器的8031,EA端必须接地。2在编程时，EA/Vpp脚还需加上21V的编程电压。1.3.2 定时/计数器1）工作方式寄存器TMOD图1-2 TMOD寄存器M1、M0选择方式表1-2 M1、M0 选择工作方式功能选择位，当为0时，为定时器方式：当为1时为计数器方式。GATE门控位，当为0时，只要控制位TR0或TR1置1，即可启动
16、响应定时器开始工作；当为1时，除需要TR0或TR1置1外，还需要或引脚为高电平时，才能启动响应的定时器开始工作。TMOD不能进行寻址，只能用字节传送指令设置工作方式。2）定时/计数器控制寄存器TCONTCON的作用是控制定时器的启、停，标志定时器的溢出和中断情况。定时器TCON格式如下：图1-3 TCON定时器TCON.7 TF1定时器1溢出标志。当定时器1计满溢出时，由硬件TF1置1，并且申请中断。进入中断服务程序后，由硬件自动清0。TR1定时器1运行控制位。当为1时，启动定时器1工作；当为0时，关闭定时器1工作。TF0定时器0溢出标志。TR0定时器0运行控制位。操作同上。IE1外部中断1请
17、求标志。IT1外部中断1触发方式选择位。IE0外部中断0请求标志。IT0外部中断0触发方式选择位。1.3.3 锁存器74LS373 74LS373片内是8个输出带三态门的D锁存器，其结构图如下。当使能端G程 高电平时锁存器中的内容可以改变更新，而在返回低电平瞬间实现锁存。如此时芯片的输出控制端为OE低，即输出三态门打开，锁存器中的地址信息便可经由三态门输出。74LS373是带清除端CLR的8D触发器。它不带三态门，但CLR端为低时，8个D触发器中的内容将被清除而输出全零，所以正常工作时该端应接高电平。它在时钟端CLK输入为上升沿时触发器中的内容更新，因此单片机的ALE引脚应先经反相，再与该端相
18、连接。经过我们对他们的分析最终我们采用74LS373。(4)74LS373的外部结构图如下：图1-4 74LS373的外部结构图1.3.4 光控可控硅：晶闸管又叫硅可控整流元件，常简称为可控硅。普通晶闸管是一种具有三个PN结的四层结构的大功率半导体器件。目前，晶闸管的派生器件很多，如双向晶闸管、可关断晶闸管、光控晶闸管等，在无线电技术中应用也很广泛。事实上，晶闸管不只是川来进行可控整流它还可以用作无触点开关以快速接通或切断电路，实现将直流电变成交流电的逆变，将一种额率的交流电变成另种频率的交流电，等等。人们常称它为电力电子器件。1) 可控硅工作原理可控硅是P1N1P2N2四层三端结构元件，共有
19、三个PN结，分析原理时，可以把它看作由一个PNP管和一个NPN管所组成。当阳极A加上正向电压时，BG1和BG2管均处于放大状态。此时，如果从控制极G输入一个正向触发信号，BG2便有基流ib2流过，经BG2放大，其集电极电流ic2=2ib2。因为BG2的集电极直接与BG1的基极相连，所以ib1=ic2。此时，电流ic2再经BG1放大，于是BG1的集电极电流ic1=1ib1=12ib2。这个电流又流回到BG2的基极，表成正反馈，使ib2不断增大，如此正向馈循环的结果，两个管子的电流剧增，可控硅使饱和导通。由于BG1和BG2所构成的正反馈作用，所以一旦可控硅导通后，即使控制极G的电流消失了，可控硅仍
20、然能够维持导通状态，由于触发信号只起触发作用，没有关断功能，所以这种可控硅是不可关断的。由于可控硅只有导通和关断两种工作状态，所以它具有开关特性，这种特性需要一定的条件才能转化，如下表表1-3 可控硅导通和关断条件2) 基本伏安特性图1-5 可控硅基本伏安特性（1）反向特性当控制极开路，阳极加上反向电压时（见图3），J2结正偏，但J1、J2结反偏。此时只能流过很小的反向饱和电流，当电压进一步提高到J1结的雪崩击穿电压后，接差J3结也击穿，电流迅速增加，图3的特性开始弯曲，如特性OR段所示，弯曲处的电压URO叫“反向转折电压”。此时，可控硅会发生永久性反向击穿。图1-6 阳极加反向电压（2）正向
21、特性当控制极开路，阳极上加上正向电压时（见图1-6），J1、J3结正偏，但J2结反偏，这与普通PN结的反向特性相似，也只能流过很小电流，这叫正向阻断状态，当电压增加，图3的特性发生了弯曲，如特性OA段所示，弯曲处的是UBO叫：正向转折电压图1-7 阳极加正向电压由于电压升高到J2结的雪崩击穿电压后，J2结发生雪崩倍增效应，在结区产生大量的电子和空穴，电子时入N1区，空穴时入P2区。进入N1区的电子与由P1区通过J1结注入N1区的空穴复合，同样，进入P2区的空穴与由N2区通过J3结注入P2区的电子复合，雪崩击穿，进入N1区的电子与进入P2区的空穴各自不能全部复合掉，这样，在N1区就有电子积累，在
22、P2区就有空穴积累，结果使P2区的电位升高，N1区的电位下降，J2结变成正偏，只要电流稍增加，电压便迅速下降，出现所谓负阻特性，见图3的虚线AB段。这时J1、J2、J3三个结均处于正偏，可控硅便进入正向导电状态-通态，此时，它的特性与普通的PN结正向特性相似，见图2中的BC段（3) 触发导通在控制极G上加入正向电压时（见图5）因J3正偏，P2区的空穴时入N2区，N2区的电子进入P2区，形成触发电流IGT。在可控硅的内部正反馈作用（见图2）的基础上，加上IGT的作用，使可控硅提前导通，导致图3的伏安特性OA段左移，IGT越大，特性左移越快。图1-8 阳极和控制极均加正向电压（4) 普通晶闸管的主
23、要参数晶闸管的主要参数有：(1)额定通态平均电流It在规定的使用条件下阳极阴极间可以连续通过50H正弦半波电流的平均值。(2)正向阻断峰值电压Vdrm。在门极开路，不加触发信号，允许重复加在晶闸管阳极和阴极之间的正向峰值电压(手册规定重复率为50次s，持续时间不大于10MS)，称为正向阻断峰值电压Vdrm。(3)反向阻断峰值电压Vdrm。当晶闸管加反向电压，处于反向阻断状态时可以重复加在晶闸管两端的反向峰值电压(手册规定重复率为50次s，重复时间不大于10MS)。 (4)门极触发电流Igt在室温下，阳极与阴极间加有6v正电压时、使元件完全开通所必须的最小门极直流电流。(5)维持电流Ih。在室温
24、和门极断路时，保持元件处于通态所必需的最小通态电流。1.3.5 8279的芯片介绍8279 是一种可编程/显示器接口芯片，用的比较多。它含键盘输入和显示输出两种功能。键盘输入时它自动扫描，能与64个按键或传感器组成的矩阵相连，接收输入信息，存入先进先出/传感器RAM；显示输出时它有一个显示RAM，其内容通过自动扫描，可由8或16位LED数码管显示。图1-9 8279芯片的引脚图8279芯片各主要部件介绍（1）数据总线缓冲器和I/O控制双向、三态的数据总线缓冲器用与单片机的数据总线相连。当CS为高，RD为低时，数据总线缓冲器信息送D7-D0；当CS为高，WR为低时，D7-D0上信息写入数据总线缓
25、冲器。当A0=1时，读向CPU的是状态字，自CPU写入的是命令字；当A0=0，读、写的都是数据。（2）控制及定时寄存器和控制及定时控制及定时寄存器用于寄存CPU送来的命令字，在通过译码产生相应的控制信号。定时是在对CLK端输入的外部时钟频率N分频、得到100kHz的内部定时脉冲的基础上，进一步给出5.1ms的键盘扫描时间、10.3ms的消抖时间和显示扫描时间。（3）扫描计数器 有两种工作方式。一种是编码方式，需由外部译码器对扫描输端SL3-SL0上的二进制数进行译码，以产生对键盘或显示器的扫描信号；另一种是译码方式，在内部对计数器低两位译码后送SL3-SL0输出，可做为键盘和显示器的扫描信号。
26、（4）输入缓冲器和键盘消抖控制 输入缓冲器用与锁存SL7-SL0上的信息。键盘各种方式时，当搜索到闭合键，等待10.3ms，若该键仍闭合，则将该键所在的行、列号和SHIFT、CNTL键状态都写入FIFO/传感器RAM。传感器方式时，则直接将扫描时SL7-SL0上信息写入FIFO/传感器RAM。8279还可各种于选通方式，此时由选通信号STB的上升沿将SL7-SL0上信息写入FIFO/传感器RAM。（5）FIFO/传感器RAM和它的状态寄存器 该RAM有8个单位。在键盘和选通方式时，按写入的次序，也即先进先出的原则读出。它的状态寄存器存放状态字，用以指出此RAM中存放的字符数，是否出错及溢出、空
27、、满等信息。RAM中有数据时，IRQ变高。在传感器方式时，RAM的每一单元存放传感器矩阵中相应列的状态信息，当某一传感器状态有变化，IRQ变高。（6）显示RAM和显示地址寄存器 该RAM有6个单元，用于存放要显示的笔画信息，它的地址寄存器存放由CPU正在读或写该RAM某单元的地址，或正在显示器的两个半字节的地址。（7) 由CPU向8279写入的8种命令字（a）方式命令字 用于设定8279的各种方式。（b）分频命令字 用于设定分频系数N。8279复位后，该命令字为3FH。4 （c）读FIFO/传感器RAM命令字 读显示RAM命令字 在读显示RAM中的数据前，必须先写入命令字。它的D7、D6、D5
28、=011，是特征位。D3、D2、D1、D0是要读的起始地址。与上一命令字一样：D4=1时，每次读出后地址自动加1。（d）写显示RAM命令字 （e）屏蔽与消隐命令字 需要改写显示RAM中某单元的半个字节，而要求不影响、即屏蔽它的另半个字节时要写入次命令字；需要使显示熄灭、即消隐时也要写入此命令字。（f）清除命令字 在需要清除RAM中内容等情况下，写入此命令字。它（g）结束中断/设定出错命令字 它有两中功能。8279的状态字的格式为：D7当执行清除命令字为1，此时写显示RAM无效。D6位如为1，在N键依次读出方式时，表示出错；而在传感器方式时，表示至少有一个产肝气闭合。D5、D4、D3位分别在FI
29、FO/传感器RAM溢出、已空或全满时置1。D2、D1、D0表示FIFO/传感器RAM中的字符数。8279的数据格式为：在键盘方式下，D7、D6分别表示CNTL键和SHIFT键的状态；D5、D4、D3表示扫描计数器的数值，也即键盘的行号；D2、D1、D0表示由RL7-RL0确定的闭合键的列号。在传感器方式和选通方式时，则D7-D6分别与RL7-RL0的值相对应。2当8279的CS为高电平时，8279才进入工作状态，即CS=1A0=1时是命令状态字假设其余的全为低电平：即为 1000 0000 0000 0001=8001HA0=0时是数据口地址假设其余的全为低电平：即为 1000 0000 0000 0000=8000H1.3.6 A/D转换芯片一般常见的有四种A/D转换电路，其用途与性能见下表：表1-4 常见4种A/D转换电路用途与性能A/D转换电路性能 用途计数器式最简单，价格低，转换速度很慢用得少双积分式精度高，能消除干扰，转换速度也慢用得多，多见于数字式仪表逐次逼近式转换速度快用得最多并行式转换速度最快，但硬件多，成本高只用于要求转换速度很快的的场合这里选用的是ADC0809转换芯片。ADC0809转换芯
