8kW电加热炉温度控制系统设计(计算机控制蔡林志).doc

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辽 宁 工 业 大 学

计算机控制技术 课程设计（论文）

题目： 8kW电加热炉温度控制系统设计

院（系）： 电气工程学院
专业班级： 自动化091
学 号： 090302020
学生： 蔡林志
指导教师：（签字）
起止时间： 2012.12.19-2012.12.28

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课程设计（论文）任务与评语
院（系）：电气工程学院 教研室：自动化
学 号
090302020
学生
蔡林志
专业班级
自动化091
课程设计（论文）题目
8kW电加热炉温度控制系统设计
课程设计（论文）任务
实现功能
电加热炉用电炉丝提供功率，使其在预定时间将炉温度稳定在给定值上。本控制对象电阻加热炉功率为8kW，由220V交流电源供电。本设计以单片机为控制核心，加上相应的输入输出通道，采用达林算法，将温度控制在规定围，并要时显示当前温度值，用三位LED显示。被控对象为，仿真研究时用近似。
设计任务与要求
1、确定系统设计方案，包括单片机的选择，输入输出通道，键盘显示电路；
2、建立被控对象的数学模型；
3、推导控制算法，设计算法的程序流程图或程序清单；
4、仿真研究，验证设计结果；
5、撰写、打印设计说明书一份；设计说明书应在4000字以上。
技术参数
温度控制围：50～350℃
控制精度小于±5%
进度计划
1、 布置任务，查阅资料，确定系统方案（1天）
2、 被控对象建模（1天）
3、 算法推导，程序设计（3天）
4、 仿真研究（2天）
5、 撰写、打印设计说明书（2天）
6、 答辩（1天）
指导教师评语与成绩

平时： 论文质量： 答辩：

总成绩： 指导教师签字：

年 月 日
注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算

摘 要
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。
电加热炉加热温度的改变是由上、下两组炉丝的供电功率来调节的，它们分别由两套晶闸管调功器供电。调功器的输出功率由改变过零触发器的给定电压来调节，本设计以AT89C51单片机为控制核心，输入通道使用AD590传感器检测温度，测量变送传给ADC0809进行A/D转换，输出通道驱动执行结构过零触发器，从而加热电炉丝。本系统采用达林控制算法，将温度控制在50～350℃围，并能够实时显示当前温度值。
关键词：温度；AT89C51；达林控制算法；AEDK-labACT

目 录
第1章 绪论1
第2章 课程设计的方案2
2.1 概述2
2.2 系统组成总体结构2
第3章 硬件设计3
3.1 器件选择3
3.2 控制器3
3.3 电源部分3
3.4 输入通道设计4
3.4.1 温度检测电路4
3.4.2 A/D转换电路4
3.5 输出通道设计4
3.6 显示电路与按键电路5
3.7 电加热炉温度控制系统原理图5
第4章 软件设计7
4.1 系统的软件设计7
4.2达林控制算法设计8
4.3 温度与电压关系10
4.4达林控制算法程序10
第5章 系统测试与分析/实验数据与分析13
第6章 课程设计总结15
参考文献16

第1章 绪论
随着微电子技术和微型计算机的迅猛发展，微机测量和控制技术以其逻辑简单、控制灵活、使用方便与性能价格比高的优点得到了广泛的应用。它不仅在航空、航天、铁路交通、冶金、电力、电讯、石油化工等领域得到了广泛应用，而且在日常生活中诸如电梯、微波炉、电冰箱、电视机等高科技产品中也有广阔的使用前景，为工业生产的自动化、智能控制奠定了坚实的技术基础。
加热炉作为一种应用广泛的热工设备之一。尽管它使用的加热方法不同， 或工艺要求不同，温度有高低、精度也有差异，但作为被控参数之一的温度总是可用不同的测温元件和方法来获得，并通过微型计算机加以处理和控制，并按一定温度曲线工作，以满足生产需要。
电加热炉以其无污染、操作方便、自动化程度高、可调围大、节省基建投资等诸多优点逐渐受到人们的欢迎。但这其中对温度的控制上不是很理想，温差大、温度控制精度不准确 。针对这一情况。本论文将介绍一种应用单片机对电热加热炉进行智能控制的温度系统。
一般的电加热炉温度控制系统（如温度控制表控制接触器）的主要缺点是温度波动围大。传统的以普通双向晶闸管(SCR) 控制的高温电加热炉采用过零触发器控制，达到自动控制电炉温度的目的。这种移相方式输出一种非正弦波，实践表明这种控制方式产生相当大的中频干扰，并通过电网传输，给电力系统造成“公害”。
本论文的研究意义是怎么用AT89C51单片机作为控制器去实现温度控制，达到需要的工业要求，实现起温度控制的作用，达到工作稳定、性能可靠。利用AD590温度传感器，测量标准，克服了常规方法补偿误差大的缺点，该系统具有键盘输入、LED显示等功能，使温度控制为误差达到±5%，温度变化为50℃至350℃。
常见的电加热炉控制算法有达林算法、PID数字控制与最少拍设计，本文采用达林控制算法设计，将一阶惯性加纯滞后环节等效成两个一阶惯性环节。

第2章 课程设计的方案
2.1概述
电加热炉加热温度的改变是由上、下两组炉丝的供电功率来调节的，它们分别由两套晶闸管调功器供电。调功器的输出功率由改变过零触发器的给定电压来调节，本设计以AT89C51单片机为控制核心，输入通道为AD590检测温度，测量变送传给ADC0809进行A/D转换，输出通道驱动过零触发器，从而加热电炉丝。
本系统采用达林控制算法，将温度控制在50～350℃围，并能够实时显示当前温度值。
2.2系统组成总体结构
电加热炉温度控制系统的硬件结构框图如图2.1。
AT89C51
键盘

温度检测AD590
测量变送
A/D转换ADC0809

加热电炉丝
驱动执行机构
显示

图2.1 电加热炉温度控制系统硬件结构框图
第3章 硬件设计
3.1器件选择
本系统选用AT89C51作为控制器，温度检测部分选用AD590作为传感器，ADC0809作为A/D转换器，过零触发器采用光耦驱动电路与双向可控硅电路。
3.2控制器
控制器选择AT89C51单片机。
3.3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7805，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，控制每个采样周期双向可控硅导通正弦波个数的方法来调节加温功率。
3.4 输入通道设计
3.4.1 温度检测电路
温度检测元件选用温度传感器AD590。AD590是美国ANALOG DEVICES公司的单片集成两端感温电流源。其主要特性如下：
流过器件的电流(μA)等于器件所处环境的热力学温度(开尔文)度数：
Ir/T=1
式中，Ir—流过器件(AD590) 的电流，单位为μA；T—热力学温度，单位为K； 　　
(2) AD590的测温围为- 55℃~+150℃；
(3) AD590的电源电压围为4～30 V，可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件即使反接也不会被损坏；
(4) 输出电阻为710 mΩ；
(5) 精度高，AD590在- 55℃~+150℃围，非线性误差仅为±0.3℃。
3.4.2 A/D转换电路
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、三态输出锁存器与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。
3.5输出通道设计
输出通道采用过零触发器，由光耦驱动电路和双向可控硅电路组成。
（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）双向可控硅电路
在本设计中，考虑到电网电压的稳定和现在市场上销售的双向可控硅型号，选择了工作电压为400V，通态电流为4A的双向可控硅BT136。利用单片机控制双向可控硅的导通角。在不同时刻利用单片机给双向可控硅的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的不同，以达到调压控制的目的。具体如下：
（a）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。
（b）过零检测信号接至P1.7转换口，由单片机对此口进行循环检测，然后进行延时触发。

3.6显示电路与按键电路
显示电路采用3位LED显示，同时加入按键电路可改变电压值。
3.7电加热炉温度控制系统原理图
电加热炉温度控制系统主要由温度检测电路、A/D转换电路、D/A转换电路、驱动执行电路、电源电路、显示电路与按键电路等组成。
本系统采用控制每个采样周期双向可控硅导通正弦波个数的方法来调节加温功率，每次采样时对交流过零个数进行计数，当过零个数与控制调节器输出值相等时，即停止P1.7输出。

电加热炉温度控制系统结构框图
第4章 软件设计
4.1系统的软件设计
本系统的主程序流程图如图4.1所示。
开始

系统的初始化

温度数据采集与处理

NO

停止加热
是否低于预设值？

YES
结束
控制输出
求出输出控制量
达林控制算法

图4.1 电加热炉温度控制系统主程序流程图
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、显示、调节参数修改、温度设定与修改。其中控制算法采用达林控制算法。
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。
4.2达林控制算法设计
在一些实际工程中，经常遇到纯滞后调节系统，它们的滞后时间比较长。对于这样的系统，往往允许系统存在适当的超调量，以尽可能地缩短调节时间。人们更感兴趣的是要求系统没有超调量或只有很小超调量，而调节时间则允许在较多的采样周期结束。也就是说，超调是主要设计指标。对于这样的系统，用一般的随动系统设计方法是不行的，用PID算法效果也欠佳。
针对这一要求，IBM公司的达林(Dahlin)在1968年提出了一种针对工业生产过程中含有纯滞后对象的控制算法。其目标就是使整个闭环系统的传递函数 相当于一个带有纯滞后的一阶惯性环节。该算法具有良好的控制效果。
大林算法中D(z)的基本形式
设被控对象为带有纯滞后的一阶惯性环节或二阶惯性环节，其传递函数分别为：
（2-1）
（2-2）
其中为被控对象的时间常数，为被控对象的纯延迟时间，为了简化，设其为采样周期的整数倍，即N为正整数。
由于大林算法的设计目标是使整个闭环系统的传递函数相当于一个带有纯滞后的一阶惯性环节，即
，其中
由于一般控制对象均与一个零阶保持器相串联，所以相应的整个闭环系统的脉冲传递函数是
（2-3）
于是数字控制器的脉冲传递函数为
（2-4）
D(z)可由计算机程序实现。由上式可知，它与被控对象有关。下面分别对一阶或二阶纯滞后环节进行讨论。
一阶惯性环节的大林算法的D(z)基本形式
当被控对象是带有纯滞后的一阶惯性环节时，由式（2-1）的传递函数可知，其脉冲传递函数为 ：

将此式代入（2-4），可得
（2-5）
式中：T——采样周期：
———被控对象的时间常数；
———闭环系统的时间常数。
二阶惯性环节大林算法的D(z)基本形式
当被控对象为带有纯滞后的二阶惯性环节时，由式（2-1）的传递函数可知，其脉冲传递函数为

其中，

将式G(z)代入式（2-3）即可求出数字控制器的模型：
（2-6）
由此，我们可以设计出控制器的传递函数，利用MATLAB工具在SIMULINK里画出整个控制系统，给定一个阶跃信号就可得到整个控制系统的响应曲线。
4.3温度与电压关系
AD590的输出电流I=(273+T)μA(T为摄氏温度),因此量测的电压V为(273+T)μA ×10K= (2.73+T/100)V。为了将电压量测出来又需使输出电流I不分流出来,我们使用电压追随器其输出电压V2等于输入电压V。
由于一般电源供应较多零件之后,电源是带噪声的,因此我们使用齐纳二极管作为稳压零件,再利用可变电阻分压,其输出电压V1需调整至2.73V。
接下来我们使用差动放大器其输出Vo为 (100K/20K)×(V2-V1)=T/20V。如果现在为摄氏100度,输出电压为5V。4.4达林控制算法
4.4达林控制算法程序
达林控制算法程序为，
ZUIXIAOPAI: MOV R5，#01H　
MOV R4，#3CH
DIV R5，#64H
DIV R4，#64H
ADD R5，R4 ；送0.316
MOV R6，#74H　
DIV R6，#64H ；送0.116
MUL R5，#Z
DEC R5，R6
MOV R7，R5
MOV R5，#01H　
MOV R4，#0A2H
DIV R5，#64H
DIV R4，#64H
ADD R5，R4 ；送0.418
MOV R6，#01H　；送1
MUL R6，#Z
DEC R6，R5
DIV R7，R6

第5章 系统测试与分析/实验数据与分析
对设定传递函数进行达林系统仿真，使用AEDK-labACT实验箱，仿真接线图如图5.1。

图5.1 达林系统仿真接线图
经计算，得到
K=2
仿真得到曲线如图5.2。

图5.2 仿真曲线图
输入给定电压为2.58V，其误差为（2.695-2.58）/5.58=0.045，故系统误差为4.5%，满足系统设计要求。
此时温度T=51.6℃。
第6章 课程设计总结
通过这次课程设计，在王立红老师的认真指导下，我学习了很多，受益匪浅。
此次课程设计中，我做的课题是《8kW电加热炉温度控制系统设计》。在本控制对象电阻加热炉功率为8kW，由220V交流电供电，采用双向可控硅进行控制。本设计针对一个温度区进行温度控制，要求控制温度围50~350℃，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。
本系统选用AT89C51作为控制器，温度检测部分选用AD590作为传感器，ADC0809作为A/D转换器，过零触发器采用光耦驱动电路与双向可控硅电路。
由于时间紧，所以我们决定通过将控制器的传递函数与采样开关结合即用离散化Z变化，来代替闭环的前向同路的一部分，即通过要达到的闭环传递函数与给定的被控对象传递函数来求出控制器的传递函数。在对参数的调整中我们发现采用大林算法可显著减少超调,也可做到很小的稳态误差，结合大偏差时的分级B - B 控制也可以做到较小的上升时间和调节时间，当对象模型具有不确定性和系统存在随机干扰时,可对达林算法参数作自寻最优控制。

参考文献
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