基于大林算法的电加热炉温度控制系统课题设计.docx

1、计算机控制技术课程设计基于大林算法的电加热炉温度控制系统课题设计 学 院： 专 业： 自动化 班 级： 09级 小组成员： 指导教师： 2012年 11 月 20 日 贵州大学课题设计 第III页设计任务书设计目的：1、计算机控制技术课程设计的性质与目的：计算机控制技术课程设计是一个综合运用知识的过程，它不仅需要微机原理与接口技术，自动控制理论，数字电路等方面的基础知识，而且还需要具备一定的生产工艺知识。通过分析控制任务，选择微处理器和外围设备、建立数学模型及相应控制算法、系统总体方案设计、硬件和软件的具体设计，使学生对计算机控制系统设计的总体思路和方法有更好的掌握。2、计算机控制技术课程设计

2、的任务：（1）、了解单片机控制系统设计与制作的一般过程。（2）、进行总体方案设计，通用PID数字控制器的设计方法。（3）、能阅读电路原理图。（4）、借助手册查阅电子元器件及材料的有关数据。（5）、能正确选择、使用电子元器件和材料。（6）、能根据控制系统的实现目的编写控制系统软件。（7）、对软件中的各个模块进行单独调试并要求学生能独立掌握软件模块的调试方法和测评方法。（8）、编写课程设计说明书，绘制完整的系统电路图（A3幅面）。设计任务：设计一个电加热炉，用电炉丝提供功率，使其在预定时间内将炉内温度稳定在给定值上。本控制对象电阻加热炉功率为8kW，由220V交流电源供电。本设计以单片机为控制核心

3、，加上相应的输入输出通道，采用大林算法，将温度控制在规定范围内，并要求实时显示当前温度值。被控对象由一阶惯性和纯滞后环节组成。技术参数：温度控制范围：50350；控制精度1C；三位LED显示温度值。摘 要电加热炉在化工、冶金等行业应用广泛，因此温度控制在工业生产和科学研究中具有重要意义。其控制系统属于一阶纯滞后环节，具有大惯性、纯滞后、非线性等特点，导致传统控制方式超调大、调节时间长、控制精度低。采用单片机进行炉温控制，具有电路设计简单、精度高、控制效果好等优点，对提高生产效率、促进科技进步等方面具有重要的现实意义。常规的温度控制方法以设定温度为临界点，超出设定允许范围即进行温度调控：低于设定

4、值就加热，反之就停止或降温。这种方法实现简单、成本低，但控制效果不理想，控制温度精度不高、容易引起震荡，达到稳定点的时间也长，因此，只能用在精度要求不高的场合。电加热炉是典型的工业过程控制对象，在我国应用广泛。电加热炉的温度控制具有升温单向性，大惯性，大滞后，时变性等特点。其升温、保温是依靠电阻丝加热，降温则是依靠环境自然冷却。当其温度一旦超调就无法用控制手段使其降温，因而很难用数学方法建立精确的模型和确定参数，应用传统的控制理论和方法难以达到理想的控制效果。本设计采用大林算法进行温度控制，使整个闭环系统所期望的传递函数相当于一个延迟环节和一个惯性环节相串联来实现温度的较为精确的控制。关键词：

5、大林算法 传感器 炉温控制 单片机目 录设计任务书I摘 要II第1章 总体设计方案11.1 设计任务书分析11.2 该设计方案产生的背景11.3 设计方案2第2章 硬件设计32.1 设计原理32.2 系统的结构框图32.3 微处理器89C5142.4 温度传感器42.5 温度控制系统62.6 键盘模块62.7 LED显示模块7第3章 软件设计93.1 系统软件设计93.2 基于大林算法的电加热炉温度控制的相关计算103.3 程序控制流程图12第4章 系统的调试14第5章 总结15参考文献19附录一 系统原理图20附录二 程序清单21 贵州大学课题设计 第22页第1章 总体设计方案1.1 设计任

6、务书分析设计一个电加热炉，使其能够实现以下功能：电加热炉用电炉丝提供功率，使其在预定时间内将炉内温度稳定在给定值上。本控制对象电阻加热炉功率为8kW，由220V交流电源供电。本设计以单片机为控制核心，加上相应的输入输出通道，采用大林算法，将温度控制在规定范围内，并要求实时显示当前温度值。被控对象由一阶惯性和纯滞后环节组成。所需要设计的任务有以下几个方面任务：1、确定系统设计方案，包括单片机的选择，输入输出通道，键盘显示电路；2、建立被控对象的数学模型；3、推导控制算法，设计算法的程序流程图或程序清单；4、仿真研究，验证设计结果。1.2 该设计方案产生的背景近年来，加热炉温度控制系统是比较常见和

7、典型的过程控制系统，温度是工业生产过程中重要的被控参数之一，冶金机械食品化工等各类工业生产过程中广泛使用的各种加热炉热处理炉反应炉，对工件的处理均需要对温度进行控制。因此，在工业生产和家居生活过程中常需对温度进行检测和监控。由于许多实践现场对温度的影响是多方面的，使得温度的控制比较复杂，传统的加热炉电气控制系统普遍采用继电器控制技术，由于采用固定接线的硬件实现逻辑控制，使控制系统的体积增大，耗电多，效率不高且易出故障，不能保证正常的工业生产。随着计算机控制技术的发展，传统继电器控制技术必然被基于计算机技术而产生的计算机控制技术所取代。自70年代以来，由于工业过程控制的需要，特别是在电子技术的迅

8、猛发展，以及自动控制理论和设计方法发展的推动下，国外温度控制系统发展迅速，并在智能化自适应参数自整定等方面取得成果。在这方面以日本、美国、德国、瑞典等国技术领先，并且都生产出了一批商品化的性能优异的温度控制器及仪器仪表，在各行业广泛应用。1.3 设计方案本设计针对一个温区进行控制，要求控制温度1000，控温精度为1。本系统采用典型的反馈控制系统，该系统包括单片机，键盘显示，温度检测电路，A/D、D/A转换器，移位寄存器，温度控制回路等组成部分，系统采用可控硅交流调压器，输出不同的电压控制电阻炉温度的大小，温度通过热电偶检测，再经过变送器变成0 - 5 V 的电压信号送入A/D 转换器使之变成数

9、字量，此数字量通过接口送到微机，这是模拟量输入通道。 在微机内部，主机将采样值与给定值比较后进行控制算法计算，再经D/A 转换器变成模拟量，然后经放大器放大后输入调压器，调节电压的大小，以达到控制温度的目的。第2章 硬件设计2.1 设计原理本设计在硬件部分选择了单片机的AT89C51芯片为核心控制部分，输出为K型热电偶传感器，检测温度后传回单片机系统，最后经过温度控制系统，从而加热电阻，来达到控制电加热炉的目的。2.2 系统的结构框图电加热炉控制系统的硬件结构框图如图2-1LED显示温度控制系统热电偶传感器AT89C51电加热炉键盘2-1系统的总体结构框图加热炉温度控制实现过程是:首先温度传感

10、器将加热炉的温度传回单片机，然后89C51芯片将给定的温度值与反馈回来的温度值进行比较并经过最小拍无纹波算法运算处理后，传给温度控制系统，判断加热器材输出端导通与否从而使加热炉开始加热或停止加热。既加热炉温度控制得到实现。其中单片机的89C51系统为加热炉温度控制系统的核心部分起着重要作用。2.3 微处理器89C51本系统设计的单片机采用89C51或其兼容系列芯片，采用24MHZ或更高频率晶振，以获得较高的刷新频率，时期显示更稳定。在芯片中，P1口低4位与行驱动器相连，送出行选信号；P1.5P1.7口则用来发送控制信号。P0口和P2口空着，在有必要的时候可以扩展系统的ROM和RAM。图2-2

11、单片机系统电路2.4 温度传感器 在温度传感器系统部分，选择了K型热电偶传感器。(1) K 型热电偶的测温原理热电传感器是利用转换元件的参数随温度变化的特性，将温度和与温度有关的参数的变化转换为电量变化输出的装置。两种不同的导体或半导体组成的闭合回路就构成了热电偶，热电偶两端为两个热电极，温度高的接点为热端、测量端或自由端；温度低的接点为冷端、参考端或自由端。测量时，将工作端置于被测温度场中，自由端恒定在某一温度。热电偶是基于热电效应工作的，热电效应产生的热电势是由接触电势和温差电势两部分组成的。(2) MAX6675单片热电偶数字转换器。其工作原理如下：K型热电偶产生的热电势，经过低噪声电压

12、放大器A1和电压跟随器A2放大、缓冲后，得到热电势信号U1，再经过S4送至ADC。对于K型热电偶，电压变化率为（41V/），电压可由如下公式来近似热电偶的特性。U1=（41V/）（T-T0） （1-1）上式中，U1为热电偶输出电压（mV），T是测量点温度；T0是周围温度。在将温度电压值转换为相应的温度值之前，对热电偶的冷端温度进行补偿，冷端温度即是MAX6675周围温度与0实际参考值之间的差值。通过冷端温度补偿二极管，产生补偿电压U2经S4输入ADC转换器。U2=（41V/）T0 （2-2）在数字控制器的控制下，ADC首先将U1、U2转换成数字量，即获得输出电压U0的数据，该数据就代表测量点的

13、实际温度值T。这就是MAX6675进行冷端温度补偿和测量温度的原理如图2-3所示。 图2-3 温度传感器系统电路2.5 温度控制系统在温度控制系统中选择了固态继电器。固态继电器（Solid State Relay,缩写SSR），是由微电子电路，分立电子器件，电力电子功率器件组成的无触点开关。用隔离器件实现了控制端与负载的隔离，固态继电器的输入端用微小的控制信号，达到直接驱动大电流负载。图2-4 温度控制系统电路2.6 键盘模块在本次设计当中，输入设备采用4*4矩阵键盘。当“设定”键按下时触发键盘中断服务程序，由程序程控扫描法确定那个键按下并执行相应的动作。程控扫描的任务是：(1)首先判断是否有

14、键按下。方法：使所有的行输出均为低电平，然后从端口A读入列值。如果没有键按下，则读人值为FFH如果有链按下则不为FFH。（2）去除键抖动。方法：延时1020 ms，再一次判断有无键按下，如果此时仍有键按下，则认为键盘上确实有键处于稳定闭合期。（3）若有键闭合，则求出闭合键的键值。方法：对键盘逐行扫描。（4）程序中需等闭合键释放后才对其进行处理。图2.5键盘模块电路2.7 LED显示模块8段LED显示屏是最常用的显示器件，分为共阳极和共阴极两种形式。共阳极LED将所有发光二极管的阳极接在一起作为公共端，当公共端接高电平，某一段的发光二极管阴极接低电平时，相应的字段就被点亮。共阴极LED将所有发光

15、二极管的阴极接在一起作为公共端，当公共端接低电平，某一段的发光二极管阳极接高电平时，相应的字段就被点亮。LED数码管的显示方法动态显示：动态扫描，分时循环静态显示：一次输出，结果保持(1)动态显示 动态显示，就是微型机定时地对显示器件扫描，在这种方法中，显示器件分时工作，每次只能一个器件显示。但由于人视觉的暂留现象，所以，仍感觉所有的器件都在显示。 (2)静态显示静态显示，是由微型机一次输出显示后，就能保持该显示结果，直到下次送新的显示模型为止。这种显示占用机时少，显示可靠。通过比较及对程序的分析，本设计当中三组数码管均采用了共阴极静态显示。图2-6 LED显示系统电路74LS164介绍74L

16、S164串行输入并行输出移位寄存器本设计是用74LS164把输入的串行数转换成并行数输出。图2-6 74LS164引脚图其引脚图如图2-6所示，功能如下： A、B：串行输入端；QAQB：并行输出端； ：清零端，低电平有效；CLK ：时钟脉冲输入端，上升沿有效。 第3章 软件设计3.1 系统软件设计控制系统的软件主要包括：温度的采样和处理、控制计算、控制输出、中断、显示、调节参数修改、温度设定及修改。其中控制算法采用最小拍无纹波控制算法，以达到更好的控制效果。 考虑到电加热炉是一个非线性、时变和分布参数系统，所以本文采用一种新型的智能控制算法。它充分吸取数学和自动控制理论成果，与定性知识相结合，

17、做到取长补短，在实时控制中取得较好的成果。其中，系统的软件流程图如图3.1。图3.1 系统软件流程图3.2 基于大林算法的电加热炉温度控制的相关计算大林算法中D(z)的基本形式 设被控对象为带有纯滞后的一阶惯性环节或二阶惯性环节，其传递函数分别为： （2-1） （2-2） 其中为被控对象的时间常数，为被控对象的纯延迟时间，为了简化，设其为采样周期的整数倍，即N为正整数。 由于大林算法的设计目标是使整个闭环系统的传递函数相当于一个带有纯滞后的一阶惯性环节，即 ，其中 由于一般控制对象均与一个零阶保持器相串联，所以相应的整个闭环系统的脉冲传递函数是 （2-3）于是数字控制器的脉冲传递函数为 （2-

18、4） D(z)可由计算机程序实现。由上式可知，它与被控对象有关。下面分别对一阶或二阶纯滞后环节进行讨论。 一阶惯性环节的大林算法的D(z)基本形式 当被控对象是带有纯滞后的一阶惯性环节时，由式（2-1）的传递函数可知，其脉冲传递函数为 ：将此式代入（2-4），可得 （2-5） 式中：T采样周期： 被控对象的时间常数； 闭环系统的时间常数。 二阶惯性环节大林算法的D(z)基本形式 当被控对象为带有纯滞后的二阶惯性环节时，由式（2-1）的传递函数可知，其脉冲传递函数为 其中， 将式G(z)代入式（2-3）即可求出数字控制器的模型： （2-6） 由此，我们可以设计出控制器的传递函数，利用MATLAB

19、工具在SIMULINK里画出整个控制系统，给定一个阶跃信号就可得到整个控制系统的响应曲线。3.3 程序控制流程图1、 程序流程控制图如图3-2所示：3-2程序流程控制图控制过程：手动输入一个温度设定值，需要调用键盘扫描子程序，再由传感器检测现场的温度值，调用A/D转换子程序，将模拟信号转换为数字信号送单片机处理，调用温度控制子程序来实现温度控制，调用显示子程序将处理后的结果送LCD显示。在使用键盘时，要考虑键盘的去抖问题，消抖处理有硬件和软件两种方法：硬件消抖是利用加抖动电路滤避免产生抖动信号；软件消抖是利用数字滤波技术来消除抖动。我们采用软件的方法，利用主程序循环扫描，主程序每循环一次扫描到

20、的键值相同时，则说明是某键按下。2、 A/D转换程序流程图如图3-3所示：3-3 A/D转换程序流程图3、 温度控制流程图如图3-4所示3-4温度控制流程图第4章 系统的调试对设定传递函数进行基于大林算法系统仿真。 4-1大林控制仿真图 4-2 PID控制仿真图该系统数学模型的参数用单位阶跃响应曲线法求取，为了方便运算取整可得，设给定的温度为100摄氏度，采用大林控制算法其simulink仿真图如5-1所示。选用PI控制器对该系统进行控制，并整定其参数，得到仿真图形如5-2所示。从图形中可以看出对于大滞后系统采用大林算法能使系统稳态无静差，超调为零，调解时间也很小，控制效果很好。而采用普通PI

21、D控制虽然超调量仅为10%，但调解时间很长，不利于控制。第5章 总结心得体会（小组成员A）经过这段时间的努力，我们终于完成了此次课程设计，通过这次课题设计，培养了我们团队协作的能力，加深了我们对自动化专业的了解，更提高了我们的实践能力。在设计过程中，我们组虽进行了明确的分工，但遇到问题总会共同探讨，一起解决。 由于设计过程中要运用很多的知识，且做好设计的前提也是掌握足够多的系统理论知识，对于已经课本很不熟悉的我们来说，无疑是一件很困难的事情，所以每天都必须复习曾经学的知识，并巩固知识，努力将知识系统化就是这次课程设计的关键。这次课程设计的经历也会使我终身受益，我感受到做课程设计是要用心去做的一

22、件事，通过这次课程设计，在整个的课程设计过程中，我们又把专业相关知识好好的复习了一遍，可以说从头到尾的又在我们的脑中消化了一遍。总而言之，此次课题设计的完成给我带来了很大的收获，为以后的学习和工作打下了坚实的基础，不仅为我提供了很好的学习机会，也为接下来的学习提供了更有力的帮助。 到最后，还要要感谢李老师对我们课程的耐心教导，同时，还要感谢这次课题设计中给我们帮助的同学，没有你们，我们不可能完成，谢谢。由于本人的专业知识水平和设计能力有限，在设计过程中不免会出现错误，恳请李老师多多指教并加以改正，谢谢。 总而言之，此次课题设计的完成给我带来了很大的收获，为以后的学习和工作打下了坚实的基础，不仅

23、为我提供了很好的学习机会，也为接下来的学习提供了更有力的帮助。（小组成员B）通过此次课程设计，使我更加扎实的掌握了有关计算机控制技术方面的知识，在设计过程中虽然遇到了一些问题，但经过一次又一次的思考，一遍又一遍的检查终于找出了原因所在，也暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足。实践出真知，通过亲自动手制作，使我们掌握的知识不再是纸上谈兵。过而能改，善莫大焉。在课程设计过程中，我们不断发现错误，不断改正，不断领悟，不断获取。最终的检测调试环节，本身就是在践行“过而能改，善莫大焉”的知行观。这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多问题，最后在老师的指导下，终于游逆而解。在今后社会的发展和

24、学习实践过程中，一定要不懈努力，不能遇到问题就想到要退缩，一定要不厌其烦的发现问题所在，然后一一进行解决，只有这样，才能成功的做成想做的事，才能在今后的道路上劈荆斩棘，而不是知难而退，那样永远不可能收获成功，收获喜悦，也永远不可能得到社会及他人对你的认可！ 回顾起此课程设计，至今我仍感慨颇多，从理论到实践，在这段日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服

25、务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，但可喜的是最终都得到了解决。 在此次课程设计中，也对团队精神的进行了考察，让我们在合作起来更加默契，在成功后一起体会喜悦的心情。果然是团结就是力量，只有互相之间默契融洽的配合才能换来最终完美的结果。此次设计也让我明白了思路即出路，有什么不懂不明白的地方要及时请教或上网查询，只要认真钻研，动脑思考，动手实践，就没有弄不懂的知识，收获颇丰。（小组成员C）理论指导实践，实践检验理论，只有理论与实践相结合，我们才能更好地掌握我们所学的知识。这次的课程设计使我更加扎实的掌握了有关计算机控制技术、89C51、大林算

26、法等方面的知识，实践出真知，通过亲自动手制作，使我们掌握的知识不再仅仅是停留在理论上。我们不断发现错误，不断改正，不断领悟，不断获取。这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多问题，最后在老师的指导下，最终都得到解决。课程设计诚然是一门专业课，给我很多专业知识以及专业技能上的提升，同时又是一门讲道课，一门辩思课，给了我许多道，给了我很多思，给了我莫大的空间。同时，设计让我感触很深。使我对抽象的理论有了具体的认识。通过这次课程设计，我熟悉并掌握了大林算法；熟悉了MATLAB等仿真软件的使用；以及如何提高系统的性能、稳定性等。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是

27、远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。实验过程中，也对团队精神的进行了考察，让我们在合作起来更加默契，在成功后一起体会喜悦的心情。正应正了拿句“团结就是力量”，只有互相之间默契融洽的配合才能换来最终完美的结果。（小组成员D）在现代社会当中，现代信息技术是以计算机为基础的，计算机的运用必将对传统的教育产生巨大的影响。不难想象，随着计算机技术、多媒体教学技术突飞猛进的发展和教育思想、教育观念进一步现代化，计算机控制技术教学成为一种重要的教学手段和方法。长期以来，我们的教育滞后于经济发展，不能较好的提供社会

28、繁荣和个人发展所需。信息社会提出了最新的需求，即面向未来教育，以开发人的智慧和知识创造力为目标。随着网络化、多媒体技术等领域应用模式的形成，使未来的教育手段和教学方法充满新鲜的活力和开发功能。计算机控制技术教育有以下特点：1、 有助于改善学生的知识结构对于有关的专业知识很是需要提高，特别是多媒体技术应用部分，还有很多有趣的使用技能我们没开发利用，通过老师的讲解和点拨，感到我们平时应该好好花点时间进一步去研究其中的深层的应用技能，而提高我们的教学宽度，提高我们的知识范围和结构。2、 有助于激发学生学习的积极性我们大家都很喜欢计算机，首次接触到计算机更是无限的好奇和好感，能让我们主动的去学习，网上

29、有很多书本上没有的东西，让我们大开眼界，放眼于遥远的世界，让我们见到很多从没见过的知识，这能使我们变得很积极，很主动。总之，我们要学习好计算机控制技术，对我们人生、未来都有很大帮助，而 且是社会不可缺少的部分，社会的发展必不可少的工具。 （小组成员E）通过此次课程设计，使我获益匪浅，它使我认识到自己的不足，加深了对计算机控制和汇编语言的学习。具体有以下方面：通过此次设计，充分的把理论运用到实践上来，在这次设计以前，我们对计算机控制的了解只是局限于课堂与书本，这次设计不仅增加了自己的的知识，而且很好的把它们串接起来，也学到了很多新的知识。让我更熟练了专业软件的操作。提高了自己的动手能力和学习知识

30、能力，设计要求我们运用专业软件绘图与仿真，这充分提高了自己的动手操作能力。总之，这次设计锻炼和提高了自己各方面的能力，弥补了自己在计算机控制化知识点上的不足，为自己以后得毕业设计打下了坚实的基础。在此过程中，感谢李鹏老师的指导和其他组员的帮助，你们的帮助是此次设计完成的重要因素。参考文献1 梅丽凤，单片机微型计算机原理与接口技术，科学出版社，20072 刘国容，梁景凯，计算机控制技术与应用，机械工业出版社，20073 楼然苗，李光飞，单片机课题设计指导，北京航空航天大学出版社，2007附录一 系统原理图附录二 程序清单1、主要程序： 源程序 ORG 0000H AJMP MAIN ORG 00

31、03H AJMP KEYS ORG 000BH AJMP PTT0 ORG 001BH AJMP PTT1 ；中断入口及优先级 MAIN: MOV SP，#60H CLR 5EH CLR 5FH ；清上、下限越限标志 MOV A，#00H MOV R7，#09H MOV R0，#28H LP1: MOV R0，A INC R0 DJNZ R7，LP1 MOV R7，#06H MOV R0，#39H LP2: MOV R0，A INC R0 DJNZ R7，LP2 ；清变量暂存单元 MOV R7，#06H MOV R0，#50H LP3: MOV R0，A INC R0 DJNZ R7，LP3

32、；清显示缓冲区 MOV 33H，#00H MOV 34H，#00H ；赋Kp高、低字节 MOV 35H，#00H MOV 36H，#00H ；赋Ki高、低字节 MOV 37H，#00H MOV 38H，#00H ；赋Kd高、低字节 MOV 42H，#00H MOV 43H，#00H ；赋K高、低字节（风扇参数） MOV TMOD，#56 ；T0方式2，T1方式1计数 MOV TL0，#06H MOV TH0，#06H ；T0赋初值 MOV 25H，#28H ；设定值默认为40摄氏度 SETB TR0 ；键盘高优先级 SETB ET0 SETB EX0 SETB EA ；开键盘、T0、T1中断 LOOP：MOV R0，#56H MOV R1，#55H LCALL SCACOV ；调用标度转化-BCD转化子程序 MOV R0，#53H LCALL DIR NOP LCALL DLY10MS NOP LCALL DLY10MS AJMP LOOP ；等待中断，循环显示当前温度 2.基于大林算法程序 ZUIXIAOPAI: MOV R5，#01H MOV R4，#3CH DIV R5，#64H DIV R4，#64H ADD R5，R4 ；送0.316 MOV R6，#74H DIV R6，#64H ；送0.116 MUL R5，#ZDEC R5，R6