1、基于PID電加熱爐溫度控制系統設計 摘 要 基于PID電加熱爐溫度控制系統以PID控制為核心，硬件方面包括電源部分、采樣測量部分、驅動執行部分。PID控制不僅適用于數學模型已知的控制系統中，而且對于大多數數學模型難以確定的工業過程也可應用，在眾多工業過程控制中取得了滿意的應用效果。PID 控制又分為位置式PID 控制和增量式PID 控制，公式4 給出了控制量的全部大小，所以稱之為全量式或者位置式控制；如果計算機只對相鄰的兩次作計算，只考慮在前一次基礎上，計算機輸出量的大小變化，而不是全部輸出信息的計算，這種控制叫做增量式PID 控制算法?？刂葡到y的軟件主要包括：采樣、標度變換、控制計算、控制輸

2、出、中斷、顯示、報警、調節參數修改、溫度設定及修改。其中控制算法采用數字PID調節，應用增量型控制算法，并對積分項和微分項進行改進，以達到更好的控制效果。 關鍵字 電機熱爐；溫度；PID 1概述溫度是工業對象中的很重要參數的之一。廣泛應用在冶金、化工、機械各類加熱爐熱、處理爐和反應爐等工業中。 電加熱爐隨著科學技術的發展和工業生產水平的提高，已經在冶金、化工、機械等各類工業控制中得到了廣泛應用，并且在國民經濟中占有舉足輕重的地位。對于這樣一個具有非線性、大滯后、大慣性、時變性、升溫單向性等特點的控制對象，很難用數學方法建立精確的數學模型，因此用傳統的控制理論和方法很難達到好的控制效果。PID（

3、Proportional Integral Derivative）控制是控制工程中技術成熟、應用廣泛的一種控制策略，經過長期的工程實踐，已形成了一套完整的控制方法和典型的結構。它不僅適用于數學模型已知的控制系統中，而且對于大多數數學模型難以確定的工業過程也可應用，在眾多工業過程控制中取得了滿意的應用效果。在本控制對象電阻加熱爐功率為800W，由220V交流電供電，采用雙向可控硅進行控制。本設計針對一個溫度區進行溫度控制，要求控制溫度范圍50350，保溫階段溫度控制精度為正負1度。選擇合適的傳感器，計算機輸出信號經轉換后通過雙向可控硅控制器控制加熱電阻兩端的電壓。其對象問溫控數學模型為： 其中：

4、時間常數Td=350秒 放大系數Kd=50 滯后時間=10秒 控制算法選用PID控制2系統硬件的設計本系統的單片機爐溫控制系統結構主要由單片機控制器、可控硅輸出部分、熱電偶傳感器、溫度變送器以及被控對象組成。系統硬件結構框圖如下：LED顯示報警提醒通信接口鍵盤看門狗微型控制機AT89S52測量變送8路A/D轉器 ADC0809溫度溫度檢測PT100加熱電阻驅動執行機構8路D/A轉換器DAC0832 圖2.1 系統硬件結構框圖2.1電源部分本系統所需電源有220V交流市電、直流5V電壓和低壓交流電，故需要變壓器、整流裝置和穩壓芯片等組成電源電路。電源變壓器是將交流電網220V的電壓變為所需要的電

5、壓值，然后通過整流電路將交流電壓變為脈動的直流電壓。由于此脈動的直流電壓還含有較大的紋波，必須通過濾波電路加以濾除，從而得到平滑的直流電壓。但這樣的電壓還隨電網電壓波動（一般有10%左右的波動）、負載和溫度的變化而變化。因而在整流、濾波電路之后,還需要接穩壓電路。穩壓電路的作用是當電網電壓波動、負載和溫度變化時，維持輸出直流電壓穩定。整流裝置采用二極管橋式整流，穩壓芯片采用78L05,配合電容將電壓穩定在5V，供控制電路、測量電路和驅動執行電路中弱電部分使用。除此之外，220V交流市電還是加熱電阻兩端的電壓，通過控制雙向可控硅的導通與截止來控制加熱電阻的功率。低壓交流電即變壓器二次側的電壓，通

6、過過零檢測電路檢測交流電的過零點，送入單片機后，由控制程序決定雙向可控硅的導通角，以達到控制加熱電阻功率的目的。2.2采樣測量部分在檢測裝置中，溫度檢測用WZP-231鉑熱電阻（Pt100），采用三線制接法，采樣電路為橋式測量電路，其輸入量程為50350°C，經測量電路采樣后輸出25V電壓，再經模數轉換芯片ADC0809進行轉換，變為數字量后送入單片機進行分析處理。 鉑電阻溫度傳感器是利用其電阻和溫度成一定函數關系而制成的溫度傳感器,由于其測量準確度高、測量范圍大、復現性和穩定性好等,被廣泛用于中溫(-200650)范圍的溫度測量中。PT100是一種廣泛應用的測溫元件，在-50600

7、范圍內具有其他任何溫度傳感器無可比擬的優勢，包括高精度、穩定性好、抗干擾能力強等。由于鉑電阻的電阻值與溫度成非線性關系，所以需要進行非線性校正。校正分為模擬電路校正和微處理器數字化校正，模擬校正有很多現成的電路，其精度不高且易受溫漂等干擾因素影響，數字化校正則需要在微處理系統中使用，將Pt電阻的電阻值和溫度對應起來后存入EEPROM中，根據電路中實測的AD值以查表方式計算相應溫度值。 常用的Pt電阻接法有三線制和兩線制，其中三線制接法的優點是將PT100的兩側相等的的導線長度分別加在兩側的橋臂上，使得導線電阻得以消除。常用的采樣電路有兩種：一為橋式測溫電路，一為恒流源式測溫電路。在本系統設計中

8、，采用了第一種方法，即橋式測溫。測溫原理：電路采用TL431和電位器VR1調節產生4.096V的參考電源；采用R1、R2、VR2、Pt100構成測量電橋（其中R1R2，VR2為100精密電阻），當Pt100的電阻值和VR2的電阻值不相等時，電橋輸出一個mV級的壓差信號，這個壓差信號經過運放LM324放大后輸出期望大小的電壓信號，該信號可直接連AD轉換芯片。差動放大電路中R3R4、 R5R6、放大倍數R5/R3，運放采用單一5V供電。 設計及調試注意點： 1. 同幅度調整R1和R2的電阻值可以改變電橋輸出的壓差大??； 2. 改變R5/R3的比值即可改變電壓信號的放大倍數，以便滿足設計者對溫度范圍

9、的要求 3. 放大電路必須接成負反饋方式，否則放大電路不能正常工作。 4. VR2也可為電位器，調節電位器阻值大小可以改變溫度的零點設定，例如Pt100的零點溫度為0，即0時電阻為100，當電位器阻值調至109.885時，溫度的零點就被設定在了25。測量電位器的阻值時須在沒有接入電路時調節，這是因為接入電路后測量的電阻值發生了改變。 5. 理論上，運放輸出的電壓為輸入壓差信號×放大倍數，但實際在電路工作時測量輸出電壓與輸入壓差信號并非這樣的關系，壓差信號比理論值小很多，實際輸出信號為 4.096*(RPt100/(R1+RPt100)- RVR2/(R1+RVR2) （1） 式中電阻

10、值以電路工作時量取的為準。 6. 電橋的正電源必須接穩定的參考基準，因為如果直接VCC的話，當網壓波動造成VCC發生波動時，運放輸出的信號也會發生改變，此時再到以VCC未發生波動時建立的溫度-電阻表中查表求值時就不準確。2.3驅動執行部分硬件輸出通道主要包括加熱電阻的控制環節，而此控制環節的核心是雙向可控硅，但電路的關鍵是設計雙向可控硅的驅動電路。雙向可控硅的通斷直接決定加熱電阻的工作與不工作，本部分用帶過零觸發的光耦MOC3061來驅動。1光耦驅動電路在驅動電路中，由于是弱電控制強電，而弱電又很容易受到強電的干擾，影響系統的工作效率和實時性，甚至燒毀整個系統，導致不可挽回的后果，因此必須要加

11、入抗干擾措施，將強弱電隔離。光耦合器是靠光傳送信號，切斷了各部件之間地線的聯系，從根本上對強弱電進行隔離，從而可以有效地抑制掉干擾信號。此外，光耦合器提供了較好的帶寬，較低的輸入失調漂移和增益溫度系數。因此，能夠較好地滿足信號傳輸速度的要求，且光耦合器非常容易得到觸發脈沖，具有可靠、體積小、等特點。所以在本系統設計中采用了帶過零檢測的光電隔離器MOC3061，用來驅動雙向可控硅并隔離控制回路和主回路。MOC3061是一片把過零檢測和光耦雙向可控硅集成在一起的芯片。其輸出端的額定電壓是400V，最大重復浪涌電流為1.2A，最大電壓上升率dv/dt為1000v/us,輸入輸出隔離電壓為7500V，

12、輸入控制電流為15mA。在驅動執行電路中，當單片機的P2.0、P2.1、P2.2發出邏輯數字量為高電平時，經過三極管放大后驅動光耦合器的放光二極管，MOC3061的輸入端導通，有大約15mA的電流輸入。當MOC306的輸出端6腳和4腳尖電壓稍稍過零時，光耦內部雙向可控硅即可導通，提供一個觸發信號給外部晶閘管使其導通；當P2.0、P2.1、P2.2為低電平時，MOC3061截止，雙向可控硅始終處于截止狀態。2驅動電路有關元件的選擇R25，C10組成吸收電路，并接在雙向可控硅的兩極之間。吸收回路組成緩沖器。有了吸收回路，可控硅通斷過程中電源電壓的變化率受到R25，C10的限制。R25可以抑制雙向可

13、控硅通斷時產生的浪涌電流。R25和C10根據經驗公式選，一般C10取0.011.0uF，R25取幾歐到幾十歐，本電路中R25取39歐，C10取0.01 uF。R27為限流電阻，用來限制MOC3061的輸出驅動電流，其數值為電源電壓峰值除以雙向可控硅的允許重復電流。在本電路中R27取300歐。R26：由于MOC3061在輸出關斷狀態下也有小于或等于500mA的輸出電流，所以加入R26分流消除這個電流對雙向可控硅的影響，以防止雙向可控硅誤觸發，提高了系統的可靠性。在此電路中可以看出單片機的輸出通道采用了MOC3061進行驅動有以下優點： （1）控制簡單?？捎肧ETB或CLR指令直接控制P2.0、P

14、2.1、P2.2以控制加熱電阻的工作與否。 （2）MOC3061由于采用了過零觸發電路大大簡化了雙向可控硅的觸發電路，把SCR一向控制變為實用的數字脈沖控制。 （3）MOC3061與雙向可控硅實際組成了一個固態繼電器，實現了無觸電控制。 （4）輸出通道實現了光電隔離，防止了射電干擾。 （5）輸出通道用P2.0、P2.1、P2.2口直接控制雙向可控硅，省去了的D/A轉換電路，簡化了接口電路。3雙向可控硅電路(1)雙向可控硅這種可控硅具有雙向導通功能，在交流電的正負半周都可以導通。其英文名TRIAC即三級交流開關的意思，并把它的兩極稱為MT1和MT2，其電路符合如圖所示。雙向可控硅的通斷情況由控制

15、極柵極（G）決定，當柵極無信號時MT1和MT2成高阻態，管截止；而當MT1與MT2之間加一個閾值電壓（一般大于1.5V）的電壓時，就可以利用控制極柵極電壓來使可控硅導通。但需要注意的是，當雙向可控硅接感性負載時，電流和電壓之間有一定的相位差。在電流為零時，反向電壓可能不為零，且超過轉換電壓，使管子反向導通，故要管子能承受這種反向電壓，并在回路中加入RC網絡加以吸收。(2)觸發方式控制雙向可控硅從高阻態（阻斷區）轉換到低阻態（導通區）可以用不同的方式實現。相應的分為四種方式：（1）MT1相對于MT2為正，控制脈沖電壓Ug相對于MT1為正 （2）MT1相對于MT2為負，控制脈沖電壓Ug相對于MT1

16、為負 （3）MT1相對于MT2為正，控制脈沖電壓Ug相對于MT1為負 （4）MT1相對于MT2為負，控制脈沖電壓Ug相對于MT1為正雙向可控硅通常工作在控制方式（1）和控制方式（2）。在這兩種控制方式下，控制靈敏度特別高。另外兩種控制方式下，要求高一倍的觸發電流。在本設計中，選擇了控制方式（1）和（2）。如同晶閘管的控制極那樣，雙向可控硅的控制極在觸發后便失去了作用。雙向可控硅長期維持低阻態，直到低于維持電流I H，然后在轉換到高阻態。在控制交流電壓時，每次電源電壓過零雙向可控硅都會自動截止，所以雙向可控硅每半個周期都需要重新觸發。 在本設計中，考慮到電網電壓的穩定和現在市場上銷售的雙向可控硅

17、型號，選擇了工作電壓為400V，通態電流為4A的雙向可控硅BT136。利用單片機控制雙向可控硅的導通角。在不同時刻利用單片機給雙向可控硅的控制端發出觸發信號，使其導通或關斷，實現負載電壓有效值的不同，以達到調壓控制的目的。具體如下： (1)由硬件完成過零觸發環節，即在工頻電壓下，每10ms進行一次過零觸發信號，由此信號來達到與單片機的同步。 (2)過零檢測信號接至單片機的P2.3口，由單片機對此口進行循環檢測，然后進行延時觸發。3控制電路及程序流程圖3.1 微處理器89C5189C51是一種帶4K字節Flash可編程可擦除的高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反

18、復擦除100次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的89C51是一種高效微控制器。單片機的抗干擾性設計。單片機干擾最常見的現象就是程序出現不可逆狀態，設計系統時一般要添加一個看門狗監控模塊，在系統出現不可逆狀態的干擾時，監控模塊將重啟系統。MAX1232微處理器監控電路給微處理器提供輔助功能以及電源供電監控功能，當電源過電壓、欠電壓時，MAX1232將提供至少250ms寬度的復位脈沖，其中的容許極限能用數字式的方法來選擇5%或10%的容限。3.2模數轉換模塊NY置位狀

19、態位F0F0=0F0=0結果>or<設定值的20%結果=0-20%<結果<20%設定值與AD結果比 較報警子程序F0是否等于零關閉報警NY輸出控制量PSW出棧并返回調PID控制算法程序交流電是否過零溢出標志TF1是否為零讀A/D結果將PSW壓棧調顯示程序開始 圖3.1 A/D轉換結束中斷服務程序流程圖ADC0809是一個典型的逐次逼近型8位A/D轉換器。它由8路模擬開關、8位A/D轉換器、三態輸出鎖存器及地址鎖存譯碼器等組成。它允許8路模擬量分時輸入，轉換后的數字量輸出是三態的（總線型輸出），可以直接與單片機數據總線連接。ADC0809采用+5V電源供電，外接工作時鐘。

20、當典型工作時鐘為500KHz時，轉換時間約為128us.（1）時鐘信號：由于ADC0809無片選端，因此電路增加了或非門74LS02，以便對ADC0809進行讀/寫控制。單片機采用6MHz/s的晶振，ALE輸出66MHz/s時鐘信號，經74LS74觸發器2分頻，得到500KHz的時鐘信號，與ADC0809的時鐘端CLK相連。 （2）通道選擇：三位通道選擇端ADDA、ADDB、ADDC與數據線P1口的低三位P1.0、P1.1、P1.2相連，用數據線進行通道選擇，由P1.0、P1.1、P1.2三位決定選擇那一通道。 （3）ADC0809啟動：ADC0809的啟動端START、地址所存端ALE均為高

21、電平有效。將START和ALE連在一起，與74LS02的輸出端相連?；蚍情T74LS02的兩個輸入端/WR和P3.5均為低電平時，其輸出為高電平，執行外部I/O口的寫操作。 （4）轉換數據的讀?。寒斵D換結束時，EOC端輸出高電平?？捎貌樵兒椭袛嗟姆椒ㄟM行數據讀取處理。輸出允許OE端為高電平，8位轉換數據D0D7輸出到數據線上。只有P3.5和/RD同時為低電平時，OE端才為高電平。執行外部I/O口讀操作/RD為低電平。 （5）轉換結束標志EOC:轉換結束標志EOC端經反向器與單片機的/INT1相連，即轉換一旦結束，外部中斷1則申請中斷。3.3 LED顯示模塊8段LED顯示屏是最常用的顯示器件，分為

22、共陽極和共陰極兩種形式。共陽極LED將所有發光二極管的陽極接在一起作為公共端，當公共端接高電平，某一段的發光二極管陰極接低電平時，相應的字段就被點亮。共陰極LED將所有發光二極管的陰極接在一起作為公共端，當公共端接低電平，某一段的發光二極管陽極接高電平時，相應的字段就被點亮。LED數碼管的顯示方法 (1)動態顯示：動態掃描，分時循環 動態顯示，就是微型機定時地對顯示器件掃描，在這種方法中，顯示器件分時工作，每次只能一個器件顯示。但由于人視覺的暫留現象，所以，仍感覺所有的器件都在顯示。 (2) 靜態顯示：一次輸出，結果保持靜態顯示，是由微型機一次輸出顯示后，就能保持該顯示結果，直到下次送新的顯示

23、模型為止。這種顯示占用機時少，顯示可靠。通過比較及對程序的分析，本設計當中兩組數碼管均采用共陰極靜態顯示。送入8255PA口將數據轉換為七段碼開始譯碼選擇顯示位子程序返回圖3.2顯示子程序3.4報警模塊置報警位P3.4開始清除報警狀態位F0子程序返回 圖3.3報警子程序 根據設計要求，在保溫階段，溫度控制精度為正負1度，故當溫度下降或上升2度時為故障狀態，需要報警提醒。所以在電路設計上應用了蜂鳴器和發光二極管，系統正常運行時綠色發光二極管點亮，當出現故障時紅色發光二極管點亮并且蜂鳴器鳴叫，提醒操作人員注意。報警狀態可通過按鍵復位和系統恢復正常后自動復位。3.5鍵盤模塊在本次設計當中，輸入設備采

24、用4*4矩陣鍵盤。當“設定”鍵按下時觸發鍵盤中斷服務程序，由程序程控掃描法確定那個鍵按下并執行相應的動作。程控掃描的任務是： (1)首先判斷是否有鍵按下。方法：使所有的行輸出均為低電平，然后從端口A讀入列值。如果沒有鍵按下，則讀人值為FFH如果有鏈按下則不為FFH。 (2)去除鍵抖動。方法：延時1020 ms，再一次判斷有無鍵按下，如果此時仍有鍵按下，則認為鍵盤上確實有鍵處于穩定閉合期。 (3)若有鍵閉合，則求出閉合鍵的鍵值。方法：對鍵盤逐行掃描。程序中需等閉合鍵釋放后才對其進行處理。3.6通信模塊在此部分主要是實現下位機與上位機之間的通信，將實時數據傳送到上位機，進行同一協調和集中管理。RS

25、232的電氣接口是單端的、雙極性電源電路。由于RS-232采用的數據傳輸線路是非平衡，且是誤無差分的接收方式，當信號穿過電氣干擾環境時，發送的信號將會受到影響。故數據傳輸速率局限于20KB/s；傳輸距離局限于15m，但RS-232也是目前最廣泛使用的串行通信接口標準。在本設計當中，考慮到系統調試的方便，采用了RS232串行總線。MAX232芯片是美信公司專門為電腦的RS-232標準串口設計的接口電路,使用+5v單電源供電。內部結構基本可分三個部分：（1）第一部分是電荷泵電路。由1、2、3、4、5、6腳和4只電容構成。功能是產生+12v和-12v兩個電源，提供給RS-232串口電平的需要。 （2

26、）第二部分是數據轉換通道。由7、8、9、10、11、12、13、14腳構成兩個數據通道。其中13腳（R1IN）、12腳（R1OUT）、11腳（T1IN）、14腳（T1OUT）為第一數據通道。8腳（R2IN）、9腳（R2OUT）、10腳（T2IN）、7腳（T2OUT）為第二數據通道。TTL/CMOS數據從T1IN、T2IN輸入轉換成RS-232數據從T1OUT、T2OUT送到電腦DB9插頭；DB9插頭的RS-232數據從R1IN、R2IN輸入轉換成TTL/CMOS數據后從R1OUT、R2OUT輸出。（3）第三部分是供電。15腳GND、16腳VCC（+5v）4系統軟件設計YN計算溫差e（k）和溫差

27、變化率溫度值顯示溫度數據采集及處理系統的初始化開始智能控制算法程序控制輸出結束 4.1系統主程序及其功能求出輸出控制量圖4.1系統主程序流程圖本系統的應用程序主要由主程序、中斷服務程序和子程序組成。主程序的任務是對系統進行初始化，實現參數輸入，并控制電加熱爐的正常運行。主程序主要由系統初始化、數據采集及處理、智能推理等部分組成。系統初始化包括設置棧底、工作寄存器組、控制量的初始值、采樣周期、中斷方式和狀態、定時器的工作方式以及8255的初始化、MAX1232的初始化等。數據采集及處理主要包括實時采集電加熱爐的爐溫信號，計算出實際爐溫與理想值的差值以及溫差的變化率，并對爐溫信號進行濾波和限幅處理

28、。主程序流程圖如圖4.1所示。4.2PID控制算法1 PID 簡介 PID（Proportional Integral Derivative）控制是控制工程中技術成熟、應用廣泛的一種控制策略，經過長期的工程實踐，已形成了一套完整的控制方法和典型的結構。它不僅適用于數學模型已知的控制系統中，而且對于大多數數學模型難以確定的工業過程也可應用，在眾多工業過程控制中取得了滿意的應用效果。 PID 工作基理：由于來自外界的各種擾動不斷產生，要想達到現場控制對象值保持恒定的目的，控制作用就必須不斷的進行。若擾動出現使得現場控制對象值(以下簡稱被控參數)發生變化，現場檢測元件就會將這種變化采集后經變送器送至

29、PID 控制器的輸入端，并與其給定值(以下簡稱SP 值)進行比較得到偏差值(以下簡稱e 值)，調節器按此偏差并以我們預先設定的整定參數控制規律發出控制信號，去改變調節器的開度，使調節器的開度增加或減少，從而使現場控制對象值發生改變，并趨向于給定值(SP 值)，以達到控制目的 ，如圖 1 所示，其實PID 的實質就是對偏差（e 值）進行比例、積分、微分運算，根據運算結果控制執行部件的過程。圖1模擬PID 控制系統原理圖PID 控制器的控制規律可以描述為：   （2）比例（P）控制能迅速反應誤差，從而減小穩態誤差。但是，比例控制不能消除穩態誤差。比例放大系數的加大，會引起系統的

30、不穩定。積分（I）控制的作用是：只要系統有誤差存在，積分控制器就不斷地積累，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，使系統誤差為零，從而消除穩態誤差。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（D）控制可以減小超調量，克服振蕩，使系統的穩定性提高，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。根據不同的被控對象的控制特性，又可以分為P、PI、PD、PID 等不同的控制模型。2數字PID 的實現 在連續-時間控制系統（模擬PID 控制系統）中，PID 控制器應用得非常廣泛。其設計技術成熟，長期以來形成了典型的結構，參數整定方便，結構更改靈活，能滿足一般的控制要求。隨著計算機的快速發展，人們將計算機引入到PID 控制領域，也就出現了數字式PID 控制。 由于計算機基于采樣控制理論，計算方法也不能沿襲傳統的模擬PID 控制算法（如公式1 所示），所以必須將控制模型離散化，離散化的方法：以T 為采樣周期，k 為采樣序號，用求和的形式代替積分，用增量的形式（求差）代替微分，這樣可以將連續的PID 計算公式離散： （k=0