電阻爐溫度控制系統
摘要
隨著科學技術的迅猛發展，各個領域對溫度控制系統的精度、穩定性等要求越來越高，控制系統也千變萬化。電阻爐廣泛應用于各行各業， 其溫度控制通常采用模擬或數字調節儀表進行調節，但存在著某些固有的缺點。而采用單片機進行爐溫控制，可大大地提高控制質量和自動化水平， 具有良好的經濟效益和推廣價值。
本設計以89C51單片機為核心控制器件，以ADC0809作為A/D轉換器件，采用閉環直接數字控制算法，通過控制可控硅來控制熱電阻，進而控制電爐溫度，最終設計了一個滿足要求的電阻爐微型計算機溫度控制系統。
關鍵字：電阻爐 89C51單片機 溫度控制 A/D轉換
1系統的描述與分析
1.1系統的介紹
該系統的被控對象為電爐，采用熱阻絲加熱，利用大功率可控硅控制器控制熱阻絲兩端所加的電壓大小，來改變流經熱阻絲的電流，從而改變電爐爐內的溫度。可控硅控制器輸入為0~5伏時對應電爐溫度0~500℃，溫度傳感器測量值對應也為0~5伏，對象的特性為帶有純滯后環節的一階慣性系統，這里慣性時間常數取T1＝30秒，滯后時間常數取τ＝10秒。
該系統利用單片機可以方便地實現對PID參數的選擇與設定，實現工業過程中PID控制。它采用溫度傳感器熱電偶將檢測到的實際爐溫進行A/D轉換，再送入計算機中，與設定值進行比較，得出偏差。對此偏差按PID規律進行調整，得出對應的控制量來控制驅動電路，調節電爐的加熱功率，從而實現對爐溫的控制。利用單片機實現溫度智能控制，能自動完成數據采集、處理、轉換、并進行PID控制和鍵盤終端處理（各參數數值的修正）及顯示。在設計中應該注意，采樣周期不能太短，否則會使調節過程過于頻繁，這樣，不但執行機構不能反應，而且計算機的利用率也大為降低；采樣周期不能太長， 否則會使干擾無法及時消除，使調節品質下降。
1.2技術指標
設計一個基于閉環直接數字控制算法的電阻爐溫度控制系統具體化技術指標如下：
1.電阻爐溫度控制在0~500℃；
2. 加熱過程中恒溫控制，誤差為±2℃；
3. LED實時顯示系統溫度，用鍵盤輸入溫度，精度為1℃；
4. 采用直接數字控制算法，要求誤差小，平穩性好；
5. 溫度超出預置溫度±5℃時發出報警。
2方案的比較和確定
方案一
系統采用8031作為系統的微處理器。溫度信號由熱電偶檢測后轉換為電信號經過預處理（放大）送到A/D轉換器，轉換后的數字信號再送到8031內部進行判斷或計算。從而輸出的控制信號來控制鍋爐是否加熱。但對于8031來說，其內部只有128個字節的RAM，沒有
程序存儲器，并且系統的程序很多，要完成鍵盤、顯示等功能就必須對8031進行存儲器擴展和I/O口擴展，并且需要容量較大的程序存儲器，外擴時占用的I/O口較多，使系統的設計復雜化。
方案二
系統采用89C51作為系統的微處理器來完成對爐溫的控制和鍵盤顯示功能。8051片內除了128KB的RAM外，片內又集成了4KB的ROM作為程序存儲器，是一個程序不超過4K字節的小系統。系統程序較多時，只需要外擴一個容量較小的程序存儲器，占用的I/O口減少，同時也為鍵盤、顯示等功能的設計提供了硬件資源，簡化了設計，降低了成本。因此89C51可以完成設計要求。
綜上所述的二種方案，該設計選用方案二比較合適。
3控制算法
3.1控制算法的確定
PID調節是連續系統中技術最成熟的、應用最廣泛的一種控制算方法。它結構靈活，不僅可以用常規的PID調節，而且可以根據系統的要求，采用各種PID的變型，如PI、PD控制及改進的PID控制等。它具有許多特點，如不需要求出數學模型、控制效果好等，特別是在微機控制系統中，對于時間常數比較大的被控制對象來說，數字PID完全可以代替模擬PID調節器，應用更加靈活，使用性更強。所以該系統采用PID控制算法。系統的結構框圖如圖3-1所示：
圖3-1 系統結構框圖
3.2數學模型的建立
具有一階慣性純滯后特性的電阻爐系統，其數學模型可表示為：
（2-1）
在PID調節中，比例控制能迅速反應誤差，從而減小誤差，但比例控制不能消除穩態誤差，的加大，會引起系統的不穩定；積分控制的作用是：只要系統存在誤差，積分控制作用就不斷地積累，輸出控制量以消除誤差，因而，只要有足夠的時間，積分控制將能完全消除誤差，積分作用太強會使系統超調加大，甚至使系統出現振蕩；微分控制可以使減小超調量，克服振蕩，提高系統的穩定性，同時加快系統的動態響應速度，減小調整時間，從而改善系統的動態性能。將P、I、D三種調節規律結合在一起，可以使系統既快速敏捷，又平穩準確，只要三者強度配合適當，便可獲得滿意的調節效果。
模擬PID控制規律為：
（2-2）
式中：稱為偏差值，可作為溫度調節器的輸入信號，其中為給定值，為被測變量值；為比例系數；為積分時間常數；為微分時間常數；為調節器的輸出控制電壓信號。
因為計算機只能處理數字信號，故上述數字方程式必須加以變換。設采樣周期為T，第次采樣得到的輸入偏差為，調節器的輸出為，作如下近似：
（用差分代替微分）
（用求和代替積分）
這樣，式（2-2）便可改寫為：
（2-3）
其中， 為調節器第次輸出值；、分別為第次和第次采樣時刻的偏差值。由式可知： 是全量值輸出，每次的輸出值都與執行機構的位置一一對應，所以稱之為位置型PID算法。在這種位置型控制算法中，由于算式中存在累加項，而且輸出的控制量不僅與本次偏差有關，還與過去歷次采樣偏差有關，使得產生大幅度變化，這樣會引起系統沖擊，甚至造成事故。所以在實際中當執行機構需要的不是控制量的絕對值，而是其增量時，可采用增量型PID算法。當控制系統中的執行器為步進電機、電動調節閥、多圈電位器等具有保持歷史位置的功能的這類裝置時，一般均采用增量型PID控制算法。
與位置算法相比，增量型PID算法有如下優點：
（1）位置型算式每次輸出與整個過程狀態字有關，計算式中要用到過去偏差的累加值 ，容易產生較大的累積計算誤差；而在增量型算式中由于消去了積分項，從而可消除調節器的積分飽和，在精度不足時，計算誤差對控制量的影響較小，容易取得較好的控制效果。
（2）為實現手動—自動無憂切換，在切換瞬時，計算機的輸出值應設置為原始閥門開度 ，若采用增量型算法，其輸出對應與閥門位置的變化部分，即算式中不出現 項，所以易于
實現從手動到自動得的無憂動切換。
（3）采用增量型算法時所用的執行器本身都具有寄存作用，所以即使計算機發生故障，執行器仍能保持在原位，不會對生產造成惡劣影響。
正因為具有上述優點，在實際控制中，增量型算法要比位置算法應用更加廣泛。利用位置型PID控制算法，可得到增量型PID控制算法的遞推形式為：
（2-4）
式中，為比例增益；為積分系數；為微分系數。
為了編程方便，可將式（2-4）整理成如下形式：
（2-5）
式中：
4系統軟硬件設計
4.1總體設計
系統的硬件包括微控制器部分（主機）、溫度檢測、溫度控制、人機對話（鍵盤/顯示/報警）4個主要部分，系統的結構框圖如圖4-1所示。
系統程序采用模塊化設計方法，程序有主程序、中斷服務子程序和各功能模塊程序組成，各功能模塊可直接調用。
圖4-1 系統結構框圖
該部分電路主要包括89C51主程序的工作情況，主程序完成系統的初始化，溫度預置及其合法性檢測。預置溫度的顯示及定時器T0的初始化設置等。T0中斷服務程序是溫度控制體系的主體，用于溫度檢測、控制和報警。主程序和中斷服務子程序的流程圖如圖4-2所示。
主程序如下：
TEMP1 EQU 50H ；當前檢測溫度（高位）
TEMP2 EQU TEMQ1+1 ；當前檢測溫度（低位）
ST1 EQU 52H ；預置溫度（高位）
ST2 EQU 53H ；預置溫度（低位）
T100 EQU 54H ；溫度BCD碼顯示緩沖區（百位）
T10 EQU T100+1 ；溫度BCD碼顯示緩沖區（十位）
T EQU T100+2 ；溫度BCD碼顯示緩沖區（個位）
BT1 EQU 57H ；溫度二進制碼顯示緩沖區（高位）
BT2 EQU BT1+1 ；溫度二進制碼顯示緩沖區（低位）
ADIN0 EQU 7FF8H ；ADC 0809通道IN0的端口地址
F0 BIT PSW.5 ；報警允許標志
TEMP1 DB 00H， 00H， 00H， 00H， 00H， 00H， 00H， 00H， 00H ；50H~58H單元初始化(清零)
ORG 0000H
AJMP MAIN ；轉主程序
ORG 00BH
AJMP PT0 ；轉T0中斷服務子程序
ORG 0030H
MAIN： MOV SP，#59H ；設堆棧標志
CLR F0 ；報警標志清零
MOV TMOD，#01H ；定時器0初始化（方式1）
MOV TL0，#0B0H ；定時器100ms定時常數
