PAGEPAGE4高溫?zé)Y(jié)爐溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計系別：機電與自動化學(xué)院專業(yè)班：電氣工程及其自動化0703班姓名：易文杰學(xué)號：20071131133指導(dǎo)教師：陳靜教授2011年6月高溫?zé)Y(jié)爐溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計DesignofTemperatureControlSystemofHigh-temperatureSinteringFurnacePAGE25摘要溫度是工業(yè)中主要的被控參數(shù)，特別是在冶金、化工、建材、機械制造等各類工業(yè)中，廣泛使用的加熱爐、反應(yīng)爐、燒結(jié)爐等。在日常生活中，人們也常用到電烤箱、烘烤箱、微波爐等需要進行溫度檢測與控制的家用電器。而溫度控制在工業(yè)控制中一直是富有新意的課題，對于不同的控制對象，有著不同的控制方式和模式。溫度系統(tǒng)慣性大、滯后現(xiàn)象嚴重，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型，給控制過程帶來很大難題。本文以高溫?zé)Y(jié)爐為控制對象，研究溫度控制方案，以達到系統(tǒng)穩(wěn)定、調(diào)節(jié)時間短且超調(diào)量小的性能指標。采用單片機來實現(xiàn)溫度的檢測與控制，不僅具有控制方便、簡單、靈活等優(yōu)點，而且可以大幅度提高被控溫度的技術(shù)指標，從而大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量。本文以AT89S52單片機為控制核心，溫度信號經(jīng)輸入模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0809，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量輸入到單片機。單片機采用PID控制算法對測量數(shù)據(jù)和設(shè)定數(shù)據(jù)進行處理，處理后的數(shù)據(jù)通過由光耦和繼電器組成的控制電路來控制輸入電壓，使溫度穩(wěn)定于設(shè)定值。文章研究包含硬件和軟件兩個方面，硬件方面實現(xiàn)的功能有：電源設(shè)計、控制電路設(shè)計、驅(qū)動電路設(shè)計等部分；軟件方面實現(xiàn)的功能有：按鍵控制模塊設(shè)計、溫度顯示模塊設(shè)計、A/D轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計等部分。文章有側(cè)重地介紹了系統(tǒng)所用芯片的結(jié)構(gòu)、工作原理、性能特點，給出了系統(tǒng)組成框圖、硬件電路圖、軟件流程圖。本課題經(jīng)過理論分析和系統(tǒng)調(diào)試，控制系統(tǒng)性能穩(wěn)定，可靠性佳，實現(xiàn)了既定的功能，達到了設(shè)計指標的要求。關(guān)鍵詞：單片機溫度控制系統(tǒng)PID控制AbstractThetemperature，amaincontrolledparameteronvariousindustriesespeciallyinmetallurgy，chemicalengineering，buildingmaterials，machinemanufacturingetc，extensivelyappliestooperationofheatingfurnaceandreactorstove.Indailylife，peoplefrequentlyusehouseholdelectricalappliancessuchaselectricoven，dryingovenandmicrowaveovenetc，whichrequiredetectionandcontrolfortemperature.Temperaturecontrolisatopicfullofnewmeaningsinindustry，todifferentcontrolobject，therearedifferentmethodsandmodes.Butitisdifficulttocontrolwellbecauseofcharacteristicsofthetemperatureitself，suchasitsgreatinertia，serioustime-lagandthedifficultytoestablishanaccuratemathematicalmodeoftheobject.Adutyinthisthesisistostudyakindofcontrolmethodtothetemperatureofthehigh-temperaturesinteringfurnace.Its’technologyrequirementsare:regulatingtimemustbeshort，overshootmustbesmallandthecontrolsystemmustbestable.Forthedetectionandcontroloftemperature，theuseofmicroshiptechnology，notonlyhassomeadvantagesincontrol，suchasconvenience，simpleandflexibilityetc，butalsoimprovestechnicalindexofcontrolledtemperature，thusenhancesthequalityofproduction.ThispapertakesthesinglechipmicrocomputerofAT89S52asthecentralcontroller，andthetemperaturesignalisinputtedintotheA/DConverterADC0809，thentheconverteddigitalsignalisimportedintotheSingleChipMicrocomputer.Single-chipMicrocomputerusePIDcontrolalgorithmtoprocessthedatameasurementanddatasettings，andtheprocesseddatawillcontrolimportedvoltagebycontrollingcircuitconsistedofrelayandoptocouplertomaketemperaturestabilityinthesettings.Bothhardwareandsoftwareareshowninthispaper.Hardwaredesignincludespowersupply，governorcontrolcircuit，drivingcircuit．Softwaredesignincludeskeycontrolmodule，temperaturedisplaymodule，A/Dconvertmodule．Thispapermainlydescribesconstruction，workprincipleandfunctioncharacteristicsofchipinthesystem.Furthermore，italsoprovidesblockdiagramofsystem，hardwareelectricdiagram，flowdiagramofsoftwareandoriginalprogram.Bytheoreticalanalysisandsystemdebugging，thecontrolsystemisstableandreliable．Thedesiredfunctionsaredesignindicesareachieved．Keywords:SingleChipMicrocomputerTemperatureControlSystemPIDControl

目錄摘要 IAbstract II緒論 11高溫?zé)Y(jié)爐溫度控制系統(tǒng)特性研究 21.1課題的意義及發(fā)展狀況 21.2高溫?zé)Y(jié)爐的結(jié)構(gòu)概況 21.3高溫?zé)Y(jié)爐的溫度特性描述 41.4溫度控制模型的研究 52PID控制系統(tǒng) 82.1控制策略研究 82.2PID控制基本理論 82.3PID控制算法參數(shù)整定 102.4PID控制程序編程思路 123高溫?zé)Y(jié)爐溫度控制系統(tǒng)的硬件 133.1系統(tǒng)總體方案設(shè)計 133.2硬件電路設(shè)計 143.2.1單片機的選擇與電路設(shè)計 143.2.2溫度檢測電路設(shè)計 153.2.3小信號放大電路設(shè)計 163.2.4A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計 163.2.5鍵盤電路設(shè)計 163.2.6顯示電路設(shè)計 173.2.7控制電路設(shè)計 174高溫?zé)Y(jié)爐溫度控制系統(tǒng)的軟件 194.1控制系統(tǒng)軟件設(shè)計思想 194.2主程序和中斷服務(wù)子程序 194.3鍵盤管理模塊 194.4模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊 214.5顯示模塊 224.6PID溫度控制算法程序 23結(jié)論 26致謝 28參考文獻 29緒論溫度是工業(yè)對象中主要的被控參數(shù)之一，如冶金、機械、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，對工件的溫度處理要求嚴格控制，單片機溫度控制系統(tǒng)使溫度控制指標得到了大幅度提高。溫度控制無論是在工業(yè)生產(chǎn)過程中，還是日常生活中都起著非常重要的作用。在控制系統(tǒng)中，過低的溫度或過高的溫度都會使資源失去應(yīng)有的作用，從而造成資源浪費。特別是在當前全球資源極度缺乏的情況下，更應(yīng)該掌握好對溫度的控制，把身邊的資源好好地利用起來。高溫?zé)Y(jié)爐控制作為過程控制的一個典型，動態(tài)特性具有大慣性、大延遲的特點，而且伴有非線性、強耦合等復(fù)雜特點，所以很難建立起精確的數(shù)學(xué)模型來實現(xiàn)高溫?zé)Y(jié)爐的精確的控制。本課題就是基于溫度控制的復(fù)雜性，燒結(jié)爐溫度控制的研究對工業(yè)生產(chǎn)的重要性的背景下展開研究。本設(shè)計選用KXXX系列1000℃箱式燒結(jié)爐為控制對象，以AT89S52單片機為控制核心，進行一系列的運算和處理。系統(tǒng)由K型電偶、放大電路和A/D轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成溫度檢測通道，由光耦和繼電器構(gòu)成輸出控制通道。工作時，溫度K型熱電偶檢測溫度值，經(jīng)過運算放大器和A/D轉(zhuǎn)換，將溫度信號送入單片機；單片機將溫度信號進行數(shù)字濾波，標度變換后，由LED顯示。同時與系統(tǒng)設(shè)定值進行比較，按照PID算法進行運算通過輸出數(shù)據(jù)控制光耦和繼電器構(gòu)成的控制電路進而控制燒結(jié)爐的溫度。

1高溫?zé)Y(jié)爐溫度控制系統(tǒng)特性研究1.1課題的意義及發(fā)展狀況燒結(jié)爐，是一種在高溫下，使陶瓷生坯固體顆粒的相互鍵聯(lián)，晶體長大，空隙（氣孔）和晶界漸趨減少，通過物質(zhì)的傳遞，其總體積收縮，密度增加，最后成為具有某種顯微結(jié)構(gòu)的致密多晶燒結(jié)體的爐具。主要應(yīng)用于金剛石鋸片的燒結(jié)，也可用于銅材，鋼帶退火等熱處理，目前廣泛應(yīng)用在陶瓷、冶金、鋼鐵、醫(yī)藥、化工、電子、電器、食品、塑料、印刷、標牌、復(fù)合材料等領(lǐng)域。而高溫?zé)Y(jié)爐控制作為過程控制的一個典型，動態(tài)特性具有大慣性大延遲的特點，而且伴有非線性，強耦合等復(fù)雜特點，所以很難建立起精確的數(shù)學(xué)模型來實現(xiàn)高溫?zé)Y(jié)爐溫度的精確的控制。燒結(jié)爐自動控制系統(tǒng)是過程控制，生產(chǎn)控制，數(shù)據(jù)管理的核心系統(tǒng)，其控制效果直接影響到生產(chǎn)成本和產(chǎn)品質(zhì)量。如果能使系統(tǒng)按照給定的溫度曲線，在誤差允許的范圍內(nèi)升高溫度，就能提高產(chǎn)品的質(zhì)量，提高經(jīng)濟效益；否則，給生產(chǎn)造成很大的損失。因此，研究一種最佳的控制方法對提高系統(tǒng)的經(jīng)濟性，穩(wěn)定性具有重大的意義。從國內(nèi)外相關(guān)文獻來看，對于燒結(jié)爐溫度控制的研究較少，大部分是對電阻爐、鍋爐、窯爐等加熱爐溫度控制的研究。大型工業(yè)加熱爐溫度控制，國外已采用計算機控制，且將各種先進的智能控制方法應(yīng)用于溫度控制。特別是模糊控制技術(shù)、專家控制技術(shù)，在爐溫控制中取得了良好的控制效果。在大型分布式計算機控制系統(tǒng)中大多采用具有各種智能控制算法和通信功能溫度控制單回路調(diào)節(jié)器實現(xiàn)。在國內(nèi)，加熱爐的溫度控制也取得了許多成果。其中，采用智能控制技術(shù)相關(guān)的研究應(yīng)用成果較多。針對燒結(jié)爐非線性、大滯后、時變等特點以及很難用數(shù)學(xué)方法建立精確的數(shù)學(xué)模型，黃浩，申群泰[9]提出采用參數(shù)自調(diào)整的模糊控制技術(shù)，通過在線調(diào)整參數(shù)改善模糊控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度，對真空燒結(jié)爐進行溫度控制。1.2高溫?zé)Y(jié)爐的結(jié)構(gòu)概況燒結(jié)工序是硬質(zhì)合金生產(chǎn)工程中最后一道主要程序，也是一道關(guān)鍵工序。所謂燒結(jié)就是將粉末壓坯加熱到一定的溫度，并保持一定時間，然后冷卻，從而得到所需的制品。燒結(jié)的目的是使多孔粉末壓坯變?yōu)榫哂幸欢ǖ慕M織和性能的合金。根據(jù)課題要求，高溫?zé)Y(jié)爐的設(shè)計指標為：最高溫度是1800℃、常用溫度是1650～1750℃、溫度穩(wěn)定度為±3℃、溫度均勻度為±20℃以及工作氣氛是、；高溫?zé)Y(jié)爐應(yīng)既有的功能高溫?zé)Y(jié)爐結(jié)構(gòu)圖如圖1-1所示，某箱式高溫?zé)Y(jié)爐外形圖如圖1-2所示。圖1-1高溫?zé)Y(jié)爐結(jié)構(gòu)圖圖1-2某箱式高溫?zé)Y(jié)爐外形圖可以將高溫?zé)Y(jié)爐整體分為若干單元：爐體、溫度控制、氣路、工藝過程控制、升降機構(gòu)及機架、水冷系統(tǒng)。被控對象的特點[10]：（1）動態(tài)特性具有大慣性、大延遲的特點，而且伴有非線性，強耦合等復(fù)雜特點，故很難建立精確的數(shù)學(xué)模型來實現(xiàn)高溫?zé)Y(jié)爐的精確控制。（2）燒結(jié)爐系統(tǒng)的工作溫度跨度大，最高溫度達到一千三百多攝氏度，其耐火和保溫材料所構(gòu)成的爐壁在如此高溫下不能起到很好的絕緣隔熱作用。造成整個系統(tǒng)在高溫區(qū)和常溫區(qū)運行時的控制模型差異極大。（3）根據(jù)某些特殊材料燒結(jié)工藝的要求，在整個生產(chǎn)過程中，包括升溫過程和保溫過程（尤其是800～900℃間），系統(tǒng)誤差不超過±10（4）高溫?zé)Y(jié)爐地的執(zhí)行機構(gòu)只有加熱裝置，沒有制冷裝置，例如水冷循環(huán)裝置，或者風(fēng)冷循環(huán)裝置等。1.3高溫?zé)Y(jié)爐的溫度特性描述通常，高溫?zé)Y(jié)爐燒結(jié)過程分為3部分：升溫、保溫、降溫。大致過程為：送→抽本底→送→升溫→加濕→保溫→去濕降溫→停送→結(jié)束。升溫過程的溫度一般控制在200℃到1600℃；保溫程的溫度一般控制在1600℃到1700℃；降溫過程即為冷卻階段，燒結(jié)對象處于散熱過程中，溫度降到不到圖1-3燒結(jié)工藝時序圖1.4溫度控制模型的研究溫度控制單元的原理圖如圖1-4所示?？煽毓枵{(diào)壓器變壓器溫控儀記錄儀～380V熱偶偶可控硅調(diào)壓器變壓器溫控儀記錄儀～380V熱偶偶圖1-4溫度控制單元原理圖根據(jù)原理圖建立數(shù)學(xué)模型，這在控制系統(tǒng)的設(shè)計中是很重要的一環(huán)。我們知道，受控對象是高溫?zé)Y(jié)爐，在燒結(jié)過程中爐溫是一個連續(xù)變化的量，因而可把燒結(jié)爐，看作是一個線性控制系統(tǒng)的元件。在生產(chǎn)過程中，燒結(jié)爐基本上是密封加溫的，并且沒有擾動因素，由能量守恒定律，可得到：（1-1）式中：——為電加熱器供給的能量；——晶體原料本身吸收的熱量；——通過爐體散失的熱量。其微分方程為：（1-2）式中：——為環(huán)境溫度；——熱阻；——熱容量；——爐溫。上式兩邊取拉式反變換：（1-3）式（1-3）即是燒結(jié)爐作為一個系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。由于燒結(jié)爐本身具有熱慣性，即當加熱器開始加熱時，爐內(nèi)溫度不能立刻上升。這一點可以從圖1-3燒結(jié)工藝時序圖中可看出。即，爐內(nèi)溫度與電加熱器控制之間有一個滯后環(huán)節(jié)。據(jù)此，可寫出電加熱器的方程式：（1-4）兩邊取拉式變換：（1-5）結(jié)合式（1-3）、式（1-4）這樣一個有純滯后延遲的慣性受控對象，可以用一階傳遞函數(shù)表示為：（1-6）式（1-6）即為溫度控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。=；=；為純滯后時間。

2PID控制系統(tǒng)2.1控制策略研究通過上一章對高溫?zé)Y(jié)爐的結(jié)構(gòu)和溫度控制系統(tǒng)模型的研究確定出PID控制方案，PID控制是經(jīng)典控制理論中最典型的控制方法，對工業(yè)生產(chǎn)過程的線性定常系統(tǒng)，大多采用經(jīng)典控制方法，它結(jié)構(gòu)簡單，可靠性強，容易實現(xiàn)，并且可以消除穩(wěn)定誤差，在大多數(shù)情況下能夠滿足性能要求。2.2PID控制基本理論PID控制在生產(chǎn)過程中是一種被普遍采用的控制方法，是一種比例、積分、微分并聯(lián)控制器[13]。常規(guī)PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖2-1所示。圖2-1基本PID控制系統(tǒng)原理圖理想的PID控制器根據(jù)給定值與實際輸出值構(gòu)成的控制偏差=－（2-1）將偏差的比例、積分和微分通過線性組合構(gòu)成控制量，對被控對象進行控制。（2-2）式中：—控制器的輸出；—控制器的輸入，給定值與被控對象輸出值的差，即偏差信號；—比例系數(shù)；—積分時間常數(shù)；—微分時間常數(shù)。在圖2-1的基礎(chǔ)上分析一下PID控制器各校正環(huán)節(jié)的作用：，（1）比例環(huán)節(jié)，比例環(huán)節(jié)的引入是為了及時成地反映系統(tǒng)的偏差信號，以最快的速度產(chǎn)生控制作用，使偏差向最小的方向變化。隨著比例系數(shù)的增大，穩(wěn)定誤差逐漸減小，但同時動態(tài)性能變差，振蕩比較嚴重，超調(diào)量增大。（2）積分環(huán)節(jié)，積分環(huán)節(jié)的引入主要用于消除靜差，即當閉環(huán)系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)時，則此時控制輸出量和控制偏差量都將保持在某一個常值上。積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù)，時間常數(shù)越大積分作用越弱，反之越強。隨著積分時間常數(shù)的減小，靜差在減??；但過小的積分常數(shù)會加劇系統(tǒng)振蕩，甚至使系統(tǒng)失去穩(wěn)定。（3）微分作用，微分環(huán)節(jié)的引入是為了改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)響應(yīng)速度，它可以預(yù)測將來，能反映偏差信號的變化趨勢，并能在偏差信號值變太大之前，在系統(tǒng)引入一個有效的早期修正信號，從而加速系統(tǒng)的動態(tài)速度，減少調(diào)節(jié)時間。在計算機直接數(shù)字控制系統(tǒng)中，PID控制器是通過計算機PID控制算法程序?qū)崿F(xiàn)的。進入計算機的連續(xù)時間信號，必須經(jīng)過采樣和量化后，變成數(shù)字量，才能進入計算機的存儲器和寄存器，而在數(shù)字計算機中的計算和處理，不論是積分還是微分，只能用數(shù)值計算去逼近。PID控制規(guī)律在計算機中的實現(xiàn)，也是用數(shù)值逼近的方法。當采樣周期T足夠短時，用求和代替積分，用差商代替微商，使PID算法離散化，即可作如下近似變換：（2-3）式中：T—采樣周期。將描述連續(xù)PID算法的微分方程，變?yōu)槊枋鲭x散時間PID算法的差分方程，為書寫方便，將簡化為，即為數(shù)字PID位置型控制算法，如式（2-4）所示。（2-4）或（2-5）式中，k為采樣序號，k=0,1,2…；為第k次采樣時刻計算機輸出值；為第k次采樣時刻輸入的偏差值；為第(k-1)次采樣時刻輸入的偏差值；為積分系數(shù)，；為微分系數(shù)，。由（2-5）式可得（2-6）式（2-6）中＝，即為增量式PID控制算法，由第k次采樣計算得到的控制量輸出增量。可以看出，由于一般計算機控制系統(tǒng)采用恒定的采樣周期T，一旦確定了、、，只要使用前3次的測量值偏差，即可求出控制量的增量。增量式與位置式控制算法在本質(zhì)上是一致的，只是它需要使用有附加積分環(huán)節(jié)作用的執(zhí)行機構(gòu)。但它也有一下一些優(yōu)點：（1）由于計算機只輸出控制增量，故機器故障時影響較小。（2）手動—自動切換時，由于執(zhí)行機構(gòu)（如步進電機）有積分保持作用，故意切換時沖擊較小，能夠平穩(wěn)過渡。（3）算式只與最近幾次采樣值有關(guān)，不需要進行累加，不易引起誤差積累。根據(jù)對高溫?zé)Y(jié)爐溫度控制模型的研究，為保證誤差精度，本設(shè)計采用增量式PID控制算法。2.3PID控制算法參數(shù)整定首先應(yīng)確定調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)，保證被控對象的穩(wěn)定，并盡可能消除誤差。因此，對于有自平衡性的對象來說，應(yīng)選擇包含有積分環(huán)節(jié)的調(diào)節(jié)器；對于無自平衡性的對象，則應(yīng)選擇不包含積分環(huán)節(jié)的調(diào)節(jié)器。對某些有自平衡性的對象，也可選擇比例或微分調(diào)節(jié)器，但這時會產(chǎn)生靜差，如果選擇合適的比例系數(shù)，可以使系統(tǒng)靜差保持在允許范圍之內(nèi)。對于具有純滯后性質(zhì)的對象，則往往應(yīng)加入微分環(huán)節(jié)。調(diào)節(jié)器的設(shè)計，可以用理論方法，也可以通過實驗。使用理論方法設(shè)計調(diào)節(jié)器的前提是要有被控對象的準確模型，在工業(yè)控制中一般很難確定準確的數(shù)學(xué)模型，而且系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)都在隨著時間變化。因此在工程上，PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)常常通過實驗確定。（1）湊試法確定PID調(diào)節(jié)參數(shù)湊試法是通過模擬或閉環(huán)運行觀察系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，然后根據(jù)各調(diào)節(jié)參數(shù)對系統(tǒng)響應(yīng)的大致影響，反復(fù)湊試，以達到最佳控制效果。增大比例系數(shù)，一般將加快系統(tǒng)的響應(yīng)，在有靜差的情況下有利于減小靜差，如果比例系數(shù)過大，系統(tǒng)將會有較大的超調(diào)，并產(chǎn)生振蕩，使穩(wěn)定性變壞。增大積分時間有利于減小超調(diào)，減小振蕩，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定，但系統(tǒng)靜差的消除將會變慢。增大微分時間，亦有利于加快系統(tǒng)的響應(yīng)，使超調(diào)量減少，穩(wěn)定性增加，但系統(tǒng)對擾動的抑制能力減弱，對擾動有較敏感的響應(yīng)。（2）經(jīng)驗法確定PID調(diào)節(jié)參數(shù)通常有臨界比例法和階躍曲線法，在在數(shù)字PID控制中，采樣周期比對象的時間常數(shù)小得多，所以準連續(xù)控制系統(tǒng)仍然可以采用連續(xù)PID調(diào)節(jié)參數(shù)的整定方法。臨界比例法適用于有自平衡性的對象。首先，將調(diào)節(jié)器選為比例調(diào)節(jié)器，形成閉環(huán)，改變比例系數(shù)，使系統(tǒng)對階躍輸入的響應(yīng)達到臨界振蕩狀態(tài)，記錄比例系數(shù)，臨界振蕩的周期，根據(jù)Ziegle-Nichols提供您的經(jīng)驗公式，可由這兩個基準參數(shù)得到不同類型調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)參數(shù)。然后，根據(jù)控制過程準連續(xù)性的程度，擴充臨界比例法。引入控制度，所謂控制度就是以模擬調(diào)節(jié)器為基準，將DDC控制效果與其相比較，控制效果的評價函數(shù)通常采用誤差平方的積分。2.4PID控制程序編程思路在設(shè)計PID程序時，需考慮以下問題。（1）數(shù)據(jù)的表示方法PID算式中，有多個常數(shù)參數(shù)，它們一般為整數(shù)或混合小數(shù)。例如=1s，=10s，=2s，=1s，而其它參數(shù)有小數(shù)出現(xiàn)。PID計算中的變量，取決于實際控制對象。例如，在溫度控制系統(tǒng)中，，設(shè)定值，溫度值均為溫度值，它們也為整數(shù)和混合小數(shù)，控制量一般為輸出電壓，也為整數(shù)和混合小數(shù)。在微機控制中，以上數(shù)據(jù)可以采用定點數(shù)表示，也可以采用浮點數(shù)表示。具體關(guān)于整數(shù)、小數(shù)、負數(shù)、浮點數(shù)表示方法及注意，可以查閱有關(guān)單片機教材。（2）輸出限幅對常規(guī)的PID運算，在設(shè)定值突變時，計算結(jié)果可能大于執(zhí)行機構(gòu)的極限。當PID的計算結(jié)果大于執(zhí)行機構(gòu)的極限時，必須限幅，只能輸出最大輸出值，否則會損壞設(shè)備和降低控制品質(zhì)。另外，如果計算機的輸出幅度達幅度變化，是不利于安全操作和系統(tǒng)穩(wěn)定的。因此，除了算式中應(yīng)想法消除可能預(yù)期輸出幅度突變的措施（如防止干擾的影響，使用給定值突變時的改進算法），對要求穩(wěn)定的溫度范圍可進行輸出變化較平緩的模糊分級，控制還應(yīng)對前后兩次計算的增量根據(jù)安全操作規(guī)定和控制經(jīng)驗加以限制。

3高溫?zé)Y(jié)爐溫度控制系統(tǒng)的硬件硬件是一個工程設(shè)計項目的主要組成部分，它支撐并構(gòu)成一個完整的系統(tǒng)骨架，缺少這一骨架，就只能紙上談兵，虛無縹緲。因此，系統(tǒng)的硬件設(shè)計是設(shè)計中的首要考慮對象。3.1系統(tǒng)總體方案設(shè)計控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計是本課題的一項重要工作，制定一個好的總體方案能為系統(tǒng)的詳細設(shè)計提供良好的指導(dǎo)，是研究工作順利完成的保證。AT89S52鍵盤顯示A/D放大熱電偶AT89S52鍵盤顯示A/D放大熱電偶光耦和繼電器高溫?zé)Y(jié)爐圖3-1系統(tǒng)總體方案設(shè)計框圖高溫?zé)Y(jié)爐控制為閉環(huán)控制工作狀態(tài)。本課題選用KXXX系列1000℃

3.2硬件電路設(shè)計3.2.1單片機的選擇與電路設(shè)計（1）單片機AT89S52介紹本控制系統(tǒng)選擇以AT89S52單片機作為核心器件。AT89S52是一種低功耗、高性能COMS8位微控制器，具有8KB系統(tǒng)內(nèi)部可編程Flash存儲器。使用Atmel公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash存儲器允許存儲器ISP可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，用有靈巧的8位CPU和可ISP編程的Flash存儲器，使得AT89S52為眾多嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。AT89S52具有以下標準功能：8KBFlash存儲器，256字節(jié)RAM，32位I/O口線，看門狗定時器，2個數(shù)據(jù)指針，3個16位定時器/計數(shù)器，一個6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時針電路。另外，AT89S52可降至0Hz靜態(tài)邏輯操作，支持兩種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作；掉電保護模式下，RAM內(nèi)容被保護，振蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。（2）復(fù)位電路單片機的第9腳RST為硬件復(fù)位端，只要將該端持續(xù)4個機器周期的高電平即可實現(xiàn)復(fù)位，復(fù)位后單片機的各狀態(tài)都恢復(fù)到初始化狀態(tài)，復(fù)位電路圖如圖3-2所示。圖3-2復(fù)位電路圖（3）時鐘電路設(shè)計單片機必須在時鐘的驅(qū)動下才能工作。在單片機內(nèi)部有一個時鐘振蕩電路，只需要外接一個振蕩源就能產(chǎn)生一定的時鐘信號送到單片機內(nèi)部的各個單元，決定單片機的工作速度。時鐘電路如圖3-3所示。圖3-3時鐘電路一般選用石英晶體振蕩器。此電路在加電大約延遲10ms后振蕩器起振，在XTAL2引腳產(chǎn)生幅度為3V左右的正弦波時鐘信號，其振蕩頻率主要由石英晶振的頻率確定。電路中兩個電容C1，C2的作用有兩個：一是幫助振蕩器起振；二是對振蕩器的頻率進行微調(diào)。C1，C2的典型值為30PF。單片機在工作時，由內(nèi)部振蕩器產(chǎn)生或由外直接輸入的送至內(nèi)部控制邏輯單元的時鐘信號的周期稱為時鐘周期。其大小是時鐘信號頻率的倒數(shù)，常用fosc表示。圖中時鐘頻率為12MHz，即fosc=12MHz，則時鐘周期為1/12μs。3.2.2溫度檢測電路設(shè)計本次溫度系統(tǒng)使用的是鎳鉻—鎳硅熱電偶檢測元件，其分度號為K，它是一種能測量較高溫度的廉價熱電偶。它的價格便宜，重復(fù)性好，產(chǎn)生的熱電勢大，約為0.041mv/度，因而靈敏度很高而且它的線性很好。雖然其測量精度略低，但完全能滿足工業(yè)測溫要求，所以它是工業(yè)常用的熱電偶。其可測溫度范圍為270℃-1370℃，測溫電路如圖3-4圖3-4測溫電路3.2.3小信號放大電路設(shè)計在高溫?zé)Y(jié)爐內(nèi)通過熱電偶采集的電壓信號為小電壓信號，電壓信號頻率較低，電壓弱，所以需要經(jīng)過放大電路進行信號放大，然后才進入模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。具體電路設(shè)計如圖3-6所示。3.2.4A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計A/D轉(zhuǎn)換器件的選擇主要取決于溫度的控制精度。本系統(tǒng)要求溫度控制誤差≤±2℃溫度傳感器將溫度信號轉(zhuǎn)換為電信號經(jīng)放大后輸入模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0809，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量輸入到單片機AT89S52中，單片機AT89S52與模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0809的接口電路如圖3-5所示。圖3-5ADC0809與單片機AT89S52的接口電路3.2.5鍵盤電路設(shè)計鍵盤是人機對話中最常用的輸入設(shè)備。本控制器采用單鍵輸入式按鍵，即每個按鍵單獨占有一個I/O線，每根I/O口上的按鍵工作狀態(tài)不會影響其它I/O線的工作狀態(tài)。+5V電壓串接1K歐上拉電阻保證了按鍵未按下時，I/O口線有確定的高電平，當按鍵按下時，I/O口變?yōu)榈碗娖健ｆI盤采用軟件消除抖動，輸入方式采用中斷方式進行工作。鍵盤設(shè)置4個功能鍵，分別是啟動、“百位+”、“十位+”、“個位+”建，由P1口低四位作為鍵盤接口。利用+1按鍵可以分別對預(yù)置溫度的百位、十位、個位進行加1設(shè)置，并在LED上顯示當前值。連續(xù)按動相應(yīng)位的加1鍵可實現(xiàn)0℃～999℃的溫度設(shè)置。按鍵電路圖如圖3-圖3-6按鍵電路3.2.6顯示電路設(shè)計數(shù)碼管顯示器采用串行顯示，由74LS164驅(qū)動顯示。本設(shè)計顯示電路圖如圖3-7所示。圖3-7顯示電路3.2.7控制電路設(shè)計高溫?zé)Y(jié)爐溫度控制采用繼電器來實現(xiàn)，燒結(jié)爐的加熱器串接在回路中。單片機的P1.7口通過光電隔離和驅(qū)動電路送到繼電器的控制箱，由P1.7口的高低電平來控制可控硅的導(dǎo)通與斷開，從而控制加熱器的通電加熱時間。溫度控制電路圖如圖3-8所示。圖3-8溫度控制電路圖

4高溫?zé)Y(jié)爐溫度控制系統(tǒng)的軟件溫度控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計是整個控制系統(tǒng)設(shè)計的核心，硬件要在軟件的配合下才能完成預(yù)先確定要實現(xiàn)的各種功能。硬件設(shè)計具有通用性，而軟件設(shè)計的大部分工作是針對某一特定對象，可以完成硬件不能完成的功能。軟件設(shè)計具有充分的靈活性，可以根據(jù)系統(tǒng)的要求而變化。4.1控制系統(tǒng)軟件設(shè)計思想單片機的智能功能要由軟件來完成，溫度控制系統(tǒng)軟件在程序設(shè)計時采用了模塊化設(shè)計方法，將控制器所要完成的功能分別編寫和調(diào)試，所有模塊調(diào)試成功以后，將各個模塊連接，構(gòu)成單片機軟件系統(tǒng)。這樣的設(shè)計有利于程序代碼的優(yōu)化，而且便于調(diào)試、維護和升級。整個系統(tǒng)由三部分組成：系統(tǒng)主程序、各功能子程序、中斷程序。系統(tǒng)主程序負責(zé)任務(wù)調(diào)度，子程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)各個子功能，中斷程序負責(zé)處理系統(tǒng)的中斷事件。主程序在完成系統(tǒng)初始化后，順序執(zhí)行各子模塊程序，而中斷發(fā)生時或預(yù)定義的時間到時（例如控制時間到），系統(tǒng)執(zhí)行中斷服務(wù)程序，處理完畢后程序回到中斷發(fā)生前的狀態(tài)，主程序繼續(xù)執(zhí)行。4.2主程序和中斷服務(wù)子程序主程序采用中斷嵌套方式設(shè)計，各功能模塊可直接調(diào)用。主程序完成系統(tǒng)的初始化，溫度預(yù)置及其合法性檢測，預(yù)置溫度的顯示及定時器0設(shè)置。定時器0中斷服務(wù)子程序是溫度控制體系的主體，用于溫度檢測、控制（包括A/D轉(zhuǎn)換、讀入采樣數(shù)據(jù)、數(shù)字濾波、輸出控制等）。中斷由定時器0產(chǎn)生，根據(jù)需要每隔15s中斷一次，即15s采樣一次。主程序和中斷服務(wù)子程序流程圖分別如圖4-1和4-2所示。4.3鍵盤管理模塊上電復(fù)位后系統(tǒng)處于鍵盤管理狀態(tài)，其功能是監(jiān)測鍵盤輸入，接收溫度預(yù)置和啟動鍵。鍵盤管理子程序流程圖如圖4-3所示。定義堆棧區(qū)定義堆棧區(qū)定時器0、軟定時器、各數(shù)據(jù)緩沖區(qū)、各標志位初始化調(diào)用鍵盤管理子程序啟動鍵閉合時返回開定時器0中斷等待定時中斷開始重裝定時器0初值軟定時器減1重置軟定時器初值調(diào)用溫度檢測子程序當前溫度顯示緩沖區(qū)調(diào)顯示子程序調(diào)用溫度控制子程序YN保護現(xiàn)場中斷返回15s到圖4-1主程序流程圖圖4-2中斷服務(wù)子程序流程圖預(yù)置溫度預(yù)置溫度→顯示緩沖區(qū)預(yù)置溫度合法檢查調(diào)用顯示子程序調(diào)用顯示子程序延時去抖返回啟動加熱100→A10→A1→AA+預(yù)置溫度→預(yù)置溫度數(shù)據(jù)區(qū)NYNYNYNNNYYYYAAP1.1=0P1.2=0P1.3=0P1.0=0鍵釋放N有鍵閉合有鍵閉合圖4-3鍵盤管理子程序流程圖4.4模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊啟動ADC0809對模擬輸入信號進行轉(zhuǎn)換通過判斷EOC來確定轉(zhuǎn)換是否結(jié)束，若EOC為0，則繼續(xù)等待；若EOC為1，則把EOC置位，將轉(zhuǎn)換完成的數(shù)據(jù)存儲，完成模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換。ADC0809CLK接89C52的ALE，即要求從ALE輸出CLK信號供ADC0809使用，因此用軟件來產(chǎn)生CLK信號。A/D轉(zhuǎn)換子程序流程圖如圖4-4所示。選A/D通道選A/D通道啟動A/D轉(zhuǎn)換等待轉(zhuǎn)化結(jié)束讀A/D結(jié)果開始顯示讀到的結(jié)果圖4-4A/D轉(zhuǎn)換子程序流程圖4.5顯示模塊顯示子程序采用靜態(tài)掃描的方法實現(xiàn)四位數(shù)碼管的顯示。測量數(shù)值放在相應(yīng)存儲單元中，在顯示時需要經(jīng)過轉(zhuǎn)化為BCD碼并存儲，在循環(huán)顯示出來。顯示子程序流程圖如圖4-5所示。圖4-5顯示子程序流程圖4.6PID溫度控制算法程序在第1章1-4節(jié)中我們已建立溫度控制數(shù)學(xué)模型：（4-1）對于這樣一個大慣性、具有延滯環(huán)節(jié)的一階系統(tǒng)，我們完全可以用計算機來模擬連續(xù)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的PID控制算法，組成數(shù)字控制器，來達到設(shè)計要求，這樣的系統(tǒng)，參數(shù)可以在線調(diào)整，PID算式可得到改造而更加完善。根據(jù)第2章PID控制系統(tǒng)的研究，本系統(tǒng)采用增量式PID控制算法，其算式可參見第2章（2-6）算式?？刂颇K工作過程為：單片機每隔固定時間將現(xiàn)場溫度與設(shè)定目標溫度的差值帶入增量式PID算法公式，由公式輸出量決定加熱器功率大小。如現(xiàn)場溫度與目標溫度的偏差大則電壓導(dǎo)通個數(shù)多，加熱器功率大，使溫度的實測值與設(shè)定值的偏差迅速減少；反之，二者的偏差小則電壓導(dǎo)通個數(shù)小，加熱電路加熱功率減少，直至目標值與實測值相等，形成一個閉環(huán)系統(tǒng)。PID溫度控制算法程序流程圖如圖4-6所示。被被控對象A/D光耦和繼電器從A/D讀取數(shù)據(jù)求計算控制增量將將控制量輸出給控制電路為下一時刻做準備yy(k)△u(k)否程序初始化采樣時間到？圖4-6PID溫度控制算法程序流程圖增量式PID控制子程序如下：typedefstructPID{doubleSetPoint;//設(shè)定目標DesiredValuedoubleProportion;//比例常數(shù)ProportionConstdoubleIntegral;//積分常數(shù)IntegralConstdoubleDerivative;//微分常數(shù)DerivativeConstdoubleLastError;//Error[-1]doublePrevError;//Error[-2]doubleSumErrors;//SunsofErrors}PID;doublePIDCalc(StructPID*pp，doubleNextPoint){doubledError,Error;Error=pp->SetPoint-NextPoint;//偏差pp->SumError+=Error;//積分dError=pp->SumError-2*pp->LastError+pp->PrevError;//當前微分pp->PrevError=pp->LastError;pp->LastError=Error;return(pp->Proportion*Error//比例項+pp->Integral*pp->SumError//積分項+pp->Derivative*dError//微分項﹚；｝

結(jié)論高溫?zé)Y(jié)爐溫度控制作為過程控制的典型，動態(tài)特性具有大慣性大延遲的特點，而且伴有非線性。目前國內(nèi)高溫?zé)Y(jié)爐的控制大都采用的是開關(guān)式控制，甚至是人工控制方法。采用這些控制方法的系統(tǒng)穩(wěn)定性不好，超調(diào)量大，同時對外界環(huán)境變化響應(yīng)慢，實時性差。另外，頻繁的開關(guān)切換對電網(wǎng)產(chǎn)生很大的沖擊，降低了系統(tǒng)的經(jīng)濟效益，減少了鍋爐的使用年限。本文采用單片機為控制核心，不僅具有控制方便、簡單、靈活等優(yōu)點，而且可以大幅度提高被控溫度的技術(shù)指標。在深入研究了高溫?zé)Y(jié)爐控制系統(tǒng)的特點后，針對原有控制系統(tǒng)的硬件設(shè)備和軟件程序的不足，提出了一套智能化的溫度控制策略，全程跟蹤溫度的變化。結(jié)合經(jīng)典的PID控制算法，將操作人員感性的、模糊的操場過程數(shù)字化、模塊化，設(shè)計出完整的PID溫度控制程序。在課題研究期間，本人在該課題的研究過程中主要完成以下幾個方面的工作：（1）閱讀了大量的相關(guān)文獻，在分析了高溫?zé)Y(jié)爐特點和特性后，我詳細研究燒結(jié)爐的溫度控制模型，最后建立了數(shù)學(xué)模型，為確定控制策略選擇打下基礎(chǔ)。而且我通過參考現(xiàn)在流行的各種燒結(jié)爐的控制方式，最后選擇單片機AT89S52結(jié)合經(jīng)典PID來完成該控制的研究。（2）本文對深入探討了PID控制系統(tǒng)，詳細介紹了PID控制策略，結(jié)合控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，確定采用增量式PID控制算法，并且查找資料對PID算法進行編程處理。除此外，我花費大量時間去研究整個系統(tǒng)的硬件設(shè)計。整個系統(tǒng)硬件包括：溫度檢測、信號放大、AD轉(zhuǎn)換、按鍵控制、數(shù)碼顯示、控制電路。其中溫度檢測和控制電路的設(shè)計是第一探討。特別是如何利用光耦和繼電器來控制輸出，我進行了認真思考，在查找大量資料基礎(chǔ)上，完成它的硬件設(shè)計。對于軟件設(shè)計方面，我把重點放在從未涉及的PID算法的編程。在起初，我很模糊，不知如何下手。但經(jīng)過不斷專研，我逐步掌握PID算法的編程。我在查閱關(guān)于燒結(jié)爐溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計資料時，發(fā)現(xiàn)了本設(shè)計仍然存在許多不足之處可以改進：（1）由于高溫?zé)Y(jié)爐溫度控制模型是一個大慣性大延遲而且伴有非線性的系統(tǒng)，因此，僅采用經(jīng)典PID并不能很好完成控制任務(wù)，甚至出現(xiàn)比較大的誤差。如此若采用模糊PID復(fù)合控制，效果會更好。模糊PID控制是以模糊集合化、模糊語言和模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種計算機數(shù)字控制，從線性控制到非線性控制的角度分類，它屬于非線性控制；從控制器的智能性看，它屬于智能控制范疇。它不需要用精確的公式來表示傳遞函數(shù)或狀態(tài)方程，而是利用具有模糊化的語言控制規(guī)則來描述控制過程。實際應(yīng)用中，最重要的是建立合理的模糊決策控制表，即將輸入量通過模糊化的方法變?yōu)檩斎胱兞磕：蛹碾`屬函數(shù)值，然后根據(jù)模糊控制規(guī)則進行模糊推理，得出輸出變量模糊子