【正文】 東華理工大學長江學院畢業(yè)設計（論文） 緒論 1 第 1章 緒論 引言 工業(yè)生產中使用的熱處理設備種類繁多，如窖爐、鼓風爐、烘爐、退火爐、鍋爐等。電功率調節(jié)一般采用接觸器通斷控制、晶閘管移相觸發(fā)或通斷控制。 2． 燃料爐 這類設備通過燃燒燃料發(fā)熱而升溫，調節(jié)加入爐子的燃料量則改變爐內的溫度。常用燃料有煤、煤氣、重油等。這類設備在工廠中也占有較大比例 熱處理設備雖然種類繁多，控制方法各有差異，但對他們采用微機控制時，控制原理和方法是基本相同的。通?？捎靡韵鹿蕉ㄐ悦枋? ? ?02 ???? tKVXdtdXT （ 11） 式中 X—— 電爐內溫升（指爐內溫度與室溫溫差 ) K—— 放大系數 t—— 加熱時間 T—— 時間系數 V—— 控制電壓 τ 0—— 純滯后時間 但在實際熱力過程中，由于被加熱金屬的導熱率、裝入量以及加熱溫度等因素的不同，直接影響著 K 、 T 、τ 0等參數的變化，因此電爐本身具有很大的不確定性?？刂凭戎苯佑绊懼a品質量的好壞。 控制器發(fā)展現(xiàn)狀 PID 控制器的發(fā)展現(xiàn)狀 在過去的 50 年，調節(jié) PID 控制器參數的方法獲得了極大的發(fā)展。然而這些調節(jié)方法只識別了系統(tǒng)動態(tài)信息的一小部分，不能理想的調節(jié)參數。這樣能實現(xiàn)自動調整、短的整定時間、簡便的操作，改善響應特性而推動了自整定 PID控制技術的發(fā)展。 80 年代由于適用的控制理論的完善以及高性能微機的使用，才使得自整定控制器得以開發(fā)，PID 控制器參數的自動整定技術設想已慢慢實現(xiàn)。在現(xiàn)有的電加熱爐溫度控制方案中， PID 控制和模糊控制應用最多，也最具代表性。模糊控制適用于非線性、數學模型不確定的控制對象，對被控對象的時滯非線性和時變性具有一定的適應能力，同時對噪聲也有較強的抑制作用，即魯棒性較好。而 PID 控制正好可以彌補其不足，近年來已有不少將模糊技術與傳統(tǒng)技術結合起來設計模糊邏輯控制的先例。 模糊自整定 PID 控制 模糊自整定 PID 控制是在一般 PID 控制系統(tǒng)的基礎，加上一個模糊控制規(guī)則環(huán)節(jié)，利用模糊控制規(guī)則在線對 PID 參數進行修改的一種自適應控 制系統(tǒng)。它將模糊控制和 PID 控制器兩者結合起來，揚長避短，既具有模糊控制靈活而適應性強，調節(jié)速度快的優(yōu)點，又具有 PID 控制無靜差、穩(wěn)定性好、精度高的特點，對復雜控制系統(tǒng)和高精度伺服系統(tǒng)具有良好的控制效果。電爐溫控具有升溫單向性、大時滯和時變 的特點，如升溫靠電阻絲加熱，降溫依靠自然冷卻，溫度超調后調整慢，因此用傳統(tǒng)的控制方法難以得到更好的控制效果。 自適應控制運 用現(xiàn)代控制理論在線辨識對象特征參數，實時改變其控制策略，使控制系統(tǒng)指標保持在最佳范圍內。 人們運用模糊數學的基本理論和方法，把規(guī)則的條件操作用模糊集表示并把這些模糊控制規(guī)則及有關信息 (如評價指標、初始 PID 參數等 )作為知識存入計算機知識庫中，然后計算機根據控制系統(tǒng)的實際響應情況運用模糊推理，實現(xiàn)自動對 PID 參數的最佳調整。大量的理論研究和實踐也充分證明了用模糊自整定 PID 控制電爐溫度是一非常好的解決方法。因此在溫度控制器設計中，采用 PID 參數模糊自整定復合控 制，實現(xiàn) PID 參數的在線自調整功能，可以進一步完善 PID 控制的自適應性能，在實際應用中也取得了較好的效果。例如，在冶金工業(yè)、化工生產、電力工程、機械制造和食品加工等許多領域中，人們都需要對各類設備如電冰箱、熱處理爐中的溫度進行監(jiān)測和控制。并在此基礎上配備相應的系 統(tǒng)管理軟件，改變傳統(tǒng)的落后的管理方式，使管理工作規(guī)范化，提高溫度控制系統(tǒng)流程的業(yè)務管理水平。 傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)主要由測量電路和控制電路組成，所具備的功能較少，也比較弱，而且結構很復雜。將微機技術引入控制系統(tǒng)中，不僅可以解決傳統(tǒng)控制系統(tǒng)不能解決的問題，而且還能簡化電路、增加或增強功能、提高控制精度和可 靠 性，顯著增強測控系統(tǒng)的自動化、智能化程度，而且可以縮短系統(tǒng)研制周期、降低成本、易于升級和維護。 計算機技術的引入，可以為控制系統(tǒng)帶來以下一些新特點和新功能。 （ 2） 數字濾波功能利用 計 算機軟件對測量數據進行處理，可以抑制各種干擾和脈沖信號。 （ 4） 復雜控制規(guī)律利用計算機技術不僅可以實現(xiàn)經典的 PID 控制，還可以實現(xiàn)各種復雜的控制規(guī)律，例如，自適應控制、模糊控制等。 微機化的控制系統(tǒng)是以微機為核心、測量控制一體化的系統(tǒng)，這種系統(tǒng)對被控對象的控制是依據對被控對象的測量結果決定的。在冶金、化工、建材、機械、食品、石油等各類工業(yè)中，廣泛使用著加熱爐、熱處理爐、反應爐等，因此，溫度是工業(yè)對象中一個主要的被控參數。由于工藝不同，所需要的溫度高低不同，因而所采用的測溫元件和測溫方法也不同 。 單片微型計算機的功能不斷的增強，為先進的控制算法提供的載體，許多高性能的新型機種應運而生。其系統(tǒng) 結構框圖可表示為 :系統(tǒng)采用單閉環(huán)形式，其基本控制原理為 :將溫度設定值 (即輸入控制量 )和溫度反饋值同時送入控制電路部分，然后經過調節(jié)器運算得到輸出控制量，輸出控制量控制驅動電路得到控制電壓施加到被控對象上，電爐因此達到一定的溫度。對其進行測量和控制必須有嚴格的要求，故本系統(tǒng) 對溫度檢測、采樣和控制都具有嚴格的要求標準。同時，控制各種外圍的設備，使整個系統(tǒng)能高效準確的運行，以達到溫度控制的目的。 2) 要求設計一個清晰明了的整體方案，各個芯片的選用要具體，具有良好的擴展技術和接口技術。具體設計方案如下：采用溫度傳感器完成對溫度的數據采集，并把溫度值轉換為電壓值，經過放大、 A/D 轉換為數字量進入單片機控制系統(tǒng)，與單片機中預置的參量進行比較后，得到誤差量，并與上一次采集的誤差量進行比較，得到誤差的變化量，把誤差量和誤差的變化量作為模糊 PID 控制器的輸入，經過軟件進行處理，輸出控制量，經過 D/A 轉換后控制驅動電路，得到加在電爐上的平均電壓。東華理工大學長江學院畢業(yè)設計（論文） 系統(tǒng)硬件 7 第 3 章 系統(tǒng)硬件和電路設計 引言 電爐是熱處理生產中 應用最廣的加熱設備，其本身是一個較為復雜的被控對象，雖然可用以下模型定性描述它 ? ? 1?? ?TsKesG s? （ 31） 式中 K －－放大系數 T －－時間系數 τ－－純滯后時間 但在實際熱力過程中，由于實際工況的復雜性 (加工工件的材質、初溫、升溫、幅度規(guī)格、裝爐量以及電氣環(huán)境等因素 )，使得上述數學模型偏離實際情況相當嚴重，本文將在具有在線自調整功能模糊自整定 PID 控制器基礎上設計一個爐溫控制系統(tǒng)，以期較理想地解決被加熱物件透燒過程的測量與控制。 圖 31 電爐溫度控制系統(tǒng) 火爐的溫度經溫度傳感器轉換成 mv 級電信號，經放大電路變換成 0～ 5 V 的電壓信號，通過多路開關送到 A/D 轉換器變換成數字量送單片機。然后根據給定工藝參數和溫度反饋值，按預定控制算法進行調節(jié)運算，確定 輸出控制量。在微機溫度控制系統(tǒng)中，溫度的檢測不僅要完成溫度到模擬電壓量的轉換，還要將電壓轉換為數值量送計算機。 圖 32 溫度數字檢測的一般結構 溫度傳感器 溫度傳感器將測溫點的溫度變換為模擬電壓，其值一般為 mV 級，需要放大為滿足模 /數轉換要求的電壓值。 溫度傳感器種類繁多，但在微機溫度控制系統(tǒng)中使用得傳感器，必須是能夠將非電量變換成電量得傳感器，此次設計中選用的是熱電偶傳感器，熱電偶傳感器是工業(yè)溫度測量中應用最廣泛得一種傳感器，具有精確度高、測量范圍廣、構造簡單、使用方便等優(yōu)點。 A和 B得兩個接點 1和 2之間存在溫度差時，回路中便產生電動勢，形成一定大小得電流，這種現(xiàn)象稱為 熱電效應，也叫溫差效應。 圖 33 熱電偶測溫原理圖 測量放大器的組成 測量放大器的基本電路如圖 34 所示。差動放大器 A3為后級 ,它不僅切斷共模干擾的傳輸 ,還將雙端輸入方式變換成單端輸出方式 ,適應對地負載的需要。11230 1 （ 32） 式中， GR 為用于調節(jié)放大倍數的外接電阻，通常 GR 采用多圈電位器，并靠近組件，若距離較遠，應將聯(lián)線膠合在一起，改變 GR 可使放大倍數在 1～ 1000 范圍內調節(jié)。若冷端溫度不是 0℃，則會產生測量誤差，此時要進行冷端補償。 對與冷端溫度補償器，在工業(yè)上采用如圖 35 所示補償電橋的冷端補償電路。取 ???? 1321 RRR ，用錳銅線繞成； RCu是用銅導線繞制成的補償電阻。若電橋在 20℃時處于平衡狀態(tài)。 多路開關的選擇 在本次的設計中，我們的溫度傳感器有 1個，因此，我們采用了一種 16 的多路開關，以實現(xiàn)對溫度傳感器的巡回檢測。該電路包括 16 選 1 的譯碼器和譯碼器的輸出分別控制的 16 個 CMOS 雙向開關，通道的輸出狀態(tài)由電路外部輸入的地址 所決定。當禁止時， inh=1，這時所有的雙向開關均不接通，在公共端呈現(xiàn)高阻抗。開關接通時間： (max)。 242322212019181716151413Vdd89101112131415inhCD123456789101112OUT/ININ/OUT76543210ABVssIN/OUT 圖 36 CC4067 引腳圖 CC4067 功能框圖如圖 37 所示。該芯片具有抗干擾性能好、轉換精度高、自動校零、自動 極性輸出、自動量程控制信號輸出、外接元件少、價格便宜等特點。 5G14433 與國外型號 MC14433 兼容。為了提高電源抗干擾的能力，正，負電源分別通過去耦電容 、 與 Vss（ VAG）相連。 圖 38 外部連接電路 當 C1=， VDD=5V， fCLK=66KHz時，若 Vxmax=+2V，則 R1=480KΩ；若 Vxmax=+200mV，則 R1=28KΩ。外接時鐘電阻 Rc=470KΩ時， fLCK≈ 66KHz。實際電路中一般取 Rc=300KΩ 。這就使得在智能儀 器、儀表、小型檢測及控制系統(tǒng)、家用電器中可直接應東華理工大學長江學院畢業(yè)設計（論文） 系統(tǒng)硬件 12 用單片機而不必再擴展外圍芯片，使用極為方便。這些外圍芯片，既可能是存儲器芯片，也可能是輸入 /輸出接口芯片。 一、總線驅動器 74LS244 總線驅動 器 74LS244 經常用作三態(tài)數據緩沖器， 74LS244 為單向三態(tài)數據緩沖器，而 74LS244 為雙向三態(tài)數據緩沖器。在控制端 G有效時（ G 為低電平），由 DIR 端控制驅動方向； DIR 為“ 1”時方向從左到右（輸出允許）， DIR為“ 0”時方向從右到左（輸入允許）。 圖 39 74LS244 的引腳 二、地址鎖存器 74LS373 74LS373 是一種帶輸出三態(tài)門的 8D鎖存器 ，其結構示意圖如圖 310 所示。 1Q～ 8Q為 8 個輸出端。OE為輸出允許端 。當 OE＝ 1時 ,三態(tài)門關閉 ,輸出呈高阻。其中輸入端１Ｄ～８Ｄ接至單片機的Ｐ０口，輸出端１Ｑ～８Ｑ提供的是地址的低８位，Ｇ端接至單片機的地址鎖存器信號ＡＬＥ。 圖 311 74LS373 的結構圖 存儲器的擴展 只讀存儲器簡介 半導體存儲器分為隨機存取存儲器（ Random Access Memory）和只讀存儲器（ Read Only Memory）兩大類，前者主要用于存放數據，后者主要用于存放程序。 只讀存儲器是由 MOS 管陣列構成的，以 MOS 管的接通或斷開來存儲二進制信息。 EPROM2764 簡介 3． 2764 的引腳 自從 EPROM276 芯片被逐漸淘汰后，目前比較廣泛采用的是 2764 芯片為雙列直插式28引腳的標準芯片，容量為 8K179。 圖 312 2764 的引腳 其中： A12～ A0： 13 位地址線 。 CE：片選信號，低電平有效。 Vpp：編程電源，當芯片編程時，該端加上編程電壓（ +25V 或 +12V）；正常使用時，該端加 +5V 電源。 4． 2764 的工作時序東華理工大學長江學院畢業(yè)設計（論文） 系