1、課程設(shè)計(jì)名稱：計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)題 目：電阻加熱爐溫度控制系統(tǒng)        專 業(yè)：自動(dòng)化 班 級(jí)：* 姓 名：FZD 學(xué) 號(hào)：* 課 程 設(shè) 計(jì) 成 績(jī) 評(píng) 定 表學(xué) 期第六學(xué)期姓名專 業(yè)自動(dòng)化班級(jí)課題名稱計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)論文題目電阻加熱爐控制系統(tǒng)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定指標(biāo)分值得分知識(shí)創(chuàng)新性20理論正確性20內(nèi)容難易性15綜合實(shí)際性10知識(shí)掌握程度15書寫規(guī)范性10工作量10總成績(jī)100評(píng)語(yǔ)：任課教師時(shí)間備 注課程設(shè)計(jì)任務(wù)書一設(shè)計(jì)題目電阻加熱爐溫度控制系統(tǒng)二設(shè)計(jì)任務(wù)通過一學(xué)期理論學(xué)習(xí)，在一周時(shí)間內(nèi)，獨(dú)立完成電阻加熱爐爐溫

2、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)響應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求。具體設(shè)計(jì)的任務(wù)有：電阻加熱爐總體設(shè)計(jì)系統(tǒng)用到的控制算法溫度控制系統(tǒng)的控制器設(shè)計(jì)三設(shè)計(jì)計(jì)劃過程控制與自動(dòng)化儀表課程設(shè)計(jì)共1周第1天：選題查資料第2天：方案確定 第34天：方框圖設(shè)計(jì)第5天：初步統(tǒng)稿第6天： 校稿第7天： 檢查、定稿、輸出四設(shè)計(jì)要求1. 控溫范圍為100500，所采用的控制方案為直接數(shù)字控制（DDC）中的最少拍控制，控制器設(shè)計(jì)采用大林控制算法。2.要有總體電路圖3.獨(dú)立完成、原理正確、思維嚴(yán)謹(jǐn)、格式規(guī)范、按時(shí)提交 指導(dǎo)教師： *時(shí) 間：2010年6月 27日-7月4日*大學(xué)摘要電阻加熱爐工業(yè)生產(chǎn)過程中不可缺少的動(dòng)力設(shè)備。一個(gè)完整的電阻加熱爐溫

3、度控制系統(tǒng)包括CPU、定時(shí)計(jì)數(shù)器、觸發(fā)回路、電阻爐、變送器、I/V轉(zhuǎn)換器、A/D、數(shù)字濾波裝置。根據(jù)測(cè)量溫度的特點(diǎn)，本文首先詳細(xì)給出了濾波算法以及大林算法設(shè)置的控制器。然后簡(jiǎn)明扼要的介紹了所用各個(gè)芯片的典型應(yīng)用或引腳接線圖。隨后詳細(xì)給出了溫控的程序流程圖以及各個(gè)子程序模塊流程圖。最后給出硬件總體圖。關(guān)鍵詞：濾波；控制器；大林算法； 目錄1引言·····················&#

4、183;········································12溫度控制系統(tǒng)組成·······

5、3;········································13 溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖及綜述·······&

6、#183;·····························24 控制算法···················

7、·····································24.1 數(shù)字濾波···········

8、83;·······································24.2 控制器設(shè)計(jì)·········

9、;········································35 系統(tǒng)硬件及詳細(xì)功能介紹·······

10、83;································46溫度控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)···············

11、83;··························116.1溫度控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)·····················

12、···················116.2軟件總體流程圖·····························

13、··················126.3各部分模塊程序流程圖·····························

14、83;·········126.3.1數(shù)字濾波模塊······································&#

15、183;···136.3.2工程變換程序模塊·····································136.3.3溫度非線性轉(zhuǎn)換程序模塊····

16、;··························147整體系統(tǒng)電路圖······················&

17、#183;··························168總結(jié)與體會(huì)······················

18、;································179參考文獻(xiàn)················

19、3;······································181引言任何物理變化和化學(xué)反應(yīng)過程都與溫度密切相關(guān)，溫度是工業(yè)生產(chǎn)中常見的工藝參數(shù)之一，因此溫度控制是生產(chǎn)自動(dòng)化的重要任務(wù)。對(duì)于不同生產(chǎn)情

20、況和工藝要求下的溫度控制，所采用的加熱方式，燃料，控制方案也有所不同。例如冶金、機(jī)械、食品、化工等各類工業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用的各種加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐等；燃料有煤氣、天然氣、油、電等；控制方案有直接數(shù)字控制（DDC），推斷控制，預(yù)測(cè)控制，模糊控制（Fuzzy），專家控制(Expert Control)，魯棒控制（Robust Control），推理控制等。本設(shè)計(jì)的控制對(duì)象為一電加熱爐，輸入為加在電阻絲兩斷的電壓，輸出為電加熱爐內(nèi)的溫度。電阻爐模型傳遞函數(shù)為：。控溫范圍為100500，所采用的控制方案為直接數(shù)字控制（DDC）中的最少拍控制，控制器設(shè)計(jì)采用大林控制算法。2 溫度控制系統(tǒng)的組成采用典

21、型的反饋式溫度控制系統(tǒng)，組成部分見下圖2-1。其中數(shù)字控制器的功能由微型機(jī)算機(jī)實(shí)現(xiàn)。圖2-1 典型溫度控制系統(tǒng)方框原理圖加上零階保持器，將上圖轉(zhuǎn)化為控制系統(tǒng)的方框圖如下圖。圖2-2 典型溫度控制系統(tǒng)方框圖3 溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖及總述A/D數(shù)字濾波I/V420mA變送器定時(shí)計(jì)數(shù)器SCR觸發(fā)回路電加熱爐SCR主回路8086CPU圖3-1溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖3-1中由420mA XTR101（或者DDZ-型）變送器，I/V和A/D轉(zhuǎn)換器構(gòu)成輸入通道，用于采集爐內(nèi)的溫度信號(hào)。其中，變送器將熱電偶信號(hào)（溫度信號(hào)）變?yōu)?20mA電流輸出，再由高精密電流/電壓變換器RCV420將420mA電流信號(hào)變?yōu)?5V

22、標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)，以供A/D轉(zhuǎn)換用。轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量與與爐溫的給定值數(shù)字化后進(jìn)行比較，即可得到實(shí)際爐溫和給定爐溫的偏差。爐溫的設(shè)定值由鍵盤輸入。由計(jì)算機(jī)構(gòu)成的數(shù)字控制器按大林算法進(jìn)行運(yùn)算，計(jì)算出所需要的控制量。數(shù)字控制器的輸出經(jīng)標(biāo)度變換后送給8253，由8253定時(shí)計(jì)數(shù)器轉(zhuǎn)變?yōu)楦叩碗娖降牟煌掷m(xù)時(shí)間，送至SCR觸發(fā)電路，觸發(fā)晶閘管并改變其導(dǎo)通角大小，從而控制電加熱爐的加熱電壓，起到調(diào)溫的作用。4控制算法4.1數(shù)字濾波限幅濾波法主要用于處理變化比較緩慢的數(shù)據(jù)如溫度、物體的位置等。使用時(shí)關(guān)鍵是要選取合適的門限值。采樣的信號(hào),如果因受到隨機(jī)干擾的傳感器不穩(wěn)定而引起嚴(yán)重失真,可以采用限幅濾波方法。因?yàn)樵S多物

23、理量的變化都存在一定的范圍 。相鄰兩次采樣值C1（第一次）和C2第二次)之間的變化肯定會(huì)有一定的限度。限幅濾波就是根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)確定出相鄰兩次采樣信號(hào)之間可能出現(xiàn)的最大偏差e,若實(shí)際相鄰兩次采樣值超出此偏差值，則表明發(fā)生了干擾,應(yīng)剔除該數(shù)據(jù),并用C2作為本次采樣值;若小于此偏差值就將該信號(hào)C1作為本次采樣值。即|C1-C2|e,則C1 有效,| C1-C2|>e則C2有效。本文的電阻爐溫度溫度控制系統(tǒng)采用限幅濾波方法，具體操作如圖4-1所示,其中C1、C2、C3分別為第一、二、三次采樣值。圖4-1 濾波控制算法4.2 控制器設(shè)計(jì)大林算法的設(shè)計(jì)目標(biāo)是設(shè)計(jì)一個(gè)合適的數(shù)字控制器，使整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)的

24、傳遞函數(shù)相當(dāng)于一個(gè)帶有純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)，即：通常認(rèn)為對(duì)象與一個(gè)零階保持器相串聯(lián)， 相對(duì)應(yīng)的整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)的廣義脈沖傳遞函數(shù)為：其中在這里取2，即=2。采樣周期T=10s，N=40/T=4。聯(lián)有零階保持器的電阻爐傳遞函數(shù)離散化 閉環(huán)傳遞函數(shù)離散化 最后得到數(shù)字控制器D（z）數(shù)字控制器：消除振鈴現(xiàn)象后的數(shù)字控制器：5系統(tǒng)硬件與其詳細(xì)功能介紹5.1計(jì)算機(jī)的選擇選擇8086微處理器構(gòu)成爐溫控制系統(tǒng)，使其工作于最小方式下。并配備以8284A時(shí)鐘發(fā)生器，8282帶三態(tài)緩沖器的通用8位地址鎖存器，8286具有三態(tài)輸出的8位雙極型總線收發(fā)器。其中，時(shí)鐘發(fā)生器8284A為CPU提供時(shí)鐘信號(hào)，經(jīng)時(shí)鐘同步的系統(tǒng)復(fù)

25、位信號(hào)RESET和準(zhǔn)備就緒信號(hào)READY；地址鎖存器8282是針對(duì)于8086CPU地址/數(shù)據(jù)線分時(shí)復(fù)用而設(shè)計(jì)配備的，它可以在8086CPU總線周期的T1狀態(tài)，利用ALE信號(hào)的下降沿將地址信息鎖存于其中；總線收發(fā)器8286是為了提高8086CPU數(shù)據(jù)總線的驅(qū)動(dòng)能力。5.2 SCR觸發(fā)回路和主回路（a）（b）圖5-1 SCR晶閘管觸發(fā)電路和主回路如圖5-1（a）所示為一晶閘管觸發(fā)電路。包括脈沖觸發(fā)器（單穩(wěn)態(tài)電路，由IC1和IC2組成），控制門，光電耦合器4N25，放大器和雙向晶閘管。由全波整流電路得到的同步電壓使晶體管BG1每半波導(dǎo)通一次。當(dāng)控制端為“1”高電平的時(shí)候，BG1的每次導(dǎo)通都會(huì)經(jīng)由單穩(wěn)

26、電路由IC2輸出一個(gè)負(fù)脈沖，該脈沖經(jīng)IC3反向后由光電耦合器和放大電路發(fā)大后觸發(fā)晶閘管，在這一半周內(nèi)晶閘管基本上處于全導(dǎo)通狀態(tài)。若控制端為“0”低電平的時(shí)候，則單穩(wěn)態(tài)電路不輸出脈沖，在這一半周內(nèi)晶閘管也不導(dǎo)通。因此，可以改變控制端的電平，控制單穩(wěn)態(tài)電路每秒輸出的脈沖數(shù)，從而改變晶閘管每秒鐘內(nèi)導(dǎo)通的時(shí)間，達(dá)到調(diào)壓的目的。與圖5-1（b）的電路相比較。第一個(gè)電路的優(yōu)點(diǎn)在于晶閘管導(dǎo)通時(shí)基本處于全導(dǎo)通狀態(tài)，因此波形較好，包含的諧波成分較少，因此對(duì)系統(tǒng)的干擾也較小。而第二個(gè)電路的缺點(diǎn)是加熱電阻兩端電壓波形很差，包含了較多的諧波成分，當(dāng)晶閘關(guān)導(dǎo)通角較小時(shí)由為如此，這些些波電壓可能會(huì)對(duì)周圍系統(tǒng)產(chǎn)生影響。5.

27、3 熱電偶的選擇熱電偶是常用的測(cè)溫元件，它利用不同材料的導(dǎo)體一端緊密連接在一起產(chǎn)生的熱電勢(shì)效應(yīng)將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電勢(shì)信號(hào)。本設(shè)計(jì)采用K型熱電偶鎳絡(luò)-鎳硅(線性度較好,熱電勢(shì)較大，靈敏度較高，穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性較好，抗氧化性強(qiáng)，價(jià)格便宜)對(duì)溫度進(jìn)行檢測(cè)，參比端溫度為20。由以下公式可以計(jì)算出K型熱電偶分別在100，200，300，400，500時(shí)候的輸出電勢(shì)：E(100,20)=E(100,0)-E(20,0)=4.096mV-0.798 mV=3.298 mVE(200,20)=E(200,0)-E(20,0)=8.138mV-0.798 mV=7.34 mVE(300,20)=E(300,0)-E

28、(20,0)=12.209mV-0.798 mV=11.411 mVE(400,20)=E(400,0)-E(20,0)=16.397mV-0.798 mV=15.599 mVE(500,20)=E(500,0)-E(20,0)=20.644mV-0.798 mV=19.846 mV5.4 變送器XTR101XTR101為420mA線性化變送器，它可與鎳絡(luò)-鎳硅測(cè)溫傳感器構(gòu)成精密的T/I變換。器件中的放大器適合很寬的測(cè)溫范圍，在-40+85的工作溫度內(nèi)，傳送電流的總誤差不超過1%，供電電源可以從11.6V到40V,輸入失調(diào)電壓<±2.5mV，輸入失調(diào)電流<20nA。XTR

29、101外形采用標(biāo)準(zhǔn)的14腳DIP封裝。圖5-2 XTR101變送器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖5-3 XTR101變送器引腳圖5.5 I/V轉(zhuǎn)換器RCV420RCV420是一種精密電流/電壓變換器，它能將420mA的環(huán)路電流變?yōu)?5V的電壓輸出，并且具有可靠的性能和很低的成本。除具有精密運(yùn)放和電阻網(wǎng)絡(luò)外，還集成有10V基準(zhǔn)電源。對(duì)環(huán)路電流有很好的變換能力。具有-25+85和070的工作溫度范圍，輸入失調(diào)電壓<1mA，總的變換誤差<0.1%，電源電壓范圍±5±18V。RCV420的外形采用標(biāo)準(zhǔn)的16腳DIP封裝。它的典型應(yīng)用如下：圖5-4 I/V轉(zhuǎn)換器RCV420典型應(yīng)用圖5.6

30、A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809ADC0809是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司的CMOS型8位28條引腳A/D轉(zhuǎn)換器。采用逐次逼近技術(shù)，輸出的數(shù)字信號(hào)由TTL三態(tài)緩沖器順序控制，可以直接與數(shù)據(jù)總線相連。分辨率為8位，精度為7位，時(shí)鐘頻率范圍在101280kHz之間，單一+5V電源供電，數(shù)據(jù)具有三態(tài)輸出能力，易于和微處理器相連。圖5-5 ADC0809內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖圖5-6 ADC0809引腳圖5.7 定時(shí)計(jì)數(shù)器82538253是Intel公司的使用單一+5V電源供電，NMOS工藝制成的24條引腳的雙列直插式芯片。具有3個(gè)獨(dú)立的計(jì)數(shù)器，每一個(gè)都可以單獨(dú)作為定時(shí)器或者計(jì)數(shù)器使用，且都可以按照二進(jìn)制或者十進(jìn)制計(jì)數(shù)，每個(gè)計(jì)

31、數(shù)器計(jì)數(shù)速率高達(dá)2MHz，最高的技術(shù)速率可達(dá)2.6MHz。所有的輸入輸出引腳都與TTL電平兼容。8253內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5-7所示：圖5-7 8253內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖圖5-8 8253引腳圖5.8 LED數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)芯片ICM7218AICM7218A是一種多功能LED數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)芯片，能驅(qū)動(dòng)8位共陽(yáng)或者共陰數(shù)碼管，且輸出可以直接驅(qū)動(dòng)LED顯示器。其內(nèi)部主要由控制器，8*8靜態(tài)RAM，BCS譯碼，B碼和顯示字段譯碼器，掃描振蕩控制電路和顯示驅(qū)動(dòng)器等組成。ICM7218A的外引線有寫入控制線2條：WR和MODE；數(shù)據(jù)線8條：ID0ID7;LED顯示驅(qū)動(dòng)線16條；電源線2條。WR為寫選通信號(hào)，低電平有效。MOD

32、E為寫入控制字的寫入顯示數(shù)據(jù)控制線，當(dāng)MODE=1時(shí)，寫控制字；當(dāng)MODE=0是，寫數(shù)據(jù)。典型應(yīng)用如下圖所示：圖5-9 ICM7218A典型應(yīng)用圖圖5-10 ICM7218A引腳圖5.9可編程并行I/O接口芯片82C55A82C55A是Intel公司的并行I/O接口芯片，40條引腳，雙列直插式封裝。D0D7位三態(tài)雙向數(shù)據(jù)線，可與CPU總線直接相連。內(nèi)部由3個(gè)端口A，B，C。三個(gè)端口都具有8位數(shù)據(jù)輸出鎖存器，只有A端口具有輸入所鎖存器。典型應(yīng)用如下圖所示：圖5-11 82C55A典型應(yīng)用圖6溫度控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)6.1 溫度控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖6-1溫度控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖上圖所示的是單回路閉環(huán)溫度控

33、制系統(tǒng)，虛線框內(nèi)的某些功能有計(jì)算機(jī)來(lái)完成。6.2 軟件總體流程圖圖6-2 總體流程圖6.3各部分模塊程序流程圖6.3.1數(shù)字濾波（采用程序判斷濾波的限幅濾波）限幅濾波程序計(jì)算C1-C2計(jì)算C2-C3計(jì)算C=(C1-C2+C2-C3)/2C2-C1C?C2送入NX單元C3-C2C?（C2+C3）/2送入NX單元C3送入NX單元NYYN圖6-3 數(shù)字濾波流程圖6.3.2工程量變換程序模塊變送器XTR101輸出420mADC，溫度起點(diǎn)為100，滿量程為500。8位A/DADC0809輸出數(shù)字量00HFFH（05V），應(yīng)用以下變換公式進(jìn)行變換：AX=A0+（AM-A0）（NX-N0）/（NM-N0）式中，A0為一次測(cè)量?jī)x表的下限AM為一次測(cè)量?jī)x表的上限A