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：
)1()
1(8)1()()1(81)3()1()1()(3
/23
/213/211
1
------+--+-=-------k e e e e k e e e k u e k u e k u
详细设计
（一） 炉温控制系统介绍
50年代，由于计算机的出现，人们开始在实验室、工厂或其它条件中使用用计算机进行数据采集和处理。

此时的计算机只起到 “离线”的应用，功能较单一，且过程装置和微机之间没有任何物理上的连接。

随着计算机技术的进一步发展，提供了过程装置与计算机之间的接口，人们开始用直接连接方法，使计算机与变送器和执行部件之间的信号双向传递无需人工干涉。

1962年，英国帝国工业公司安装了Ferranti Argus 计算机控制系统，使用计算机自动控制系统代替模拟仪表控制，即模拟技术由数字技术代替，而系统功能保持不变，计算机控制系统应用真正开始，历经多年的发展，到70年代中期，集散控制系统的发展进入快车道，炉温控制在工矿企业中逐步兴起，控制方式也不断改进，算法不断深入 ，整体技术趋于成熟。

我国对加热炉生产过程进行计算机控制技术的研究从80年代开始。

随着计算机技术、检测设备、电器仪表的提高，90年代初开始我国钢铁企业使用计算机控制温控炉逐渐增多，自动化控制程度不断提高，由于各自使用条件和生产过程的不同，所取得的成效各不相同。

目前我国在自动化控制理论方面同外国同行业水平相差不大，但在实际应用上与日本、欧美等计算机技术发达的国家相比较还有很大的差距。

从20世纪90年代末国内许多老企业，都对加热炉进行了计算机燃烧控制方面的升级，从国外进口先进的计算机设备，仪表部分采用国产的，整套的进口自动控制设备开始出现在一些大型企业中。

随着人工智能概念的提出，炉温控制领域出现了另一条理想的途径就是人工智能化直接监测火焰性能控制燃烧的方法，类似人工烧钢通过观察火焰颜色判断燃烧情况。

但是由于钢厂的加热炉非常大，长30、40m 以上，宽5m 以上，是一个非线性、大惯性延迟的控制系统，钢锭、炉汽、墙壁之间的传热过程是非线性的，非常复杂，影响燃烧控制的不确定因素在诸多方面都存在，到目前还没有理想的解决方案。

近年来，随着人工智能理论的不断发展和实用化，以及计算机技术的进步和检测设备、仪表性能的提高，模糊控制、专家系统等技术正在这一领域得到越来越多的应用。

量子物理浮点思想以及蒙特卡洛随机思想在自动控制方面也吸引了国内外研究者的目光。

（二）单片机控制系统设计—硬件系统
硬件设计的任务是根据所要达到的控制目的，给出结构框图，然后逐一设计出每一个单元电路，最后组合起来，成为完整的硬件系统。

CPU
单片机8031
I/O 接口电路
8255
温度设定
温度显示
故障报警
打印
A/D 逻辑控制
S/H
多路转换开关
炉温1信号
炉温2信号
锅炉温度
输出锁存器
输出驱动器
人机接口
主机
过程通道
被控对象
光电隔离电路
信号放大电路
传感器
图3 硬件系统总体结构图
（三）单片机控制系统设计—软件系统 本套系统采用大林算法作为控制算法。

图4.1 大林算法流程图
（四）系统应用软件（程序）的设计
系统软件部分包括主程序、采样定时中断程序、数字滤波、串口通讯及大林算法运算等。

主程序完成硬件初始化、变量初始化等任务，然后循环检测热电偶检测的度值，若发现温温度超限，则断开控制输出、屏蔽采用定时中断，发出报警信号，并等待温度降至安全值后重启。

采样中断服务程序完成对温度的采样、控制算法、输出触发控制晶闸管导通角。

采用定时器中断，产生控制周期，控制周期一到，程序则转入控制模块，调A／D 转换模块及热电偶线性化模块得到炉温的反馈信号，根据给定值和控制算法得到控制量，经输出口输出脉冲控制过零触发器。

整个温度控制系统是在应用程序的控制下执行。

温箱在接近设定值的状态下进入温控过程。

控制系统的工作由实时测量，实时决策和实施控制三部分组成。

（1）数据采集程序
ORG 9000H
PUSH PSW
PUSH DPH
PUSH DPL
MOV DPTR,#2000H;读入数据
CPL A
MOV 33H,A
MOVX A,@DPTR;再读入高8 位数据
CPL A
MOV 32H
CLR C
LCALL SUBA
JB 77H,INTA1
MOV A,2EH
ORL A,2FH
JZ INTA1;偏差小于等于0，转INTA1
LCALL PID;否则转PID 控制算法
LCALL COVR;将控制量转换成N
SJMP INTA2
INTA:SETB PSW.3
MOV R2，00H
MOV R3,00H
CLR PSW.3
INTA2:POP DPL
POP DPH
POP PSW
POP ACC
RETI
SUBA EQU 9800H
PID EQU 9910H
COVR EQU 9A20H
（2）输出控制程序
输出控制程序主要完成两个任务：
1）识别工频的过零时刻，并在过零时刻开启和关闭控制门，以保证SCR 主回路产生整数个正弦全波。

2）保证门控电路的打开时间正比于输出控制量在主程序中换算成SCR 葫芦中整数正弦全波个数N.
外部中断1 的终端服务程序具体是休闲的功能是：
1）中断时完成控制门的开启和关闭，及单片机P1.0 位置“1”或“0”
2）利用中断服务次数，对控制量N 进行计数和判断，即每中断一次，对N 进行减一计数。

外部中断服务程序清单如下：
ORG 0050H
PUSH ACC; 保护现场
PUSH PSW
PUSH DPH
PUSH DPL
SETB PSW.3
MOV A,R2
ORL A,R3
JNZ INTB1;判断N=0？
CLR P1.0;N=0，转INTB2，P1.0 清0
SJMP INTB2
INTB1:SETB P1.0;N 不等于0，置P1.0 为1
DEC R3
MOV A,R2
SUBB A,#00H
MOV R2，A;N-1=N
INTB2: DEC R5
MOV A,R4
SUBB A,#00H
MOV R4，A
ORL A,R5
JZ INTB3
SJMP INTB4
INTB3:MOV R5，#0EFH;采样周期为0，回复采样周期计数单元初值
MOV R4，#02H
MOV DPTR，#40001H
MOVX #DPTR,A;启动A/D
INTB4:CLRPSW.3
POP DPL；恢复现场
POP DPH
POP PSW
POP ACC RETI;中断返回
（3）主程序
主程序完成系统初始化以及过个程序之间的联系任务。

1）系统的初始化包括清数据存储区，堆栈，定时器T0 初始化，8255 初始化，确定中断优先权和开中断等。

2）中断等待完成了系统初始化后，主程序执行中断等待程序。

等待工频过零同步中断与A/D 转换结束中断。

主程序清单如下：
ORG 0000H
START:MOV R1，#10H
MOV RO.#30H
MOV A,#00H;清数据区
ATAT1:MOV @R0，A
INC R0
DJNZ RI,ATAT1
SETB PSW.3
MOV R4，#02H;赋采样周期值
MOV R5，#0EEH
CLR PSW.3
MOV SP,#60H;建栈
MOV TMOD，#06 置单片机定时器T0 为工作方式2
MOV TL0，@0FFH;置计数器初值
MOV TH0,#0FFH
MOV DPTR ,#2003H;写控制字
MOV A,#34H; 选计数器0 为方式2
MOVX @DPTR,A;读写方式为先低后高，二进制计数 MOV A,#64H;选计数器1 为方式2 MOVX @DPTR,A;只读/写低位字节 MOV A,#0B4H;选计数器2 为方式2
MOVX @DPTR,A; 读写方式为先低后高，二进制计数 MOV DPTR,#2000H;指向计数器0 的口地址 MOV A,#0FFH;送计数器0 初值 MOVX @DPTR,A;低8 位 MOVX @DPTR,A;高8 位
MOV DPTR ,#2001H; 指向计数器1 的口地址 MOV A,#16H; 送计数器1 初值 MOVX @DPTR,A; 低8 位
MOV DPTR,#2002H;指向计数器2 的口地址 MOV A,#60H; 送计数器2 初值 MOVX @DPTR,A;高8 位
SETB IT0;外部中断0 为边沿触发方式 SETB IT1；外部中断1 为边沿触发方式 SETB TR0；启动定时器T0
MOV IP,#06H;送中断优先控制字 MOV IE,#87H ；送中断控制字 MAIN:……… ;主程序
（五）系统的主电路设计
图5为主机系统电路设计图。

因为这一设计控制功能一般，对控制精度的要求也不高，程序并不复杂。

所以选用8031作为CPU ，选用2732（4KB ）作为EPROM 。

74LS273作低8位地址锁存器。

6MHZ 20pF
20pF
22uF
1K
200
+5V +5V
+5V Vcc 40XTAL1
19
XTAL2
8
RESET
9
EA 31
Vss 20PSEN
29
ALE 30P0.0
39
P0.138P0.237P0.336P0.435P0.534P0.633P0.7
32P2.324P2.223P2.0
21
P2.1228031
U1
单片机 8031
A1121A1019A922A8
23
A71A62A53A44A35A26A17A0
8
O717O616O515O414O313O211O110O0
9OE/Vpp
20
Vcc 24CE 18GND
12
2732A 4K*8
U32732A 4K*8
Q719Q616Q515Q412Q39Q26Q15Q0
2
D718D617D514D413D38D27D14D03
20
11
110
Vcc
G
\OE GND
74LS 373
U274LS373
图5主机系统电路设计图
（六）温度设定电路设计
本设计采用十进制数输入，BCD 码输出的BCD 拨码盘。

具有简单直观，使用方便的特点，受到广大工作人员的青睐。

它有0～9十个位置，每一位位都有相应的数字标记，用于代表一位十进制数的输入。

一片拨盘代表一位十进制数，n 片拨码盘并联安装，就可组成n 位十进制数。

此拨码盘有4根输出线（分别为8、4、2、1。

用来输出BCD 码）和一根输入线A 。

当拨码盘拨到不同位置时，4根输出线中的1根或几根就会与输入控制线A 相连接，由拨码盘对所输出的数据作出相应的指示。

图6 温度设定电路接线图
（七）LED 显示电路设计
LED 数码管由发光二极管组成并封装在一个标准的外壳中，有8字形和米字行两中字形显示，各有共阳极和共阴极两种。

发光二极管导通压降为 1.2V ～1.8V 、正向工作电流为2mA ～15mA 。

在显示驱动方式中，采用动态扫描。

当扫描到n1～n4公共端时，LED 驱动器分别对应输出a ～dp 的显示段，LED 就能正常显示。

在自定制LED 显示驱动器芯片中，LPC 系列中的P87LPC762单片机芯片具有较好的端口设置与较强的内部功能，因此可以通过编程设置其引脚功能作为LED 显示器的驱动芯片。

图中8031通过74LS164与共阳极七段LED 显示器的接口电路。

图中的4个电阻使单片机的输出电平与74LS164的CMOS 输入电平相容，74LS164的输出端与LED 数码管之间连接有限流电阻
8
4 2 1 5.1K*4
p1.7 0 p1.6 1 p1.5 2 p1.4 3
U?
8031
+5
图7 LED数码管的引脚图
图8温度显示电路
（八）报警电路设计
本设计采用压电式警报器，它主要由压电蜂鸣片、多谐振荡器、共鸣箱及阻抗匹配器、外壳等组成。

有的压电式蜂鸣器外壳上还装有发光二极管。

多谐振荡器由集成电路或晶体管构成。

当接通电源后（1.5～15V直流工作电压）,多谐振荡器起振,输出频率为1.5～2.5kHZ的音频信号，阻抗匹配器推动压电蜂鸣片发声。

图5-3 超限报警电路
三、课程设计总结
通过本次课程设计，让我受益良多。

在设计中，我查阅了大量的书籍和电子资料、认真学习了相关知识，并将所学知识应用在设计中。

原来我学习计算机控制的时候，基本上不清楚学习的理论知识如何应用在实践中，所以觉得计控学习起来比较难，经过这次课程设计，让我清楚了计算机控制的一些理论在实践中的应用。

计算机控制技术是一门以电子技术、自动控制技术、计算机应用技术为基础，以计算机控制技术为核心，综合可编程控制技术、单片机技术、计算机网络技术，从而实现生产技术的精密化、生产设备的信息化、生产过程的自动化及机电控制系统的最佳化的专门学科。

经过了这次课程设计，我发现学到了很多的东西，首先我觉得能把自己所学到的东西应用到实践中去，这是一个很大的收获。

其次，仅仅是所学到的东西根本就不能满足工程或者说一个具体的项目的要求，要完成一个具体的项目，需要额外的学习很多新的东西，因此不能满足于自己的所学，应该养成终身学习的态度。