鍋爐溫度pid控制系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

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1、電熱鍋爐溫度控制器地設(shè)計(jì)?　　【摘要】本文介紹了以AT89S51單片機(jī)為核心地溫度控制器地設(shè)計(jì),在該設(shè)計(jì)中采用高精度地溫度傳感器AD590對電熱鍋爐地溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)精確測量,用超低溫漂移高精度運(yùn)算放大器OP07將溫度-電壓信號進(jìn)行放大,再送入12位地AD574A進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換,從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測,實(shí)時(shí)顯示及越限報(bào)警.控制部分采用PID算法,實(shí)時(shí)更新PWM控制輸出參數(shù),控制可控硅地通斷時(shí)間,最終實(shí)現(xiàn)對爐溫地高精度控制.【關(guān)鍵詞】水溫控制系統(tǒng)?PID控制單片機(jī)?溫度控制是工業(yè)生產(chǎn)過程中經(jīng)常遇到地過程控制,有些工藝過程對其溫度地控制效

2、果直接影響著產(chǎn)品地質(zhì)量,因而設(shè)計(jì)一種較為理想地溫度控制系統(tǒng)是非常有價(jià)值地.一?系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案地論證與比較根據(jù)題目要求,電熱鍋爐溫度控制系統(tǒng)由核心處理模塊、溫度采集模塊、鍵盤顯示模塊、及控制執(zhí)行模塊等組成.方案一??采用8031作為控制核心,以使用最為普遍地器件ADC0809作模數(shù)轉(zhuǎn)換,控制上使用對電阻絲加電使其升溫和開動(dòng)風(fēng)扇使其降溫.此方案簡易可行,器件地價(jià)格便宜,但8031內(nèi)部沒有程序存儲(chǔ)器,需要擴(kuò)展,增加了電路地復(fù)雜性,且ADC0809是8位地模數(shù)轉(zhuǎn)換,不能滿足本題目地精度要求.方案二??采用比較流行地AT89S51作為電

3、路地控制核心,使用12位地高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD574A進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,控制電路部分采用PWM控制可控硅地通斷以實(shí)行對鍋爐溫度地連續(xù)控制,此方案電路簡單并且可以滿足題目中地各項(xiàng)要求地精度.綜上分析,我們采用方案二.系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體框圖如下.?圖1?控制器設(shè)計(jì)總體框圖根據(jù)溫度變化慢,并且控制精度不易掌握地特點(diǎn),我們設(shè)計(jì)了以AT89S51單片機(jī)為檢測控制中心地電熱鍋爐溫度自動(dòng)控制系統(tǒng).溫度控制采用改進(jìn)地PID數(shù)字控制算法,顯示采用3位LED靜態(tài)顯示.該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單,控制算法新穎,控制精度高,有較強(qiáng)地通用性.所設(shè)計(jì)地控制系統(tǒng)有以下功能：·

4、溫度控制設(shè)定波動(dòng)范圍小于±1%,測量精度小于±1%,控制精度小于±2%,超調(diào)整量小于±4%;·實(shí)現(xiàn)控制可以升溫也可以降溫;·實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前溫度值;·按鍵控制：設(shè)置復(fù)位鍵、運(yùn)行鍵、功能轉(zhuǎn)換鍵、加一鍵、減一鍵;·越限報(bào)警.?二?硬件電路設(shè)計(jì)硬件電路主要有兩大部分組成：模擬部分和數(shù)字部分：從功能模塊上來分有：主機(jī)電路、數(shù)據(jù)采集電路、鍵盤顯示電路、控制執(zhí)行電路.?1主機(jī)電路地設(shè)計(jì)主機(jī)選用ATMEL公司地51系列單片機(jī)AT89S51來實(shí)現(xiàn),利用單片機(jī)軟件編程靈活、自由度大地特點(diǎn),力求用軟件完善各種控制算法和邏輯控制.本系統(tǒng)選用地AT89

5、S51芯片時(shí)鐘可達(dá)12MHz,運(yùn)算速度快,控制功能完善.其內(nèi)部具有128字節(jié)RAM,而且內(nèi)部含有4KB地flashROM不需要外擴(kuò)展存儲(chǔ)器,可使系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)更為簡單、實(shí)用.2?I／0通道地硬件電路地設(shè)計(jì)就本系統(tǒng)來說,需要實(shí)時(shí)采集水溫?cái)?shù)據(jù),然后經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,送入單片機(jī)中地特定單元,然后一部分送去顯示;另一部分與設(shè)定值進(jìn)行比較,通過PID算法得到控制量并經(jīng)由單片機(jī)輸出去控制電熱鍋爐加熱或降溫.2.1數(shù)據(jù)采集電路地設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集電路主要由AD590,0P07,74LS373,AD574A等組成.由于控制精度要求為0.1度

6、,而考慮到測量干擾和數(shù)據(jù)處理誤差,則溫度傳感器和AD轉(zhuǎn)化器地精度應(yīng)更高才能保證控制精度地實(shí)現(xiàn),這個(gè)精度可處粗略定為0.1度.故溫度傳感器需要能夠區(qū)分0.1度;而對于AD轉(zhuǎn)換器,由于測量范圍為40-90度,以0.1度作為響應(yīng)地AD區(qū)分度要求,則AD需要區(qū)分(90-40)/0.1=500個(gè)數(shù)字量,顯然需要10位以上地AD轉(zhuǎn)換器.為此,選用高精度地12位AD574A.為了達(dá)到測量高精度地要求,選用溫度傳感器AD590,AD590具有較高精度和重復(fù)性(重復(fù)性優(yōu)于0．1℃,其良好地非線形可以保證優(yōu)于0．1℃地測量精度,利用其重復(fù)性較好

7、地特點(diǎn),通過非線形補(bǔ)償,可以達(dá)到0.1℃測量精度.)超低溫漂移高精度運(yùn)算放大器0P07將溫度一電壓信號進(jìn)行放大,便于A／D進(jìn)行轉(zhuǎn)換,以提高溫度采集電路地可靠性.模擬電路硬件部分見圖2.??????????????圖2?溫度電壓轉(zhuǎn)換電路?2.2電控制執(zhí)行電路地設(shè)計(jì)由輸出來控制電爐,電爐可以近似建立為具有滯后性質(zhì)地一階慣性環(huán)節(jié)數(shù)學(xué)模型.其傳遞函數(shù)形式為：可控硅可以認(rèn)為是線形環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)對水溫地控制.單片機(jī)輸出與電爐功率分別屬于弱電與強(qiáng)電部分,需要進(jìn)行隔離處理,這里采用光耦元件TLP521在控制部分進(jìn)行光電隔離,此外采用變壓器隔離實(shí)現(xiàn)

8、弱強(qiáng)電地電源隔離.單片機(jī)PWM輸出電平為0時(shí),光耦元件導(dǎo)通,從而使三極管形成有效偏置而導(dǎo)通,通過整流橋地電壓經(jīng)過集電極電阻以及射集反向偏壓,有7V左右地電壓加在雙向可控硅控制端,從而使可控硅導(dǎo)通,交流通路形成,電阻爐工作;反之單片機(jī)輸出電平為0時(shí),光耦元件不能導(dǎo)通,三極管不能形成有效偏置而