电加热炉温度控制系统设计

武汉华夏理工学院信息工程课程设计报告书课程名称计算机控制技术课程设计课程设计总评成绩学生姓名、学号学生专业班级自动化1142指导教师姓名李文彦课程设计起止日期2017.06.12-2016-6.23课程设计基本要求课程设计是工科学生十分重要的实践教学环节，通过课程设计，培养学生综合运用先修课程的理论知识和专业技能，解决工程领域某一方面实际问题的能力。课程设计报告是科学论文写作的基础，不仅可以培养和训练学生的逻辑归纳能力、综合分析能力和文字表达能力，也是规范课程设计教学要求、反映课程设计教学水平的重要依据。为了加强课程设计教学管理，提高课程设计教学质量，特拟定如下基本要求。1.课程设计教学一般可分为设计项目的选题、项目设计方案论证、项目设计结果分析、答辩等4个环节，每个环节都应有一定的考核要求和考核成绩。2.课程设计项目的选题要符合本课程设计教学大纲的要求，该项目应能突出学生实践能力、设计能力和创新能力的培养；该项目有一定的实用性，且学生通过努力在规定的时间内是可以完成的。课程设计项目名称、目的及技术要求记录于课程设计报告书一、二项中，课程设计项目的选题考核成绩占10%左右。3.项目设计方案论证主要包括可行性设计方案论证、从可行性方案中确定最佳方案，实施最佳方案的软件程序、硬件电路原理图和PCB图。项目设计方案论证内容记录于课程设计报告书第三项中，项目设计方案论证主要考核设计方案的正确性、可行性和创新性，考核成绩占30%左右。4.项目设计结果分析主要包括项目设计与制作结果的工艺水平，项目测试性能指标的正确性和完整性，项目测试中出现故障或错误原因的分析和处理方法。项目设计结果分析记录于课程设计报告书第四项中，考核成绩占25%左右。5.学生在课程设计过程中应认真阅读与本课程设计项目相关的文献，培养自己的阅读兴趣和习惯，借以启发自己的思维，提高综合分和理解能力。文献阅读摘要记录于课程设计报告书第五项中，考核成绩占10%左右。6.答辩是课程设计中十分重要的环节，由课程设计指导教师向答辩学生提出2～3个问题，通过答辩可进一步了解学生对课程设计中理论知识和实际技能掌握的程度，以及对问题的理解、分析和判断能力。答辩考核成绩占25%左右。7.学生应在课程设计周内认真参加项目设计的各个环节，按时完成课程设计报告书交给课程设计指导教师评阅。课程设计指导教师应认真指导学生课程设计全过程，认真评阅学生的每一份课程设计报告，给出课程设计综合评阅意见和每一个环节的评分成绩（百分制），最后将百分制评分成绩转换为五级分制（优秀、良好、中等、及格、不及格）总评成绩。8.课程设计报告书是实践教学水平评估的重要资料，应按课程、班级集成存档交实验室统一管理。课程设计任务书（八）学生姓名：专业班级：自动化1142指导教师：李文彦工作单位：信息工程系题目:电加热炉温度控制系统设计（一）初始条件：1、设计一个单片机电阻炉温度控制系统，控制对象为电阻加热炉功率为8KW，220V交流电源供电，利用大功率可控硅控制器控制热阻丝两端所加的电压大小，来改变流经热阻丝的电流，从而改变电炉炉内的温度。温度范围50-350℃，控制精度为±1℃，通过LED显示温度，其对象温控数学模型为：其中Td＝350秒，Kd＝50，τ=10秒。要求完成的主要任务:1、硬件设计：设计系统总体电路，设计输入通道及输出通道，分析的工作原理；2、软件设计：设计系统的总体程序程图，编写PID算法程序，从键盘接受Kp、Ti、Td、T；编写显示程序；3、采用PID算法，通过数据分析Kp改变时对系统超调量的影响；在MATLAB/SIMULINK上对控制算法进行仿真；4、仿真并调试设计的部分硬件电路和软件程序；5、完成符合要求的课程设计说明书；6、课程设计说明书要求：引言、设计要求、系统结构设计、原理分析、各个模块的设计与仿真、软件设计、调试过程、收获、体会及总结、参考文献、电路图和源程序。说明书使用A4打印纸计算机打印或手写，用Protel等绘图软件绘制电子线路图纸。时间安排：第1～2天下达课程设计任务书和日程安排，根据任务书查找资料；第3-4天完成方案论证比较，设计系统的总体结构；第4～5天详细设计系统的各部分的硬件电路；第6～7天详细总体软件及各部分的程序流程，完成程序的编写第7～8天仿真并调试设计的部分硬件电路和软件程序；第9～10天结果分析整理、撰写课程设计报告，验收和答辩。指导教师签名：年月日1sTeKsGds-d）（一、课程设计项目名称电加热炉温度控制系统设计（一）二、项目设计目的及技术要求1、硬件设计：用51单片机设计系统总体电路，设计输入通道及输出通道，分析的工作原理；2、软件设计：设计系统的总体程序程图，编写积分分离PID算法程序，从键盘接受Kp、Ti、Td、T及β的值；编写显示程序；3、采用PID算法，通过数据分析Kp改变时对系统超调量的影响；在MATLAB/SIMULINK上对控制算法进行仿真；4、仿真并调试设计的部分硬件电路和软件程序；5、完成符合要求的课程设计说明书；6、课程设计说明书要求：引言、设计要求、系统结构设计、原理分析、各个模块的设计与仿真、软件设计、调试过程、收获、体会及总结、参考文献、电路图和源程序。说明书使用A4打印纸计算机打印或手写，用Protues等绘图软件绘制电子线路图纸。三、项目设计方案论证3.1．方案论证比较3.1.1.硬件选择微型计算机是指由微处理器加上采用大规模集成电路制成的程序存储器和数据存储器，以及输入输出设备相连接的I/O接口电路，微型计算机简称MC。如果将微处理器、存储器和输入/输出接口电路集成在一块集成电路芯版上，称为单片微型计算机，简称单片机。本次设计选用的是AT89C51，是MCS-51单片机系列的一种。其结构体系完整、指令系统功能完善、内部寄存器规范、性能优越、技术成熟、具有高可靠性和高性价比。它提供以下标准功能：4k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。3.1.2.算法选择由于计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值来计算控制量。因此，在计算机控制系统中，必须首先对式（3-1）进行离散化处理，用数字形式的差分方程代替连续系统的微分方程，此时积分项和微分项可用求和及增量式表达。对温度的控制算法，采用技术成熟的PID算法，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完全可以得到比较好的控制效果。简单的比例调节器能够反应很快，但不能完全消除静差，控制不精确，为了消除比例调节器中残存的静差，在比例调节器的基础上加入积分调节器，积分器的输出值大小取决于对误差的累积结果，在误差不变的情况下，积分器还在输出直到误差为零，因此加入积分调节器相当于能自动调节控制常量，消除静差，使系统趋于稳定。积分器虽然能消除静差，但使系统响应速度变慢。进一步改进调节器的方法是通过检测信号的变化率来预报误差，并对误差的变化作出响应，于是在PI调节器的基础上再加上微分调节器，组成比例、积分、微分(PID)调节器，微分调节器的加入将有助于减小超调，克服振荡，使系统趋于稳定，同时加快了系统的稳定速度，缩短调整时间，从而改善了系统的动态性能，其控制规律为：010)1(udtdeTedtTeKudip(3-2)单片机是一种采样控制，它只能根据采样时刻的误差值计算控制变量，不能直接计算公式中的积分项和微分项，采用数值计算法逼近后，PID的调节规律可以通过数值公式010)]([ueeTTeTTeKuiiijdjiip(3-3)计算，如果采样取得足够小，这种逼近可相当准确，被控过程与连续过程十分接近。我们变换上式(3-3)得：][211iiipiiieDeIeKuuuu(3-4)把△ei=ei-ei-1,△2ei=△ei-△ei-1带人上式（3-4）得：)]2()[(2111iiiiiipieeeDeIeeKuu(3-5)式中ei=W—Yi，W为设定值，Yi为第i次实际输出值，Kp为比例系数，积分系数I=T/Ti，微分系数D=Td/T，T为采样周期，以(3-5)式来编程比较方便。用PID控制算法实现温度控制是这样一个反馈过程：比较实际温度和设定炉温得到偏差，通过对偏差的处理获得控制信号，再去调节电加热炉的加热功率，从而实现对炉温的控制，由于电阻炉一般都是下一阶段对象和带纯滞后的一阶对象，所以式中Kp、Kd和Ki的选择取决于电阻炉的响应特性和实际经验。本程序先将用户设定温度和锅炉实际温度T比较，计算出偏差ei，然后分两种情况进行计算控制变量：1．ei大于等于设定的偏差e时，由于积分控制器使系统响应速度变慢，不采用积分控制器调节，直接使用PD调节，获得比较快的动态响应，计算Pd和Pp，最终得到控制量获得比较快的动态响应。2．ei小于设定的设定的偏差e时，正常的分别计算Pi、Pd和Pp，然后根据算法公式计算出控制变量。3.2总体方案设计与原理分析由于温度控制系统的控制对象具有惯性大，连续性的特点。因而可以归于具有纯滞后的一阶大惯性环节。一般来说，热过程大多具有较大的滞后，它对任何信号的响应都会推迟一段时间，使输出与输入之间产生相移。对于这样一些存在大的滞后特性的过渡过程控制，一般来说可以采用以下几种控制方案：3.2.1．输出开关量控制对于惯性较大的过程可以简单地采用输出开关量控制的方法。这种方法通过比较给定值与被控参数的偏差来控制输出的状态：开关或者通断，因此控制过程十分简单，也容易实现。但由于输出控制量只有两种状态，使被控参数在两个方向上变化的速率均为最大，因此容易引起反馈回路产生振荡，对自动控制系统会产生十分不利的影响，甚至会因为输出开关的频繁动作而不能满足系统对控制精度的要求。因此，这种控制方案一般在大惯性系统对控制精度和动态特性要求不高的情况下采用。3.2.2．比例控制（P控制）比例控制的特点是控制器的输出与偏差成比例，输出量的大小与偏差之间有对应关系。当负荷变化时，抗干扰能力强，过渡时间短，但过程始终存在余差。因此它适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、允许被控量在一定范围内变化的系统。使用时还应注意经过一段时间后需将累积误差消除。3.2.3．比例积分控制（PI控制）由于比例积分控制的特点是控制器的输出与偏差的积分成比例，积分的作用使得过渡过程结束时无余差，但系统的稳定性降低。虽然加大比例度可以使稳定性提高，但又使过渡时间加长。因此，PI控制适用于滞后较小、负荷变化不大、被控量不允许有余差的控制系统，它是工程上使用最多、应用最广的一种控制方法。3.2.4．比例积分加微分控制（PID控制）比例积分加微分控制的特点是微分的作用使控制器的输出与偏差变化的速度成正比例,它对克服对象的容量滞后有显著的效果。在比例基础上加上微分作用，使稳定性提高，再加上积分作用，可以消除余差。因此，PID控制适用于负荷变化大、容量滞后较大、控制品质要求又很高的控制系统。结合本例题设计任务与要求，由于温度系统的传递函数事先难以精确获得，因而很难判断哪一种控制方法能够满足系统对控制品质的要求。但从以上对控制方法的分析来看，PID控制方法最适合本例采用。另一方面，由于可以采用单片机实现控制过程，无论采用上述哪一种控制方法都不会增加系统硬件成本，而只需对软件作相应改变即可实现不同的控制方案。因此本系统可以采用PID的控制方式，以最大限度地满足系统对诸如控制精度、调节时间和超调量等控制品质的要求。3.3硬件电路设计与分析3.3.1.系统概况本系统是采用以AT89C51单片机为核心的温度控制系统，通过温度传感器采样实时温度，并通过变