计算机控制技术课程设计任务书题目：基于数字 PID 的电加热炉温度控制系统设计设计内容电阻加热炉用于合金钢产品热力特性实验，电加热炉用电炉丝提供功率，使其在预定的时问内将炉内温度稳定到给定的温度值。在木控制对象电阻加热炉功率为 8Kw ，由 220V 交流电源供电，采用双向可控硅进行控制。本设计针对一个温区进行温度控制，要求控制温度范困 50-350 ，保温阶段温度控制精度为土 l 选择和合适的传感器，计算机输出信号经转换后通过双向可控硅控制器控制加热电阻两端的电压。其对象温控数学模型为：其中：时间常数Td= 350 秒放大系数 Kd = 50 滞后时间Td = 10 秒控制算法选用PID 控制。设计步骤一、总体方案设计二、控制系统的建模和数字控制器设计三、硬件的设计和实现1、选择计算机机型（采用51内核的单片机）；2、 设计支持计算机工作的外围电路（ EPROM , RAM 、I/O 端口 、键盘、显示接口电路等）3、设计输入信号接口电路；4、设计D/A 转换和电流驱动接口电路；5、其它相关电路的设计或方案（电源、通信等）四、软件设计1、分配系统资源，编写系统初始化和主程序模块框图；2编写A/D转换和温度检测子程序枢图；3、编写控制程序和 D/A转换控制子程序模块粗图；4、其它程序模块（显示与键盘等处理程序）枢图。五、编写课程设计说明书，绘制完整的系统电路图（ A3 幅面）。课程设计说明书要求1 课程设计说明书应书写认真字迹工稚，论文格式参考国家正式出版的书籍和论文编排。 2 论理正确、逻辑性强、文理通顾、层次分明、表达确切，并提出自己的见解和观点。 3 课程设计说明书应有目录、摘要、序言、主干内容（按章节编写）、主要结论和参考书，附录应有系统方枢图和电路原理图。 4 课程设计说明书应包括按上述设计步骤进行设计的分析和思考内容和引用的相关知识摘要单片机的应用正在不断地走向深入，同时带动传统控制检测日新月益更新。在实时检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往是作为一个核心部件来使用，仅单片机方面知识是不够的，还应根据具体硬件结构，以及具体应用对象特点的软件结合，以作完善。 本设计从和软件两方面来讲述加热炉动控制过程,在控制过程中主要应用AT89C51、ADC0809、LED显示器，通过 DS18B20数字温度传感器采集环境温度，以单片机为核心控制部件，并通过四位数码管显示实时温度的一种数字温度计。软件方面采用汇编语言来进行程序设计，使指令的执行速度快，节省存储空间。为了便于扩展和更改，软件的设计采用模块化结构，使程序设计的逻辑关系更加简洁明了，使硬件在软件的控制下协调运作。 而系统的过程则是：首先,通过设置按键,设定恒温运行时的温度值，并且用数码管显示这个温度值.然后,在运行过程中将采样的温度模拟量送入A/D转换器中进行模拟-数字转换，再将转换后的数字量用数码管进行显示，最后用单片机来控制加热器,进行加热或停止加热，直到能在规定的温度下恒温加热。 关键词：单片机系统；数据采集；模数转换器；温度；加热炉ABSTRACTThe application of SCM is to keep at the same time, traditional control testing update on Crescent benefits. In real-time detection and automatic control system of single-chip applications, often as a single-chip core component to use only single-chip is not enough knowledge, but also the specific hardware structure and the specific features of application software objects combine to make perfect. In this paper, both hardware and software for automatic control of water temperature on the process, in the control of the main application of the process of AT89C51, ADC0809, LED display, through the digital temperature sensor DS18B20 collecting ambient temperature to single-chip microcomputer as the core control components, and through four real-time digital display of a digital thermometer temperature. Software using assembly language for programming, so that the implementation of Directive speed, to save storage space. In order to facilitate the expansion and changes to the design of modular software structure, so that the logic of the relationship between program design more concise,Hardware software co-operation under the control of it.And systematic process is: First of all, by setting the button, set the thermostat temperature at the time of operation, and digital display of the temperature. Then, in the running temperature of the process of sampling analog into the A / D converter in the simulation - digital converter, and then converted digital control with digital display, the last single-chip microcomputer to control the heater used for heating or stop heating until the temperature in the provisions under the constant temperature heating.Key words：Single-chip microcomputer system ；Data Acquisition；ADC；Temperature；heating furnace；目 录计算机控制技术课程设计任务书I摘要II第一章 基于数字 PID 的电加热炉温度控制系统总体设计11.1系统总体设计11.2控制系统的建模21.3数字控制器设计5第二章 数字 PID 的电加热炉温度控制系统硬件设计82.1主电路设计82.1.1系统硬件结构82.1.2系统硬件82.1.3 选择计算机机型92.2控制电路设计202.2.1显示单元202.2.2按键控制单元202.2.3 温度采样单元212.2.4电源部分212.2.5采样测量部分222.2.6驱动执行部分23第三章 数字 PID 的电加热炉温度控制系统软件设计253.1软件结构253.2 算法实现263.2.1 LED显示模块263.2.2 报警模块273.2.3 键盘模块273.2.4 A/D 转换器模块283.2.5 通信模块28心得体会30参考书目31附录32第一章 基于数字 PID 的电加热炉温度控制系统总体设计1.1系统总体设计温度控制系统是比较常见和典型的过程控制系统。温度是工业生产过程中重要的被控对象参数之一，当今计算机控制技术在这方面的应用，已使温度控制系统达到自动化、智能化，比过去单纯采用电子线路进行PID调节的控制效果要好得多，可控性方面也有很大的提高。温度是一个非线性的对象，具有大惯性的特点，在低温段惯性较大，在高温段惯性较小。对于这种温控对象，一般认为其具有以下的传递函数形式：（11）采用以单片机为控制核心的控制系统，尤其对温度控制，可达到模拟控制所达不到的效果，并且实现显示和键盘设定功能，大大提高了系统的智能化。通过对机内数字PID参数的设置对受控对象的精确控制。使得系统所没得结果的精度大大提高。1.2控制系统的建模加热炉内水温为被控对象，循环冷却水的流量为操纵变量。根据非稳态下的热平衡方程可得到：Q= UA（ T -T a）+MC （1-2）Q-发热量，U-总传热系数，A-传热面积，Ta -冷却水平均温度，T-加热炉内水温，M-炉内水的质量，C-水的比热容把式2-1 整理成一阶时滞模型的形式，即（1-3）由稳态热平衡方程，利用对数平均温差的关系式：（1-4）F 冷却水流量，Ti 冷却水入口温度To 冷却水出口温度（1-2）（1-5）（1-6）（1-7）（1-8）将上式进行拉氏变换，得到了过程传递函数为：（1-9）选择锅炉的高为和h=400mm，直径D=200mm，则传热面积A=0.5024 体积V=0.0293。冷却水入口温度T i=20，冷却水出口温度T o=50。带入已知参数如下：水的比热容：C = 4.1868 水的传热系数：U=0.6W/mK水的密度：炉内水的质量：根据以上数学模型，在MATLAB中进行仿真7。首先创建M文件，输入Matlab仿真程序：clc；clear；sysl=tf（13.89,407,1,ioDelay,30）；step（sys1）然后保存并且运行，可加热炉以得到对象的响应曲线为下图所示。 图1-2 加热炉温度对象开环阶跃响应曲线根据以上数学模型，打开Matlab中的Simulink模块，选用数字PID控制，完成各组件连接。 图1-3 单闭环控制回路采用工程整定经验法10，设置PID的三个参数，如下图 图1-4 PID三个参数阶跃响应闭环控制效果图如下 图1-5 PID 控制阶跃响应曲线由上述仿真图可看出，采用数字PID控制对电加热炉温度对象进行闭环单回路控制滞后较大，控制效果不是非常理想，故考虑对其进行串级控制。1.3数字控制器设计增量式PID控制算法公式为：其中：由上式可以看出，如果计算机控制系统采用恒定的采样周期T，一旦确定A