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1、辽宁工业大学计算机控制技术课程设计（论文）题目：8kW电加热炉温度控制系统设计院（系）：电气工程学院专业班级：自动化091学号：学生姓名：蔡林志指导教师：（签字）起止时间：2023.12.19-2023.12.28课程设计（论文）任务及评语院（系）：电气工程学院教研室：自动化学号学生姓名蔡林志专业班级自动化091课程设计（论文）题目8kW电加热炉温度控制系统设计课程设计(论文)任务实现功能电加热炉用电炉丝提供功率，使其在预定期间内将炉内温度稳定在给定值上。本控制对象电阻加热炉功率为8kM由220V交流电源供电。本设计以单片机为控制关键，加上对应的输入输出通道，采用达林算法，将温度控制在规定范围
2、内，并规定实时显示目前温度值，用三位LED显示。被控对象为，仿真研究时用_LX二_近似。7；5+13+10.15+1设计任务及规定1、确定系统设计方案，包括单片机的选择，输入输出通道，键盘显示电路；2、建立被控对象的数学模型；3、推导控制算法，设计算法的程序流程图或程序清单；4、仿真研究，验证设计成果；5、撰写、打印设计阐明书一份；设计阐明书应在4000字以上。技术参数温度控制范围：50350控制精度不大于5%进度计划1、布置任务，查阅资料，确定系统方案（1天）2、被控对象建模（1天）3、算法推导，程序设计（3天）4、仿真研究（2天）5、撰写、打印设计阐明书（2天）6、答辩（1天）指导教肝用语
3、及成绩平时：论文质量：答辩：总成绩：指导教师签字：年月日注：成绩：平时20%论文质量60%答辩20%以百分制计算摘要电加热炉伴随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B地位。对于这样一种具有非线性、大滞后、大惯性、时变性、升温单向性等特点的控制对象，很难用数学措施建立精确日勺数学模型，因此用老式日勺控制理论和措施很难到达好的控制效果。电加热炉加热温度B变化是由上、下两组炉丝日勺供电功率来调整日勺，它们分别由两套晶闸管调功器供电。调功器的输出功率由变化过零触发器的给定电压来调整，本设计以AT89C51单片机为控制关键
4、，输入通道使用AD590传感器检测温度，测量变送传给ADeO809进行A/D转换，输出通道驱动执行构造过零触发器,从而加热电炉丝。本系统采用达林控制算法，将温度控制在50350C范围内,并可以实时显示目前温度值。关键词：温度；AT89C51；达林控制算法；AEDK-IabACT第1章绪论错误!未定义书签。第2章课程设计的方案错误!未定义书签。2.1概述错误!未定义书签。2.2系统构成总体构造错误!未定义书签。第3章硬件设计错误!未定义书签。3 .1器件选择错误!未定义书签。4 .2控制器错误!未定义书签。5 .3电源部分错误!未定义书签。6 .4输入通道设计错误!未定义书签。3.4.1温度检测
5、电路错误!未定义书签。3.4.2A/D转换电路错误!未定义书签。3 .5输出通道设计错误!未定义书签。4 .6显示电路及按键电路错误!未定义书签。3. 7电加热炉温度控制系统原理图错误!未定义书签。第4章软件设计错误!未定义书签。3.1 系统的软件设计错误!未定义书签。3.2 达林控制算法设计错误!未定义书签。3.3 温度与电压关系错误!未定义书签。4. 4达林控制算法程序错误!未定义书签。第5章系统测试与分析/试验数据及分析错误!未定义书签。第6章课程设计总结错误!未定义书签。参照文献错误!未定义书签。第1章绪论伴随微电子技术和微型计算机的J迅猛发展，微机测量和控制技术以其逻辑简朴、控制灵活
6、、使用以便及性能价格比高日勺长处得到了广泛的应用。它不仅在航空、航天、铁路交通、冶金、电力、电讯、石油化工等领域得到了广泛应用，并且在平常生活中诸如电梯、微波炉、电冰箱、电视机等高科技产品中也有广阔的使用前景，为工业生产的自动化、智能控制奠定了坚实的技术基础。加热炉作为一种应用广泛E付热工设备之一。尽管它使用的加热措施不一样，或工艺规定不一样，温度有高下、精度也有差异，但作为被控参数之一由J温度总是可用不一样的测温元件和措施来获得，并通过微型计算机加以处理和控制，并按一定温度曲线工作，以满足生产需要。电加热炉以其无污染、操作以便、自动化程度高、可调范围大、节省基建投资等诸多长处逐渐受到人们的欢
7、迎。但这其中对温度的控制上不是很理想，温差大、温度控制精度不精确。针对这一状况。本论文将简介一种应用单片机对电热加热炉进行智能控制的温度系统。一般的电加热炉温度控制系统(如温度控制表控制接触器)的重要缺陷是温度波动范围大。老式B以一般双向晶闸管(SCR)控制日勺高温电加热炉采用过零触发器控制，到达自动控制电炉温度的目的。这种移相方式输出一种非正弦波，实践表明这种控制方式产生相称大的中频干扰，并通过电网传播，给电力系统导致“公害”。本论文的研究意义是怎么用AT89C51单片机作为控制器去实现温度控制，到达需要的工业规定，实现起温度控制的作用，到达工作稳定、性能可靠。运用AD590温度传感器，测量
8、原则，克服了常规措施赔偿误差大日勺缺陷，该系统具有键盘输入、LED显示等功能，使温度控制为误差到达5%,温度变化为50至350。常见的电加热炉控制算法有达林算法、PID数字控制及至少拍设计，本文采用达林控制算法设计，将一阶惯性加纯滞后环节等效成两个一阶惯性环节。第2章课程设计日勺方案1.1 概述电加热炉加热温度日勺变化是由上、下两组炉丝日勺供电功率来调整日勺，它们分别由两套晶闸管调功器供电。调功器的输出功率由变化过零触发器的J给定电压来调整，本设计以AT89C51单片机为控制关键，输入通道为AD590检测温度，测量变送传给ADCO809进行A/D转换，输出通道驱动过零触发器，从而加热电炉丝。本
9、系统采用达林控制算法，将温度控制在50350C范围内，并可以实时显示目前温度值。2. 2系统构成总体构造电加热炉温度控制系统的J硬件构造框图如图2.Io图2.1电加热炉温度控制系统硬件构造框图第3章硬件设计3.1器件选择本系统选用T89C51作为控制器，温度检测部分选用D590作为传感器，ADC0809作为A/D转换器，过零触发器采用光耦驱动电路及双向可控硅电路。3. 2控制器控制器选择AT89C51单片机。3. 3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构成电源电路。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
10、整流电路将交流电压变为脉动的J直流电压。由于此脉动的直流电压还具有较大的纹波，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+T0%左右的J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B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7805,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，22OV交流市电还是加热电阻两端aJ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J功率。低压交流电即变压器二次侧的电压，通过过零
11、检测电路检测交流电的过零点，送入单片机后，控制每个采样周期内双向可控硅导通正弦波个数的措施来调整加温功率。3. 4输入通道设计3.1.1 温度检测电路温度检测元件选用温度传感器AD590。AD590是美国ANALOGDEVlCES企业的J单片集成两端感温电流源。其重要特性如下：流过器件的电流(PA)等于器件所处环境的热力学温度(开尔文)度数：IrT=l式中，Ir一流过器件(AD590)的电流，单位为uA；T热力学温度，单位为K；(2) AD590的测温范围为-55、+150；(3) AD590的电源电压范围为430V,可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件虽然反接也不会被损坏；(4)
12、输出电阻为710m;(5)精度高,AD590在-55C-+度OC范围内,非线性误差仅为0.3。3.4.2A/D转换电路DC0809是一种经典的逐次迫近型8位A/D转换器。它由8路模拟开关、8位A/D转换器、三态输出锁存器及地址锁存译码器等构成。它容许8路模拟量分时输入，转换后的数字量输出是三态的(总线型输出)，可以直接与单片机数据总线连接。ADCO809采用+5V电源供电，外接工作时钟。当经典工作时钟为500KHZ时，转换时间约为128us3.5输出通道设计输出通道采用过零触发器，由光耦驱动电路和双向可控硅电路构成。(1)光耦驱动电路在驱动电路中，由于是弱电控制强电，而弱电又很轻易受到强电的干
13、扰，影响系统的工作效率和实时性，甚至烧毁整个系统，导致不可挽回B后果，因此必须要加入抗干扰措施，将强弱电隔离。光耦合器是靠光传送信号，切断了各部件之间地线的联络，从主线上对强弱电进行隔离，从而可以有效地克制掉干扰信号。此外，光耦合器提供了很好的带宽，较低的输入失调漂移和增益温度系数。因此,可以很好地满足信号传播速度0规定，且光耦合器非常轻易得到触发脉冲，具有可靠、体积小、等特点。因此在本系统设计中采用了带过零检测的光电隔离器M0C3061,用来驱动双向可控硅并隔离控制回路和主回路。MoC3061是一片把过零检测和光耦双向可控硅集成在一起的芯片。其输出端的额定电压是400V,最大反复浪涌电流为L
14、2A,最大电压上升率dv/dt为1000vus,输入输出隔离电压为7500V,输入控制电流为15mA。在驱动执行电路中，当单片机的P2.0、P2.1、P2.2发出逻辑数字量为高电平时，通过三极管放大后驱动光耦合器0放光二极管，MOC3061B输入端导通，有大概15mA的电流输入。当MoC306的输出端6脚和4脚尖电压稍稍过零时，光耦内部双向可控硅即可导通，提供一种触发信号给外部晶闸管使其导通；当P2.0、P2.1、P2.2为低电平时，MOC3061截止，双向可控硅一直处在截止状态。(2)双向可控硅电路在本设计中，考虑到电网电压的稳定和目前市场上销售I肉双向可控硅型号，选择了工作电压为400V,
15、通态电流为4AB双向可控硅BTl36。运用单片机控制双向可控硅的导通角。在不一样步刻运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一样，以到达调压控制时目的。详细如下：(a)由硬件完毕过零触发环节，即在工频电压下，每IOnIS进行一次过零触发信号，由此信号来到达与单片机的同步。(b)过零检测信号接至PL7转换口，由单片机对此口进行循环检测，然后进行延时触发。3. 6显示电路及按键电路显示电路采用3位LED显示，同步加入按键电路可变化电压值。3.7电加热炉温度控制系统原理图电加热炉温度控制系统重要由温度检测电路、A/D转换电路、D/A转换电路、驱动执行电路、电
16、源电路、显示电路及按键电路等构成。本系统采用控制每个采样周期内双向可控硅导通正弦波个数I向措施来调整加温功率，每次采样时对交流过零个数进行计数，当过零个数与控制调整器输出值相等时，即停止PL7输出。电加热炉温度控制系统构造框图4.1系统日勺软件设计第4章软件设计本系统日勺主程序流程图如图4.1所示。图4.1电加热炉温度控制系统主程序流程图控制系统时软件重要包括：采样、标度变换、控制计算、控制输出、显示、调整参数修改、温度设定及修改。其中控制算法采用达林控制算法。考虑到电加热炉是一种非线性、时变和分布参数系统，因此本文采用一种新型的智能控制算法。它充足吸取数学和自动控制理论成果，与定性知识相结合
17、，做到取长补短，在实时控制中获得很好卧J成果。4. 2达林控制算法设计在某些实际工程中，常常碰到纯滞后调整系统，它们的J滞后时间比较长。对于这样的系统，往往容许系统存在合适的超调量，以尽量地缩短调整时间。人们更感爱好的是规定系统没有超调量或只有很小超调量，而调整时间则容许在较多的采样周期内结束。也就是说，超调是重要设计指标。对于这样的系统，用一般aJ随动系统设计措施是不行的，用PID算法效果也欠佳。针对这一规定，IBM企业的达林(Dahlin)在1968年提出了一种针对工业生产过程中具有纯滞后对象的控制算法。其目的就是使整个闭环系统的传递函数相称于一种带有纯滞后的一阶惯性环节。该算法具有良好的
18、控制效果。大林算法中D(z)的J基本形式设被控对象为带有纯滞后的一阶惯性环节或二阶惯性环节，其传递函数分别为：I(三)=仁+1(2-1)QS)=(V1X*9(2.2)其中小与为被控对象的时间常数，6=NT为被控对象的纯延迟时间，为了简化，设其为采样周期的整数倍，即N为正整数。由于大林算法的设计目的是使整个闭环系统的传递函数相称于一种带有纯滞后B一阶惯性环节，即力（6）=、/6+1,其中NT由于一般控制对象均与一种零阶保持器相串联，因此对应的整个闭环系统的脉冲传递函数是w=三=21Cg-T3s5+1Zg(I-产)Z(2.3)于是数字控制器的脉冲传递函数为力(Z)G(Z)1-(z)O(Z)IrS(
19、IYS11(2.4)D（Z）可由计算机程序实现。由上式可知，它与被控对象有关。下面分别对一阶或二阶纯滞后环节进行讨论。一阶惯性环节的大林算法的D（z）基本形式当被控对象是带有纯滞后的一阶惯性环节时，由式（2-1）的传递函数可知,其脉冲传递函数为：-Zs(qs+l)O(z) = Zs(fS+l)I-Hjs 心mss (s+1=L占-匚鼻i”占-T三7)将此式代入(2-4),可得D(Z) =(一-”-产)(2-5)Ka-J”)产z“-a-产)z*】式中：采样周期:1I被控对象的时间常数；闭环系统的时间常数。二阶惯性环节大林算法的D(Z)基本形式当被控对象为带有纯滞后的J二阶惯性环节时，由式(2-1
20、)0传递函数可知,G(Z) = Z其脉冲传递函数为=K(-z-1)z-nZ5(GS+l)(s+l)Js(qs+l)(25+l)K(C-CzZ-I)Z-M-I(-er,tiz-1)(-erz-1)C1-I+-?(1e-3-,x)其中，叼一br2-rI将式G代入式(2-3)即可求出数字控制器的模型：(1ZT)(I3-函记而7严ErT否严j(2_6)由此，我们可以设计出控制器的传递函数，运用MATLAB工具在SIMULlNK里画出整个控制系统，给定一种阶跃信号就可得到整个控制系统的响应曲线。4.3温度与电压关系AD590的输出电流I=(273+T)UA(T为摄氏温度)，因此量测的电压V为(273+T
21、)UA10K=(2.73+T100)Vo为了将电压量测出来又需使输出电流I不分流出来,我们使用电压追随器其输出电压V2等于输入电压V。由于一般电源供应较多零件之后，电源是带噪声的J,因此我们使用齐纳二极管作为稳压零件,再运用可变电阻分压,其输出电压Vl需调整至273V。接下来我们使用差动放大器其输出V。为(100K20K)(V2-Vl)=T20Vo假如目前为摄氏100度,输出电压为5V。4.4达林控制算法4.4达林控制算法程序达林控制算法程序为，Zuixiaopai：movR5,#oihMOVR4,#3CHDIVR5,#64HDIVR4,#64HADDR5,R4MOVR6,#74HDIVR6,
22、#64HMULR5,UZDECR5,R6MOVR7,R5MOVR5,#01HMOVR4,#0A2HDIVR5,#64HDIVR4,#64HADDR5,R4MOVR6,#01HMULR6,#ZDECR6,R5送 O. 316；送 O. 116送 O. 418送1DIVR7,R6第5章系统测试与分析/试验数据及分析对设定传递函数进行达林系统仿真，使用AEDKTabACT试验箱，仿真接线图如图5.1。图5.1达林系统仿真接线图经计算，得到K=2仿真得到曲线如图5.2。图5.2仿真曲线图输入给定电压为2.58V,其误差为(2.695-2.58)/5.58=0.045,故系统误差为4.5队满足系统设计规
23、定。此时温度T=51.6C第6章课程设计总结通过这次课程设计，在王立红老师的认真指导下，我学习了诸多，受益匪浅。本次课程设计中，我做的课题是8kW电加热炉温度控制系统设计。在本控制对象电阻加热炉功率为8kW,由220V交流电供电，采用双向可控硅进行控制。本设计针对一种温度区进行温度控制，规定控制温度范围50350C,保温阶段温度控制精度为正负1度。选择合适的传感器，计算机输出信号经转换后通过双向可控硅控制器控制加热电阻两端的电压。本系统选用AT89C51作为控制器，温度检测部分选用AD590作为传感器，ADCO809作为A/D转换器，过零触发器采用光耦驱动电路及双向可控硅电路。由于时间紧张，因
24、此我们决定通过将控制器的传递函数与采样开关结合即用离散化Z变化，来替代闭环的前向同路的一部分，即通过要到达的闭环传递函数与给定aJ被控对象传递函数来求出控制器的传递函数。在对参数aJ调整中我们发现采用大林算法可明显减少超调,也可做到很小的稳态误差,结合大偏差时的分级B-B控制也可以做到较小的上升时间和调整时间，当对象模型具有不确定性和系统存在随机干扰时,可对达林算法参数作自寻最优控制。参照文献1康华光编著.电子技术基础(模拟部分).北京：高等教育出版社，20232于海生编著.计算机控制技术.机械工业出版社，20233李晓莹编著.传感器与测设技术.高等教育出版社，20234付家才编著.单片机试验与实践.高等教育出版社，20235谭浩强编著.MCS-51单片机应用教程.清华大学出版社，20236吴建国.单片机在电阻炉温度控制中的应用.武汉钢铁学院学报.1995(12):54-577华东.达林算法在电加热炉温度控制中的应用.浙江工贸职业技术学院学报.2023(12):31-358张根宝.工业自动化仪表与过程控制口口.西北工业大学出版社,20239李亚芬.自动化仪表与过程控制，北京电子工业出版社,202310方康玲.过程控制系统.武汉理工大学出版社202311郭阳宽,王正林.过程控制工程及仿真.电子工业出版社,2023
