烤箱連續(xù)溫度控制系統(tǒng)

1、錄烤箱連續(xù)溫度控制系統(tǒng) 11 設計概述 21.1 任務分析 21.2 整體方案 32.1 系統(tǒng)硬件設計 32.1.1 8155 接口電路 42.1.2 A/D 轉(zhuǎn)換電路 52.1.3 溫度檢測 52.1.4 電阻爐 62.1.5 電力電子裝置 62.2 系統(tǒng)軟件設計 82.2.1 主程序 82.2.2 T0 中斷服務程序 83 控制過程說明 93.1 環(huán)節(jié)分析 93.2 調(diào)節(jié)規(guī)律 93.3 干擾分析 103.4 PID控制MATLA昉真及參數(shù)整定 11參考文獻 13烤箱連續(xù)溫度控制系統(tǒng)摘要自動控制系統(tǒng)在各個領域尤其是工業(yè)領域中有著及其廣泛的應用，溫度控制是控制系統(tǒng)中最為常見的控制類型之一。隨著

2、電力電子和單片機技術的飛速發(fā)展，通過芯片對被控對象進行控制日益成為今后自動控制領域的一個重要發(fā)展方向。隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，人們需要對各種加熱爐、熱處理爐、反應爐和鍋爐中溫度進行監(jiān)測和控制。采用單片機來對他們控制不僅具有控制方便，簡單和靈活性大等優(yōu)點，而且可以大幅度提高被控溫度的技術指標，從而能夠大大的提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。傳統(tǒng)的溫度采集方法不僅費時費力，而且精度差，單片機的出現(xiàn)使得溫度的采集和數(shù)據(jù)處理問題能夠得到很好的解決。溫度是工業(yè)對象中的一個重要的被控參數(shù)。然而所采用 的測溫元件和測量方法也不相同；產(chǎn)品的工藝不同，控制溫度的精度也不相同。因此對數(shù) 據(jù)采集的精度和采用的控制方法也不相同。傳統(tǒng)

3、的控制方式以不能滿足高精度，高速度的 控制要求。近幾年來快速發(fā)展了多種先進的溫度控制方式，如：PID控制，模糊控制，神經(jīng)網(wǎng)絡及遺傳算法控制等。這些控制技術大大的提高了控制精度，不但使控制變得簡便，而且使 產(chǎn)品的質(zhì)量更好，降低了產(chǎn)品的成本，提高了生產(chǎn)效率。本系統(tǒng)所使用的加熱器件是電爐 絲，功率為三千瓦，要求溫度在 4001000Co靜態(tài)控制精度可以達到 2.43 C。本設計主要有四部分組成：（1）單片機控制器設計；（2）電力電子控制裝置；（3）溫 度檢測變送部分1設計概述1.1 任務分析電烤箱是一種應用廣泛的食品加工設備.電烤箱本身是個熱容系統(tǒng)，具有大純滯后和 大慣性；由于家用烤箱的外殼很薄，封

4、閉性不好，與環(huán)境溫差越大散熱越快，具有非線性； 同時對象的參數(shù)還受箱內(nèi)食品種類和數(shù)量的影響。電阻爐是利用電流通過電熱體元件將電能轉(zhuǎn)化為熱能來加熱或者熔化工件和物料的 熱加工設備。電阻爐由爐體、電氣控制系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)組成。爐體由爐殼、加熱器、爐襯（包括隔 熱屏）等部件組成。電氣控制系統(tǒng)包括電子線路、微機控制、儀表顯示及電氣部件等。輔 助系統(tǒng)通常指傳動系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等，雖爐種的不同而已。系統(tǒng)結構采用如下圖1系統(tǒng)結構框圖如圖1所示，該系統(tǒng)為單閉環(huán)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)由控制器，執(zhí)行器，被控對象，檢測變 送裝置構成。其中溫度控制器及比較環(huán)節(jié)可以由單片機構成；電爐溫度主要是由其電流來 決定，因此可以利

5、用電力電子裝置組成電流可控的執(zhí)行裝置；檢測變送器則可以用熱電偶 及相關信號處理電路來構成。對于該系統(tǒng)而言，冷工件進入電爐加熱時對電爐溫度造成的 影響是系統(tǒng)的主要干擾因素。1.2 整體方案由單片機完成溫度測量、控制，顯示等功能。用溫度傳感器測量溫度值，其選用 AD590,經(jīng)過運算放大器組成的信號調(diào)理電路變成05V電壓信號，由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，送入單片機。單片機的數(shù)字信號經(jīng)過 D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬量，由運算放大器 電路變成05V電壓信號，控制固態(tài)繼電器的導通角，進而控制被控對象的輸出功率。由單片機完成溫度測量、控制，顯示等功能。用溫度傳感器測量溫度值，其選用標準 鋁電阻pt100,經(jīng)過

6、運算放大器組成的信號調(diào)理電路變成 05V電壓信號，由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn) 換為數(shù)字信號，送入單片機。單片機的數(shù)字信號經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬量，由運算放大器電路變成05V電壓信號，控制固態(tài)繼電器的導通角，進而控制被控對象的輸出功率。 2設計實現(xiàn)2系統(tǒng)硬件設計電烤箱溫度控制系統(tǒng)是以MS-51單片機為控制核心，輔以采樣反饋電路，驅(qū)動電路，品閘管主電路對電爐爐溫進行控制的微機控制系統(tǒng)。具系統(tǒng)結構框圖可表示為：系統(tǒng)采用單閉環(huán)形式，其基本控制原理為：將溫度設定值（即輸入控制量）和溫度反饋值同時送入控制電 路部分，然后經(jīng)過調(diào)節(jié)器運算得到輸出控制量，輸出控制量控制驅(qū)動電路得到控制電壓施 加到被控對象上，電爐因此

7、達到一定的溫度。采樣電路圖2控制電路的設計2.1 8155接口電路8155芯片內(nèi)具有256個字節(jié)的RAM兩個8位、一個16位的可編程I/O 口和一個14 位計數(shù)器。它與51型單片機接口簡單，是單片機應用系統(tǒng)中廣泛使用的芯片。5 a 3 1 7/£43鼻1口 TrlsM'wl-口S3盟盟肉胃冷舐鼠吃RESETTMRJN < TMJSOUT -MEWR皿JlE 7 ADO JlI55A I '" AUS /江心 ABI JlTsO圖4帶有I/O接口和計時器的靜態(tài)RAM81558155用作鍵盤/LED顯示器接口電路，當IO/M為高電平時，8155選通片內(nèi)的I

8、/O端 口。A,B,C三個口可以作為擴展的I/O 口使用，MC& 51單片機的PO口與8155的AD3AD7 相連。此時P0輸出的低8位地址只有3位有效，用于片內(nèi)選址，其他位無用。使用 A,B,C三個口時，首先向命令寄存器寫入一個控制字以確定三個口的工作方式。如果寫入的控制字規(guī)定他們工作于方式I或方式II下，則這三個口都是獨立的基本I/O 口?？梢灾苯永肕OVX A,DPTR 或MOVX DPTR,A 指令完成這三個口的讀/寫（輸入/輸出）操作。工 作在方式田或方式IV時，C 口用作控制口或部分用于控制。MCS 51單片機可以和8155直接連接，不需要任何外加電路，給系統(tǒng)增加了 25

9、6個 字節(jié)的RAM、22位I/O線及一個計數(shù)器。當 P2.0=0且P2.1=0時，選中8155的RAM工 作；在P2.0=1和P20=0時，8155選中片內(nèi)三個I/O端口。相應地址分配為：0000H-00FFH8155 內(nèi)部 RAM0100H命令/狀態(tài)口0101H A 口0102HB口0103HC口0104H定時器低八位口0105H定時器高八位口2.2 A/D轉(zhuǎn)換電路IH DIN-1 1N-3IM-3IN-4 lET-JSItT-rtIU-7"九+圖5 A/D轉(zhuǎn)換電路圖l-2-s4r-fi7 n2-&2-'ri2-nWLEELIAELE STARTADC0809的IN

10、0和變送器輸出端相連，故IN0上輸入的0V-+5V范圍的模擬電壓經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后可由8051通過程序從P0 口輸入到它的內(nèi)部RAM單元。首先輸入地址選擇信 號，在ALE信號作用下，地址信號被鎖存，產(chǎn)生譯碼信號，選中一路模擬量輸入。然后輸 入啟動轉(zhuǎn)換控制信號START啟動轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換結束，數(shù)據(jù)送三態(tài)緩沖鎖存器，同時發(fā)出EOC 信號。在允許輸入信號OE的控制下，再將轉(zhuǎn)換結果輸入到外部數(shù)據(jù)總線。2.3 溫度檢測圖6溫度檢測電路溫度的檢測通常用兩種方法：熱電阻和熱電偶。熱電阻一般用于溫度低一些的地方， 而熱電偶則用于溫度比較高的地方。這里是要檢測電爐的溫度，因此選擇使用熱電偶。對 于01000c的溫度，可

11、以使用鍥銘熱電偶，分度號為 EU,其輸出信號為041.32 mA,經(jīng) 毫伏變送器，輸出010mA,然后再經(jīng)過電流電壓變換電路轉(zhuǎn)換為 05V。為了提高控制精 度，可將變送器進行零點遷移，例如溫度測量范圍改為4001000c熱電偶給出16.441.32 mA時，使變送器輸出010mV,這樣使用8位A/D轉(zhuǎn)換器，能使量化誤差達到i2.34C 0 為了消除誤差，還必須考慮進行冷端溫度補償。具體電路如圖 5所示。2.4 電阻爐電阻爐即為該系統(tǒng)的被控對象。其工作原理是將電能轉(zhuǎn)化為電阻爐的熱能。根據(jù)焦耳 2 定律可知：Q I Rt其中I為流過電熱絲的電流，R為電熱絲電阻，t為工作時間。很明顯改變電流就可以調(diào)

12、節(jié)電阻爐的發(fā)熱功率，而且電阻爐屬于純電阻負載，要改變 其電流，只需要改變它的工作電壓就行了。另外，電阻爐通常會給系統(tǒng)帶來很大的純滯后時間，致使系統(tǒng)開環(huán)相頻特性相角滯后 過大，造成閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性下降。為了解決這一問題，通?？梢圆捎貌蓸涌刂频姆绞?。讓 控制系以一定的時間間隔T采樣一次被控參數(shù)，與設定值進行比較后，經(jīng)控制運算輸出控 制信號，然后保持該控制信號不變，保持時間T必須大于純滯后時間 A。2.5 電力電子裝置電力電子裝置作為該系統(tǒng)的執(zhí)行器，由電阻爐工作原理的分析可知，它的任務是改變 供給電阻爐的電壓。這里使用的是交流調(diào)功電路的方式。利用過零型雙向晶閘管的觸發(fā)特性，只有當其兩端電壓過零時控制端

13、上施加觸發(fā)信 號，它才導通；一旦導通，只有再次過零時才被關斷，針對這一特點，本系統(tǒng)采取了控制在M個電網(wǎng)周期內(nèi)晶閘管導通的周期數(shù) m （0<m<M）的方法來控制輸出平均電壓。為簡單起見，可以使控制運算說的控制量 u和實際導通周期m直接對應。同步檢測電路檢出電網(wǎng)電壓信號的過零點， 形成過零同步信號，并接到CPU的中斷請 求輸入端，以提供觸發(fā)參考點和控制周期 M的計數(shù)信號。需要注意的是，同步檢測電路和 電阻爐加熱回路的出源必須是同相的，以保證觸發(fā)信號的同步。圖8過零型雙向晶閘管的觸發(fā)特性驅(qū)動電路設計為保證驅(qū)動電路可靠工作，具驅(qū)動電路應滿足如下要求：1）動態(tài)驅(qū)動能力強，能提供驅(qū)動脈沖，使加

14、熱電路迅速導通。2）能提供適當?shù)恼蚱珘汉妥銐虻姆聪蚱珘?，使加熱電路可靠的開通和關斷。3）有足夠的輸入輸出電氣隔離能力，使信號電路與柵極驅(qū)動電路隔離，且具有靈敏的 短路、過流保護功能。所設計的驅(qū)動電路如圖9所示Q1 , Q2組成功率放大電路，OUT1、OUT3來自控制電路。該驅(qū)動電路能安全接受 輸入信號，在接到正確的控制信號后對加熱電路進行驅(qū)動，加熱電路開始工作，對外部進 行加熱，最大功率可達到2000W 0從而實現(xiàn)電烤箱的加熱過程。3系統(tǒng)軟件設計3.1 主程序圖10主程序流程圖應當注意：由于T0被設定為計數(shù)器方式2,初值為06H,故它的溢出中斷時間為250 個過零同步脈沖。為了系統(tǒng)正常工作，

15、T1中斷服務程序的執(zhí)行時間必須滿足 T0的制一時 間要求，因為T1的中斷是嵌套在T0中斷之中的。3.2 T0中斷服務程序T0中斷服務程序是溫度控制系統(tǒng)的主程序，用于啟動 A/D轉(zhuǎn)換器，讀如數(shù)據(jù)采樣， 數(shù)字濾波，越權溫度報警和處理，PID計算和輸出可控硅的同步觸發(fā)脈沖等。P1.3引腳上輸出的該同步脈沖寬度由T1計數(shù)器的溢出中斷控制，8051利用等待T1溢出中斷空隙時間 完成把本次采樣數(shù)值轉(zhuǎn)換成顯示值而放入顯示緩沖區(qū)和調(diào)用溫度顯示程序，8051從T1中斷服務程序返回后便可以恢復現(xiàn)場和返回主程序，以等待下次 T0中斷。4 控制過程說明4.1 環(huán)節(jié)分析以熱電偶為主要組成的溫度檢測變送環(huán)節(jié)，主要是用來檢

16、測電阻爐的爐溫，并以電信號的形式反饋給系統(tǒng)，使系統(tǒng)構成閉環(huán)。根據(jù)熱電偶的工作原理，電阻爐爐溫越高，其導體兩端的電壓差就越大，最后反饋給系統(tǒng)的電壓信號也越大。因此溫度檢測變送器屬于正作用。從電阻爐工作原理的分析可知，提供給電阻爐的平均工作電壓越高，其平均電流就越大，根據(jù)焦耳定律，它的發(fā)熱功率就越大。因此被控對象電阻爐也屬于正作用。作為執(zhí)行器的電力電子裝置是一種交流調(diào)功電路，它的輸出主要是由觸發(fā)信號來控制的。 而觸發(fā)信號是由控制器的輸出信號經(jīng)過處理放大后形成的，即輸入越大，輸出也越大。所以執(zhí)行器也是正作用。本系統(tǒng)的控制器是用單片機構成的數(shù)字調(diào)節(jié)器，比較環(huán)節(jié)也有單片機來完成。調(diào)節(jié)器的輸出決定于被控參

17、數(shù)的測量值與設定值之差，被控參數(shù)的測量值與設定值變化，對輸出的作用方向是相反的。為了使本系統(tǒng)構成閉環(huán)負反饋，應該選擇為反作用，即隨著測量值的增加，調(diào)節(jié)器的輸出要隨之減??；反之當測量值減小時，調(diào)節(jié)器的輸出要增大。4.2 調(diào)節(jié)規(guī)律這里使用的是經(jīng)典控制中最常用的PID 調(diào)節(jié)方式。另外由于采用數(shù)字控制器，因此必須使用離散的PID 控制算法。PID 控制器是指按偏差的比例（ P） 、 積分 （ I） 和微分 （ D） 進行控制的PID 控制器 （亦稱 PID 調(diào)節(jié)器）是應用最為廣泛的一種自動控制器。它具有原理簡單，易于實現(xiàn)，適用面廣，控制參數(shù)相互獨立，參數(shù)的選定比較簡單等優(yōu)點；而且在理論上可以證明，對于

18、過程控制的典型對象 上階滯后+純滯后”與 上階滯后+純滯后”的控制對象，PID控制器是一種最優(yōu)控制。PID 調(diào)節(jié)規(guī)律是連續(xù)系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì)校正的一種有效方法，它的參數(shù)整定方式簡便，結構改變靈活（PI、 PD） 。數(shù)字 PID 控制器的原理是將PID 參量離散化。在工業(yè)上，偏差控制又稱為PID 控制，這是工業(yè)控制中常用的控制形式，一般能收到令人滿意的效果PID控制上目前包含三種比較簡單的 PID控制算法，分別是：增量式算法，位置式算 法，微分先行。 這三種PID算法雖然簡單，但各有特點，基本上能滿足一般控制的大多 數(shù)要求。本設計中草用的是增量式 PID算法?？刂普摳嬖V我們，PID控制的理想方程是：1

19、de、U Kp(E edt Td )(1.1 )p 工dt式中e-測量值與給定值之間的偏差；TA微分時間：T -積分時間；KP-調(diào)節(jié)器的放大系數(shù).將上式離散化得到數(shù)字PID位置式算法，在位置式算法的基礎之上得到數(shù)字 PID增量式 算法：UnKp (en en 1) K1ei K0(ei 2ei 1 ei 2)(1.2)Kp en K© K0(，*1)比例系數(shù)加大，使系統(tǒng)的動作靈敏，速度加快，穩(wěn)態(tài)誤差減小。Kp偏大，振蕩次數(shù)加多，調(diào)節(jié)時間加長。Kp太大時，系統(tǒng)會趨于不穩(wěn)定。Kp太小，又會使系統(tǒng)的動作緩慢。Kp可以選負數(shù)，這主要是由執(zhí)行機構、傳感器以控制對象的特性決定的。如果 Kp的符號

20、 選擇不當對象狀態(tài)就會離控制目標的狀態(tài)越來越遠，如果出現(xiàn)這樣的情況Kp的符號就一定要取反。積分作用使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，Ti小(積分作用強)會使系統(tǒng)不穩(wěn)定，但能消除穩(wěn)態(tài) 誤差，提高系統(tǒng)的控制精度。微分作用可以改善動態(tài)特性，Td偏大時，超調(diào)量較大，調(diào)節(jié)時間較短。 Td偏小時， 超調(diào)量也較大，調(diào)節(jié)時間也較長。只有 Td合適，才能使超調(diào)量較小，減短調(diào)節(jié)時間。4.3 干擾分析在實際的工業(yè)生產(chǎn)過程之中都要求系統(tǒng)能夠穩(wěn)定的工作。但是由于各種原因，往往會 出現(xiàn)一些不可預料的干擾因素破壞系統(tǒng)原先設計好的運行狀態(tài)，這就要求系統(tǒng)本身要有一 定得抗干擾能力，能夠在收到干擾的情況下自動恢復原來的工作狀態(tài)。如圖1所示，冷

21、工件進入電爐加熱時對電爐溫度造成的影響是系統(tǒng)的主要干擾因素。工件加熱的過程本身也并非是一個溫度線性上升的過程。當工件剛進入爐中時，會導致檢 測到的溫度陡然降低很多。此時溫度檢測變送裝置將溫度信號反饋回去，與給定值進行比 較，會發(fā)現(xiàn)偏差的陡然增大，于是控制器輸出也增大。電力電子裝置輸出增大，電阻爐的 加熱功率也就隨之增大，使得爐內(nèi)溫度能夠盡快回到穩(wěn)定值。另外，若是由于電網(wǎng)波動原 因，令電阻爐在每一時段內(nèi)輸出偏高，而造成爐溫過高，經(jīng)檢測變送裝置也會回饋到控制 器上，控制器輸出會隨之減小，從而使輸出減小，電阻爐發(fā)熱功率也減小，最終使爐內(nèi)恢 復正常。本系統(tǒng)屬于單閉環(huán)控制系統(tǒng)。同開環(huán)控制系統(tǒng)相比，閉環(huán)控

22、制具有一系列優(yōu)點。在反饋控制系統(tǒng)中，不管出于什么原因（外部擾動或系統(tǒng)內(nèi)部變化），只要被控制量偏離規(guī)定值，就會產(chǎn)生相應的控制作用去消除偏差。因此，它本身就具有抑制干擾的能力，對元件 特性變化不敏感，并能改善系統(tǒng)的響應特性。因此閉環(huán)控制系統(tǒng)也是工業(yè)上應用得最多的 一種控制結構。當然對于一些特殊的場合簡單的 PID控制規(guī)律和單閉環(huán)結構可能也滿足不了要求，這就要求使用更為復雜的控制規(guī)律和系統(tǒng)結構。4.4 pid控制 matlab仿真及參數(shù)整定因為是使用matlab對參數(shù)進行確定，所以可以選擇穩(wěn)定邊界法（臨界比例度法），選擇的模擬控制模型如圖中所示，即用一個一階環(huán)節(jié)和一個純比例滯后來模擬。純滯后時間為4 （若選擇大于一階環(huán)節(jié)時間常數(shù)的純滯后時間常數(shù)則必須采用審級、前饋控制）。根據(jù)純比例控制系統(tǒng)臨界振蕩試驗所得數(shù)據(jù)（臨界比例度Pm和振蕩周期Tm）,按經(jīng)驗首先，置調(diào)節(jié)器Ti , Td=0,比例度P 較大值，將系統(tǒng)投入運行；再逐漸減小P , 加干擾觀察，直到出現(xiàn)等幅減振蕩為止。記錄此時的臨界值Pm=1.31和Tm=12。按照穩(wěn)定邊界法整定參數(shù)計算表，得pid控制器的各參數(shù)p=1.36 ti=6 td=1.5圖12系統(tǒng)臨界振蕩時輸出波形圖13參數(shù)整定后pid控制輸出波形總結體會本設計使用無ROM的8051作為主