【正文】 應輸出曲線五、串級控制系統(tǒng)性能分析圖8與圖10比較可知，串級系統(tǒng)輸出曲線第一峰值出現(xiàn)時間明顯比單回路系統(tǒng)更早，縮短了上升時間，減小了對象時間常數(shù)，系統(tǒng)快速性增強。串級系統(tǒng)輸出曲線的調節(jié)時間縮短，使系統(tǒng)更早進入穩(wěn)定狀態(tài)，系統(tǒng)振蕩幅度明顯得到改善，增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 對串級控制系統(tǒng)和單回路控制系統(tǒng)階躍響應輸出曲線對比可知，串級控制系統(tǒng)由于增加了副控制回路，使控制系統(tǒng)的的抗干擾性能、動態(tài)性能、工作頻率及自適應能力都得到明顯改善。其性能可歸納為： 可以顯著提高系統(tǒng)對二次擾動的抑制能力，甚至是二次干擾在對主被控量尚未產(chǎn)生明顯影響時就被副回路克服了。由于副回路調節(jié)作用的加快，整個系統(tǒng)的調節(jié)作用也加快，對一次擾動的抑制能力也得到提高。 提高了系統(tǒng)的工作頻率，由于副回路性能的改善，使得主控制器的比例帶可以更窄，從而提高了系統(tǒng)工作頻率。提高了系統(tǒng)的動態(tài)性能，由于副回路顯著改善了包括控制閥在內的副對象的特性，減少了時間常數(shù)和相位滯后，使得整個系統(tǒng)的動態(tài)性能得到明顯改善。對負荷干擾或操作條件的變化有一定的自適應能力。包括控制閥在內的副對象在操作條件和負荷變化時，其特性變化對系統(tǒng)的影響顯著地削弱。但串級控制系統(tǒng)也存在一些不足：只有當中間變量能夠檢測出來時，才可能采用串級控制系統(tǒng)，但許多過程在結構上是不容易以這種方式加以分割的；串級控制系統(tǒng)比單回路控制系統(tǒng)需要更多的儀表，串級控制系統(tǒng)的投放和整定也比單回路控制系統(tǒng)復雜些。在實際生產(chǎn)中，如果是單回路控制系統(tǒng)能夠解決的問題，就不一定非要采用串級控制系統(tǒng)方案，一般當單回路控制方案質量達不到實際要求時，才考慮采用串級控制系統(tǒng)。六、控制系統(tǒng)實現(xiàn)本系統(tǒng)設計要求的方案有多種：(1)用PLC為控制器，熱電阻/熱電偶作為測溫器件，實現(xiàn)閉環(huán)控制。(2)用單片機結合溫度傳感器和加熱執(zhí)行機構對溫度進行控制，鍵盤修改溫度參數(shù)、顯示。每一種方案都有其各自的優(yōu)點。本章詳細列舉、說明了兩種不同的設計方案的優(yōu)缺點進行對比，選出了最佳控制方案。方案一：以PLC為控制器此方案用PLC作為主要控制器的核心，利用熱電偶作為測溫器件，然后通過一個變送器將溫度轉換成電壓信號，送入到A/D轉換器進行模擬到數(shù)字量的轉換，轉換結轉送入PLC，由PLC根據(jù)給定值與測量值的大小作比較得到一個偏差，再由D/A將偏差數(shù)字量轉換成模擬量來調節(jié)加熱絲的工作時間或者通過調節(jié)不同電壓來調節(jié)加熱絲的加熱功率，最終達到窯爐恒溫控制的目的。系統(tǒng)原理框圖如下圖1所示： 實際溫度加熱給定值D/A轉換PLC控制器A/D轉換變送器熱電偶圖1 方案一的原理框圖方案二：采用51單片機為主控芯片此方案采用單片機為主控芯片。利用熱電阻PT100作為溫度傳感器件，然后通過運算放大器OP07構建差分放大器將溫度信號轉換成ADC0809模擬通道的輸入的05V標準信號，再由ADC0809將模擬信號轉換成八位數(shù)字信號，傳送給單片機P0口，單片機將實時溫度和設置參數(shù)通過數(shù)碼管顯示出來，同時通過鍵盤輸入設定溫度，單片機將設定溫度同ADC0809傳送過來的數(shù)據(jù)進行比較運算，利用PID運算，作出相應的判斷，從而控制窯爐的加熱絲在一個固定周期中通電加熱時間的長短來達到恒溫控制的目的。系統(tǒng)原理框圖如下圖2所示：鍵盤電路PWM控制SSR51單片機溫度信號處理A/D轉換加熱機構 Pt100SSR工作指示顯示和報警電路圖2 方案二的原理框圖根據(jù)兩個方案的原理和組成結構，主要考慮以下一些因素考慮。從組成結構來比較，以PLC為控制器的方案安裝接線比較繁瑣，而實際顯示需要單獨的顯示屏，調節(jié)溫度時不太方便，若要改變給定值，需要添加專門的輸入模塊或者需要重新下載控制程序。而51單片機控制系統(tǒng)，整個控制系統(tǒng)可以規(guī)劃的一塊PCB電路板上，從而安裝起來更加方便，而且其功能比較齊全，顯示模塊簡單，調節(jié)溫度可通過鍵盤來設置，使用很方便。從成本上來看。以PLC為控制器的方案比較昂貴，51單片機控制系統(tǒng)更加經(jīng)濟。考慮到用戶的心里接受傾向，51單片機控制系統(tǒng)更有市場推廣價值。通過以上分析和比較從而得出：窯爐溫度控制系統(tǒng)采用單片機作為控制器的系統(tǒng)比PLC控制系統(tǒng)成本更低，使用更加方便，快捷?；谏鲜鲈?，最終確定采用方案二。七、窯爐溫度控制系統(tǒng)硬件電路設計本系統(tǒng)硬件電路主要由以下部分組成：供電電源電路、單片機最小系統(tǒng)電路、溫度檢測電路、數(shù)模轉換電路、鍵盤輸入電路、聲光報警電路、繼電器輸出電路、LED顯示電路主控電路所需的+5V電源；外圍電路（如繼電器、運算放大器）所需的+12V和12V電源。如圖3系統(tǒng)供電電源電路原理圖所示：此電路采用“降壓224。整流224。濾波224。穩(wěn)壓224。濾波”的線形電源模式。這里選用了78M179M178M05三端穩(wěn)壓器。(原理圖見圖紙2)由于78M系列三端集成穩(wěn)壓器內部有過熱、過流保護電路，外圍元件少，性能優(yōu)良，體積小、價格低，所以在很多電路中廣泛應用。它的工作原理與一般的分立件組成的串聯(lián)調整式穩(wěn)壓電源相似，區(qū)別在于增加了啟動電路、恒壓源以及保護電路。為了使穩(wěn)壓器能在比較大的電壓范圍內正常工作，在基準電壓形成和誤差放大部分設置了恒流源電路，啟動電路的作用就是為恒流源建立工作點。實際電路是由一個電阻網(wǎng)絡構成，在輸出不同電壓穩(wěn)壓器中，采用不同的串并聯(lián)接法，形成不同的分壓比，通過誤差放大之后去控制調整管的工作狀態(tài)，以形成和穩(wěn)定一系列的輸出電壓。雖然三端穩(wěn)壓器有很多優(yōu)點，但因目前功率集成技術水平的限制。然而本次設計需要的是電壓，可以不考慮電流部分。使用三端集成穩(wěn)壓器時一定要注意：輸入電壓與輸出電壓差不能過大，一般選擇在6～10V為宜，壓差過小，輸出電壓紋波大，起不到穩(wěn)壓作用，壓差過大，穩(wěn)壓器本身消耗的功率就隨之增大，容易損害穩(wěn)壓器。78M05集成穩(wěn)壓器是將功率調整管、取樣電阻以及基準穩(wěn)壓、誤差放大、啟動和保護電路等全部集成在一個芯片上而形成的一種穩(wěn)壓集成電路。電路中兩個二極管IN4007是：防止系統(tǒng)不穩(wěn)定時，輸出電壓高于輸入電壓，從而導致三端集成穩(wěn)壓器被燒毀，起到保護作用。上述電源中所用的電源變壓器功率為10W。電路中的壓敏電阻VDR是防雷、抑制過電壓作用，保護電路免受過電壓的損害。壓敏電阻VDR在它上面的電壓低于它的閥值UN=471V時，流過它的電流極小，相當于一只關死的閥門，當電壓超過471V時，流過它的電流激增，相當于短路，這時FUSE會因為電流激增而燒毀，使電路斷開。單片機最小系統(tǒng)指的是由最基本的電路元件組成的，外接部分簡單的電路就能夠獨圖4單片機最小系統(tǒng)原理圖立成一定的工作任務的單片機系統(tǒng)。51單片機的最小系統(tǒng)由單片機芯片、電源、時鐘電路、和復位電路組成。如圖4單片機最小系統(tǒng)原理圖所示，其中的晶振時鐘電路用來產(chǎn)生時鐘信號，以提供單片機片內各種數(shù)字邏輯電路工作的時間基準。按鍵S6_1能實現(xiàn)手動復位，電容C6_1能實現(xiàn)上電復位，復位電路用來使片內電路完成初始化的操作，具體功能是使程序計數(shù)器PC=0000H，引導程序從0000H地址單元開始執(zhí)行； SFR中的21個特殊功能寄存器復位后的狀態(tài)是確定。AT89S51是一個低功耗，高性能CMOS 8位單片機，片內含4k Bytes ISP(Insystem programmable)的可反復擦寫1000次的Flash