计算机控制技术课程设计-----炉温控制

计算机控制技术课程设计-----炉温控制内容摘要：

阶跃输入 11 ( ) 1H z z   1()H z z 因而11)(11)(1)(1 )()(1)( 11 zzGzzzGzH zHzGzD （ 2）对斜坡函数输入 121 ( ) (1 )H z z   或 12( ) 2H z z z 11 从而有 22121)1( 12)(1)1(2)(1)(    z zzGz zzzGzD （ 3）对加速度函数输入 131 ( ) (1 )H z z   或 1 2 3( ) 3 3H z z z z     从而有 3231321)1( 133)(1)1( 33)(1)(    z zzzGz zzzzGzD 无纹波，无稳态误差的最少拍系统 用前述方法设计的最少拍控制系统，对于符合原设计的输入信号能很快地跟踪。 然而，如果进一步用改进的 z 变换法来研究所设计的系统，就会发现问题。 这种改进的 z 变换不仅能求出采样时刻的系统输出，而且可以研究采样间隔中，输出的变化情况。 用这种 z 变换将发现用前述方法设计的系统，在采样时刻之间存在着波动。 有纹波的系统，在采样时刻之间存在误差，而且功率损耗、振动等也很大，它将加快执行机构等可动部件的磨损。 为此，必须改进设计方法，使设计出的系统满足无纹波的条件。 （ 1）最少拍系统产生纹波的原因 经分析可知，最少拍系统虽然经过有限拍后能使采样时刻的稳态误差为零，从而使数字控制器的离散输入量 E(z)为零。 但控制器的输出并 没有达到稳态值，仍然是上下波动的。 亦即控制器的输出 U(z)不能在有限拍内变为零。 如果整个系统以 U(z)为输出量，设这时的闭环传递函数为 ()DHz。 同样，如果这一闭环传递函数也能表示成极点都在 z 平面原点的形式，则过渡过程也能在有限拍内结束。 （ 2）无纹波最少拍系统的设计 根据王勤主编教材 P93 的理论推导可知，无纹波最少拍系统的闭环传递函数应分别为 0 ( ) ( )()() kkF z P zFzHz zz （ 49） 0 ( ) ( )()D kF z Q zHz z （ 410） 式中： ()()()PzGz Qz， 0()Fz为 z 的多项式。 上述传递函数能保证系统的输出 Y(z)和控制器输出 U(z)的暂态过程均能在有限拍内结束。 式（ 49）说明，无纹波最少拍系统的闭环传递函数 H(z)不仅应为 1z 的多项式，而且应包含 G(z)的全部零点。 由式（ 45）可得 12 )()( )()()(1 )()(1)( 00 zPzFz zQzFzH zHzGzD k  在最简单的情况下， 0()Fz为常数。 为了保证 D(z)是可实现的，至少要使 k 大于或等于 Q(z)的阶次，即 kn （ 411） 将式（ 47）与式（ 411）相比，发现由于要求无纹波，系统的最少拍增加了 m 拍，响应的暂态过程也延长 m 拍。 斜坡输入下最少拍系统设计举例 （ 1）斜坡输入下无稳态误差最少拍系统设计 设被控对象为二阶系统，其传递函数为)1()( 1  sTs KsG 对于二阶被控对象加零阶保持器后对象的传递函数为： )1(1)( 1   sTs KsesG TS 选择采样周期 T，将上述传递函数离散后得 )1)(1()()()(112111111111zezzTeeTTzeTTTKzGTTTTTTTT 因为输入是单位斜坡信号，所以选择： 21 )1()(1  zzH 212)(   zzzH )1)(1()1)(2(])())[(1()1)(2()(1)()(1)()()(111111111111 11111 BzzKAzezzTeeTTeTTTzKzezzHzHzGzEzUzD TTTTTTTTTT 2121)1(1 )21(2111  BzzB zezeKATTTT 其中 11 1 TeTTA TT   ， A TeeTTB TTTT 1111   由此可得斜坡输入下最少拍算法的数字控制器算法为 13 u(k)=(1B)u(k1)+Bu(k2)+ )2()1(21)(2 11 //   keKAekeKAekeKA TTTT （ 2）斜坡输入下无纹波、无稳态误差最少拍系统设计 )1)(1()1()1)(1()()()(11111121111111111zezBzzKAzezzTeeTTzeTTTKzGTTTTTTTTTT ①保证系统在斜坡输入下的稳态误差为零，则系统的闭环传递函数应符合 12 11 ( ) (1 ) ( )H z z F z   ②稳定性原则 1 ( )Hz 应包含 G(z)的不稳定极点，其形式为 12 11 ( ) (1 ) ( )H z z F z   ，其中 1()Fz为不包含 G(z)的零点和极点的多项式。 上式和保证稳态误差为零的要求相同。 ()Hz应包含 G(z)的不稳定零点，其形式为 1 2( ) (1 ) ( )H z Bz F z ，其中 2()Fz为不包含 G(z)的零点和极点的多项式。 ③无纹波有限拍暂态过程 为了实现无纹波， 2()Fz中必须包含 G(z)的分子上的另一因子 1z。 要寻找 ()Hz、 1()Fz和 2()Fz的形式，使它们的项数最少（即最小实现）而又满足上述条件。 显然应为 110( ) 1F z b z 112 0 1( ) ( )F z c c z z 1 1 1 12 0 1( ) ( 1 ) ( ) ( 1 ) ( )H z B z F z B z z c c z        联立求解得 12 2320   BB Bc ， 12 )12(21   BB Bc ， 12 )1(20   BB BBb 所以有 )1)(1( ))(1()(1 )()(1)( )()( 10111011  zbzKA zcczezH zHzGzE zUzDTT 2020211010)1(1 )(111  zbzb zeczecccKATTTT 由此可得斜坡输入下最少拍无纹波的算法： 14 )2()1()()2()1()1()( 11 101000   keKAeckeKA ecckeKAckubkubku TTTT 晶闸管调压装置 可控硅调压器简称晶闸管调功器，又称 晶闸管调压器、晶闸管调整器、可控硅调功器、可控硅调整器。 是一种以可控硅为基础，以专用控制电路为核心的电源功率控制电器。 可控硅调压器：是一种以可控硅（电力电子功率器件）为基础，以专用控制电路为核心的电源功率控制电器。 简称 晶闸管调功器。 又称 晶闸管调功器 ， 晶闸管调压器 ， 晶闸管调整器 ， 可控硅调功器 ， 可控硅调整器 ，具有效率高、无机械噪声和磨损、响应速度快、体积小、重量轻等诸多优点。 三相恒压 |恒流 |恒功率晶闸管功率控制器是移相触发型的晶闸管电力控制器。 触发板具有过流、缺相、相序、晶闸管过热等多种保护功能；可广泛应用于工业各领域的电压、电流、功率的调节，适用于电阻性负载、电感性负载、变压器 一次侧等，主要应用如下： ◇ 以镍铬、铁铬铝、远红外发热元件及硅钼棒、硅碳棒、钼丝、石墨、白金漏板等为加热元件的温度控制。 ◇ 盐浴炉、工频感应炉、淬火炉、熔融玻璃的温度控制。 ◇ 整流变压器、电炉变压器一次侧控制。 ◇ 真空镀膜设备、拉丝机变压器一次侧、静电植荣变压器一次侧等 ◇ 三相力矩电动机的速度控制。 ◇ 电压、电流、功率、灯光等无级平滑调节。 ◇ 恒压、恒流、恒功率控制。 主要应用领域：盐浴炉、工频感应炉、淬火炉温控；热处理炉温控；玻璃生产过程温控；金刚石压机加热；大功率充磁 /退磁设备；半导体工业舟蒸发源；航空电源调压；真空磁控溅射电源；纺织机械；水晶石生产；粉末冶金机械；隧道电窑集散温控系统；彩色显像管生产设备；冶金机械设备；交直流电机拖动；石油化工机械；电压、电流、功率、灯光等无级平滑调节，恒压恒流恒功率控制等领域。 制做工艺及质量保证：控制器的元器件全部采用波峰焊（非人工焊接）；控制板焊接完成后进行初调；初调合格后进行为期一周的通电升温动态老化试验；最后进行全面检测。 ■特点 : * 可用 380V 电源频率为 50HZ/60HZ 电网，特殊电压要求可定制。 * 采用移相式触发方式、 适用于阻性负载、感性负载、变压器一次侧等各种负载类型。 * 能与国内外各种控制仪表、微机的输出信号直接接口。 * 一台仪表可以同时控制多台触发板。 * 具有软启动功能，减少对电网的冲击干扰，使主电路更加安全可靠。 * 脉冲输出对称度小于 度。 * 同步电压范围宽。 15 第 4 章 系统硬件设计 系统概况 本系统是采用以 AT89C51 单片机为核心的温度控制系统，通过温度传感器采样实时温度，并通过变送器将温度最终转换为电压信号通过 A/D 转换器 0808 将其转换为数字信号，送入单片机与给定值进行比较，通过运用 最少拍 算法得出控制结果，送显示并进行控制。 总体设计方案见如图 41 所示。 图 41 系统设计方案图 功能模块 本系统是采用以 AT89C51 单片机为核心的温度控制系统，通过温度传感器采样实时温度，并通过变送器将温度最终转换为电压信号通过 A/D 转换器 0808将其转换为数字信号，送入单片机与给定值进行比较，通过运用 最少拍 算法得出控制结果，送显示并进行控制。 单片机控制模块 A/T89C52 是整个系统的控制核心，将采集来的数据与设定值进行比较，利用 最少拍 算法得出结果并送输出。 整个控制系统的程序就下载到单片机中去。 A/T89C52 仿真图如图 42 所示。 报警提醒 LED 显示 键盘 微型控制机 AT89C52 温度传感器 驱动执行机构 测量变送 8 路 A/D 转换器ADC0809 加热电阻 温度 16 图 42 单片机仿真 数据转换与采集模块 A/D0808 AD0808 是 CMOS 的 8 位模 /数转换器，采用逐次逼近原理进行 A/D 转换，芯片内有模拟多路转换开关和 A/D 转换两大部分，可对 8 路 0～ 5V的输入模拟电压信号分时进行转换。 模拟多路开关由 8 路模拟开关和 3 位地址锁存译码器组成，可选通 8 路模拟输入中的任何一路，地址锁存信号 ALE 将 3 位地址信号 ADDA、 ADDB、 ADDC 进行锁存，然后由译码电路选通其中的一路，被选中的通道进行 A/D 转换。 另外 ADC0809 输出具有 TTL 三态锁存缓冲器，可直接连到 CPU 数据总线上。 实时温度经过传感器的检测并通过变送器将其转换成模拟的电压信号，而 A/D0808 则用来采集电压信号并将其转换为数字信号存储在单片机中，以便后续对数据的处理。 其硬件仿真图如图 43 所示。 图 43 A/D0808 仿真图 17 按键选择模块 系统采用了两个按键用来进行温度的设定，一个进行温度加，一个进行温度减。 每按下一次，温度就相应的加一或减一。 按照设计要求，温度的设定范围为50150 度，其仿真如图 44 所示。 图 44 按键示意图 显示模块 显示模块采用两个 7 段共阴极数码管，一个用来显示实时温度，一个用来显示设定温度。 并用 74LS04 来驱动数码管。 其仿真图如图 45 所示。 图 45 显示示意图 报警模块 当实时温度高于或低于设定温度 5 度以上时，系统就会报警，报警指示灯红灯亮。 如图 4。