电阻炉温度控制系统

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1、课程设计计算机控制技术课程设计成绩评定表设计课题：电阻炉温度控制系统学院名称：电气工程学院专业班级：学生姓名：学号：指导教师：王黎设计地点：中原路校区2号楼402设计时间：2011.6.272011.7.03指导教师意见：成绩：签名：年 月日课程设计计算机控制技术 课程设计课程设计名称：电阻炉温度控制系统专业班级：学生姓名：学号：指导教师：设计地点：中原路校区2号楼421课程设计时间：20116272011.7.03i课程设计计算机控制技术 课程设计任务书学生姓名专业班级学号题 目电阻炉温度控制系统课题性质工程设计课题来源自拟课题指导教师王黎主要内容电阻加热炉用于合金钢产品热力特性实验，电加热

2、炉用电炉丝提 供功率，使其在预定的时间内将炉内温度稳定到给定的温度值。在本 控制对象电阻加热炉功率为8KV，有220V交流电源供电，采用双向可 控硅进行控制。任务要求第1天：熟悉课程设计任务及要求，针对课题查阅技术资料。第2天：确疋设计方案。要求对设计方案进行分析、比较、论证， 画出方框图，并简述工作原理。第3-4天：按照确定的方案设计单元电路。 要求画出单元电路图， 元件及元件参数选择要有依据，各单元电路的设计要有详细论述。第5天：撰写课程设计报告。要求内容完整、图表清晰、文理流 畅、格式规范、方案合理、设计正确等。主要参 考资料(1) 潘新民，王燕芳微型计算机控制技术高等教育出社，2001

3、(2) 马修水，李晓林传感器与检测技术电子工业出版社,2008(3) 牛昱光，李晓林.单片机原理与接口技术.电子工业出版社， 2008(4) 马春燕.微机原理与接口技术.电子工业出版社,2007审查意见系(教研室)主任签字：年月日1 引言 41.1课题背景 错误！未定义书签。1.2系统功能 错误！未定义书签。2 总体方案设计 42.1设计任务 错误！未定义书签。2.2工艺要求 错误！未定义书签。2.3要求实现的系统基本功能 错误！未定义书签。2.4对象分析 53 硬件电路设计 63.1 系统设备选型 63.1.1 计算机机型 63.1.2 设计支持计算机工作的外围电路 63.1.3 设计输入输

4、出通道 73.1.4 元器件的选择 83.2 数字控制器的设计 83.2.1 控制算法 83.2.2计算过程 94 软件设计 错误！未定义书签。4.1系统程序流程图 错误！未定义书签。5 总结 错误！未定义书签。参考文献 错误！未定义书签。附录系统原理图 163课程设计1、引言1.1课题背景电阻炉在冶金工业中的运用相当广泛，其温度参数在生产过程中的自动控制 系统也随着微机单片机可控硅技术在工业控制领域的推广、应用,正朝着高精度、高稳定性、高智能化的方向发展。电阻加热炉是典型的工业过程控制对象。 其温 度控制具有升温单向性、大惯性、大滞后、时变性等特点，且其升温、保温是依 靠电阻丝加热，降温则是

5、依靠环境自然冷却。温度是工业对象中主要的被控参数之一。 尤其是在冶金、化工、机械各类工 业中，广泛使用各种加热炉、热处理炉、反应炉等。由于炉子的种类不同，所采 用的加热方法及燃料也不相同，如煤气、天然气等。但就控制系统本身的动态特 性而言，均属于一阶纯滞后环节，在控制算法上基本相同，可采用PID控制或其 他纯滞后补偿算法。但对于电阻加热炉来说，当其温度一旦超调就无法用控制手 段使其降温，因而很难用数学方法建立精确模型和确定参数。而传统PID控制是 一种建立在经典控制理论基础上的控制策略，其设计依赖于被控对象的数学模 型，因此对于加热炉这类控制对象采用传统 PID的控制方案很难达到理想的控制 效

6、果。为了保证生产过程正常安全地进行， 提高产品的质量和数量，以及减轻工人 的劳动强度，节约能源，对加热用的各种电炉要求在一定条件下保持恒温，不能随电源电压波动或炉内物体而变化，或者有的电炉的炉温根据工艺要求按照某个 指定的升温或保温规律而变化，等等。因此，在工农业生产或科学实验中常常对 温度不仅要不断地测量，而且要进行控制。在电阻炉温度控制系统的设计中， 应 尽量考虑到如何有效地避免各种干扰因素而采用一个较好的控制方案，选择合适芯片及控制算法是非常有必要的本设计要用单片机设计一个电阻炉温度控制系 统。1.2系统功能计算机定时对炉温进行测量和控制一次，炉内温度是由铂电阻温度计来进行 测量，其信号

7、经放大送到模数转换芯片， 换算成相应的数字量后，再送入计算机 中进行判别和运算，得到应有的电功率数，经过数模转换芯片转换成模拟量信号， 供给可控硅功率调节器进行调节，使其达到炉温变化曲线的要求。2、总体方案设计#课程设计2.1、设计任务用一台计算机及相应的部件组成电阻炉炉温的自动控制系统，并使系统达到 工艺要求的性能指标。2.2、工艺要求按照规定的曲线进行升温和降温，温度控制范围为 50350C,升温和降温 阶段的温度控制精度为土 5C,保温阶段温度控制精度为土 2C。2.3、要求实现的系统基本功能微机自动调节：正常工况下，系统投入自动。模拟手动操作：当系统发生异常，投入手动控制。微机监控功能

8、：显示当前被控量的设定值、实际值，控制量的输出值，参数 报警时有灯光报警。2.4、对象分析在此设计中，要求电阻炉炉内的温度，按照上图所示工艺要求的规律变化， 首先从室温开始到50r为自由升温阶段，当温度到达 50r，就进入系统调节， 当温度上升到达350E时进入保温段，要求始终在系统控制下，保证所需的炉内 温度的精度。加工完毕，要进行降温控制。保温段的时间为6001800s。过渡过程时间：即从开始控制到进入保温阶段的时间要小于600s。在保温段当温度高于352r或低于348r时要报警，在升温和降温阶段也要进行控制，使炉内温 度按照曲线的斜率升或降。采用MC 51单片机作为控制器，ADC0809

9、模数转换芯片为模拟量输入， DAC0832数模转换芯片为模拟量输出，铂电阻为温度检测元件，运算放大器和可 控硅作为功率放大，电阻炉为被控对象，组成电阻炉炉温控制系统，另外，系统还配有数字显示，以便显示和记录生产过程中的温度和输出值。3、硬件电路设计3.1系统设备选型3.1.1、计算机机型：MC51 8031 （不包含 ROM EPRO）系统总线：PC总线3.1.2、设计支持计算机工作的外围电路：键盘和LED显示器的连接图：图2-1为4 X 4键盘与显示器链接电路图为4X4矩阵组成的16键盘LED静态显示接口与微机接口电路。所谓静态 显示,即CPU输出显示值后,由硬件保存输出值,保持显示结果3.

10、1.3、设计输入输出通道输入通道：因为所控的实际温度在50350 0,即（350-50）= 300所以 选用8位A/D转换器，其分辨率约为1.5 C /字，再加放大器偏置措施实现。（通 过调整放大器的零点来实现偏置）这里采用一般中速芯片ADC0809 ADC0809是带有8位A/D转换器，8路多路开关以及微型计算机兼容的控制逻辑的 CMO组 件，其转换方法为逐次逼近型。8路的模拟开关由地址锁存器和译码器控制，可 以在8个通道中任意访问一个通道的模拟信号。这种器件无需进行零位和满量程调整。由于多路开关的地址输入部分能够进行锁存和译码，而且其三态TTL输出 也可以锁存，所以它易于与微型计算机接口。

11、其具有较高的转换速度和精度，受 温度影响较小，能较长时间保证精度，重现性好，功耗较低，故用于过程控制是比较理想的器件图2-4ADC0809应用接线图输出通道：据其实际情况，D/A转换器的位数可低于A/D转换器的位数，因 为一般控制系统对输出通道分辨率的要求比输入通道的低， 所以这里采用常用的 DAC0832芯片DAC0832是 8位D/A转换器，与微处理器完全兼容。期间采用先进的 CMO工艺, 因此功耗低，输出漏电流误差较小。它的内部具有两级输入数据缓冲器和一个 R-2RT型电阻网络，因DAC083血流输出型D/A转换芯片，为了取得电压输出， 需在电流输出端接运算放大器，Rf为为运算放大器的反

12、馈电阻端。7课程设计图2-5DAC0832双极性电压输出电路双极性电压输出的D/A转换电路通常采用偏移二进制码、补码二进制码和符 号一数值编码。只要在单极性电压输出的基础上再加一级电压放大器， 并配以相 关电阻网络就可以构成双极性电压输出。在上图中，运算放大器 A2的作用是把 运算放大器A1的单向输出电压转变为双向输出。3.1.4、元器件的选择传感器的选择：铂铑10铂热电偶，S型，正极性，量程o 1300C，使用 温度小于等于600r，允差土 1.5 C。执行元件的选择：电阻加热炉采用晶闸管（SCR来做规律控制，结合电阻 炉的具体要求，为了减少炉温的纹波，对输出通道采用较高的分辨率的方案， 因

13、 此采用移相触发方式，并且由模拟触发器实现移相触发。变送器的选择：因为系统要求有偏置，又需要对热电偶进行冷端补偿， 所以 采用常规的DDZ系列温度变送器。控制元件：采用双向可控硅进行控制，其功能相当于两个单向可控硅反向连 接，具有双向导通功能，其通断状态有控制极G决定。在控制极加上脉冲可使其 正向或反向导通。3.2、数字控制器的设计3.2.1、控制算法：电阻加热炉温度控制系统框图：L- CTSG(S)T(S)J呂整个闭环系统可用一个带纯滞后的一阶惯性环节来近似，所以其控制算法采 用达林算法。电阻加热炉温度控制系统模型为函数相当于一个带有纯滞后的一阶惯性环节，即:G(s) =ts+1a=irr其

14、广义的传递函数为：2. 8巳G 3 178s+l达林算法的设计目标是设计一个合适的数字控制器，使整个闭环系统的传递#课程设计#课程设计40 s2.8e178s 140= 2.8(1 -zU1s(178s 1)4= 2.8(1 -z )z40T1 _178s 178s 1141=2-z )z rp1_1 -e178z4通常认为对象与一个零阶保持器相串联，相对应的整个闭环系统的脉冲传递函2.8e0sG(s)：数是：178s+1322、计算过程:连同零阶保持器在内的系统广义被控对象的传递函数1 eG(z)二 Z- es#课程设计#课程设计0.154z41 0.945z#系统闭环传递函数V1_e_NT

15、ses-1Te )T1 -zJ-N 二“z (1 -数字控制器:D(z) =G(z)G(z)U(z)_N z (11T-e -zd-(1-e )T-e-)zG 10e )10-5 “z (1 -10D(z)二6.448(1 -0.945z)1 -zD(z)罟1.297-1.297 0.945z1Z)11 -0.945z 一一上 0.154z*1 -e z -(1 -e )z 6.448(1 -0.945z )1 -0.007z4 -0.933z小 /、6.448(10.945z)D (z) -1234(1 z )1 +0.933Z +0.933Z+0.933Z +0.933Z 消除振铃现象后的

16、数字控制器：将上式离散化：U (Z) U (Z) z 1=1.279E( Z) 1.226E( Z) Z 1 U( K) U( K 1)=1.279E( K) 1.226E( K-1)最终得：U ( K) =U( K 1) +1.279E (K) 1.226E (K 1)4、软件设计4.1、系统程序流程图11b、A/D转换子程序流程图13c、LED显示流程图#课程设计e、数字控制算法子程序流程图15课程设计#课程设计1卩输入滤波后采样值及 给定值1卩采样偏差E(K)1计算 KI*E(K)数字控制计算程序计算 KI*E(K)计算 KP*E(K-1)计算 KD*U(K-1)计算 KI*E(K)-K

17、P*E(K-1)传递数据为下一次采样做准备子程序返回5、总结经过一周的设计，我对这门课程有了更深的了解。在设计过程中，首先要熟 悉系统的工艺，进行对象的分析，要熟悉各元件的参数，按照要求确定方案。然 后要进行硬件和软件的设计和调试。 由于没有实际的样机，所以不能看到系统的 运行结果。只能在理论上对系统的结果进行预测分析。通过设计实验，使我了解 了人机交互接口技术、微型机控制系统输入/输出接口的扩展方法，模拟量输入/ 输出通道的设计，常用控制程序的设计方法，数据处理技术，以及数字控制器算 法。此次设计使我对微型计算机控制技术有了全面的深刻的了解，对我以后深入学习这门技术有很大的帮助。17课程设计

18、参考文献(1) 潘新民，王燕芳微型计算机控制技术J.高等教育出版社，2001(2) 马修水，李晓林传感器与检测技术J.电子工业出版社,2008(3) 牛昱光，李晓林.单片机原理与接口技术J.电子工业出版社，2008(4) 马春燕，微机原理与接口技术J.电子工业出版社,2007(5) 于海生.计算机控制技术J.机械工业出版社,2007(6) 王兆安、黄俊.电力电子技术J.机械工业出版社，2007(7) 夏得砛、翁贻方.自动控制理论J.机械工业出版社.2007(8) 何立民.单片机初级教程M 北京：北京航天航空大学出版社，2004(9) 赵建领.51单片机开发与应用技术M.北京：电子工业出版社,2009(10) 高金源.计算机控制技术M 北京：北京航空航天大学出版社，2001课程设计附录系统总原理图19