電加熱爐計算機控制系統(tǒng)設(shè)計論文

1、電加熱爐計算機控制系統(tǒng)摘 要： 本文設(shè)計的是電加熱爐爐溫度自動控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用單片機可以方便地實現(xiàn)對pid參數(shù)的選擇與設(shè)定；實現(xiàn)工業(yè)過程中pid控制。它采用溫度傳感器熱電偶將檢測到的實際爐溫進行a/d轉(zhuǎn)換，再送入計算機中，與設(shè)定值進行比較，得出偏差。對此偏差按pid規(guī)律進行調(diào)整，得出對應(yīng)的控制量來控制固態(tài)繼電器、調(diào)節(jié)電爐的加熱功率，從而實現(xiàn)對爐溫的控制。利用8051單片機實現(xiàn)溫度智能控制，能自動完成數(shù)據(jù)采集、處理、轉(zhuǎn)換、并進行pid控制。在設(shè)計中應(yīng)該注意，采樣周期不能太短，否則會使調(diào)節(jié)過程過于頻繁，這樣，不但執(zhí)行機構(gòu)不能反應(yīng)，而且計算機的利用率也大為降低；采樣周期不能太長, 否則會使干擾無

2、法及時消除，使調(diào)節(jié)品質(zhì)下降。關(guān)鍵詞：單片機，溫度控制，pid調(diào)節(jié)概述傳統(tǒng)的以普通雙向晶閘管(scr)控制的高溫電加熱爐采用移相觸發(fā)電路改變晶閘管導(dǎo)通角的大小來調(diào)節(jié)輸出功率,達到自動控制電爐溫度的目的。這種移相方式輸出一種非正弦波,實踐表明這種控制方式產(chǎn)生相當(dāng)大的中頻干擾,并通過電網(wǎng)傳輸,給電力系統(tǒng)造成“公害”。采用固態(tài)繼電器控溫電路,通過單片機控制固態(tài)繼電器,其波形為完整的正弦波,是一種穩(wěn)定、可靠、較先進的控制方法。為了降低成本和保證較高的控溫精度,采用普通的adc574芯片和具有零點遷移、冷端補償功能的溫度變送器橋路,使實際測溫范圍縮小。為了在工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用中具有較強的抗干擾能力,采取了一系列

3、抗干擾措施。1. 電加熱爐溫度控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計1.1系統(tǒng)的組成電加熱爐溫度控制系統(tǒng)的硬件由圖1所示各部分組成。它以8051單片機為核心,電加熱爐爐內(nèi)的實際溫度由熱電偶測量并轉(zhuǎn)換成毫伏級的電壓信號,通過溫度變送器橋路實現(xiàn)零點遷移和冷端補償,經(jīng)運算放大器7650放大到05 v,再經(jīng)有源低通濾波器濾波后,由a/d轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。此數(shù)字量經(jīng)數(shù)字濾波、標度變換后,將該溫度值與被控溫度值進行比較,根據(jù)其偏差值的大小,采用比例微分控制,通過固態(tài)繼電器控溫電路控制電爐絲的導(dǎo)通時間,就可以控制電爐絲的加熱功率大小,從而控制電爐的溫度,使其逐漸趨于給定值且達到平衡。 圖1 電加熱爐溫度控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖1.2

4、 熱電偶的選取 熱電偶是測量傳感器,對它的選擇將直接影響檢測誤差大小。目前多選用k型(鎳鉻鎳硅)或s型(鉑銠鉑)熱電偶。兩者相比,k型有較好的溫度熱電勢的線性度,但它不適宜于長時間在高溫區(qū)使用;s型有高的精度,但溫度熱電勢的線性度較差。1.3 a/d轉(zhuǎn)換器本系統(tǒng)采用的是12位a/d 轉(zhuǎn)換器ad574a，這是一種高性能的12位逐次逼近式a/d轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時間約為25us，線性誤差為+-1/2lsb，內(nèi)部有時鐘脈沖源和基準電壓源，單通道單極性或雙極性電壓輸入，采用28腳雙立直插式封裝，它是由12位a/d轉(zhuǎn)換器，控制邏輯，三態(tài)輸出鎖存器，10伏基準電壓源四部分構(gòu)成。1.4 低漂移毫伏放大器低漂移毫伏

5、放大器與前端電路的連接如下圖2 所示：圖2. 低漂移毫伏放大器與前端電路1.5 固態(tài)繼電器溫度控制電路單片機通過pwm脈沖調(diào)寬功率放大器控制ssr固態(tài)繼電器調(diào)節(jié)電爐絲的功率而達到調(diào)節(jié)溫度的目的。調(diào)功的原理為：設(shè)電網(wǎng)連續(xù)n個完整的正弦波為一個控制周期t，則式中 -電網(wǎng)頻率，hz若在設(shè)定的周期t內(nèi)控制主回路導(dǎo)通n(nn)個完整的正弦波(周波),則負載功率為式中 u-電網(wǎng)電壓的有效值r-負載的有效電阻因此,只要控制在設(shè)定的周期t內(nèi)主回路導(dǎo)通的周波數(shù)n的個數(shù),就可調(diào)節(jié)負載的功率p。固態(tài)繼電器控溫電路如圖4所示,采用z型交流固態(tài)繼電器ssr,實現(xiàn)零觸發(fā)交流調(diào)功。ssr內(nèi)設(shè)光電隔離電路,可減少與電網(wǎng)間的相

6、互干擾,其電路圖如下：2. 控制算法的確定pid調(diào)節(jié)是連續(xù)系統(tǒng)中技術(shù)最成熟的、應(yīng)用最廣泛的一種控制算方法。它結(jié)構(gòu)靈活，不僅可以用常規(guī)的pid調(diào)節(jié)，而且可以根據(jù)系統(tǒng)的要求，采用各種pid的變型，如pi、pd控制及改進的pid控制等。它具有許多特點，如不需要求出數(shù)學(xué)模型、控制效果好等，特別是在微機控制系統(tǒng)中，對于時間常數(shù)比較大的被控制對象來說，數(shù)字pid完全可以代替模擬pid調(diào)節(jié)器，應(yīng)用更加靈活，使用性更強。所以該系統(tǒng)采用pid控制算法。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示：圖3. 電加熱爐溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖2.2 數(shù)學(xué)模型的建立 pid控制的理想微分方程為： （1）上式中e（t）=r(t)-y(t)稱為偏

7、差值，可作為溫度調(diào)節(jié)器的輸入信號，其中的r(t)為給定值，y(t)為被測量值； 比例系數(shù)，ti為積分時間常數(shù)；td為微分時間常數(shù)，u(t)為調(diào)節(jié)器的輸出控制電壓信號。但計算機只能處理數(shù)字信號，故上述數(shù)學(xué)方程必須加以變換，若設(shè)溫度的采樣周期為t，第n次采樣得到的輸入偏差信號為，調(diào)節(jié)器輸出為，則有：(微分用差分代替)，（積分用求和代替）。這樣式（1）便可改寫為： （2） 寫成遞推形式則有：根據(jù)pid算法設(shè)計出本溫度控制系統(tǒng)的流程圖，如圖4 所示2.3 系統(tǒng)仿真通過在matlab仿真，我們可以大致看到我們設(shè)計的系統(tǒng)工作情況，從而可以檢驗設(shè)計的合理與否，以便于修改。下面是matlab仿真程序，編程采用

8、simulink 圖形編程。程序如圖5所示：圖5.仿真程序結(jié)果如圖6所示圖6.仿真結(jié)果附錄一附錄二主程序#include #include #define uchar unsigned char #define uint unsigned int #define th0_tl0 (65536-1000)/設(shè)定中斷的間隔時長 1ms int j=0; uint count0 = 0; double ad4; double un; struct pid double setpoint; / 設(shè)定目標 desired value double proportion; / 比例常數(shù) proportio

9、nal const double integral; / 積分常數(shù) integral const double derivative; / 微分常數(shù) derivative const double lasterror; / error-1 double preverror; / error-2 double sumerror; / sums of errors pid; uint xdata *xdp; sbit pwm=p10;/pwm 通道 void delay(uint x); void tem_add(void); void tem_dec(void); void timer0_ini

10、t(void);延時處理： void delay(uint x) uint i; for(i=0;i2) j=0; else acc=*xdp; adj=acc; j+; for(k=0;k=2;k+) sum+=adk; ad3=sum/3; xdp=0x7ff8; /啟動ad *xdp=acc; /*輸入信號產(chǎn)生*/ void sets(void) double t; if(tf1=1) tf1=0; tr1=0; th1=0x3c; tl1=0xb0; if(t=50) t+=0.05;pid.setpoint=t; else t=50;pid.setpoint=75; /*pid計算部分*/double pidcalc( double nextpoint ) double derror,error; error = pid.setpoint - nextpoint; / 偏差 pid.sumerror += error; / 積分 derror = pid.lasterror - pid.preverror; / 當(dāng)前微分 pid.preverror = pid.lasterror; pid.lasterror