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东华理工学院毕业设计（论文）目录电加热炉温度控制系统模型建立及控制算法本文以电加热炉为控制对象.通过对电加热炉对象特性的分析来确定电加热炉系统的构成及控制方案。而这里主要采用的设计方案是普通电加热炉温度控制系统模型建立及控制算法,对电加热炉的温度进行控制的计算机控制系统，所含系统结构复杂，干扰多。这个系统结构简单，实施容易。对炉温控制，采用的主要是由8051单片机组成系统。此外由于PID算法具有计算量小，控制器结果简单，静动态性能指标好等特点，则应用了PID控制算法。本文还建立电加热炉数学模型。此外在论文中也介绍了史密斯预估方案，以及关于占空比，这两个问题都有在论文中提到，其中史密斯预估方案对系统的稳态性能影响很大，而占空比问题也对系统温度加热时间有很大关系。出此之外，论文中还介绍了电加热炉温度控制系统中要运用到的主要芯片.以及这些芯片在系统中的各自功能也都有介绍。此论文重点讨论了电加热炉温度控制系统系统的控制算法，关键词电加热炉；温度控制；单片机；PID算法;目录绪论………………………………………………………………………………………11.电加热炉温度控制系统的构成…………………………………………………….21.1各个主要元件电加热炉温度控制系统中的功能……………………………..21.2电加热炉温度控制系统的结构框图及工作原理...……………………………21.3系统中要用的主要芯片的简介…………………………………………………31.3.18051芯片简介………………………………………………………………31.3.2定时计数器…………………………………………………………………51.3.3锁存器74LS373................................................61.3.4光可控硅……………………………………………………………………61.3.58279芯片的简介..…………………………………………………………10东华理工学院毕业设计（论文）目录1.3.6A/D转换器..……………………………………………………………….121.3.7电源电路…...………………………………………………………………131.4电加热炉温度控制系统的控制实例……………………………………………142..电加热炉温度控制系统的控制算法…………………………………………………152.1电加热炉温度控制系统的性能指标……………………………………………152.2电加热炉温度控制系统数学模型的建立………………………………………152.3PID控制器的控制算法………………………………………………………….162.3.1PID调节器参数对控制性能的影响……………………………………….182.3.2PID控制系统参数设定及其控制系统的优点…………………………….182.4电加热炉积分分离PID控制的仿真研究……………………………………..203.控制系统的仿真实验图及分析……………………………………………………213.1积分分离PID控制算法…………………………………………………………213.2占空比……………………………………………………………………………...25结论………………………………………………………………………………………27致谢………………………………………………………………………………………28参考文献…………………………………………………………………………………29附录1…………………………………………………………………………………….30附录2……………………………………………………………………………………49绪论电加热炉的出现，给人类的生活带来了很多方便，使人类不管是在生活还是在工业方面都有了很多便利之处。但是电加热炉主要应用还是在生产过程、实验室及研究所。电加热炉本身可由多组炉丝提供功率，用多组温度传感器检测炉内温度，因此电加热炉属多区温度系统。控制理论从经典理论、现代理论已经发展到更先进的控制理论，控制系统也由简单的控制系统、大系统发展到今天的复杂系统。本文讨论的电加热炉炉温控制系统由上下两组炉丝进行加热，用上下两组热电偶检测炉温。本文所采用的电加热炉温度控制，采用的是适用于工业控制的8051单片机组成的控制系统。为了降低电加热炉的成本，系统要求采用实现温度闭环控制，控制温度误差范围5°C，调节温度的超调量小于30%，系统被测参数是温度，由单片机PID运算得出的控制量控制光控可控硅的导通和关断，以便切断或接通加热电源，调整电功率，从而控制电加热炉的温度稳定在设定的值上，并实时显示炉内温度，记录温度的变化过程，以更好的控制电加热炉工作。本系统较理想地解决了炉温控制中平稳性、快速性与精度之间的矛盾。东华理工学院毕业设计（论文）电加热温度控制系统的构成2电加热炉是一种将电能转换为热能，在工矿企业和日常生活中，是一种常见的设备。在社会发展的今天，电加热炉的使用，即可以提高生产效益，节约能源，也减少了环境的污染，在社会经济发展和改善人民生活质量等方面的优点早已成为社会的共识。随着社会经济的不断发展，科技水平的进步，人民生活水平的提4高，将使社会带入一个新的阶段。人们对热能的需求质量越来越大，电加热炉的优越性越发的突出来，这样就出现了一个问题，由于传统的电加热炉存在一定的弊端而造成能源的浪费，导致其生产效率低，其主要原因是缺少有效的调节设备，导致的浪费。如何解决这一问题，满足社会的需求，设计得更加科学、合理，在全国仍在探讨。并且现代电加热炉的控制方法由于数学深奥、算法复杂、现场工程师难以理解和接受，因而先进控制算法的推广受到制约，为克服以上种种困难，将来的电加热炉以控制算法简单，静动态性能好的特点，有较高的实用价值和理论价值，特别是以节约能源、保护环境的方向发展。1.电加热温度控制系统的构成此次设计的电阻炉温度控制系统，主要包括8051单片机、温度控制检测元件和变送器、A/D转换器、键盘与显示器、温度控制电路和报警电路等几个部分。1.1各主要芯片的在电加热炉温度控制系统中的功能。首先该系统选用性能价格比较高的适用于工业控制MCS—51系列单片机8051作为主机，具有控制方便、简单和灵活性等特点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能大大提高产品的质量和数量。其次是应用了定时/计数器。定时/计数器控制寄存器TCON的作用是控制定时器的启、停，标志定时器的溢出和中断情况。此外还应用了锁存器74LS373。74LS373片内是8个输出带三态门的D锁存器，缩存器中内容可以根据设置的电平的高低对内容进行更新和保存。还有应用到了光控可控硅。晶闸管又叫硅可控整流元件，常简称为可控硅不只是用5来进行可控整流．它还可以用作无触点开关以快速接通或切断电路，实现将直流电东华理工学院毕业设计（论文）电加热温度控制系统的构成3变成交流电的逆变，将一种额率的交流电变成另—种频率的交流电，8279芯片，它是一种可编程的键盘/显示器接口芯片。它含键盘输入和显示输出两种功能。A/D转换器:这里采用ADC0809A/D转换器。通过一个串行三态输出端与主处理器或其外围的串行口通信，可与主机高速传输数据，可编程输出数据长度和格式。热电偶:常用的热电偶有好多种，根据我们实际所需要的，在这里我采用铂铑。这种热电偶可在1600°C以下范围内长期工作，短期可测1800°C的高温。1.2电加热炉温度控制系统的结构框图及工作原理图1-1系统结构框图工作原理：热电偶用来检测炉温，将电阻炉中的温度转变成毫伏级的电压信号，经温度变送器放大并转换成电流信号。由于A/D转换器接受的是电压量，所以在温度变送器的输出端介入电阻网络，把得到的电流信号转换成电压信号。通过采样和A/D转换，所检测得到的电压信号和炉温给定的电压信号都转换成数字量送入到微型机中进行比较，其差值即为实际电炉和给定炉温间的偏差。微型机构成的数字控制器对偏差按一定的控制规律进行运算，运算结果送D/A转换器转换成模拟电压，经功率放大器放大后送到晶闸管调压器，触发晶闸管并改变其导通角的大小，从而控制电阻炉的加温电压，起到调节炉温的作用。1.3系统中要用到的主要芯片的简介1.3.180518051单片机包含中央处理器、程序存储器(ROM)、数据存储器(RAM)、定时/计数器、并行接口、串口接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线，具体介绍如下：软盘显示报警显示A/D光控可控硅热电偶8051电加热炉变送器东华理工学院毕业设计（论文）电加热温度控制系统的构成4中央处理器：中央处理器(CPU)是整个单片机的核心部件，是8位数据宽度的处理器，能处理8位二进制数据或代码，CPU负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。数据存储器(RAM)：8051内部有128个8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元，它们是统一编址的，专用寄存器只能用于存放控制指令数据，用户只能访问，而不能用于存放用户数据，所以，用户能使用的的RAM只有128个，可存放读写的数据，运算的中间结果或用户定义的字型表。程序存储器(ROM)：8051共有4096个8位掩膜ROM，用于存放用户程序，原始数据或表格。定时/计数器(ROM)：8051有两个16位的可编程定时/计数器，以实现定时或计数产生中断用于控制程序转向。并行输入输出(I/O)口：8051共有4组8位I/O口(P0、P1、P2或P3)，用于对外部数据的传输。全双工串行口：8051内置一个全双工串行通信口，用于与其它设备间的串行数据传送，该串行口既可以用作异步通信收发器，也可以当同步移位器使用。中断系统：8051具备较完善的中断功能，时钟电路：8051内置最高频率达12MHz的时钟电路，用于产生整个单片机运行的脉冲时序，但8051单片机需外置振荡电容[2]MCS-51的引脚说明：8051采用40Pin封装的双列直接DIP结构，下图是它们的引脚配置，40个引脚中，正电源和地线两根，外置石英振荡器的时钟线两根，4组8位共32个I/O口，中断口线与P3口线复用。功能如下说明：Pin20:接地脚Pin40:正电源脚，正常工作或对片内EPROM烧写程序时，接+5V电源。Pin19:时钟XTAL1脚，片内振荡电路的输入端。Pin18:时钟XTAL2脚，片内振荡电路的输出端。输入输出(I/O)引脚：Pin39-Pin32为P0.0-P0.7输入输出脚也可作为低8位地址总线，Pin1-Pin1为P1.0-P1.7输入输出脚，Pin21-Pin28为P2.0-P2.7输入输出脚也可作为高8位地址总线，Pin10-Pin17为P3.0-P3.7输入输出脚还具有第二功能，功能如下图所示。Pin9:RESET/Vpd复位信号复用脚，当8051通电，时钟电路开始工作，在RESET引脚上出现24个时钟周期以上的高电平，系统即初始复位。初始化后，程序计数器PC指向0000H，P0-P3输出口全部为高电平，堆栈指钟写入07H，其它专用寄存器被清“0”。RESET由高电平下降为低电平后，系统即从0000H地址开始执行程序。然而，初始复位不改变RAM（包括工作寄存器R0-R7）的状态，8051的初始态如下表：东华理工学院毕业设计（论文）电加热温度控制系统的构成5表1-18051初始态Pin30:ALE/PROE当访问外部程序器时，ALE(地址锁存)的输出用于锁存地址的低位字节。而访问内部程序存储器时，ALE端将有一个1/6时钟频率的正脉冲信号，这个信号可以用于识别单片机是否工作，也可以当作一个时钟向外输出。更有一个特点，当访问外部程序存储器，ALE会跳过一个脉冲。如果单片机是EPROM，在编程其间，PROE将用于输入编程脉冲。Pin29:当访问外部程序存储器时，此引脚输出负脉冲选通信号，PC的16位地址数据将出现在P0和P2口上，外部程序存储器则把指令数据放到P0口上，由CPU读入并执行。[4]Pin31:EA/Vpp程序存储器的内外部选通线，8051和87