課程設計--爐溫控制系統(tǒng)的設計(已修改)
2025-06-20 22:39 本頁面
【正文】 二○一三～二○一四 學年第 一 學期 信息科學與工程學院 課程設計報告書 課程名稱： 計算機控制與接口技術課程設計 班 級： 學 號： 姓 名： 指導教師： 二○一三年 十 一 月 一、 設計題目和設計要求 爐 溫控制系統(tǒng)的設計 設計一個 爐 溫控制系統(tǒng) ，對象的傳遞函數(shù)： sessG 02115 8)( ???，爐子為電爐結構，單相交流 220V 供電。溫度設定值： 室溫 ~100℃ ，可以任意調節(jié)。要求： (1) 畫出電路原理圖，包括：給定值、反饋、顯示的電路及主電路； (2) 闡述電路的工作原理； (3) 采用對象為大滯后的算法，求出 u(k)。 (4) 定出閉環(huán)數(shù)學控制的程序框圖。 二、 設計任務分析 （一） 系統(tǒng)設計： 在 工業(yè) 化 生產(chǎn)中， 需要 有大量的加熱設備，如用于熔化金屬的坩堝爐 、 用于熱處理的加熱爐 ，以及各種不同用途的反應爐， 加熱爐， 溫度 控制成為制約工業(yè)發(fā)展的重要環(huán)節(jié)。 隨著計算機技術的不斷發(fā)展， 用于工業(yè)生產(chǎn)中 爐溫控制的微機控制系統(tǒng) 更加成熟。實踐證明，它 具有 功能強、 精度高， 經(jīng)濟性好的特點，無論在提高產(chǎn)品質量還是產(chǎn)品數(shù)量， 能源環(huán)保 ，還是改善勞動條件等方面都顯示出無比的優(yōu)越性。 該系統(tǒng)以 MCS51 單片機為核心構成一個 爐溫控制系統(tǒng)， 該系統(tǒng)具有對電爐溫度的 實時控制 ，定時檢測和調節(jié)，溫度數(shù)據(jù)顯示并打印，存儲必要的信息等功能。由外部操作鍵盤，輸入給定數(shù)值，進行相應的參數(shù)設定，并可以根據(jù)需要進行手動、自動之間的 切換。 本系統(tǒng)主要由單片機應用系統(tǒng)主機板、晶閘管主電路及電氣控制 、 溫度檢測與信號放大模塊、數(shù)字控制與同步觸發(fā)模塊等部分組成。單片機應用系統(tǒng)主機板 采用模塊式結構，功口線和各信號設計成總線形式，應用系統(tǒng)的各部分 都通過總線插座方便地與單片機接口 。 Ⅰ .典型的反饋式溫度控制系統(tǒng)通常由下圖（ a）所示的幾部分組成，其中調節(jié)器 由微型機來完成。 圖 a 單片機爐溫控制系統(tǒng)結構圖 Ⅱ .給定信號如何給計算機 溫度給定值可以通過計算機鍵盤輸入（鍵盤與單片機連接），也可以通過數(shù)學 表達式由程序自動設定，還可以用撥碼盤，一般撥碼盤常用于過程控制的控制柜 （化工企業(yè)）。 為了便于討論，本設計假定由人工鍵盤輸入溫度給定值。 Ⅲ .溫度的監(jiān)測與調節(jié) 理想的情況是采用 A/D 轉換器作為輸入通道，當精度要求不高時，可以半導 體熱敏電阻測量溫度，和通過單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出的脈沖寬度來實現(xiàn)溫度檢測和輸 入。用熱敏電阻也是一種常用的方式。熱敏電阻作為半導體的效果往往決定于環(huán) 境和計算機應用程序配合的結果。 可以采用溫度范圍為 0～ 120℃的熱敏電阻來構成所需要的電路，不用熱電偶的原因是：因為熱電偶在低溫段線性差，它只是在高溫段準確。 （二）控制方案 本系統(tǒng)中把可控硅和 電阻爐溫度變送器統(tǒng)一稱為被控對象。電阻爐系統(tǒng)是個自衡系統(tǒng)，可以近似為一個一階慣性環(huán)節(jié)和一個延遲環(huán)節(jié)，傳遞函數(shù)可以表示為：????(??) = ??1+??1????????? 在檢測的基礎上，我們采用數(shù)字 數(shù)字控制器直接設計的方法 ，把爐內溫度控制的設定值與實測值進行比較，是靜態(tài)誤差最小。 理論分析和實踐證明電阻爐是一個具有自平衡能力的對象，可以用一個一階慣性環(huán)節(jié)和一個延遲環(huán)節(jié)來近似描述，考慮到零階保持器，系統(tǒng)的簡化動態(tài)結構圖如圖 b. 被控對象加上零階保持器的廣義對象傳遞函數(shù)為 : 本系統(tǒng)數(shù)字控制器采用增量式 PID 調節(jié)器，由增量式 PID 控制算法可知： 式中： ek 本次設定值與實測值之差 。 （ 三 ）控制方案 的實現(xiàn) 在生產(chǎn)過程中，大多數(shù)工業(yè)對象具有較大的純滯后時間，對象的純滯后時間 ? 對控制系統(tǒng)的控制性能極為不利，它使系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低，過渡過程特性變壞。當對象的純滯后時間 ? 與對象的慣性時間常數(shù) T1 之比，即 ? /T1? 時，采用常規(guī)的比例積分微分（ PID）控制，很難獲得良好的控制性能。長期以來，人們對純滯后對象的控制作了大量的研究，比較有代表性的方法有大林算法和純滯后補償 (Smith預估 )控制。 本 設計 以大林算法為依據(jù)進行研究，大林算法的被控
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