一、摘 要
溫度是工業對象中主要的被控參數之一。特別是在冶金、化工、機械各類工業中，廣泛使用各種加熱爐、熱處理爐、反應爐等。由于爐子的種類不同，所采用的加熱方法及燃料也不相同，如煤氣、天然氣等。但就控制系統本身的動態特性而言，均屬于一階純滯后環節，在控制算法上基本相同，可采用PID控制或其他純滯后補償算法。
為了保證生產過程正常安全地進行，提高產品的質量和數量，以及減輕工人的勞動強度，節約能源，對加熱用的各種電爐要求在一定條件下保持恒溫，不能隨電源電壓波動或爐內物體而變化，或者有的電爐的爐溫根據工藝要求按照某個指定的升溫或保溫規律而變化，等等。
因此，在工農業生產或科學實驗中常常對溫度不僅要不斷地測量，而且要進行控制。
二、總體方案設計
設計任務
用一臺計算機及相應的部件組成電阻爐爐溫的自動控制系統，并使系統達到工藝要求的性能指標。
1、設計內容及要求
電阻加熱爐用于合
金鋼產品熱力特性實驗，電加熱爐用電爐絲提供功率，使其在預定的時間內將爐內溫度穩定到給定的溫度值。在本控制對象電阻加熱爐功率為8KW，有220V交流電源供電，采用雙向可控硅進行控制。
系統模型：
2、工藝要求
按照規定的曲線進行升溫和降溫，溫度控制范圍為50—350℃，升溫和降溫階段的溫度控制精度為+5℃，保溫階段溫度控制精度為+2℃。
3、要求實現的系統基本功能
微機自動調節：正常工況下，系統投入自動。
模擬手動操作：當系統發生異常，投入手動控制。
微機監控功能：顯示當前被控量的設定值、實際值，控制量的輸出值，參數報警時有燈光報警。
4、對象分析
在本設計中，要求電阻爐爐內的溫度，按照上圖所示的規律變化，從室溫開始到50℃為自由升溫階段，當溫度一旦到達50℃，就進入系統調節，當溫度到達350℃時進入保溫段，要始終在系統控制下，一保證所需的爐內溫度的精度。加工結束，要進行降溫控制。保溫段的時間為600—1800s。過渡過程時間：即從開始控制到進入保溫階段的時間要小于600s。在保溫段當溫度高于352℃或低于348℃時要報警，在升溫和降溫階段也要進行控制，使爐內溫度按照曲線的斜率升或降。
采用MCS—51單片機作為控制器，ADC0809模數轉換芯片為模擬量輸入，DAC0832數模轉換芯片為模擬量輸出，鉑電阻為溫度檢測元件，運算放大器和可控硅作為功率放大，電阻爐為被控對象，組成電阻爐爐溫控制系統，另外，系統還配有數字顯示，以便顯示和記錄生產過程中的溫度和輸出值。
5、系統功能設計
計算機定時對爐溫進行測量和控制一次，爐內溫度是由一鉑電阻溫度計來進行測量，其信號經放大送到模數轉換芯片，換算成相應的數字量后，再送入計算機中進行判別和運算，得到應有的電功率數，經過數模轉換芯片轉換成模擬量信號，供給可控硅功率調節器進行調節，使其達到爐溫變化曲線的要求。
三、硬件的設計和實現
1、計算機機型：MCS—51 8031（不包含ROM、EPROM）
系統總線：PC總線
2、設計輸入輸出通道
輸入通道：因為所控的實際溫度在50 ～ 350℃左右，即（350－50）＝300所以選用8位A/D轉換器，其分辨率約為1.5℃/字，再加放大器偏置措施實現。（通過調整放大器的零點來實現偏置）這里采用一般中速芯片ADC0809。ADC0809是帶有8位A/D轉換器，8路多路開關以及微型計算機兼容的控制邏輯的CMOS組件，其轉換方法為逐次逼近型。8路的模擬開關由地址鎖存器和譯碼器控制，可以在8個通道中任意訪問一個通道的模擬信號。
輸出通道：據其實際情況，D/A轉換器的位數可低于A/D轉換器的位數，因為一般控制系統對輸出通道分辨率的要求比輸入通道的低，所以這里采用常用的DAC0832芯片
DAC0832是8位D/A轉換器，與微處理器完全兼容。期間采用先進的CMOS工藝，因此功耗
低，輸出漏電流誤差較小。因DAC0832電流輸出型D/A轉換芯片，為了取得電壓輸出，需在電流輸出端接運算放大器，Rf為為運算放大器的反饋電阻端。
3、設計支持計算機工作的外圍電路
矩陣鍵盤技術：
溫度輸出顯示技術：
LED靜態顯示接口技術，所謂靜態顯示,即CPU輸出顯示值后,由硬件保存輸出值,保持顯示結果.
特點:占用機時少,顯示可靠.但元件多,線路復雜、成本高，功耗大。
報警電路設計：正常運行時綠燈亮，在保溫階段爐內溫度超出系統允差范圍，就要進行報警。報警時報警燈亮，電笛響，同時發送中斷信號至CPU進行處理。
4、元器件的選擇
傳感器的選擇：鉑銠10—鉑熱電偶，S型，正極性，量程0—1300C，使用溫度小于等于600C，允差+1.5C。
執行元件的選擇：電阻加熱爐采用晶閘管（SCR）來做規律控制，結合電阻爐的具體要求，為了減少爐溫的紋波，對輸出通道采用較高的分辨率的方案，因此采用移相觸發方式，并且由模擬觸發器實現移相觸發。
變送器的選擇：因為系統要求有偏置，又需要對熱電偶進行冷端補償，所以采用常規的DDZ系列溫度變送器。
控制元件：采用雙向可控硅進行控制，其功能相當于兩個單向可控硅反向連接，具有雙向導通功能，其通斷狀態有控制極G決定。在控制極加上脈沖可使其正向或反向導通。
第4章 數字控制系統設計
4.1 系統控制參數確定
4.1.1 被控參數選擇
單回路控制系統選擇被控參數時要遵循以下原則：在條件許可的情況下，首先應盡量選擇能直接反應控制目的的參數為被控參數；其次要選擇與控制目的有某種單值對應關系的間接單數作為被控參數；所選的被控參數必須有足夠的變化靈敏度。
綜合以上原則，在本系統中選擇物料的出口溫度θ作為被控參數。該參數可直接反應控制目的。
4.1.2 控制參數選擇
工業過程的輸入變量有兩類：控制變量和擾動變量。其中，干擾時客觀存在的，它是影響系統平穩操作的因素，而操縱變量是克服干擾的影響，使控制系統重新穩定運行的因素。而控制參數選擇的基本原則為：
① 選擇對所選定的被控變量影響較大的輸入變量作為控制參數；
② 在以上前提下，選擇變化范圍較大的輸入變量作為控制參數，以便易于控制；
③ 在①的基礎上選擇對被控變量作用效應較快的輸入變量作為控制參數，使控制系統響應較快；
綜合以上原則，選擇燃料的流量Qg量作為控制參數。
4.2 PID調節器設計
對溫度的控制算法, 采用技術成熟的PID 算法, 對于時間常數比較大的系統來說, 其近似于連續變化, 因此用數字PID 完全可以得到比較好的控制效果。簡單的比例調節器能夠反應很快, 但不能完全消除靜差, 控制不精確, 為了消除比例調節器中殘存的靜差, 在比例調節器的基礎上加入積分調節器, 積分器的輸出值大小取決于對誤差的累積結果, 在差不變的情況下, 積分器還在輸出直到誤差為零, 因此加入積分調節器相當于能自動調節控制常量, 消除靜差, 使系統趨于穩定。積分器雖然能消除靜差, 但使系統響應速度變慢。
進一步改進調節器的方法是通過檢測信號的變化率來預報誤差, 并對誤差的變化作出響應, 于是在PI調節器的基礎上再加上微分調節器, 組成比例、積分、微分( PID)調節器, 微分調節器的加入將有助于減小超調, 克服振蕩, 使系統趨于穩定, 同時加快了系統的穩定速度,縮短調整時間, 從而改善了系統的動態性能, 其控制規律的微分方程為:
傳遞函數為：
用PID 控制算法實現加熱爐溫度控制是這樣一個反饋過程: 比較實際物料出口溫度和設定溫度得到偏差, 通過對偏差的處理獲得控制信號, 再去調節加熱爐的燃料流量, 從而實現對爐溫的控制, 由于加熱爐一般都是下一階段對象和帶純滯后的一階對象, 所以式中Kp、K d 和K i的選擇取決于加熱爐的響應特性和實際經驗。
4.3 控制算法
電阻加熱爐溫度控制系統框圖：
整個閉環系統可用一個帶純滯后的一階慣性環節來近似，所以其控制算法采用大林算法。電阻加熱爐溫度控制系統模型為
其廣義的傳遞函數為：
大林算法的設計目標是設計一個合適的數字控制器，使整個閉環系統的傳遞函數相當于一個帶有純滯后的一階慣性環節，即：
通常認為對象與一個零階保持器相串聯， 相對應的整個閉環系統的脈沖傳遞函數是：
4.4 計算過程：
連同零階保持器在內的系統廣義被控對象的傳遞函數
系統閉環傳遞函數
數字控制器：
消除振鈴現象后的數字控制器：
將上式離散化：U（Z）—U（Z）Z—1=1.279E（Z）—1.226E（Z）Z—1
U（K）—U（K—1）=1.279E（K）—1.226E（K—1）
最終得：U（K）=U（K—1）+1.279E（K）—1.226E（K—1）
第5章 控制儀表的選型和配置
5.1 檢測元件
溫度的測量方式有接觸式測溫和非接觸式測溫兩大類。本系統選擇接觸式測溫元件。其中較為常用的有熱電偶、熱電阻和集成溫度傳感器三種，本系統選擇熱電偶作為測溫元件，其電路原理圖如下圖所示：
圖5-1 熱電偶電路原理圖
5.2 變送器
5.2.1 變送器選型
本系統中的變送器用于溫度信號變送，故選擇溫度變送器。其中較為常用的有模擬式溫度變送器、一體化溫度變送器和智能式溫度變送器三種，本系統采用典型模擬式溫度變送器中的DDZ-III型熱電偶溫度變送器，屬安全火花型防暴儀表，還可以與作為檢測元件的熱電偶相配合，將溫度信號線性的轉換成統一標準信號。變送器構成方框圖如圖5-2所示。
圖5-2 電動III型熱電偶典型模擬溫度變送器構成方框圖
5.2.2 變送器配置
本設計選用放入是KBW—1131型熱電偶溫度變送器。
1.主要技術參數：
名稱 | 性能 |
輸入信號 | 最小量程≥3mV，最大量程<80mV |
輸出信號 | 1~5VDC或4~20mADC |
負載電阻 | 0~500Ω |
精度 | ±0.5%（量程范圍大≥5mV） ±1.0%(5mV>量程≥3mV) |
工作條件 | 環境溫度：5~40℃ 相對濕度：10%~75% 供電電源：24V±2.4VDC |
功率 | 2W |
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表5.1 熱電偶溫度變送器參數表
