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电加热炉温度控制系统设计方案 绪论 电加热炉的出现，给人类的生活带来了很多方便，使人类不管是在生活还是在工业方面都有了很多便利之处。但是电加热炉主要应用还是在生产过程、实验室及研究所。电加热炉本身可由多组炉丝提供功率，用多组温度传感器检测炉温度，因此电加热炉属多区温度系统。控制理论从经典理论、现代理论已经发展到更先进的控制理论，控制系统也由简单的控制系统、大系统发展到今天的复杂系统。本文讨论的电加热炉炉温控制系统由上下两组炉丝进行加热，用上下两组热电偶检测炉温。本文所采用的电加热炉温度控制，采用的是适用于工业控制的8051 单片机组成的控制系统。为了降低电加热炉的成本，系统要求采用实现温度闭环控制，控制温度误差围 5C，调节温度的超调量小于30%，系统被测参数是温度，由单片机 PID 运算得出的控制量控制光控可控硅的导通和关断，以便切断或接通加热电源，调整电功率，从而控制电加热炉的温度稳定在设定的值上，并实时显示炉温度，记录温度的变化过程，以更好的控制电加热炉工作。本系统较理想地解决了炉温控制中平稳性、快速性与精度之间的矛盾。电加热炉是一种将电能转换为热能，在工矿企业和日常生活中，是一种常见的设备。在社会发展的今天，电加热炉的使用，即可以提高生产效益，节约能源，也减少了环境的污染，在社会经济发展和改善人民生活质量等方面的优点早已成为社会的共识。随着社会经济的不断发展，科技水平的进步，人民生活水平的提 4 高，将使社会带入一个新的阶段。人们对热能的需求质量越来越大，电加热炉的优越性越发的突出来，这样就出现了一个问题，由于传统的电加热炉存在一定的弊端而造成能源的浪费，导致其生产效率低，其主要原因是缺少有效的调节设备，导致的浪费。如何解决这一问题，满足社会的需求，设计得更加科学、合理，在全国仍在探讨。并且现代电加热炉的控制方法由于数学深奥、算法复杂、现场工程师难以理解和接受，因而先进控制算法的推广受到制约，为克服以上种种困难，将来的电加热炉以控制算法简单，静动态性能好的特点，有较高的实用价值和理论价值，特别是以节约能源、保护环境的方向发展。1.电加热温度控制系统的构成 此次设计的电阻炉温度控制系统，主要包括 8051 单片机、温度控制检测元件和变送器、A/D 转换器、键盘与显示器、温度控制电路和报警电路等几个部分。1.1 各主要芯片的在电加热炉温度控制系统中的功能。首先该系统选用性能价格比较高的适用于工业控制 MCS51 系列单片机 8051 作为主机，具有控制方便、简单和灵活性等特点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能大大提高产品的质量和数量。其次是应用了定时/计数器。定时/计数器控制寄存器 TCON 的作用是控制定时器的启、停，标志定时器的溢出和中断情况。此外还应用了锁存器 74LS373。74LS373 片是 8 个输出带三态门的 D 锁存器，缩存器中容可以根据设置的电平的高低对容进行更新和保存。还有应用到了光控可控硅。晶闸管又叫硅可控整流元件，常简称为可控硅不只是用5 来进行可控整流它还可以用作无触点开关以快速接通或切断电路，实现将直流电变成交流电的逆变，将一种额率的交流电变成另种频率的交流电，8279 芯片，它是一种可编程的键盘/显示器接口芯片。它含键盘输入和显示输出两种功能。A/D 转换器:这里采用 ADC0809 A/D 转换器。通过一个串行三态输出端与主处理器或其外围的串行口通信，可与主机高速传输数据，可编程输出数据长度和格式。热电偶:常用的热电偶有好多种，根据我们实际所需要的，在这里我采用铂铑。这种热电偶可在 1600C 以下围长期工作，短期可测 1800C 的高温。1.2 电加热炉温度控制系统的结构框图及工作原理 图 1-1 系统结构框图 工作原理：热电偶用来检测炉温，将电阻炉中的温度转变成毫伏级的电压信号，经温度变送器放大并转换成电流信号。由于 A/D 转换器接受的是电压量，所以在温度变送器的输出端介入电阻网络，把得到的电流信号转换成电压信号。通过采样和 A/D转换，所检测得到的电压信号和炉温给定的电压信号都转换成数字量送入到微型机中进行比较，其差值即为实际电炉和给定炉温间的偏差。微型机构成的数字控制器对偏差按一定的控制规律进行运算，运算结果送D/A 转换器转换成模拟电压，经功率放大器放大后送到晶闸管调压器，触发晶闸管并改变其导通角的大小，从而控制电阻炉的加温电压，起到调节炉温的作用。1.3 系统中要用到的主要芯片的简介 1.3.1 8051 8051 单片机包含中央处理器、程序存储器(ROM)、数据存储器(RAM)、定时/计数器、并行接口、串口接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线，具体介绍如下：中央处理器：中央处理器(CPU)是整个单片机的核心部件，是 8 位数据宽度的处理器，能处理 8 位二进制数据或代码，CPU 负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。数据存储器(RAM)：8051 部有 128 个 8 位用户数据存储单元和 128 个专用寄存器单元，它们是统一编址的，专用寄存器只能用于存放控制指令数据，用户只能访问，而不能用于存放用户数据，所以，用户能使用的的 RAM 只有 128 个，可存放读写的数据，运算的中间结果或用户定义的字型表。程序存储器(ROM)：8051 共有 4096 个 8 位掩膜 ROM，用于存放用户程序，原始数据或软 盘 显示 报警显示 A/D 光 控 可 控硅 热电偶 8051 电加热炉 变送器 表格。定时/计数器(ROM)：8051 有两个 16 位的可编程定时/计数器，以实现定时或计数产生中断用于控制程序转向。并行输入输出(I/O)口：8051 共有 4 组 8 位 I/O 口(P0、P1、P2 或 P3)，用于对外部数据的传输。全双工串行口：8051 置一个全双工串行通信口，用于与其它设备间的串行数据传送，该串行口既可以用作异步通信收发器，也可以当同步移位器使用。中断系统：8051 具备较完善的中断功能，时钟电路：8051 置最高频率达 12MHz 的时钟电路，用于产生整个单片机运行的脉冲时序，但 8051 单片机需外置振荡电容2 MCS-51 的引脚说明：8051 采用 40Pin 封装的双列直接 DIP 结构，下图是它们的引脚配置，40 个引脚中，正电源和地线两根，外置石英振荡器的时钟线两根，4 组 8 位共 32 个 I/O 口，中断口线与 P3 口线复用。功能如下说明：Pin20:接地脚 Pin40:正电源脚，正常工作或对片 EPROM 烧写程序时，接+5V 电源。Pin19:时钟 XTAL1 脚，片振荡电路的输入端。Pin18:时钟 XTAL2 脚，片振荡电路的输出端。输入输出(I/O)引脚：Pin39-Pin32 为 P0.0-P0.7 输入输出脚也可作为低 8 位地址总线，Pin1-Pin1 为P1.0-P1.7 输入输出脚，Pin21-Pin28 为 P2.0-P2.7 输入输出脚也可作为高 8 位地址总线，Pin10-Pin17 为 P3.0-P3.7 输入输出脚还具有第二功能，功能如下图所示。Pin9:RESET/Vpd复位信号复用脚，当 8051 通电，时钟电路开始工作，在 RESET 引脚上出现 24 个时钟周期以上的高电平，系统即初始复位。初始化后，程序计数器 PC 指向0000H，P0-P3 输出口全部为高电平，堆栈指钟写入 07H，其它专用寄存器被清“0”。RESET由高电平下降为低电平后，系统即从 0000H 地址开始执行程序。然而，初始复位不改变RAM（包括工作寄存器 R0-R7）的状态，8051 的初始态如下表：表 1-1 8051 初始态 Pin30:ALE/PROE 当访问外部程序器时，ALE(地址锁存)的输出用于锁存地址的低位字节。而访问部程序存储器时，ALE 端将有一个 1/6 时钟频率的正脉冲信号，这个信号可以用于识别单片机是否工作，也可以当作一个时钟向外输出。更有一个特点，当访问外部程序存储器，ALE 会跳过一个脉冲。如果单片机是 EPROM，在编程其间，PROE将用于输入编程脉冲。Pin29:当访问外部程序存储器时，此引脚输出负脉冲选通信号，PC 的 16 位地址数据将出现在 P0 和 P2 口上，外部程序存储器则把指令数据放到 P0口上，由 CPU 读入并执行。4 Pin31:EA/Vpp程序存储器的外部选通线，8051 和 8751 单片机，置有 4kB 的程序存储器，当 EA 为高电平并且程序地址小于 4kB 时，读取部程序存储器指令数据，而超过 4kB 地址则读取外部指令数据。如 EA 为低电平，则不管地址大小，一律读取外部程序存储器指令。显然，对部无程序存储器的 8031,EA 端必须接地。2在编程时，EA/Vpp脚还需加上 21V 的编程电压。1.3.2 定时/计数器 1）工作方式寄存器 TMOD 图 1-2 TMOD 寄存器 M1、M0 选择方式 表 1-2 M1、M0 选择工作方式 功能选择位，当为 0 时，为定时器方式：当为 1 时为计数器方式。GATE 门控位，当为 0 时，只要控制位 TR0 或 TR1 置 1，即可启动响应定时器开始工作；当为 1 时，除需要 TR0 或 TR1 置 1 外，还需要或引脚为高电平时，才能启动响应的定时器开始工作。TMOD 不能进行寻址，只能用字节传送指令设置工作方式。2）定时/计数器控制寄存器 TCON TCON 的作用是控制定时器的启、停，标志定时器的溢出和中断情况。定时器 TCON格式如下：图 1-3 TCON 定时器 TCON.7 TF1定时器 1 溢出标志。当定时器 1 计满溢出时，由硬件 TF1 置 1，并且申请中断。进入中断服务程序后，由硬件自动清 0。TR1 定时器 1 运行控制位。当为 1 时，启动定时器 1 工作；当为 0 时，关闭定时器1 工作。TF0 定时器 0 溢出标志。TR0 定时器 0 运行控制位。操作同上。IE1 外部中断 1 请求标志。IT1 外部中断 1 触发方式选择位。IE0 外部中断 0 请求标志。IT0 外部中断 0触发方式选择位。1.3.3 锁存器 74LS373 74LS373 片是 8 个输出带三态门的 D 锁存器，其结构图如下。当使能端 G 程 高电平时锁存器中的容可以改变更新，而在返回低电平瞬间实现锁存。如此时芯片的输出控制端为 OE 低，即输出三态门打开，锁存器中的地址信息便可经由三态门输出。74LS373 是带清除端 CLR 的 8D 触发器。它不带三态门，但 CLR 端为低时，8 个 D触发器中的容将被清除而输出全零，所以正常工作时该端应接高电平。它在时钟端CLK 输入为上升沿时触发器中的容更新，因此单片机的 ALE 引脚应先经反相，再与该端相连接。经过我们对他们的分析最终我们采用 74LS373。(4)74LS373 的外部结构图如下：图 1-4 74LS373 的外部结构图 1.3.4 光控可控硅：晶闸管又叫硅可控整流元件，常简称为可控硅。普通晶闸管是一种具有三个 PN 结的四层结构的大功率半导体器件。目前，晶闸管的派生器件很多，如双向晶闸管、可关断晶闸管、光控晶闸管等，在无线电技术中应用也很广泛。事实上，晶闸管不只是川来进行可控整流它还可以用作无触点开关以快速接通或切断电路，实现将直流电变成交流电的逆变，将一种额率的交流电变成另种频率的交流电，等等。人们常称它为电力电子器件。1)可控硅工作原理 可控硅是 P1N1P2N2 四层三端结构元件，共有三个 PN 结，分析原理时，可以把它看作由一个 PNP 管和一个 NPN 管所组成。当阳极 A 加上正向电压时，BG1 和 BG2 管均处于放大状态。此时，如果从控制极 G输入一个正向触发信号，BG2 便有基流 ib2 流过，经 BG2 放大，其集电极电流ic2=2ib2。因为 BG2 的集电极直接与 BG1 的基极相连，所以 ib1=ic2。此时，电流ic2 再经 BG1 放大，于是 BG1 的集电极电流 ic1=1ib1=12ib2。这个电流又流回到 BG2 的基极，表成正反馈，使 ib2 不断增大，如此正向馈循环的结果，两个管子的电流剧增，可控硅使饱和导通。由于 BG1 和 BG2 所构成的正反馈作用，所以一旦可控硅导通后，即使控制极 G 的电流消失了，可控硅仍然能够维持导通状态，由于触发信号只起触发作用，没有关断功能，所以这种可控硅是不可关断的。由于可控硅只有导通和关断两种工作状态，所以它具有开关特性，这种特性需要一定的条件才能转化，如下表 表 1-3 可控硅导通和关断条件 2)基本伏安特性 图 1-5 可控硅基本伏安特性 （1）反向特性 当控制极开路，阳极加上反向电压时（见图 3），J2 结正偏，但 J1、J2 结反偏。此时只能流过很小的反向饱和电流，当电压进一步提高到 J1 结的雪崩击穿电压后，接差 J3 结也击穿，电流迅速增加，图 3 的特性开始弯曲，如特性 OR 段所示，弯曲处的电压 URO 叫“反向转折电压”。此时，可控硅会发生永久性反向击穿。图 1-6 阳极加反向电压（2）正向特性 当控制极开路，阳极上加上正向电压时（见图 1-6），J1、J3 结正偏，但 J2 结反偏，这与普通 PN 结的反向特性相似，也只能流过很小电流，这叫正向阻断状态，当电压增加，图 3 的特性发生了弯曲，如特性 OA 段所示，弯曲处的是 UBO 叫：正向转折电压 图 1-7 阳极加正向电压 由于电压升高到 J2 结的雪崩击穿电压后，J2 结发生雪崩倍增效应，在结区产生大量的电子和空穴，电子时入 N1 区，空穴时入 P2 区。进入 N1 区的电子与由 P1 区通过J1 结注入 N1 区的空穴复合，同样，进入 P2 区的空穴与由 N2 区通过 J3 结注入 P2 区的电子复合，雪崩击穿，进入 N1 区的电子与进入 P2 区的空穴各自不能全部复合掉，这样，在 N1 区就有电子积累，在 P2 区就有空穴积累，结果使 P2 区的电位升高，N1区的电位下降，J2 结变成正偏，只要电流稍增加，电压便迅速下降，出现所谓负阻特性，见图 3 的虚线 AB 段。这时 J1、J2、J3 三个结均处于正偏，可控硅便进入正向导电状态-通态，此时，它的特性与普通的 PN 结正向特性相似，见图 2 中的 BC 段（3)触发导通在控制极 G 上加入正向电压时（见图 5）因 J3 正偏，P2 区的空穴时入 N2 区，N2 区的电子进入 P2 区，形成触发电流 IGT。在可控硅的部正反馈作用（见图 2）的基础上，加上 IGT 的作用，使可控硅提前导通，导致图 3 的伏安特性 OA 段左移，IGT 越大，特性左移越快。图 1-8 阳极和控制极均加正向电压（4)普通晶闸管的主要参数 晶闸管的主要参数有：(1)额定通态平均电流 It 在规定的使用条件下阳极阴极间可以连续通过 50H正弦半波电流的平均值。(2)正向阻断峰值电压Vdrm。在门极开路，不加触发信号，允许重复加在晶闸管阳极和阴极之间的正向峰值电压(手册规定重复率为 50 次s，持续时间不大于 10MS)，称为正向阻断峰值电压Vdrm。(3)反向阻断峰值电压Vdrm。当晶闸管加反向电压，处于反向阻断状态时可以重复加在晶闸管两端的反向峰值电压(手册规定重复率为 50 次s，重复时间不大于10MS)。(4)门极触发电流Igt在室温下，阳极与阴极间加有 6v 正电压时、使元件完全开通所必须的最小门极直流电流。(5)维持电流Ih。在室温和门极断路时，保持元件处于通态所必需的最小通态电流。1.3.5 8279 的芯片介绍 8279 是一种可编程/显示器接口芯片，用的比较多。它含键盘输入和显示输出两种功能。键盘输入时它自动扫描，能与 64 个按键或传感器组成的矩阵相连，接收输入信息，存入先进先出/传感器 RAM；显示输出时它有一个显示 RAM，其容通过自动扫描，可由 8 或 16 位 LED 数码管显示。图 1-9 8279 芯片的引脚图 8279 芯片各主要部件介绍（1）数据总线缓冲器和 I/O 控制双向、三态的数据总线缓冲器用与单片机的数据总线相连。当 CS 为高，RD 为低时，数据总线缓冲器信息送 D7-D0；当 CS 为高，WR为低时，D7-D0 上信息写入数据总线缓冲器。当 A0=1 时，读向 CPU 的是状态字，自CPU 写入的是命令字；当 A0=0，读、写的都是数据。（2）控制及定时寄存器和控制及定时控制及定时寄存器用于寄存 CPU 送来的命令字，在通过译码产生相应的控制信号。定时是在对 CLK 端输入的外部时钟频率 N 分频、得到 100kHz 的部定时脉冲的基础上，进一步给出 5.1ms 的键盘扫描时间、10.3ms 的消抖时间和显示扫描时间。（3）扫描计数器 有两种工作方式。一种是编码方式，需由外部译码器对扫描输端 SL3-SL0 上的二进制数进行译码，以产生对键盘或显示器的扫描信号；另一种是译码方式，在部对计数器低两位译码后送 SL3-SL0 输出，可做为键盘和显示器的扫描信号。（4）输入缓冲器和键盘消抖控制 输入缓冲器用与锁存 SL7-SL0 上的信息。键盘各种方式时，当搜索到闭合键，等待 10.3ms，若该键仍闭合，则将该键所在的行、列号和 SHIFT、CNTL 键状态都写入 FIFO/传感器 RAM。传感器方式时，则直接将扫描时 SL7-SL0 上信息写入 FIFO/传感器 RAM。8279 还可各种于选通方式，此时由选通信号 STB 的上升沿将 SL7-SL0 上信息写入 FIFO/传感器 RAM。（5）FIFO/传感器 RAM 和它的状态寄存器 该 RAM 有 8 个单位。在键盘和选通方式时，按写入的次序，也即先进先出的原则读出。它的状态寄存器存放状态字，用以指出此 RAM 中存放的字符数，是否出错及溢出、空、满等信息。RAM 中有数据时，IRQ变高。在传感器方式时，RAM 的每一单元存放传感器矩阵中相应列的状态信息，当某一传感器状态有变化，IRQ 变高。（6）显示 RAM 和显示地址寄存器 该 RAM 有 6 个单元，用于存放要显示的笔画信息，它的地址寄存器存放由 CPU 正在读或写该 RAM 某单元的地址，或正在显示器的两个半字节的地址。（7)由 CPU 向 8279 写入的 8 种命令字（a）方式命令字 用于设定 8279 的各种方式。（b）分频命令字 用于设定分频系数 N。8279 复位后，该命令字为 3FH。4 （c）读 FIFO/传感器 RAM 命令字 读显示 RAM 命令字 在读显示 RAM 中的数据前，必须先写入命令字。它的 D7、D6、D5=011，是特征位。D3、D2、D1、D0 是要读的起始地址。与上一命令字一样：D4=1时，每次读出后地址自动加 1。（d）写显示 RAM 命令字 （e）屏蔽与消隐命令字 需要改写显示 RAM 中某单元的半个字节，而要求不影响、即屏蔽它的另半个字节时要写入次命令字；需要使显示熄灭、即消隐时也要写入此命令字。（f）清除命令字 在需要清除 RAM 中容等情况下，写入此命令字。它（g）结束中断/设定出错命令字 它有两中功能。8279 的状态字的格式为：D7 当执行清除命令字为 1，此时写显示 RAM 无效。D6 位如为 1，在 N 键依次读出方式时，表示出错；而在传感器方式时，表示至少有一个产肝气闭合。D5、D4、D3 位分别在 FIFO/传感器 RAM 溢出、已空或全满时置 1。D2、D1、D0 表示 FIFO/传感器 RAM 中的字符数。8279 的数据格式为：在键盘方式下，D7、D6 分别表示 CNTL 键和 SHIFT 键的状态；D5、D4、D3 表示扫描计数器的数值，也即键盘的行号；D2、D1、D0 表示由 RL7-RL0确定的闭合键的列号。在传感器方式和选通方式时，则 D7-D6 分别与 RL7-RL0 的值相对应。2 当 8279 的 CS 为高电平时，8279 才进入工作状态，即 CS=1 A0=1 时是命令状态字假设其余的全为低电平：即为 1000 0000 0000 0001=8001H A0=0 时是数据口地址假设其余的全为低电平：即为 1000 0000 0000 0000=8000H 1.3.6 A/D 转换芯片 一般常见的有四种 A/D 转换电路，其用途与性能见下表：表 1-4 常见 4 种 A/D 转换电路用途与性能 A/D 转换电路 性能 用途 计数器式 最简单，价格低，转换速度很慢 用得少 双积分式 精度高，能消除干扰，转换速度也慢 用得多，多见于数字式仪表 逐次逼近式 转换速度快 用得最多 并行式 转换速度最快，但硬件多，成本高 只用于要求转换速度很快的的场合 这里选用的是 ADC0809 转换芯片。ADC0809 转换芯片是 8 位、逐次比较式 A/D 转换芯片，具有地址锁存控制的 8 路模拟开关。应用单一+5V 电源，其模拟量输入电路的围为 05V，对应的数值量输出为 00HFFH，转换时间为 100us,无须调零或调整满量程。图 1-10 ADC0809 芯片引脚图 ADC0809 有 28 个引脚，在精度要求不太高的情况下，供电电源就用做基准电源。该芯片中的 START 是芯片中的起动引脚。其上脉冲的下降沿起动一次新的 A/D 转换；EOC 是转换结束信号，可用于向单片机申请中断或供单片机查询；OE 是输出允许端；CLK 是时钟端，因芯片的时钟频率最高只可工作于 640kHZ，故通常由单片机的 ALE引脚经分频后接向该引脚；1.3.7 电源电路 图 1-11 电源电路 在此电路里稳压器 7805 的压降是 2.5V，偏移电流是 6mA，我们需要的电压是 5V，电路提供的电压是 9V，则电阻承担的电压为 1.5V，由此得 25065.259mAVIuR (1-1)图 1-12 电压波形图 1.4 电加热炉温度控制系统的控制实例 在很多行业中有大量的应用电加热设备，如用于热处理的加热炉，用于融化金属的干果电阻炉及各种不同用途的温箱等，人们都需要对它们的温度进行监测和控制。以上是设计系统中要用的主要芯片的简介。2.电加热炉控制系统的控制算法 随着现代工业的不断发展，在冶金、化工、机械等各类工业制造中，电加热炉得到了广泛的应用。其温度控制具有非线性大、大滞后、大惯性、时变性、升温单向性等特点，在传统的控制中遇到了极大的困难。在本文中，采用算法简单，效果好的 PID控制算法，与一般的控制算法相比，具有计算量小，控制结果简单，静动态性能较好等特点，有较高的使用价值。2.1 电加热炉温度控制系统的性能指标 在这里讨论的电加热炉炉温控制由上下两组炉丝进行加热，用上下两组热电偶检测炉温，为了降低电加热炉的成本，炉丝采用电阻丝直接加热，系统要求采用实现温度闭环控制，控制温度误差围 5，调节温度的超调量小于 30%，系统被测参数是温度，由单片机 PID 运算得出的控制量控制光控可控硅的导通和关断，以便切断或接通加热电源，调整电功率，从而控制电加热炉的温度稳定在设定的值上，并实时显示炉温度，记录温度的变化过程，以更好的控制电加热炉工作。本系统较理想地解决了炉温控制中平稳性、快速性与精度之间的矛盾。与电阻炉的时间常数相比，晶闸管调压器、温度变送器、功率放大器等环节都可以简化成比例环节。在设计过程中的不管用哪种方法得到控制系统的参数，直接使用时控制的效果不一定很好，必须结合实际调试来选择数字控制器的参数。所谓的设计过程中的调试，就是按照公式计算出参数的数值，然后送入到微机中运行，观察效果，如果效果不好，则对相应的值作部分修改，一直调试到满意的控制效果为止。调试的过程中，先按比例调节规律运行，比例系数由小到改变；然后加入积分调节规律，积分时间常数有大到小地改变。2.2 系统数学模型的建立 电加热炉本身由上下两组炉丝加热，用上下两组热电偶检测炉温度。因此电加热炉为一双输入双输出的受控对象。由于在各类工业控制中，时滞现象相当普遍，对于许多大的时间常数系统，也可以用适当的时间常数加纯滞后环节来近似。因此，可以用阶跃响应近似确定电加热炉的连续模型。本文采用被控对象的数学模型为：1SseTksG (2-1)由于电加热炉本身是一个较复杂的被控对象，它具有非线性，时变和分布参数等特性。所以通常我们把这个双输入双输出系统分解成两个单输入单输出的系统，数学模型为上式。两个系统的输入输出之间的相互影响看作是干扰。假设检测元件的函数模型为 H(s)，根据反馈控制系统图可得到系统的传递函数。工作原理：热电偶可将检测的温度转换成 mV 级的电压信号，经温度变送器放大后，送入 A/D 转换器，转换成数字量送入计算机，与设定值进行比较，经 PID 调节后，输出驱动信号，控制光控可控硅的导通与关断，从而达到调节温度的目的。若检测的实际值与设定值相比，高则报警，低则控制继续加热。图 2-1 反馈控制系统 图中 G(s)与 Gc(s)分别为控制器和被控对象的传递函数模型，其闭环传递函数为：asGsGsHasGsGGccc1 (2-2)由以上公式得到 PID 的传递函数：sGsHsaGsGsGccc11 (2-3)2.3 PID 控制器的控制算法 以下介绍了其中的一种积分分离 PID 控制的控制算法。图 2-2 具有积分分离的 PID 控制过程 连续系统 PID 调节器为对误差的比例、积分和微分控制，即 ttedipdtdTdtteTtektu01 (2-4)或 sekssekseksudsip (2-5)式中：Ti、Td 分别为积分和微分时间常数；Kp、Ki、Kd 分别为比例系数、积分系数、微分系数。在计算机控制系统中使用的是 PID 数字调节器，就是对式(2-4)离散化，令 kutu kete Tkekedttde1 (2-6)tjtjeTdtte00 式中，T 是采样周期。由式（2-4）与式（2-6）可得 kjipkekeTTdjeTTkekku01 (2-7)式（2-7）称为位置式 PID 控制算法。由于位置式算法输出在计算过程中容易产生积分饱和作用，导致控制器的响应速度变慢，而且由于积分的累积作用，在手动和自动切换时，很难做到无扰动切换。因此，人们又提出一种新的控制算法，PID 增量式控制算法：2121kekekekkekkekekkudip (2-8)在普通的数字 PID 数字控制器中引入积分环节的目的，主要是为了消除静差、提高精度，但在过程的启动、结束或大幅度增减设定植时，会造成 PID 运算积分积累，致使算得的控制量超过执行机构可能最大的动作围所对应的极限控制量，最终引起系统较大的超调，甚至引起系统的振荡，这是大多数工业生产所不允许的，为了避免上述情况的发生，才用积分分离 PID 控制算法，及保持了积分作用，又可以减小超调量，使得控制性能有了较大的改善，其具体实现如下：（1）根据实际情况，设定一阈值 0。（2）当|e(k)|时，也即偏差值|e(k)|比较大时，采用 PD 控制，可避免过大的超调，又使系统有较快的响应。（3）当|e(k)|时，也即偏差值|e(k)|比较小时，采用 PID 控制，可保证系统的控制精度。对于算法实现，可在积分项乘一个系数，按下式取值：keke当当01 (2-9)当|e(k)|时，即=0，进行 PD 控制，PD 控制算法为：11kekekkekkukuDp (2-10)当|e(k)|时，即=1，进行 PID 控制，PID 控制算法为：11kekekkekkekkukuDjp (2-11)2.3.1 PID 调节器参数对控制性能的影响 1）、比例控制 Kp 对系统性能的影响（1）对动态性能的影响 比例控制 Kp 加大，使系统的动作灵敏，速度加快，Kp 偏大，振荡次数加多，调节时间加长。当 Kp 太大时，系统回趋遇不稳定。若 Kp 太小，又会使系统的动作缓慢。（2）对稳态性能的影响 加大比例控制 Kp，在系统稳定的情况下，可以减小稳态误差 ess,提高控制精度，但是加大 Kp 只是减少 ess,却不能完全消除稳态误差。2）积分控制 Ti 对控制性能的影响 积分控制通常与比例控制或微分控制联合使用，构成 PI 控制或 PID 控制。（1）对动态性能的影响 积分控制 Ti 通常使系统稳定性下降。Ti 太小系统将不稳定。Ti 偏小，振荡次数较多。Ti 太大，对系统性能的影响减少。当 Ti 合适时，过渡特性比较理想。（2）对稳态性能的影响 积分控制 Ti 能消除系统的稳态误差，提高控制系统的控制精度。若是太大时，积分作用太弱，以致不能减小稳态误差。3）微分控制 Td 对控制性能的影响 微分控制经常与比例控制或积分控制联合作用，构成 PD 控制或 PID 控制。微分控制可以改善动态特性，如超调量p 减少，调节时间 ts 缩短，允许加大比例控制，使稳态误差减小，提高控制精度；当 Td 偏大时，超调量p 较大，调解时间较长。当 Td 偏小时，超调量p 也较大，调解时间 ts 也较长。只有合适时，可以得到比较满意的过程。2.3.2 PID 控制器参数设定及其控制系统的优点 PID 控制器的参数整定是控制系统设计的核心容。它是根据被控过程的特性确定PID 控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID 控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。PID 控制器有 4 个主要的参数 Ts、Kp、Ti 和 Td 需要整定，参数整定效果的影响非常大。在整定参数时首先应把握住 PID 参数与系统动态、静态性能之间的关系。在 PID 这三种控制作用中，比例部分与误差信号在时间上是一致的，具有调节及时的特点，比例系统 Kp 越大，比例调节作用越强，系统稳态精度越高。但是对于大多数系统，Kp 过大会使系统的输出量振荡加剧，稳定性降低。控制器中的积分作用与当前误差的大小和误差的历史情况有关系，只要误差不为0，控制器输出就会因积分作用而不断变化，一直要到误差消失，系统处于稳定状态时，积分部分才不会发生变化，因此积分部分可以消除稳态误差，提高控制精度。但是积分作用的动作缓慢，可以给系统的稳定性带来不良影响，因此很少单独使用。积分时间常数 Ti 增大时，积分作用减弱，系统的动态性能可能有所改善，但是消除稳态误差的进度减慢。误差变化的速度反映了被控量变化的趋势，微分部分根据它提前给出较大的调节作用。它较比例调节更为及时，所以微分部分具有超前和预测的特点。微分时间常数Td 增大时，可能会使超调量减小，动态性能得到改善，但是抑制高频干扰的能力下降。如果 Td 过大，系统输出量在接近稳态值时可能上升慢。选取采样周期 Ts 时，应使它远小于系统阶跃响应的纯滞后时间或上升时间。为使采样值能及时反映模拟量的变化，Ts 越小越好。但是 Ts 太小会增加 CPU 的运算速度，相邻两次采样的差值几乎没有什么变化，所以也不宜将 TS 取得过小，在过程控制中采样周期的经验数据温度一般 Ts=20s。（1）结构简单，容易实现，使用方便 PID 控制器的结构典型，程序设计简单，计算工作量较小，各参数有明确的物理意义，参数调整方便，容易实现多回路控制、串级控制等复杂的控制。（2）有较强的灵活性和适应性 根据被控对象的具体情况，可以采用 PID 控制器的多种变种和改进的控制方式，例如 Pi、Pd、带死区的 PID、被控量微分 PID、积分分离 PID 和变速积分 PID 等，但比例控制一般是必不可少的。随着智能控制技术的发展，PID 控制与神经网络控制等现代控制方法结合，可以实现 PID 控制器的参数自整定，使 PID 控制器具有经久不衰的生命力。2.4 电加热炉积分分离 PID 控制的仿真研究 MATLAB/SIMULINK 环境是一种系统仿真工具软件，其使用可大大提高系统仿真和CAD 的效率和可靠性。SIMULINK 的含义相当直观，其明显地表明该软件的 2 个显著功能：simu（仿真）与 link（连接），亦即可以利用鼠标器在模型窗口上“画”出所需的控制系统模型，然后利用 SIMULINK 提供的功能来对系统进行仿真或线形化分析。抗干扰能力（1）为了保护电路的性能，电阻全部选用精密电阻，电容选用高阻抗优质电容，并且进行筛选配套。要求印制电路板的绝缘质量要好，布线安排要合理。实践证明，布线的安排对电路的性能影响是明显的。（2）采用屏蔽技术、隔离技术和接地技术。以金属材料例如铁制的封闭金属盒具有电磁屏蔽功能。可使屏蔽盒的电路免受外界干扰电场、磁场的影响。在控制电路中设置了光电隔离电路，可以防止强电和弱电共地对单片机的干扰。将数字地、模拟地分开，最后在电源板一点共地，可有效的防止 A/D 输入对单片机产生的共摸干扰。（3）电桥电源采用专用桥头电源变压器，整流后用大电容滤波，使桥路有一个很稳定的电流。（4）微机系统应用中供电系统抗干扰是很重要的。我们要在交流电源进入处采用了隔离变压器，并采用电源滤波技术。（5）采用软件滤波法，提高软件的可靠性。程序高速循环法；输出反馈、表决和周期刷新；存储器使用技巧；实时诊断技术；数字滤波技术。3 控制系统的仿真实验图及分析 对于电阻炉温度控制，采用了适用于工业控制的 8051 单片机组成的控制系统，该系统的被测参数是电阻炉的温度，由单片机 PID 运算得出的控制量去控制晶闸管的导通和关断，以便切断或接通加热电源，调整电工功率，从而控制电阻炉的温度稳定在设定值上。本文的控制算法采用的是普通的 PID 控制算法：3.1 积分分离 PID 控制算法 PID 控制系统的原理和特点 在实际中，运用的 PID 控制，即所谓的为比例、积分、微分控制，简称 PID 控制。PID控制器结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，或者是控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID 控制技术较方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用 PID 控制技术。PID 控制，实际中也有 PI 和 PD 控制。PID 控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。例如设计一个 PID 控制系统框图，运用纯滞后环节，设置温度为 1400 度。当只有比例（P）控制时，我们在 MATLAB 上可以设计出只有 P 的控制框图，框图如下：图 3-1 比例的控制框图 将此图进行仿真（以上比例（P）的设定数据，可以在实验中反复调试，最终当 P为 20 时，根据实验仿真出来的图形得出此时系统的温度设定相对稳定）。得出的仿真图如下：图 3-2 比例仿真图 比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-state error）。由图我们不难发现这个问题。则须采用积分（I）控制 积分（I）控制。在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（System with Steady-state Error）。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。我们可以用仿真实验来说明这个问题。设置I 为 0.1（数据的设置，可以经过反复调试，根据仿真图来设定）图 3-3 PI 控制系统框图 由以上的控制系统框图，我们可以得出的仿阵图如下：图 3-4 PI 仿真图 由以上的仿真图，我们可以得出与只有 P 时相比，系统的稳