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1、电加热炉计算机控制系统摘 要： 本文设计的是电加热炉炉温度自动控制系统。该系统利用单片机可以方便地实现对PID参数的选择与设定；实现工业过程中PID控制。它采用温度传感器热电偶将检测到的实际炉温进行A/D转换，再送入计算机中，与设定值进行比较，得出偏差。对此偏差按PID规律进行调整，得出对应的控制量来控制固态继电器、调节电炉的加热功率，从而实现对炉温的控制。利用8051单片机实现温度智能控制，能自动完成数据采集、处理、转换、并进行PID控制。在设计中应该注意，采样周期不能太短，否则会使调节过程过于频繁，这样，不但执行机构不能反应，而且计算机的利用率也大为降低；采样周期不能太长, 否则会使干扰无
2、法及时消除，使调节品质下降。关键词：单片机，温度控制，PID调节概述传统的以普通双向晶闸管(SCR)控制的高温电加热炉采用移相触发电路改变晶闸管导通角的大小来调节输出功率,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”。采用固态继电器控温电路,通过单片机控制固态继电器,其波形为完整的正弦波,是一种稳定、可靠、较先进的控制方法。为了降低成本和保证较高的控温精度,采用普通的ADC574芯片和具有零点迁移、冷端补偿功能的温度变送器桥路,使实际测温范围缩小。为了在工业现场应用中具有较强的抗干扰能力,采取了一系列
3、抗干扰措施。1. 电加热炉温度控制系统的硬件设计1.1系统的组成电加热炉温度控制系统的硬件由图1所示各部分组成。它以8051单片机为核心,电加热炉炉内的实际温度由热电偶测量并转换成毫伏级的电压信号,通过温度变送器桥路实现零点迁移和冷端补偿,经运算放大器7650放大到05 V,再经有源低通滤波器滤波后,由A/D转换成数字量。此数字量经数字滤波、标度变换后,将该温度值与被控温度值进行比较,根据其偏差值的大小,采用比例微分控制,通过固态继电器控温电路控制电炉丝的导通时间,就可以控制电炉丝的加热功率大小,从而控制电炉的温度,使其逐渐趋于给定值且达到平衡。 图1 电加热炉温度控制系统的硬件结构框图1.2
4、 热电偶的选取 热电偶是测量传感器,对它的选择将直接影响检测误差大小。目前多选用K型(镍铬镍硅)或S型(铂铑铂)热电偶。两者相比,K型有较好的温度热电势的线性度,但它不适宜于长时间在高温区使用;S型有高的精度,但温度热电势的线性度较差。1.3 A/D转换器本系统采用的是12位A/D 转换器AD574A，这是一种高性能的12位逐次逼近式A/D转换器，转换时间约为25us，线性误差为+-1/2LSB，内部有时钟脉冲源和基准电压源，单通道单极性或双极性电压输入，采用28脚双立直插式封装，它是由12位A/D转换器，控制逻辑，三态输出锁存器，10伏基准电压源四部分构成。1.4 低漂移毫伏放大器低漂移毫伏
5、放大器与前端电路的连接如下图2 所示：图2. 低漂移毫伏放大器与前端电路1.5 固态继电器温度控制电路单片机通过PWM脉冲调宽功率放大器控制SSR固态继电器调节电炉丝的功率而达到调节温度的目的。调功的原理为：设电网连续N个完整的正弦波为一个控制周期T，则式中 -电网频率，HZ若在设定的周期T内控制主回路导通n(nN)个完整的正弦波(周波),则负载功率为式中 U-电网电压的有效值R-负载的有效电阻因此,只要控制在设定的周期T内主回路导通的周波数n的个数,就可调节负载的功率P。固态继电器控温电路如图4所示,采用Z型交流固态继电器SSR,实现零触发交流调功。SSR内设光电隔离电路,可减少与电网间的相
6、互干扰,其电路图如下：2. 控制算法的确定PID调节是连续系统中技术最成熟的、应用最广泛的一种控制算方法。它结构灵活，不仅可以用常规的PID调节，而且可以根据系统的要求，采用各种PID的变型，如PI、PD控制及改进的PID控制等。它具有许多特点，如不需要求出数学模型、控制效果好等，特别是在微机控制系统中，对于时间常数比较大的被控制对象来说，数字PID完全可以代替模拟PID调节器，应用更加灵活，使用性更强。所以该系统采用PID控制算法。系统的结构框图如图3所示：图3. 电加热炉温度控制系统结构框图2.2 数学模型的建立 PID控制的理想微分方程为： （1）上式中e（t）=r(t)-y(t)称为偏
7、差值，可作为温度调节器的输入信号，其中的r(t)为给定值，y(t)为被测量值； 比例系数，Ti为积分时间常数；Td为微分时间常数，u(t)为调节器的输出控制电压信号。但计算机只能处理数字信号，故上述数学方程必须加以变换，若设温度的采样周期为T，第n次采样得到的输入偏差信号为，调节器输出为，则有：(微分用差分代替)，（积分用求和代替）。这样式（1）便可改写为： （2） 写成递推形式则有：根据PID算法设计出本温度控制系统的流程图，如图4 所示2.3 系统仿真通过在MATLAB仿真，我们可以大致看到我们设计的系统工作情况，从而可以检验设计的合理与否，以便于修改。下面是MATLAB仿真程序，编程采用
8、simulink 图形编程。程序如图5所示：图5.仿真程序结果如图6所示图6.仿真结果附录一附录二主程序#include #include #define uchar unsigned char #define uint unsigned int #define TH0_TL0 (65536-1000)/设定中断的间隔时长 1ms int j=0; uint count0 = 0; double ad4; double Un; struct PID double SetPoint; / 设定目标 Desired Value double Proportion; / 比例常数 Proportio
9、nal Const double Integral; / 积分常数 Integral Const double Derivative; / 微分常数 Derivative Const double LastError; / Error-1 double PrevError; / Error-2 double SumError; / Sums of Errors PID; uint xdata *xdp; sbit PWM=P10;/PWM 通道 void Delay(uint x); void Tem_add(void); void Tem_dec(void); void Timer0_ini
10、t(void);延时处理： void Delay(uint x) uint i; for(i=0;i2) j=0; else ACC=*xdp; adj=ACC; j+; for(k=0;k=2;k+) sum+=adk; ad3=sum/3; xdp=0x7ff8; /启动AD *xdp=ACC; /*输入信号产生*/ void sets(void) double t; if(TF1=1) TF1=0; TR1=0; TH1=0X3C; TL1=0XB0; if(t=50) t+=0.05;PID.SetPoint=t; else t=50;PID.SetPoint=75; /*PID计算部
11、分*/double PIDCalc( double NextPoint ) double dError,Error; Error = PID.SetPoint - NextPoint; / 偏差 PID.SumError += Error; / 积分 dError = PID.LastError - PID.PrevError; / 当前微分 PID.PrevError = PID.LastError; PID.LastError = Error; Un= PID.Proportion * Error + PID.Integral * PID.SumError + PID.Derivative * dError ;return(Un) ;/*主函数*/ void main(void) init(); while(1) sets(); PIDCalc(ad3);
