温度控制系统设计

. XX 理工大学华夏学院 课 程 设 计 报 告 书 目： 名： 名： 题 系 专业班级： 姓 . 学号： 指导教师： 2011 年 6 月 14 日 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。 单片机以其高可靠性、高性能价格比、控制方便简单和灵活性大等优点，在工业控制 系统、智能化仪器仪表等诸多领域得到广泛应用。采用单片机进行炉温控制，可以提高控 制质量和自动化水平。 . 设计任务及要求设计任务及要求 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。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 0－300℃，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系统，惯性时间常数为 T1＝30 秒，滞后时间常数为 τ＝10 秒。 其对象问温控数学模型为： Kpes G(s)  T i s1 要求：要求： 1）设计温度控制系统的计算机硬件系统，画出框图； 2）编写积分分离PID算法程序，从键盘接受K p、Ti、Td、T及β的值； 3）通过数据分析K p改变时对系统超调量的影响。 . 4）通过数据分析Td改变时对系统超调量的影响 5）撰写设计说明书。 其中：时间常数 Ti=30 秒 放大系数 Kp=50 滞后时间=10 秒 目录目录 1 系统硬件设计 5 1.1系统硬件结构框图 5 1.2电源部分 5 1.3采样测量部分 6 1.4驱动执行部分 6 2积分分离 PID 算法错误错误! !未定义书签。未定义书签。 2.1积分分离 PID 控制错误错误! !未定义书签。未定义书签。 2.2流程图错误错误! !未定义书签。未定义书签。 3 系统测试及数据分析 8 3.1数据分析 Kp 改变时对系统超调量的影响 8 3.2数据分析 Td 改变时对系统超调量的影响 8 . 3.3 数据分析 Ti 改变时对系统超调量的影响 8 心得体会 9 参考文献错误错误! !未定义书签。未定义书签。 温度控制系统设计温度控制系统设计 1. 1.系统硬件的设计系统硬件的设计 1.11.1 系统硬件结构框图系统硬件结构框图 本系统的单片机炉温控制系统结构主要由单片机控制器、可控硅输出部分、热电偶传 感器、温度变送器以及被控对象组成。 系统硬件结构框图如下： 键盘 微 型 控 制 机 8 路 A/D转换 器 ADC0809 测 量 变 送 温 度 检 测 PT100 温度 8 路 D/A转换 器 DAC0832 AT89C51 驱动执行机 构 加热电阻 通信接口 . 图 1-1系统硬件结构框图 1.21.2 电源部分电源部分 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 78L05,配合电容将电 压稳定在 5V，供控制电路、测量电路和驱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，由控制程序决定双向可控硅的导通角，以达到控制加热电阻功率的目的。 1.31.3 采样测量部分采样测量部分 在检测装置中，温度检测用WZP-231铂热电阻（Pt100），采用三线制接法，采样电路 为桥式测量电路，其输入量程为50~350°C，经测量电路采样后输出0~5V电压，再经模数转 换芯片ADC0809进行转换，变为数字量后送入单片机进行分析处理。 测温原理： 电路采用TL431和电位器VR1调节产生4.096V的参考电源； 采用R1、 R2、 VR2、 Pt100构成测量电桥（其中R1＝R2，VR2为100Ω精密电阻），当Pt100的电阻值和VR2的电 阻值不相等时，电桥输出一个mV级的压差信号，这个压差信号经过运放LM324放大后输出 期望大小的电压信号，该信号可直接连AD转换芯片。差动放大电路中R3＝R4、 R5＝R6、 放大倍数＝R5/R3，运放采用单一5V供电。 1.41.4 驱动执行部分驱动执行部分 硬件输出通道主要包括加热电阻的控制环节，而此控制环节的核心是双向可控硅，但 电路的关键是设计双向可控硅的驱动电路。双向可控硅的通断直接决定加热电阻的工作与 不工作，本部分用带过零触发的光耦 MOC3061 来驱动。 . 双向可控硅电路双向可控硅电路 这种可控硅具有双向导通功能，在交流电的正负半周都可以导通。其英文名 TRIAC 即 三级交流开关的意思，并把它的两极称为 MT1 和 MT2，其电路符合如图所示。 双向可控硅的通断情况由控制极栅极（G）决定，当栅极无信号时MT1 和 MT2 成高阻 态，管截止；而当 MT1 与 MT2 之间加一个阈值电压（一般大于 1.5V）的电压时，就可以 利用控制极栅极电压来使可控硅导通。但需要注意的是，当双向可控硅接感性负载时，电 流和电压之间有一定的相位差。在电流为零时，反向电压可能不为零，且超过转换电压， 使管子反向导通，故要管子能承受这种反向电压，并在回路中加入 RC 网络加以吸收。 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： （1）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。 （2）过零检测信号接至单片机的 P2.3 口，由单片机对此口进行循环检测，然后 进行延时触发。 2 2 积分分离积分分离 PIDPID 算法算法 2.12.1积分分离积分分离 PIDPID 控制控制 积分分离控制基本思路是：当被控量与设定值偏差较大时，取消积分作用，以免由于 积分作用使系统稳定性降低，超调量增大；当被控量接近给定值时，引入积分控制，以便 消除静差，提高控制精度。其具体实现步骤如下： （1）根据具体系统，人为设定阈值   0； （2