基于PID电加热炉温度控制系统设计.doc

基于PID电加热炉温度控制系统设计1概述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。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。本设计针对一个温度区进行温度控制要求控制温度范围50~350C保温阶段温度控制精度为正负1度。选择合适的传感器计算机输出信号经转换后通过双向可控硅控制器控制加热电阻两端的电压。其对象问温控数学模型为：其中：时间常数Td=350秒放大系数Kd=50滞后时间=10秒控制算法选用改PID控制2系统硬件的设计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：看门狗报警提醒通信接口LED显示键盘微型控制机AT89S52温度检测PT100驱动执行机构8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2-1系统硬件结构框图图2-2系统电路图2.1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。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。2.2采样测量部分在检测装置中温度检测用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2~5V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。铂电阻温度传感器是利用其电阻和温度成一定函数关系而制成的温度传感器由于其测量准确度高、测量范围大、复现性和稳定性好等被广泛用于中温(-200℃～650℃)范围的温度测量中。PT100是一种广泛应用的测温元件在-50~600℃范围内具有其他任何温度传感器无可比拟的优势包括高精度、稳定性好、抗干扰能力强等。由于铂电阻的电阻值与温度成非线性关系所以需要进行非线性校正。校正分为模拟电路校正和微处理器数字化校正模拟校正有很多现成的电路其精度不高且易受温漂等干扰因素影响数字化校正则需要在微处理系统中使用将Pt电阻的电阻值和温度对应起来后存入EEPROM中根据电路中实测的AD值以查表方式计算相应温度值。常用的Pt电阻接法有三线制和两线制其中三线制接法的优点是将PT100的两侧相等的的导线长度分别加在两侧的桥臂上使得导线电阻得以消除。常用的采样电路有两种：一为桥式测温电路一为恒流源式测温电路。在本系统设计中采用了第一种方法即桥式测温。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＝R2VR2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。设计及调试注意点：1.同幅度调整R1和R2的电阻值可以改变电桥输出的压差大小；2.改变R5/R3的比值即可改变电压信号的放大倍数以便满足设计者对温度范围的要求3.放大电路必须接成负反馈方式否则放大