8kW電加熱爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(計算機(jī)控制-蔡林志)

1、遼 寧 工 業(yè) 大 學(xué) 計算機(jī)控制技術(shù) 課程設(shè)計（論文）題目： 8kW電加熱爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計 院（系）： 電氣工程學(xué)院 專業(yè)班級： 自動化091 學(xué) 號： 學(xué)生姓名： 蔡林志 指導(dǎo)教師： （簽字）起止時間： 2012.12.19-2012.12.28 課程設(shè)計（論文）任務(wù)及評語院（系）：電氣工程學(xué)院 教研室：自動化學(xué) 號學(xué)生姓名蔡林志專業(yè)班級自動化091課程設(shè)計（論文）題目8kW電加熱爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計（論文）任務(wù)實(shí)現(xiàn)功能電加熱爐用電爐絲提供功率，使其在預(yù)定時間內(nèi)將爐內(nèi)溫度穩(wěn)定在給定值上。本控制對象電阻加熱爐功率為8kW，由220V交流電源供電。本設(shè)計以單片機(jī)為控制核心，加上相應(yīng)的輸

2、入輸出通道，采用達(dá)林算法，將溫度控制在規(guī)定范圍內(nèi)，并要求實(shí)時顯示當(dāng)前溫度值，用三位LED顯示。被控對象為，仿真研究時用近似。設(shè)計任務(wù)及要求1、確定系統(tǒng)設(shè)計方案，包括單片機(jī)的選擇，輸入輸出通道，鍵盤顯示電路；2、建立被控對象的數(shù)學(xué)模型；3、推導(dǎo)控制算法，設(shè)計算法的程序流程圖或程序清單；4、仿真研究，驗(yàn)證設(shè)計結(jié)果；5、撰寫、打印設(shè)計說明書一份；設(shè)計說明書應(yīng)在4000字以上。技術(shù)參數(shù)溫度控制范圍：50350控制精度小于±5%進(jìn)度計劃1、布置任務(wù)，查閱資料，確定系統(tǒng)方案（1天）2、被控對象建模（1天）3、算法推導(dǎo)，程序設(shè)計（3天）4、仿真研究（2天）5、撰寫、打印設(shè)計說明書（2天）6、 答辯

3、（1天）指導(dǎo)教師評語及成績 平時： 論文質(zhì)量： 答辯： 總成績： 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日注：成績：平時20% 論文質(zhì)量60% 答辯20% 以百分制計算摘 要電加熱爐隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)水平的提高，已經(jīng)在冶金、化工、機(jī)械等各類工業(yè)控制中得到了廣泛應(yīng)用，并且在國民經(jīng)濟(jì)中占有舉足輕重的地位。對于這樣一個具有非線性、大滯后、大慣性、時變性、升溫單向性等特點(diǎn)的控制對象，很難用數(shù)學(xué)方法建立精確的數(shù)學(xué)模型，因此用傳統(tǒng)的控制理論和方法很難達(dá)到好的控制效果。電加熱爐加熱溫度的改變是由上、下兩組爐絲的供電功率來調(diào)節(jié)的，它們分別由兩套晶閘管調(diào)功器供電。調(diào)功器的輸出功率由改變過零觸發(fā)器的給定電壓來調(diào)節(jié)，本

4、設(shè)計以AT89C51單片機(jī)為控制核心，輸入通道使用AD590傳感器檢測溫度，測量變送傳給ADC0809進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，輸出通道驅(qū)動執(zhí)行結(jié)構(gòu)過零觸發(fā)器，從而加熱電爐絲。本系統(tǒng)采用達(dá)林控制算法，將溫度控制在50350范圍內(nèi)，并能夠?qū)崟r顯示當(dāng)前溫度值。關(guān)鍵詞：溫度；AT89C51；達(dá)林控制算法；AEDK-labACT 目 錄第1章 緒論1第2章 課程設(shè)計的方案22.1 概述22.2 系統(tǒng)組成總體結(jié)構(gòu)2第3章 硬件設(shè)計33.1 器件選擇33.2 控制器33.3 電源部分33.4 輸入通道設(shè)計4 3.4.1 溫度檢測電路4 3.4.2 A/D轉(zhuǎn)換電路43.5 輸出通道設(shè)計43.6 顯示電路及按鍵電路53

5、.7 電加熱爐溫度控制系統(tǒng)原理圖5第4章 軟件設(shè)計74.1 系統(tǒng)的軟件設(shè)計74.2 達(dá)林控制算法設(shè)計84.3 溫度與電壓關(guān)系104.4達(dá)林控制算法程序10第5章 系統(tǒng)測試與分析/實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析13第6章 課程設(shè)計總結(jié)15參考文獻(xiàn)16第1章 緒論隨著微電子技術(shù)和微型計算機(jī)的迅猛發(fā)展，微機(jī)測量和控制技術(shù)以其邏輯簡單、控制靈活、使用方便及性能價格比高的優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用。它不僅在航空、航天、鐵路交通、冶金、電力、電訊、石油化工等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，而且在日常生活中諸如電梯、微波爐、電冰箱、電視機(jī)等高科技產(chǎn)品中也有廣闊的使用前景，為工業(yè)生產(chǎn)的自動化、智能控制奠定了堅實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。加熱爐作為一種應(yīng)用廣

6、泛的熱工設(shè)備之一。盡管它使用的加熱方法不同， 或工藝要求不同，溫度有高低、精度也有差異，但作為被控參數(shù)之一的溫度總是可用不同的測溫元件和方法來獲得，并通過微型計算機(jī)加以處理和控制，并按一定溫度曲線工作，以滿足生產(chǎn)需要。電加熱爐以其無污染、操作方便、自動化程度高、可調(diào)范圍大、節(jié)省基建投資等諸多優(yōu)點(diǎn)逐漸受到人們的歡迎。但這其中對溫度的控制上不是很理想，溫差大、溫度控制精度不準(zhǔn)確 。針對這一情況。本論文將介紹一種應(yīng)用單片機(jī)對電熱加熱爐進(jìn)行智能控制的溫度系統(tǒng)。一般的電加熱爐溫度控制系統(tǒng)（如溫度控制表控制接觸器）的主要缺點(diǎn)是溫度波動范圍大。傳統(tǒng)的以普通雙向晶閘管(SCR) 控制的高溫電加熱爐采用過零觸發(fā)

7、器控制，達(dá)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(shí)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”。本論文的研究意義是怎么用AT89C51單片機(jī)作為控制器去實(shí)現(xiàn)溫度控制，達(dá)到需要的工業(yè)要求，實(shí)現(xiàn)起溫度控制的作用，達(dá)到工作穩(wěn)定、性能可靠。利用AD590溫度傳感器，測量標(biāo)準(zhǔn)，克服了常規(guī)方法補(bǔ)償誤差大的缺點(diǎn)，該系統(tǒng)具有鍵盤輸入、LED顯示等功能，使溫度控制為誤差達(dá)到±5%，溫度變化為50至350。常見的電加熱爐控制算法有達(dá)林算法、PID數(shù)字控制及最少拍設(shè)計，本文采用達(dá)林控制算法設(shè)計，將一階慣性加純滯后環(huán)節(jié)等效成兩個一階慣性環(huán)節(jié)。第2章 課程設(shè)

8、計的方案2.1概述電加熱爐加熱溫度的改變是由上、下兩組爐絲的供電功率來調(diào)節(jié)的，它們分別由兩套晶閘管調(diào)功器供電。調(diào)功器的輸出功率由改變過零觸發(fā)器的給定電壓來調(diào)節(jié)，本設(shè)計以AT89C51單片機(jī)為控制核心，輸入通道為AD590檢測溫度，測量變送傳給ADC0809進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，輸出通道驅(qū)動過零觸發(fā)器，從而加熱電爐絲。本系統(tǒng)采用達(dá)林控制算法，將溫度控制在50350范圍內(nèi)，并能夠?qū)崟r顯示當(dāng)前溫度值。2.2系統(tǒng)組成總體結(jié)構(gòu)電加熱爐溫度控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2.1。AT89C51鍵盤溫度檢測AD590測量變送A/D轉(zhuǎn)換ADC0809加熱電爐絲驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)顯示圖2.1 電加熱爐溫度控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖第3

9、章 硬件設(shè)計3.1器件選擇本系統(tǒng)選用AT89C51作為控制器，溫度檢測部分選用AD590作為傳感器，ADC0809作為A/D轉(zhuǎn)換器，過零觸發(fā)器采用光耦驅(qū)動電路及雙向可控硅電路。3.2控制器 控制器選擇AT89C51單片機(jī)。3.3電源部分 本系統(tǒng)所需電源有220V交流市電、直流5V電壓和低壓交流電，故需要變壓器、整流裝置和穩(wěn)壓芯片等組成電源電路。電源變壓器是將交流電網(wǎng)220V的電壓變?yōu)樗枰碾妷褐担缓笸ㄟ^整流電路將交流電壓變?yōu)槊}動的直流電壓。由于此脈動的直流電壓還含有較大的紋波，必須通過濾波電路加以濾除，從而得到平滑的直流電壓。但這樣的電壓還隨電網(wǎng)電壓波動（一般有+-10%左右的波動）、負(fù)載

10、和溫度的變化而變化。因而在整流、濾波電路之后，還需要接穩(wěn)壓電路。穩(wěn)壓電路的作用是當(dāng)電網(wǎng)電壓波動、負(fù)載和溫度變化時，維持輸出直流電壓穩(wěn)定。整流裝置采用二極管橋式整流，穩(wěn)壓芯片采用7805，配合電容將電壓穩(wěn)定在5V，供控制電路、測量電路和驅(qū)動執(zhí)行電路中弱電部分使用。除此之外，220V交流市電還是加熱電阻兩端的電壓，通過控制雙向可控硅的導(dǎo)通與截止來控制加熱電阻的功率。低壓交流電即變壓器二次側(cè)的電壓，通過過零檢測電路檢測交流電的過零點(diǎn)，送入單片機(jī)后，控制每個采樣周期內(nèi)雙向可控硅導(dǎo)通正弦波個數(shù)的方法來調(diào)節(jié)加溫功率。3.4 輸入通道設(shè)計3.4.1 溫度檢測電路溫度檢測元件選用溫度傳感器AD590。AD59

11、0是美國ANALOG DEVICES公司的單片集成兩端感溫電流源。其主要特性如下：流過器件的電流(A)等于器件所處環(huán)境的熱力學(xué)溫度(開爾文)度數(shù)：Ir/T=1式中，Ir流過器件(AD590) 的電流，單位為A；T熱力學(xué)溫度，單位為K； (2) AD590的測溫范圍為- 55+150；(3) AD590的電源電壓范圍為430 V，可以承受44V正向電壓和20V反向電壓，因而器件即使反接也不會被損壞；(4) 輸出電阻為710 m；(5) 精度高，AD590在- 55+150范圍內(nèi)，非線性誤差僅為±0.3。3.4.2 A/D轉(zhuǎn)換電路ADC0809是一個典型的逐次逼近型8位A/D轉(zhuǎn)換器。它由

12、8路模擬開關(guān)、8位A/D轉(zhuǎn)換器、三態(tài)輸出鎖存器及地址鎖存譯碼器等組成。它允許8路模擬量分時輸入，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量輸出是三態(tài)的（總線型輸出），可以直接與單片機(jī)數(shù)據(jù)總線連接。ADC0809采用+5V電源供電，外接工作時鐘。當(dāng)?shù)湫凸ぷ鲿r鐘為500KHz時，轉(zhuǎn)換時間約為128us。3.5輸出通道設(shè)計輸出通道采用過零觸發(fā)器，由光耦驅(qū)動電路和雙向可控硅電路組成。（1）光耦驅(qū)動電路在驅(qū)動電路中，由于是弱電控制強(qiáng)電，而弱電又很容易受到強(qiáng)電的干擾，影響系統(tǒng)的工作效率和實(shí)時性，甚至燒毀整個系統(tǒng)，導(dǎo)致不可挽回的后果，因此必須要加入抗干擾措施，將強(qiáng)弱電隔離。光耦合器是靠光傳送信號，切斷了各部件之間地線的聯(lián)系，從根本上對

13、強(qiáng)弱電進(jìn)行隔離，從而可以有效地抑制掉干擾信號。此外，光耦合器提供了較好的帶寬，較低的輸入失調(diào)漂移和增益溫度系數(shù)。因此，能夠較好地滿足信號傳輸速度的要求，且光耦合器非常容易得到觸發(fā)脈沖，具有可靠、體積小、等特點(diǎn)。所以在本系統(tǒng)設(shè)計中采用了帶過零檢測的光電隔離器MOC3061，用來驅(qū)動雙向可控硅并隔離控制回路和主回路。MOC3061是一片把過零檢測和光耦雙向可控硅集成在一起的芯片。其輸出端的額定電壓是400V，最大重復(fù)浪涌電流為1.2A，最大電壓上升率dv/dt為1000v/us，輸入輸出隔離電壓為7500V，輸入控制電流為15mA。在驅(qū)動執(zhí)行電路中，當(dāng)單片機(jī)的P2.0、P2.1、P2.2發(fā)出邏輯數(shù)

14、字量為高電平時，經(jīng)過三極管放大后驅(qū)動光耦合器的放光二極管，MOC3061的輸入端導(dǎo)通，有大約15mA的電流輸入。當(dāng)MOC306的輸出端6腳和4腳尖電壓稍稍過零時，光耦內(nèi)部雙向可控硅即可導(dǎo)通，提供一個觸發(fā)信號給外部晶閘管使其導(dǎo)通；當(dāng)P2.0、P2.1、P2.2為低電平時，MOC3061截止，雙向可控硅始終處于截止?fàn)顟B(tài)。（2）雙向可控硅電路在本設(shè)計中，考慮到電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定和現(xiàn)在市場上銷售的雙向可控硅型號，選擇了工作電壓為400V，通態(tài)電流為4A的雙向可控硅BT136。利用單片機(jī)控制雙向可控硅的導(dǎo)通角。在不同時刻利用單片機(jī)給雙向可控硅的控制端發(fā)出觸發(fā)信號，使其導(dǎo)通或關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)負(fù)載電壓有效值的不同，以

15、達(dá)到調(diào)壓控制的目的。具體如下：（a）由硬件完成過零觸發(fā)環(huán)節(jié)，即在工頻電壓下，每10ms進(jìn)行一次過零觸發(fā)信號，由此信號來達(dá)到與單片機(jī)的同步。（b）過零檢測信號接至P1.7轉(zhuǎn)換口，由單片機(jī)對此口進(jìn)行循環(huán)檢測，然后進(jìn)行延時觸發(fā)。3.6顯示電路及按鍵電路顯示電路采用3位LED顯示，同時加入按鍵電路可改變電壓值。3.7電加熱爐溫度控制系統(tǒng)原理圖電加熱爐溫度控制系統(tǒng)主要由溫度檢測電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、D/A轉(zhuǎn)換電路、驅(qū)動執(zhí)行電路、電源電路、顯示電路及按鍵電路等組成。本系統(tǒng)采用控制每個采樣周期內(nèi)雙向可控硅導(dǎo)通正弦波個數(shù)的方法來調(diào)節(jié)加溫功率，每次采樣時對交流過零個數(shù)進(jìn)行計數(shù)，當(dāng)過零個數(shù)與控制調(diào)節(jié)器輸出值相等時

16、，即停止P1.7輸出。電加熱爐溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖第4章 軟件設(shè)計4.1系統(tǒng)的軟件設(shè)計本系統(tǒng)的主程序流程圖如圖4.1所示。開始系統(tǒng)的初始化溫度數(shù)據(jù)采集及處理NO停止加熱是否低于預(yù)設(shè)值？YES結(jié)束控制輸出求出輸出控制量達(dá)林控制算法圖4.1 電加熱爐溫度控制系統(tǒng)主程序流程圖控制系統(tǒng)的軟件主要包括：采樣、標(biāo)度變換、控制計算、控制輸出、顯示、調(diào)節(jié)參數(shù)修改、溫度設(shè)定及修改。其中控制算法采用達(dá)林控制算法。考慮到電加熱爐是一個非線性、時變和分布參數(shù)系統(tǒng)，所以本文采用一種新型的智能控制算法。它充分吸取數(shù)學(xué)和自動控制理論成果，與定性知識相結(jié)合，做到取長補(bǔ)短，在實(shí)時控制中取得較好的成果。4.2達(dá)林控制算法設(shè)計在一

17、些實(shí)際工程中，經(jīng)常遇到純滯后調(diào)節(jié)系統(tǒng)，它們的滯后時間比較長。對于這樣的系統(tǒng)，往往允許系統(tǒng)存在適當(dāng)?shù)某{(diào)量，以盡可能地縮短調(diào)節(jié)時間。人們更感興趣的是要求系統(tǒng)沒有超調(diào)量或只有很小超調(diào)量，而調(diào)節(jié)時間則允許在較多的采樣周期內(nèi)結(jié)束。也就是說，超調(diào)是主要設(shè)計指標(biāo)。對于這樣的系統(tǒng)，用一般的隨動系統(tǒng)設(shè)計方法是不行的，用PID算法效果也欠佳。 針對這一要求，IBM公司的達(dá)林(Dahlin)在1968年提出了一種針對工業(yè)生產(chǎn)過程中含有純滯后對象的控制算法。其目標(biāo)就是使整個閉環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù) 相當(dāng)于一個帶有純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)。該算法具有良好的控制效果。 大林算法中D(z)的基本形式 設(shè)被控對象為帶有純滯后的一階慣

18、性環(huán)節(jié)或二階慣性環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)分別為： （2-1） （2-2） 其中為被控對象的時間常數(shù)，為被控對象的純延遲時間，為了簡化，設(shè)其為采樣周期的整數(shù)倍，即N為正整數(shù)。 由于大林算法的設(shè)計目標(biāo)是使整個閉環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)相當(dāng)于一個帶有純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)，即 ，其中 由于一般控制對象均與一個零階保持器相串聯(lián)，所以相應(yīng)的整個閉環(huán)系統(tǒng)的脈沖傳遞函數(shù)是 （2-3）于是數(shù)字控制器的脈沖傳遞函數(shù)為 （2-4） D(z)可由計算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)。由上式可知，它與被控對象有關(guān)。下面分別對一階或二階純滯后環(huán)節(jié)進(jìn)行討論。 一階慣性環(huán)節(jié)的大林算法的D(z)基本形式 當(dāng)被控對象是帶有純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)時，由式（2-1）的傳遞

19、函數(shù)可知，其脈沖傳遞函數(shù)為 ：將此式代入（2-4），可得 （2-5） 式中：T采樣周期： 被控對象的時間常數(shù)； 閉環(huán)系統(tǒng)的時間常數(shù)。 二階慣性環(huán)節(jié)大林算法的D(z)基本形式 當(dāng)被控對象為帶有純滯后的二階慣性環(huán)節(jié)時，由式（2-1）的傳遞函數(shù)可知，其脈沖傳遞函數(shù)為 其中， 將式G(z)代入式（2-3）即可求出數(shù)字控制器的模型： （2-6） 由此，我們可以設(shè)計出控制器的傳遞函數(shù)，利用MATLAB工具在SIMULINK里畫出整個控制系統(tǒng)，給定一個階躍信號就可得到整個控制系統(tǒng)的響應(yīng)曲線。4.3溫度與電壓關(guān)系A(chǔ)D590的輸出電流I=(273+T)A(T為攝氏溫度),因此量測的電壓V為(273+T)A &#

20、215;10K= (2.73+T/100)V。為了將電壓量測出來又需使輸出電流I不分流出來,我們使用電壓追隨器其輸出電壓V2等于輸入電壓V。 由于一般電源供應(yīng)較多零件之后,電源是帶噪聲的,因此我們使用齊納二極管作為穩(wěn)壓零件,再利用可變電阻分壓,其輸出電壓V1需調(diào)整至2.73V。 接下來我們使用差動放大器其輸出Vo為 (100K/20K)×(V2-V1)=T/20V。如果現(xiàn)在為攝氏100度,輸出電壓為5V。4.4達(dá)林控制算法4.4達(dá)林控制算法程序達(dá)林控制算法程序?yàn)?，ZUIXIAOPAI: MOV R5，#01H MOV R4，#3CH DIV R5，#64H DIV R4，#64H A

21、DD R5，R4 ；送0.316 MOV R6，#74H DIV R6，#64H ；送0.116 MUL R5，#Z DEC R5，R6MOV R7，R5 MOV R5，#01H MOV R4，#0A2H DIV R5，#64H DIV R4，#64H ADD R5，R4 ；送0.418 MOV R6，#01H；送1 MUL R6，#ZDEC R6，R5DIV R7，R6第5章 系統(tǒng)測試與分析/實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析對設(shè)定傳遞函數(shù)進(jìn)行達(dá)林系統(tǒng)仿真，使用AEDK-labACT實(shí)驗(yàn)箱，仿真接線圖如圖5.1。圖5.1 達(dá)林系統(tǒng)仿真接線圖經(jīng)計算，得到K=2仿真得到曲線如圖5.2。圖5.2 仿真曲線圖輸入給定電壓為2.58V，其誤差為（2.695-2.58）/5.58=0.045，故系統(tǒng)誤差為4.5%，滿足系統(tǒng)設(shè)計要求。此時溫度T=51.6。第6章 課程設(shè)計總結(jié)通過這次課程設(shè)計，在王立紅老師的認(rèn)真指導(dǎo)下，我學(xué)習(xí)了很多，受益匪淺。此次課程設(shè)計中，我做的課題是8kW電加熱爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計。在本控制對象電阻加熱爐功率為8kW，由220V交流電供電，采用雙向可控硅進(jìn)行控制。本設(shè)計針對一個溫度區(qū)進(jìn)行溫度控制，要求控制溫度范圍5