个人资料整理仅限学习使用基于 PID 电加热炉温度控制系统设计摘要 基于 PID 电加热炉温度控制系统以PID 控制为核心，硬件方面包括电源部分、采样测量部分、驱动执行部分。PID 控制不仅适用于数学模型已知的控制系统中，而且对于大多数数学模型难以确定的工业过程也可应用，在众多工业过程控制中取得了满意的应用效果。 PID 控制又分为位置式PID 控制和增量式PID 控制 ，公式4 给出了控制量的全部大小，所以称之为全量式或者位置式控制；如果计算机只对相邻的两次作计算，只考虑在前一次基础上，计算机输出量的大小变化，而不是全部输出信息的计算，这种控制叫做增量式 PID 控制算法。控制系统的软件主要包括：采样、标度变换、控制计算、控制输出、中断、显示、报警、调节参数修改、温度设定及修改。其中控制算法采用数字PID 调节，应用增量型控制算法，并对积分项和微分项进行改进，以达到更好的控制效果。关键字 电机热炉 ； 温度 ；PID1概述温度是工业对象中的很重要参数的之一。广泛应用在冶金、化工、机械各类加热炉热、处理炉和反应炉等工业中。电加热炉随着科学技术的发展和工业生产水平的提高，已经在冶金、化工、机械等各类工业控制中得到了广泛应用，并且在国民经济中占有举足轻重的地位。对于这样一个具有非线性、大滞后、大惯性、时变性、升温单向性等特点的控制对象，很难用数学方法建立精确的数学模型，因此用传统的控制理论和方法很难达到好的控制效果。PIDProportional Integral Derivative）控制是控制工程中技术成熟、应用广泛的一种控制策略，经过长期的工程实践，已形成了一套完整的控制方法和典型的结构。它不仅适用于数学模型已知的控制系统中，而且对于大多数数学模型难以确定的工业过程也可应用，在众多工业过程控制中取得了满意的应用效果。在本控制对象电阻加热炉功率为800W，由 220V 交流电供电，采用双向可精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 17 页个人资料整理仅限学习使用控硅进行控制。本设计针对一个温度区进行温度控制，要求控制温度范围50350，保温阶段温度控制精度为正负1 度。选择合适的传感器，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。其对象问温控数学模型为：其中：时间常数 Td=350秒放大系数 Kd=50 滞后时间=10秒控制算法选用 PID 控制2系统硬件的设计本系统的单片机炉温控制系统结构主要由单片机控制器、可控硅输出部分、热电偶传感器、温度变送器以及被控对象组成。系统硬件结构框图如下：图 2.1 系统硬件结构框图LED 显示报警提醒通信接口键盘看门狗微型控制机AT89S52 测量变送8 路 A/D 转器温度温度检测加热电阻驱动执行8 路 D/A 转换器DAC0832 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 17 页个人资料整理仅限学习使用2.1 电源部分本系统所需电源有220V 交流市电、直流5V 电压和低压交流电，故需要变压器、整流装置和稳压芯片等组成电源电路。电源变压器是将交流电网220V的电压变为所需要的电压值，然后通过整流电路将交流电压变为脉动的直流电压。由于此脉动的直流电压还含有较大的纹波，必须通过滤波电路加以滤除，从而得到平滑的直流电压。但这样的电压还随电网电压波动一般有10%左右的波动）、负载和温度的变化而变化。因而在整流、滤波电路之后,还需要接稳压电路。稳压电路的作用是当电网电压波动、负载和温度变化时，维持输出直流电压稳定。整流装置采用二极管桥式整流，稳压芯片采用78L05,配合电容将电压稳定在 5V，供控制电路、测量电路和驱动执行电路中弱电部分使用。除此之外， 220V 交流市电还是加热电阻两端的电压，通过控制双向可控硅的导通与截止来控制加热电阻的功率。低压交流电即变压器二次侧的电压，通过过零检测电路检测交流电的过零点，送入单片机后，由控制程序决定双向可控硅的导通角，以达到控制加热电阻功率的目的。2.2 采样测量部分在检测装置中，温度检测用WZP-231铂热电阻 范围的温度测量中。PT100是一种广泛应用的测温元件，在-50600范围内具有其他任何温度传感器无可比拟的优势，包括高精度、稳定性好、抗干扰能力强等。由于铂电阻的电阻值与温度成非线性关系，所以需要进行非线性校正。校正分为模拟电路校正和微处理器数字化校正，模拟校正有很多现成的电路，其精度不高且易受温漂等干扰因素影响，数字化校正则需要在微处理系统中使用，将Pt电阻的电阻值和温度对应起来后存入EEPROM中，根据电路中实测的 AD值以查表方式计算相应温度值。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 17 页个人资料整理仅限学习使用常用的 Pt 电阻接法有三线制和两线制，其中三线制接法的优点是将PT100的两侧相等的的导线长度分别加在两侧的桥臂上，使得导线电阻得以消除。常用的采样电路有两种：一为桥式测温电路，一为恒流源式测温电路。在本系统设计中，采用了第一种方法，即桥式测温。测温原理：电路采用 TL431和电位器 VR1调节产生 4.096V的参考电源；采用R1、R2、VR2、Pt100构成测量电桥 - RVR2/(R1+RVR2 1）式中电阻值以电路工作时量取的为准。6. 电桥的正电源必须接稳定的参考基准，因为如果直接VCC的话，当网压波动造成VCC发生波动时，运放输出的信号也会发生改变，此时再到以VCC未发生波动时建立的温度 -电阻表中查表求值时就不准确。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 17 页个人资料整理仅限学习使用2.3 驱动执行部分硬件输出通道主要包括加热电阻的控制环节，而此控制环节的核心是双向可控硅，但电路的关键是设计双向可控硅的驱动电路。双向可控硅的通断直接决定加热电阻的工作与不工作，本部分用带过零触发的光耦MOC3061 来驱动。1光耦驱动电路在驱动电路中，由于是弱电控制强电，而弱电又很容易受到强电的干扰，影响系统的工作效率和实时性，甚至烧毁整个系统，导致不可挽回的后果，因此必须要加入抗干扰措施，将强弱电隔离。光耦合器是靠光传送信号，切断了各部件之间地线的联系，从根本上对强弱电进行隔离，从而可以有效地抑制掉干扰信号。此外，光耦合器提供了较好的带宽，较低的输入失调漂移和增益温度系数。因此，能够较好地满足信号传输速度的要求，且光耦合器非常容易得到触发脉冲，具有可靠、体积小、等特点。所以在本系统设计中采用了带过零检测的光电隔离器MOC3061，用来驱动双向可控硅并隔离控制回路和主回路。MOC3061 是一片把过零检测和光耦双向可控硅集成在一起的芯片。其输出端的额定电压是400V，最大重复浪涌电流为1.2A，最大电压上升率dv/dt 为1000v/us,输入输出隔离电压为7500V，输入控制电流为15mA。在驱动执行电路中，当单片机的P2.0、P2.1、P2.2 发出逻辑数字量为高电平时，经过三极管放大后驱动光耦合器的放光二极管，MOC3061 的输入端导通，有大约 15mA 的电流输入。当MOC306 的输出端 6 脚和 4 脚尖电压稍稍过零时，光耦内部双向可控硅即可导通，提供一个触发信号给外部晶闸管使其导通；当 P2.0、P2.1、P2.2 为低电平时， MOC3061 截止，双向可控硅始终处于截止状态。2驱动电路有关元件的选择R25，C10 组成吸收电路，并接在双向可控硅的两极之间。吸收回路组成缓冲器。有了吸收回路，可控硅通断过程中电源电压的变化率受到R25，C10 的限制。 R25 可以抑制双向可控硅通断时产生的浪涌电流。R25 和 C10 根据经验公式选，一般C10 取 0.011.0uF，R25 取几欧到几十欧，本电路中R25 取 39欧，C10取 0.01 uF。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 17 页个人资料整理仅限学习使用R27为限流电阻，用来限制MOC3061 的输出驱动电流，其数值为电源电压峰值除以双向可控硅的允许重复电流。在本电路中R27 取 300欧。R26：由于 MOC3061 在输出关断状态下也有小于或等于500mA 的输出电流，所以加入R26 分流消除这个电流对双向可控硅的影响，以防止双向可控硅误触发，提高了系统的可靠性。在此电路中可以看出单片机的输出通道采用了MOC3061 进行驱动有以下优点： 1）控制简单。可用SETB 或 CLR 指令直接控制P2.0、P2.1、P2.2以控制加热电阻的工作与否。 2）MOC3061 由于采用了过零触发电路大大简化了双向可控硅的触发电路，把 SCR一向控制变为实用的数字脉冲控制。 3）MOC3061 与双向可控硅实际组成了一个固态继电器，实现了无触电控制。 4）输出通道实现了光电隔离，防止了射电干扰。 双向可控硅这种可控硅具有双向导通功能，在交流电的正负半周都可以导通。其英文名 TRIAC 即三级交流开关的意思，并把它的两极称为MT1 和 MT2 ，其电路符合如图所示。双向可控硅的通断情况由控制极栅极G）决定，当栅极无信号时MT1 和MT2 成高阻态，管截止；而当MT1 与 MT2 之间加一个阈值电压触发方式控制双向可控硅从高阻态阻断区）转换到低阻态导通区）可以用不同的精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 17 页个人资料整理仅限学习使用方式实现。相应的分为四种方式：1）MT1 相对于 MT2 为正，控制脉冲电压Ug 相对于 MT1 为正2）MT1 相对于 MT2 为负，控制脉冲电压Ug 相对于 MT1 为负3）MT1 相对于 MT2 为正，控制脉冲电压Ug 相对于 MT1 为负4）MT1 相对于 MT2 为负，控制脉冲电压Ug 相对于 MT1 为正双向可控硅通常工作在控制方式1）和控制方式 2）。在这两种控制方式下，控制灵敏度特别高。另外两种控制方式下，要求高一倍的触发电流。在本设计中，选择了控制方式1）和由硬件完成过零触发环节，即在工频电压下，每10ms 进行一次过零触发信号，由此信号来达到与单片机的同步。 (2过零检测信号接至单片机的P2.3 口，由单片机对此口进行循环检测，然后进行延时触发。3控制电路及程序流程图3.1 微处理器 89C51 89C51 是一种带 4K 字节 Flash 可编程可擦除的高性能CMOS8 位微处理器，俗称单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100 次。该器件采用 ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51 指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8 位 CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中， ATMEL 的 89C51 是一种高效微控制器。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页，共 17 页个人资料整理仅限学习使用单片机的抗干扰性设计。单片机干扰最常见的现象就是程序出现不可逆状态，设计系统时一般要添加一个看门狗监控模块，在系统出现不可逆状态的干扰时，监控模块将重启系统。MAX1232 微处理器监控电路给微处理器提供辅助功能以及电源供电监控功能，当电源过电压、欠电压时，MAX1232 将提供至少250ms宽度的复位脉冲，其中的容许极限能用数字式的方法来选择5%或 10%的容限。3.2 模数转换模块N Y 置位状态位F0 F0=0 F0=0 结果 or 设定值的 20% 结果 =0 -20%结果 20% 设定值与AD结果比较报警子程序F0 是否等于零关闭报警N Y 输出控制量调 PID 控制算法程序交流电是否过零溢出标志TF1 是否为零读 A/D 结果将 PSW 压栈调显示程序开始精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页，共 17 页个人资料整理仅限学习使用图 3.1 A/D 转换结束中断服务程序流程图ADC0809 是一个典型的逐次逼近型8 位 A/D 转换器。它由 8路模拟开关、8 位 A/D 转换器、三态输出锁存器及地址锁存译码器等组成。它允许8 路模拟量分时输入，转换后的数字量输出是三态的总线型输出），可以直接与单片机数据总线连接。 ADC0809 采用+5V 电源供电，外接工作时钟。当典型工作时钟为 500KHz 时，转换时间约为 128us.1） 时 钟信 号 ： 由 于 ADC0809 无 片 选 端 ， 因此 电 路 增 加 了 或 非门74LS02，以便对ADC0809 进行读 /写控制。单片机采用6MHz/s 的晶振， ALE输出 66MHz/s 时钟信号，经 74LS74触发器 2 分频，得到 500KHz 的时钟信号，与 ADC0809 的时钟端 CLK 相连。2）通道选择：三位通道选择端ADDA 、ADDB 、ADDC与数据线P1 口的低三位P1.0、P1.1、P1.2 相连，用数据线进行通道选择，由P1.0、P1.1、P1.2 三位决定选择那一通道。3）ADC0809启动： ADC0809的启动端START 、地址所存端ALE 均为高电平有效。将 START 和 ALE连在一起，与74LS02的输出端相连。或非门74LS02的两个输入端 /WR和 P3.5 均为低电平时，其输出为高电平，执行外部I/O 口的写操作。4）转换数据的读取：当转换结束时，EOC端输出高电平。可用查询和中断的方法进行数据读取处理。输出允许OE端为高电平， 8 位转换数据 D0D7输出到数据线上。只有P3.5 和/ RD同时为低电平时， OE端才为高电平。执行外部 I/O 口读操作 / RD 为低电平。动态显示：动态扫描，分时循环动态显示，就是微型机定时地对显示器件扫描，在这种方法中，显示器件分时工作，每次只能一个器件显示。但由于人视觉的暂留现象，所以，仍感觉所有的器件都在显示。(2静态显示：一次输出，结果保持静态显示，是由微型机一次输出显示后，就能保持该显示结果，直到下次送新的显示模型为止。这种显示占用机时少，显示可靠。通过比较及对程序的分析，本设计当中两组数码管均采用共阴极静态显示。图 3.2 显示子程序3.4 报警模块送入 8255PA 口将数据转换为七段码开始译码选择显示位子程序返回置报警位P3.4 开始清除报警状态位F0 子程序返回精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页，共 17 页个人资料整理仅限学习使用图 3.3 报警子程序根据设计要求，在保温阶段，温度控制精度为正负1 度，故当温度下降或上升2 度时为故障状态，需要报警提醒。所以在电路设计上应用了蜂鸣器和发光二极管，系统正常运行时绿色发光二极管点亮，当出现故障时红色发光二极管点亮并且蜂鸣器鸣叫，提醒操作人员注意。报警状态可通过按键复位和系统恢复正常后自动复位。3.5 键盘模块在本次设计当中，输入设备采用4*4 矩阵键盘。当“设定”键按下时触发键盘中断服务程序，由程序程控扫描法确定那个键按下并执行相应的动作。程控扫描的任务是：(1首先判断是否有键按下。方法：使所有的行输出均为低电平，然后从端口A 读入列值。如果没有键按下，则读人值为 FFH 如果有链按下则不为FFH 。(2去除键抖动。方法：延时1020 ms，再一次判断有无键按下，如果此时仍有键按下，则认为键盘上确实有键处于稳定闭合期。(3若有键闭合，则求出闭合键的键值。方法：对键盘逐行扫描。程序中需等闭合键释放后才对其进行处理。3.6 通信模块在此部分主要是实现下位机与上位机之间的通信，将实时数据传送到上位机，进行同一协调和集中管理。RS232的电气接口是单端的、双极性电源电路。由于RS-232 采用的数据传输线路是非平衡，且是误无差分的接收方式，当信号穿过电气干扰环境时，发送的信号将会受到影响。故数据传输速率局限于20KB/s ；传输距离局限于15m，但 RS-232也是目前最广泛使用的串行通信接口标准。在本设计当中，考虑到系统调试的方便，采用了RS232 串行总线。MAX232 芯片是美信公司专门为电脑的RS- 232 标准串口设计的接口电路, 使精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页，共 17 页个人资料整理仅限学习使用用+5v 单电源供电。内部结构基本可分三个部分：1）第一部分是电荷泵电路。由1、2、3、4、5、6 脚和4 只电容构成。功能是产生 +12v 和- 12v 两个电源，提供给RS- 232 串口电平的需要。2）第二部分是数据转换通道。由7、8、9、10、11、12、13、14 脚构成两个数据通道。其中13 脚R1IN ）、 12 脚R1OUT ）、 11 脚T1IN ）、14 脚T1OUT ）为第一数据通道。8 脚R2IN ）、 9 脚R2OUT ）、 10 脚T2IN ）、7 脚T2OUT ）为第二数据通道。TTL/CMOS 数据从 T1IN 、T2IN 输入转换成RS- 232 数据从 T1OUT 、T2OUT 送到电脑 DB9 插头； DB9 插头的 RS-232 数据从 R1IN 、R2IN 输入转换成 TTL / CMOS 数据后从 R1OUT 、R2OUT 输出。3）第三部分是供电。15 脚 GND、16 脚 VCC+5v）4系统软件设计4.1 系统主程序及其功能Y N 计算温差ek）和温差变化率温度值显示温度数据采集及处理系统的初始化开始智能控制算法程序控制输出结束精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页，共 17 页个人资料整理仅限学习使用图 4.1 系统主程序流程图本系统的应用程序主要由主程序、中断服务程序和子程序组成。主程序的任务是对系统进行初始化，实现参数输入，并控制电加热炉的正常运行。主程序主要由系统初始化、数据采集及处理、智能推理等部分组成。系统初始化包括设置栈底、工作寄存器组、控制量的初始值、采样周期、中断方式和状态、定时器的工作方式以及8255的初始化、 MAX1232 的初始化等。数据采集及处理主要包括实时采集电加热炉的炉温信号，计算出实际炉温与理想值的差值以及温差的变化率，并对炉温信号进行滤波和限幅处理。主程序流程图如图4.1所示。4.2PID 控制算法1 PID 简介 PID发生变化，现场检测元件就会将这种变化采集后经变送器送至 PID 控制器的输入端，并与其给定值( 以下简称 SP 值进行比较得到偏差值( 以下简称e 值，调节器按此偏差并以我们预先设定的整定参数控制规律发出控制信号，去改变调节器的开度，使调节器的开度增加或减少，从而使现场控制对象值发生改变，并趋向于给定值( SP 值，以达到控制目的，如图1 所示，其实 PID 的实质就是对偏差 e 值）进行比例、积分、微分运算，根据运算结果控制执行部件的过程。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页，共 17 页个人资料整理仅限学习使用图1模拟 PID 控制系统原理图PID 控制器的控制规律可以描述为： 2）比例P）控制能迅速反应误差，从而减小稳态误差。但是，比例控制不能消除稳态误差。比例放大系数的加大，会引起系统的不稳定。积分I）控制的作用是：只要系统有误差存在，积分控制器就不断地积累，输出控制量，以消除误差。因而，只要有足够的时间，积分控制将能完全消除误差，使系统误差为零，从而消除稳态误差。积分作用太强会使系统超调加大，甚至使系统出现振荡。微分 D）控制可以减小超调量，克服振荡，使系统的稳定性提高，同时加快系统的动态响应速度，减小调整时间，从而改善系统的动态性能。根据不同的被控对象的控制特性，又可以分为P、PI、PD、PID 等不同的控制模型。2数字 PID 的实现在连续 - 时间控制系统 模拟 PID 控制系统）中， PID 控制器应用得非常广泛。其设计技术成熟，长期以来形成了典型的结构，参数整定方便，结构更改灵活，能满足一般的控制要求。随着计算机的快速发展，人们将计算机引入到PID 控制领域，也就出现了数字式PID 控制。由于计算机基于采样控制理论，计算方法也不能沿袭传统的模拟PID 控制算法如公式 1 所示），所以必须将控制模型离散化，离散化的方法：以T 为采样周期， k 为采样序号，用求和的形式代替积分，用增量的形式求差）代替微分，这样可以将连续的PID 计算公式离散：k=0,1,2.） 3）式 1 就可以离散为 : 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 14 页，共 17 页个人资料整理仅限学习使用或者4）这样就可以让计算机或者单片机通过采样的方式实现PID 控制，具体的PID 控制又分为位置式PID 控制和增量式 PID 控制，公式 4 给出了控制量的全部大小，所以称之为全量式或者位置式控制；如果计算机只对相邻的两次作计算，只考虑在前一次基础上，计算机输出量的大小变化，而不是全部输出信息的计算，这种控制叫做增量式PID 控制算法，其实质就是求 的大小，而；所以将式 4 做自减变换有：控制系统的软件主要包括：采样、标度变换、控制计算、控制输出、中断、显示、报警、调节参数修改、温度设定及修改。其中控制算法采用数字PID 调节，应用增量型控制算法，并对积分项和微分项进行改进，以达到更好的控制效果。考虑到电加热炉是一个非线性、时变和分布参数系统，所以本文采用一种新型的智能控制算法。它充分吸取数学和自动控制理论成果，与定性知识相结合，做到取长补短，在实时控制中取得较好的成果。5心得体会通过近一周时间的课程设计，让我学习了很多，也了解了很多，真的可以说是受益匪浅。此次课程设计中，我做的课题是基于PID 的电加热炉温度控制系统。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 15 页，共 17 页个人资料整理仅限学习使用整个系统分为四个部分：测量检测模块，控制调节模块，驱动执行和电源模块。基于 PID 电加热炉温度控制系统是以PID 控制为核心的温度控制系统，查阅了很多资料并且对以前学习的专业知识系统并有针对性的复习设计出了自己满意作品，也只有这样才能起到此次课程设计的目的。通过各方面的努力，最终设计出了自己较为满意的系统。虽然这一周过得很辛苦，但是自己付出的努力得到了回报，那种成就感是任何事物都无法代替的。还有在设计过程中，我们积累的经验，对我们以后的学习和工作会有莫大的帮助。参考文献 1 康华光编著 . 电子技术基础 模拟部分） . 高等教育出版社，2000 2 于海生编著 . 计算机控制技术. 机械工业出版社，2003 3 李晓莹编著 . 传感器与测设技术. 高等教育出版社，2002 4 付家才编著 . 单片机实验与实践. 高等教育出版社，2004 5 谭浩强编著 .MCS-51 单片机应用教程. 清华大学出版社，2001 6 潘新民王燕芳 .微型计算机控制技术. 电子工业出版社.2018.1 7 郁有文常健程继红 . 传感器原理及工程应用. 西安电子科技大学出版社.2008.7 8 谢维成杨加国 .单片机原理与应用及C51程序设计 . 清华大学出版社.2009.7 9 林锦国张利李丽娟 . 过程控制 . 东南大学出版社.2009.8 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 16 页，共 17 页个人资料整理仅限学习使用精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 17 页，共 17 页