基于大林算法的电加热炉温度控制系统设计

自动化2010级自动化专业《计算机控制技术》课程设计任务书长春大学2摘要论文题目基于大林算法的电加热炉温度控制系统设计设计类型设计型导师姓名秦宏武主要内容及目标电阻加热炉用于合金钢产品热力特性实验，电加热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8KW，有220V交流电源供电，采用双向可控硅进行控制。本设计针对一个温区进行控制，要求控制温度范围50～350℃，保温阶段温度控制精度为±1℃。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，其对象温控数学模型为：()1sddKeGsTsτ其中：时间常数dT=350秒，放大系数dK=50，滞后时间τ=10秒，控制算法选用大林算法。件条1．PC机一台，教学实验箱一台;计划学生数及任务3人（1）：明确课题功能。（2）：把复杂问题分解为若干模块，确定各模块处理方法，画出流程图。（3）：存储器资源分配（4）：编制程序，根据流程图来编制源程序（5）：对程序进行汇编，调试和修改，直到程序运行结果正确为止。计划设计进程一、总体方案设计二、控制系统的建模和数字控制器设计三、硬件的设计和实现1、选择计算机字长(选用51内核的单片机)2、设计支持计算机工作的外围电路(EPROM、RAM、I/O端口、键盘、显示接口电路等)；3、设计输入信号接口电路；4、设计DA转换和电流驱动接口电路；5、其它相关电路的设计或方案(电源、通信等)。四、软件设计1、分配系统资源，编写系统初始化和主程序模块框图；2、编写AD转换和温度检测子程序框图；3、编写控制程序和DA转换控制子程序模块框图；4、其它程序模块(显示与键盘等处理程序)框图。五、编写课程设计说明书，绘制完整的系统电路图(A3幅面)。长春大学3电加热炉在化工、冶金等行业应用广泛，因此温度控制在工业生产和科学研究中具有重要意义。其控制系统属于一阶纯滞后环节，具有大惯性、纯滞后、非线性等特点，导致传统控制方式超调大、调节时间长、控制精度低。采用单片机进行炉温控制，具有电路设计简单、精度高、控制效果好等优点，对提高生产效率、促进科技进步等方面具有重要的现实意义。常规的温度控制方法以设定温度为临界点，超出设定允许范围即进行温度调控：低于设定值就加热，反之就停止或降温。这种方法实现简单、成本低，但控制效果不理想，控制温度精度不高、容易引起震荡，达到稳定点的时间也长，因此，只能用在精度要求不高的场合。电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。本设计采用大林算法进行温度控制，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。关键词：单片机；A/D、D/A；大林算法；传感器自动化AbstractElectricheatingfurnaceinthechemical,metallurgicalandotherindustriesarewidelyused,sothetemperaturecontrolisofgreatsignificanceintheindustrialproductionandscientificresearch.Thecontrolsystemisafirstorderdelaylink,withgreatinertia,purelag,nonlinearcharacteristics,causesthetraditionalcontrolmodeoflargeovershoot,adjusttimeislong,lowcontrolaccuracy.Usingsinglechipmicrocomputerfortemperaturecontrol,hastheadvantagesofsimplecircuitdesign,highaccuracy,goodcontroleffect,hastheimportantpracticalsignificancetoimprovetheproductionefficiency,promotetheprogressofscienceandtechnologyetc..Theconventionalmethodoftemperaturecontroltothesettemperatureisthecriticalpoint,theallowablerangeisbeyondthesettemperatureregulation:belowthesetvalueisheated,otherwisestoporcooling.Thismethodissimple,thecostislow,butthecontroleffectisnotideal,temperaturecontrolaccuracyisnothigh,easytocauseconcussion,reachastablepointoftimeislong,therefore,canonlybeusedinlessdemandingsituationsinprecisionElectricheatingfurnaceisatypicalindustrialprocesscontrolobject,arewidelyappliedinourcountry.Thetemperaturecontrolofelectricheatingfurnacewithunidirectionalrising,largeinertia,largedelay,time-varyingcharacteristics.Theheating,heatpreservationistorelyontheresistancewireheating,coolingistorelyontheenvironmentofnaturalcooling.Onceitstemperatureovershootcannotusecontrolmeansthatthecooling,soitisdifficulttousemathematicalmethodtoestablishprecisemodelandparameters,controltheoryandtheapplicationoftraditionalmethodsisdifficulttoachievetheidealcontroleffect.ThisdesignusestheDalinalgorithmfortemperaturecontrol,thetransferfunctionoftheclosedloopsystemtothedesiredequivalenttoadelaypartandaninertialinkareconnectedinseriestoachieveprecisecontroloftemperature.Keyword:singlechip;A/D、D/A；dahlinalgorithm；sensor自动化目录一、绪论.............................................................21.1系统设计背景.................................................21.2技术综述.....................................................2二、系统总体设计.....................................................22、1系统概述....................................................22、2系统的结构框图..............................................2三、硬件设计........................................................43、1微处理器80C51...............................................43、2温度传感器..................................................53、3驱动电路....................................................63、4键盘模块....................................................63、5LED显示模块.................................................7四、软件设计.........................................................84、1系统软件设计................................................84、2大林算法的系统设计..........................................84、3程序控制流程图.............................................10五、调试运行........................................................11六、课程设计总结....................................................12参考文献............................................................14附录一系统原理图..............................................15附录二程序....................................................16长春大学2一、绪论1.1系统设计背景近年来，加热炉温度控制系统是比较常见和典型的过程控制系统，温度是工业生产过程中重要的被控参数之一，冶金﹑机械﹑食品﹑化工等各类工业生产过程中广泛使用的各种加热炉﹑热处理炉﹑反应炉，对工件的处理均需要对温度进行控制。因此，在工业生产和家居生活过程中常需对温度进行检测和监控。由于许多实践现场对温度的影响是多方面的，使得温度的控制比较复杂，传统的加热炉电气控制系统普遍采用继电器控制技术，由于采用固定接线的硬件实现逻辑控制，使控制系统的体积增大，耗电多，效率不高且易出故障，不能保证正常的工业生产。随着计算机控制技术的发展，传统继电器控制技术必然被基于计算机技术而产生的计算机控制技术所取代。1.2技术综述自70年代以来，由于工业过程控制的需要，特别是在电子技术的迅猛发展，以及自动控制理论和设计方法发展的推动下，国外温度控制系统发展迅速，并在智能化自适应参数自整定等方面取得成果。在这方面以日本、美国、德国、瑞典等国技术领先，并且都生产出了一批商品化的性能优异的温度控制器及仪器仪表，在各行业广泛应用。二、系统总体设计2、1系统概述本设计在硬件部分选择了单片机的AT80C51芯片为核心控制部分，输出为K型热电偶传感器，检测温度后传回单片机系统，最后经过温度控制系统，从而加热电阻，来达到控制电加热炉的目的。2、2系统的结构框图电加热炉控制系统的硬件结构框图如图2.1长春大学3图2.1系统的总体结构框图加热炉温度控制实现过程是:首先温度传感器将加热炉的温度传回单片机，然后AT80C51芯片将给