温度控制新版专业系统设计.doc

武汉理工大学华夏学院
课 程 设 计 报 告 书

题 目：
系 名：
专业班级：
姓 名：
学 号：
指导老师：

年 6 月 14 日

摘要

电加热炉伴随科学技术发展和工业生产水平提升，已经在冶金、化工、机械等各类工业控制中得到了广泛应用，而且在国民经济中占有举足轻重地位。对于这么一个含有非线性、大滞后、大惯性、时变性、升温单向性等特点控制对象，极难用数学方法建立正确数学模型，所以用传统控制理论和方法极难达成好控制效果。
单片机以其高可靠性、高性能价格比、控制方便简单和灵活性大等优点，在工业控制系统、智能化仪器仪表等很多领域得到广泛应用。采取单片机进行炉温控制，能够提升控制质量和自动化水平。

设计任务及要求

在本控制对象电阻加热炉功率为800W，由220V交流电供电，采取双向可控硅进行控制。被控对象为电炉，采取热阻丝加热，利用大功率可控硅控制器控制热阻丝两端所加电压大小，来改变流经热阻丝电流，从而改变电炉炉内温度。可控硅控制器输入为0－5伏时对应电炉温度0－300℃，温度传感器测量值对应也为0－5伏，对象特征为带有纯滞后步骤一阶系统，惯性时间常数为T1＝30秒，滞后时间常数为τ＝10秒。
其对象问温控数学模型为：

要求：
1）设计温度控制系统计算机硬件系统，画出框图；
2）编写积分分离PID算法程序，从键盘接收Kp、Ti、Td、T及β值；
3）经过数据分析Kp改变时对系统超调量影响。
4）经过数据分析Td改变时对系统超调量影响
5）撰写设计说明书。

其中：时间常数Ti=30秒
放大系数Kp=50
滞后时间=10秒

目录
1 系统硬件设计 5
1.1 系统硬件结构框图 5
1.2 电源部分 5
1.3 采样测量部分 6
1.4 驱动实施部分 6
2 积分分离PID算法 7
2.1 积分分离PID控制 7
2.2 步骤图 7
3 系统测试及数据分析 8
3.1 数据分析Kp改变时对系统超调量影响 8
3.2 数据分析Td改变时对系统超调量影响 8
3.3 数据分析Ti改变时对系统超调量影响 8
心得体会 9
参考文件 10

温度控制系统设计

1.系统硬件设计
1.1系统硬件结构框图
本系统单片机炉温控制系统结构关键由单片机控制器、可控硅输出部分、热电偶传感器、温度变送器和被控对象组成。
系统硬件结构框图以下：
通信接口
键盘
微型控制机
AT89C51
温度检测PT100
驱动实施机构
8路D/A转换器DAC0832
测量变送
8路A/D转换器ADC0809
加热电阻
温度

图1-1 系统硬件结构框图
1.2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电压变为所需要电压值，然后经过整流电路将交流电压变为脉动直流电压。因为此脉动直流电压还含有较大纹波，必需经过滤波电路加以滤除，从而得到平滑直流电压。但这么电压还随电网电压波动（通常有+-10%左右波动）、负载和温度改变而改变。所以在整流、滤波电路以后,还需要接稳压电路。稳压电路作用是当电网电压波动、负载和温度改变时，维持输出直流电压稳定。整流装置采取二极管桥式整流，稳压芯片采取78L05,配合电容将电压稳定在5V，供控制电路、测量电路和驱动实施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电压，经过控制双向可控硅导通和截止来控制加热电阻功率。低压交流电即变压器二次侧电压，经过过零检测电路检测交流电过零点，送入单片机后，由控制程序决定双向可控硅导通角，以达成控制加热电阻功率目标。
1.3采样测量部分
在检测装置中，温度检测用WZP-231铂热电阻（Pt100），采取三线制接法，采样电路为桥式测量电路，其输入量程为50~350°C，经测量电路采样后输出0~5V电压，再经模数转换芯片ADC0809进行转换，变为数字量后送入单片机进行分析处理。
测温原理：电路采取TL431和电位器VR1调整产生4.096V参考电源；采取R1、R2、VR2、Pt100组成测量电桥（其中R1＝R2，VR2为100Ω精密电阻），当Pt100电阻值和VR2电阻值不相等时，电桥输出一个mV级压差信号，这个压差信号经过运放LM324放大后输出期望大小电压信号，该信号可直接连AD转换芯片。差动放大电路中R3＝R4、 R5＝R6、放大倍数＝R5/R3，运放采取单一5V供电。
1.4驱动实施部分
硬件输出通道关键包含加热电阻控制步骤，而此控制步骤关键是双向可控硅，但电路关键是设计双向可控硅驱动电路。双向可控硅通断直接决定加热电阻工作和不工作，本部分用带过零触发光耦MOC3061来驱动。
双向可控硅电路
这种可控硅含有双向导通功效，在交流电正负半周全部能够导通。其英文名TRIAC即三级交流开关意思，并把它两极称为MT1和MT2，其电路符合图所表示。
双向可控硅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和MT2之间加一个阈值电压（通常大于1.5V）电压时，就能够利用控制极栅极电压来使可控硅导通。但需要注意是，当双向可控硅接感性负载时，电流和电压之间有一定相位差。在电流为零时，反向电压可能不为零，且超出转换电压，使管子反向导通，故要管子能承受这种反向电压，并在回路中加入RC网络加以吸收。
在本设计中，考虑到电网电压稳定和现在市场上销售双向可控硅型号，选择了工作电压为400V，通态电流为4A双向可控硅BT136。利用单片机控制双向可控硅导通角。在不一样时刻利用单片机给双向可控硅控制端发出触发信号，使其导通或关断，实现负载电压有效值不一样，以达成调压控制目标。具体以下：
（1） 由硬件完成过零触发步骤，即在工频电压下，每10ms进行一次过零触发信号，由此信号来达成和单片机同时。
（2） 过零检测信号接至单片机P2.3口，由单片机对此口进行循环检测，然后进行延时触发。

2积分分离PID算法
2.1 积分分离PID控制
积分分离控制基础思绪是：当被控量和设定值偏差较大时，取消积分作用，以免因为积分作用使系统稳定性降低，超调量增大；当被控量靠近给定值时，引入积分控制，方便消除静差，提升控制精度。其具体实现步骤以下：
（1）依据具体系统，人为设定阈值 ；
（2）当初，采取PD控制；
（3）当初，采取PID控制；
积分分离控制算法可表示为

其中，为采样时间，为积分项开关系数： 。
2.2 步骤图
积分分离PID控制算法程序框图图1所表示。
开始
采样输入r(k)
输出y(k)
计算误差e(k)=r(k)-y(k)

PID控制算法
PD控制算法
计算控制量u(k)
输出控制
Y
N

图2-1 PID积分分离控制算法步骤图

3系统测试及数据分析
3.1 数据分析Kp改变时对系统超调量影响
其对象问温控数学模型为：

经典PID控制器数学模型为：

影响：Kp值和超调量基础成正比关系，伴随Kp值增加量对应也增加。百分比步骤作用是降低偏差。百分比系数Kp增大能够加紧响应速度，减小系统稳态误差，提升控制精度。过大会产生较大超调，造成系统不稳定；取得过小，可降低系统超调量，使系统稳定裕度增大，但会降低系统调整精度，使系统过渡过程时间延长。
3.2 数据分析Td改变时对系统超调量影响
微分步骤能反应偏差信号改变趋势，能在偏差信号值变得太大之前，引入一个有效早期修正信号，有利于系统减小超调，克服振荡，使系统快速趋于稳定，提升系统响应速度，减小调整时间，从而改善系统动态特征。其缺点是抗干扰能力差，微分系数Td值对响应过程影响大，若增大 ，有利于加紧系统响应，使超调量减小，增加稳定性，但会带来扰动敏感，抑制干扰能力减弱，若Td过大则会使响应过程过分提前制动从而延长调整时间；反之，若微分系数Td过小，系统调整过程减速就会滞后，超调量增加，使系统响应速度变慢，造成系统稳定性变差。
3.3 数据分析Ti改变时对系统超调量影响
积分步骤用于消除系统静态误差，提升系统无差度，但会使系统响应速度变慢，使系统超调量变大，而且可能造成系统产生振荡。加大积分系数Ti有利于减小系统静差，但过强积分作用会使系统超调量加剧，甚至引发振荡；减小积分系数Ti即使有利于系统稳定，避免系统产生振荡，减小系统超调量，但对消除系统静差是不利。

心得体会
经过为期一周课程设计，让我学习了很多，也了解了很多，真能够说是受益匪浅。
此次课程设计中，我做课题是《温度控制系统设计》。整个系统分为四个部分：测量检测模块，控制调整模块，驱动实施和电源模块。查阅了很多资料而且对以前学习专业知识系统并有针对性复习设计出了自己满意作品，进而得到同学和老师肯定，也只有这么才能起到此次课程设计目标。
经过各方面努力，最终设计出了自己较为满意系统。即使这一周过得很辛劳，不过自己付出努力得到了回报，那种成就感是任何事物全部无法替换。还有在设计过程中，我们积累经验，对我们以后学习和工作会有莫大帮助。

参考文件
1.于海生. 计算机控制技术. 机械工业出版社.
2. 郑学坚.周斌. 微型计算机原理和应用. 清华大学出版社,
3. 沈美明.温冬婵. IBM-PC汇编语言程序设计. 清华大学出版社.
4. 何立民. 单片机应用系统设计. 北京航空航天大学出版社.
5. 姚燕南.薛钧义. 微型计算机原理. 西安电子科技大学出版社.
6. 沙占友等. 新编实用数字化测量技术. 国防工业出版社.1998
7. 宋春荣等. 通用集成电路手册. 山东科技出版社.1997

本科生课程设计成绩评定表
姓 名

学 号

专业、班级

课程设计题目：

课程设计质疑统计：

成绩评定依据：
态度认真，组织纪律性好（20分）

设计说明书文理通顺，工整（10分）

设计方案合理，论证充足（20分）

设计资料齐全，格式规范（10分）

独立完成任务，无原理性错误（20分）

答辩（20分）

总 分：
最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）

指导老师签字：

年 月 日