计算机控制技术课程设计--电阻加热炉温度控制系统设计

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1、电阻加热炉温度控制系统设计电阻加热炉温度控制系统设计 一、摘要摘要 温度是工业对象中主要的被控参数之一。尤其是在冶金、化工、机械各类工业中，广泛 使用各种加热炉、热处理炉、反应炉等。由于炉子的种类不同，所采用的加热方法及燃料也 不相同，如煤气、天然气等。但就控制系统本身的动态特性而言，均属于一阶纯滞后环节， 在控制算法上基本相同，可采用 PID 控制或其他纯滞后补偿算法。但对于电阻加热炉来说， 当其温度一旦超调就无法用控制手段使其降温， 因而很难用数学方法建立精确模型和确定参 数。 而传统 PID 控制是一种建立在经典控制理论基础上的控制策略， 其设计依赖于被控对象 的数学模型， 因此对于加热

2、炉这类控制对象采用传统 PID 的控制方案很难达到理想的控制效 果。 为了保证生产过程正常安全地进行， 提高产品的质量和数量， 以及减轻工人的劳动强度， 节约能源， 对加热用的各种电炉要求在一定条件下保持恒温， 不能随电源电压波动或炉内物 体而变化， 或者有的电炉的炉温根据工艺要求按照某个指定的升温或保温规律而变化， 等等。 因此，在工农业生产或科学实验中常常对温度不仅要不断地测量，而且要进行控制。在电阻 炉温度控制系统的设计中， 应尽量考虑到如何有效地避免各种干扰因素而采用一个较好的控 制方案， 选择合适芯片及控制算法是非常有必要的本设计要用单片机设计一个电阻炉温度控 制系统。 电阻炉的类型

3、根据其热量产生的方式不同， 可分为间接加热式和直接加热式两大类。 间 接加热式电阻炉， 就是在炉子内部有专用的电阻材料制作的加热元件， 电流通过加热元件时 产生热量， 再通过热的传导、 对流、 辐射而使放置在炉中的炉料被加热。 直接加热式电阻炉， 是将电源直接接在所需加热的材料上， 让强大的电流直接流过所需加热的材料， 使材料本身 发热从而达到加热的效果。工业电阻炉，大部分采用间接加热式，只有一小部分采用直接加 热式。由于电阻炉具有热效率高、热量损失小、加热方式简单、温度场分布 均匀、环保等 优点，应用十分广泛。 二、二、总体方案设计总体方案设计 1、设计任务：设计任务： 电阻加热炉用于合金钢

4、产品热力特性实验， 电加热炉用电炉丝提供功率， 使其在预定的 时间内将炉内温度稳定到给定的温度值。本控制对象电阻加热炉功率为 8KW，由 220V 交流 电源供电，采用双向可控硅进行控制。 电 阻 丝 温 度 T 2、工艺要求：工艺要求： 按照规定的曲线进行升温和降温，温度控制范围为 50350，升温和降温阶段的温度 控制精度为5，保温阶段温度控制精度为2。 温 度 y 350 600s 1800s 50 2400s 时 间 t 3、基本功能：基本功能： 微机自动调节：正常工况下，系统投入自动。 模拟手动操作：当系统发生异常，投入手动控制。 微机监控功能：显示当前被控量的设定值、实际值，控制量

5、的输出值，参数报警时有灯光报 警。 4、对象分析：对象分析： 本次设计中，要求电阻炉炉内的温度按照上图所示的规律变化：从室温开始到 50为 自由升温阶段，当温度到达 50时，进入系统调节阶段，当温度到达 350时，进入保温阶 段。要始终在系统控制下，以保证所需的炉内温度的精度。加工结束，要进行降温控制。保 温阶段的时间为 6001800s。过渡过程时间：即从开始控制到进入保温阶段的时间要小于 600s。在保温段当温度高于 352或低于 348时要报警，在升温和降温阶段也要进行控制， 使炉内温度按照曲线的斜率升或降。 5、系统整体设计：、系统整体设计： 采用 MCS51 单片机作为控制器，ADC

6、0809 模数转换芯片为模拟量输入，DAC0832 数模转换芯片为模拟量输出，铂电阻为温度检测元件，运算放大器和可控硅作为功率放大， 电阻炉为被控对象，组成电阻炉炉温控制系统，另外，系统还配有数字显示，以便显示和记 录生产过程中的温度和输出值。 6、系统模型系统模型： 1178 8.2 )( 40 s e sG s 三、三、硬件设计与实现硬件设计与实现 1.1.计算机选型和系统总线：计算机选型和系统总线： 1) 单片机：MCS51 系列 8031 2) 系统总线：PC 总线 2.2.外围电路设计：外围电路设计： 1) 矩阵键盘技术： 图 1 为 48 矩阵组成的 32 键盘与微机接口电路。图中 8255 端口 C 为行扫描口，工作 于输出方式，端口 A 工作于输入方式，用来读入列值。图中 I/O 口地址必须满足=0，才能选 中相应的寄存器。在每一行与列的交叉点接一个按键，故 48 共 32 个键。 图 1:应用 8255 接口的 48 键盘矩阵 2) 温度输出显示技术： LED 静态显示接口技术，所谓静态显示，即 CPU 输