第一篇：計算機(jī)控制課程設(shè)計(電阻爐溫度控制系統(tǒng))

計算機(jī)控制課程設(shè)計

報告

設(shè)計題目： 電阻爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計 年級專業(yè)： 09級測控技術(shù)與儀器 姓 名 ：

武帆 學(xué) 號 ： P60914001 任課教師： 謝芳

電阻爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計

0.前言

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，特別是隨著大規(guī)模集成電路的產(chǎn)生，給人們的生活帶來了根本性的變化，特別是微型計算機(jī)的出現(xiàn)使現(xiàn)代的科學(xué)研究得到了質(zhì)的飛躍，利用單片機(jī)來改造落后的設(shè)備具有性價比高、提高設(shè)備的使用壽命、提高設(shè)備的自動化程度的特點。溫度是工業(yè)生產(chǎn)中主要的被控參數(shù)之一，與之相關(guān)的各種溫度控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于冶金、化工、機(jī)械、食品等領(lǐng)域。溫度控制是工業(yè)生產(chǎn)過程中經(jīng)常遇到的過程控制，有些工藝過程對其溫度的控制效果直接影響著產(chǎn)品的質(zhì)量。因而設(shè)計一種較為理想的溫度控制系統(tǒng)是非常有價值的。本設(shè)計就是利用單片機(jī)來控制高溫加熱爐的溫度，傳統(tǒng)的以普通雙向晶閘管（SCR）控制的高溫電加熱爐采用移相觸發(fā)電路改變晶閘管導(dǎo)通角的大小來調(diào)節(jié)輸出功率，達(dá)到自動控制電加熱爐溫度的目的。這種移相方式輸出一種非正弦波，實踐表明這種控制方式產(chǎn)生相當(dāng)大的中頻干擾，并通過電網(wǎng)傳輸，給電力系統(tǒng)造成“公害”。采用固態(tài)繼電器控溫電路，通過單片機(jī)控制固態(tài)繼電器，其波形為完整的正弦波，是一種穩(wěn)定、可靠、較先進(jìn)的控制方法。為了降低成本和保證較高的控溫精度，采用普通的ADC0809芯片和具有零點遷移、冷端補(bǔ)償功能的溫度變送器橋路，使實際測溫范圍縮小。

溫度控制系統(tǒng)屬于一階純滯后環(huán)節(jié)，具有大慣性、純滯后、非線性等特點，導(dǎo)致傳統(tǒng)控制方式超調(diào)大、調(diào)節(jié)時間長、控制精度低。采用單片機(jī)進(jìn)行溫度控制，具有電路設(shè)計簡單、精度高、控制效果好等優(yōu)點，對提高生產(chǎn)效率、促進(jìn)科技進(jìn)步等方面具有重要的現(xiàn)實意義隨著單片機(jī)技術(shù)的迅速興起與蓬勃發(fā)展，其穩(wěn)定、安全、高效、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點十分突出，所以其應(yīng)用也十分廣泛。單片機(jī)已經(jīng)無處不在、與我們生活息息相關(guān)，并且滲透到生活的方方面面。

1.課程設(shè)計任務(wù)

項目設(shè)計：電阻爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計

以在工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用較為廣泛的電阻爐為被控對象，采用MCS—52單片機(jī)實現(xiàn)電阻爐溫度計算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計，介紹電阻爐溫度計算機(jī)控制系統(tǒng)的組成，并完成系統(tǒng)總體控制方案和達(dá)林算法控制器的設(shè)計，給出系統(tǒng)硬件原理框圖和軟件設(shè)計流程圖等。

1.1電阻爐組成及其加熱方式

電阻爐是工業(yè)爐的一種，是利用電流通過電熱體元件將電能轉(zhuǎn)化為熱能來加熱或者熔化元件或物料的熱加工設(shè)備。電阻爐由爐體、電氣控制系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)組成，爐體由爐殼、加熱器、爐襯（包括隔熱屏）等部件組成。由于爐子的種類不同，因而所使用的燃料和加熱方法也不同;由于工藝不同，所要求的溫度高低不同，因而所采用的測溫元件和測溫方法也不同;產(chǎn)品工藝不同，對控溫精度要求不同，因而控制系統(tǒng)的組成也不相同。電氣控制系統(tǒng)包括主機(jī)與外圍電路、儀表顯示等。輔助系統(tǒng)通常指傳動系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等，因爐種的不同而各異。電阻爐的類型根據(jù)其熱量產(chǎn)生的方式不同，可分為間接加熱式和直接加熱式兩大類。間接加熱式電阻爐，就是在爐子內(nèi)部有專用的電阻材料制作的加熱元件，電流通過加熱元件時產(chǎn)生熱量，再通過熱的傳導(dǎo)、對流、輻射而使放置在爐中的爐料被加熱。直接加熱式電阻爐，是將電源直接接在所需加熱的材料上，讓強(qiáng)大的電流直接流過所需加熱的材料，使材料本身發(fā)熱從而達(dá)到加熱的效果。工業(yè)電阻爐，大部分采用間接加熱式，只有一小部分采用直接加熱式。由于電阻爐具有熱效率高、熱量損失小、加熱方式簡單、溫度場分布 均勻、環(huán)保等優(yōu)點，應(yīng)用十分廣泛。1.2控制要求

本系統(tǒng)中所選用的加熱爐為間接加熱式電阻爐，控制要求為:（1）采用一臺主機(jī)控制8個同樣規(guī)格的電阻爐溫度;（2）電爐額定功率為20 kW;（3）恒溫正常工作溫度為1000℃，控溫精度為±1%;（4）電阻爐溫度按預(yù)定的規(guī)律變化，超調(diào)量應(yīng)盡可能小，且具有良好的穩(wěn)定性;（5）具有溫度、曲線自動顯示和打印功能，顯示精度為±1℃;（6）具有報警、參數(shù)設(shè)定、溫度曲線修改設(shè)置等功能。

二、系統(tǒng)總體設(shè)計

根據(jù)題目要求,電熱鍋爐溫度控制系統(tǒng)由核心處理模塊、溫度采集模塊、鍵盤顯示模塊、及控制執(zhí)行模塊等組成。采用比較流行的AT89S52作為電路的控制核心,使用8位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD0808進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,控制電路部分采用PWM通過AC-SSR實現(xiàn)鍋爐溫度的連續(xù)控制,此方案電路簡單并且可以滿足題目中的各項要求的精度。系統(tǒng)總體框圖如下。

顯示電路熱電偶電阻爐變送器數(shù)據(jù)采集單片機(jī)越限報警

2.1核心處理模塊——單片機(jī)

該部分的功能不僅包括向溫度傳感器寫入各種控制命令、讀取溫度數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理，同時還要對執(zhí)行單元進(jìn)行控制。單片機(jī)是整個系統(tǒng)的控制核心及數(shù)據(jù)處理核心。

選擇單片機(jī)的理由：單片機(jī)的特點是體積較小，也就是其集成特性，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)是普通計算機(jī)系統(tǒng)的簡化，增加一些外圍電路，就能夠組成一個完整的小系統(tǒng)，單片機(jī)具有很強(qiáng)的可擴(kuò)展性。它具有和普通計算機(jī)類似的、強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，通過使用一些科學(xué)的算法，可以獲得很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力。所以單片機(jī)在工業(yè)應(yīng)用中，可以極大地提高工業(yè)設(shè)備的智能化、數(shù)據(jù)處理能力和處理效率，而且單片機(jī)無需占用很大的空間。

2.2溫度信號采集與傳感器

本部分的主要作用是用傳感器檢測模擬環(huán)境中的溫度信號，溫度傳感器上電流將隨環(huán)境溫度值線性變化。再把電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，使用A/D轉(zhuǎn)換器將模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成單片機(jī)能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的數(shù)字電壓信號，本設(shè)計采用的是數(shù)字溫度傳感器，以上過程都在溫度傳感器內(nèi)部完成。

2.3人機(jī)交互及串口通信

人機(jī)交換的目的是為了提高系統(tǒng)的可用性和實用性。主要包括按鍵輸入、輸出顯示。通過按鍵輸入完成系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置，而輸出顯示則完成數(shù)據(jù)的顯示和系統(tǒng)提示信息的輸出，串口通信的主要功能是完成單片機(jī)與上位機(jī)的通信，便于進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)統(tǒng)計，為將來系統(tǒng)功能的擴(kuò)展做好基礎(chǔ)工作。AC-SSR過零檢測光耦隔離鍵盤控制 2.4控制執(zhí)行單元

是單片機(jī)的輸出控制執(zhí)行部分，根據(jù)單片機(jī)數(shù)據(jù)處理的結(jié)果，驅(qū)動繼電器控制外部設(shè)備，可以達(dá)到超溫報警及升溫或者降溫目的，使環(huán)境溫度始終保持在一個范圍之內(nèi)。

根據(jù)溫度變化慢,并且控制精度不易掌握的特點,我們設(shè)計了以AT89S52單片機(jī)為檢測控制中心的電熱鍋爐溫度自動控制系統(tǒng)。溫度控制采用改進(jìn)的PID數(shù)字控制算法,顯示采用8位LED動態(tài)顯示。

三、硬件電路設(shè)計

硬件電路如圖所示：硬件系統(tǒng)主要由AT89S52單片機(jī)、溫度采集、A／D轉(zhuǎn)換、鍵盤顯示電路、報警等功能電路組成。

3.1、核心部分單片機(jī)

AT89S52單片機(jī)為主控制單元。AT89S52單片機(jī)首先根據(jù)爐溫的給定值和測量值計算出溫度偏差，然后進(jìn)行PID控制并計算出相應(yīng)的控制數(shù)據(jù)由P1．0口輸出。最后將P1．0口輸出的控制數(shù)據(jù)送往光電耦合隔離器的輸入端，利用PWM脈沖調(diào)制技術(shù)調(diào)整占空比，達(dá)到使?fàn)t溫控制在某一設(shè)定溫度。AT89S52單片機(jī)還負(fù)責(zé)按鍵處理、溫度顯示以及與上位機(jī)進(jìn)行通信等工作。4位高亮度LED用于顯示設(shè)定溫度或?qū)崪y溫度。3.2、溫度采集轉(zhuǎn)換模塊

溫度采集電路主要由鉑銠-鉑熱電偶LB-3。LB-3熱電偶可以在1300℃高溫下長時間工作，滿足常規(guī)處理工藝要求。測溫時，熱電阻輸出mV熱電勢，必須經(jīng)過變送器變換成0-5V的標(biāo)準(zhǔn)信號。本系統(tǒng)選用DWB型溫度變送器，并將其直接安裝在熱電偶的接線盒內(nèi)，構(gòu)成一體化的溫度變送器，不僅可以節(jié)省補(bǔ)償導(dǎo)線，而且可以減少溫度信號在傳遞過程中產(chǎn)生的失真和干擾。電阻爐爐溫信號是一種變換緩慢的信號。這種信號在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時，對轉(zhuǎn)換速度要求不高。因此為了減低成本以及方便選材，可以選用廉價的、常用的A/D芯片ADC0809，ADC0809是一種逐次逼近式8路模擬輸入、8為數(shù)字輸出地A/D轉(zhuǎn)換器件，轉(zhuǎn)換時間為100us，完全滿足系統(tǒng)設(shè)計的要求。經(jīng)過ADC0809轉(zhuǎn)換所得到的實測爐溫數(shù)據(jù)直接送入AT89S52單片機(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

此外，為了防止斷偶或者爐溫越限，產(chǎn)生熱處理質(zhì)量事故；同時為了提高溫控系統(tǒng)的智能化控制性能，降低熱處理操作人員的勞動強(qiáng)度，本系統(tǒng)特別設(shè)置了斷偶或爐溫越限自動報警電路。在熱處理生產(chǎn)過程中，當(dāng)發(fā)生斷偶或爐溫越限等異?，F(xiàn)象時，主控單元AT89S52單片機(jī)自動啟動報警電路進(jìn)行聲、光報警，以便操作人員快速處理，防止?fàn)t內(nèi)工件過熱，破壞金屬組織結(jié)構(gòu)。

3.3、AC—SSR交流功率調(diào)節(jié)電路

由輸出來控制電爐,電爐可以近似建立為具有滯后性質(zhì)的一階慣性環(huán)節(jié)數(shù)學(xué)模型。其傳遞函數(shù)形式為：

其中時間常數(shù)T=350秒，放大系數(shù)K=50，滯后時間t=10秒。為了避免交流接觸器等機(jī)械觸電因頻繁通斷產(chǎn)生電弧，燒壞觸電或者干擾其他設(shè)備正常工作，本系統(tǒng)選用AC-SSR交流功率調(diào)節(jié)器作為PID控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。AT89S52單片機(jī)P1.0口輸出的溫度控制信號經(jīng)過光電耦合器件隔離，送至過零檢測電路。過零檢測電路產(chǎn)生脈沖控制AC-SSR調(diào)功電路。當(dāng)實測溫度偏低時，單片機(jī)輸出的控制信號使得雙向可控硅的導(dǎo)通角減小，導(dǎo)通時間變短，加熱器功率降低爐溫適當(dāng)降低。通過控制輸入到加熱器平均功率的大小達(dá)到控制電阻爐爐溫的目的。

控制執(zhí)行部分的硬件電路如下圖

3.4鍵盤模塊電路

采用4×4矩陣鍵盤接單片機(jī)的P1口，然后實現(xiàn)對設(shè)定溫度的修改，將它與實際溫度進(jìn)行對比，實現(xiàn)要求的功能。矩陣鍵盤如下圖3所示：

3.5 A/D轉(zhuǎn)換電路

如圖所示：

3.6 變送電路

3.6.1、4~20mA變送器XTR101 XTR101為4~20mA線性化變送器，它可與鎳絡(luò)-鎳硅測溫傳感器構(gòu)成精密的T/I變換。器件中的放大器適合很寬的測溫范圍，在-40℃~+85℃的工作溫度內(nèi)，傳送電流的總誤差不超過1%，供電電源可以從11.6V到40V,輸入失調(diào)電壓<±2.5mV，輸入失調(diào)電流<20nA。XTR101外形采用標(biāo)準(zhǔn)的14腳DIP封裝。XTR101有如下兩種應(yīng)用于轉(zhuǎn)換溫度信號的典型電路：

3.6.2、I/V轉(zhuǎn)換器RCV420 RCV420是一種精密電流/電壓變換器，它能將4~20mA的環(huán)路電流變?yōu)?~5V的電壓輸出，并且具有可靠的性能和很低的成本。除具有精密運放和電阻網(wǎng)絡(luò)外，還集成有10V基準(zhǔn)電源。對環(huán)路電流由很好的變換能力。具有-25℃~+85℃和0℃~70℃的工作溫度范圍，輸入失調(diào)電壓<1mA，總的變換誤差<0.1%，電源電壓范圍±5~±18V。RCV420的外形采用標(biāo)準(zhǔn)的16腳DIP封裝。它的典型應(yīng)用如下：

四、系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件由三大模塊組成：主程序模塊、功能實現(xiàn)模塊和運算控制模塊。

4.1 主程序模塊

開始初始化計時器初始化PID參數(shù)A/D采樣以及變換Y判斷越限報警N顯示當(dāng)前溫度和設(shè)定溫度報警開啟設(shè)置PWM的占空比

主程序流程圖

4.2 功能實現(xiàn)模塊

以用來執(zhí)行對可控硅及電爐的控制。功能實現(xiàn)模塊主要由A／D轉(zhuǎn)換子程序、中斷處理子程序、鍵盤處理子程序、顯示子程序等部分組成。

4.2.1T0中斷子程序

該中斷是單片機(jī)內(nèi)部100ms定時中斷,優(yōu)先級設(shè)為最高,是最重要的子程序。在該中斷響應(yīng)中,單片機(jī)要完成調(diào)用PID算法子程序且輸出PID計算結(jié)果等功能。其流程圖如下:

進(jìn)入中斷設(shè)置定時器寄存器判斷標(biāo)志位是否為1NY標(biāo)志位置0計算PID子模塊標(biāo)志位加1中斷返回 T0中斷子程序

4.2.2 T1中斷子程序

T1定時中斷用于調(diào)制PWM信號，優(yōu)先級低于T 0中斷,其定時初值由PID算法子程序提供的輸出轉(zhuǎn)化而來，T1中斷響應(yīng)的時間用于輸出控制信號。其流程圖如下:

進(jìn)入中斷取反標(biāo)志位,表示該輸出高電平或低電平輸出高電平?Y設(shè)置高電平脈寬N輸出口置高電平設(shè)置低電平脈寬Y輸出低電平?N輸出口置低電平中斷返回 T1中斷子程序

4.3運算控制模塊

運算控制模塊涉及標(biāo)度轉(zhuǎn)換、PID算法、以及該算法調(diào)用到的乘法子程序等。

4.3.1標(biāo)度轉(zhuǎn)換子程序

該子程序作用是將溫度信號(00H~FFH)轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的溫度值,以便送顯示或與設(shè)定值在相同量綱下進(jìn)行比較。所用線形標(biāo)度變換公式為：

式中,Ax： 實際測量的溫度值;Nx：經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)換的溫度量； Am =90；Ao=40；Nm =FEH;No=01H；

單片機(jī)運算采用定點數(shù)運算，并且在高溫區(qū)和低溫區(qū)分別用程序作矯正處理。

4.4 控制算法：PID算法

積分分離控制的基本思路是：當(dāng)偏差e(k)絕對值較大時。取消積分作用，以免由于積分作用使系統(tǒng)穩(wěn)定性降低，超調(diào)量增大；當(dāng)偏差e(k)絕對值小于某一設(shè)定值M時，引入積分控制，以便消除靜差，提高控制精度，PID算法的表達(dá)式為：

u(t)?Kp[e(t)?式中u(t)：調(diào)節(jié)器的輸出信號；

e(t)：偏差信號；

1TI?t0e(t)dt?TDde(t)]dt

Kp：調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；

TI：調(diào)節(jié)器的積分時間； TD：調(diào)節(jié)器的微分時間。

在計算機(jī)控制中，為實現(xiàn)數(shù)字控制，必須對上式進(jìn)行離散化處理。用數(shù)字形式的差分方程代替連續(xù)系統(tǒng)的微分方程。設(shè)系統(tǒng)的采樣周期為T，在t=kT時刻進(jìn)行采樣，?e(t)dt??Te(i)0i?0tk

式中e(k)：根據(jù)本次采樣值所得到的偏差；

e(k-1)：由上次采樣所得到的偏差。將上面的三個式子代入，則有

de(t)e(k)?e（k?1)?dtT

Tu（k）?Kp[e（k）?TI?T?e（i）i?0kkDe（k）?e（k?1）]T?Kpe（k）??ki?e（i）?kdi?0e（k）?e（k?1）T

式中，T為采樣時間，?項為積分項的開關(guān)系數(shù)

????0??1e(k)??e(k)??

積分分離PID控制算法程序流程圖如圖10所示。

開始參數(shù)初始化采入r(k)及y（k）yPID控制E(k)

積分分離PID控制算法程序流程圖

參考文獻(xiàn)

[1] 張艷兵, 王忠慶,鮮浩編著,計算機(jī)控制技術(shù).北京:國防工業(yè)出版社,2006 [2] 于海生編著,微型計算機(jī)控制技術(shù).北京:清華大學(xué)出版社,1999 [3] 楊進(jìn)才,沈顯君,劉蓉編著,C++語言程序設(shè)計教程.北京:清華大學(xué)出版社,2006 [4] 夏云龍編著,最新Visual C++ 使用手冊.北京:電子工業(yè)出版社,2005 [5] 黃迪明,許家珆,胡德昆編著,C語言程序設(shè)計.成都:電子科技大學(xué)出版社,2008 [6] 顏永軍等,Protel99電路設(shè)計與應(yīng)用,國防工業(yè)出版社,2001 [7] 樓然苗,李光飛,51系列單片機(jī)設(shè)計實例（第二版）,2006 [8] 李朝青

單片機(jī)原理及接口技術(shù).北京航空航天大學(xué)出版社

[9]劉洪恩.利用熱電偶轉(zhuǎn)換器的單片機(jī)溫度測控系統(tǒng)[J]儀表技術(shù),2005.2: 29-30。[10]孫凱, 李元科.電阻爐溫度控制系統(tǒng)[J].傳感器技術(shù),2003.2:50-52.。

附錄

主程序

ORG 0400H DISM0 DATA 78H DISM1 DATA 79H DISM2 DATA 7AH DISM3 DATA 7BH DISM4 DATA 7CH DISM5 DATA 7DH MOV SP,#50H CLR 5EH CLR 5FH CLR A MOV 2FH,A MOV 30H,A MOV 3BH,A MOV 3CH,A MOV 3DH,A MOV 3EH,A MOV 44H,A MOV DISM0,A MOV DISM1,A MOV DISM2,A MOV DISM3,A MOV DISM4,A MOV DISM5,A MOV TMOD,#56H MOV TL0,#06H MOV TH0,06H CLR PT0 SETB TR0 SETB ET0 SETB EA LOOP:ACALL DISPLY ACALL SCAN AJMP LOOP

50H送SP

A

清暫存單元

清顯示緩沖區(qū)

T0為計數(shù)器方式2，T1為方式1

T0賦初值

T0為低中斷優(yōu)先級 T0工作 T0中斷 CPU中斷

；；清本次越限標(biāo)志；清上次越限標(biāo)志；清累加器；；；；；；；；；；；；；；設(shè)；；；令；啟動；允許；開；調(diào)用顯示程序；調(diào)用掃描程序；等待中斷T0中斷服務(wù)程序 ORG 000BH AJMP CT0 ORG 0100H CT0: PUSH ACC ；

PUSH DPL ；保護(hù)現(xiàn)場 PUSH DPH ；

SETB D5H ；置標(biāo)志

ACALL SAMP ；調(diào)用采樣子程序 ACALL FILTER ；調(diào)用數(shù)字濾波程序

CJNE A,42H,TPL ；若Ui（k）不等于Umax，則TPL WL: MOV C,5EH ；

MOV 5FH,C ； 5EH送5FH CLR 5EH ；清5EH單元 ACALL UPL ；轉(zhuǎn)上限處理程序 POP DPH POP DPL POP ACC RETI ；中斷返回

TPL: JNC TPL1 ；若Ui（k）大等Umax，則TPL1 CLR 5FH ；清上次越限標(biāo)志

CJNE A,43H,MTPL ；若Ui（k）不等于Umin，則MTPL HAT: SETB P1.1 ；若溫度不越限則令綠燈亮 ACALL PID ；調(diào)用計算PID子程序 MOV A,2FH ；PID值送A CPL A ；

INC A ； 對PID值求補(bǔ)，作為TL1值 NM: SETB P1.3 ；令p1.3輸出高電平脈沖 MOV TL1,A ；

MOV TH1,#0FFH ； T1賦初值 SETB PT1 ；T1高優(yōu)先級中斷 SETB TR1 ；啟動T1 SETB ET1 ；允許T1中斷

ACALL TRAST ；調(diào)用標(biāo)度轉(zhuǎn)換程序 LOOP: ACALL DISPLY ； 顯示溫度 JB D5H,LOOP ；等待T1中斷 POP DPH ；

POP DPL ； 恢復(fù)現(xiàn)場 POP ACC ；

RETI ；中斷返回

MTPL: JNC HAT ；若Ui（k）大于Umin，則HAT SETB P1.0 ；否則越下限聲光報警 MOV A,45H ；取PID最大值輸出 CPL A ；

INC A ； 對PID值求補(bǔ)，作為TL1 AJMP NM ；轉(zhuǎn)NM執(zhí)行

TPL1: SETB 5EH ；若Ui（k）大于Umax，則5EH單元置位 JNB 5FH,WL ；若上次未越限，則轉(zhuǎn)WL INC 44H ；越限計數(shù)器加1 MOV A,44H CLR C SUBB A,#N ；越限N次？

JNZ WL ；越限小于N次，則WL SETB P1.2 ；否則，越上限聲光報警 CLR 5EH CLR 5FH POP DPH POP DPL POP ACC RETI

T1中斷服務(wù)程序 ORG 001BH AJMP CT1 ORG 0200H CT1: CLR D5H CLR P1.3 RETI ；

； 清越限標(biāo)志 ；

； 恢復(fù)現(xiàn)場 ；

；中斷返回

p1.3變?yōu)榈碗娖?；中斷返? ；清標(biāo)志；令

第二篇：基于PID的電阻爐溫度控制系統(tǒng)

基于PID的爐溫控制系統(tǒng)

摘要:在科學(xué)實驗中,溫度是極為普遍又極為重要的熱工參數(shù)之一。為了保證科學(xué)實驗正常安全的進(jìn)行，提高實驗的精確性，介紹了用AT89S51單片機(jī)為主要元件組成的控制系統(tǒng)，并給出了部分硬件圖、控制算法和軟件流程圖。

關(guān)鍵詞：PID；爐溫控制 1引言

電阻爐是一種利用電流通過電熱元件產(chǎn)生的熱量加熱工件的熱處理設(shè)備具有結(jié)構(gòu)簡單 操作簡便價格低廉等特點廣泛用于工業(yè)中，而溫度是工業(yè)對象中主要的被控參數(shù)之一。在冶金、化工、機(jī)械、火工、食品等各類工業(yè)中 ,廣泛使用各種加熱爐、烘箱、恒溫箱等,它們均需對溫度進(jìn)行精確的控制。

采用單片機(jī)進(jìn)行爐溫控制 ,具有電路設(shè)計簡單、精度高、控制效果好等優(yōu)點,對提高生產(chǎn)效率、促進(jìn)科技進(jìn)步等方面具有重要的現(xiàn)實意義。本文以加熱爐為具體對象介紹溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計方法。該系統(tǒng)是以AT89S51為核心建立起來的一個溫度測量控制系統(tǒng)，加熱爐的被控溫度為0~500℃，精度：±0.5°C，顯示分辨率0.2°C。通過單片機(jī)顯示溫度值。顯示：000.0。

本文介紹爐溫控制系統(tǒng)的設(shè)計。

隔離、驅(qū)動雙向可控硅加熱裝置單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換變送器測溫傳感器試驗裝置 測溫傳感器

圖1 溫控系統(tǒng)組成 1 硬件系統(tǒng)

本系統(tǒng)的硬件電路包括：過零觸發(fā)電路、溫度檢測電路、雙向可控硅觸發(fā)電路。電爐一般采用電阻絲作為加熱元件，系統(tǒng)中溫度傳感器采用PT100。爐體的加熱通過加熱電熱絲的方法來實現(xiàn)。工頻220V電壓被電阻分壓后，經(jīng)過運放輸出得到幅值為10V的正弦電壓，此電壓的頻率與工頻電壓頻率相同，為50HZ。經(jīng)過芯片MC14528，正弦波整形為脈寬為2~3ms、周期為10ms的方波。方波信號觸發(fā)雙向晶閘管導(dǎo)通，從而實現(xiàn)加熱絲加熱回路的導(dǎo)通，使加熱絲正常工作加熱爐體，電路如圖2。

由圖2可以看到LM311電壓比較器將50HZ的正弦交流電壓變成方波，得到的電壓為10V。方波的正跳沿和負(fù)跳沿作為單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸入信號，從單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出220v過零同步脈沖。MC14528在Q1、Q2腳輸出同步脈沖，脈沖的寬度為2~3ms，Q1、Q2輸出脈沖通過或門后，輸出的方波信號變成可以觸發(fā)雙向可控硅的窄脈沖信號。此信號進(jìn)過光電隔離器MOC3061/3021，便可以觸發(fā)雙向可控硅。此信號經(jīng)單片機(jī)控制信號控制后，可以任意控制可控硅的導(dǎo)通關(guān)斷，從而控制加熱爐的開斷。

圖2 由于雙向可控硅在驅(qū)動高電抗性負(fù)載時，由于電壓電流相差不為零，因此需要在雙向可控硅的過零觸發(fā)電路中加入了保護(hù)電路，從圖2中可以看到R3為限流電阻，使輸入的LED電流能達(dá)到15mA，的計算公式為：

R3?(Vcc?VF)I

VF：為紅外發(fā)光二極管的正向電壓，可以去1.2~1.4V；

I：為紅外發(fā)光二極管觸發(fā)電流；

R1是觸發(fā)雙向可控硅的限流電阻，其值由交流電網(wǎng)電壓峰值及觸發(fā)器輸出端允許重復(fù)沖擊電流峰值決定，R1?VpITSM。Vp為交流電路中峰值電壓，ITSM為重復(fù)浪涌電流。

R5是雙向可控硅的門極電阻，當(dāng)可控硅靈敏度較高時，門極阻抗也比高，使用R5能提高電路抗干擾能力。在保護(hù)電路中將一個電阻和電容串聯(lián)后并在負(fù)載兩端形成浪涌吸收電路，防止浪涌電壓損壞雙向可控硅，電阻和電容值可以選取39Ω和0.01uF。2 PID算法

PID控制算法是計算機(jī)控制的一個廣泛應(yīng)用的基本算法，而PID控制的數(shù)字化是屬于控制算法設(shè)計中的模擬設(shè)計法。它是由連續(xù)系統(tǒng)PID發(fā)展起來的。具有原理模型簡單，容易實現(xiàn)，魯棒性強(qiáng)和使用面廣等優(yōu)點。2.1位置式PID控制算法

數(shù)字PID控制算法通常分為位置式PID控制算法和增量式PID控制算法。位置式PID公式是一個歷史性的PID參數(shù)，最明顯的表現(xiàn)在于它有整個歷史過程的積分，而增量式PID是的比例環(huán)節(jié)是2個誤差的差，積分環(huán)節(jié)變成了當(dāng)前誤差值，而微分環(huán)節(jié)變成了最后2次誤差差值減去最后2,3次誤差的差值的差，也就是說增量式誤差的輸出值最多只和最近3個輸出的誤差值相關(guān)，沒有一個歷史性的相關(guān)。這個也就決定了位置式PID和增量式PID的最主要適用場合：被控機(jī)構(gòu)有無自動的積分環(huán)節(jié)，例如步進(jìn)電機(jī)就是自帶積分環(huán)節(jié)，可以使用增量式PID去控制，但是純粹的液位控制、溫度控制使用位置式PID控制效果會更好。位置式PID表達(dá)式為：

?Tu(k)?Kp?e(k)?TI??e(j)?j?0k?TDe(k)?e(k?1)??? T?其中：u(k)為K時刻數(shù)字PID控制器的輸出，由于其輸出值對應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置，才、因此被稱為位置式算法。e(k)為第K次采樣時刻輸入的偏差值;e(k?1)為第K-1次采樣時刻輸入的偏差值。圖3給出了位置式PID控制系統(tǒng)。

r（k）e（k）PID位置控u（k）制算法D/Au（t）執(zhí)行機(jī)構(gòu)被控對象y（t）-y（k）T

圖3 2.2 PID算法實現(xiàn)原理

對于PID控制的實現(xiàn)，針對不同系統(tǒng)可以采用不同方式來實現(xiàn)，而本系統(tǒng)采用輸出PWM波控制雙向可控硅的方式來控制電爐。對于加溫的溫度控制可以采用調(diào)節(jié)供電電壓或在一定的時間循環(huán)周期內(nèi)的供電時間比例即PWM波來調(diào)節(jié)加溫控制溫度。調(diào)功法控制的原理是通過PWM脈沖調(diào)寬功率放大器控制雙向可控硅調(diào)節(jié)電阻絲的功率從而達(dá)到調(diào)節(jié)溫度的目的。

設(shè)一個控制周期Tc中有N個完整的正弦波，則Tc?Nf，f為電網(wǎng)的頻率，因此只要在在周期Tc中控制主回路中周波數(shù)的通斷n就可以改變功率，對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。由于系統(tǒng)采用調(diào)節(jié)功率的方法來控制電爐的加溫，即改變可控硅的通斷時間比η，使信號整周波導(dǎo)通與整周波關(guān)斷。控制電路把負(fù)載與電源在周期Tc內(nèi)開通t1秒，然后在斷開t2秒，從而來控

t1U2nt1??U，負(fù)載的功率P?制加溫。??為導(dǎo)通率，負(fù)載上的電壓Uz?U TRNt1?t2c對控制周期Tc選擇，最小的周期不應(yīng)小于20ms，因為我們使用電壓220V，工頻周期為20ms。溫控系統(tǒng)的控制信號周期的選取是很關(guān)鍵的，考慮到控制系統(tǒng)的精度，采樣的周期越小是最佳的，但采樣周期小，控制器占用計算機(jī)的時間就長，對于具有較大滯后系統(tǒng)，控制周期應(yīng)該盡量選長。本系統(tǒng)采用的控制周期為10s。2.2 PID控制量的處理

單片機(jī)有3個16位定時器T0、T1、T2，在程序設(shè)計中可以使用中斷的方式來控制PWM還可以使用單片機(jī)中的中斷。在中斷中可以需要完成對數(shù)據(jù)的采集和處理，以及PID的計算，同時產(chǎn)生PWM波的基本周期信號，以及PWM波的控制信號。

設(shè)一個控制周期為20ms，在20ms中15ms來加熱，5ms不加熱。當(dāng)定時器T1中斷時，立即對系統(tǒng)的溫度采樣，并將采樣值送入算法中計算。設(shè)定T1在5ms中斷溢出后，改變中斷口的電平，并將中斷時間改為15ms，經(jīng)過15ms后進(jìn)入下一次的中斷，如此往復(fù)實現(xiàn)PWM信號的輸出。用修改定時器中斷初值的方法調(diào)整時間寬度變可以實現(xiàn)脈寬改變。具體實現(xiàn)方式為，設(shè)n為定時器T1的初值，f為單片機(jī)的系統(tǒng)時鐘，當(dāng)系統(tǒng)在16(2?n)f=11.059MHz的頻率下可以得到PWM信號的加熱時間寬度為ton?f，通過改變定時器T1初值n，既可以改變加熱t(yī)on，從而控制電阻絲件的加熱時間。當(dāng)n=0時電阻絲就一直加熱，當(dāng)n=65536時，電阻絲就處于不加熱狀態(tài)。軟件設(shè)計

本系統(tǒng)軟件包括主程序和中斷處理程序。按照要實現(xiàn)的功能包括按鍵程序、顯示程序、溫度采集、PID調(diào)節(jié)等。按鍵程序設(shè)置需要加熱的目標(biāo)溫度，啟動加溫后，實時采集溫度數(shù)據(jù)，并將溫度值在數(shù)碼管上顯示，同時將溫度數(shù)據(jù)加入PID算法中計算。

PID算出的溫度控制是根據(jù)當(dāng)前溫度和目標(biāo)溫度誤差，通過PID算法計算出的u(k)值用于控制電爐的開斷。由于本系統(tǒng)是通過雙向可控硅觸發(fā)來開斷電爐的加熱，所以PID算出的控制量需要通過調(diào)節(jié)PWM波的占空比方式，來改變雙向可控硅的觸發(fā)時間，從而控制加熱功率，調(diào)節(jié)溫度。

開始讀入y(k),r(k)計算e（k）=r(k)-y(k)計算△e（k）=e(k)-e(k-1)△e（k-1）=e(k-1)-e(k-2)計算△u（k）計算u（k）=u(k-1)-△u(k)u(k-1)=u(k)e(k-2)=e(k-1)E(k-1)=e(k)結(jié)束 圖5 數(shù)字PID算法程序流程圖

4結(jié)束語

介紹了一種基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)采用數(shù)字PID控制運用PWM 脈寬調(diào)制技術(shù)對電阻爐溫度進(jìn)行控制，消除了溫度控制系統(tǒng)的振蕩和超調(diào)現(xiàn)象，實現(xiàn)了對溫度的精確控制。此控制系統(tǒng)有溫度顯示和按鍵控制，使用戶能夠隨時對溫度進(jìn)行監(jiān)控經(jīng)過實驗驗證，該溫度控制器結(jié)構(gòu)簡單體積較小測溫準(zhǔn)確，取得了較為滿意的溫度控制效果。

參考文獻(xiàn)

[1]謝劍英.微型計算機(jī)控制技術(shù).北京:國防工業(yè)出版社.第2版.1991 [2]方秉玲，陸忠化，郝國法編著.微型計算機(jī)控制系統(tǒng)分析與設(shè)計.北京：科學(xué)出版社，1992 [3] 陶永華.新型PID控制及其應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2002.[4] 魏英智，丁紅偉，張琳，徐寶玉，李海燕.數(shù)字PID控制算法在溫控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2010，(17)[5]王麗華,鄭樹展.基于單片機(jī)的電加熱爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計 [J].天津職業(yè)大學(xué)學(xué)報.2006 [6]張艷艷.基于PID算法和89C52單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)[J].工控技術(shù),2009 [7]曹曉偉.MOC3061系列關(guān)電雙向可控硅驅(qū)動器 [J].國外電子元器件,1996,（12）

第三篇：氧化鋁焙燒溫度控制系統(tǒng)課程設(shè)計-精品

氧化鋁焙燒溫度控制系統(tǒng)課程設(shè)計

摘要：氧化鋁是電解鋁生產(chǎn)的主要原料，針對我國礦石特點，我國氧化鋁的生產(chǎn)工藝主要采用的是拜爾法和燒結(jié)法以及混聯(lián)法，在拜爾法中焙燒工序是氧化鋁生產(chǎn)必不可少的一個過程，并且是整個氧化鋁生產(chǎn)的最后一道工序，該生產(chǎn)過程的主要任務(wù)是將來自分解或平盤的帶有附著水的氫氧化鋁物質(zhì)在焙燒爐中高溫煅燒，脫除附著水和結(jié)晶水，從而生成物理化學(xué)性質(zhì)符合電解要求的氧化鋁。氧化鋁焙燒的主要工藝參數(shù)是灼燒溫度．灼燒溫度的高低與穩(wěn)定與否直接決定著氧化鋁的出廠質(zhì)量，所以穩(wěn)定控制氧化鋁灼燒溫度是保證氧化鋁生產(chǎn)質(zhì)量 的主要途徑。本文以氧化鋁焙燒生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)為背景，開展了氧化鋁焙燒生產(chǎn)過程控制策略的研究和控制系統(tǒng)的設(shè)計以及器件的選型。

關(guān)鍵詞：氧化鋁焙燒；器件選型；串級控制系統(tǒng)；PID參數(shù)整定

一、氧化鋁生產(chǎn)工藝

生產(chǎn)氧化鋁的方法大致可分為四類：堿法、酸法、酸堿聯(lián)合法與熱法。目前工業(yè)上幾乎全部是采用堿法生產(chǎn)。堿法有拜耳法、燒結(jié)法及拜耳燒結(jié)聯(lián)合法等多種流程。

目前，我國氧化鋁工業(yè)采用的生產(chǎn)方法有燒結(jié)法，混聯(lián)法和拜耳法三種，其中燒結(jié)法占20.2％，混聯(lián)法占69.4％，拜耳法占10.4％。雖然燒結(jié)法的裝備水平和技術(shù)水平在今年來有所提高，但是我國的燒結(jié)技術(shù)仍處于較低水平。而由于拜耳法和燒結(jié)混合法組成的混聯(lián)法，不僅由于增加了燒結(jié)系統(tǒng)而使整個流程復(fù)雜，投資增大，更由于燒結(jié)法系統(tǒng)裝備水平和技術(shù)水平不高，使得氧化鋁生產(chǎn)的能耗增大，成本增高，降低我國氧化鋁產(chǎn)品在世界市場上的競爭力。拜耳法比較簡單，能耗小，產(chǎn)品質(zhì)量好，處理高品位鋁土礦石，產(chǎn)品成品也低。目前全世界90％的氧化鋁是用拜耳法生產(chǎn)的。

拜耳法的原理是基于氧化鋁在苛性堿溶液中溶解度的變化以及過氧化鈉濃度和溫度的關(guān)系。高溫和高濃度的鋁酸鈉溶液處于比較穩(wěn)定的狀態(tài)，而在溫度和濃度降低時則自發(fā)分解析出氫氧化鋁沉淀，拜耳法便是建立在這樣性質(zhì)的基礎(chǔ)上的。

下面兩項主要反映是這一方法的基礎(chǔ)：

Al2O3xH2O?2NaOH?(3?x)H2O?2NaAl(OH)4

NaAl(OH)4?Al(OH)3?NaOH

前一反映是在用循環(huán)的鋁酸鈉堿溶液溶出鋁土礦時進(jìn)行的。鋁土礦中所含的一水和三水氧化鋁在一定條件下以鋁酸鈉形態(tài)進(jìn)入溶液。后一反映是在另一條件下發(fā)生的析出氫氧化鋁沉淀的水解反應(yīng)。鋁酸鈉溶液在95-100度不致水解的穩(wěn)定性可以用來從其中分離赤泥，然后使溶液冷卻，轉(zhuǎn)變?yōu)椴环€(wěn)定狀態(tài)，以析出氫氧化鋁。

拜耳法生產(chǎn)過程簡介：原礦經(jīng)選礦、原礦漿磨制、溶出與脫硅、赤泥分離與精制、晶種分解、氫氧化鋁焙燒成為氧化鋁產(chǎn)品。

1破碎后進(jìn)廠的碎高礦經(jīng)均化場均化后，用斗輪取料機(jī)取料入輸送機(jī)進(jìn)入鋁礦倉，石灰石經(jīng)煅燒后輸送到石灰倉，然后與循環(huán)母液經(jīng)調(diào)配后按比例進(jìn)入棒磨機(jī)、球磨機(jī)的兩段磨和旋流器組成的磨礦分級閉路循環(huán)系統(tǒng)。分級后的溢流經(jīng)緩沖槽和泵進(jìn)入原礦漿儲槽，用高壓泥漿泵輸送礦漿進(jìn)入多級預(yù)熱和溶出系統(tǒng)，加熱介質(zhì)可用溶鹽也可用高壓新蒸氣，各級礦漿自蒸發(fā)器排出的乏氣分別用來預(yù)熱各級預(yù)熱器中的礦漿。溶出設(shè)備可用套管加熱與高壓釜組成溶出器組。溶出后的礦漿經(jīng)多級降壓自蒸發(fā)器降壓后，與赤泥一次洗液一同進(jìn)入礦漿稀釋槽。末級自蒸發(fā)器排出的乏氣，用來預(yù)熱赤泥洗水，洗水由循環(huán)水和不合格的冷凝水組成。稀釋礦漿進(jìn)入分離沉降槽，其溢流經(jīng)過葉濾和降溫后送去晶種攪拌分解，分解后的氫氧化鋁漿液經(jīng)分離后，大部分氫氧化鋁返回種分槽作為晶種使用，其余部分送去洗滌，洗水用純凈的熱水，洗凈后的氫氧化鋁送去焙燒，焙燒后的氧化鋁即為成品氧化鋁。分離后的種分母液送去蒸發(fā)，加入少量鹽類晶種以誘導(dǎo)鹽類晶種析出，其溢流與濾液、補(bǔ)充新的液體苛性鈉后組成循環(huán)母液，送去調(diào)配制備原礦漿。

二、氧化鋁生產(chǎn)焙燒過程工藝

氫氧化鋁焙燒是氧化鋁生產(chǎn)工藝中的最后一道工序。焙燒的目的是在高溫下把氧化鋁的附著水和結(jié)晶水脫除，從而生成物理化學(xué)性質(zhì)符合電解要求的氧化鋁。(1)焙燒原理

氫氧化鋁經(jīng)過焙燒爐的干燥段，焙燒段和冷卻段使之烘干，脫水和晶形轉(zhuǎn)變而變成氧化鋁產(chǎn)品其化學(xué)變化可分為以下幾個階段。

（a）脫除附著水

CAl(OH)3H2O?100???Al(OH)3?H2O ?當(dāng)溫度高于100C時氫氧化鋁中的附著水被蒸發(fā)，此反應(yīng)發(fā)生在閃速干燥器。(b)脫除結(jié)晶水

結(jié)晶水的脫除分兩步進(jìn)行，250-300度時，失去兩個結(jié)晶水，在500-600度的溫度下它失去最后一個結(jié)晶水。而成為r?AlO。

23300CAl2O33H2O?250?????Al2O3?2H2O ??600CAl2O3H2O?500??????Al2O3?H2O ?(c)晶型轉(zhuǎn)變

氫氧化鋁在脫水過程中伴隨著晶體轉(zhuǎn)變，r?Al2O3在950度時開始進(jìn)行晶型轉(zhuǎn)變，逐漸由r?Al2O3轉(zhuǎn)變?yōu)閍-Al2O3。

(2)氧化鋁焙燒過程生產(chǎn)過程流程介紹

流態(tài)化焙燒是世界上最先進(jìn)的氫氧化鋁焙燒技術(shù)與裝置，流態(tài)化是一種固體顆粒與氣體接觸而變成類似流體狀態(tài)的操作技術(shù)。而固體物料在流態(tài)化狀態(tài)下與氣體或液體的熱交換過程最為強(qiáng)烈。(a)此爐型采用了在干燥段設(shè)計熱發(fā)生器這一新穎措施，當(dāng)供料氫氧化鋁附著水含量增大時，不需象其它爐型那樣采取增加過?？諝獾姆绞絹碓黾痈稍锬芰Γ瑑H需啟動干燥熱發(fā)生器來增加干燥段熱量，避免了廢氣量大增而大量損失熱量，因此，與前二種爐型相比，氣體懸焙燒爐熱耗和電耗要低。

(b)整套裝置設(shè)計簡單。一是物料自上而下流動，可避免事故停爐時的爐內(nèi)積料和計劃停爐時的排料；二是設(shè)備簡單，除流化冷卻器外無任何流化床板，沒有物料控制閥，方便了設(shè)備維檢修：三是負(fù)壓作業(yè)對焙燒爐的問題診斷和事故處理有利。這些都有利于故障后生產(chǎn)的快速恢復(fù)，給生產(chǎn)組織帶來方便。

(c)控制回路簡單，氣體懸浮焙燒爐雖有多條自動控制回路，但在生產(chǎn)中起主要作用的僅有2條，一條是主燃燒系統(tǒng)的主爐溫度控制回路，另一條是O2含量控制回路。

三、焙燒爐溫度控制方案設(shè)計

目前工業(yè)自動化水平已成為衡量各行各業(yè)現(xiàn)代化水平的一個重要標(biāo)志。一個控控制系統(tǒng)包括控制器、傳感器、變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、輸入輸出接口。控制器的輸出經(jīng)過輸出接口、執(zhí)行機(jī)構(gòu)，加到被控系統(tǒng)上；控制系統(tǒng)的被控量，經(jīng)過傳感器，變送器，通過輸入接口送到控 制器。

(1)對于焙燒過程而言，主要控制焙燒爐出口溫度。而影響焙燒爐出口溫度的因素主要就是燃料的流量，而流量又決定于主燃燒器的流量閥門的開度。因此，我們引入中間點信號，即最能反應(yīng)焙燒爐出口溫度的進(jìn)入主燃燒器中的燃料流量，作為調(diào)節(jié)器的補(bǔ)充信號，以便快速反應(yīng)影響焙燒爐出口溫度變化的擾動，引入該點作為輔助被調(diào)量，通過調(diào)節(jié)管道上流量閥的開度調(diào)整燃料的流量，組成了流量．溫度串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)，從而調(diào)節(jié)焙燒爐的出口溫度，來保氧化鋁的產(chǎn)量和質(zhì)量口”。焙燒爐溫度控制回路流程圖如圖所示：

圖1 焙燒爐溫度控制回路流程圖 焙燒爐溫度控制回路設(shè)計為串級控制回路，主回路為溫度控制回路，其輸入為焙燒爐的出口溫度的設(shè)定值，控制器輸出為副回路的輸入，測量儀表為一體化熱電偶；副回路為流量控制回路，其輸入為主控制器的輸出或主燃燒器的流量設(shè)定，控制器輸出為主燃燒器V19流量調(diào)節(jié)閥的百分比開度，執(zhí)行機(jī)構(gòu)為流量電動調(diào)節(jié)閥，測量儀表為電磁流量計。從方框圖可以看出，串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)有兩個閉環(huán)的調(diào)節(jié)回路：

圖2 溫度控制回路結(jié)構(gòu)圖

a）由PID控制器、調(diào)節(jié)閥、主燃燒器、流量計構(gòu)成了副環(huán)回路。b）由PID控制器、副環(huán)回路、焙燒爐、溫度計構(gòu)成了主環(huán)回路。

副環(huán)回路為流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)，選用標(biāo)準(zhǔn)PID控制器來控制該系統(tǒng)。主環(huán)回路為溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)，也選用標(biāo)準(zhǔn)PID控制器來控制該系統(tǒng)。

主調(diào)節(jié)器出的的信號不是直接調(diào)節(jié)溫度，而是作為副調(diào)節(jié)器的可變給定值，與燃料流量信號比較，再通過副調(diào)節(jié)器去控制電動閥動作，以調(diào)節(jié)燃料流量，保證焙燒爐出口溫度能較快的跟蹤設(shè)定值并最終保持在設(shè)定值附近不變。

(2)從動態(tài)特性的角度考慮，優(yōu)化控制器性能與結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。在對控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計時，盡量根據(jù)被控制對象選擇一組較為合適的控制器參數(shù)，提達(dá)到更好可控制效果。而通過對系統(tǒng)建立數(shù)學(xué)模型，根據(jù)模型特性，通過設(shè)定某種性能指標(biāo)，在實現(xiàn)最優(yōu)指標(biāo)的前提下，對控制器參數(shù)進(jìn)行尋優(yōu)可謂是個好的優(yōu)化控制器性能的辦法。對于串級控制系統(tǒng)來說，有兩個控制器，因此需要分別對兩個控制器的參數(shù)進(jìn)行整定，整定的順序先調(diào)節(jié)副回路，待副回路調(diào)節(jié)達(dá)到要求后，在調(diào)節(jié)主回路。

(3)如果測量元件的延遲和慣性比較大，就不能及時反映溫度的變化，就會造成系統(tǒng)不穩(wěn)定，影響控制質(zhì)量。因此，在系統(tǒng)的儀表選型上盡量使用快速的測量元件，安裝在正確的位置，保證測量信號傳遞的快速性，減小延遲和慣性。

四、焙燒爐溫度回路對象模型的建立與驗證

建立數(shù)學(xué)模型的方法有許多種，像機(jī)理建模、系統(tǒng)辨識等。機(jī)理建模有較大的普遍性，但是多數(shù)工業(yè)過程的機(jī)理較為復(fù)雜，其數(shù)學(xué)模型很難建立，雖然在建模過程中作了一些具有一定實際依據(jù)的近似和假設(shè)，但是逼近不能完全反映過程的實際情況，有時甚至?xí)硪恍┕烙?/p>

4不到的影響。因此，在工程目前主要采用試驗建模一過程辨識和參數(shù)估計的方法。建模的方法我們采用響應(yīng)曲線法，響應(yīng)曲線法主要用于階躍響應(yīng)曲線和矩形脈沖響應(yīng)曲線。

圖3 階躍響應(yīng)法 圖4 矩形脈沖響應(yīng)法(1)階躍響應(yīng)曲線的試驗測定：

將被控過程的輸入量作一階躍變化，同時記錄其輸出量隨時間而變化的曲線，則稱為階躍響應(yīng)曲線。

階躍響應(yīng)曲線能直觀，完全描述被控過程的動態(tài)特性。實驗測試方法易于實現(xiàn)，只要是閥門的開度作一階躍變化即可，實驗時必須注意：

(a)合理選擇階躍擾動量，既不能太大，以免影響正常生產(chǎn)，也不能太小，以防被控過程的不真實性。通常取階躍信號值為正常輸入信號的5％一15％，以不影響生產(chǎn)為準(zhǔn)。(b)試驗應(yīng)在相同的測試條件下重復(fù)做幾次，需獲得兩次以上的比較接近的相應(yīng)曲線，減少干擾的影響。

(c)試驗應(yīng)在階躍信號作正，反方向變化時分別測出其相應(yīng)曲線，以檢驗被控過程的非線性程度。

(d)試驗前，即在輸入階躍信號前，被控過程必需處于穩(wěn)定的工作狀態(tài)。在一次試驗完成后，必須是被控過程穩(wěn)定一段時間后再施加測試信號作第二次試驗。

考慮到實際工程的方便，對主爐溫度控制我們采用階躍響應(yīng)曲線試驗建模法。根據(jù) 控制理論來分析，設(shè)計或改進(jìn)一個過程控制系統(tǒng)，只有過程的階躍響應(yīng)曲線顯然是不夠的，還必須有階躍響應(yīng)曲線來辨識被控過程數(shù)學(xué)模型，如微分方程、傳遞函數(shù)、頻率特性、差分方程等。在確定模型參數(shù)時，首先分析階躍響應(yīng)曲線的形狀，選取一種模型結(jié)構(gòu)，然后進(jìn)行參數(shù)估計。由階躍響應(yīng)曲線辨識數(shù)學(xué)模型的方法很多，一階慣性環(huán)節(jié)是一種常用的估計方法。

在過程輸入階躍信號x0的瞬時，其響應(yīng)曲線的斜率最大，如圖5所示。

5圖5 階躍響應(yīng)曲線

此時，其數(shù)學(xué)模型可用一階慣性環(huán)節(jié)來近似，即

w(s)??sK?1

式中參數(shù)K、?的求法如下：(1)過程的靜態(tài)放大系數(shù)

y(?)?y(0)x0K?(2)過程的時間常數(shù)

對于上式所示的過程模型，在階躍信號x0作用下的時間特性為：

y（t）?Kx0(1?e)

式中，K為過程的放大系數(shù)，可由上式可確定。

圖3．20描繪該方程的曲線圖，表明一階過程對輸入的突然變化不能瞬時做出響應(yīng)。事實上，當(dāng)時間間隔等于過程時間常數(shù)是（t??）過程響應(yīng)應(yīng)僅為完全值得63.2％。從利用上講，除了t??，過程輸出總不會達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)值；當(dāng)（t?5?）時，相應(yīng)近似為最終穩(wěn)態(tài)值。

t??

五、設(shè)備及控制儀表的選型

（1）溫度變送器的選擇

選用JCJ100G溫度變送器，JCJ100G溫度變送器將熱電熱偶所測的溫度變化通過電路處理，經(jīng)信號放大后轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)的電壓或電流信號。信號可以供數(shù)字儀表、記錄儀、模擬調(diào)節(jié)器、DCS系統(tǒng)，廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)過程檢測與控制系統(tǒng)。本溫度變送器采用優(yōu)質(zhì)電子器件，性能遠(yuǎn)高于其他同類產(chǎn)品，物美價廉。（2）控制器選型

按照設(shè)計要求，本設(shè)計選用一個KSW-6-16型溫度控制器為1300℃電爐的配套設(shè)備，與鉑銠—鉑熱電偶配套使用，可對電爐內(nèi)的溫度進(jìn)行測量、顯示、控制，并可使?fàn)t膛內(nèi)的溫度自動保持恒溫。以硅碳棒為加熱元件的高溫電阻爐，其加熱元件的冷態(tài)與熱態(tài)時的電阻值相差較大，在長期使用中硅碳棒的電阻值將逐漸變大。所以必須與調(diào)壓設(shè)備配套使用，KSW-6-16型號的溫度控制器具有溫度控制和電壓調(diào)節(jié)二種功能，該溫度控制器的溫度顯示有數(shù)字顯示

6和指針顯示二種，其中尤以固態(tài)繼電器為執(zhí)行元件并配以數(shù)字顯示的控制器性能更為優(yōu)越。結(jié)構(gòu)及工作原理：溫度控制器的外殼由鋼板沖壓折制成型并采用鋁合金框架結(jié)構(gòu)，外殼表面采用高強(qiáng)度的靜電噴涂，漆膜光滑牢固?？刂破鞯那安垦b有溫度控制儀表、電壓表、電流表和電源開關(guān)?？刂破鞯膬?nèi)部裝有可控硅、線路板及螺旋保險和接線端子等電器元件。該溫度控制系統(tǒng)采用了優(yōu)質(zhì)電子集成元件，控溫靈敏、性能可靠、使用方便。

其工作原理：熱電偶將電爐內(nèi)部的溫度轉(zhuǎn)換為毫伏電壓值，經(jīng)過集成放大器的放大、比較后，輸出移相控制信號，有效地控制可控硅的導(dǎo)通角，進(jìn)而控制硅碳棒的平均加熱功率，使?fàn)t膛內(nèi)的溫度保持恒溫。（3）執(zhí)行器的選擇

PID系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)為電動調(diào)節(jié)閥、排料閥。電動閥使用電機(jī)作動力，氣動閥使用壓縮空氣作動力，電動閥對液體介質(zhì)和大管道徑氣體效果好，不受氣候影響，電動調(diào)節(jié)閥要求電動調(diào)節(jié)裝置和閥體間隙精密，能夠準(zhǔn)確地控制閥門開度，閥芯則根據(jù)重油黏度系數(shù)選用V型半球閥，使其過油能夠連續(xù)通順，并使調(diào)節(jié)與開度盡量滿足線性關(guān)系。為了解決排料的連續(xù)性，選擇了氣動控制排料閥，執(zhí)行機(jī)構(gòu)為I／P定位器。I／P定位器是二位三通電磁閥。此裝置通過閥門開關(guān)來控制氣缸帶動活塞運動。（4）氣開氣關(guān)選擇

氣動調(diào)節(jié)閥氣開或者氣關(guān)，通常是通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)的正反作用和調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)的不同組裝方式實現(xiàn)。氣開氣關(guān)的選擇是根據(jù)工藝生產(chǎn)的安全角度出發(fā)來考慮的。在本設(shè)計中，沸騰焙燒爐的溫度控制，調(diào)節(jié)閥安裝在燃料氣管道上，根據(jù)爐膛的溫度或被加熱物料在加熱爐出口的溫度來控制燃料的供應(yīng)。根據(jù)生產(chǎn)過程的工藝特點和安全要求，保證人身安全原則、系統(tǒng)與設(shè)備安全原則，保證產(chǎn)品的質(zhì)量原則，減少原料和動力浪費原則，基于介質(zhì)特點的工藝設(shè)備安全原則，本設(shè)計選用氣開閥更安全些，因為一旦氣源停止供給，閥門處于關(guān)閉比閥門處于全開更適合。如果氣源中斷，燃料閥全開，會使加熱過量發(fā)生危險。（5）調(diào)節(jié)器正負(fù)作用選擇

副調(diào)節(jié)器作用方式的選擇，確定副被控過程的Ko2，當(dāng)調(diào)節(jié)閥開度增大，燃料量增大，爐膛溫度上升，所以 Ko2 >0。最后確定副調(diào)節(jié)器，為保證副回路是負(fù)反饋，各環(huán)節(jié)放大系數(shù)(即增益)乘積必須為正，所以副調(diào)節(jié)器 K 2>0，副調(diào)節(jié)器作用方式為反作用方式。主調(diào)節(jié)器作用方式的選擇，爐膛溫度升高，物料出口溫度也升高，主被控過程 Ko1 > 0。為保證主回路為負(fù)反饋，各環(huán)節(jié)放大系數(shù)乘積必須為正，所以副調(diào)節(jié)器的放大系數(shù) K 1> 0，主調(diào)節(jié)器作用方式為反作用方式。

六、溫度控制器PID參數(shù)整定及仿真

PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計的核心內(nèi)容。它是根據(jù)被控過程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時間和微分時間的大小。PID控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起

7來有兩大類：一是理論計算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過理論計算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過工程實際進(jìn)行調(diào)整和修改。二是工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗，直接在控制系統(tǒng)的試驗中進(jìn)行，且方法簡單、易于掌握，在工程實際中被廣泛采用。PID控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線法和衰減法。三種方法各有其特點，其共同點都是通過試驗，然后按照工程經(jīng)驗公式對控制器參數(shù)進(jìn)行整定。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需要在實際運行中進(jìn)行最后調(diào)整與完善?，F(xiàn)在一般采用的是臨界比例法。利用該方法進(jìn)行PID控制器參數(shù)的整定步驟如下：(1)首先預(yù)選擇一個足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作；(2)僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期；(3)在一定的控制度下通過公式計算得到PID控制器的參數(shù)。

被控對象為一階傳遞函數(shù)

3.98W(s)??sK??111.15s?1

采樣時間為O.2秒，輸入指令為一階階躍信號。

溫度控制器PID參數(shù)整定方法，應(yīng)用Matlab計算機(jī)語言編寫了算法PID參數(shù)程序，獲得優(yōu)化參數(shù)。

整定后的PID控制階躍響應(yīng)在Matlab環(huán)境下進(jìn)行仿真，仿真控制程序如圖3．31所 示。

圖6 溫度PID控制的Simulink仿真程序

在仿真環(huán)境下焙燒爐設(shè)定1110℃，仿真曲線圖所示。

8圖7 溫度PID整定的階躍響應(yīng)曲線

通過仿真曲線圖7可以看出通過PID參數(shù)能夠使焙燒爐溫度快速穩(wěn)定準(zhǔn)確的跟蹤設(shè)定值，上升時間大約為8s，調(diào)節(jié)時間約為10s，超調(diào)量小，基本達(dá)到控制要求。

七、總結(jié)

所設(shè)計的回路控制策略應(yīng)用到現(xiàn)場，能夠滿足現(xiàn)場的控制要求，而且能夠提高產(chǎn)品的品質(zhì)，實驗室整定的PID參數(shù)對現(xiàn)場控制器有很好的指導(dǎo)意義，提高了控制精度；為氧化鋁焙燒生產(chǎn)提供保障；減輕了現(xiàn)場工藝人員的工作強(qiáng)度，同時也能更加精確、嚴(yán)格的按照設(shè)定好的曲線烘爐，提高爐子內(nèi)襯的使用壽命，為順利生產(chǎn)提供前提保障?？傊?，焙燒過程計算機(jī)控制系統(tǒng)成功的應(yīng)用到實際工程中，滿足實際項目的工藝要求，降低了現(xiàn)場人員的工作量，節(jié)約了現(xiàn)場能量，提高了產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量。

參考文獻(xiàn)：

[1] 熊志利.氧化鋁生產(chǎn)焙燒過程計算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā) 東北大學(xué) [2] 翟小康.焙燒生產(chǎn)工藝燃燒控制系統(tǒng)分析 消費電子 2014，（14）[3] 姚月航.氧化鋁的焙燒技術(shù)與節(jié)能 中國科技博覽 2014，（12）[4] 盛坤.PID技術(shù)在氧化鋁焙燒爐上的應(yīng)用 自動化儀表 2013,34（6）[5] 陶峰.淺析PID參數(shù)如何調(diào)節(jié) 中國科技博覽 2011，（38）：14-17 [6] 趙紫靜,吳建民.淺議PID控制在溫度控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2008,(21):9335-9336 [7] 熊志利 氧化鋁焙燒過程回路控制策略研究 企業(yè)技術(shù)開發(fā) 2010，（19）[8] 李傳淮,呂文義.氧化鋁生產(chǎn)過程中的燃燒控制 自動化儀表 2002年 第3期

第四篇：計算機(jī)控制課程設(shè)計題目

1、64路模擬量輸入通道采樣電路硬件設(shè)計2、10路模擬量輸入A/D中斷采樣程序模塊編程設(shè)計3、128路開關(guān)量輸入采樣電路硬件設(shè)計

4、四路同步D/A輸出譯碼電路硬件設(shè)計

5、單回路閉環(huán)反饋PID數(shù)字控制系統(tǒng)硬件及軟件流程設(shè)計

6、大遲延對象達(dá)林控制算法MATLAB仿真，并比較振鈴消除前后系統(tǒng)輸出的變化

7、給定對象為一階慣性加純遲延，設(shè)計基于極點配置的全階狀態(tài)觀測器線性反饋控制算法，并進(jìn)行MATLAB仿真

8、現(xiàn)代控制理論算法分析設(shè)計

9、模糊控制理論算法分析設(shè)計

210、基于IC協(xié)議的串行通信程序設(shè)計

11、基于CAN協(xié)議的現(xiàn)場總線雙處理器通訊程序設(shè)計

212、CAT1161－WDTEROM串行R/W程序設(shè)計

13、串行通訊中CRC循環(huán)冗余校驗方法的程序設(shè)計

14、串行通訊中奇偶校驗方法的程序設(shè)計

15、單回路PID控制系統(tǒng)中數(shù)字濾波算法的設(shè)計與MATLAB仿真

16、開關(guān)量I/O通道中抗干擾措施的分析與可實現(xiàn)方案設(shè)計

17、變電站微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)靜態(tài)數(shù)據(jù)庫設(shè)計

18、變電站微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)動態(tài)數(shù)據(jù)庫設(shè)計

19、變電站單片微機(jī)監(jiān)控器設(shè)計

20、變電站單片微機(jī)監(jiān)控器串行通信設(shè)計

21、計算機(jī)控制系統(tǒng)接地系統(tǒng)設(shè)計與可靠性考慮

22、保證計算機(jī)控制系統(tǒng)中數(shù)據(jù)實時性的技術(shù)措施分析與設(shè)計

23、計算機(jī)控制系統(tǒng)容錯技術(shù)分析與設(shè)計

24、提高計算機(jī)控制系統(tǒng)可靠性的技術(shù)措施與實現(xiàn)方法

25、嵌入式處理器技術(shù)及其應(yīng)用發(fā)展

26、基于嵌入式處理器技術(shù)的CAN總線通信方案設(shè)計

27、基于DSP處理器的電力監(jiān)控器設(shè)計

28、現(xiàn)場總線控制技術(shù)工程應(yīng)用方案設(shè)計

29、數(shù)字控制系統(tǒng)中模擬量過程參數(shù)的檢測與數(shù)字處理方法設(shè)計

30、基于PLC控制器的工程控制方案案例分析與設(shè)計

31、采樣周期T與量化效應(yīng)的關(guān)系，以及對計算機(jī)控制系統(tǒng)的性能影響分析

32、工程過程建模方法機(jī)理分析

33、計算機(jī)控制系統(tǒng)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)建立擬合方法分析

34、工程過程性能指標(biāo)與系統(tǒng)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)之間的關(guān)系分析

35、基于模式識別技術(shù)的系統(tǒng)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的建立方法分析

36、生物質(zhì)直燃發(fā)電技術(shù)分析

37、生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)分析

38、生物質(zhì)沼氣發(fā)電綜合利用分析

39、生物質(zhì)料壓縮成型過程分析

40、生物質(zhì)循環(huán)流化床鍋爐氣化燃燒技術(shù)分析

41、生物質(zhì)氣化發(fā)電焦油脫除技術(shù)分析

42、太陽能光伏照明系統(tǒng)分析

第五篇：PLC在熱處理電阻爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用(DOC)

新疆工業(yè)高等專科職業(yè)技術(shù)學(xué)院

畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）

2012 級 機(jī)電一體化 專業(yè)

題 目：ＰＬＣ在熱處理電阻爐溫度控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

畢業(yè)時間： 二〇一四年六月 學(xué)生姓名： 李婕 指導(dǎo)教師： 何濤 班 級： 12機(jī)電一體化

2013年 12月20日

PLC在熱處理電阻爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用

摘要:熱處理電阻爐的溫度控制系統(tǒng)對零件的熱處理質(zhì)量有著重要影響。本文主要討論了以可編程控制器(PLC)為核心的箱式熱處理爐溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計。在提出爐溫控制方案的基礎(chǔ)上,對爐溫控制系統(tǒng)進(jìn)行了硬件設(shè)計和溫度控制程序的設(shè)計。本文以45鋼零件進(jìn)行等溫球化退火熱處理工藝為例,介紹爐溫控制系統(tǒng)的具體應(yīng)用。

關(guān)鍵詞:熱處理;電阻爐;溫度控制;可編程控制器(PLC).一、關(guān)鍵技術(shù)與解決方案

箱式熱處理電阻爐是金屬熱處理中應(yīng)用最為廣泛的一種周期式作業(yè)爐,其測溫控溫系統(tǒng)對于保證工件的熱處理質(zhì)量具有重要作用。傳統(tǒng)箱式熱處理電爐存在主要問題之一是爐溫均勻度差,控溫精度低,從而造成產(chǎn)品質(zhì)量問題?？販胤绞讲捎梦皇秸{(diào)節(jié)的箱式熱處理爐,在教學(xué)實驗、科學(xué)研究和零件熱處理中有著廣泛的應(yīng)用,但由于其控溫系統(tǒng)相對落后,常常導(dǎo)致溫度控制不準(zhǔn)確而造成實驗數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確或產(chǎn)品缺陷。因此,針對位式調(diào)節(jié)的箱式熱處理爐的溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行改造設(shè)計,對于提高溫控精度、保證產(chǎn)品質(zhì)量具有十分重要的意義。

（一）、溫度傳感器的選取

目前市場上溫度傳感器較多，主要有以下幾種方案： 方案一：選用鉑電阻溫度傳感器。此類溫度傳感器線性度、穩(wěn)定性等方面性能都很好,但其成本較高。方案二：采用熱敏電阻。選用此類元器件有價格便宜的優(yōu)點，但由于熱敏電阻的非線性特性會影響系統(tǒng)的精度。

方案三：采用K型（鎳鉻－鎳硅）熱電偶。其可測量1312℃以內(nèi)的溫度，其線性度較好，而且價格便宜。溫度檢測電路

比較以上三種方案，方案三具有明顯的優(yōu)點，因此選用方案三。

（二）、控制電路部分

圖3 爐溫控制系統(tǒng)工作流程 1.選擇K型熱電偶,其測量溫度范圍為-200~+1200℃,在工業(yè)上應(yīng)用最多,適應(yīng)氧化性氣氛,線性度好,可以充分保證測量精度。

2.為了保證測量結(jié)果能充分反映爐內(nèi)的實際情況,采用適當(dāng)?shù)臏y量點數(shù)量和位置。

3.為了節(jié)省昂貴的熱電極金屬以及避免熱電偶冷端受爐體熱輻射等的影響,在熱電偶和測溫儀表之間用補(bǔ)償導(dǎo)線連接。

（三）爐溫調(diào)節(jié)方式

溫度自動控制方式有位式調(diào)節(jié)、準(zhǔn)連續(xù)式調(diào)節(jié)和連續(xù)式調(diào)節(jié)三種,其中連續(xù)調(diào)節(jié)方式技術(shù)最先進(jìn)。為了獲得精確的爐溫調(diào)節(jié)質(zhì)量,采用以比例積分微分調(diào)節(jié)器(簡稱PID調(diào)節(jié)器)組成的PID自動控制系統(tǒng)。在熱處理中使用帶PID調(diào)節(jié)器的溫度指示記錄調(diào)節(jié)儀和與之配套的執(zhí)行器,可以達(dá)到連續(xù)調(diào)節(jié)爐溫的目的。這種廣泛應(yīng)用的連續(xù)式調(diào)節(jié)器是具有比例、積分、微分調(diào)節(jié)規(guī)律的PID調(diào)節(jié)器,其輸出信號是按與輸入信號成比例(P)、積分(I)、微分(D)的運算規(guī)律而動作的,這三種調(diào)節(jié)規(guī)律的作用是:比例調(diào)節(jié)可產(chǎn)生強(qiáng)大的穩(wěn)定作用;積分調(diào)節(jié)可消除靜差;微分調(diào)節(jié)可加速過濾過程,克服因積分作用而引起的滯后,減小超調(diào)。只要將這三種規(guī)律調(diào)節(jié)適當(dāng),就能獲得動作快而又穩(wěn)定的調(diào)節(jié)過程,并能保持較高的爐溫調(diào)節(jié)精度。

二、熱處理爐溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

（一）、爐溫控制系統(tǒng)核心硬件 熱電偶

爐溫控制系統(tǒng)核心硬件采用可編程控制器(PLC)。PLC具有功能強(qiáng)、使用方便、可靠性高等優(yōu)點,在先進(jìn)工業(yè)國家中PLC已成為工業(yè)控制的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。PLC主要由CPU模塊、輸入模塊、輸出模塊和編程器組成, PLC的特殊功能模塊用來完成某些特殊的任務(wù)。

在整個爐溫控制過程中,由熱電偶采集爐溫,其輸出形式是模擬量,而PLC處理的是數(shù)字量,因此需要一個特殊功能模塊實現(xiàn)將采集到的模擬信號轉(zhuǎn)換成與溫度成比例的數(shù)字量。當(dāng)PLC進(jìn)行PID控制時向執(zhí)行器輸出運算結(jié)果,也就是控制量,而這個控制量是數(shù)字量,執(zhí)行器所要求的信號是模擬量,所以還需要一個特殊功能模塊將PLC輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量輸入到執(zhí)行器,進(jìn)而對爐溫進(jìn)行控制。因此,箱式熱處理爐溫度控制方案為:利用熱電偶檢測爐溫;PLC的特殊功能模塊1將熱電偶采集到的溫度模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量送PLC的CPU與設(shè)定值對比;PLC進(jìn)行PID運算得出控制量;PLC的特殊功能模塊2將控制量由數(shù)字量轉(zhuǎn)化為模擬量送加熱器,從而實現(xiàn)對爐溫的控制。

（二）、確定控制系統(tǒng)輸入輸出(I/O)信號點數(shù) 1.輸入信號點數(shù)

爐溫控制系統(tǒng)的啟動、風(fēng)扇的手動開啟和關(guān)閉、急停開關(guān),各需點動按鈕一個。因此,共需開關(guān)量輸入4點。

2.輸出信號點數(shù)

控制風(fēng)扇電機(jī)運轉(zhuǎn)的交流接觸器1個,指示加熱、降溫、保溫和報警的指示燈各1個。因此,共需開關(guān)量輸出5點。

（三）模擬量輸入、輸出特殊功能模塊

1.模擬量輸入模塊的選擇與連接

本系統(tǒng)使用熱電偶來測量爐溫,為減少硬件設(shè)備數(shù)量并簡化硬件接線,選用可以與熱電偶直接相連而不需要溫度變送器的模擬量輸入特殊功能模塊。在三菱FX2N系列PLC的特殊功能模塊中, FX2N-4AD-TC為12位4通道模塊,它可以直接與熱電偶相連,其綜合精度為0.5%,轉(zhuǎn)換速度為240ms/通道選用此特殊功能模塊作為模擬量輸入模塊,在程序中占用8個I/O點。模擬量輸入端的接線方式如圖2所示。

2.模擬量輸出模塊的選擇與連接

模擬量輸出模塊所要控制的是加熱器,考慮到系統(tǒng)的擴(kuò)展,選用三菱FX2N系列PLC的FX2N-4DA模擬量輸出特殊功能模塊。FX2N-4DA有12位4通道,輸出量程為DC-10~+10V和4~20mA,轉(zhuǎn)換速度為4ms/通道,在程序中占用8個I/O點。模擬電路和數(shù)字電路間有光隔離。模擬量輸出端的接線方式如圖3所示。

圖2 FX2N-4AD-TC模擬量輸入模塊接線圖

圖3 FX2N-4AD-TC模擬量輸出模塊接線圖

圖4 熱電偶與補(bǔ)償導(dǎo)線接線圖

圖5 PLC與輸入、輸出設(shè)備之間的接線圖

三、熱處理爐溫度控制程序設(shè)計及仿真

熱處理爐溫度控制程序設(shè)計是與具體的熱處理 工藝密切相關(guān)的?，F(xiàn)以小型箱式爐對45鋼零件進(jìn)行等溫球化退火熱處理工藝(如圖6)為例,說明熱處理爐溫度控制程序設(shè)計及其仿真

根據(jù)溫度控制系統(tǒng)的功能,建立PLC溫度控制系統(tǒng)輸入/輸出地址分配如表1所示。

圖6 45鋼等溫球化退火工藝曲線

（一）爐溫控制系統(tǒng)SFC狀態(tài)功能

本圖設(shè)計方法是設(shè)計電器控制系統(tǒng)的重要方法,能夠描述控制系統(tǒng)的工作過程[6]、文設(shè)計的熱處理爐溫度控制系統(tǒng)的SFC狀態(tài)功能圖設(shè)計主要包括以下幾個部分: 1.PID參數(shù)寫入功能圖設(shè)計。

2.特殊功能模塊設(shè)置及系統(tǒng)急停狀態(tài)功能圖設(shè)計。

3.45鋼等溫球化退火熱處理工藝第一階段程序功能圖設(shè)計。4.45鋼等溫球化退火熱處理工藝第二階段程序功能圖設(shè)計。根據(jù)SFC狀態(tài)功能圖,可編制出熱處理爐溫度控制系統(tǒng)的梯形圖程序。限于篇幅,此處從略。

（二）爐溫控制系統(tǒng)程序調(diào)試與仿真

1.調(diào)試軟件

MELSOFT系列的GX Developer軟件是專門用來進(jìn)行三菱系列PLC編程、調(diào)試、診斷和仿真的,所以選用GX Developer結(jié)合GX Simulator對溫度控制程序進(jìn)行仿真調(diào)試。GX Developer具有制作程序、對可編程控制器CPU的寫入/讀出、監(jiān)視、調(diào)試和PC診斷等功能。

2.溫度控制系統(tǒng)的調(diào)試

由于控制系統(tǒng)涉及到兩個模擬量輸入、輸出殊功能模塊,有溫度的測量和模擬量的輸出。但是,在軟件中沒有特殊功能模塊的設(shè)置。因此,在調(diào)試過程中,將存放溫度測量值的數(shù)據(jù)寄存器D201強(qiáng)制設(shè)置溫度數(shù)據(jù)以調(diào)試系統(tǒng)運行狀態(tài)。調(diào)試主要過程如下: ①將程序指令輸入調(diào)試軟件環(huán)境中。②軟元件登錄。③系統(tǒng)初始化。④PID運算。

⑤熱處理工藝第一階段(開始保溫計時)程序調(diào)。⑥第一階段加熱保溫完成后進(jìn)行爐冷。⑦熱處理工藝第二階段(開始保溫計時)程序調(diào) ⑧保溫完成后開始爐冷。

⑨第二階段爐冷結(jié)束,所有工作狀態(tài)復(fù)位。工 件出爐,熱處理工藝結(jié)束。⑩監(jiān)視急停狀態(tài)程序調(diào)試見圖9。

對熱處理爐溫度控制程序之調(diào)試與仿真的結(jié)果 表明:控制程序是正確的,能滿足熱處理工藝的要求。

（三）爐溫控制系統(tǒng)SFC狀態(tài)功能圖及梯形圖

SFC功能圖設(shè)計方法是設(shè)計電器控制系統(tǒng)的重要方法,能夠描述控制系統(tǒng)的工作過程[6]、[7]。本文設(shè)計的熱處理爐溫度控制系統(tǒng)的SFC狀態(tài)功能圖設(shè)計主要包括以下幾個部分:

1、PID參數(shù)寫入功能圖設(shè)計。

2、特殊功能模塊設(shè)置及系統(tǒng)急停狀態(tài)功能圖設(shè)計。3、45鋼等溫球化退火熱處理工藝第一階段程序功能圖設(shè)計。4、45鋼等溫球化退火熱處理工藝第二階段程序功能圖設(shè)計。根據(jù)SFC狀態(tài)功能圖,可編制出熱處理爐溫度控制系統(tǒng)的梯形圖程序。限于篇幅,此處從略。

四、系統(tǒng)完成的功能

該系統(tǒng)的被控對象為電爐，采用熱阻絲加熱，利用大功率可控硅控制器控制熱阻絲兩端所加的電壓大小，來改變流經(jīng)熱阻絲的電流，從而改變電爐爐內(nèi)的溫度?？煽毓杩刂破鬏斎霝?~5伏時對應(yīng)電爐溫度0~500℃，溫度傳感器測量值對應(yīng)也為0~5伏，對象的特性為帶有純滯后環(huán)節(jié)的一階慣性系統(tǒng)，這里慣性時間常數(shù)取T1＝30秒，滯后時間常數(shù)取τ＝10秒。

五、系統(tǒng)模塊設(shè)計

（一）、系統(tǒng)硬件設(shè)計框圖

圖2 控制執(zhí)行部分的硬件電路

（二）、系統(tǒng)軟件功能模塊設(shè)計圖

利用層次圖來表示系統(tǒng)中各模塊之間的關(guān)系。層次方框圖是用樹形結(jié)構(gòu)的一系列多層次的矩形框描繪數(shù)據(jù)的層次結(jié)構(gòu)。樹形結(jié)構(gòu)的頂層是一個單獨的矩形框，它代表完整的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，下面的各層矩形框代表各個數(shù)據(jù)的子集，最底層的各個矩形框代表組成這個數(shù)據(jù)的實際數(shù)據(jù)元素（不能再分割的元素）。隨著結(jié)構(gòu)的精細(xì)化，層次方框圖對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)也描繪得越來越詳細(xì)，這種模式非常適合于需求分析階段的需要。從對頂層信息的分類開始，沿著圖中每條路徑反復(fù)細(xì)化，直到確定了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的全部細(xì)節(jié)為止。

本系統(tǒng)一共分為鍵盤顯示、數(shù)據(jù)采集、蜂鳴器報警報警、溫度控制和仿真電爐五大模塊，每個模塊之間雖然在表面上是相互獨立的，但是在對數(shù)據(jù)庫的訪問上是緊密相連的。每個模塊的功能都是按照在調(diào)研中搜集的資料進(jìn)行編排制作的。

六、結(jié)果分析論述

本次的課程設(shè)計就快結(jié)束了，從開始的興奮到中途的郁悶再到最后的滿足，感受到了實驗帶來的復(fù)雜感覺。

剛開始，在僅僅一個課題的情況下來設(shè)計電路圖，真是感到無從下手，在經(jīng)過老師的耐心講解，經(jīng)過簡單的調(diào)適與對比，最終完成了電路圖的設(shè)計。

經(jīng)過此次設(shè)計，我對這門課程有了更深的了解。在設(shè)計過程中，首先要熟悉系統(tǒng)的工藝，進(jìn)行對象的分析，按照要求確定方案。然后要進(jìn)行硬件和軟件的設(shè)計和調(diào)試。由于沒有實際的樣機(jī)，所以不能看到系統(tǒng)的運行結(jié)果。只能在理論上對系統(tǒng)的結(jié)果進(jìn)行預(yù)測分析。此次設(shè)計使我對微型計算機(jī)控制技術(shù)有了全面的深刻的了解，對我以后深入學(xué)習(xí)這門技術(shù)有很大的幫助。此次的《計算機(jī)控制技術(shù)》課程設(shè)計，得到了不少的啟示。思考問題以及進(jìn)行實踐都要嚴(yán)謹(jǐn)，縝密。真所謂小心取證，就是這個道理。通過學(xué)習(xí)數(shù)字PID的電阻熱爐溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計,更加了解可編程控制器的構(gòu)造及應(yīng)用。激發(fā)我們的創(chuàng)新意識，在學(xué)習(xí)與進(jìn)行設(shè)計的過程中，利用已經(jīng)掌握的知識及查閱的資料，自行完成課程設(shè)計任務(wù)以及設(shè)計完成。

七、結(jié)語

設(shè)計便捷、可靠、高精度的溫度控制系統(tǒng)是改造老式熱處理爐和設(shè)計新型熱處理爐的重要內(nèi)容。本文提出了基于PLC為核心硬件的熱處理爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計的總體方案,完成了熱處理爐溫度控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計和程序設(shè)計。以對45鋼零件進(jìn)行等溫球化退火處理為例,說明箱式熱處理電阻爐溫度控制系統(tǒng)的具體應(yīng)用?？刂瞥绦蚍抡娴慕Y(jié)果表明,熱處理爐溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計是成功的。

參考文獻(xiàn)

[1] 吳光英,吳光治,孫桂華.新型熱處理電爐[M].北京: 國防工業(yè)出版社, 1993 [2] 中國熱處理行業(yè)協(xié)會,機(jī)械工業(yè)技術(shù)交易中心.當(dāng)代熱 處理技術(shù)與工藝裝備精品集[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版 社, 2002 [3] 顧戰(zhàn)松,陳鐵年.可編程控制器原理與應(yīng)用[M].北京: 國防工業(yè)出版社, 1996 [4] 何希才.傳感器及其應(yīng)用[M].北京:國防工業(yè)出版社, 2001 [5] 濮陽檳.PLC在熱處理爐控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].可編 程控制器與工廠自動化(PLC FA), 2004, 4.[6] 丁起英,徐巖,劉俊偉.PLC和微機(jī)在熱處理設(shè)備上的 應(yīng)用[J].應(yīng)用能源技術(shù), 2002, 4.[7] 錢兵,呂國芳,王強(qiáng).PLC在熱處理生產(chǎn)線中的應(yīng)用 [J].自動化與儀表, 2002, 3.