温度控制系统设计.doc

(完整word版)温度控制系统设计

武汉理工大学华夏学院
课 程 设 计 报 告 书

题 目：
系 名：
专业班级：
姓 名：
学 号：
指导教师：

2011 年 6 月 14 日

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。
单片机以其高可靠性、高性能价格比、控制方便简单和灵活性大等优点，在工业控制系统、智能化仪器仪表等诸多领域得到广泛应用。采用单片机进行炉温控制，可以提高控制质量和自动化水平。

设计任务及要求

在本控制对象电阻加热炉功率为800W，由220V交流电供电，采用双向可控硅进行控制。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0－5伏时对应电炉温度0－300℃，温度传感器测量值对应也为0－5伏，对象的特性为带有纯滞后环节的一阶系统，惯性时间常数为T1＝30秒，滞后时间常数为τ＝10秒。
其对象问温控数学模型为：

要求：
1）设计温度控制系统的计算机硬件系统，画出框图；
2）编写积分分离PID算法程序，从键盘接受Kp、Ti、Td、T及β的值；
3）通过数据分析Kp改变时对系统超调量的影响。
4）通过数据分析Td改变时对系统超调量的影响
5）撰写设计说明书。

其中：时间常数Ti=30秒
放大系数Kp=50
滞后时间=10秒

目录
1 系统硬件设计 5
1.1 系统硬件结构框图 5
1.2 电源部分 5
1.3 采样测量部分 6
1.4 驱动执行部分 6
2 积分分离PID算法 7
2.1 积分分离PID控制 7
2.2 流程图 7
3 系统测试及数据分析 8
3.1 数据分析Kp改变时对系统超调量的影响 8
3.2 数据分析Td改变时对系统超调量的影响 8
3.3 数据分析Ti改变时对系统超调量的影响 8
心得体会 9
参考文献 10

温度控制系统设计

1.系统硬件的设计
1.1系统硬件结构框图
本系统的单片机炉温控制系统结构主要由单片机控制器、可控硅输出部分、热电偶传感器、温度变送器以及被控对象组成。
系统硬件结构框图如下：
通信接口
键盘
微型控制机
AT89C51
温度检测PT100
驱动执行机构
8路D/A转换器DAC0832
测量变送
8路A/D转换器ADC0809
加热电阻
温度

图1-1 系统硬件结构框图
1.2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78L05,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，由控制程序决定双向可控硅的导通角，以达到控制加热电阻功率的目的。
1.3采样测量部分
在检测装置中，温度检测用WZP-231铂热电阻（Pt100），采用三线制接法，采样电路为桥式测量电路，其输入量程为50~350°C，经测量电路采样后输出0~5V电压，再经模数转换芯片ADC0809进行转换，变为数字量后送入单片机进行分析处理。
测温原理：电路采用TL431和电位器VR1调节产生4.096V的参考电源；采用R1、R2、VR2、Pt100构成测量电桥（其中R1＝R2，VR2为100Ω精密电阻），当Pt100的电阻值和VR2的电阻值不相等时，电桥输出一个mV级的压差信号，这个压差信号经过运放LM324放大后输出期望大小的电压信号，该信号可直接连AD转换芯片。差动放大电路中R3＝R4、 R5＝R6、放大倍数＝R5/R3，运放采用单一5V供电。
1.4驱动执行部分
硬件输出通道主要包括加热电阻的控制环节，而此控制环节的核心是双向可控硅，但电路的关键是设计双向可控硅的驱动电路。双向可控硅的通断直接决定加热电阻的工作与不工作，本部分用带过零触发的光耦MOC3061来驱动。
双向可控硅电路
这种可控硅具有双向导通功能，在交流电的正负半周都可以导通。其英文名TRIAC即三级交流开关的意思，并把它的两极称为MT1和MT2，其电路符合如图所示。
双向可控硅的通断情况由控制极栅极（G）决定，当栅极无信号时MT1和MT2成高阻态，管截止；而当MT1与MT2之间加一个阈值电压（一般大于1.5V）的电压时，就可以利用控制极栅极电压来使可控硅导通。但需要注意的是，当双向可控硅接感性负载时，电流和电压之间有一定的相位差。在电流为零时，反向电压可能不为零，且超过转换电压，使管子反向导通，故要管子能承受这种反向电压，并在回路中加入RC网络加以吸收。
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：
（1） 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。
（2） 过零检测信号接至单片机的P2.3口，由单片机对此口进行循环检测，然后进行延时触发。

2积分分离PID算法
2.1 积分分离PID控制
积分分离控制基本思路是：当被控量与设定值偏差较大时，取消积分作用，以免由于积分作用使系统稳定性降低，超调量增大；当被控量接近给定值时，引入积分控制，以便消除静差，提高控制精度。其具体实现步骤如下：
（1）根据具体系统，人为设定阈值 ；
（2）当时，采用PD控制；
（3）当时，采用PID控制；
积分分离控制算法可表示为

其中，为采样时间，为积分项的开关系数： 。
2.2 流程图
积分分离PID控制算法的程序框图如图1所示。
开始
采样输入r(k)
输出y(k)
计算误差e(k)=r(k)-y(k)

PID控制算法
PD控制算法
计算控制量u(k)
输出控制
Y
N

图2-1 PID积分分离控制算法流程图

3系统测试及数据分析
3.1 数据分析Kp改变时对系统超调量的影响
其对象问温控数学模型为：

典型PID控制器数学模型为：

影响：Kp值与超调量基本成正比关系，随着Kp值增加量相应的也增加。比例环节的作用是减少偏差。比例系数Kp增大可以加快响应速度，减小系统稳态误差，提高控制精度。过大会产生较大超调，导致系统不稳定；取得过小，可减少系统的超调量，使系统的稳定裕度增大，但会降低系统的调节精度，使系统的过渡过程时间延长。
3.2 数据分析Td改变时对系统超调量的影响
微分环节能反映偏差信号的变化趋势，能在偏差信号值变得太大之前，引入一个有效的早期修正信号，有助于系统减小超调，克服振荡，使系统快速趋于稳定，提高系统的响应速度，减小调整时间，从而改善系统的动态特性。其缺点是抗干扰能力差，微分系数Td的值对响应过程影响大，若增大 ，有利于加快系统响应，使超调量减小，增加稳定性，但会带来扰动敏感，抑制干扰能力减弱，若Td过大则会使响应过程过分提前制动从而延长调节时间；反之，若微分系数Td过小，系统调节过程的减速就会滞后，超调量增加，使系统响应速度变慢，导致系统的稳定性变差。
3.3 数据分析Ti改变时对系统超调量的影响
积分环节用于消除系统的静态误差，提高系统的无差度，但会使系统响应速度变慢，使系统的超调量变大，并且可能导致系统产生振荡。加大积分系数Ti有利于减小系统静差，但过强的积分作用会使系统的超调量加剧，甚至引起振荡；减小积分系数Ti虽然有利于系统的稳定，避免系统产生振荡，减小系统的超调量，但对消除系统的静差是不利的。

心得体会
通过为期一周的课程设计，让我学习了很多，也了解了很多，真的可以说是受益匪浅。
此次课程设计中，我做的课题是《温度控制系统设计》。整个系统分为四个部分：测量检测模块，控制调节模块，驱动执行和电源模块。查阅了很多资料并且对以前学习的专业知识系统并有针对性的复习设计出了自己满意作品，进而得到同学和老师的肯定，也只有这样才能起到此次课程设计的目的。
通过各方面的努力，最终设计出了自己较为满意的系统。虽然这一周过得很辛苦，但是自己付出的努力得到了回报，那种成就感是任何事物都无法代替的。还有在设计过程中，我们积累的经验，对我们以后的学习和工作会有莫大的帮助。

参考文献
1.于海生. 计算机控制技术. 机械工业出版社.2003
2. 郑学坚.周斌. 微型计算机原理与应用. 清华大学出版社,2002
3. 沈美明.温冬婵. IBM-PC汇编语言程序设计. 清华大学出版社.2003
4. 何立民. 单片机应用系统设计. 北京航空航天大学出版社.2005
5. 姚燕南.薛钧义. 微型计算机原理. 西安电子科技大学出版社.2001
6. 沙占友等. 新编实用数字化测量技术. 国防工业出版社.1998
7. 宋春荣等. 通用集成电路手册. 山东科技出版社.1997

本科生课程设计成绩评定表
姓 名

学 号

专业、班级

课程设计题目：

课程设计质疑记录：

成绩评定依据：
态度认真，组织纪律性好（20分）

设计说明书文理通顺，工整（10分）

设计方案合理，论证充分（20分）

设计资料齐全，格式规范（10分）

独立完成任务，无原理性错误（20分）

答辩（20分）

总 分：
最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）

指导教师签字：

年 月 日

12