1、电阻炉温度控制系毕业设计电阻炉温度控制系毕业设计第1章 概 述1.1 电阻加热炉介绍电阻加热炉和一般燃烧炉相比具有占地小，无污染，操作管理方便，易于控制质量和热效率高等优点。电阻加热炉是热处理生产中应用最广泛的加热设备，这样在加热时均温过程的测量与控制就成为关键性的技术，促使人们更加积极地研究控制热加工工艺过程的方法。电阻加热炉的温度控制具有升温单向性，大惯性、大滞后、时变性等特点。其升温、保温是依靠电阻丝加热，降温则是依靠环境自然冷却。随着电力工业的稳定发展和机械、电子和食品等工业的发展，电阻炉的比重和功能亦将不断增加。电阻加热炉是典型的工业过程控制对象，在我国有着广泛的应用。1.2 电阻加
2、热炉温度控制系统的目的和意义在工业领域，如冶金、机械、建材及化工等部门，都大量使用各种炉窑，如用于热处理的加热炉，用于熔化金属的塔锅电阻炉等。炉窑运行时，温度是需要测控的最基本参数。不同炉窑的加热方法与所用燃料有所差异，但被控对象都可归于有纯滞后的一阶惯性环节。温度以往多采用常规仪表加接触器式的断续控制，存在不少固有的缺点。为了提高产品质量与数量，节约能源，改善劳动环境，已逐步采用微机控制技术。本文将应用目前性能价格比较高的8051单片机，对电阻炉进行温度控制。电阻炉是一类量大而广的工业设备，利用单片机实现炉内温度的实时控制、数字显示，对于提高劳动生产率和产品质量，节约能源等都有着积极意义。1
3、.3 电阻加热炉的特点与展望 在电力稳定的供应条件下，电热炉和燃料炉相比有许多优点，特别是不需要燃料贮存、输送及燃烧后灰渣和庞大的烟气排放、净化等装置，从而有占地小、装置简单、操作管理方便和无CO2、SO2等污染的优点;同时对加热质量较易控制和保证，可按需要进行整体、局部或表面加热，从而质量高和热效率高。由于以上特点，电热炉适合于高级材料和零部件的制造，节能效果亦好，从而在汽车、电机、家电和电子等机电加工组装工业得到广泛应用。今后随着电力工业的稳定发展和加工业和加工高度化与比重的扩大，电阻炉、感应炉和电阻丝加热等将不断发展;在钢铁工业、金属制品和窑业等高能耗部门，随着深度加工、高质量产品和陶瓷
4、材料等的开发，加上对节能和对CO2等的控制，电阻加热炉比重亦将扩大。1.4 控制算法1.4.1 模糊控制模糊控制利用隶属度函数和模糊合成法则等思想巧妙地综合了人们的直觉经验，从而在其他经典控制理论和现代控制理论不太奏效的场合，如具有纯滞后、大惯性、参数漂移大的非线性不确定分布参数系统中能够实现较满意的控制，所以它至少应是一种有效的补充控制手段。反过来也就是说，模糊控制也并非是一味放之任何系统均有效的“万应药”。假如某系统可由一组线性微分方程很好地加以描述，那么也就没必要使用模糊控制了。可见，模糊控制应用于工业过程控制领域相对来讲更为合适些;另外，量化因子和比例因子的选择也影响着整个系统的品质，
5、这些因素致使简单模糊控制器存在一些缺陷。1.精度不太高。这主要是由于模糊控制表的档级有限而造成，通过增加量化等级数目虽可提高精度，但查询表将过于庞大，往往受物理条件限制。2.自适应能力有限。这是因为模糊控制器对某些参数变化不敏感，只能说明具有鲁棒性，而不能讲具有自适应能力。3.很易产生振荡现象。如果查询表构造得不合理或量化因子和比例因子选择不当，都会导致振荡现象。由于以上缺点，不采用模糊控制算法。1.4.2 神经网络神经网络从模仿人脑内部结构出发，试图在模拟推理、自动学习等方面更接近人脑的自组织和并行处理能力，它在模式识别、聚类分析和专家系统等方面已显出很好的前景。模糊理论突出对人的外在表达方
6、式的描述，以模糊逻辑为基础，抓住人脑思维的模糊性特点，用以模仿人的模糊综合判断推理来处理一般数学控制难以解决的模糊综合控制。两者之间存在必然、密切的联系。神经网络的优点之一是不依赖于控制系统的数学模型，它是通过学习，将输入与输出以权值的方式编码，将它们关联起来，但以网络的表达权值难以理解为代价换取的，从权值很难知道网络编码的内容是什么。另一个问题是它的训练样本如何从专家那里取来，如何表达成神经网络能接收的知识，怎么知道它们是否可靠和具有代表性，还不清楚，有用的信息是如何存储在网络中的各神经元之中的，其机理尚不清楚，因此关于网络结构的选择缺乏充分的理论分析，究竟选择几层，每层有多少个神经元为可行
7、，对此目前只能凭经验。1.5 PID控制算法本文对工业对象中主要的被控参数电阻炉炉温进行研究，设计了硬件电路和软件程序。硬件电路选用8051单片机，软件程序采用中断查询方式。提出了一种PID控制的方法，即只调节Kp一个参数，来实现PID控制。与常规PID三个参数调整相比，省时、高效，为实现简易的自整定控制带来方便。电阻炉炉温为一阶惯性纯滞后系统，调节Kp的值，可得到较为理想的阶跃响应曲线。PID调节是连续系统中技术最成熟，且应用最广泛的一种控制方法。它结构灵活，不仅可以采用常规的PID调节，而且可以根据系统的要求，采用各种PID的变种，如PI、 PD控制，不完全微分控制，积分分离式PID控制，
8、带死区的PID控制，变速积分PID控制，比例PID控制等等。PID控制器把设定值与实际输出值相减,得到控制偏差，偏差值经过比例、积分、微分运算后通过线性组合构成控制量,然后对对象进行控制。虽然计算机控制是离散的，但对于时间常数比较大的系统来说，其近似于连续变化。因此，用数字PID完全可以代替模拟调节器，而且可以得到比较满意的效果。所以，用数字方式模拟PID调节器仍是目前应用比较广的方法之一。在模拟控制系统中，其过程控制是将被测参数，如温度、压力、流量、成分、液位等由传感器变换成统一的标准信号后输入调节器，在调节器中与给定值进行比较，再把比较出的差值经PID运算后送到执行机构，改变进给量，以达到
9、自动调节的目的。在数字控制系统中则是用数字调节器来代替模拟调节器，按偏差的比例、积分和微分进行控制和调节，是连续系统中应用最广泛的一种调节器。在工业过程控制中，由于控制对象的精确数学模型难以建立，系统的参数又经常发生变化，运用现代控制理论分析综合要耗费很大代价进行模型辨识，建立系统的数学模型十分困难，应用直接数字控制方法比较困难，甚至根本不可能，所以人们经常采用PID调节器，并根据经验进行在线整定，即用实验和分析的方法来确定数字PID调节器的参数。但是，常规PID调节三个参数的整定一般需要经验丰富的工程技术人员来完成，步骤繁琐复杂，既耗时又耗力。而且当对象特性变化时，又要重新整定，并且在现代工
10、业控制过程中，许多被控对象机理复杂，具有多输入多输出的强耦合性、参数时变性、严重的非线性特性、滞后性等特点。在这种情况下，采用常规PID调节器，三个参数的整定比较困难，为此本文提出了采用归一参数整定法，即只整定一个参数，这样减少了许多工作量，提高了工作效率，为实现简易的自整定控制带来方便。 随着计算机运算速度的大幅度提高和存储信息的大量增加，PID调节在工业过程控制、航空航天领域内将得到广泛的应用，因此研究PID控制具有较高的工程实践意义，具有广泛的应用前景13。热电阻炉的发热体为电阻丝，常规方式大多采用模拟仪表测量温度，并通过控制交流接触器的通断时间比例来控制加热功率。此方法存在某些固有的缺
11、点，如温度与仪表值不符，温度延迟等问题。而采用微机进行炉温控制，可大大提高控制质量和自动化水平，具有良好的经济效益。由于模拟仪表本身的测量精度差，加上交流接触器的寿命短，通断比例低，故温度控制精度低，且无法实现按程序设定的升温曲线升温和故障自诊断功能。本文提出的炉温控制系统采用高精度放大器及A/D转换器以获得较高的测温精度，并采用温度传感器对热电偶进行冷端补偿，利用单片机8051实现控制算法，按设定值、所测温度值、温度变化速率，自动进行P参数自整定和运算，按程序设定温度曲线升温，具有键盘输入及显示功能，使用双向导通可控硅实现加热功率的控制，显著提高了测量精度。采用单片微型计算机、双向可控硅调功
12、、动态给定和变参数的PID控制系统，与以前常用的模拟控制系统比较，不但控制精确(本系统恒温期间温度波动可不大于1。)简单方便，大大减轻运行工人的劳动强度，而且能降低电耗(本系统电耗降低10%以上)，有较好的经济效益和社会效益，使电阻炉的温度控制提高到一个新的水平。1.6 电阻加热炉温度控制系统设计的指导思想 电阻加热炉温度控制系统基本主要由温度检测系统，信号处理系统，输入输出系统，输出控制系统四部分组成。温度检测主要由温度传感器构成，根据精度及测量范围的要求选择也不同，可以是热电偶式的，也可以是热电阻式的，还可以是热敏电阻或集成温度传感器器件的等等。在信号处理系统原理上无外乎是信号的放大，数模
13、转换，微机处理一系列环节，根据不同的要求其内部结构也不同，但基本都是遵循这条原则。输入输出可根据不同的需要和不同的场合来设计，在精度要求高，设置要求快的环境下可使用多键键盘和LCD液晶显示，在精度和速度要求不高的情况下则可使用简易键盘和LED数码管显示，输出方面的指导思想是在精度要求高的情况下采用连续调节电阻两端的电压进行功率调节，而精度要求不是很高的情况下则是通过控制电阻两端电压的通断来进行对温度的控制。通常都是选用双向可控硅来实现功率调节,这样能更好的控制温度，提高精度。1.7 系统主要技术参数1. 测温范围：010002. 控制精度：13. 保温精度：1.5第2章 方案论证系统的组成及工
14、作原理：温度是工业对象中主要的被控参数之一，如冶金、机械、食品、化工各类专业中广泛使用各种加热炉、热处理炉、反应炉等，对工件的处理温度要求严格控制。图2-1为电阻炉炉温控制系统原理图，控制过程是这样的:单片机定时对炉温进行检测，经A/D转换得到相应的数字量，再送到微机进行判断和运算，得到应有的控制量，去控制加热功率，从而实现对温度的控制。具体包括:1.炉温变化规律控制，即炉温按预定的温度一时间关系变化，这主要在控制程序中考虑。2.温度控制范围，如4001000，这就涉及到测温元件、电炉功率等的选择。3.控制精度、超调量等指标，这涉及到A/D转换精度、控制规律的选择等。本文用8051单片机实现控
15、制，为了便于用户根据不同的实际需要对工作方式及其他参数组态进行修改，要求所有的参数及组态状况均可通过面板的几个操作键输入、检查、修改，并可在断电情况下，使参数保存半年。为了便于与上级计算机构成两级控制系统，在单片机控制系统中还加入了通信功能。采用RS-232接口，通信速率为1200b/s, 2400b/s. 4800b/s和9600b/s等四种波特率，由用户通过键盘自行按需要选择。系统的测量值和所有设定参数均由LED数码管直接显示，读数清晰，直观。控制器的结构如图2-1所示： 2-1 控制原理图2.1 单片机的选择 在大学期间我们主要学习了8031和8051两种单片机，他们都是MCS-51系列
16、单片机的代表产品，因为8031单片机片内无程序存储器，在使用时需要外部加扩展，而8051片内有4KB的程序存储器，无须外部扩展，电路设计也更简单，所以设计选择了8051单片机。系统采用MCS-51系列的单片机8051，MCS-51单片机是美国INTE公司于1980年推出的产品，与MCS-48单片机相比，它的结构更先进，功能更强，在原来的基础上增加了更多的电路单元和指令,指令数达111条，MCS-51单片机可以算是相当成功的产品，一直到现在，MCS-51系列或其兼容的单片机仍是应用的主流产品，各高校及专业学校的培训教材仍与MCS-51单片机作为代表进行理论基础学习。8051是MCS-51系列单片机中的代表产品，它内部集成了功能强大的中央处理器，包含了硬件乘除法器、21个专用控制寄存器、4kB的程序存储器
