原料油加熱爐溫度控制系統(tǒng)

遼寧工業(yè)大學計算機控制技術(shù)課程設計（論文）題目原料油加熱爐溫度控制系統(tǒng)院（系）： 電氣工程學院專業(yè)班級： 自動化091學號： 學生姓名： 指導教師： 起止日期：2012?12?19—12?28加熱爐隨著科學技術(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、機械等各類工業(yè)控制中得到了廣泛應用，并且在國民經(jīng)濟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、升溫單向性等特點的控制對象，很難用數(shù)學方法建立精確的數(shù)學模型，因此用傳統(tǒng)的控制理論和方法很難達到好的控制效果。單片機以其高可靠性、高性能價格比、控制方便簡單和靈活性大等優(yōu)點，在工業(yè)控制系統(tǒng)、智能化儀器儀表等諸多領(lǐng)域得到廣泛應用。采用單片機進行爐溫控制，可以提高控制質(zhì)量和自動化水平。加熱爐是生產(chǎn)中常用的設備之一。工藝要求被加熱物料的出口溫度保持在60±0.5°C。影響爐出口溫度的因素：被加熱物料的流量和初溫；燃燒壓力的波動、流量的變化、燃料熱值的變化；煙囪的抽力變化等。對原料流量及燃料影響起到抑制作用，且系統(tǒng)無余差本。設計要求采用單片機作為控制器，控制算法采用積分分離PID控制，由鍵盤進行溫度控制值的選擇，并顯示溫度。關(guān)鍵詞：加熱爐、PID目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"第1章緒論 1\o"CurrentDocument"第2章課程設計的方案 2\o"CurrentDocument"2.1系統(tǒng)組成總體結(jié)構(gòu) 22.2數(shù)字控制器設計 32.3電源 3\o"CurrentDocument"2.4采樣測量 4\o"CurrentDocument"2.5驅(qū)動執(zhí)行部分 5\o"CurrentDocument"第3章硬件設計 6\o"CurrentDocument"3.1單片機最小系統(tǒng)設計 6\o"CurrentDocument"3.2模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊 6\o"CurrentDocument"3.3LED顯示模塊 8\o"CurrentDocument"3.4鍵盤模塊 9\o"CurrentDocument"3.5通信模塊 9\o"CurrentDocument"3.6數(shù)模轉(zhuǎn)換 10\o"CurrentDocument"第4章軟件設計 11\o"CurrentDocument"4.1主程序流程圖 11\o"CurrentDocument"A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)劇采集 12\o"CurrentDocument"D/A轉(zhuǎn)換和控制 13\o"CurrentDocument"4.4系統(tǒng)的原理圖 13\o"CurrentDocument"4.5在Simulink上進行仿真并整定PID參數(shù) 14\o"CurrentDocument"第5章課程設計總結(jié) 15\o"CurrentDocument"參考文獻 16第1章緒論電加熱爐隨著科學技術(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、機械等各類工業(yè)控制中得到了廣泛應用，并且在國民經(jīng)濟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、升溫單向性等特點的控制對象，很難用數(shù)學方法建立精確的數(shù)學模型，因此用傳統(tǒng)的控制理論和方法很難達到好的控制效果。單片機以其高可靠性、高性能價格比、控制方便簡單和靈活性大等優(yōu)點，在工業(yè)控制系統(tǒng)、智能化儀器儀表等諸多領(lǐng)域得到廣泛應用。采用單片機進行爐溫控制，可以提高控制質(zhì)量和自動化水平。本課程設計要求以工業(yè)退火爐作為被控對象，采用8位單片機作為計算機控制核心，實現(xiàn)退火爐多點溫度信號的采集、運算及控制。退火爐數(shù)學模型為：G(s)=K°0W/1+*s，其中K°=1，T°=60，'°=60。要求給定溫度8°°°C,溫度誤差小于5%?？刂扑惴ㄟx用PID控制第2章課程設計的方案2.1系統(tǒng)組成總體結(jié)構(gòu)溫度控制系統(tǒng)是比較常見和典型的過程控制系統(tǒng)。溫度是工業(yè)生產(chǎn)過程中重要的被控參數(shù)之一，當今計算機控制技術(shù)在這方面的應用，已使溫度控制系統(tǒng)達到自動化、智能化，比過去單純采用電子線路進行PID調(diào)節(jié)的控制效果要好得多，可控性方面也有了很大的提高。溫度是一個非線性的對象，具有大慣性的特點，在低溫段慣性較大，在高溫段慣性較小。對于這種溫控對象，一般認為其具有以下的傳遞函數(shù)形式：G(s)=———e-0T+1圖2-1系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖采用以單片機為控制核心的控制系統(tǒng)，尤其對溫度控制，可達到模擬控制所達不到的效果，并且實現(xiàn)顯示和鍵盤設定功能，大大提高了系統(tǒng)的智能化。通過對機內(nèi)數(shù)字PID參數(shù)的設置對受控對象的精確控制。使得系統(tǒng)所測得結(jié)果的精度大大提高。2.2數(shù)字控制器設計增量式PID控制算法公式為：△也=%-uk.t=Kp[ek-%】+7。舛弓氣*丁f=自（1+-+W氣-KpO+奚）+Kp^ek_2J 71 日■ ?n >■■-1 J rv乙=Aek-Bek_,+Ce”其中：TT/="+一+勺T、T￡=自（1+導）JK耳由上式可以看出，如果計算機控制系統(tǒng)采用恒定的采樣周期T，一旦確定A、B、C，只要使用前后三次測量的偏差值，就可以由上式求出控制量。增量式PID控制算法與位置式PID算法相比，計算量小得多，因此在實際中得到廣泛的應用。2.3電源本系統(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）、負載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)壓電路的作用是當電網(wǎng)電壓波動、負載和溫度變化時，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78L05，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，送入單片機后，由控制程序決定雙向可控硅的導通角，以達到控制加熱電阻功率的目的。2.4采樣測量在檢測裝置中，溫度檢測用WZP-231伯熱電阻（Pt100），采用三線制接法，采樣電路為橋式測量電路，其輸入量程為50?350°C，經(jīng)測量電路采樣后輸出2?5V電壓，再經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADC0809進行轉(zhuǎn)換，變?yōu)閿?shù)字量后送入單片機進行分析處理。伯電阻溫度傳感器是利用其電阻和溫度成一定函數(shù)關(guān)系而制成的溫度傳感器，由于其測量準確度高、測量范圍大、復現(xiàn)性和穩(wěn)定性好等，被廣泛用于中溫（-200°C?650°C）范圍的溫度測量中。PT100是一種廣泛應用的測溫元件，在-50~600C范圍內(nèi)具有其他任何溫度傳感器無可比擬的優(yōu)勢，包括高精度、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強等。由于伯電阻的電阻值與溫度成非線性關(guān)系，所以需要進行非線性校正。校正分為模擬電路校正和微處理器數(shù)字化校正，模擬校正有很多現(xiàn)成的電路，其精度不高且易受溫漂等干擾因素影響，數(shù)字化校正則需要在微處理系統(tǒng)中使用，將Pt電阻的電阻值和溫度對應起來后存入EEPROM中，根據(jù)電路中實測的AD值以查表方式計算相應溫度值。常用的Pt電阻接法有三線制和兩線制，其中三線制接法的優(yōu)點是將PT100的兩側(cè)相等的的導線長度分別加在兩側(cè)的橋臂上，使得導線電阻得以消除。常用的采樣電路有兩種：一為橋式測溫電路，一為恒流源式測溫電路。在本系統(tǒng)設計中，采用了第一種方法，即橋式測溫。測溫原理：電路采用TL431和電位器VR1調(diào)節(jié)產(chǎn)生4.096V的參考電源；采用R1、R2、VR2、Pt100構(gòu)成測量電橋（其中R1=R2,VR2為100Q精密電阻），當Pt100的電阻值和VR2的電阻值不相等時，電橋輸出一個mV級的壓差信號，這個壓差信號經(jīng)過運放LM324放大后輸出期望大小的電壓信號，該信號可直接連AD轉(zhuǎn)換芯片。差動放大電路中R3=R4、R5=R6、放大倍數(shù)=R5/R3，運放采用單一5V供電。2.5驅(qū)動執(zhí)行部分硬件輸出通道主要包括加熱電阻的控制環(huán)節(jié)，而此控制環(huán)節(jié)的核心是雙向可控硅，但電路的關(guān)鍵是設計雙向可控硅的驅(qū)動電路。雙向可控硅的通斷直接決定加熱電阻的工作與不工作，本部分用帶過零觸發(fā)的光耦MOC3061來驅(qū)動。在驅(qū)動電路中，由于是弱電控制強電，而弱電又很容易受到強電的干擾，影響系統(tǒng)的工作效率和實時性，甚至燒毀整個系統(tǒng)，導致不可挽回的后果，因此必須要加入抗干擾措施，將強弱電隔離。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，從根本上對強弱電進行隔離，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。所以在本系統(tǒng)設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oMOC3061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。在圖2-2驅(qū)動執(zhí)行電路中，當單片機的P2.0、P2.1、P2.2發(fā)出邏輯數(shù)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的輸入端導通，有大約15mA的電流輸入。當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通，提供一個觸發(fā)信號給外部晶閘管使其導通；當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狀態(tài)。也球土尊第3章硬件設計3.1單片機最小系統(tǒng)設計89C51是一種帶4K字節(jié)Flash可編程可擦除的高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復擦除 100次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標準的 MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的89C51是一種高效微控制器。單片機的抗干擾性設計。單片機干擾最常見的現(xiàn)象就是程序出現(xiàn)不可逆狀態(tài)，設計系統(tǒng)時一般要添加一個看門狗監(jiān)控模塊，在系統(tǒng)出現(xiàn)不可逆狀態(tài)的干擾時，監(jiān)控模塊將重啟系統(tǒng)。MAX1232微處理器監(jiān)控電路給微處理器提供輔助功能以及電源供電監(jiān)控功能，當電源過電壓、欠電壓時，MAX1232將提供至少250ms寬度的復位脈沖，其中的容許極限能用數(shù)字式的方法來選擇5%或10%的容限。3.2模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊ADC0809是一個典型的逐次逼近型8位A/D轉(zhuǎn)換器。它由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），可以直接與單片機數(shù)據(jù)總線連接。ADC0809采用+5V電源供電，外接工作時鐘。當?shù)湫凸ぷ鲿r鐘為500KHz時，轉(zhuǎn)換時間約為128us.時鐘信號：由于ADC0809無片選端，因此電路增加了或非門74LS02，以便對ADC0809進行讀/寫控制。單片機采用6MHz/s的晶振，ALE輸出66MHz/s時鐘信號，經(jīng)74LS74觸發(fā)器2分頻，得到500KHz的時鐘信號，與ADC0809的時鐘端CLK相連。通道選擇：三位通道選擇端ADDA、ADDB、ADDC與數(shù)據(jù)線P1口的低三位P1.0、P1.1、P1.2相連，用數(shù)據(jù)線進行通道選擇，由P1.0、P1.1、P1.2三位決定選擇那一通道。ADC0809啟動：ADC0809的啟動端START、地址所存端ALE均為高電平有效。將START和ALE連在一起，與74LS02的輸出端相連?；蚍情T74LS02的兩個輸入端/WR和P3.5均為低電平時，其輸出為高電平，執(zhí)行外部I/O口的寫操作。轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的讀?。寒斵D(zhuǎn)換結(jié)束時，EOC端輸出高電平?？捎貌樵兒椭袛嗟姆椒ㄟM行數(shù)據(jù)讀取處理。輸出允許OE端為高電平，8位轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)D0~D7輸出到數(shù)據(jù)線上。只有P3.5和/RD同時為低電平時，OE端才為高電平。執(zhí)行外部I/O口讀操作/RD為低電平。轉(zhuǎn)換結(jié)束標志EOC:轉(zhuǎn)換結(jié)束標志EOC端經(jīng)反向器與單片機的/INT1相連，即轉(zhuǎn)換一旦結(jié)束，外部中斷1則申請中斷。3.3LED顯示模塊8段LED顯示屏是最常用的顯示器件，分為共陽極和共陰極兩種形式。共陽極LED將所有發(fā)光二極管的陽極接在一起作為公共端，當公共端接高電平，某一段的發(fā)光二極管陰極接低電平時，相應的字段就被點亮。共陰極LED將所有發(fā)光二極管的陰極接在一起作為公共端，當公共端接低電平，某一段的發(fā)光二極管陽極接高電平時，相應的字段就被點亮。LED數(shù)碼管的顯示方法：動態(tài)顯示：動態(tài)掃描，分時循環(huán)。靜態(tài)顯示：一次輸出，結(jié)果保持動態(tài)顯示，就是微型機定時地對顯示器件掃描，在這種方法中，顯示器件分時工作，每次只能一個器件顯示。但由于人視覺的暫留現(xiàn)象，所以，仍感覺所有的器件都在顯示。靜態(tài)顯示，是由微型機一次輸出顯示后，就能保持該顯示結(jié)果，直到下次送新的顯示模型為止。這種顯示占用機時少，顯示可靠。通過比較及對程序的分析，本設計當中兩組數(shù)碼管均采用了共陰極靜態(tài)顯示。圖3-2顯示子程序3.4鍵盤模塊在本次設計當中，輸入設備采用4*4矩陣鍵盤。當“設定”鍵按下時觸發(fā)鍵盤中斷服務程序，由程序程控掃描法確定那個鍵按下并執(zhí)行相應的動作。程控掃描的任務是：判斷是否有鍵按下。方法：使所有的行輸出均為低電平，然后從端口A讀入列值。如果沒有鍵按下，則讀人值為FFH.如果有鏈按下.則不為FFH。去除鍵抖動。方法：延時10-20ms，再一次判斷有無鍵按下，如果此時仍有鍵按下，則認為鍵盤上確實有鍵處于穩(wěn)定閉合期。若有鍵閉合，則求出閉合鍵的鍵值。方法：對鍵盤逐行掃描。程序中需等閉合鍵釋放后才對其進行處理。3.5通信模塊在此部分主要是實現(xiàn)下位機與上位機之間的通信，將實時數(shù)據(jù)傳送到上位機，進行同一協(xié)調(diào)和集中管理。RS232的電氣接口是單端的、雙極性電源電路。由于RS-232采用的數(shù)據(jù)傳輸線路是非平衡，且是誤無差分的接收方式，當信號穿過電氣干擾環(huán)境時，發(fā)送的信號將會受到影響。故數(shù)據(jù)傳輸速率局限于20KB/s；傳輸距離局限于15m，但RS-232也是目前最廣泛使用的串行通信接口標準。在本設計當中，考慮到系統(tǒng)調(diào)試的方便，采用了RS232串行總線。MAX232芯片是美信公司專門為電腦的RS-232標準串口設計的接口電路，使用+5v單電源供電。內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本可分三個部分：（1） 第一部分是電荷泵電路。由1、2、3、4、5、6腳和4只電容構(gòu)成。功能是產(chǎn)生+12v和-12v兩個電源，提供給RS-232串口電平的需要。（2） 第二部分是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換通道。由7、8、9、10、11、12、13、14腳構(gòu)成兩個數(shù)據(jù)通道。其中13腳（R1IN）、12腳（R1OUT）、11腳（T1IN）、14腳（T1OUT）為第一數(shù)據(jù)通道。8腳（R2IN）、9腳（R2OUT）、10腳（T2IN）、7腳（T2OUT）4彳E"為第二數(shù)據(jù)通道。TTL/CMOS數(shù)據(jù)從T1IN、T2IN輸入轉(zhuǎn)換成RS-232數(shù)據(jù)從T1OUT、T2OUT送到電腦DB9插頭；DB9插頭的RS-232數(shù)據(jù)從R1IN、R2IN輸入轉(zhuǎn)換成TTL/CMOS數(shù)據(jù)后從R1OUT、R2OUT輸出。（3）第三部分是供電。15腳GND、16腳VCC（+5v）3.6數(shù)模轉(zhuǎn)換DAC0832的邏輯框圖和引腳排列L'一QQLLMA寄棄群JQa=LE懿撩?存露L'一QQLLMA寄棄群JQa=LE懿撩?存露TD口1020-DAC圖DAC0832D0~D7:數(shù)字信號輸入端。ILE:輸入寄存器允許，高電平有效。CS：片選信號，低電平有效。WR1：寫信號1，低電平有效。XFER：傳送控制信號，低電平有效。WR2：寫信號2，低電平有效。IOUT1、IOUT2：DAC電流輸出端。Rfb:是集成在片內(nèi)的外接運放的反饋電阻。Vref：基準電壓（-10~10V）。Vcc：是源電壓（+5~+15V）。AGND：模擬地NGND：數(shù)字地，可與AGND接在一起使用。DAC0832輸出的是電流，一般要求輸出是電壓，所以還必須經(jīng)過一個外接的運算放大器轉(zhuǎn)換成電壓。第4章軟件設計4.1主程序流程圖本系統(tǒng)的應用程序主要由主程序、中斷服務程序和子程序組成。主程序的任務是對系統(tǒng)進行初始化，實現(xiàn)參數(shù)輸入，并控制電加熱爐的正常運行。主程序主要由系統(tǒng)初始化、數(shù)據(jù)采集及處理、智能推理等部分組成。系統(tǒng)初始化包括設置棧底、工作寄存器組、控制量的初始值、采樣周期、中斷方式和狀態(tài)、定時器的工作方式以及8255的初始化、MAX1232的初始化等。數(shù)據(jù)采集及處理主要包括實時采集電加熱爐的爐溫信號，計算出實際爐溫與理想值的差值以及溫差的變化率，并對爐溫信號進行濾波和限幅處理。主程序流程圖如圖所示。圖4-1系統(tǒng)主程序4#小號4.2A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)劇采集A/D轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)據(jù)應及時傳送給單片機進行處理。數(shù)據(jù)傳送的關(guān)鍵問題是如何確認A/D轉(zhuǎn)換的完成，因為只有確認完成后，才能進行傳送。為此可采用下述三種方式。（1） 定時傳送方式對于一種A/D轉(zhuǎn)換其來說，轉(zhuǎn)換時間作為一項技術(shù)指標是已知的和固定的。例如ADC0809轉(zhuǎn)換時間為128us,相當于6MHz的MCS-51單片機共64個機器周期。可據(jù)此設計一個延時子程序，A/D轉(zhuǎn)換啟動后即調(diào)用此子程序，延遲時間一到，轉(zhuǎn)換肯定已經(jīng)完成了，接著就可進行數(shù)據(jù)傳送。（2） 查詢方式A/D轉(zhuǎn)換芯片由表明轉(zhuǎn)換完成的狀態(tài)信號，例如ADC0809的EOC端。因此可以用查詢方式，測試EOC的狀態(tài)，即可卻只轉(zhuǎn)換是否完成，并接著進行數(shù)據(jù)傳送。（3） 中斷方式把表明轉(zhuǎn)換完成的狀態(tài)信號（EOC）作為中斷請求信號，以中斷方式進行數(shù)據(jù)傳送。不管使用上述那種方式，只要一旦確定轉(zhuǎn)換完成，即可通過指令進行數(shù)據(jù)傳送。首先送出口地址并以反信號有效時，OE信號即有效，把轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)送上數(shù)據(jù)總線，供單片機接受。初始化程序：MOVR0,#0A0H；數(shù)據(jù)存儲區(qū)首地址MOVR2,#08H；8路計數(shù)器SETBIT1；邊沿觸發(fā)方式SETBEA；中斷允許SETBEX1；允許外部中斷1中斷MOVDPTR,#0FEF8H；D/A轉(zhuǎn)換器地址LOOP:MOVX@DPTR,A；啟動A/D轉(zhuǎn)換HERE:SJMPHERE；等待中斷中斷服務程序：DJNZR2,ADENDMOVXA,@DPTR；數(shù)據(jù)采樣MOVX@R0,A；存數(shù)INCDPTR；指向下一模擬通道I