【正文】 線升溫，并具有鍵盤(pán)輸入及LCD 顯示功能。流量控制利用大林算法進(jìn)行控制，具有控制精度高的特點(diǎn)。主控模塊，具有控制功能，主要由 AT89S52 單片機(jī)組成，是退火爐溫度控制系統(tǒng)的核心。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖 所示。其工作原理是退火爐溫度 Tx 經(jīng)傳感器、變送器檢 測(cè)、變換的 T(t)值，與溫度給定值R(t)比較后，兩者的偏差值 Et(t)經(jīng)單片機(jī) D(z)分析、運(yùn)算，輸出相應(yīng)的控制量，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu) C，調(diào)節(jié)流量控制閥門(mén) C 的開(kāi)啟角度，改變混合氣的進(jìn)給量，進(jìn)而來(lái)控制退火爐的溫度。退火爐的結(jié)構(gòu)框圖如圖 所示。而由于天然氣為不可控變量，受上一工序影響比較大，比較危險(xiǎn)；而空氣比較穩(wěn)定，本方案使用單閉環(huán)比值控制方案，它不但能實(shí)現(xiàn)副流量跟隨主流量的變化而變化，而且還可以克服副流量本身干擾對(duì)比值的影響，因此主副流量的比值較為準(zhǔn)確；另外，該方案結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單，實(shí)施起來(lái)也很容易，其具體 示意圖和方塊圖如圖 所示。最后達(dá)到天然氣與空氣比例為 3:2。 圖 調(diào)節(jié)氣體比例的單閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖 空氣流量 天然氣流量 流量變送器 1 控制器 1 控制器 2 執(zhí)行器 1 被控對(duì)象 流量變送器 2 F1T F1C F2C F2T 天然氣 Q1 空氣 Q2 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 方案論證 方案一：采用 最少拍控制原理：在采樣控制系統(tǒng)中，通常把一個(gè)采樣周期稱(chēng)作一拍。系統(tǒng)控制原理框圖如圖 所示。 ( ) * ( ) * 11scc KeG s G s D s s?????? （ 21） 式中： ）（ sGc —— 煤氣退火爐的傳遞函數(shù)； D(s) —— 比例環(huán)節(jié)取 1； K—— 比例系數(shù)； ? —— 純滯后時(shí)間； ?1 —— 時(shí)間常數(shù)。大林算法的設(shè)計(jì)目標(biāo)是設(shè)計(jì)一個(gè)合適的數(shù)字控制器，使整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)相當(dāng)于一個(gè)帶有純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)，即通常認(rèn)為對(duì)象與一個(gè)零階保持器相 串聯(lián)。 T(c) T(c) T(x) 溫度設(shè)定值 + R（ t） 圖 系統(tǒng)控制原理圖 采用 “溫度”的表現(xiàn)，可以用純滯后一階慣性環(huán)節(jié)來(lái)描述，即 1( ) 39。 與一個(gè)零階保持器串聯(lián)時(shí)，系統(tǒng)廣義被控對(duì)象的脈沖傳遞函數(shù)為： 11/1/ 11( ) . 1.TNTeG z K z ez????? ??? ? （ 26） 含純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)的大林計(jì)算式為： 11/ 1// / 1 / 1( 1 ) ( 1 )() ( 1 ) [ 1 ( 1 ) ]T Tc T T T Ne z eDZ K e e z e z? ?? ??? ??? ? ? ? ? ?? ? ?? ? ? ? ? ? ? （ 27） 若令： 1/0 /1(1 )TTea Ke?????? ? （ 28） 111/ / ( / )1 /(1 )T T TTeea Ke? ? ??? ? ???? ? （ 29） /1 Tbe??? （ 210） /2 1 Tbe???? （ 211） D(s) Gc(s) H（ s） 89S52 單片機(jī)D(z) 溫度傳感器 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 D(z)的 簡(jiǎn)化表達(dá)式便為： 1011112() 1 Na a zDz b z b z?? ? ??? ?? （ 212） 式中： T—— 采樣周期； τ1—— 被控對(duì)象時(shí)間常數(shù)； τ—— 閉環(huán)系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)； 設(shè) K＝ 1， T＝ 1s ， τ＝ 3 ， τ1＝ 1s ， N=1。其升溫 ， 保溫是依靠其爐內(nèi)的 天然 氣空氣混合燃燒來(lái)達(dá)到工藝要求的 ， 降溫則是依靠環(huán)境自然冷卻。安全隱患大 ， 所以對(duì)于此類(lèi)的工業(yè)控制對(duì)象采用普通 的 PID 控制很難保證小超調(diào)或無(wú)超調(diào) ， 系統(tǒng)的振蕩會(huì)嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量 。因?yàn)榇罅炙惴ㄊ蔷哂?專(zhuān)門(mén)針對(duì)大滯后系統(tǒng)設(shè)計(jì)的算法 ， 是運(yùn)用于自動(dòng)控制領(lǐng)域中的一種算法，是一種先設(shè)計(jì)好閉環(huán)系統(tǒng)的響應(yīng)再反過(guò)來(lái)綜合調(diào)節(jié)器的方法。此算法具有消除余差、對(duì)純滯后有補(bǔ)償作用等 特點(diǎn) ，能夠達(dá)到良好控制效果。 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 第 3章 硬件 電路設(shè)計(jì) 溫度傳感器的選擇 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)是對(duì)溫度進(jìn)行檢測(cè)，而溫度檢測(cè)傳感器元件有多種選擇，常用的有熱電偶、熱電阻以及其他溫度傳感器。所以，本系統(tǒng)采用熱電偶傳感器為溫度檢測(cè)元件。由于所測(cè)的溫度范圍不同，所選用的熱電偶材料及型號(hào)也不盡相同，目前的熱電偶傳感器有：鉑銠 10— 鉑熱電偶，其可在 1100℃以下范圍長(zhǎng) 期工作，符號(hào) S；鎳鉻 — 鎳鋁（硅）熱電偶，測(cè)量范圍在 40~+1200℃，符號(hào) K 型；此外還有鉑銠 13— 鉑熱電偶（ R 型），鎳鉻硅 —鎳硅熱電偶（ N 型），測(cè)溫范圍為 0~+1300℃，等等。 工作原理： N 型熱電偶的電極由兩根不同導(dǎo)體材質(zhì)組 成。 N 型熱電偶主要技術(shù)參數(shù)：測(cè)量范圍 (℃ ) 01300；允差等級(jí) A；分度號(hào) N；外形尺寸 (mm)不限；熱響應(yīng)時(shí)間 (s)90；聯(lián)接型式多種可選擇。 圖 WRM130型 N型鎳鉻硅 — 鎳硅熱電偶傳感器 實(shí)物圖 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 在冷端采取一定措施，補(bǔ)償由于冷端溫度變化造成的影響稱(chēng)為熱電偶的冷端補(bǔ)償。 為保證輸出熱電勢(shì)是被測(cè)溫度的單值函數(shù)，必須使冷端溫度保持恒定；熱電偶分度表給出的熱電勢(shì)是以冷端溫度 0℃ 為依據(jù)，否則會(huì)產(chǎn)生誤差。 本設(shè)計(jì)采用電橋冷端補(bǔ)償法進(jìn)行冷端補(bǔ)償。若測(cè)量時(shí)，冷端的（環(huán)境）溫度變化，將影響嚴(yán)重測(cè)量的準(zhǔn)確性。補(bǔ)償電橋現(xiàn)已標(biāo)準(zhǔn)化。其中 R1=R2=R3=1 ；Rs 是用溫度系數(shù)很小的錳銅絲繞制而成的； RCu 是有溫度系數(shù)較大的銅線繞制而成的補(bǔ)償電阻， 0℃時(shí)， RCu=1 ； Rs=2。當(dāng)冷端溫度變化時(shí)， RCu 隨溫度改 變，破壞了電橋平衡，產(chǎn)生一不平衡電壓△ U，此電壓則與熱電勢(shì)相疊加，一起送入測(cè)量?jī)x表。這樣，當(dāng)冷端溫度有一定變化時(shí)，儀表仍然可給出正確的溫度示值。 圖 熱電偶冷端補(bǔ)償電路 1 2 3 4 5 6 7 8ABCD87654321DCBAT i t l eN u m b e r R e v i s i o nS i z eA3D a t e : 2 1 J u n 2 0 1 3 S h e e t o f F i l e : C : \ U s e r s \ A dm i n i s t ra t or \ D e s k t o p \ 2 1 完成電路 副本 . D D BD ra w n B y :Rs2KR5 1KR c u 1K R7 1KR6 1K+ 5 VR 1 01KR31KR41KDE 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 氣體流量傳感器的選擇 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)需要對(duì)燃?xì)夂涂諝膺M(jìn)行配比，保證理想比例，所以需要對(duì)氣體流量進(jìn)行檢測(cè)來(lái)達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控。其典型傳感元件包括兩個(gè)熱電阻（鉑 RTD），一個(gè)是 速度傳感器 ，一個(gè)是自動(dòng)補(bǔ)償氣體溫度變化的 溫度傳感器 。流經(jīng)速度傳感器的 氣體 質(zhì)量流量是通過(guò)傳感元件的熱傳遞量來(lái)計(jì)算的。使傳感器溫度隨之降低。 QZL 系列熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)既可進(jìn)行氣體流量計(jì)量工作 ,也可用于過(guò)程控制領(lǐng)域。它的突出特點(diǎn)是：沒(méi)有可動(dòng)部件；壓力損失小；量程比寬；精度高；可靠性高；安裝簡(jiǎn)單，操作方便。 特別是計(jì)量精確，不受壓力及環(huán)境溫度變化的影響，屬更新?lián)Q代產(chǎn)品。1%的讀數(shù) ； 177。%的滿量程 ●輸 出：瞬時(shí)流量 420mA DC； 最大負(fù)載 600Ω， RS232， RS485 ●機(jī)械連接： 3/4 NPT 不銹鋼 緊固件 ●探桿長(zhǎng)度： 800mm ●探桿直徑： 18mm ●工作壓力： ●現(xiàn)場(chǎng)顯示：上排為瞬時(shí)流量每行 4 個(gè)字符，下排為累積流量每行 8 個(gè)字符 ●數(shù)據(jù)保護(hù) ： 累計(jì)量保存在 EEROM 內(nèi) ●傳感器及管線表體材料 ： 316L ●防護(hù)等級(jí)： IP65 ●變送單元：選擇防爆封裝。 圖 QZL系列熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)實(shí)物圖 控制閥門(mén)的選擇 本次設(shè)計(jì)的溫度控制是通過(guò)單片機(jī)處理后，經(jīng)過(guò) D/A 轉(zhuǎn)換后輸出的信號(hào)控制閥門(mén)開(kāi)度來(lái)控制天燃?xì)夂涂諝獾牧髁?，從而?shí)現(xiàn)對(duì)退火爐溫度的控制。電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的接收信號(hào)為 0~10V 或 4~20mA，故本設(shè)計(jì)選擇電動(dòng)調(diào)節(jié)閥。通過(guò)接收工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的信號(hào)（如： 4~20mA）來(lái)驅(qū)動(dòng) 閥門(mén) 改變閥芯和閥座之間的截面積大小控制管道介質(zhì)的流量、溫度、壓力等工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化調(diào)節(jié)功能。 技術(shù)參數(shù)： 電源電壓： AC220V ； 50Hz 作用模式：電開(kāi)式（ K）型、電閉式（ B）型 流量特性：直線、等百分比 允許泄漏量（ L/h）硬密封：≤ 104閥的額定容量；軟密封： VI 級(jí) 適用介質(zhì)：水蒸汽油品類(lèi)氣液體 工作溫度范圍： 30~+250℃ 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 ZDLW電子式電動(dòng)調(diào)節(jié)閥 如圖 。本設(shè)計(jì)中，要求精度達(dá)到 1%，則選用分 辨率為 12 位的芯片可以滿足精度要求，故本設(shè)計(jì)選用 12 位 A/D 轉(zhuǎn)換器 AD574。 1/2LBS 或177。 5V 和 0— 177。 15V 和 15V 數(shù)據(jù)輸出格式： 12 位 /8 位 芯片工作模式：全速工作模式和單一工作模式 AD574A 的 CE 和 A0 對(duì)其工作狀態(tài)的控制過(guò)程。和 A0 端用來(lái)控制啟動(dòng)轉(zhuǎn)換的方式和數(shù)據(jù)輸出格式。當(dāng) A0=1 時(shí)，按 8 位 A/D 轉(zhuǎn)換方式進(jìn)行。當(dāng) =1時(shí)，數(shù)據(jù)以 12 位并行輸出，當(dāng) =0 時(shí)，數(shù)據(jù)以 8 位分兩次輸出。 AD574A/D 轉(zhuǎn)換器如圖 所示。3℃ ，所以選擇 12 位 D/A 轉(zhuǎn)換器來(lái)保證其精度。該 DAC 具有高速串行接口 ，而且功耗很低 ， 能廣泛應(yīng)用于伺服系統(tǒng)控制 、 過(guò)程自動(dòng)化控制及 ATE 中。 圖 DAC8420 D/A 轉(zhuǎn)換器實(shí)物圖 DAC8420 D/A 其主要特點(diǎn)如下： ●可選擇單極或雙極模式 ； ●復(fù)位后 ， 輸出置 0 或置中間值 ； ●電源選擇廣泛 ， 單 +5V~177。 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 DAC8420 的引腳排列如圖 所示 。15V； VSS： 負(fù)電源 ,范圍為 0~15V； GND： 數(shù)字地。在時(shí)鐘上升沿 ， 由 SDI輸入的串行數(shù)據(jù)將進(jìn)入 DAC 內(nèi)部的串 /并轉(zhuǎn)換寄存器。可用于將內(nèi)部寄存器 A 到 D 置 O 或者置為中間值（具體由 CLSEL 決定）。 CLSEL：為低時(shí) ， CLR 將寄存器 A 到 D 置 O； 為高時(shí) ， 將其置為中間值 ； CS： 片選信號(hào) ， 低有效。 LD：異步 DAC 寄存器載入控制 ， 低有效。當(dāng) LD 為低時(shí) ， 輸入數(shù)據(jù)必須保持穩(wěn)定。在輸入的 16 位數(shù)據(jù)中 ， 頭兩位 A A2 用于選擇寄存器 A~D， 后 12 位 D11~D0 是具體數(shù)值 ， 輸入的數(shù)據(jù)先進(jìn)入 DAC 內(nèi)部的串 /并轉(zhuǎn)換寄存器。具體的數(shù)據(jù)輸入格式如下： VREFHI：參考電壓高值端 ， 取值范圍是 ~VREFLO+； VREFLO：參考電壓低值端 ,當(dāng)輸入為 O 時(shí) ， 輸出為 VREFLO， 取值范圍為VSS~。 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t leN u m b e r R e v i s io nS i z eBD a te : 1 0 M a y 2 0 1 3 S h e e t o f F i l e : C : \U s e r s \ A d m i n i s t r a to r\ D e s k t o p \ 3 0 完成 副本 副本 . D D BD ra w n B y :V R F E H I5V R F E L O4G N D9V O U T A7V O U T B6V O U T C3V O U T D2V D D1C L S E L16C L R15LD14NC13CS12C L K11S D I10