计算机控制技术课程设计之电阻炉温度控制系统

武汉理工大学《计算机控制技术》课程设计说明书1摘要随着科学技术的迅猛发展，各个领域对温度控制系统的精度、稳定性等要求越来越高，控制系统也千变万化。电阻炉广泛应用于各行各业，其温度控制通常采用模拟或数字调节仪表进行调节，但存在着某些固有的缺点。而采用单片机进行炉温控制，可大大地提高控制质量和自动化水平，具有良好的经济效益和推广价值。本设计以89C51单片机为核心控制器件，以ADC0809作为A/D转换器件，采用闭环直接数字控制算法，通过控制可控硅来控制热电阻，进而控制电炉温度，最终设计了一个满足要求的电阻炉微型计算机温度控制系统。关键字：电阻炉89C51单片机温度控制A/D转换武汉理工大学《计算机控制技术》课程设计说明书2电阻炉温度控制系统1系统的描述与分析1.1系统的介绍该系统的被控对象为电炉，采用热阻丝加热，利用大功率可控硅控制器控制热阻丝两端所加的电压大小，来改变流经热阻丝的电流，从而改变电炉炉内的温度。可控硅控制器输入为0~5伏时对应电炉温度0~500℃，温度传感器测量值对应也为0~5伏，对象的特性为带有纯滞后环节的一阶惯性系统，这里惯性时间常数取T1＝30秒，滞后时间常数取τ＝10秒。该系统利用单片机可以方便地实现对PID参数的选择与设定，实现工业过程中PID控制。它采用温度传感器热电偶将检测到的实际炉温进行A/D转换，再送入计算机中，与设定值进行比较，得出偏差。对此偏差按PID规律进行调整，得出对应的控制量来控制驱动电路，调节电炉的加热功率，从而实现对炉温的控制。利用单片机实现温度智能控制，能自动完成数据采集、处理、转换、并进行PID控制和键盘终端处理（各参数数值的修正）及显示。在设计中应该注意，采样周期不能太短，否则会使调节过程过于频繁，这样，不但执行机构不能反应，而且计算机的利用率也大为降低；采样周期不能太长，否则会使干扰无法及时消除，使调节品质下降。1.2技术指标设计一个基于闭环直接数字控制算法的电阻炉温度控制系统具体化技术指标如下：1.电阻炉温度控制在0~500℃；2.加热过程中恒温控制，误差为±2℃；3.LED实时显示系统温度，用键盘输入温度，精度为1℃；4.采用直接数字控制算法，要求误差小，平稳性好；5.温度超出预置温度±5℃时发出报警。武汉理工大学《计算机控制技术》课程设计说明书32方案的比较和确定方案一系统采用8031作为系统的微处理器。温度信号由热电偶检测后转换为电信号经过预处理（放大）送到A/D转换器，转换后的数字信号再送到8031内部进行判断或计算。从而输出的控制信号来控制锅炉是否加热。但对于8031来说，其内部只有128个字节的RAM，没有程序存储器，并且系统的程序很多，要完成键盘、显示等功能就必须对8031进行存储器扩展和I/O口扩展，并且需要容量较大的程序存储器，外扩时占用的I/O口较多，使系统的设计复杂化。方案二系统采用89C51作为系统的微处理器来完成对炉温的控制和键盘显示功能。8051片内除了128KB的RAM外，片内又集成了4KB的ROM作为程序存储器，是一个程序不超过4K字节的小系统。系统程序较多时，只需要外扩一个容量较小的程序存储器，占用的I/O口减少，同时也为键盘、显示等功能的设计提供了硬件资源，简化了设计，降低了成本。因此89C51可以完成设计要求。综上所述的二种方案，该设计选用方案二比较合适。3控制算法3.1控制算法的确定PID调节是连续系统中技术最成熟的、应用最广泛的一种控制算方法。它结构灵活，不仅可以用常规的PID调节，而且可以根据系统的要求，采用各种PID的变型，如PI、PD控制及改进的PID控制等。它具有许多特点，如不需要求出数学模型、控制效果好等，特别是在微机控制系统中，对于时间常数比较大的被控制对象来说，数字PID完全可以代替模拟PID调节器，应用更加灵活，使用性更强。所以该系统采用PID控制算法。系统的结构框图如图3-1所示：武汉理工大学《计算机控制技术》课程设计说明书4图3-1系统结构框图3.2数学模型的建立具有一阶惯性纯滞后特性的电阻炉系统，其数学模型可表示为：1()1sKeGsTs（2-1）在PID调节中，比例控制能迅速反应误差，从而减小误差，但比例控制不能消除稳态误差，pK的加大，会引起系统的不稳定；积分控制的作用是：只要系统存在误差，积分控制作用就不断地积累，输出控制量以消除误差，因而，只要有足够的时间，积分控制将能完全消除误差，积分作用太强会使系统超调加大，甚至使系统出现振荡；微分控制可以使减小超调量，克服振荡，提高系统的稳定性，同时加快系统的动态响应速度，减小调整时间，从而改善系统的动态性能。将P、I、D三种调节规律结合在一起，可以使系统既快速敏捷，又平稳准确，只要三者强度配合适当，便可获得满意的调节效果。模拟PID控制规律为：01()()[()()]tpDIdetutKetetdtTTdt（2-2）式中：()()()etrtyt称为偏差值，可作为温度调节器的输入信号，其中()rt为给定值，()yt为被测变量值；pK为比例系数；IT为积分时间常数；DT为微分时间常数；()ut为调节器的输出控制电压信号。因为计算机只能处理数字信号，故上述数字方程式必须加以变换。设采样周期为T，第k次采样得到的输入偏差为()ek，调节器的输出为()uk，作如下近似：()()(1)detekekdtT（用差分代替微分）武汉理工大学《计算机控制技术》课程设计说明书501()()ktietdtTei（用求和代替积分）这样，式（2-2）便可改写为：11()(1)()[()()]kpDiIekekukKekTeiTTT（2-3）其中，()uk为调节器第k次输出值；()ek、(1)ek分别为第k次和第1k次采样时刻的偏差值。由式可知：()uk是全量值输出，每次的输出值都与执行机构的位置一一对应，所以称之为位置型PID算法。在这种位置型控制算法中，由于算式中存在累加项，而且输出的控制量不仅与本次偏差有关，还与过去历次采样偏差有关，使得产生大幅度变化，这样会引起系统冲击，甚至造成事故。所以在实际中当执行机构需要的不是控制量的绝对值，而是其增量时，可采用增量型PID算法。当控制系统中的执行器为步进电机、电动调节阀、多圈电位器等具有保持历史位置的功能的这类装置时，一般均采用增量型PID控制算法。与位置算法相比，增量型PID算法有如下优点：（1）位置型算式每次输出与整个过程状态字有关，计算式中要用到过去偏差的累加值，容易产生较大的累积计算误差；而在增量型算式中由于消去了积分项，从而可消除调节器的积分饱和，在精度不足时，计算误差对控制量的影响较小，容易取得较好的控制效果。（2）为实现手动—自动无忧切换，在切换瞬时，计算机的输出值应设置为原始阀门开度，若采用增量型算法，其输出对应与阀门位置的变化部分，即算式中不出现项，所以易于实现从手动到自动得的无忧动切换。（3）采用增量型算法时所用的执行器本身都具有寄存作用，所以即使计算机发生故障，执行器仍能保持在原位，不会对生产造成恶劣影响。正因为具有上述优点，在实际控制中，增量型算法要比位置算法应用更加广泛。利用位置型PID控制算法，可得到增量型PID控制算法的递推形式为：()[()(1)]()[()2(1)(2)]pIDukKekekKekKekekek（2-4）式中，pK为比例增益；IpIKKTT为积分系数；DpDKKTT为微分系数。为了编程方便，可将式（2-4）整理成如下形式：012()()(1)(2)ukqekqekqek（2-5）武汉理工大学《计算机控制技术》课程设计说明书6式中：0(1)DpITTqKTT1(12)DpTqKT2DpTqKT4系统软硬件设计4.1总体设计系统的硬件包括微控制器部分（主机）、温度检测、温度控制、人机对话（键盘/显示/报警）4个主要部分，系统的结构框图如图4-1所示。系统程序采用模块化设计方法，程序有主程序、中断服务子程序和各功能模块程序组成，各功能模块可直接调用。单片机显示电路按键控制报警电路光耦驱动电路可控硅控制器温度传感器电阻炉A/D转换器图4-1系统结构框图该部分电路主要包括89C51主程序的工作情况，主程序完成系统的初始化，温度预置及其合法性检测。预置温度的显示及定时器T0的初始化设置等。T0中断服务程序是温度控制体系的主体，用于温度检测、控制和报警。主程序和中断服务子程序的流程图如图4-2所示。武汉理工大学《计算机控制技术》课程设计说明书7主程序如下：TEMP1EQU50H；当前检测温度（高位）TEMP2EQUTEMQ1+1；当前检测温度（低位）ST1EQU52H；预置温度（高位）ST2EQU53H；预置温度（低位）T100EQU54H；温度BCD码显示缓冲区（百位）T10EQUT100+1；温度BCD码显示缓冲区（十位）TEQUT100+2；温度BCD码显示缓冲区（个位）BT1EQU57H；温度二进制码显示缓冲区（高位）BT2EQUBT1+1；温度二进制码显示缓冲区（低位）ADIN0EQU7FF8H；ADC0809通道IN0的端口地址F0BITPSW.5；报警允许标志TEMP1DB00H，00H，00H，00H，00H，00H，00H，00H，00H；50H~58H单元初始化(清零)ORG0000HAJMPMAIN；转主程序ORG00BHAJMPPT0；转T0中断服务子程序ORG0030HMAIN：MOVSP，#59H；设堆栈标志CLRF0；报警标志清零MOVTMOD，#01H；定时器0初始化（方式1）MOVTL0，#0B0H；定时器100ms定时常数MOVTH0，#3CHMOVR7，#150；置15s软计数器初值SETBET0；允许定时器0中断SETBEA；开中断SETBTRO；启动定时器0MAIN1：ACALLKIN；调键盘管理子程序武汉理工大学《计算机控制技术》课程设计说明书8ACALLDISP；调用显示子程序SJMPMAIN1定时器0中断服务子程序PT0：PT0：MOVTL0，#0BOHMOVTH0，#3CH；重置定时器0初值DJNZR7，BACK；15s到否，不到返回MOVR7，#150；重置软计数器初值ACALLTIN；温度检测MOVBT1，TEMP1；当前温度送到显示缓冲区MOVBT0，TEMP0ACALLDISP；显示当前温度ACALLCONT；温度控制ACALLALARM；温度越限报警BACK：RETI武汉理工大学《计算机控制技术》课程设计说明书9图4-2主程序和中断服务子程序的流程图4.2温度检测电路温度检测电路包括温度传感器、变送器和A/D转换三部分。传感器选用型号为武汉理工大学《计算机控制技术》课程设计说明书10WZB-003的铂热电阻，可满足本系统0~500℃测量范围的要求。变送器将电阻信号转换成与温度成正比的电压，当温度在0~500℃时变送器输出0~4.9v左右的电压。A/D转换可采用ADC0809进行，亦可采用单片机内部A/D功能进行。电路设计好后调整变送器的输出，使0~500℃的温度变化对应于0~4.9v的输出，则A/D转换对应的数字量位00H~FAH,即0~250，转换结果乘以2正好是温度值。用这种方法一方面可以减少标度变换的工作量，另一方面还可以避免标度变换带来的计算误差。本设计A/D转换采用查询方式（由P1.4查询ADC0809的ECO转换结束信号）。为提高采样的可靠性，对采样温度进行数字滤波。数字滤波的方法很多，这里采用4次采样取平均值的方法。因此，4次采样的数字量之和除以2就是检测的当前温度。温度检测子程序流程图如图4-3所示。开始检测结果缓冲区清零采样次数4送R2启动A/D转换累加采样结果结果低8位送51H高8位送50H转换结束？（R2）-1送R2R2=0?4次累加结果除以2送检测结果缓冲区返回YNYN图4-3温度检测子程序流程图4.3温度控制电路控制电路采用可控硅来实现，双向可控硅SCR和电路电阻丝串接在交流220V市电回武汉理工大学