基于PID电加热炉温度控制系统设计(共20页).doc
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1、精选优质文档-倾情为你奉上基于PID电加热炉温度控制系统设计纪和增摘要 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。关键字 PID;电加热炉;温度控制系统;单片机1 绪论在本控
2、制对象电阻加热炉功率为8可W,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50350C,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: 其中:时间常数Td=350秒,放大系数Kd=50,滞后时间=10秒,控制算法选用改PID控制实时温度采样显示设定值单片机设定温度电源控制电阻加热炉图1.1系统总体结构图2 控制系统的建模和数字控制器设计数字PID控制算法 在电子数字计算机直接数字控制系统中,PID控制器是通过计算机PID控制算法程序实现的。计算机直接
3、数字控制系统大多数是采样-数据控制系统。进入计算机的连续-时间信号,必须经过采样和整量化后,变成数字量,方能进入计算机的存贮器和寄存器,而在数字计算机中的计算和处理,不论是积分还是微分,只能用数值计算去逼近。受控对象PID位置算法reuy+-图2.1位置PID控制算法简化示意图 在数字计算机中,PID控制规律的实现,也必须用数值逼近的方法。当采样周期相当短时,用求和代替积分,用差商代替微商,使PID算法离散化,将描述连续时间PID算法的微分方程,变为描述离散-时间PID算法的差分方程。 用矩形积分时,有 (1) 用差分代替微分 (2) 由上式得 (3) 式中 u0控制量的基值,即k=0时的控制
4、;u(k)第k个采样时刻的控制;KP比例放大系数;KI积分放大系数; KD微分放大系数;TS采样周期。 式(3)是数字PID算法的非递推形式,称全量算法。算法中,为了求和,必须将系统偏差的全部过去值e(j)(j=1,2,3,. ,k)都存储起来。这种算法得出控制量的全量输出u(k),是控制量的绝对数值。在控制系统中,这种控制量确定了执行机构的位置,例如在阀门控制中,这种算法的输出对应了阀门的位置(开度)。所以,将这种算法称为“位置算法”。当执行机构需要的不是控制量的绝对值,而是控制量的增量(例如去驱动步进电动机)时,需要用PID的“增量算法”。yuerPID增量算法受控对象-+步进电机u 由位
5、置算法求出 再求出 两式相减,得出控制量的增量算法 (4) 式(4)称为增量式PID算法。对增量式PID算法(4)归并后,得 (5) 其中(5)已看不出是PID的表达式了,也看不出P、I、D作用的直接关系,只表示了各次误差量对控制作用的影响。从式(5)看出,数字增量式PID算法,只要贮存最近的三个误差采样值e(k),e(k-1),e(k-2)就足够了。3 硬件的设计和实现3.1 AT89C51系列基本组成及特性AT89C51是一种带4K字节FLASH(FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory)的低电压、高性能CMOS 8位微处
6、理器,俗称。AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除的单片机。图3.1AT89C51管脚管脚说明:VCC:供电电压。 GND:接地。 P0口:P0口为一个8位漏级开路双向I/O口,每脚可吸收8TTL门电流。当P0口的管脚第一次写1时,被定义为输入。P0能够用于外部程序数据存储器,它可以被定义为数据/地址的低八位。在FIASH编程时,P0 口作为原码输入口,当FIASH进行校验时,P0输出原码,此时P0外部必须接上拉电阻。 P1口:P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口,P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后,被内部上拉为高,可用作输入,P1口被外部下拉为低电
7、平时,将输出电流,这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时,P1口作为低八位地址接收。 P2口:P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2口缓冲器可接收,输出4个TTL门电流,当P2口被写“1”时,其管脚被内部上拉电阻拉高,且作为输入。并因此作为输入时,P2口的管脚被外部拉低,将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时,P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时,它利用内部上拉优势,当对外部八位地址数据存储器进行读写时,P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3口:P
8、3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口,可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后,它们被内部上拉为高电平,并用作输入。作为输入,由于外部下拉为低电平,P3口将输出电流(ILL)这是由于上拉的缘故。 P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口,如下表所示: 口管脚备选功能:P3.0 RXD(串行输入口) P3.1 TXD(串行输出口) P3.2 /INT0(外部中断0) P3.3 /INT1(外部中断1) P3.4 T0(记时器0外部输入) P3.5 T1(记时器1外部输入) P3.6 /WR(外部数据存储器写选通) P3.7 /RD(外部数据存储器读选通) P3口同时为闪烁编程和
9、编程校验接收一些控制信号。 RST:复位输入。当振荡器复位器件时,要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。 ALE/PROG:当访问外部存储器时,地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。在FLASH编程期间,此引脚用于输入编程脉冲。在平时,ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号,此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是:每当用作外部数据存储器时,将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时, ALE只有在执行MOVX,MOVC指令是ALE才起作用。另外,该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止,置位
10、无效。 /PSEN:外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间,每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时,这两次有效的/PSEN信号将不出现。 /EA/VPP:当/EA保持低电平时,则在此期间外部程序(0000H-FFFFH),不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时,/EA将内部锁定为RESET;当/EA端保持高电平时,此间内部程序存储器。在FLASH编程期间,此引脚也用于施加12V编程电源(VPP)。 XTAL1:反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2:来自反向振荡器的输出。 振荡器特性: XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。
11、该反向放大器可以配置为片内振荡器。振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件,XTAL2应不接。有余输入至内部要通过一个二分频触发器,因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求,但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。 3.2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50350C,经测量电路采样后输出25V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
12、中温(-200650)范围的温度测量中。PT100是一种广泛应用的测温元件,在-50600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
13、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R1R2,VR2为100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R3R4、 R5R6、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
14、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100,当电位器阻值调至109.885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*(RPt10
15、0/(R1+RPt100)- RVR2/(R1+RVR2) (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。3.3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。(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
16、,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.
17、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)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。
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