温度控制系统设计

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1、武汉理工大学华夏学院《计算机控制技术》课程设计报告书武汉理工大学华夏学院课程设计报告书题目：系名：专业班级：姓名：学号：指导教师：2011年6月14日11武汉理工大学华夏学院《计算机控制技术》课程设计报告书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

2、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。11武汉理工大学华夏学院《计算机控制技术》课程设计报告书设计任务及要求在本控制对象电阻加热炉功率为800W，由220V交流电供电，采用双向可控硅进行控制。被控对象为电炉，采用热阻丝加热，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。可控硅控制器输入为0－5伏时对应电炉温度0－300℃，温度传感器测量值对应也为0－5伏，对象的特性为带有纯滞后环节的一阶

3、系统，惯性时间常数为T1＝30秒，滞后时间常数为τ＝10秒。其对象问温控数学模型为：要求：1）设计温度控制系统的计算机硬件系统，画出框图；2）编写积分分离PID算法程序，从键盘接受Kp、Ti、Td、T及β的值；3）通过数据分析Kp改变时对系统超调量的影响。4）通过数据分析Td改变时对系统超调量的影响5）撰写设计说明书。其中：时间常数Ti=30秒放大系数Kp=50滞后时间=10秒11武汉理工大学华夏学院《计算机控制技术》课程设计报告书目录1系统硬件设计51.1系统硬件结构框图51.2电源部分51.3采样测量部分61.4驱动执行部分62积分

4、分离PID算法72.1积分分离PID控制72.2流程图73系统测试及数据分析83.1数据分析Kp改变时对系统超调量的影响83.2数据分析Td改变时对系统超调量的影响83.3数据分析Ti改变时对系统超调量的影响8心得体会9参考文献1011武汉理工大学华夏学院《计算机控制技术》课程设计报告书温度控制系统设计1.系统硬件的设计1.1系统硬件结构框图本系统的单片机炉温控制系统结构主要由单片机控制器、可控硅输出部分、热电偶传感器、温度变送器以及被控对象组成。系统硬件结构框图如下：通信接口键盘微型控制机AT89C51温度检测PT100驱动执行机构8

5、路D/A转换器DAC0832测量变送8路A/D转换器ADC0809加热电阻温度图1-1系统硬件结构框图1.2电源部分本系统所需电源有220V交流市电、直流5V电压和低压交流电，故需要变压器、整流装置和稳压芯片等组成电源电路。电源变压器是将交流电网220V的电压变为所需要的电压值，然后通过整流电路将交流电压变为脉动的直流电压。由于此脉动的直流电压还含有较大的纹波，必须通过滤波电路加以滤除，从而得到平滑的直流电压。但这样的电压还随电网电压波动（一般有+-10%左右的波动）、负载和温度的变化而变化。因而在整流、滤波电路之后,还需要接稳压电路。

6、稳压电路的作用是当电网电压波动、负载和温度变化时，维持输出直流电压稳定。整流装置采用二极管桥式整流，稳压芯片采用78L05,配合电容将电压稳定在5V，供控制电路、测量电路和驱动执行电路中弱电部分使用。除此之外，220V交流市电还是加热电阻两端的电压，通过控制双向可控硅的导通与截止来控制加热电阻的功率。低压交流电即变压器二次侧的电压，通过过零检测电路检测交流电的过零点，送入单片机后，由控制程序决定双向可控硅的导通角，以达到控制加热电阻功率的目的。11武汉理工大学华夏学院《计算机控制技术》课程设计报告书1.3采样测量部分在检测装置中，温度检

7、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50~350°C，经测量电路采样后输出0~5V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。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R1＝R2，VR2为100Ω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

8、转换芯片。差动放大电路中R3＝R4、R5＝R6、放大倍数＝R5/R3，运放采用单一5V供电。1.4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