基于大林算法的电加热炉温度控制系统课题设计

基于大林算法的电加热炉温度控制系统课题设计内容摘要：

贵州大学课题设计 第 5 页 或自由端；温度低的接点为冷端、参考端或自由端。 测量时，将工作端置于被测温度场中，自由端恒定在某一温度。 热电偶是基于热电效应工作的，热电效应产生的热电势是由接触电势和温差电势两部分组成的。 (2) MAX6675 单片热电偶数字转换器。 其工作原理如下： K 型热电偶产生的热电势，经过低噪声电压放大器 A1和电压跟随器 A2 放大、缓冲后，得到热电势信号U1，再经过 S4 送至 ADC。 对于 K 型热电偶，电压变化率为（ 41μV/ ℃ ），电压可由如下公式来近似热电偶的特性。 U1=（ 41μV/ ℃ ） （ TT0） （ 11） 上式中， U1 为热电偶输出电压（ mV）， T 是测量点温度； T0 是周围温度。 在将温度电压值转换为相应的温度值之前，对热电偶的冷端温度进行补偿，冷端温度即是 MAX6675 周围温度与 0℃ 实际参考值之间的差值。 通过冷端温度补偿二极管，产生补偿电压 U2经 S4 输入 ADC 转换器。 U2=（ 41μV/ ℃ ） T0 （ 22） 在数字控制器的控制下， ADC 首先将 U U2 转换成数字量，即获得输出电压 U0的数据，该数据就代表测量点的实际温度值 T。 这就是 MAX6675 进行冷端温度补偿和测量温度的原理 如图 23所示。 图 23 温度传感器 系统电路 贵州大学课题设计 第 6 页 温度控制系统 在温度控制系统中选择了固态继电器。 固态继电器 （ Solid State Relay,缩写 SSR） ， 是由微电子电路，分立电子器件，电力电子功率器件组成的无触点开关。 用隔离器件实现了 控制端与负载的隔离， 固态继电器的输入端用微小的控制 信号 ，达到直接驱动大 电流 负载。 图 24 温度控制 系统电路 键盘模块 在本次设计当中，输入设备采用 4*4 矩阵键盘。 当“设定”键按下时触发键盘中断服务程序，由程序程控扫描法确定那个键按下并执行相应的动作。 程控扫描的任务是： (1)首先判断是否有键按下。 方法：使所有的行输出均为低电平，然后从端口 A 读入列值。 如果没有键按下，则读人值为 FFH．如果有链按下．则不为 FFH。 （ 2） 去除键抖动。 方法：延时 10— 20 ms，再一次判断有无键按下，如果此时仍有键按下，则认为键盘上确实有键处于稳定闭合期。 （ 3）若有键闭合，则求出闭合键的键值。 方法：对键盘逐行扫描。 （ 4）程序中需等闭合键释放后才对其进行处理。 贵州大学课题设计 第 7 页 图 LED 显示模块 8 段 LED 显示屏是最常用的显示器件，分为共阳极和共阴极两种形式。 共阳极 LED 将所有发光二极管的阳极接在一起作为公共端，当公共端接高电平，某一段的发光二极管阴极接低电平时，相应的字段就被点亮。 共阴极 LED 将所有发光二极管的阴极接在一起作为公共端，当公共端接低电平，某一段的发光二极管阳极接高电平时，相应的字段就被点亮。 LED 数码管的显示方法 动态显示：动态扫描，分时循环 静态显示：一次输出，结果保持 (1)动态显示 动态显示，就是微型机定时地对显示器件扫描，在这种方法中，显示器件分时工作，每次只能一个器件显示。 但 由于人视觉的暂留现象，所以，仍感觉所有的器件都在显示。 (2)静态显示 静态显示，是由微型机一次输出显示后，就能保持该显示结果，直到下次送新的显示模型为止。 这种显示占用机时少，显示可靠。 通过比较及对程序的分析，本设计当中三组数码管均采用了共阴极静态显示。 贵州大学课题设计 第 8 页 图 26 LED显示系统电路 74LS164 介绍 74LS164 串行输入并行输出移位寄存器 本设计是用 74LS164 把输入的串行数转换成并行数输出。 图 26 74LS164引脚图 其引脚图如图 26 所示，功能如下： A、 B：串行输入端 ； QA~QB：并行输出端 ； ：清零端，低电平有效 ； CLK ：时钟脉冲输入端，上升沿有效。 贵州大学课题设计 第 9 页 第 3章 软件设计 系统软件设计 控制系统的软件主要包括：温度的采样和处理 、控制计算、控制输出、中断、显示、调节参数修改、温度设定及修改。 其中控制算法采用最小拍无纹波控制算法，以达到更好的控制效果。 考虑到电加热炉是一个非线性、时变和分布参数系统，所以本文采用一种新型的智能控制算法。 它充分吸取数学和自动控制理论成果，与定性知识相结合，做到取长补短，在实时控制中取得较好的成果。 其中，系统的软件流程图如图。 图 系统软件流程图 贵州大学课题设计 第 10 页 基于大 林算法的 电加热炉温度控制 的相关计算 大 林 算法中 D(z)的基本形式 设被控对象为带有纯滞后的一阶惯性环节或二阶惯性环节，其传递函数分别为： （ 21） （ 22） 其中 为被控对象的时间常数， 为被控对象的纯延迟时间，为了简化，设其为采样周期的整数倍，即 N为正整数。 由于大林算法的设计目标是使整个闭环系统的传递函数相当于一个带有纯滞后的一阶惯性环节，即 ，其中 由于一般控制对象均与一个零阶保持器相串联，所以相应的整个闭环系统的脉冲传递函数是 （ 23） 于是数字控制器的脉冲传递函数为 （ 24） D(z)可由计算机程序实现。 由上式可知，它与被控对象有关。 下面分别对一阶或二阶纯滞后环节进行讨论。 一阶惯性环节的大林算法的 D(z)基本形式 当被控对象是带有纯滞后的一阶惯性环节时 ，由式（ 21）的传递函数可知，其脉冲传递函数为 ： 贵州大学课题设计 第 11 页 将此式代入（ 24），可得 （ 25） 式中： T—— 采样周期： ——— 被控对象的时间常数； ——— 闭环系统的时间常数。 二阶惯性环节 大 林算法的 D(z)基本形式 当被控对象为带有纯滞后的二阶惯性环节时，由式（ 21）的传递函数可知，其脉冲传递函数为 其中， 将式 G(z)代入式（ 23）即可求出数字控制器的模型： （ 26）。