基于PID电加热炉温度控制系统设计

基于PID 电加热炉温度控制系统设计

1概述

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。

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。本设计针对一个温度区进行温度控制，要求控制温度范围50~350C ，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。其对象问温控数学模型为：

1

)(+=-s T e K s G d s

d τ 其中：时间常数Td=350秒

放大系数Kd=50

滞后时间τ=10秒

控制算法选用改PID 控制

2系统硬件的设计

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：

图2-1 系统硬件结构框图

图2-2 系统电路图

2.1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。

2.2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2~5V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。

铂电阻温度传感器是利用其电阻和温度成一定函数关系而制成的温度传感器,由于其测量准确度高、测量范围大、复现性和稳定性好等,被广泛用于中温(-200℃～650℃)范围的温度测量中。

PT100是一种广泛应用的测温元件，在-50~600℃范围内具有其他任何温度传感器无可比拟的优势，包括高精度、稳定性好、抗干扰能力强等。由于铂电阻的电阻值与温度成非线性关系，所以需要进行非线性校正。校正分为模拟电路校正和微处理器数字化校正，模拟校正有很多现成的电路，其精度不高且易受温漂等干扰因素影响，数字化校正则需要在微处理系统中使用，将Pt电阻的电阻值和温度对应起来后存入EEPROM中，根据电路中实测的AD值以查表方式计算相应温

度值。

常用的Pt 电阻接法有三线制和两线制，其中三线制接法的优点是将PT100的两侧相等的的导线长度分别加在两侧的桥臂上，使得导线电阻得以消除。常用的采样电路有两种：一为桥式测温电路，一为恒流源式测温电路。在本系统设计中，采用了第一种方法，即桥式测温。

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。

设计及调试注意点：

1. 同幅度调整R1和R2的电阻值可以改变电桥输出的压差大小；

2. 改变R5/R3的比值即可改变电压信号的放大倍数，以便满足设计者对

温度范围的要求

3. 放大电路必须接成负反馈方式，否则放大电路不能正常工作 。

4. VR2也可为电位器，调节电位器阻值大小可以改变温度的零点设定，

例如Pt100的零点温度为0℃，即0℃时电阻为100Ω，当电位器阻值调

至109.885Ω时，温度的零点就被设定在了25℃。测量电位器的阻值

时须在没有接入电路时调节，这是因为接入电路后测量的电阻值发生

了改变。

5. 理论上，运放输出的电压为输入压差信号×放大倍数，但实际在电路

工作时测量输出电压与输入压差信号并非这样的关系，压差信号比理

论值小很多，实际输出信号为

4.096*(R Pt100/(R1+R Pt100)- R VR2/(R1+R VR2)) （1）

式中电阻值以电路工作时量取的为准。

6. 电桥的正电源必须接稳定的参考基准，因为如果直接VCC 的话，当网

压波动造成VCC 发生波动时，运放输出的信号也会发生改变，此时再

到以VCC未发生波动时建立的温度-电阻表中查表求值时就不准确。

2.3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。

2.3.1光耦驱动电路

在驱动电路中，由于是弱电控制强电，而弱电又很容易受到强电的干扰，影响系统的工作效率和实时性，甚至烧毁整个系统，导致不可挽回的后果，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系，从根本上对强弱电进行隔离，从而可以有效地抑制掉干扰信号。此外，光耦合器提供了较好的带宽，较低的输入失调漂移和增益温度系数。因此，能够较好地满足信号传输速度的要求，且光耦合器非常容易得到触发脉冲，具有可靠、体积小、等特点。所以在本系统设计中采用了带过零检测的光电隔离器MOC3061，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，最大重复浪涌电流为1.2A，最大电压上升率dv/dt为1000v/us,输入输出隔离电压为7500V，输入控制电流为15mA。

在图2-2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，经过三极管放大后驱动光耦合器的放光二极管，MOC3061的输入端导通，有大约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，提供一个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，双向可控硅始终处于截止状态。

2.3.2驱动电路有关元件的选择

R25，C10组成吸收电路，并接在双向可控硅的两极之间。吸收回路组成缓冲器。有了吸收回路，可控硅通断过程中电源电压的变化率受到R25，C10的限制。R25可以抑制双向可控硅通断时产生的浪涌电流。R25和C10根据经验公式选，一般C10取0.01~1.0uF，R25取几欧到几十欧，本电路中R25取39欧，C10