电阻加热炉温度控制系统设计

电阻加热炉温度控制系统设计

摘 要

电加热炉随着科学技术的发展和工业生产水平的提高，已经在冶金、化工、机械等各类工业控制中得到了广泛应用，并且在国民经济中占有举足轻重的地位。对于这样一个具有非线性、大滞后、大惯性、时变性、升温单向性等特点的控制对象，很难用数学方法建立精确的数学模型，因此用传统的控制理论和方法很难达到好的控制效果。

电加热炉加热温度的改变是由上、下两组炉丝的供电功率来调节的，它们分别由两套晶闸管调功器供电。调功器的输出功率由改变过零触发器的给定电压来调节，本设计以AT89C51单片机为控制核心，输入通道使用AD590传感器检测温度，测量变送传给ADC0809进行A/D转换，输出通道驱动执行结构过零触发器，从而加热电炉丝。本系统PID算法，将温度控制在50～350℃范围内，并能够实时显示当前温度值。

关键词：电加热炉；功率；温度范围；PID

一、设计目的

计算机控制技术课程是集微机原理、计算机技术、控制理论、电子电路、自

动控制系统、工业控制过程等课程基础知识一体的应用性课程，具有很强的实践性。

通过这次课程设计进一步加深对计算机控制技术课程的理解，掌握计算机控制系统硬件和软件的设计思路，以及对相关课程理论知识的理解和融会贯通，提高运用已有的专业理论知识分析实际应用问题的能力和解决实际问题的技能，培养独立自主、综合分析与创新性应用的能力。

二、设计要求

在本控制对象电阻加热炉功率为800W，由220V交流电供电，采用双向可控硅进行控制。本设计针对一个温度区进行温度控制，要求控制温度范围50℃～350℃，保温阶段温度控制精度为±1C°。选择合适的传感器，计算机输出信号经转换后通过双向可控硅控制器控制加热电阻两端的电压，其对象的温控数学模型为：

G(s)

Kde

s

Tds1

其中：时间常数Td=350s 放大系数Kd=50 滞后时间=10s

控制算法选用改PID控制

三、系统方案总体设计

加热炉是典型的工业过程控制对象，在我国应用广泛。电加热炉的温度控制具有升温单向性，大惯性，大滞后，时变性等特点。其升温、保温是依靠电阻丝加热，降温则是依靠环境自然冷却。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的模型和确定参数，应用传统的控制理论和方法难以达到理想的控制效果。本设计采用PID算法进行温度控制，使整个闭环系统所期望的传递函数相当于一个延迟环节和一个惯性环节相串联来实现温度的较为精确的控制。

在用PID算法进行控制时，需要对参数进行整定，从达林算法表达式可知，参数的确定十分重要，其大小反映了表达式中差值与输出值的不同权重之分及制约关系。

系统组成总体结构

电加热炉温度控制系统原理图如图2.1，主要由温度检测电路、A/D转换电路、驱动执行电路、显示电路及按键电路等组成。

系统采用可控硅交流调压器，输出不同的电压控制电阻炉温度的大小，温度通过热电偶检测，再经过变送器变成0 - 5 V 的电压信号送入A/D 转换器使之变成数字量，此数字量通过接口送到微机，这是模拟量输入通道。

图2.1 电加热炉温度控制系统硬件结构框图

四、控制器设计

控制系统的建模和数字控制器设计

数字PID控制算法

在电子数字计算机直接数字控制系统中，PID控制器是通过计算机PID控制算法程序实现的。计算机直接数字控制系统大多数是采样-数据控制系统。进入计算机的连续-时间信号,必须经过采样和整量化后，变成数字量，方能进入计算机的存贮器和寄存器，而在数字计算机中的计算和处理，不论是积分还是微分，只能用数值计算去逼近。

图2.1位置PID控制算法简化示意图

在数字计算机中，PID控制规律的实现，也必须用数值逼近的方法。当采样周期相当短时，用求和代替积分，用差商代替微商，使PID算法离散化，将描述连续时间PID算法的微分方程，变为描述离散-时间PID算法的差分方程。

1

T 用矩形积分时，有

Td



t

e()d

TsTi

k

e(j)

j0

de(t)dt



TDTS

[e(k)e(k1)]

（1）

用差分代替微分

u(k)Kp[e(k)

TsTi

k



j0

(e(j)

TDTS

[e(k)e(k1))]u0

（2）

由上式得

k

u(k)Kpe(k)K1e(k)KD[e(k)e(k1)]u0

j0

(3)

式中 u0——控制量的基值，即k=0时的控制；u(k)——第k个采样时刻的控制；KP——比例放大系数；KI——积分放大系数；

KI

KPTSTI

KD

KPTDTS

KD——微分放大系数； TS——采样周期。

式（3）是数字PID算法的非递推形式，称全量算法。算法中，为了求和，必须将系统偏差的全部过去值e(j)（j=1，2，3，... ，k）都存储起来。这种算法得出控制量的全量输出u(k)，是控制量的绝对数值。在控制系统中，这种控制量确定了执行机构的位置，例如在阀门控制中，这种算法的输出对应了阀门的位置（开度）。所以，将这种算法称为“位置算法”。

当执行机构需要的不是控制量的绝对值，而是控制量的增量（例如去驱动步进电 动机）时，需要用PID的“增量算法”。

由位置算法求出

u(k1)Kp[e(k1)

TSTI

k1



j0

e(j)

TDTS

e(k1)e(k2)]u0

再求出

u(k)u(k)u(k1)

两式相减，得出控制量的增量算法

u(k)Kp[e(k)

TSTI

k



j1

e(j)

TDTS

[e(k)e(k1)]u0

(4)

式(4)称为增量式PID算法。

对增量式PID算法（4）归并后，得

u(k)q0e(k)q1e(k1)q2e(k2) (5)

q0KP[1

TSTI

TDTS]]

q1KP[12

TDTS

q2KP

TDTS

其中（5）已看不出是PID的表达式了，也看不出P、I、D作用的直接关系，只表示了各次误差量对控制作用的影响。从式（5）看出，数字增量式PID算法，只要贮存最近的三个误差采样值e(k)，e(k-1)，e(k-2)就足够了。

五、软硬件设计

硬件的设计和实现

5.1 AT89C51系列基本组成及特性

AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。

5.2电源部分

本系统所需电源有220V交流市电、直流5V电压和低压交流电，故需要变压器、整流装置和稳压芯片等组成电源电路。电源变压器是将交流电网220V的电压变为所需要的电压值，然后通过整流电路将交流电压变为脉动的直流电压。由于此脉动的直流电压还含有较大的纹波，必须通过滤波电路加以滤除，从而得到平滑的直流电压。但这样的电压还随电网电压波动（一般有+-10%左右的波动）、负载和温度的变化而变化。因而在整流、滤波电路之后，还需要接稳压电路。稳压电路的作用是当电网电压波动、负载和温度变化时，维持输出直流电压稳定。整流装置采用二极管桥式整流，稳压芯片采用7805，配合电容将电压稳定在5V，供控制电路、测量电路和动执行电路中弱电部分使用。除此之外，220V交流市电还是加热电阻两端的电压，通过控制双向可控硅的导通与截止来控制加热电阻的功率。低压交流电即变压器二次侧的电压，通过过零检测电路检测交流电的过零点，送入单片机后，控制每个采样周期内双向可控硅导通正弦波个数的方法来调节加温功率。

5.3温度检测电路

温度检测元件选用温度传感器AD590。AD590是美国ANALOG DEVICES公司的单片集成两端感温电流源。其主要特性如下：

流过器件的电流(μA)等于器件所处环境的热力学温度(开尔文)度数：

Ir/T=1

式中，Ir—流过器件(AD590) 的电流，单位为μA；T—热力学温度，单位为K；

(2) AD590的测温范围为+50℃~+350℃；

(3) AD590的电源电压范围为4～30 V，可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件即使反接也不会被损坏；

(4) 输出电阻为710 mΩ；

(5) 精度高，AD590在50℃~350℃范围内，非线性误差仅为±0.3℃。

5.4 A/D转换电路

ADC0809是一个典型的逐次逼近型8位A/D转换器。它由8路模拟开关、8位A/D转换器、三态输出锁存器及地址锁存译码器等组成。它允许8路模拟量分时输入，转换后的数字量输出是三态的（总线型输出），可以直接与单片机数据总线连接。ADC0809采用+5V电源供电，外接工作时钟。当典型工作时钟为500KHz时，转换时间约为128us。要处理好模拟信号与数字信号的双向转换，我们需要一个转换器实现信号的转换，采用ADC0809和DAC0832转换器。ADC0809是采样频率为8位的、以逐次逼近原理进行模—数转换的器件。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。DAC0832是8位分辨率的D/A转换集成芯片。

5.5 输出通道设计

输出通道采用过零触发器，由光耦驱动电路和双向可控硅电路组成。 （1）光耦驱动电路

在驱动电路中，由于是弱电控制强电，而弱电又很容易受到强电的干扰，影响系统的工作效率和实时性，甚至烧毁整个系统，导致不可挽回的后果，因此必须要加入抗干扰措施，将强弱电隔离。光耦合器是靠光传送信号，切断了各部件之间地线的联系，从根本上对强弱电进行隔离，从而可以有效地抑制掉干扰信号。此外，光耦合器提供了较好的带宽，较低的输入失调漂移和增益温度系数。因此，能够较好地满足信号传输速度的要求，且光耦合器非常容易得到触发脉冲，具有可靠、体积小、等特点。所以在本系统设计中采用了带过零检测的光电隔离器MOC3061，用来驱动双向可控硅并隔离控制回路和主回路。MOC3061是一片把过零检测和光耦双向可控硅集成在一起的芯片。其输出端的额定电压是400V，最大重复浪涌电流为1.2A，最大电压上升率dv/dt为1000v/us，输入输出隔离电压为7500V，输入控制电流为15mA。

在驱动执行电路中，当单片机的P2.0、P2.1、P2.2发出逻辑数字量为高电平时，经过三极管放大后驱动光耦合器的放光二极管，MOC3061的输入端导通，有大约15mA的电流输入。当MOC306的输出端6脚和4脚尖电压稍稍过零时，光耦内部双向可控硅即可导通，提供一个触发信号给外部晶闸管使其导通；当P2.0、P2.1、P2.2为低电平时，MOC3061截止，双向可控硅始终处于截止状态。 （2）双向可控硅电路

在本设计中，考虑到电网电压的稳定和现在市场上销售的双向可控硅型号，选择了工作电压为400V，通态电流为4A的双向可控硅BT136。利用单片机控制双向可控硅的导通角。在不同时刻利用单片机给双向可控硅的控制端发出触发信号，使其导通或关断，实现负载电压有效值的不同，以达到调压控制的目的。具体如下：

（a）由硬件完成过零触发环节，即在工频电压下，每10ms进行一次过零触发信号，由此信号来达到与单片机的同步。

（b）过零检测信号接至P1.5转换口，由单片机对此口进行循环检测，然后进行延时触发。

5.6 键盘的选取

本系统采用3*3键盘，由单片机I/O口控制，可通过按键设定温度和时间，有的按键在不同情况下可以实现不同功能。

软件设计

初始化程序，中端服务程序，系统主程序

初始化程序

MOV R0，#0A0H;数据存储区首地址 MOV R2，#08H；8路计数器 SETB IT1;边沿触发方式 SETB EA;终端允许

SETB EX1；允许外部中断1中断 MOV DPTR,#OFEF8H;D/A转换器地址 LOOP: MOVX @DPTR,A 启动A/D转换 HERE:SJMP HERE;等待中断 中端服务程序

DJNZ R2,ADEND

MOVX A,@DPTR;数据采样 MOVX @RO,A;存数

INC DPTR;指向下一模拟通道

INC RO;指向数据存储器下一单元 MOVX @DPTR, A ADEND:RETI

系统主程序

本系统的应用程序主要由主程序、中断服务程序和子程序组成。主程序的任务是对系统进行初始化，实现参数输入，并控制电加热炉的正常运行。主程序主要由系统初始化、数据采集及处理、智能推理等部分组成。系统初始化包括设置栈底、工作寄存器组、控制量的初始值、采样周期、中断方式和状态、定时器的工作方式以及8255的初始化、MAX1232的初始化等。数据采集及处理主要包括实时采集电加热炉的炉温信号，计算出实际炉温与理想值的差值以及温差的变化率，并对炉温信号进行滤波和限幅处理。

图4.1系统主程序

控制系统的软件主要包括：采样、标度变换、控制计算、控制输出、中断、

显示、报警、调节参数修改、温度设定及修改。其中控制算法采用数字PID调节，应用增量型控制算法，并对积分项和微分项进行改进，以达到更好的控制效果。

考虑到电加热炉是一个非线性、时变和分布参数系统，所以本文采用一种新型的智能控制算法。它充分吸取数学和自动控制理论成果，与定性知识相结合，做到取长补短，在实时控制中取得较好的成果。

模数转换模块

ADC0809是一个典型的逐次逼近型8位A/D转换器。它由8路模拟开关、8位A/D转换器、三态输出锁存器及地址锁存译码器等组成。它允许8路模拟量分时输入，转换后的数字量输出是三态的（总线型输出），可以直接与单片机数据总线连接。ADC0809采用+5V电源供电，外接工作时钟。当典型工作时钟为500KHz时，转换时间约为128us.

（1） 时钟信号：由于ADC0809无片选端，因此电路增加了或非门74LS02，

以便对ADC0809进行读/写控制。单片机采用6MHz/s的晶振，ALE输出66MHz/s时钟信号，经74LS74触发器2分频，得到500KHz的时钟信号，与ADC0809的时钟端CLK相连。

（2） 通道选择：三位通道选择端ADDA、ADDB、ADDC与数据线P1口的低三

位P1.0、P1.1、P1.2相连，用数据线进行通道选择，由P1.0、P1.1、P1.2三位决定选择那一通道。

（3） ADC0809启动：ADC0809的启动端START、地址所存端ALE均为高电平

有效。将START和ALE连在一起，与74LS02的输出端相连。或非门74LS02的两个输入端/WR和P3.5均为低电平时，其输出为高电平，执行外部I/O口的写操作。

（4） 转换数据的读取：当转换结束时，EOC端输出高电平。可用查询和中

断的方法进行数据读取处理。输出允许OE端为高电平，8位转换数据D0~D7输出到数据线上。只有 P3.5和/ RD同时为低电平时，OE端才为高电平。执行外部I/O口读操作/ RD为低电平。

（5） 转换结束标志EOC:转换结束标志EOC端经反向器与单片机的/INT1相

连，即转换一旦结束，外部中断1则申请中断。

图4.2 A/D转换结束中断服务程序流程图

D/A转换和控制

MOV BX.1000H

MOV AL,[BX] ；取换资料

MOV DX,PORTA ；POTRA为D/A转换器端口地址

OUT DX,AL

六、仿真及结果分析

采用simulink仿真，通过simulink模块实现积分分离PID控制算示。设采样时间Ts=10s，被控对象为：

G(s)10e10s

1350s

Simulink仿真图如图5-1所示。

图5-1 Simulink仿真图

选择合适的Kp，Ki，Kd是系统的仿真效果趋于理想状态。MATLAB编写程序如下：

clear all;

close all;

ts=4;

sys=tf([10],[350,1],'inputdelay',10);

dsys=c2d(sys,ts,'zoh');

[num,den]=tfdata(dsys,'v');

kp=13;

ki=0.4;

kd=0.2;

MATLAB仿真波形如图5-2所示。

图5-2 MATLAB仿真波形

七、设计总结

通过为期一周的课程设计，让我学习了很多，也了解了很多，真的可以说是受益匪浅。

此次课程设计中，查阅了很多资料并且对以前学习的专业知识系统并有针对性的复习设计出了自己满意作品，进而得到同学和老师的肯定，也只有这样才能起到此次课程设计的目的。

通过各方面的努力，最终设计出了自己较为满意的系统。虽然这一周过得很辛苦，但是自己付出的努力得到了回报，那种成就感是任何事物都无法代替的。还有在设计过程中，我们积累的经验，对我们以后的学习和工作会有莫大的帮助。

八、参考文献

[1] 《电子技术基础（模拟部分）》，康华光编著，高等教育出版社，2000

[2] 《计算机控制技术》，于海生编著，机械工业出版社，2003

[3] 《传感器与测设技术》，李晓莹编著，高等教育出版社，2002

[4] 《单片机实验与实践》，付家才编著，高等教育出版社，2004

[5] 《MCS-51单片机应用教程》，谭浩强编著，清华大学出版社，2001