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目录TOC\o1-3\h\z\u烤箱连续温度控制系统11设计概述
11.1任务分析
11.2整体方案
22.1系统硬件设计
3345562.2系统软件设计7883控制过程说明
93.1环节分析
93.2调节规律
93.3干扰分析
113.4pid控制__tlab仿真及参数整定11____14烤箱连续温度控制系统摘要自动控制系统在各个领域尤其是工业领域中有着及其广泛的应用,温度控制是控制系统中最为常见的控制类型之一随着电力电子和单片机技术的飞速发展,通过芯片对被控对象进行控制日益成为今后自动控制领域的一个重要发展方向随着国民经济的发展,人们需要对各种加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中温度进行监测和控制采用单片机来对他们控制不仅具有控制方便,简单和灵活性大等优点,而且可以大幅度提高被控温度的技术指标,从而能够大大的提高产品的质量和数量传统的温度采集方法不仅费时费力,而且精度差,单片机的出现使得温度的采集和数据处理问题能够得到很好的解决温度是工业对象中的一个重要的被控参数然而所采用的测温元件和测量方法也不相同;产品的工艺不同,控制温度的精度也不相同因此对数据采集的精度和采用的控制方法也不相同传统的控制方式以不能满足高精度,高速度的控制要求近几年来快速发展了多种先进的温度控制方式,如PID控制,模糊控制,神经网络及遗传算法控制等这些控制技术大大的提高了控制精度,不但使控制变得简便,而且使产品的质量更好,降低了产品的成本,提高了生产效率本系统所使用的加热器件是电炉丝,功率为三千瓦,要求温度在400~1000℃静态控制精度可以达到
2.43℃本设计主要有四部分组成
(1)单片机控制器设计;
(2)电力电子控制装置;
(3)温度检测变送部分1设计概述
1.1任务分析电烤箱是一种应用广泛的食品__设备.电烤箱本身是个热容系统具有大纯滞后和大惯性;由于家用烤箱的外壳很薄封闭性不好与环境温差越大散热越快具有非线性;同时对象的参数还受箱内食品种类和数量的影响电阻炉是利用电流通过电热体元件将电能转化为热能来加热或者熔化工件和物料的热__设备电阻炉由炉体、电气控制系统和辅助系统组成炉体由炉壳、加热器、炉衬(包括隔热屏)等部件组成电气控制系统包括电子线路、微机控制、仪表显示及电气部件等辅助系统通常指传动系统、真空系统、冷却系统等,虽炉种的不同而已系统结构采用如下图所示图1系统结构框图如图1所示,该系统为单闭环控制系统系统由控制器,执行器,被控对象,检测变送装置构成其中温度控制器及比较环节可以由单片机构成;电炉温度主要是由其电流来决定,因此可以利用电力电子装置组成电流可控的执行装置;检测变送器则可以用热电偶及相关__处理电路来构成对于该系统而言,冷工件进入电炉加热时对电炉温度造成的影响是系统的主要干扰因素
1.2整体方案由单片机完成温度测量、控制,显示等功能用温度传感器测量温度值,其选用AD590经过运算放大器组成的__调理电路变成0—5V电压__,由A/D转换器转换为数字__,送入单片机单片机的数字__经过D/A转换器转换成模拟量,由运算放大器电路变成0—5V电压__,控制固态继电器的导通角,进而控制被控对象的输出功率由单片机完成温度测量、控制,显示等功能用温度传感器测量温度值,其选用标准铂电阻pt100经过运算放大器组成的__调理电路变成0—5V电压__,由A/D转换器转换为数字__,送入单片机单片机的数字__经过D/A转换器转换成模拟量,由运算放大器电路变成0—5V电压__,控制固态继电器的导通角,进而控制被控对象的输出功率2设计实现2系统硬件设计电烤箱温度控制系统是以MS-5l单片机为控制核心,辅以采样反馈电路,驱动电路,晶闸管主电路对电炉炉温进行控制的微机控制系统其系统结构框图可表示为:系统采用单闭环形式,其基本控制原理为:将温度设定值即输入控制量和温度反馈值同时送入控制电路部分,然后经过调节器运算得到输出控制量,输出控制量控制驱动电路得到控制电压施加到被控对象上,电炉因此达到一定的温度图2控制电路的设计
2.18155接口电路8155芯片内具有256个字节的RAM,两个8位、一个16位的可编程I/O口和一个14位计数器它与51型单片机接口简单,是单片机应用系统中广泛使用的芯片图4带有I/O接口和计时器的静态RAM81558155用作键盘/LED显示器接口电路,当IO/为高电平时,8155选通片内的I/O端口ABC三个口可以作为扩展的I/O口使用,MCS-51单片机的PO口与8155的AD0~AD7相连此时P0输出的低8位地址只有3位有效,用于片内选址,其他位无用使用ABC三个口时,首先向命令寄存器写入一个控制字以确定三个口的工作方式如果写入的控制字规定他们工作于方式Ⅰ或方式Ⅱ下,则这三个口都是__的基本I/O口可以直接利用MOVXA@DPTR或MOVX@DPTRA指令完成这三个口的读/写(输入/输出)操作工作在方式Ⅲ或方式Ⅳ时,C口用作控制口或部分用于控制MCS-51单片机可以和8155直接连接,不需要任何外加电路,给系统增加了256个字节的RAM、22位I/O线及一个计数器当P
2.0=0且P
2.1=0时,选中8155的RAM工作;在P
2.0=1和P20=0时,8155选中片内三个I/O端口相应地址分配为0000H-00FFH8155内部RAM0100H命令/状态口0101HA口0102HB口0103HC口0104H定时器低八位口0105H定时器高八位口
2.2A/D转换电路图5A/D转换电路图ADC0809的IN0和变送器输出端相连,故IN0上输入的0V-+5V范围的模拟电压经A/D转换后可由8051通过程序从P0口输入到它的内部RAM单元首先输入地址选择__,在ALE__作用下,地址__被锁存,产生译码__,选中一路模拟量输入然后输入启动转换控制__START启动转换转换结束,数据送三态缓冲锁存器,同时发出EOC__在允许输入__OE的控制下,再将转换结果输入到外部数据总线
2.3温度检测图6温度检测电路温度的检测通常用两种方法热电阻和热电偶热电阻一般用于温度低一些的地方,而热电偶则用于温度比较高的地方这里是要检测电炉的温度,因此选择使用热电偶对于0~1000℃的温度可以使用镍铬热电偶,分度号为EU,其输出__为0~
41.32__,经毫伏变送器输出0~10__,然后再经过电流电压变换电路转换为0~5V为了提高控制精度,可将变送器进行零点迁移,例如温度测量范围改为400~1000℃热电偶给出
16.4~
41.32__时,使变送器输出0~10mV,这样使用8位A/D转换器,能使量化误差达到±
2.34℃为了消除误差还必须考虑进行冷端温度补偿具体电路如图5所示
2.4电阻炉电阻炉即为该系统的被控对象其工作原理是将电能转化为电阻炉的热能根据焦耳定律可知其中I为流过电热丝的电流,R为电热丝电阻,t为工作时间很明显改变电流就可以调节电阻炉的发热功率,而且电阻炉属于纯电阻负载,要改变其电流,只需要改变它的工作电压就行了另外,电阻炉通常会给系统带来很大的纯滞后时间,致使系统开环相频特性相角滞后过大,造成闭环系统稳定性下降为了解决这一问题,通常可以采用采样控制的方式让控制系以一定的时间间隔T采样一次被控参数,与设定值进行比较后,经控制运算输出控制__,然后保持该控制__不变,保持时间T必须大于纯滞后时间图7采样控制过程结构图
2.5电力电子装置电力电子装置作为该系统的执行器,由电阻炉工作原理的分析可知,它的任务是改变供给电阻炉的电压这里使用的是交流调功电路的方式利用过零型双向晶闸管的触发特性,只有当其两端电压过零时控制端上施加触发__,它才导通;一旦导通,只有再次过零时才被关断,针对这一特点,本系统采取了控制在M个电网周期内晶闸管导通的周期数m(0≤m≤M)的方法来控制输出平均电压为简单起见,可以使控制运算说的控制量u和实际导通周期m直接对应同步检测电路检出电网电压__的过零点,形成过零同步__,并接到CPU的中断请求输入端,以提供触发参考点和控制周期M的计数__需要注意的是,同步检测电路和电阻炉加热回路的电源必须是同相的,以保证触发__的同步、图8过零型双向晶闸管的触发特性驱动电路设计为保证驱动电路可靠工作,其驱动电路应满足如下要求1)动态驱动能力强,能提供驱动脉冲,使加热电路迅速导通2)能提供适当的正向偏压和足够的反向偏压,使加热电路可靠的开通和关断3有足够的输入输出电气隔离能力,使__电路与栅极驱动电路隔离,且具有灵敏的短路、过流保护功能所设计的驱动电路如图9所示 图9驱动电路工作原理电路Q1,Q2组成功率放大电路,OUT
1、OUT3来自控制电路该驱动电路能安全接受输入__,在接到正确的控制__后对加热电路进行驱动,加热电路开始工作,对外部进行加热,最大功率可达到2000W从而实现电烤箱的加热过程3系统软件设计
3.1主程序图10主程序流程图应当注意由于T0被设定为计数器方式2,初值为06H,故它的溢出中断时间为250个过零同步脉冲为了系统正常工作,T1中断服务程序的执行时间必须满足T0的制一时间要求,因为T1的中断是嵌套在T0中断之中的
3.2T0中断服务程序T0中断服务程序是温度控制系统的主程序,用于启动A/D转换器,读如数据采样,数字滤波,越权温度__和处理,PID计算和输出可控硅的同步触发脉冲等P
1.3引脚上输出的该同步脉冲宽度由T1计数器的溢出中断控制,8051利用等待T1溢出中断空隙时间完成把本次采样数值转换成显示值而放入显示缓冲区和调用温度显示程序,8051从T1中断服务程序返回后便可以恢复现场和返回主程序,以等待下次T0中断4控制过程说明
4.1环节分析以热电偶为主要组成的温度检测变送环节,主要是用来检测电阻炉的炉温,并以电__的形式反馈给系统,使系统构成闭环根据热电偶的工作原理,电阻炉炉温越高,其导体两端的电压差就越大,最后反馈给系统的电压__也越大因此温度检测变送器属于正作用从电阻炉工作原理的分析可知,提供给电阻炉的平均工作电压越高,其平均电流就越大,根据焦耳定律,它的发热功率就越大因此被控对象电阻炉也属于正作用作为执行器的电力电子装置是一种交流调功电路,它的输出主要是由触发__来控制的而触发__是由控制器的输出__经过处理放大后形成的,即输入越大,输出也越大所以执行器也是正作用本系统的控制器是用单片机构成的数字调节器,比较环节也有单片机来完成调节器的输出决定于被控参数的测量值与设定值之差,被控参数的测量值与设定值变化,对输出的作用方向是相反的为了使本系统构成闭环负反馈,应该选择为反作用,即随着测量值的增加,调节器的输出要随之减小;反之当测量值减小时,调节器的输出要增大
4.2调节规律这里使用的是经典控制中最常用的PID调节方式另外由于采用数字控制器,因此必须使用离散的PID控制算法PID控制器是指按偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)进行控制的PID控制器(亦称PID调节器)是应用最为广泛的一种自动控制器它具有原理简单,易于实现,适用面广,控制参数相互__,参数的选定比较简单等优点;而且在理论上可以证明,对于过程控制的典型对象──“一阶滞后+纯滞后”与“二阶滞后+纯滞后”的控制对象,PID控制器是一种最优控制PID调节规律是连续系统动态品质校正的一种有效方法,它的参数整定方式简便,结构改变灵活(PI、PD)数字PID控制器的原理是将PID参量离散化在工业上,偏差控制又称为PID控制,这是工业控制中常用的控制形式,一般能收到令人满意的效果PID控制上目前包含三种比较简单的PID控制算法,分别是增量式算法,位置式算法,微分先行这三种PID算法虽然简单,但各有特点,基本上能满足一般控制的大多数要求本设计中草用的是增量式PID算法控制论告诉我们,PID控制的理想方程是(
1.1)式中e—测量值与给定值之间的偏差;TD—微分时间:T-积分时间;KP—调节器的放大系数.将上式离散化得到数字PID位置式算法,在位置式算法的基础之上得到数字PID增量式算法(
1.2)比例系数加大,使系统的动作灵敏,速度加快,稳态误差减小Kp偏大,振荡次数加多,调节时间加长Kp太大时,系统会趋于不稳定Kp太小,又会使系统的动作缓慢Kp可以选负数,这主要是由执行机构、传感器以控制对象的特性决定的如果Kp的符号选择不当对象状态就会离控制目标的状态越来越远,如果出现这样的情况Kp的符号就一定要取反积分作用使系统的稳定性下降,Ti小(积分作用强)会使系统不稳定,但能消除稳态误差,提高系统的控制精度微分作用可以改善动态特性,Td偏大时,超调量较大,调节时间较短Td偏小时,超调量也较大,调节时间也较长只有Td合适,才能使超调量较小,减短调节时间
4.3干扰分析在实际的工业生产过程之中都要求系统能够稳定的工作但是由于各种原因,往往会出现一些不可预料的干扰因素破坏系统原先设计好的运行状态,这就要求系统本身要有一定得抗干扰能力,能够在收到干扰的情况下自动恢复原来的工作状态如图1所示,冷工件进入电炉加热时对电炉温度造成的影响是系统的主要干扰因素工件加热的过程本身也并非是一个温度线性上升的过程当工件刚进入炉中时,会导致检测到的温度陡然降低很多此时温度检测变送装置将温度__反馈回去,与给定值进行比较,会发现偏差的陡然增大,于是控制器输出也增大电力电子装置输出增大,电阻炉的加热功率也就随之增大,使得炉内温度能够尽快回到稳定值另外,若是由于电网波动原因,令电阻炉在每一时段内输出偏高,而造成炉温过高,经检测变送装置也会回馈到控制器上,控制器输出会随之减小,从而使输出减小,电阻炉发热功率也减小,最终使炉内恢复正常本系统属于单闭环控制系统同开环控制系统相比,闭环控制具有一系列优点在反馈控制系统中,不管出于什么原因(外部扰动或系统内部变化),只要被控制量偏离规定值,就会产生相应的控制作用去消除偏差因此,它本身就具有抑制干扰的能力,对元件特性变化不敏感,并能改善系统的响应特性因此闭环控制系统也是工业上应用得最多的一种控制结构当然对于一些特殊的场合简单的PID控制规律和单闭环结构可能也满足不了要求,这就要求使用更为复杂的控制规律和系统结构
4.4pid控制__tlab仿真及参数整定因为是使用__tlab对参数进行确定,所以可以选择稳定边界法(临界比例度法),选择的模拟控制模型如图中所示,即用一个一阶环节和一个纯比例滞后来模拟纯滞后时间为4(若选择大于一阶环节时间常数的纯滞后时间常数则必须采用串级、前馈控制)根据纯比例控制系统临界振荡试验所得数据(临界比例度Pm和振荡周期Tm),按经验公式求出调节器的整定参数图11电烤箱仿真原理图首先,置调节器Ti®¥,Td=0,比例度P®较大值,将系统投入运行;再逐渐减小P,加干扰观察,直到出现等幅减振荡为止记录此时的临界值Pm=
1.31和Tm=12按照稳定边界法整定参数计算表,得pid控制器的各参数p=
1.36ti=6td=
1.5图12系统临界振荡时输出波形图13参数整定后pid控制输出波形总结体会本设计使用无ROM的8051作为主控芯片进行控制,单片机具有集成度高,通用性好,功能强,特别是体积小,重量轻,耗能低,可靠性高,抗干扰能力强和使用方便等独特优点,在数字、智能化方面有广泛的用途其中的温控系统采用镍铬/镍铝热电偶,此电偶用于0℃~1000℃在查阅资料的过程中,学会了许多书本上学不到的东西,并且使自己的动手能力得到了加强,这次课程设计是我们学习完《过程控制系统与仪表》之后一次较为综合的设计通过大约两周的过控课设使我深深的感到课设的过程是艰辛的,但是收获也是巨大的首先,我们再一次的加深巩固了对已有的知识的理解及认识;其次,我们第一次将过程控制系统与仪表运用到了实际设计,使得所学知识在更深的层次上得到了加深____
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72.给定温度控制器电气执行装置电炉温度检测变送器f给定值8051控制电路驱动电路电路晶闸管主电路控制对象输出温度采样电路。