【正文】 與給定值信號(hào)的差值進(jìn)行比例、積分、微分規(guī)律運(yùn)算后將控制信號(hào)送入PWM電路，PWM電路控制固態(tài)繼電器的通電和斷電時(shí)間，從而控制電阻爐的溫度，只有當(dāng)調(diào)節(jié)器的輸入信號(hào)與給定值相等時(shí)，即差值為零時(shí)，固態(tài)繼電器的通電時(shí)間不變，使電阻爐的溫度控制在給定值上，從而達(dá)到了恒溫控制的要求。檢測(cè)一下調(diào)節(jié)器和執(zhí)行器是否能正常工作。一定將各儀表對(duì)應(yīng)的端子連接正確，避免造成事故。 溫度控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)線路 系統(tǒng)的連線框圖系統(tǒng)的接線端子圖與系統(tǒng)的基本原理框圖是一致的。本設(shè)計(jì)采用C51進(jìn)行編程（程序見(jiàn)附錄C）（3） PWM電路板由于實(shí)驗(yàn)室的數(shù)字調(diào)節(jié)器不帶有PWM模塊，所以需要自己焊制PWM電路板， PWM電路板用信號(hào)發(fā)生器模擬調(diào)節(jié)器輸出的420mA電流，對(duì)PWM電路進(jìn)行了演示， PWM演示圖1 PWM演示圖2 PWM演示圖3第五章 電阻爐溫度控制系統(tǒng)的參數(shù)整定及系統(tǒng)調(diào)試根據(jù)前面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，下一步應(yīng)進(jìn)行該系統(tǒng)的參數(shù)整定及系統(tǒng)調(diào)試。當(dāng)A、B 有一個(gè)為高電平，則另一個(gè)就允許輸入數(shù)據(jù)，并在CLOCK 上升沿作用下決定Q0 的狀態(tài)。 串行數(shù)據(jù)輸入端（A，B）可控制數(shù)據(jù)。通過(guò)DI 數(shù)據(jù)輸入端，可以輕易的實(shí)現(xiàn)通道功能的選擇。芯片轉(zhuǎn)換時(shí)間僅為32μS，據(jù)有雙數(shù)據(jù)輸出可作為數(shù)據(jù)校驗(yàn)，以減少數(shù)據(jù)誤差，轉(zhuǎn)換速度快且穩(wěn)定性能強(qiáng)。 Vcc/REF 電源輸入及參考電壓輸入（復(fù)用）；ADC0832 為8位分辨率A/D轉(zhuǎn)換芯片，其最高分辨可達(dá)256級(jí)，可以適應(yīng)一般的模擬量轉(zhuǎn)換要求。 DO 數(shù)據(jù)信號(hào)輸出，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出；　　 GND 芯片參考0 電位（地）；　　 CH0 模擬輸入通道0，或作為IN+/使用；　　C；　　芯片接口說(shuō)明：　　C，工業(yè)級(jí)芯片溫寬為?40176。 商用級(jí)芯片溫寬為0176。 一般功耗僅為15mW；　　 5V電源供電時(shí)輸入電壓在0~5V之間；　　 雙通道A/D轉(zhuǎn)換；　　 ADC0832的引腳圖ADC0832 具有以下特點(diǎn)：　　以下為其引腳圖： AT89C2051引腳圖主要性能：　　和MCS51產(chǎn)品兼容；　　2KB可重編程FLASH存儲(chǔ)器（1000次）；　?。弧　∪o態(tài)工作：0Hz24KHz；　　2級(jí)程序存儲(chǔ)器保密鎖定；　　128*8位內(nèi)部RAM；　　15條可編程I/O線；　　兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；　　6個(gè)中斷源；　　可編程串行通道；　　高精度電壓比較器（，）；直接驅(qū)動(dòng)LED的輸出端口；ADC0832 是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的一種8 位分辨率、雙通道A/D轉(zhuǎn)換芯片。PWM電路圖見(jiàn)附錄B。從而實(shí)現(xiàn)了電阻爐的溫度控制。 總之，PWM既經(jīng)濟(jì)、節(jié)約空間、抗噪性能強(qiáng)，是一種值得廣大工程師在許多設(shè)計(jì)應(yīng)用中使用的有效技術(shù)。從模擬信號(hào)轉(zhuǎn)向PWM可以極大地延長(zhǎng)通信距離。噪聲只有在強(qiáng)到足以將邏輯1改變?yōu)檫壿?或?qū)⑦壿?改變?yōu)檫壿?時(shí)，也才能對(duì)數(shù)字信號(hào)產(chǎn)生影響。PWM的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是從處理器到被控系統(tǒng)信號(hào)都是數(shù)字形式的，無(wú)需進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。通的時(shí)候即是直流供電被加到負(fù)載上的時(shí)候，斷的時(shí)候即是供電被斷開(kāi)的時(shí)候。PWM信號(hào)仍然是數(shù)字的，因?yàn)樵诮o定的任何時(shí)刻，滿幅值的直流供電要么完全有(ON)，要么完全無(wú)(OFF)。脈沖寬度調(diào)制（PWM）是一種對(duì)模擬信號(hào)電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法。然后再通過(guò)無(wú)紙記錄儀U盤數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分析軟件對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。本設(shè)計(jì)使用的是藍(lán)屏無(wú)紙記錄儀，在使用時(shí)應(yīng)先進(jìn)入組態(tài)模塊，操作身份選為工程師，進(jìn)而進(jìn)入主菜單修改參數(shù)，通道選為單通道顯示，量程選為01000，接收信號(hào)選為S型熱電偶，單位選為攝氏度。帶有軟磁盤驅(qū)動(dòng)的EXII型無(wú)紙記錄儀還可將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行拷盤存檔，用戶可用我們提供的上位機(jī)軟件，對(duì)已記錄數(shù)據(jù)的軟盤，在上位機(jī)上重現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)和歷史曲線。固態(tài)繼電器具有高壽命，靈敏度高，快速轉(zhuǎn)換，電磁干擾小等優(yōu)點(diǎn)，固本設(shè)計(jì)采用固態(tài)繼電器。固態(tài)繼電器的輸出電路也可分為直流輸出電路，交流輸出電路和交直流輸出電路等形式。有些輸入控制電路還具有與TTL/CMOS兼容，正負(fù)邏輯控制和反相等功能。固態(tài)繼電器有三部分組成:輸入電路，隔離(耦合)和輸出電路。固態(tài)繼電器與機(jī)電繼電器相比，是一種沒(méi)有機(jī)械運(yùn)動(dòng)，不含運(yùn)動(dòng)零件的繼電器，但它具有與機(jī)電繼電器本質(zhì)上相同的功能。在本設(shè)計(jì)中可以使用DDZⅢ型調(diào)節(jié)器也可以使用數(shù)字式調(diào)節(jié)器，本設(shè)計(jì)采用 數(shù)字式調(diào)節(jié)器，因?yàn)閿?shù)字式調(diào)節(jié)器相對(duì)于DDZⅢ型調(diào)節(jié)器使用起來(lái)更方便而且調(diào)節(jié)更精確。調(diào)節(jié)器包括偏差檢測(cè)和進(jìn)行PID運(yùn)算的兩部分電路。當(dāng)、均很大時(shí)，則上式就近似等于理想PID運(yùn)算規(guī)律的表達(dá)式了。理想的PID調(diào)節(jié)器的運(yùn)算規(guī)律可用下式表示 （41）也可用傳遞函數(shù)表示為 （42）式中第一項(xiàng)為比例(P)部分，第二項(xiàng)為積分(I)部分，第三項(xiàng)為微分(D)部分，各變量的意義如下：——調(diào)節(jié)器的比例增益；——調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間；——調(diào)節(jié)器的微分時(shí)間；實(shí)際PID調(diào)節(jié)器的運(yùn)算規(guī)律表達(dá)式要復(fù)雜些，其傳遞函數(shù)常用下式表示 （43）式中 ——調(diào)節(jié)器變量之間的相互干擾系數(shù)，可表示為，其中比例系數(shù)的大小與調(diào)節(jié)器的構(gòu)成方式有關(guān)。在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，調(diào)節(jié)器是構(gòu)成自動(dòng)控制系統(tǒng)的核心儀表，它將來(lái)自變送器的測(cè)量值與給定值相比較后產(chǎn)生的偏差進(jìn)行比例、積分、微分(PID)運(yùn)算，并輸出統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作，以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度及其他工藝變量的自動(dòng)控制。這一交變的磁通量將在原、副線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),這便是自耦變壓器的工作原理。（2）自耦變壓器的工作原理自耦變壓器也是利用電磁感應(yīng)原理制成的。 如果把整個(gè)線圈作原線圈，副線圈只取線圈的一部分，就可以降低電壓（）；如果把線圈的一部分作原線圈，整個(gè)線圈作副線圈，就可以升高電壓（ 乙所示)。（1）自耦變壓器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。通常用作為標(biāo)準(zhǔn)或作為測(cè)量高溫的熱電偶，它的使用溫度范圍廣、均質(zhì)性及互換性好。S型熱電偶的特點(diǎn)是熱電性能穩(wěn)定，抗氧化性強(qiáng)，宜在氧化性、惰性氣氛中連續(xù)使用，其準(zhǔn)確度等級(jí)是最高的。本設(shè)計(jì)中的研究對(duì)象為電阻爐，它的最大上限在1000℃左右，因此本設(shè)計(jì)采用鉑銠10鉑熱電偶(分度號(hào)為S)。稱中間溫度。這條定律說(shuō)明，熱電偶必須由兩種不同性質(zhì)的材料構(gòu)成。因此，在熱電偶測(cè)溫時(shí)，可接入測(cè)量?jī)x表，測(cè)得熱電動(dòng)勢(shì)后，即可知道被測(cè)介質(zhì)的溫度。中間導(dǎo)體定律是熱電偶回路的一個(gè)重要性質(zhì)。如果兩物體其中之一是溫度計(jì)的感溫部分，另一物體是被測(cè)物體，則可以說(shuō)溫度計(jì)的感溫部分充分反映了被測(cè)物體的溫度。它是接觸式測(cè)溫儀表，溫度不同的兩物體相互接觸，由于它們之間有溫度差存在，熱量就會(huì)從高溫物體向低溫物體傳遞。它不僅可以保護(hù)熱電極延長(zhǎng)熱電偶的使用壽命，還可以起到支撐和固定熱電極的作用。絕緣材料的作用是使兩根熱電極絲相互電絕緣，避免因熱電極短路而引入測(cè)量誤差，并保證一定的機(jī)械強(qiáng)度。為使我們的設(shè)計(jì)盡可能的簡(jiǎn)單易操作，控制效果更好，在這些儀器儀表的選用上，是經(jīng)過(guò)多方面的考慮，而最終做出的選擇。由于通電時(shí)間的改變，電阻爐爐溫也隨之而變，當(dāng)爐溫與給定值相等時(shí)，偏差，調(diào)節(jié)器輸出恒定，通電時(shí)間固定，通過(guò)這種方式使?fàn)t溫保持在給定值上，即實(shí)現(xiàn)了電阻爐的恒溫控制。由于外加某種擾動(dòng)的影響，使?fàn)t溫降低或升高，此時(shí)S熱電偶產(chǎn)生的毫伏信號(hào)，一方面送至顯示儀表指示和記錄，另一方面送入數(shù)字調(diào)節(jié)器中。 電阻爐溫度控制系統(tǒng)的系統(tǒng)方框圖及調(diào)節(jié)過(guò)程 電阻爐溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，該系統(tǒng)是一個(gè)單參數(shù)閉環(huán)控制系統(tǒng)。第四章 電阻爐溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 電阻爐溫度控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程電阻爐溫度控制系統(tǒng)是一個(gè)單回路反饋控制系統(tǒng)，它由四個(gè)基本環(huán)節(jié)組成，即被控對(duì)象、測(cè)量變送裝置、控制器和控制閥。 進(jìn)而我們連接系統(tǒng)并進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié)。 ～t 曲線圖根據(jù)無(wú)因次飛升曲線（），求出與相對(duì)應(yīng)的于是得再?gòu)膱D中找到對(duì)應(yīng)于的由于所得之滿足不等式≤y4* ≤故用無(wú)滯后的二階環(huán)節(jié)（38）來(lái)近似，這時(shí)根據(jù)公式（314） 查圖，時(shí)， Δ178。 對(duì)電阻爐溫度特性曲線的分析，我們只截取其中的一部分，以5000~11000s這段曲線（控制目的中要求的穩(wěn)定溫度處于這一段）為例。 溫度特性曲線數(shù)據(jù)處理響應(yīng)曲線測(cè)定后，為了分析和設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，需要將響應(yīng)曲線轉(zhuǎn)化為傳遞函數(shù)。③若，則應(yīng)用來(lái)描述傳遞函數(shù)的特性。至此，傳遞函數(shù)（39）式就確定了。②若≤，則采用（39）式的帶純滯后的二階環(huán)節(jié)近似，這時(shí)要計(jì)算的兩個(gè)未知參數(shù)是和。為了對(duì)此傳遞函數(shù)進(jìn)行校驗(yàn)，可以檢查它的幾個(gè)點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果在，時(shí)是重合的，且與實(shí)驗(yàn)曲線上的值相比較作為校驗(yàn)。為了算及，首先求出，最后用公式； （315）來(lái)計(jì)算時(shí)間常數(shù)及。根據(jù)求得與之對(duì)應(yīng)的，再算出對(duì)應(yīng)于從飛升曲線上找到的數(shù)值。在同一圖中還畫(huà)有及時(shí)的曲線和，這兩條曲線可供檢驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果之用。如果令=，則由此帶來(lái)的誤差為，這在工程上是允許的。當(dāng)在0～1之間取值時(shí)，可算出與之相對(duì)應(yīng)的，：這里令。 令，則在式（313）中只剩，和兩個(gè)參量。對(duì)于式（38），在零初始條件下，當(dāng)輸入作階躍變化，階躍變量為時(shí)，它的解為 （310）用無(wú)因式表示: （311）由式（311）可知，為了求的值，應(yīng)先確定兩個(gè)時(shí)間常數(shù)和，而這就要建立兩個(gè)方程。對(duì)于S形的實(shí)驗(yàn)飛升曲線，規(guī)定其傳遞函數(shù)按下式： （38） 或 （39）來(lái)近似，前者相當(dāng)于過(guò)阻尼的二階環(huán)節(jié)（傳遞函數(shù)的分母有兩個(gè)實(shí)根及，后者為阻尼系數(shù)為1的有純滯后的二階環(huán)節(jié)。本設(shè)計(jì)采用二階系統(tǒng)的S形飛升曲線的分析方法對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理。若選擇，則可得 ； (37)對(duì)于計(jì)算結(jié)果，可在≤τ 這幾個(gè)時(shí)間上，對(duì)飛升曲線進(jìn)行校驗(yàn)。然后用下列式子求及： ； (31) (32)這種處理方法極為簡(jiǎn)單但準(zhǔn)確性不高，再介紹一種比較準(zhǔn)確的方法：求穩(wěn)態(tài)放大系數(shù)的式子不變，在計(jì)算時(shí)間常數(shù)及純滯后時(shí)，將曲線修改成無(wú)因次的飛升曲線為 (33)對(duì)于有滯后的一階非周期環(huán)節(jié)來(lái)說(shuō)，在階躍作用下的解為 ； (34)為了確定及的值，在無(wú)因次飛升曲線上選取的兩個(gè)坐標(biāo)值，現(xiàn)選擇及如下：； (35)其中，τ，對(duì)上式聯(lián)立求解可得；。在變化速度最快處作一切線，它的斜率就是最快的速度，并從時(shí)間軸的交點(diǎn)得出滯后時(shí)間。如何將實(shí)驗(yàn)所獲得的各種不同對(duì)象的飛升曲線進(jìn)行處理，以便用一些簡(jiǎn)單的典型微分方程或傳遞函數(shù)來(lái)近似表達(dá)，既適合工程應(yīng)用，又有足夠的精度，即這里所指的數(shù)據(jù)處理。因此在滿足精度要求的情況下，常采用低階傳遞函數(shù)來(lái)擬和被控對(duì)象。在轉(zhuǎn)化過(guò)程中，首要問(wèn)題是選定模型的結(jié)構(gòu)。為了使我們的設(shè)計(jì)達(dá)到一定的要求，應(yīng)多給幾個(gè)階躍信號(hào)，使溫度比較高時(shí)，也能很好的進(jìn)行自動(dòng)控制。 溫度特性曲線的記錄與分析在電阻爐溫度特性曲線的測(cè)試中，我們通過(guò)選擇不同的給定電壓送入電阻爐，從而使電阻爐的溫度由一個(gè)穩(wěn)態(tài)階躍到另一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，也相當(dāng)于給電阻爐一個(gè)階躍信號(hào)，來(lái)得到溫度的階躍響應(yīng)曲線。，這就組成了測(cè)試溫度特性的電路。 進(jìn)行溫度特性曲線測(cè)試的儀器儀表的接線圖下面我們將進(jìn)行溫度特性測(cè)試原理圖和接線圖的繪制。此法缺點(diǎn)是測(cè)試精度不高且對(duì)生產(chǎn)有一定影響。如果將輸入量作一個(gè)脈沖方波變化，測(cè)出對(duì)象輸出量隨時(shí)間的變化曲線就得到脈沖方波響應(yīng)曲線。這里僅對(duì)本次設(shè)計(jì)用到的是時(shí)域方法加以介紹。所以，另一種方法是通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定，對(duì)取得數(shù)據(jù)進(jìn)行加工整理而求得對(duì)象的微分方程式或傳遞函數(shù)，這種方法稱為實(shí)驗(yàn)測(cè)定法。對(duì)于簡(jiǎn)單的對(duì)象或系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的特性，可以通過(guò)分析過(guò)程的機(jī)理、物料或能量平衡關(guān)系求得數(shù)學(xué)模型，即對(duì)象動(dòng)態(tài)特性的微分方程式，這種方法稱為分析法。使電阻爐溫度控制達(dá)到超調(diào)量小、穩(wěn)定精度高的優(yōu)良控制效果。 設(shè)計(jì)要求針對(duì)電阻爐組成一個(gè)簡(jiǎn)單實(shí)用的恒溫控制系統(tǒng)，可以通過(guò)設(shè)置參數(shù)使其溫度在01000攝氏度內(nèi)得到有效的控制，并且控制精度達(dá)到預(yù)想效果，控制時(shí)間也可以隨意改變。想要實(shí)現(xiàn)電阻爐的溫度控制，控制方法有很多，例如利用常溫儀表，數(shù)字儀表，PLC等，它們都可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，但由于數(shù)字儀表即比常溫儀表操作簡(jiǎn)單，控制精度高，又比PLC經(jīng)濟(jì)實(shí)用，故本設(shè)計(jì)采用數(shù)字儀表足已滿足我們的控制要求。因?yàn)樵谝话氵B續(xù)生產(chǎn)過(guò)程中，單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)可以滿足大多數(shù)的控制要求，所以這里采用單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)。設(shè)計(jì)中取的是對(duì)象的飛升曲線，所以實(shí)驗(yàn)中讓對(duì)象（電阻爐）在某一穩(wěn)態(tài)下穩(wěn)定一段時(shí)間后，快速的改變它的輸入量，使對(duì)象達(dá)到另一穩(wěn)定狀態(tài)，從而求得對(duì)象在階躍函數(shù)時(shí)的飛升曲線。這里采用飛升曲線法。第二章 電阻爐的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述 總體方案設(shè)計(jì)自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)首先要研究被控對(duì)象，即對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行測(cè)試。該方法簡(jiǎn)單，易操作，控制精度高，可靠性強(qiáng)。通過(guò)改變調(diào)節(jié)器的比例帶、積分時(shí)間和微分時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電阻爐的溫度控制。而現(xiàn)場(chǎng)總線的突出特點(diǎn)在于它把集中與分散相結(jié)合的DCS