【正文】 C 以下范圍內(nèi)長期 工作短期可測 1800176。計算機控制技術(shù)課程設計電加熱爐溫度控制系統(tǒng) 電加熱爐溫度控制系統(tǒng)模型 建立及控制算法 本文以電加熱爐為控制對象通過對電加熱爐對象特性的分析來確定電加熱爐系統(tǒng)的構(gòu)成及控制方案而這里主要采用的設計方案是普通電加熱爐溫度控制系統(tǒng)模型建立及控制算法 8051單片機組成系統(tǒng)此外由于 PIDPID控制算法本文還建立電加熱爐數(shù)學模型此外在論文中也介紹了史密斯預估方案以及關(guān)于占空比這兩個問題都有在論文中提到其中史密斯預估方案對系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能影響很大而占空比 問題也對系統(tǒng)溫度加熱時間有很大關(guān)系出此之外論文中還介紹了電加熱爐溫度控制系統(tǒng)中要運用到的主要芯片以及這些芯片在系統(tǒng)中的各自功能也都有介紹 此論文重點討論了電加熱爐溫度控制系統(tǒng)系統(tǒng)的控制算法 關(guān)鍵詞 電加熱爐溫度控制單片機 PID 算法 緒論 1 1 電加熱爐溫度控制系統(tǒng)的構(gòu)成 2 11 各個主要元件電加熱爐溫度控制系統(tǒng)中的功能 2 12 電加熱爐溫度控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖及工作原理 2 13 系統(tǒng)中要用的主要芯片的簡介 3 8051 芯片簡介 3 定時計數(shù)器 5 鎖存器 74LS3736 光可控硅 6 8279 芯片的簡介 10 AD 轉(zhuǎn)換器 12 電源電路 13 14 電加熱爐溫度控制系統(tǒng)的控制實例 14 2 電加熱爐溫度控制系統(tǒng)的控制算法 15 21 電加熱爐溫度控制系統(tǒng)的性能指標 15 22 電加熱爐溫度控制系統(tǒng)數(shù)學模型的建立 15 23 PID 控制器的控制算法 16 PID 調(diào)節(jié)器參數(shù)對控制性能的影響 18 PID 控制系統(tǒng)參數(shù)設定及其控制系統(tǒng)的優(yōu)點 18 24 電加熱爐積分分離 PID 控制的仿真研究 20 3 控制系統(tǒng)的仿真實驗圖及分析 21 31 積分分離 PID 控制算法 21 32 占空比 25 結(jié)論 27 致謝 28 參考文獻 29 附錄 130 附錄 249 緒論 電加熱爐的出現(xiàn)給人類的生活帶來了很多方便使人類不管是在生活還是在工業(yè)方面都有了很多便利之處但是電加熱爐主要應用還是在生產(chǎn)過程實驗室及研究所電加熱爐本身可由多組爐絲提供功率用多組溫度傳感器檢測爐內(nèi)溫度因此電加熱爐屬多區(qū)溫度系統(tǒng)控制理論從經(jīng)典理論現(xiàn)代理論已經(jīng)發(fā)展到更先進的控制理論控制系統(tǒng)也由簡單的控制系統(tǒng)大系統(tǒng)發(fā)展到今天的復雜系統(tǒng)本文討論的電加熱爐爐溫控制系統(tǒng)由上下兩組爐絲進行加熱用上下 兩組熱電偶檢測爐溫 本文所采用的電加熱爐溫度控制采用的是適用于工業(yè)控制的 8051 單片機組成的控制系統(tǒng)為了降低電加熱爐的成本系統(tǒng)要求采用實現(xiàn)溫度閉環(huán)控制控制溫度誤差范圍 5176。 C 調(diào)節(jié)溫度的超調(diào)量小于 30 系統(tǒng)被測參數(shù)是溫度由單片機 PID運算得出的控制量控制光控可控硅的導通和關(guān)斷以便切斷或接通加熱電源調(diào)整電功率從而控制電加熱爐的溫度穩(wěn)定在設定的值上并實時顯示爐內(nèi)溫度記錄溫度的變化過程以更好的控制電加熱爐工作本系統(tǒng)較理想地解決了爐溫控制中平穩(wěn)性快速性與精度之間的矛盾 電加熱爐是一種將電能轉(zhuǎn)換為熱能在工礦企業(yè)和日常生活中 是一種常見的設備在社會發(fā)展的今天電加熱爐的使用即可以提高生產(chǎn)效益節(jié)約能源也減少了環(huán)境的污染在社會經(jīng)濟發(fā)展和改善人民生活質(zhì)量等方面的優(yōu)點早已成為社會的共識 隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展科技水平的進步人民生活水平的提 4 高將使社會帶入一個新的階段人們對熱能的需求質(zhì)量越來越大電加熱爐的優(yōu)越性越發(fā)的突出來這樣就出現(xiàn)了一個問題由于傳統(tǒng)的電加熱爐存在一定的弊端而造成能源的浪費導致其生產(chǎn)效率低其主要原因是缺少有效的調(diào)節(jié)設備導致的浪費如何解決這一問題滿足社會的需求設計得更加科學合理在全國仍在探討并且現(xiàn)代電加熱爐的控制方法由于數(shù)學深 奧算法復雜現(xiàn)場工程師難以理解和接受因而先進控制算法的推廣受到制約為克服以上種種困難將來的電加熱爐以控制算法簡單靜動態(tài)性能好的特點有較高的實用價值和理論價值特別是以節(jié)約能源保護環(huán)境的方向發(fā)展 1 電加熱溫度控制系統(tǒng)的構(gòu)成 此次設計的電阻爐溫度控制系統(tǒng)主要包括 8051 單片機溫度控制檢測元件和變送器 AD 轉(zhuǎn)換器鍵盤與顯示器溫度控制電路和報警電路等幾個部分 11 各主要芯片的在電加熱爐溫度控制系統(tǒng)中的功能 首先該系統(tǒng)選用性能價格比較高的適用于工業(yè)控制 MCS51 系列單片機 8051作為主機具有控制方便簡單和靈活性等特點而 且可以大幅度提高被控溫度的技術(shù)指標從而能大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量 其次是應用了定時計數(shù)器定時計數(shù)器控制寄存器 TCON 的作用是控制定時器的啟停標志定時器的溢出和中斷情況 此外還應用了鎖存器 74LS37374LS373 片內(nèi)是 8 個輸出帶三態(tài)門的 D 鎖存器縮存器中內(nèi)容可以根據(jù)設置的電平的高低對內(nèi)容進行更新和保存 還有應用到了光控可控硅晶閘管又叫硅可控整流元件常簡稱為可控硅不只是來進行可控整流．它還可以用作無觸點開關(guān)以快速接通或切斷電路實現(xiàn)將直流電變成交流電的逆變將一種額率的交流電變成另種頻率的交流電176。 C 的高溫 12 電加熱爐溫度控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖及工作原理 圖 11 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 工作原理熱電偶用來檢測爐溫將電阻爐中的溫度轉(zhuǎn)變成毫伏級的電壓信號經(jīng)溫度變送器放大并轉(zhuǎn)換成電流信號由于 AD 轉(zhuǎn)換器接受的是電壓量所以在溫度變送器的輸出端介入電阻網(wǎng)絡把得到的電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號通過采樣和 AD轉(zhuǎn)換所檢測得到的電壓信號和爐溫給定的電壓信號都轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送入到微型機中進行比較其差值即為實際電爐和給定爐溫間的偏差微型機構(gòu)成的數(shù)字控制器對偏差按一定的控制規(guī)律進行運算運算結(jié)果送 DA 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬電壓經(jīng) 功率放大器放大后送到晶閘管調(diào)壓器觸發(fā)晶閘管并改變其導通角的大小從而控制電阻爐的加溫電壓起到調(diào)節(jié)爐溫的作用 13 系統(tǒng)中要用到的主要芯片的簡介 8051 8051 單片機包含中央處理器程序存儲器 ROM 數(shù)據(jù)存儲器 RAM 定時計數(shù)器并行接口串接口和中斷系統(tǒng)等幾大單元及數(shù)據(jù)總線地址總線和控制總線等三大總線中央處理器中央處理器 CPU 是整個單片機的核心部件是 8 位數(shù)據(jù)寬度的處理器能處理 8位二進制數(shù)據(jù)或代碼 CPU負責控制指揮和調(diào)度整個單元系統(tǒng)協(xié)調(diào)的工作完成運算和控制輸入輸出功能等操作 據(jù)存儲器 RAM 8051 內(nèi)部有 128 個 8 位用戶數(shù)據(jù)存儲單元和 128 個專用寄存器單元它們是統(tǒng)一編址的專用寄存器只能用于存放控制指令數(shù)據(jù)用戶只能訪問而不能用于存放用戶數(shù)據(jù)所以用戶能使用的的 RAM只有 128個可存放讀寫的數(shù)據(jù)運算的中間結(jié)果或用戶定義的字型表程序存儲器 ROM 8051 共有 4096 個 8 位掩膜 ROM用于存放用戶程序原始數(shù)據(jù)或表格定時計數(shù)器 ROM 8051 有兩個 16 位的可編程定時計數(shù)器以實現(xiàn)定時或計數(shù)產(chǎn)生中斷用于控制程序轉(zhuǎn)向并行輸入輸出 IO 口8051 共有 4 組 8 位 IO 口 P0 P1P2 或 P3 用于對外部數(shù)據(jù)的傳 輸 全雙工串行口 8051 內(nèi)置一個全雙工串行通信口用于與其它設備間的串行數(shù)據(jù)傳送該串行口既可以用作異步通信收發(fā)器也可以當同步移位器使用中斷系統(tǒng) 8051具備較完善的中斷功能時鐘電路 8051 內(nèi)置最高頻率達 12MHz 的時鐘電路用于產(chǎn)生整個單片機運行的脈沖時序但 8051單片機需外置振蕩電容 MCS51的引腳說明8051 采用 40Pin 封裝的雙列直接 DIP 結(jié)構(gòu)圖是它們的引腳配置 40 個引腳中正電源和地線兩根外置石英振蕩器的時鐘線兩根 4 組 8 位共 32 個 IO 口中斷口線與P3 口線復用功能說明 Pin20 接地腳 Pin40 正電源腳正常工 作或?qū)ζ瑑?nèi) EPROM 燒寫程序時接 5V 源 Pin19 時鐘 XTAL1 腳片內(nèi)振蕩電路的輸入端 Pin18 時鐘 XTAL2 腳片內(nèi)振蕩電路的輸出端 輸入輸出 IO 引腳 Pin39Pin32 為 P00P07 輸入輸出腳 Pin1Pin1 為 P10P17輸入輸出腳 Pin21Pin28為 P20P27輸入輸出腳 Pin10Pin17為 P30P37輸入輸出腳 Pin9RESETVpd復位信號復用腳當 8051通電時鐘電路開始工作在 RESET引腳上出現(xiàn) 24個時鐘周期以上的高電平系統(tǒng)即初始復位初始化后程序計數(shù)器 PC指向0000HP0P3 輸出口全部為高電平堆棧指鐘寫入 07H 其它專用寄存器被清 0RESET由高電平下降為低電平后系統(tǒng)即從 0000H 地址開始執(zhí)行程序然而初始復位不改變 RAM包括工作寄存器 R0R7的狀態(tài) 8051的初始態(tài)如下表 Pin30ALEPROE當訪問外部程序器時 ALE 地址鎖存 的輸出用于鎖存地址的低位字節(jié)而訪問內(nèi)部程序存儲器時 ALE 端將有一個 16時鐘頻率的正脈沖信號這個信號可以用于識別單片機是否工作也可以當作一個時鐘向外輸出更有一個特點當訪問外部程序存儲器ALE 會跳過一個脈沖如果單片機是 EPROM 在編程其間將用于輸入編程 脈沖 Pin29 當訪問外部程序存儲器時此腳輸出負脈沖選通信號 PC的 16 位地址數(shù)據(jù)將出現(xiàn)在 P0 和 P2 口上外部程序存儲器則把指令數(shù)據(jù)放到 P0口上由 CPU 讀入并執(zhí)行 Pin31EAVpp 程序存儲器的內(nèi)外部選通線 8051 和 8751 單片機內(nèi)置有 4kB的程序存儲器當 EA 為高電平并且程序地址小于 4kB 時讀取內(nèi)部程序存儲器指令數(shù)據(jù)而超過 4kB 地址則讀取外部指令數(shù)據(jù)如 EA為低電平則不管地址大小一律讀取外部程序存儲器指令顯然對內(nèi)部無程序存儲器的 8031EA 端必須接地在編程時EAVpp腳還需加上 21V的編程電壓晶閘管又叫硅可控整流 元件常簡稱為可控硅普通晶閘管是一種具有三個 PN 結(jié)的四層結(jié)構(gòu)的大功率半導體器件目前晶閘管的派生器件很多如雙向晶閘管可關(guān)斷晶閘管光控晶閘管等在無線電技術(shù)中應用也很廣泛事實上晶閘管不只是川來進行可控整流．它還可以用作無觸點開關(guān)以快速接通或切斷電路實現(xiàn)將直流電變成交流電的逆變將一種額率的交流電變成另種頻率的交流電等等人們常稱它為電力電子器件 1 可控硅工作原理 可控硅是 P1N1P2N2四層三端結(jié)構(gòu)元件共有三個 PN結(jié)分析原理時可以把它看作由一個 PNP管和一個 NPN管所組成當陽極 A加上正向電壓時 BG1 和 BG2管均處于放 大狀態(tài)此時如果從控制極 G輸入一個正向觸發(fā)信號 BG2便有基流 ib2流過經(jīng)BG2 放大其集電極電流 ic2 β 2ib2 因為 BG2 的集電極直接與 BG1 的基極相連所以 ib1 ic2 此時電流 ic2 再經(jīng) BG1 放大于是 BG1 的集電極電流 ic1 β 1ib1 β 1β 2ib2 這個電流又流回到 BG2 的基極表成正反饋使 ib2 不斷增大如此正向饋循環(huán)的結(jié)果兩個管子的電流劇增可控硅使飽和導通 由于 BG1 和 BG2 所構(gòu)成的正反饋作用所以一旦可控硅導通后即使控制極 G的電流消失了可控硅仍然能夠維持導通狀態(tài)由于觸發(fā)信號只起觸發(fā)作用沒有關(guān)斷功能所以這種 可控硅是不可關(guān)斷的 由于可控硅只有導通和關(guān)斷兩種工作狀態(tài)所以它具有開關(guān)特性這種特性需要一定的條件才能轉(zhuǎn)化 表 13 可控硅導通和關(guān)斷條件 2 基本伏安特性 圖 15 可控硅基本伏安特性 1 反向特性 當控制極開路陽極加上反向電壓時見圖 3J2 結(jié)正偏但 J1J2 結(jié)反偏此時只能流過很小的反向飽和電流當電壓進一步提高到 J1 結(jié)的雪崩擊穿電壓后接差 J3結(jié)也擊穿電流迅速增加圖 3 的特性開始彎曲如特性 OR 段所示彎曲處的電壓 URO叫反向轉(zhuǎn)折電壓此時可控硅會發(fā)生永久性反向擊穿 2 正向特性 當控制極開路陽極上加上正向電壓時見圖 J1J3結(jié)正偏但 J2結(jié)反偏這與普通PN 結(jié)的反向特性相似也只能流過很小電流這叫正向阻斷狀態(tài)當電壓增加圖 3 的特性發(fā)生了彎曲如特性 OA 段所示彎曲處的是 UBO 叫正向轉(zhuǎn)折電壓 圖 17 陽極加正向電壓 由于電壓升高到 J2結(jié)的雪崩擊穿電壓后 J2結(jié)發(fā)生雪崩倍增效應在結(jié)區(qū)產(chǎn)生大量的電子和空穴電子時入 N1區(qū)空穴時入 P2區(qū)進入 N1區(qū)的電子與由 P1區(qū)通過J1 結(jié)注入 N1 區(qū)的空穴復合同樣進入 P2 區(qū)的空穴與由 N2 區(qū)通過 J3 結(jié)注入 P2 區(qū)的電子復合雪崩擊穿進入 N1區(qū)的電子與進入 P2區(qū)的空穴各自不能全部復合掉這樣在 N1區(qū)就有電子積累在 P2區(qū)就有空 穴積累結(jié)果使 P2區(qū)的電位升高 N1區(qū)的電位下降 J2 結(jié)變成正偏只要電流稍增加電壓便迅速下降出現(xiàn)所謂負阻特性見圖 3的虛線 AB 段 這時 J1J2J3 三個結(jié)均處于正偏可控硅便進入正向?qū)щ姞顟B(tài) 通態(tài)此時它的特性與普通的 PN 結(jié)正向特性相似見圖 2 中的 BC 段