计算机控制技术课程设计之电阻炉温度控制系统

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1、 1 摘要 随着科学技术的迅猛发展， 各个领域对温度控制系统的精度、 稳定性等要求越来越高， 控制系统也千变万化。电阻炉广泛应用于各行各业， 其温度控制通常采用模拟或数字调 节仪表进行调节，但存在着某些固有的缺点。而采用单片机进行炉温控制，可大大地提高 控制质量和自动化水平， 具有良好的经济效益和推广价值。 本设计以 89C51 单片机为核心控制器件，以 ADC0809 作为 A/D 转换器件，采用闭环 直接数字控制算法，通过控制可控硅来控制热电阻，进而控制电炉温度，最终设计了一个 满足要求的电阻炉微型计算机温度控制系统。 关键字：电阻炉 89C51 单片机 温度控制 A/D 转换 2 电阻炉

2、温度控制系统 1 系统的描述与分析 1.1 系统的介绍 该系统的被控对象为电炉，采用热阻丝加热，利用大功率可控硅控制器控制热阻丝两 端所加的电压大小，来改变流经热阻丝的电流，从而改变电炉炉内的温度。可控硅控制器 输入为05伏时对应电炉温度0500，温度传感器测量值对应也为05伏，对象的特性为 带有纯滞后环节的一阶惯性系统，这里惯性时间常数取T130秒，滞后时间常数取10 秒。 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

3、规律进行调整，得出对应的控制量来控制驱动 电路，调节电炉的加热功率，从而实现对炉温的控制。利用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 控制和键盘终端处理（各参数数值的修正） 及显示。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 干扰无法及时消除，使调节品质下降。 1.2 技术指标 设计一个基于闭环直接数字控制算法的电阻炉温度控制系统具体化技术指标如下： 1.电阻炉温度控制在 0500； 2. 加热过程中恒温控制，误差为2； 3. LED 实时显示系统温度，

4、用键盘输入温度，精度为 1； 4. 采用直接数字控制算法，要求误差小，平稳性好； 3 2 方案的比较和确定 方案一 系统采用 8031 作为系统的微处理器。温度信号由热电偶检测后转换为电信号经过预 处理（放大）送到 A/D 转换器，转换后的数字信号再送到 8031 内部进行判断或计算。从 而输出的控制信号来控制锅炉是否加热。 但对于8031来说， 其内部只有128个字节的RAM， 没有程序存储器，并且系统的程序很多，要完成键盘、显示等功能就必须对 8031 进行存 储器扩展和 I/O 口扩展，并且需要容量较大的程序存储器，外扩时占用的 I/O 口较多，使 系统的设计复杂化。 方案二 系统采用

5、89C51 作为系统的微处理器来完成对炉温的控制和键盘显示功能。 8051 片内 除了 128KB 的 RAM 外，片内又集成了 4KB 的 ROM 作为程序存储器，是一个程序不超过 4K 字节的小系统。系统程序较多时，只需要外扩一个容量较小的程序存储器，占用的 I/O 口减少，同时也为键盘、显示等功能的设计提供了硬件资源，简化了设计，降低了成本。 因此 89C51 可以完成设计要求。 综上所述的二种方案，该设计选用方案二比较合适。 3 控制算法 3.1 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

6、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 3-1 所示： 4 图 3-1 系统结构框图 3.2 数学模型的建立 具有一阶惯性纯滞后特性的电阻炉系统，其数学模型可表示为： 1 ( ) 1 s K e G s T s （2-1） 在 PID 调节中，比例控制能迅速反应误差，从而减小误差，但比例控制不能消除稳态 误差， p K的加大，会引起系统的不稳定；积分控制的作用是：只要系统存在误差，积分控 制作用就不断地积累，输出控制量以消除误差，因而，只要有足够的时间，积分控制将能 完全消除误差，积分作用太强会使系统超调加大，甚至使系统出现振荡；微分控制可以使 减小超调量，克服振荡，提高系统的稳定性，同时加快系统的动态响应速度，减小调整时 间，从而改善系统的动态性能。将 P、