鍋爐溫度pid控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

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1、.電熱鍋爐溫度控制器的設(shè)計(jì)?　　【摘要】本文介紹了以AT89S51單片機(jī)為核心的溫度控制器的設(shè)計(jì),在該設(shè)計(jì)中采用高精度的溫度傳感器AD590對(duì)電熱鍋爐的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)精確測(cè)量,用超低溫漂移高精度運(yùn)算放大器OP07將溫度-電壓信號(hào)進(jìn)行放大,再送入12位的AD574A進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換,從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè),實(shí)時(shí)顯示及越限報(bào)警?？刂撇糠植捎肞ID算法,實(shí)時(shí)更新PWM控制輸出參數(shù),控制可控硅的通斷時(shí)間,最終實(shí)現(xiàn)對(duì)爐溫的高精度控制?！娟P(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)常遇到的過程控制,有些

2、工藝過程對(duì)其溫度的控制效果直接影響著產(chǎn)品的質(zhì)量,因而設(shè)計(jì)一種較為理想的溫度控制系統(tǒng)是非常有價(jià)值的。一?系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的論證與比較根據(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,以使用最為普遍的器件ADC0809作模數(shù)轉(zhuǎn)換,控制上使用對(duì)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,器件的價(jià)格便宜,但8031內(nèi)部沒有程序存儲(chǔ)器,需要擴(kuò)展,增加了電路的復(fù)雜性,且ADC0809是8位的模數(shù)轉(zhuǎn)換,不能滿足本題目的精度要求

3、。方案二??采用比較流行的AT89S51作為電路的控制核心,使用12位的高精度模數(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控制可控硅的通斷以實(shí)行對(duì)鍋爐溫度的連續(xù)控制,此方案電路簡單并且可以滿足題目中的各項(xiàng)要求的精度。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的特點(diǎn),我們?cè)O(shè)計(jì)了以AT89S51單片機(jī)為檢測(cè)控制中心的電熱鍋爐溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)。溫度控制采用改進(jìn)的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

4、,控制算法新穎,控制精度高,有較強(qiáng)的通用性。所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)有以下功能：·溫度控制設(shè)定波動(dòng)范圍小于±1%,測(cè)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)電路的設(shè)計(jì)主機(jī)選用ATMEL公司的51系列單片機(jī)AT89S51來實(shí)現(xiàn),利

5、用單片機(jī)軟件編程靈活、自由度大的特點(diǎn),力求用軟件完善各種控制算法和邏輯控制。本系統(tǒng)選用的AT89S51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的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通道的硬件電路的設(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(hào),送入單片機(jī)中的特定單元,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)

6、據(jù)采集電路的設(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,而考慮到測(cè)量干擾和數(shù)據(jù)處理誤差,則溫度傳感器和AD轉(zhuǎn)化器的精度應(yīng)更高才能保證控制精度的實(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(duì)于AD轉(zhuǎn)換器,由于測(cè)量范圍為40-90度,以0.1度作為響應(yīng)的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位以上的AD轉(zhuǎn)換器。為此,選用高精度的12位AD574A。為了達(dá)到測(cè)量高精度的要求,

7、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℃,其良好的非線形可以保證優(yōu)于0．1℃...的測(cè)量精度,利用其重復(fù)性較好的特點(diǎn),通過非線形補(bǔ)償,可以達(dá)到0.1℃測(cè)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(hào)進(jìn)行放大,便于A／D進(jìn)行轉(zhuǎn)換,以提高溫度采集電路的可靠性。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)行電路的設(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)的一階慣性環(huán)節(jié)數(shù)學(xué)模型。其傳遞函數(shù)形式為：可控硅可以

8、認(rèn)為是線形環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)對(duì)水溫的控制。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)弱強(qiáng)電的電源隔離。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,通過整流橋的電壓經(jīng)過集電極電阻以及射集反向偏壓,有7V左右的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