【正文】 。 隨著計算機運算速度的大幅度提高和存儲信息的大量增加，PID 調(diào)節(jié)在工業(yè)過程控制、航空航天領(lǐng)域內(nèi)將得到廣泛的應(yīng)用，因此研究 PID 控制具有較高的工程實踐意義，具有廣泛的應(yīng)用前景 [13]。熱電阻爐的發(fā)熱體為電阻絲，常規(guī)方式大多采用模擬儀表測量溫度，并通過控制交流接觸器的通斷時間比例來控制加熱功率。此方法存在某些固有的缺點，如溫度與儀表值不符，溫度延遲等問題。而采用微機進行爐溫控制，可大大提高）5控制質(zhì)量和自動化水平，具有良好的經(jīng)濟效益。由于模擬儀表本身的測量精度差，加上交流接觸器的壽命短，通斷比例低，故溫度控制精度低，且無法實現(xiàn)按程序設(shè)定的升溫曲線升溫和故障自診斷功能。本文提出的爐溫控制系統(tǒng)采用高精度放大器及 A/D 轉(zhuǎn)換器以獲得較高的測溫精度，并采用溫度傳感器對熱電偶進行冷端補償，利用單片機 8051 實現(xiàn)控制算法，按設(shè)定值、所測溫度值、溫度變化速率，自動進行 P 參數(shù)自整定和運算，按程序設(shè)定溫度曲線升溫，具有鍵盤輸入及顯示功能，使用雙向?qū)煽毓鑼崿F(xiàn)加熱功率的控制，顯著提高了測量精度。采用單片微型計算機、雙向可控硅調(diào)功、動態(tài)給定和變參數(shù)的 PID 控制系統(tǒng)，與以前常用的模擬控制系統(tǒng)比較，不但控制精確(本系統(tǒng)恒溫期間溫度波動可不大于177。1℃。)簡單方便，大大減輕運行工人的勞動強度，而且能降低電耗(本系統(tǒng)電耗降低 10%以上)，有較好的經(jīng)濟效益和社會效益，使電阻爐的溫度控制提高到一個新的水平。 電阻加熱爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計的指導(dǎo)思想 電阻加熱爐溫度控制系統(tǒng)基本主要由溫度檢測系統(tǒng)，信號處理系統(tǒng)，輸入輸出系統(tǒng)，輸出控制系統(tǒng)四部分組成。溫度檢測主要由溫度傳感器構(gòu)成，根據(jù)精度及測量范圍的要求選擇也不同，可以是熱電偶式的，也可以是熱電阻式的，還可以是熱敏電阻或集成溫度傳感器器件的等等。在信號處理系統(tǒng)原理上無外乎是信號的放大，數(shù)模轉(zhuǎn)換，微機處理一系列環(huán)節(jié)，根據(jù)不同的要求其內(nèi)部結(jié)構(gòu)也不同，但基本都是遵循這條原則。輸入輸出可根據(jù)不同的需要和不同的場合來設(shè)計，在精度要求高，設(shè)置要求快的環(huán)境下可使用多鍵鍵盤和 LCD 液晶顯示，在精度和速度要求不高的情況下則可使用簡易鍵盤和 LED 數(shù)碼管顯示，輸出方面的指導(dǎo)思想是在精度要求高的情況下采用連續(xù)調(diào)節(jié)電阻兩端的電壓進行功率調(diào)節(jié)，而精度要求不是很高的情況下則是通過控制電阻兩端電壓的通斷來進行對溫度的控制。通常都是選用雙向可控硅來實現(xiàn)功率調(diào)節(jié),這樣能更好的控制溫度，提高精度。）6 系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)1. 測溫范圍：0℃~1000℃2. 控制精度：177。1℃3. 保溫精度：℃第 2 章 方案論證系統(tǒng)的組成及工作原理：溫度是工業(yè)對象中主要的被控參數(shù)之一，如冶金、機械、食品、化工各類專業(yè)中廣泛使用各種加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐等，對工件的處理溫度要求嚴(yán)格控制。圖 21 為電阻爐爐溫控制系統(tǒng)原理圖，控制過程是這樣的:單片機定時對爐溫進行檢測，經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換得到相應(yīng)的數(shù)字量，再送到微機進行判斷和運算，得到應(yīng)有的控制量，去控制加熱功率，從而實現(xiàn)對溫度的控制。具體包括:，即爐溫按預(yù)定的溫度一時間關(guān)系變化，這主要在控制程序中考慮。，如 400℃～1000℃，這就涉及到測溫元件、電爐功率等的選擇。、超調(diào)量等指標(biāo)，這涉及到 A/D 轉(zhuǎn)換精度、控制規(guī)律的選擇等。本文用 8051 單片機實現(xiàn)控制，為了便于用戶根據(jù)不同的實際需要對工作方式及其他參數(shù)組態(tài)進行修改，要求所有的參數(shù)及組態(tài)狀況均可通過面板的幾個操作鍵輸入、檢查、修改，并可在斷電情況下，使參數(shù)保存半年。為了便于與上級計算機構(gòu)成兩級控制系統(tǒng)，在單片機控制系統(tǒng)中還加入了通信功能。采用 RS232 接）7口，通信速率為 1200b/s, 2400b/s. 4800b/s 和 9600b/s 等四種波特率，由用戶通過鍵盤自行按需要選擇。系統(tǒng)的測量值和所有設(shè)定參數(shù)均由 LED 數(shù)碼管直接顯示，讀數(shù)清晰，直觀?？刂破鞯慕Y(jié)構(gòu)如圖 21 所示： 21 控制原理圖 單片機的選擇 在大學(xué)期間我們主要學(xué)習(xí)了 8031 和 8051 兩種單片機，他們都是 MCS51 系列單片機的代表產(chǎn)品，因為 8031 單片機片內(nèi)無程序存儲器，在使用時需要外部加擴展，而 8051 片內(nèi)有 4KB 的程序存儲器，無須外部擴展，電路設(shè)計也更簡單，所以設(shè)計選擇了 8051 單片機。系統(tǒng)采用 MCS51 系列的單片機 8051，MCS51 單片機是美國 INTE 公司于1980 年推出的產(chǎn)品，與 MCS48 單片機相比，它的結(jié)構(gòu)更先進，功能更強，在原來的基礎(chǔ)上增加了更多的電路單元和指令,指令數(shù)達 111 條，MCS51 單片機可以算是相當(dāng)成功的產(chǎn)品，一直到現(xiàn)在，MCS51 系列或其兼容的單片機仍是應(yīng)用的主流產(chǎn)品，各高校及專業(yè)學(xué)校的培訓(xùn)教材仍與 MCS51 單片機作為代表進行理論基礎(chǔ)學(xué)習(xí)。8051 是 MCS51 系列單片機中的代表產(chǎn)品，它內(nèi)部集成了功能強大的中央PID調(diào) 節(jié) 被 控 過 程執(zhí) 行 機 構(gòu)溫 度 檢 測 與 變 送eWY+ 溫 度）8處理器，包含了硬件乘除法器、21 個專用控制寄存器、4kB 的程序存儲器、128字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器、4 組 8 位的并行口、兩個 16 位的可編程定時/計數(shù)器、一個全雙工的串行口以及布爾處理器 [3]。 溫度傳感器的選擇 溫度是表征物體冷熱程度的物理量。它與人們生活關(guān)系最為密切，是工業(yè)控制中的四大物理量（溫度、壓力、流量和物位）之一，也是人們研究最早、檢測方法最多的物理量之一。各種不同的物體有著不同的溫度范圍，從總體來說，溫度分布范圍極廣，加上被控對象的種類繁多，雖然溫度的傳感器種類很多，但至今沒有一種溫度傳感器能覆蓋整個溫度范圍，而又能滿足一定的測量精度。只能根據(jù)不同的溫度范圍和不同的被測對象，適當(dāng)選擇不同的傳感器。 熱電阻熱電阻材料一般有兩類：貴金屬和非金屬。熱電阻利用物質(zhì)在溫度變化時本身電阻也隨著發(fā)生變化的特性來測量溫度的，被測溫度的變化是直接通過熱電阻阻值的變化來測量的。熱電阻的受熱部分（感溫元件）是用細(xì)金屬絲均勻的纏繞在絕緣材料制成的骨架上，當(dāng)被測介質(zhì)中有溫度梯度存在時，所測得的溫度是感溫元件所在范圍內(nèi)介質(zhì)層中的平均溫度。它的主要特點是測量精度高，性能穩(wěn)定。其中鉑熱電阻的測量精確度最高。因為熱電阻是中低溫區(qū)常用的一種測溫元件，其測溫范圍一般在200℃ ～ +500℃，在本設(shè)計中遠遠低于最高溫度的要求，所以不采用它測溫。 集成溫度傳感器集成溫度傳感器是把溫度傳感器與放大電路等后續(xù)，利用集成化技術(shù)制作在同一芯片的功能器件。這種傳感器輸出信號大，與溫度有較好的線性關(guān)系、小型）9化、成本低、使用方便、測量精度高等優(yōu)點。由于感溫元件與全部其他電器都集中在一個小芯片，所以傳感器的功耗及自然效應(yīng)，以及在工作溫度范圍內(nèi)電路元件的熱穩(wěn)定性，是影響這種傳感器性能的主要因素。集成電路溫度傳感器的工作范圍是50℃ ～+150℃，低于設(shè)計要求，不予采用。 熱電偶熱電偶是工業(yè)上最常用的溫度檢測元件之一。其優(yōu)點是：①測量精度高。因熱電偶直接與被測對象接觸，不受中間介質(zhì)的影響。②測量范圍廣。常用的熱電偶從50℃～+1600℃均可持續(xù)測量，某些特殊熱電偶最低可測到269℃（如金鐵鎳鉻），最高可達+2800℃（如鎢錸）。③構(gòu)造簡單，使用方便。熱電偶通常是由兩種不同的金屬絲組成，而且不受大小和開頭的限制，外有保護套管，用起來非常方便。 1．熱電偶測溫基本原理 將兩種不同材料的導(dǎo)體或半導(dǎo)體 A 和 B 焊接起來，構(gòu)成一個閉合回路，當(dāng)導(dǎo)體A 和 B 的兩個執(zhí)著點之間存在溫差時，兩者之間便產(chǎn)生電動勢,因而在回路中形成一定大小的電流,這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。熱電偶就是利用這一效應(yīng)來工作的。 2．熱電偶的種類及結(jié)構(gòu)形成 （1）熱電偶的種類 常用熱電偶可分為標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶兩大類。所謂標(biāo)準(zhǔn)熱電偶是指國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了其熱電勢與溫度的關(guān)系、允許誤差、并有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)分度表的熱電偶，它有與其配套的顯示儀表可供選用。非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶在使用范圍或數(shù)量級上均不及標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶，一般也沒有統(tǒng)一的分度表，主要用于某些特殊場合的測量。熱電偶標(biāo)準(zhǔn)我國從 1988 年 1 月 1 日起制定，熱電偶和熱電阻全部按 IEC 國際標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)，并指定 B、S、K、E、J 等幾種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶為我國統(tǒng)一設(shè)計型熱電偶。（2）熱點偶的冷端補償）10由于熱電偶的材料一般都比較貴重（特別是采用貴金屬時），而測溫點到儀表的距離都很遠，為了節(jié)省熱電偶材料，降低成本，通常采用補償導(dǎo)線把熱電偶的冷端（自由端）延伸到溫度比較穩(wěn)定的控制室內(nèi)，連接到儀表端子上。必須指出，熱電偶補償導(dǎo)線的作用只是延伸熱電極，使熱電偶的冷端移動到控制室的儀表端子上，它本身并不能消除冷端溫度變化對測溫的影響，不起補償作用。因此，還需采用其他修正方法來補償冷端溫度 t0≠0℃時對測溫的影響。 在使用熱電偶補償導(dǎo)線時必須注意型號相配，極性不能接錯，補償導(dǎo)線與熱電偶連接端的溫度不能超過 100℃。本設(shè)計要求的測溫范圍在 0℃～1000℃，溫度較高，因此選擇熱電偶中的 K 型熱電偶來測溫，可以滿足設(shè)計要求，所以溫度傳感器選擇熱電偶 [10]。 檢測放大電路的選擇放大是最基本的模擬信號處理功能，它是通過放大電路實現(xiàn)的，大多數(shù)模擬電子系統(tǒng)都應(yīng)用了不同類型的放大電路。因為檢測外部物理信號的傳感器所輸出的電信號通常是很微弱的，對這些能量過于微弱的信號，既無法直接顯示，一般也很難作進一步處理。通常必須把它們放大到一定的數(shù)量級，才能被數(shù)字儀表或傳統(tǒng)的指針式儀表顯示出來。 采用差分放大電路差分放大電路是由典型的工作點穩(wěn)定電路演變而來的，它是構(gòu)成多級直接耦合放大電路的基本單元電路，但是差分放大電路應(yīng)用的元件小而多，會把電路復(fù)雜化，因此應(yīng)選用集成度更高的，精度也更高的元件,所以不予采用。 電壓比較器方案電壓比較器的功能是比較兩個電壓的大小，例如將一個信號電壓 和一個參iU考電壓 進行比較，在 和 兩種不同情況下，電壓比較器輸出兩個rUirUir不同的電平，即高電平和低電平。而 Ui 變化經(jīng)過 Ur 時，比較器的輸出將從一個）11電壓跳變到另一個電平，因此電壓比較器可以將模擬信號轉(zhuǎn)換成二值信號，即只有高電平和低電平的兩種狀態(tài)的離散信號，所以還可以作為模擬電路和數(shù)字電路的接口電路，但是電壓比較器的失調(diào)電壓和集成運放相比較大，共模抑制比小，計算相對麻煩不簡便，所以不予采用。 使用普通集成運算放大電路集成電路是 60 年代發(fā)展起來的新型電子器件，它是以單晶硅為基礎(chǔ)材料，以制造硅平面晶體管的平面工藝為基本工藝，將三極管、二極管、電阻、電容等制造在同一硅片上，并連接成能夠完成各種功能的電子線路。集成電路實現(xiàn)了材料、元器件、電路三者的有機結(jié)合。具有體積小、可靠性高、成本低等優(yōu)點，為電子技術(shù)的應(yīng)用開辟了一個嶄新的領(lǐng)域。 集成電路按其功能來分，有數(shù)字集成電路和模擬集成電路兩大類。模擬集成電路品種繁多，其中集成運算放大電路（簡稱集成運放）具有通用性強，使用靈活等優(yōu)點，獲得了廣泛的應(yīng)用。集成運放，就是用集成電路工藝制造的一種具有高放大倍數(shù)的多級直接耦合放大電路，給它配以適當(dāng)?shù)妮斎刖W(wǎng)絡(luò)和反饋網(wǎng)絡(luò)，便可以完成信號的運算、處理和變換，以及各種波形的產(chǎn)生等功能。集成運放電路由四部分組成，包括輸入級，中間級，輸出級和偏置電路。他有兩個輸入端，輸入級又稱前置級，它是一個雙端輸入的高性能差分放大電路。中間級是整個放大電路的主放大器，其作用是使集成運放具有較強的放大能力，輸出級具有輸出電壓線性范圍寬，輸出電阻小，失真小的特點，偏置電路用于設(shè)置集成運放各級放大電路的靜態(tài)工作點。其特點是精度高，結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)試方便、價格低廉。因此在本系統(tǒng)中采用集成運放作為信號放大電路 [8] 。 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的選擇 采用 V/F 轉(zhuǎn)換器）12V/F 轉(zhuǎn)換器是把電壓信號轉(zhuǎn)換成頻率信號的器件，有良好的精度，線性和積分輸入的特點。此外，它的應(yīng)用電路簡單，外圍元件性能要求不高，適應(yīng)環(huán)境能力強，轉(zhuǎn)換速度高，且價格低廉，因此 V/F 轉(zhuǎn)換技術(shù)廣泛用于 A/D 過程中。在精確度和精密度要求高，速度要求快的場合下，采用一般的 A/D 轉(zhuǎn)換技術(shù)就有許多不便，這時可使用 V/F 轉(zhuǎn)換器代替 A/D 轉(zhuǎn)換器。雖然 V/F 轉(zhuǎn)換器有以上的優(yōu)點,但是 V/F 轉(zhuǎn)換器的外部接線比較復(fù)雜,本系統(tǒng)的應(yīng)用是在實際的工廠中,環(huán)境比較復(fù)雜,各種干擾比較多,所以為了保持測量的精度,本系統(tǒng)不采用 V/F 轉(zhuǎn)換器作為模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。 采用雙積分型 A/D 轉(zhuǎn)換器 MC14433MC14433 是采用一路模擬量輸入，輸出為 3 位的轉(zhuǎn)換器，它的特點是結(jié)構(gòu)簡單，外接元件少，抗干擾能力強，精度稍高，但又因它的轉(zhuǎn)換速度慢，約為 200mS，而本系統(tǒng)中要求對溫度的控制速度要快，因此不予采用。 采用逐次逼近型 A/D 轉(zhuǎn)換器 AD574A12 位 A/D 轉(zhuǎn)換器 AD574A。AD574A 是美國模擬器件公司（Analog Devices） 生產(chǎn)的 12 位逐次逼近型快速 A/D 轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換速度最大為 35us，轉(zhuǎn)換精度≤，是目前我國應(yīng)用最廣泛、價格適中的 A/D 轉(zhuǎn)換器。AD574A 片內(nèi)配有三態(tài)輸出緩沖電路，因而可直接與各種典型的 8 位或 16 位的微處理器連接，而無須附加邏輯接口電路，且能與 CMOS 及 TTL 電平兼容。由于 AD574A 片內(nèi)包含高精度的參考電壓和時鐘電路，這使它在不需要任何