课程设计--炉温控制系统的设计

课程设计--炉温控制系统的设计

二○一三～二○一四学年第一学期

信息科学与工程学院

课程设计报告书

课程名称：计算机控制与接口技术课程设计班级：

学号：

姓名：

指导教师：

二○一三年十一月

一、 设计题目和设计要求

1.设计题目

炉温控制系统的设计

2.设计任务和要求

设计一个炉温控制系统，对象的传递函数： s e s s G 021

158

)(-+=

，炉子为电炉结构，单相交流220V 供电。温度设定值：室温~100℃，可以任意调节。要求： (1) 画出电路原理图，包括：给定值、反馈、显示的电路及主电路； (2) 阐述电路的工作原理；

(3) 采用对象为大滞后的算法，求出u(k); (4) 定出闭环数学控制的程序框图。

二、 设计任务分析

（一）系统设计：

在工业化生产中，需要有大量的加热设备，如用于熔化金属的坩埚炉、用于热处理的加热炉，以及各种不同用途的反应炉，加热炉，温度控制成为制约工业发展的重要环节。随着计算机技术的不断发展，用于工业生产中炉温控制的微机控制系统更加成熟。实践证明，它具有功能强、精度高，经济性好的特点，无论在提高产品质量还是产品数量，能源环保，还是改善劳动条件等方面都显示出无比的优越性。

该系统以MCS-51单片机为核心构成一个炉温控制系统，该系统具有对电炉温度的实时控制，定时检测和调节，温度数据显示并打印，存储必要的信息等功能。由外部操作键盘，输入给定数值，进行相应的参数设定，并可以根据需要进行手动、自动之间的切换。

本系统主要由单片机应用系统主机板、晶闸管主电路及电气控制、温度检测与信号放大模块、数字控制与同步触发模块等部分组成。单片机应用系统主机板采用模块式结构，功口线和各信号设计成总线形式，应用系统的各部分都通过总线插座方便地与单片机接口。

Ⅰ.典型的反馈式温度控制系统通常由下图（a ）所示的几部分组成，其中调节器 由微型机来完成。

图a 单片机炉温控制系统结构图

Ⅱ.给定信号如何给计算机

温度给定值可以通过计算机键盘输入（键盘与单片机连接），也可以通过数学表达式由程序自动设定，还可以用拨码盘，一般拨码盘常用于过程控制的控制柜（化工企业）。

为了便于讨论，本设计假定由人工键盘输入温度给定值。

Ⅲ.温度的监测与调节

理想的情况是采用A/D 转换器作为输入通道，当精度要求不高时，可以半导体热敏电阻测量温度，和通过单稳态触发器输出的脉冲宽度来实现温度检测和输入。用热敏电阻也是一种常用的方式。热敏电阻作为半导体的效果往往决定于环境和计算机应用程序配合的结果。

可以采用温度范围为0～120℃的热敏电阻来构成所需要的电路，不用热电偶的原因是：因为热电偶在低温段线性差，它只是在高温段准确。

（二）控制方案

本系统中把可控硅和电阻炉温度变送器统一称为被控对象。电阻炉系统是个自衡系统，可以近似为一个一阶惯性环节和一个延迟环节，传递函数可以表示为：

G p(s)=K

e−τs

1+T1s

在检测的基础上，我们采用数字数字控制器直接设计的方法，把炉内温度控制的设定值与实测值进行比较，是静态误差最小。

理论分析和实践证明电阻炉是一个具有自平衡能力的对象，可以用一个一阶惯性环节和一个延迟环节来近似描述，考虑到零阶保持器，系统的简化动态结构图如图b.

被控对象加上零阶保持器的广义对象传递函数为:

本系统数字控制器采用增量式PID 调节器，由增量式PID 控制算法可知：

式中：ek 本次设定值与实测值之差 。

（三）控制方案的实现

在生产过程中，大多数工业对象具有较大的纯滞后时间，对象的纯滞后时间τ对控制系统的控制性能极为不利，它使系统的稳定性降低，过渡过程特性变坏。当对象的纯滞后时间τ与对象的惯性时间常数T1之比，即τ/T1≥0.5时，采用常规的比例积分微分（PID ）控制，很难获得良好的控制性能。长期以来，人们对纯滞后对象的控制作了大量的研究，比较有代表性的方法有大林算法和纯滞后补偿(Smith 预估)控制。

本设计以大林算法为依据进行研究，大林算法的被控对象是带纯滞后的一阶惯性环节。即

1

)(1+=

-s T Ke s G s

τ

本设计的被控对象为带纯滞后的一阶惯性环节。

式中：τ为纯滞后时间，为方便起见假设为采样周期T 的整数倍 ：NT

=τ

大林算法的主要设计目标是系统在单位阶跃输入作用下，整个闭环系统的传

递函数相当于一个延迟环节和一个惯性环节相串联。即

1)(0+=

-s T e s H s

τ （1-1）

要求整个闭环系统的纯滞后时间等于被控对象的纯滞后时间。 与H(s)相对应的闭环系统脉冲传递函数为

01()[]

1

sT NTs

e e H z Z s T s ---=⋅+

101

(1)[

]

(1)

N z z Z s T s --=-+

1

1

11(1)(1)

(1)(1)

T T N

T T e

z z

z z e

z --------=---00

(1)

1

(1)1T T N T T e

z e

z -

-+-

--=

-

（1-2）

将上式代入式1()()()1()

H z D z G z H z =⋅-中，得 0

(1)

1(1)(1)()()[1(1)]

T T N T T T T N e

z D z G z e

z e

z --+----+-=

--- （1-3）

当对象为一阶惯性环节加纯滞后时

11()[]

1

sT NTs

e Ke G z Z s T s ---=⋅+ 111

(1)[

]

(1)

N Kz z Z s T s --=-+ 1

1

1

1

11(1)(1)

(1)(1)

T T N

T T e

z Kz

z z e

z --------=---

1

1

(1)

1

(1)

1T T N T T e Kz e

z -

-+-

--=- （1-4）

将式（1-4）代入式（1-3）得一阶惯性环节的控制器的D(z)为

1

1

11(1)(1)(1)

()(1)[1(1)]

T T T T T T T T T T N e

e

z D z K e

e

z e

z -

-------+--=

----

由上式，控制算法为

)

1()

1()1()()

1(1)1()1()1()(1

1

1

00

------+

---+-=--

-

--

--k e e

K e

e k e e K e

N k u e

k u e

k u T T T T T T T T T T T T T T

在本设计中取T 为10s ，T 0=10s ，那么N 为2；其中T 1=15，K 为8；代入相关数据可以算得：

D (z )=(1−e −1)(1−e −2/3z −1)

8(1−e −2/3)[1−e −1z −1−(1−e −1)z −3]

则有上式可以得到控制算法为：