電阻爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文

1、題 目：電阻爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)電阻爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘 要隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，控制理論不斷豐富和完善，控制技術(shù)也在向智能化、開放性、高可靠性的方向發(fā)展。目前常用的控制方式有智能化儀表、plc、dcs，它們可組成各種控制系統(tǒng)以滿足不同的控制要求。其功能越來越強(qiáng)大、性能也越來越完善，并具有控制精度高、抗干擾能力強(qiáng)、防爆性強(qiáng)等特點(diǎn)。本文研究的是電阻爐的溫度控制系統(tǒng)，由于電阻爐在生產(chǎn)和生活中的應(yīng)用比較廣泛，所以電阻爐的溫度控制就顯得尤為重要了。建立一個(gè)控制系統(tǒng)首先要針對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行研究，本設(shè)計(jì)的研究對(duì)象是實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的管式電阻爐，因此本文對(duì)其進(jìn)行了對(duì)象性能測(cè)試。然后針對(duì)電阻爐的特點(diǎn)，提出了利用數(shù)字調(diào)

2、節(jié)器、固態(tài)繼電器等器件組成溫度控制系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)參數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)電阻爐溫度的控制。這種方法經(jīng)濟(jì)、簡單、易操作，控制精度高。最主要的是：學(xué)會(huì)了利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的設(shè)備去掌握設(shè)計(jì)一個(gè)控制系統(tǒng)，更深刻的理解設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的思想，為以后的學(xué)習(xí)、工作打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：電阻爐；對(duì)象特性測(cè)試；控制系統(tǒng)；pwm；調(diào)節(jié)器resistance furnace temperature control systemabstractalong with sciences and technologys swift development, the control theory is unceasingly rich and

3、 is perfect, the control technology also to the intellectualization, openness, the redundant reliable direction develops. at present the commonly used control mode has the intellectualized measuring appliance, plc, dcs, they may compose each kind of control system to satisfy the technique of product

4、ion the request. its function is getting more and more formidable, the performance to be getting more and more perfect, and has the control precision to be high, antijamming ability is strong, what the explosion-proof strong and so on characteristic this article studies is resistance furnaces temper

5、ature control system, because resistance furnace in produces and in the life application is quite widespread, therefore resistance furnaces temperature control appeared especially important, established a control system first to aim at the controlled member to conduct the research. this designs obje

6、ct of study is the laboratory existing tubular resistance furnace, therefore this article has carried on the object performance test to it. then in view of resistance furnaces characteristic, proposed use component composition temperature control systems and so on digit regulator, solid state relay,

7、 realize through the adjustment parameter to the resistance furnace temperature control. this method economical, simple, easy to operate, the control precision is high. what is most main: grasps using the laboratory existing equipment designs the work which a control system , the more profound under

8、standing design control systems thought that for the later study, the work has built the solid foundation.key word: resistance furnace；characteristics of the test object；control system；pwm；regulator目錄摘 要iabstractii目錄iii第一章 引言11.1電阻爐的概述11.2電阻爐溫度控制系統(tǒng)的應(yīng)用與發(fā)展2第二章 電阻爐的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述42.1 總體方案設(shè)計(jì)42.2 設(shè)計(jì)要求42.3 設(shè)計(jì)

9、原理4第三章 電阻爐溫度特性的測(cè)試、記錄及分析63.1 電阻爐溫度特性測(cè)試63.1.1 對(duì)象特性測(cè)試中所用儀表63.1.2 對(duì)象特性測(cè)試原理63.1.3 進(jìn)行溫度特性曲線測(cè)試的儀器儀表的接線圖63.2 溫度特性曲線的記錄與分析83.2.1 溫度特性曲線的記錄83.2.2 溫度特性曲線試驗(yàn)結(jié)果的數(shù)據(jù)處理的方法93.2.3 溫度特性曲線數(shù)據(jù)處理14第四章 電阻爐溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)174.1 電阻爐溫度控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過程174.1.1 電阻爐溫度控制系統(tǒng)的系統(tǒng)方框圖及調(diào)節(jié)過程174.1.2 儀器儀表介紹17第五章 電阻爐溫度控制系統(tǒng)的參數(shù)整定及系統(tǒng)調(diào)試315.1 溫度控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)線路315.1.1

10、 系統(tǒng)的連線框圖315.1.2 系統(tǒng)的連接線路及自動(dòng)控制過程315.2 pid調(diào)節(jié)器及其參數(shù)的整定315.2.1 p、i、d各運(yùn)算規(guī)律的作用315.2.2 pid參數(shù)的整定方法355.2.3 系統(tǒng)的pid整定結(jié)果及分析38總結(jié)40參考文獻(xiàn)42附錄a 系統(tǒng)接線端子圖44附錄b pwm電路原理圖45附錄c pwm程序46致謝52第一章 引言1.1電阻爐的概述工業(yè)爐是在工業(yè)生產(chǎn)中利用燃料燃燒或電能轉(zhuǎn)化的熱量將物料或工件加熱的熱工設(shè)備。機(jī)械工業(yè)應(yīng)用的工業(yè)爐有多種類型，在鑄造車間，有熔煉金屬的沖天爐、感應(yīng)爐、電阻爐、電弧爐、真空爐、平爐、坩堝爐等；在鍛壓車間，有對(duì)鋼錠或鋼坯進(jìn)行鍛前加熱的各種加熱爐，和鍛

11、后消除應(yīng)力的熱處理爐；在金屬熱處理車間，有改善工件機(jī)械性能的各種退火、正火、淬火和回火的熱處理爐；在焊接車間，有焊件的焊前預(yù)熱爐和焊后回火爐；在粉末冶金車間有燒結(jié)金屬的加熱爐等。自1973年能源危機(jī)以來，開發(fā)新能源和節(jié)約燃料引起世界各國的普遍關(guān)注。工業(yè)爐是我國能源的一大用戶，它所耗用的能源占全國總能耗的25%，熱軋生產(chǎn)用各種加熱爐的能耗約占全廠總能耗的60%以上。因此，降低它們的能耗是很有意義的，實(shí)施自動(dòng)控制是一種有效的途徑3。電阻爐是工業(yè)爐的一種，它是利用電流使?fàn)t內(nèi)電熱元件或加熱介質(zhì)發(fā)熱，從而對(duì)工件或物料加熱的工業(yè)爐。電阻爐在機(jī)械工業(yè)中用于金屬鍛壓前加熱、金屬熱處理加熱、釬焊、粉末冶金燒結(jié)、

12、玻璃陶瓷焙燒和退火、低熔點(diǎn)金屬熔化、砂型和油漆膜層的干燥等。自從發(fā)現(xiàn)電流的熱效應(yīng)(即楞茨-焦耳定律)以后，電熱法首先用于家用電器，后來又用于實(shí)驗(yàn)室小電爐。隨著鎳鉻合金的發(fā)明，到20世紀(jì)20年代，電阻爐已在工業(yè)上得到廣泛應(yīng)用。工業(yè)上用的電阻爐一般由電熱元件、砌體、金屬殼體、爐門、爐用機(jī)械和電氣控制系統(tǒng)等組成。加熱功率從不足一千瓦到數(shù)千千瓦。工作溫度在 650以下的為低溫爐；6501000為中溫爐;1000以上為高溫爐。在高溫和中溫爐內(nèi)主要以輻射方式加熱。在低溫爐內(nèi)則以對(duì)流傳熱方式加熱，電熱元件裝在風(fēng)道內(nèi)，通過風(fēng)機(jī)強(qiáng)迫爐內(nèi)氣體循環(huán)流動(dòng)，以加強(qiáng)對(duì)流傳熱。電阻爐有室式、井式、臺(tái)車式、推桿式、步進(jìn)式、馬

13、弗式和隧道式等類型?？煽貧夥諣t、真空爐、流動(dòng)粒子爐等也都是電阻爐。與其它的工業(yè)爐相比，電阻爐具有發(fā)熱部分簡單，對(duì)爐料的種類限制少，爐溫控制精度高，容易實(shí)現(xiàn)在真空或控制氣氛中加熱等特點(diǎn)。因此電阻爐廣泛應(yīng)用于冶金、機(jī)械、材料等行業(yè)，是發(fā)展最早，品種規(guī)格最多，需要量最大的一類工業(yè)爐。電阻爐按其加熱方式不同，可以分為間接電熱和直接電熱兩大類。前者依靠電流通過爐內(nèi)的電熱體或?qū)щ娨后w產(chǎn)生熱量，再經(jīng)過一定的傳熱過程將熱量傳給被加熱的物體。目前大多數(shù)的電阻爐都屬于這一類。后者是電流直接通過被加熱的物料，依靠物料本身的電阻發(fā)熱。間接電熱電阻爐的電熱原理：電流通過爐內(nèi)的專門電阻發(fā)熱即電熱體所產(chǎn)生的熱量，借熱輻射、

14、對(duì)流和傳導(dǎo)將熱量傳遞給被處理的物料，這種電爐稱為間接電熱電阻爐。其特點(diǎn)是：采用不同材料的電熱體可在爐內(nèi)達(dá)到不同的最高工作溫度;采用不同的電熱體安裝和布置方式，可在爐內(nèi)得到各種所需的溫度分布以及做成各種形式和大小的爐子。所以間接電熱電阻爐是工業(yè)生產(chǎn)和科研中應(yīng)用最廣泛的一種爐子。1.2電阻爐溫度控制系統(tǒng)的應(yīng)用與發(fā)展現(xiàn)在所說的電阻爐溫度控制系統(tǒng)，多指采用電腦或微處理器進(jìn)行智能控制的系統(tǒng)，在系統(tǒng)的發(fā)展史上，稱為第三代控制系統(tǒng)，以plc和dcs為代表，從70年代開始應(yīng)用以來，在冶金、電力、石油、化工、輕工等工業(yè)過程控制中獲得迅猛的發(fā)展。70年代中期，由于設(shè)備大型化、工藝流程連續(xù)性要求高、要控制的工藝參數(shù)

15、增多，而且條件苛刻，要求顯示操作集中等，使已經(jīng)普及的電動(dòng)單元組合儀表不能完全滿足要求。在此情況下，在原來采用中小規(guī)模集成電路而形成的直接數(shù)字控制器(ddc)的自控和計(jì)算機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)上，開發(fā)出了以集中顯示操作、分散控制為特征的集散控制系統(tǒng) (dcs)。因而將集散控制系統(tǒng) (dcs)應(yīng)用到電阻爐溫度的控制上，可以提高控制精度，可靠性和安全性。從90年代開始，陸續(xù)出現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)總線電阻爐溫度控制系統(tǒng)、基于pc的電阻爐溫度控制系統(tǒng)等。 目前，由于控制的目的、工藝要求、精度要求的不同，可以采用不同的控制方式?？刂品绞降氖褂梅秶膊煌簆lc適用于離散過程控制，如開關(guān)、順序動(dòng)作執(zhí)行等場(chǎng)所，隨著plc的功能越來

16、越強(qiáng)大，plc也開始進(jìn)入過程自動(dòng)化領(lǐng)域。dcs系統(tǒng)則以模擬量反饋控制為主，輔以開關(guān)量的順序控制和模擬量開關(guān)量混合型的批量控制，它們可以覆蓋煉油、石化、化工、冶金、電力、輕工及市政工程等大部分行業(yè)。而現(xiàn)場(chǎng)總線的突出特點(diǎn)在于它把集中與分散相結(jié)合的dcs集散控制結(jié)構(gòu)，變成新型的全分布式結(jié)構(gòu)，把控制功能徹底下放到現(xiàn)場(chǎng)，依靠現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備本身實(shí)現(xiàn)基本控制功能。在本設(shè)計(jì)中以電阻爐為研究對(duì)象，利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的管式電阻爐和一系列的數(shù)字化儀表來完成電阻爐的溫度控制系統(tǒng)。通過改變調(diào)節(jié)器的比例帶、積分時(shí)間和微分時(shí)間來實(shí)現(xiàn)對(duì)電阻爐的溫度控制。當(dāng)系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)時(shí)，爐溫將穩(wěn)定在給定值上，從而實(shí)現(xiàn)了電阻爐的恒溫控制。該方法

17、簡單，易操作，控制精度高，可靠性強(qiáng)。同時(shí)這種控制方案可以根據(jù)不同的研究對(duì)象完成不同的控制要求。第二章 電阻爐的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述2.1 總體方案設(shè)計(jì)自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)首先要研究被控對(duì)象，即對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試的方法有：時(shí)域測(cè)試法（這里指飛升曲線法）、頻域測(cè)試法、統(tǒng)計(jì)法等。這里采用飛升曲線法。本設(shè)計(jì)的研究對(duì)象是實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的管式電阻爐，因此對(duì)它進(jìn)行性能實(shí)驗(yàn)測(cè)試。設(shè)計(jì)中取的是對(duì)象的飛升曲線，所以實(shí)驗(yàn)中讓對(duì)象（電阻爐）在某一穩(wěn)態(tài)下穩(wěn)定一段時(shí)間后，快速的改變它的輸入量，使對(duì)象達(dá)到另一穩(wěn)定狀態(tài)，從而求得對(duì)象在階躍函數(shù)時(shí)的飛升曲線。測(cè)得對(duì)象特性后，根據(jù)要求選擇一個(gè)合適的控制系統(tǒng)。因?yàn)樵谝话氵B續(xù)生產(chǎn)過程中

18、，單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)可以滿足大多數(shù)的控制要求，所以這里采用單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)。單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)一般是指在一個(gè)調(diào)節(jié)對(duì)象上用一個(gè)調(diào)節(jié)器來保持一個(gè)參數(shù)恒定，而調(diào)節(jié)器只接受一個(gè)測(cè)量信號(hào)，其輸出也只控制一個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。想要實(shí)現(xiàn)電阻爐的溫度控制，控制方法有很多，例如利用常溫儀表，數(shù)字儀表，plc等，它們都可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，但由于數(shù)字儀表即比常溫儀表操作簡單，控制精度高，又比plc經(jīng)濟(jì)實(shí)用，故本設(shè)計(jì)采用數(shù)字儀表足已滿足我們的控制要求。在確定了控制方法后還要先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值定一組最初的調(diào)節(jié)器參數(shù)，然后再結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)求得的調(diào)節(jié)器參數(shù)，調(diào)節(jié)整定系統(tǒng)，使控制效果達(dá)到最佳，從而確定最后的調(diào)節(jié)器參數(shù)，最終實(shí)現(xiàn)電阻爐的溫度控制。2.2

19、設(shè)計(jì)要求針對(duì)電阻爐組成一個(gè)簡單實(shí)用的恒溫控制系統(tǒng)，可以通過設(shè)置參數(shù)使其溫度在0-1000攝氏度內(nèi)得到有效的控制，并且控制精度達(dá)到預(yù)想效果，控制時(shí)間也可以隨意改變。2.3 設(shè)計(jì)原理以電阻爐溫度為研究對(duì)象,采用數(shù)字pid控制器對(duì)電阻爐溫度進(jìn)行控制,通過調(diào)節(jié)比例帶、積分時(shí)間、微分時(shí)間來調(diào)節(jié)控制效果,同時(shí)針對(duì)不同溫度段所表現(xiàn)出來的不同熱性能，采用全功率或比例控制加快升溫過程，再進(jìn)行pid算法結(jié)合積分分離或積分削弱算法控制穩(wěn)定過程的方案。使電阻爐溫度控制達(dá)到超調(diào)量小、穩(wěn)定精度高的優(yōu)良控制效果。第三章 電阻爐溫度特性的測(cè)試、記錄及分析3.1 電阻爐溫度特性測(cè)試一般研究調(diào)節(jié)對(duì)象特性的方法有兩種。對(duì)于簡單的對(duì)

20、象或系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的特性，可以通過分析過程的機(jī)理、物料或能量平衡關(guān)系求得數(shù)學(xué)模型，即對(duì)象動(dòng)態(tài)特性的微分方程式，這種方法稱為分析法。但是，復(fù)雜對(duì)象的微分方程式很難建立，也不容易求解。所以，另一種方法是通過實(shí)驗(yàn)測(cè)定，對(duì)取得數(shù)據(jù)進(jìn)行加工整理而求得對(duì)象的微分方程式或傳遞函數(shù)，這種方法稱為實(shí)驗(yàn)測(cè)定法。目前用來測(cè)定對(duì)象動(dòng)態(tài)特性的實(shí)驗(yàn)方法主要有三種：測(cè)定動(dòng)態(tài)特性的時(shí)域方法、測(cè)定動(dòng)態(tài)特性的頻域方法、測(cè)定動(dòng)態(tài)特性的統(tǒng)計(jì)方法。這里僅對(duì)本次設(shè)計(jì)用到的是時(shí)域方法加以介紹。時(shí)域方法主要是求對(duì)象的飛升曲線或方波響應(yīng)曲線，如輸入量做階躍變化，測(cè)繪對(duì)象輸出量隨時(shí)間變化曲線就得到飛升特性。如果將輸入量作一個(gè)脈沖方波變化，測(cè)出對(duì)象輸

21、出量隨時(shí)間的變化曲線就得到脈沖方波響應(yīng)曲線。這些方法都不需要特殊的信號(hào)發(fā)生器，在很多情況下可以利用調(diào)節(jié)系統(tǒng)中原有的儀器設(shè)備完成，方法簡單，測(cè)試工作量小，故應(yīng)用甚廣。此法缺點(diǎn)是測(cè)試精度不高且對(duì)生產(chǎn)有一定影響。3.1.1 對(duì)象特性測(cè)試中所用儀表電阻絲高溫爐，自耦變壓器，無紙記錄儀，s型熱電偶3.1.2 對(duì)象特性測(cè)試原理在實(shí)驗(yàn)中，用調(diào)壓變壓器將220v的交流電轉(zhuǎn)換成不同伏值的電壓，通過這些電壓為管式電阻爐提供電源，將熱電偶所測(cè)的電阻爐在不同伏值供電電壓下的毫伏信號(hào)接入無紙記錄儀進(jìn)而實(shí)時(shí)地繪制電阻爐的溫度特性曲線。3.1.3 進(jìn)行溫度特性曲線測(cè)試的儀器儀表的接線圖下面我們將進(jìn)行溫度特性測(cè)試原理圖和接線

22、圖的繪制。圖3.1 電阻爐的溫度性能測(cè)試原理圖圖3.2電阻爐的溫度性能測(cè)試接線圖由圖3.2可以看出，我們是將自耦變壓器原邊接民用電源，其副邊的輸出接至管式電阻爐的電源輸入端，從而使電阻爐開始加熱，我們利用s型的鉑銠-鉑熱電偶作為傳感器來測(cè)試爐溫，其熱電偶的輸出端1，2應(yīng)接至無紙記錄儀的輸入端，由無紙記錄儀的usb接口讀取曲線圖，再利用無紙記錄儀u盤數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分析軟件分析曲線圖。我們按照?qǐng)D3.2將各儀器儀表的引腳相互連接，這就組成了測(cè)試溫度特性的電路。我們通過調(diào)節(jié)自耦變壓器的給定電壓，使電阻爐的溫度變化并繪出溫度升高或降低的曲線圖。3.2 溫度特性曲線的記錄與分析在電阻爐溫度特性曲線的測(cè)試中，我們

23、通過選擇不同的給定電壓送入電阻爐，從而使電阻爐的溫度由一個(gè)穩(wěn)態(tài)階躍到另一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，也相當(dāng)于給電阻爐一個(gè)階躍信號(hào)，來得到溫度的階躍響應(yīng)曲線。3.2.1 溫度特性曲線的記錄在開始實(shí)驗(yàn)時(shí)，我們選定的初始給定值是30v，待溫度上升到某一穩(wěn)定值時(shí)，我們將給定值改變?yōu)?0v，相當(dāng)于給該系統(tǒng)一個(gè)階躍信號(hào)，從而使溫度的變化曲線出現(xiàn)階躍響應(yīng)。為了使我們的設(shè)計(jì)達(dá)到一定的要求，應(yīng)多給幾個(gè)階躍信號(hào)，使溫度比較高時(shí)，也能很好的進(jìn)行自動(dòng)控制。因而，我們又將給定值設(shè)為70v,溫度升高到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，再給一個(gè)階躍信號(hào)，即將變壓器的電壓調(diào)至110v。圖3.3階躍響應(yīng)曲線圖3.3為電阻爐溫度特性曲線截取圖。在響應(yīng)曲線測(cè)定后，為了

24、分析和設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，需要將響應(yīng)曲線轉(zhuǎn)化為傳遞函數(shù)。在轉(zhuǎn)化過程中，首要問題是選定模型的結(jié)構(gòu)。對(duì)于采用pid控制的閉環(huán)控制系統(tǒng)，并不要求非常準(zhǔn)確的被控對(duì)象模型。因此在滿足精度要求的情況下，常采用低階傳遞函數(shù)來擬和被控對(duì)象。3.2.2 溫度特性曲線試驗(yàn)結(jié)果的數(shù)據(jù)處理的方法在描繪生產(chǎn)過程的動(dòng)態(tài)特性時(shí)，常用微分方程式或傳遞函數(shù)的形式表達(dá)。如何將實(shí)驗(yàn)所獲得的各種不同對(duì)象的飛升曲線進(jìn)行處理，以便用一些簡單的典型微分方程或傳遞函數(shù)來近似表達(dá)，既適合工程應(yīng)用，又有足夠的精度，即這里所指的數(shù)據(jù)處理。（1） 由飛升曲線確定有純滯后的一階環(huán)節(jié)的參數(shù)圖3.4 電阻爐的飛升曲線有純滯后的s形飛升曲線，如圖3.4所示。在變

25、化速度最快處作一切線，它的斜率就是最快的速度，并從時(shí)間軸的交點(diǎn)得出滯后時(shí)間。同時(shí)記下輸入階躍變化量和的最終變量。然后用下列式子求及： ； (3-1) (3-2)這種處理方法極為簡單但準(zhǔn)確性不高，再介紹一種比較準(zhǔn)確的方法：求穩(wěn)態(tài)放大系數(shù)的式子不變，在計(jì)算時(shí)間常數(shù)及純滯后時(shí)，將曲線修改成無因次的飛升曲線為 (3-3)對(duì)于有滯后的一階非周期環(huán)節(jié)來說，在階躍作用下的解為 ； (3-4)為了確定及的值，在無因次飛升曲線上選取的兩個(gè)坐標(biāo)值，現(xiàn)選擇及如下：； (3-5)其中，對(duì)上式聯(lián)立求解可得；。 (3-6)可以看出，由,及對(duì)應(yīng)飛升曲線上的兩個(gè)值及求得及。若選擇，則可得 ； (3-7)對(duì)于計(jì)算結(jié)果，可在 這

26、幾個(gè)時(shí)間上，對(duì)飛升曲線進(jìn)行校驗(yàn)。（2） 由飛升曲線確定二階環(huán)節(jié)的參數(shù)響應(yīng)曲線測(cè)定后，為了分析和設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，需要將響應(yīng)曲線轉(zhuǎn)化為傳遞函數(shù)。本設(shè)計(jì)采用二階系統(tǒng)的s形飛升曲線的分析方法對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理。下面介紹一下二階系統(tǒng)的s形飛升曲線的分析方法，并用該方法對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的電阻爐溫度特性曲線進(jìn)行分析。對(duì)于s形的實(shí)驗(yàn)飛升曲線，規(guī)定其傳遞函數(shù)按下式： （3-8） 或 （3-9）來近似，前者相當(dāng)于過阻尼的二階環(huán)節(jié)（傳遞函數(shù)的分母有兩個(gè)實(shí)根及，后者為阻尼系數(shù)為1的有純滯后的二階環(huán)節(jié)。在生產(chǎn)實(shí)際中，多數(shù)對(duì)象的飛升曲線都是過阻尼的，因此該方法適用于大批的工業(yè)對(duì)象。對(duì)于式（3-8），在零初始條件下，當(dāng)輸入作階躍變

27、化，階躍變量為時(shí)，它的解為 （3-10）用無因式表示: （3-11）由式（3-11）可知，為了求的值，應(yīng)先確定兩個(gè)時(shí)間常數(shù)和，而這就要建立兩個(gè)方程。在式（3-11）中引入時(shí)間無因次量； (3-12) 其中2=+，則可化為: （3-13）注意：；,可見式（3-13）表達(dá)了，和 三者之間的關(guān)系。 令，則在式（3-13）中只剩，和兩個(gè)參量。因，故。當(dāng)在01之間取值時(shí)，可算出與之相對(duì)應(yīng)的，結(jié)果如下圖3.5所示：這里令。圖3.5 2t7*關(guān)系曲線分析圖3.5可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)時(shí)，的值在1.2附近變動(dòng)。如果令=1.2，則由此帶來的誤差為，這在工程上是允許的。這樣，就得到尋求時(shí)間常數(shù)，的第一個(gè)關(guān)系式 即 （3-1

28、4）其次，在式（3-13）中，令便可確立與之間的關(guān)系，如圖4.8所示，這是尋求時(shí)間常數(shù)、的第二個(gè)關(guān)系式。在同一圖中還畫有及時(shí)的曲線和，這兩條曲線可供檢驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果之用。圖3.6 y4與2的關(guān)系曲線經(jīng)上述分析之后，可將確定典型二階方程參數(shù)的步驟簡述如下：實(shí)驗(yàn)求得飛升曲線后，先按式和式求出放大倍數(shù)k和無因次的飛升曲線，然后根據(jù)來求及或及。根據(jù)求得與之對(duì)應(yīng)的，再算出對(duì)應(yīng)于從飛升曲線上找到的數(shù)值。根據(jù)的數(shù)值分三種情況處理：若0.1910.33，則采用式（3-8）來近似，這時(shí)還要計(jì)算兩個(gè)未知參數(shù)及。計(jì)算時(shí)需要借助圖3.6的曲線。為了算及，首先求出，再由圖3.6的曲線和的值求得對(duì)應(yīng)的的值進(jìn)而求，最后用公

29、式； （3-15）來計(jì)算時(shí)間常數(shù)及。至此就求得了近似傳遞函數(shù)（3-8）式的各參數(shù)。為了對(duì)此傳遞函數(shù)進(jìn)行校驗(yàn)，可以檢查它的幾個(gè)點(diǎn)，在校驗(yàn)時(shí)仍需用到圖3.6的曲線，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果在，時(shí)是重合的，在和兩點(diǎn)可按圖3.6查出與的值，且與實(shí)驗(yàn)曲線上的值相比較作為校驗(yàn)。若數(shù)值相近，則認(rèn)為這樣的近似是合理的。若0.191，則采用（3-9）式的帶純滯后的二階環(huán)節(jié)近似，這時(shí)要計(jì)算的兩個(gè)未知參數(shù)是和。先令及在曲線上找到相應(yīng)的時(shí)間及的值，然后按公式 ； (3-16)來計(jì)算純滯后及時(shí)間常數(shù)。至此，傳遞函數(shù)（3-9）式就確定了。為了校驗(yàn)，計(jì)算結(jié)果應(yīng)在，及處與實(shí)驗(yàn)曲線重合，并可按時(shí)及時(shí)與實(shí)驗(yàn)所得飛升曲線相比較。若，則應(yīng)

30、用來描述傳遞函數(shù)的特性。由飛升曲線確定傳遞函數(shù)的方法介紹完畢，下面將對(duì)實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)加以處理9。3.2.3 溫度特性曲線數(shù)據(jù)處理響應(yīng)曲線測(cè)定后，為了分析和設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，需要將響應(yīng)曲線轉(zhuǎn)化為傳遞函數(shù)。因?yàn)槲覀儾捎玫氖莗id控制的閉環(huán)控制系統(tǒng)，并不要求非常準(zhǔn)確的被控對(duì)象模型，因此在滿足精度要求的情況下，采用延遲的二階慣性環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)來擬合被控對(duì)象。 對(duì)電阻爐溫度特性曲線的分析，我們只截取其中的一部分，以500011000s這段曲線（控制目的中要求的穩(wěn)定溫度處于這一段）為例。首先將實(shí)驗(yàn)所得飛升曲線化為無因次飛升曲線。圖3.7 t 曲線圖根據(jù)無因次飛升曲線（如圖3.7所示），求出與相對(duì)應(yīng)的于是得再從圖中

31、找到對(duì)應(yīng)于的由于所得之滿足不等式0.191y4* 0.33故用無滯后的二階環(huán)節(jié)（3-8）來近似，這時(shí)根據(jù)公式（3-14）及圖3.6之曲線找到 查圖，時(shí)， =0.82 ， =0.91，于是按式（3-15）可求 ；由上述方法求得被控對(duì)象的傳遞函數(shù)，通過分析傳遞函數(shù)即可了解被控電阻爐的溫度特性。 進(jìn)而我們連接系統(tǒng)并進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié)。由實(shí)驗(yàn)曲線圖可得：；(min)；（min）由經(jīng)驗(yàn)公式可計(jì)算出：p=113；(min)；（min）。第四章 電阻爐溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)4.1 電阻爐溫度控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過程電阻爐溫度控制系統(tǒng)是一個(gè)單回路反饋控制系統(tǒng)，它由四個(gè)基本環(huán)節(jié)組成，即被控對(duì)象、測(cè)量變送裝置、控制器和控制閥。本

32、設(shè)計(jì)中被控對(duì)象是電阻爐的溫度，測(cè)量變送裝置為s型熱電偶，控制器采用數(shù)字調(diào)節(jié)器，控制閥則是由固態(tài)繼電器構(gòu)成。4.1.1 電阻爐溫度控制系統(tǒng)的系統(tǒng)方框圖及調(diào)節(jié)過程 圖4.1 電阻爐溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)由圖4.1可以看出，該系統(tǒng)是一個(gè)單參數(shù)閉環(huán)控制系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)時(shí)，爐溫將穩(wěn)定在給定值上。由于外加某種擾動(dòng)的影響，使?fàn)t溫降低或升高，此時(shí)s熱電偶產(chǎn)生的毫伏信號(hào)，一方面送至顯示儀表指示和記錄，另一方面送入數(shù)字調(diào)節(jié)器中。在調(diào)節(jié)器中測(cè)量信號(hào)與給定值信號(hào)進(jìn)行比較后，產(chǎn)生一個(gè)偏差值，經(jīng)過pid運(yùn)算后輸出一個(gè)4-20ma的電流信號(hào)，然后送入pwm（脈寬調(diào)制電路）電路中，這樣將調(diào)節(jié)器輸出的4-20ma的電流信號(hào)線

33、性的轉(zhuǎn)變?yōu)橥姇r(shí)間為0%-100%的占空比，根據(jù)占空比控制固態(tài)繼電器改變電阻爐的通電和斷電時(shí)間，從而改變了電阻爐的溫度。由于通電時(shí)間的改變，電阻爐爐溫也隨之而變，當(dāng)爐溫與給定值相等時(shí)，偏差，調(diào)節(jié)器輸出恒定，通電時(shí)間固定，通過這種方式使?fàn)t溫保持在給定值上，即實(shí)現(xiàn)了電阻爐的恒溫控制。4.1.2 儀器儀表介紹在該設(shè)計(jì)中，我們用到了很多儀器儀表，對(duì)所用儀器儀表的介紹如下：表4.1使用儀器設(shè)備表格儀器儀表名稱型號(hào)規(guī)格生產(chǎn)廠家備注管形高溫爐sk-2-12h 哈爾第二電爐廠制造額定功率：2千瓦額定溫度：1000 頻 率：50赫茲 額定電壓：220v熱電偶s型(鉑銠10-鉑)長期使用溫度為1400(我國規(guī)定為

34、1300)，短期使用溫度為1600自耦變壓器制號(hào)1234天津市電機(jī)器材廠制造最大電力50kva，50輸入輸出電壓電壓電流220v0250v20a110v0250v10a數(shù)字調(diào)節(jié)器sr74a日本pwm電路采用單片機(jī)at89c2051，adc0832，74ls164，led固態(tài)繼電器jgx-10f日本從上表可以很好的了解到所用的儀器儀表，可清楚我們的基本設(shè)計(jì)方法，從而可以進(jìn)一步的了解該設(shè)計(jì)，給人以清晰、簡單的設(shè)計(jì)思路。為使我們的設(shè)計(jì)盡可能的簡單易操作，控制效果更好，在這些儀器儀表的選用上，是經(jīng)過多方面的考慮，而最終做出的選擇。1.熱電偶熱電偶的基本結(jié)構(gòu)是熱電極，絕緣材料和保護(hù)管。絕緣材料的作用是使

35、兩根熱電極絲相互電絕緣，避免因熱電極短路而引入測(cè)量誤差，并保證一定的機(jī)械強(qiáng)度。為使熱電偶熱電極不直接與被測(cè)介質(zhì)接觸，通常采用保護(hù)管。它不僅可以保護(hù)熱電極延長熱電偶的使用壽命，還可以起到支撐和固定熱電極的作用。熱電偶溫度計(jì)的原理是利用兩種不同的金屬導(dǎo)體在兩個(gè)端點(diǎn)上相互接觸，當(dāng)其兩接點(diǎn)溫度不同時(shí)，回路內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)。它是接觸式測(cè)溫儀表，溫度不同的兩物體相互接觸，由于它們之間有溫度差存在，熱量就會(huì)從高溫物體向低溫物體傳遞。如果這兩個(gè)物體與外界沒有能量交換，則經(jīng)過足夠長時(shí)間兩者之間就會(huì)達(dá)到熱平衡狀態(tài)，即傳熱量為零，兩者溫度相等。如果兩物體其中之一是溫度計(jì)的感溫部分，另一物體是被測(cè)物體，則可以說溫度計(jì)

36、的感溫部分充分反映了被測(cè)物體的溫度。熱電偶具有四大基本定律，分別為中間導(dǎo)體定律，均質(zhì)導(dǎo)體定律，中間溫度定律，參考電極定律。中間導(dǎo)體定律是熱電偶回路的一個(gè)重要性質(zhì)。這一性質(zhì)表明：在熱電偶回路中接入第三種導(dǎo)體，只要這第三種導(dǎo)體材料兩端溫度相同，則熱電偶產(chǎn)生的熱電勢(shì)保持不變，不受第三種導(dǎo)體接入的影響。因此，在熱電偶測(cè)溫時(shí)，可接入測(cè)量儀表，測(cè)得熱電動(dòng)勢(shì)后，即可知道被測(cè)介質(zhì)的溫度。均質(zhì)導(dǎo)體定律是指由一種均質(zhì)導(dǎo)體組成的閉合電路，不論導(dǎo)體的截面如何以及各處的溫度分布如何，都不能產(chǎn)生熱電勢(shì)。這條定律說明，熱電偶必須由兩種不同性質(zhì)的材料構(gòu)成。中間溫度定律是指熱電偶回路兩接點(diǎn)（溫度為、）間的熱電勢(shì)，等于熱電偶在溫

37、度為、時(shí)的熱電勢(shì)與在溫度為、時(shí)的熱電勢(shì)的代數(shù)和。稱中間溫度。參考電極定律 是專業(yè)人士才研究、關(guān)注的，一般生產(chǎn)、使用環(huán)節(jié)的人士不太了解，簡單說明就是：用高純度鉑絲做標(biāo)準(zhǔn)電極，假設(shè)鎳鉻-鎳硅熱電偶的正負(fù)極分別和標(biāo)準(zhǔn)電極配對(duì)，他們的值相加是等于這支鎳鉻-鎳硅的值。本設(shè)計(jì)中的研究對(duì)象為電阻爐，它的最大上限在1000左右，因此本設(shè)計(jì)采用鉑銠10-鉑熱電偶(分度號(hào)為s)。這是一種貴金屬熱電偶，由直徑為0.5mm以下的鉑銠合金絲（鉑90%，鐒10%）和純鉑絲制成。s型熱電偶的特點(diǎn)是熱電性能穩(wěn)定，抗氧化性強(qiáng)，宜在氧化性、惰性氣氛中連續(xù)使用，其準(zhǔn)確度等級(jí)是最高的。長期使用溫度為1400(我國規(guī)定為1300)，短

38、期使用溫度為1600。通常用作為標(biāo)準(zhǔn)或作為測(cè)量高溫的熱電偶，它的使用溫度范圍廣、均質(zhì)性及互換性好。它的缺點(diǎn)是價(jià)格昂貴，電極絲直徑通常很細(xì)，機(jī)械強(qiáng)度較低3。2.調(diào)壓器（1）自耦變壓器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)圖4.2是自耦變壓器的示意圖。 這種變壓器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是鐵芯上只繞有一個(gè)線圈。 如果把整個(gè)線圈作原線圈，副線圈只取線圈的一部分，就可以降低電壓（如圖4.2甲所示）；如果把線圈的一部分作原線圈，整個(gè)線圈作副線圈，就可以升高電壓（如圖4.2 乙所示)。圖4.2自耦變壓器的示意圖調(diào)壓變壓器是一種典型的自耦變壓器, 它的構(gòu)造如圖4.3 所示. 線圈ab 繞在一個(gè)圓環(huán)形的鐵芯上,當(dāng)a 、b 之間輸入交流電壓后, 轉(zhuǎn)動(dòng)滑

39、動(dòng)觸頭p 的位置,就可以在c、d 兩端輸出能連續(xù)變化的不同電壓。圖4.3自耦變壓器結(jié)構(gòu)圖（2）自耦變壓器的工作原理自耦變壓器也是利用電磁感應(yīng)原理制成的。從圖4.3可以看出,在交流電源的作用下，原線圈中產(chǎn)生交變電流,從而在鐵芯中激發(fā)交變的磁通量。這一交變的磁通量將在原、副線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),這便是自耦變壓器的工作原理。因此，自耦變壓器也具有一般變壓器所具有的變壓、變流和變阻特性。3.調(diào)節(jié)器在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，調(diào)節(jié)器是構(gòu)成自動(dòng)控制系統(tǒng)的核心儀表，它將來自變送器的測(cè)量值與給定值相比較后產(chǎn)生的偏差進(jìn)行比例、積分、微分(pid)運(yùn)算，并輸出統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作，以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度及其他工藝變量的

40、自動(dòng)控制。調(diào)節(jié)器的運(yùn)算規(guī)律是指調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)與輸入偏差之間隨時(shí)間變化的規(guī)律。理想的pid調(diào)節(jié)器的運(yùn)算規(guī)律可用下式表示 （4-1）也可用傳遞函數(shù)表示為 （4-2）式中第一項(xiàng)為比例(p)部分，第二項(xiàng)為積分(i)部分，第三項(xiàng)為微分(d)部分，各變量的意義如下：調(diào)節(jié)器的比例增益；調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間；調(diào)節(jié)器的微分時(shí)間；實(shí)際pid調(diào)節(jié)器的運(yùn)算規(guī)律表達(dá)式要復(fù)雜些，其傳遞函數(shù)常用下式表示 （4-3）式中 調(diào)節(jié)器變量之間的相互干擾系數(shù)，可表示為，其中比例系數(shù)的大小與調(diào)節(jié)器的構(gòu)成方式有關(guān)。該式表明，當(dāng)調(diào)節(jié)器無積分作用()或無微分作用時(shí)，； 考慮相互干擾系數(shù)后的實(shí)際比例增益； 考慮相互干擾系數(shù)后的實(shí)際積分時(shí)間； 考

41、慮相互干擾系數(shù)后的實(shí)際微分時(shí)間； 積分增益； 微分增益。當(dāng)、均很大時(shí)，則上式就近似等于理想pid運(yùn)算規(guī)律的表達(dá)式了。當(dāng)偏差為階躍信號(hào)時(shí)，利用拉氏反變換，由上式可求得實(shí)際pid調(diào)節(jié)器的輸出為 （4-4）當(dāng)時(shí)，；當(dāng)時(shí)，。調(diào)節(jié)器包括偏差檢測(cè)和進(jìn)行pid運(yùn)算的兩部分電路。偏差檢測(cè)電路也即輸入電路，偏差信號(hào)一般采用電壓形式，所以輸入信號(hào)與給定信號(hào)在輸入電路內(nèi)都是以電壓形式進(jìn)行比較。在本設(shè)計(jì)中可以使用ddz-型調(diào)節(jié)器也可以使用數(shù)字式調(diào)節(jié)器，本設(shè)計(jì)采用 數(shù)字式調(diào)節(jié)器，因?yàn)閿?shù)字式調(diào)節(jié)器相對(duì)于ddz-型調(diào)節(jié)器使用起來更方便而且調(diào)節(jié)更精確。4.固態(tài)繼電器本設(shè)計(jì)中的執(zhí)行器采用固態(tài)繼電器，固態(tài)繼電器（亦稱固體繼電器）

42、英文名稱為solid state relay，簡稱ssr。固態(tài)繼電器與機(jī)電繼電器相比，是一種沒有機(jī)械運(yùn)動(dòng)，不含運(yùn)動(dòng)零件的繼電器，但它具有與機(jī)電繼電器本質(zhì)上相同的功能。ssr是一種全部由固態(tài)電子元件組成的無觸點(diǎn)開關(guān)元件，他利用電子元器件的電，磁和光特性來完成輸入與輸出的可靠隔離，利用大功率三極管，功率場(chǎng)效應(yīng)管，單向可控硅和雙向可控硅等器件的開關(guān)特性，來達(dá)到無觸點(diǎn)，無火花地接通和斷開被控電路。固態(tài)繼電器有三部分組成:輸入電路，隔離(耦合)和輸出電路。按輸入電壓的不同類別，輸入電路可分為直流輸入電路，交流輸入電路和交直流輸入電路三種。有些輸入控制電路還具有與ttl/cmos兼容，正負(fù)邏輯控制和反相等

43、功能。固態(tài)繼電器的輸入與輸出電路的隔離和耦合方式有光電耦合和變壓器耦合兩種。固態(tài)繼電器的輸出電路也可分為直流輸出電路，交流輸出電路和交直流輸出電路等形式。交流輸出時(shí)，通常使用兩個(gè)可控硅或一個(gè)雙向可控硅，直流輸出時(shí)可使用雙極性器件或功率場(chǎng)效應(yīng)管。固態(tài)繼電器具有高壽命，靈敏度高，快速轉(zhuǎn)換，電磁干擾小等優(yōu)點(diǎn)，固本設(shè)計(jì)采用固態(tài)繼電器。5.無紙記錄儀無紙無筆記錄儀摒棄了傳統(tǒng)記錄儀中使用的記錄筆和記錄紙，把工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的各種需要監(jiān)視記錄的輸入信號(hào)，通過本機(jī)cpu數(shù)據(jù)處理，一方面在大屏幕液晶顯示屏幕上以多種形式的畫面顯示出來，另一方面把這些監(jiān)察信號(hào)的數(shù)據(jù)存放在本機(jī)內(nèi)藏的大容量存儲(chǔ)芯片內(nèi)，以便在本記錄儀上直接進(jìn)行

44、數(shù)據(jù)和圖形查詢、翻閱和打印。帶有軟磁盤驅(qū)動(dòng)的exii型無紙記錄儀還可將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行拷盤存檔，用戶可用我們提供的上位機(jī)軟件，對(duì)已記錄數(shù)據(jù)的軟盤，在上位機(jī)上重現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)和歷史曲線。無紙記錄儀分為：中長圖彩屏無紙記錄儀，藍(lán)屏無紙記錄儀，彩屏無紙記錄儀，單色無紙記錄儀。本設(shè)計(jì)使用的是藍(lán)屏無紙記錄儀，在使用時(shí)應(yīng)先進(jìn)入組態(tài)模塊，操作身份選為工程師，進(jìn)而進(jìn)入主菜單修改參數(shù)，通道選為單通道顯示，量程選為0-1000，接收信號(hào)選為s型熱電偶，單位選為攝氏度。當(dāng)通電時(shí)無紙記錄儀將會(huì)自動(dòng)進(jìn)行工作，把熱電偶的正負(fù)極接到無紙記錄儀的輸入端，當(dāng)實(shí)驗(yàn)達(dá)到理想狀態(tài)時(shí)可以直接通過u盤讀取。然后再通過無紙記錄儀u盤數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分析軟

45、件對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。6.pwm電路pwm電路（脈寬調(diào)制電路）是利用微處理器的數(shù)字輸出來對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用于測(cè)量，通信，功率控制與變換等許多領(lǐng)域。脈沖寬度調(diào)制（pwm）是一種對(duì)模擬信號(hào)電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法。通過高分辨率計(jì)數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來對(duì)一個(gè)具體模擬信號(hào)的電平進(jìn)行編碼。pwm信號(hào)仍然是數(shù)字的，因?yàn)樵诮o定的任何時(shí)刻，滿幅值的直流供電要么完全有(on)，要么完全無(off)。電壓或電流源是以一種通(on)或斷(off)的重復(fù)脈沖序列被加到模擬負(fù)載上去的。通的時(shí)候即是直流供電被加到負(fù)載上的時(shí)候，斷的時(shí)候即是供電被斷開的時(shí)候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以

46、使用pwm進(jìn)行編碼。pwm的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是從處理器到被控系統(tǒng)信號(hào)都是數(shù)字形式的，無需進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。讓信號(hào)保持為數(shù)字形式可將噪聲影響降到最小。噪聲只有在強(qiáng)到足以將邏輯1改變?yōu)檫壿?或?qū)⑦壿?改變?yōu)檫壿?時(shí)，也才能對(duì)數(shù)字信號(hào)產(chǎn)生影響。 對(duì)噪聲抵抗能力的增強(qiáng)是pwm相對(duì)于模擬控制的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，而且這也是在某些時(shí)候?qū)wm用于通信的主要原因。從模擬信號(hào)轉(zhuǎn)向pwm可以極大地延長通信距離。在接收端，通過適當(dāng)?shù)膔c或lc網(wǎng)絡(luò)可以濾除調(diào)制高頻方波并將信號(hào)還原為模擬形式。 總之，pwm既經(jīng)濟(jì)、節(jié)約空間、抗噪性能強(qiáng)，是一種值得廣大工程師在許多設(shè)計(jì)應(yīng)用中使用的有效技術(shù)。 本設(shè)計(jì)利用脈寬調(diào)制電路將調(diào)節(jié)器輸出的4-20m

47、a的信號(hào)線性轉(zhuǎn)化0%-100%的占空比，使其控制固態(tài)繼電器的開關(guān)，進(jìn)而控制了電阻爐的通電和斷電時(shí)間。從而實(shí)現(xiàn)了電阻爐的溫度控制。（1）pwm電路的硬件原理圖本設(shè)計(jì)的pwm電路采用了at89c2051，adc0832，74ls164，led等，因此自己焊制了pwm電路板。pwm電路圖見附錄b。at89c2051是美國atmel公司生產(chǎn)的低電壓、高性能cmos 8位單片機(jī)，片內(nèi)含2k bytes的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲(chǔ)器（perom）和128bytes的隨機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ram），器件采用atmel公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)mcs-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和flas

48、h存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大at89c2051單片機(jī)可為您提供許多高性價(jià)比的應(yīng)用場(chǎng)合。以下為其引腳圖：圖4.4 at89c2051引腳圖主要性能：和mcs-51產(chǎn)品兼容；2kb可重編程flash存儲(chǔ)器（1000次）；2.7-6v電壓范圍；全靜態(tài)工作：0hz-24khz；2級(jí)程序存儲(chǔ)器保密鎖定；128*8位內(nèi)部ram；15條可編程i/o線；兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；6個(gè)中斷源；可編程串行通道；高精度電壓比較器（p1.0，p1.1，p3.6）；直接驅(qū)動(dòng)led的輸出端口；adc0832 是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的一種8 位分辨率、雙通道a/d轉(zhuǎn)換芯片。由于它體積小，兼容性，性價(jià)比高而深受單片機(jī)愛好者及企業(yè)歡

49、迎，其目前已經(jīng)有很高的普及率。圖4.5 adc0832的引腳圖adc0832 具有以下特點(diǎn)： 8位分辨率； 雙通道a/d轉(zhuǎn)換； 輸入輸出電平與ttl/cmos相兼容； 5v電源供電時(shí)輸入電壓在05v之間； 工作頻率為250khz，轉(zhuǎn)換時(shí)間為32s； 一般功耗僅為15mw； 8p、14pdip（雙列直插）、picc 多種封裝； 商用級(jí)芯片溫寬為0c to +70c，工業(yè)級(jí)芯片溫寬為40c to +85c；芯片接口說明： cs_ 片選使能，低電平芯片使能； ch0 模擬輸入通道0，或作為in+/-使用； ch1 模擬輸入通道1，或作為in+/-使用； gnd 芯片參考0 電位（地）； di 數(shù)據(jù)信

50、號(hào)輸入，選擇通道控制； do 數(shù)據(jù)信號(hào)輸出，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出； clk 芯片時(shí)鐘輸入； vcc/ref 電源輸入及參考電壓輸入（復(fù)用）；adc0832 為8位分辨率a/d轉(zhuǎn)換芯片，其最高分辨可達(dá)256級(jí)，可以適應(yīng)一般的模擬量轉(zhuǎn)換要求。其內(nèi)部電源輸入與參考電壓的復(fù)用，使得芯片的模擬電壓輸入在05v之間。芯片轉(zhuǎn)換時(shí)間僅為32s，據(jù)有雙數(shù)據(jù)輸出可作為數(shù)據(jù)校驗(yàn)，以減少數(shù)據(jù)誤差，轉(zhuǎn)換速度快且穩(wěn)定性能強(qiáng)。獨(dú)立的芯片使能輸入，使多器件掛接和處理器控制變的更加方便。通過di 數(shù)據(jù)輸入端，可以輕易的實(shí)現(xiàn)通道功能的選擇。74ls164 為 8 位移位寄存器,其主要電特性的典型值如下：當(dāng)清除端（clear）為低電平時(shí)，

51、輸出端（qaqh）均為低電平。 串行數(shù)據(jù)輸入端（a，b）可控制數(shù)據(jù)。當(dāng) a、b任意一個(gè)為 低電平，則禁止新數(shù)據(jù)輸入，在時(shí)鐘端（clock）脈沖上升沿作用下q0 為低電平。當(dāng)a、b 有一個(gè)為高電平，則另一個(gè)就允許輸入數(shù)據(jù)，并在clock 上升沿作用下決定q0 的狀態(tài)。 圖4.6 74ls164的引腳圖引腳功能：clock ：時(shí)鐘輸入端；clear： 同步清除輸入端（低電平有效）； a，b ：串行數(shù)據(jù)輸入端；qaqh： 輸出端；圖4.7 74ls164的真值表（2）pwm電路的軟件pwm電路的軟件主要分為三部分，第一是模數(shù)轉(zhuǎn)換程序，第二是將調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)化為占空比的程序，第三是led顯示占空比

52、的程序。本設(shè)計(jì)采用c51進(jìn)行編程（程序見附錄c）（3） pwm電路板由于實(shí)驗(yàn)室的數(shù)字調(diào)節(jié)器不帶有pwm模塊，所以需要自己焊制pwm電路板，電路板見圖4.8圖4.8 pwm電路板用信號(hào)發(fā)生器模擬調(diào)節(jié)器輸出的4-20ma電流，對(duì)pwm電路進(jìn)行了演示，具體見圖4.9，圖4.10，圖4.11 圖4.9 pwm演示圖1 圖4.10 pwm演示圖2 圖4.11 pwm演示圖3第五章 電阻爐溫度控制系統(tǒng)的參數(shù)整定及系統(tǒng)調(diào)試根據(jù)前面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，下一步應(yīng)進(jìn)行該系統(tǒng)的參數(shù)整定及系統(tǒng)調(diào)試。這時(shí)就應(yīng)該實(shí)際的考慮很多問題，包括在系統(tǒng)連接后運(yùn)行及調(diào)節(jié)參數(shù)上出現(xiàn)的問題。5.1 溫度控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)線路5.1.1 系統(tǒng)的連線框

53、圖系統(tǒng)的接線端子圖與系統(tǒng)的基本原理框圖是一致的。見附錄a5.1.2 系統(tǒng)的連接線路及自動(dòng)控制過程在實(shí)驗(yàn)室，對(duì)儀表進(jìn)行了解，然后按照系統(tǒng)接線端子圖連線。一定將各儀表對(duì)應(yīng)的端子連接正確，避免造成事故。連接好儀表后，檢查無誤后再接通電源。檢測(cè)一下調(diào)節(jié)器和執(zhí)行器是否能正常工作。接通電源，參考前邊給定的pid調(diào)節(jié)器的參數(shù)，調(diào)試，整定系統(tǒng)以達(dá)到最佳的控制效果，確定最后的調(diào)節(jié)器參數(shù)。熱電偶將檢測(cè)得到的毫伏信號(hào)送入調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器把輸入信號(hào)與給定值信號(hào)的差值進(jìn)行比例、積分、微分規(guī)律運(yùn)算后將控制信號(hào)送入pwm電路，pwm電路控制固態(tài)繼電器的通電和斷電時(shí)間，從而控制電阻爐的溫度，只有當(dāng)調(diào)節(jié)器的輸入信號(hào)與給定值相等時(shí)，即差值為零時(shí)，固態(tài)繼電器的通電時(shí)間不變，使電阻爐的溫度控制在給定值上，從而達(dá)到了恒溫控制的要求。5.2 pid調(diào)節(jié)器及其參數(shù)的整定在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用中，調(diào)節(jié)器是構(gòu)成自動(dòng)控制系統(tǒng)的核心儀表，它的基本功能是將來自變送器的測(cè)量信號(hào)與給定信號(hào)相比較，并對(duì)由此所產(chǎn)生的偏差信號(hào)進(jìn)行比例、積分或微分處理后，輸出調(diào)節(jié)信號(hào)控制執(zhí)行器的動(dòng)作以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同被測(cè)或被控參數(shù)如溫度、壓力、流量或液位等的自動(dòng)控制。5.2.1 p、i、d各運(yùn)算規(guī)律的作用基本運(yùn)算規(guī)律比例（p）、積分（i）和微分（d）三種，pid調(diào)節(jié)器的運(yùn)算規(guī)律就是由這些