电阻炉(PID调节,计算机仿真,温度控制)018

摘    要

    本文对工业对象中主要的被控参数电阻炉炉温进行研究，设计了硬件电路和软件程序。硬件电路采用了8031单片机对电阻炉的温度进行检测和控制，检测到的模拟信号经补偿放大器送入A/D转换成相应的数字量，经滤波，线性化处理，标度变换后，经LED显示炉温。选用8031单片机，软件程序采用两重中断嵌套方式，首先使T0定时器产生每秒一次的定时中断，作为本系统的采样周期。在其中断服务程序中启动A/D，读入采样数据，进行数字滤波，上下限报警处理，PID计算等，然后输出控制脉冲信号。脉冲的宽度则由T1计数器溢出中断决定。在等待T1中断时，将本次采样数值转换成对应的温度值放入显示缓冲区，然后调用显示子程序。从T1中断返回后，再从T0中断返回主程序并继续显示本次采样温度，等待下次T0中断。提出了一种PID控制的方法，即只调节KP一个参数，来实现PID控制。与常规PID三个参数调整相比，省时、高效，为实现简易的自整定控制带来方便。电阻炉炉温为一阶惯性纯滞后系统，通过MATLAB进行计算机仿真，调节KP的值，得到较为理想的阶跃响应曲线。
本设计系统具有结构先进合理、功能完善、控制精度高、抗干扰能力强、通用性好、使用方便等特点，具有很好的社会经济效益。

第1章  绪  论
1.1  引  言
电阻炉是热处理生产中应用最广的加热设备，通过布置在炉内的电热
元件将电能转化为热能借助辐射与对流的传热方式加热工件。通常可用以
下模型定性描述[1] ：
                                                             
                                                               （1-1）  
                                                                                  式中　  X －－电阻炉内温升（指炉内温度与室温温差）
K －－放大系数
t  －－加热时间　
T －－时间系数　
V －－控制电压
τ0 －－纯滞后时间　
但在实际热力过程中，由于被加热金属的导热率、装入量以及加热温度等因素的不同，直接影响着 K 、T 、τ0等参数的变化，因此电阻炉本身具有很大的不确定性。　
热处理是提高金属材料及其制品性能的工艺。根据不同的目的，将材料及其制件加热到适宜的温度，保温，随后用不同的方法冷却，改变其内部组织，以获得所要求的性能，通过热处理可以提高制件的使用效能或寿命。在其加热工艺中，不仅需要准确控制制件的加热温度，对一些大型制件，还需要给出加热温度下均温或透烧的时间（既是使被加热物件表面或堆垛外部温度与其心部或中心部位的温度与设定的加热温度均匀一致的时间）。　
然而，现行电加热炉使用的控温仪表，无论是传统的交流接触式的位式控温仪表（如 XCT、XMT、DWG 等等系列）还是移相或过零触发晶闸管调压（功）式的温控系统，以及微电脑控温系统（如 DX 系列智能温度控制器、SD0.25 级精度微处理机智能数显表、PTC 微处理机温度控制器、微电脑热处理控温系统以及 RKC、OMEON、EURO、HONNYWELL 等等温度控制器）其控制器大多是 70~80 年代的产品，功能和精度已不适应生产的发展和检验的要求；并且只能是测量与控制电阻加热炉炉膛或者说是被加热对象表面的温度，而对于大件心部或堆跺中间工件的温度是无法进行测量与控制的。何时透烧或者均温多长时间是通过理论计算、试验参数、安全保证系数及操作者的经验等内外因素人为地给定一个均温时间，在设定温度下，均温时间一到，就出炉进行下一道工序。对于不同材料、不同装炉量、不同放置方式以及不同加热功率等均是如此，透没透烧，是否“过烧”，谁也不知道，这是不科学的。因此具有均温时间长、生产效率低、耗费能量大、内部组织粗化、性能低、产品质量恶化、废品率高、原材料消耗多等缺点。另一方面，在这两大类控温仪的技术开发上，也只是局限在仪表的高精度、多通道、数字显示、智能化微机控制等方面进行。
PID调节是连续系统中技术最成熟，且应用最广泛的一种控制方法。它结构灵活，不仅可以采用常规的PID调节，而且可以根据系统的要求，采用各种PID的变种，如PI、PD控制，不完全微分控制，积分分离式PID控制，带死区的PID控制，变速积分P功控制，比例PID控制等等。PID控制器把设定值与实际输出值相减，得到控制偏差，偏差值经比例、积分、微分运算后通过线性组合构成控制量，然后对对象进行控制。虽然计算机控制是离散的，但对于时间常数比较大的系统来说，其近似于连续变化。因此，用数字PID完全可以代替模拟调节器，而且可以得到比较满意的效果。所以，用数字方式模拟PID调节器仍是目前应用比较广的方法之一。
1.2  系统概述
根据电阻炉和单片机的广泛的应用和较好的发展前景，设计了用单片机控制炉温的系统。系统将电阻炉的温度控制范围在400℃-1000℃内、温控精度<±5℃、测量精度〈±2.5℃。这就要求系统不仅要有好而合理的控制算法，还对系统的输入检测电路的硬件和软件精度有较高的要求。
本设计的基本思路和原理是，反映炉温的热电偶电势，经冷端补偿的变送器放大后，经过A/D转换成为数字信号送入单片机，单片机经过数字滤波、线性化处理、标度变换后，通过LED显示。根据运算的结果，计算机通过I/O口去改变控制脉冲宽度，从而改变晶闸管在一个固定周期内的导通时间。即而改变电阻炉的平均输出功率，达到控制炉温的目的。
本文用8031单片机实现控制，为了便于用户根据不同的实际需要对工作方式及其他参数组态进行修改，要求所有的参数及组态状况均可通过面板的几个操作键输入、检查和修改。系统的测量值和所有设定参数均由LED数码管直接显示，读数清晰，直观。