電阻爐溫度控制系統設計畢業設計論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 這種變壓器的結構特點是鐵芯上只繞有一個線圈。 如果把整個線圈作原線圈，副線圈只取線圈的一部分，就可以降低電壓（）；如果把線圈的一部分作原線圈，整個線圈作副線圈，就可以升高電壓（ 乙所示)。調壓變壓器是一種典型的自耦變壓器, 所示. 線圈AB 繞在一個圓環形的鐵芯上,當A 、B 之間輸入交流電壓后, 轉動滑動觸頭P 的位置,就可以在C、D 兩端輸出能連續變化的不同電壓。（2）自耦變壓器的工作原理自耦變壓器也是利用電磁感應原理制成的。,在交流電源的作用下，原線圈中產生交變電流,從而在鐵芯中激發交變的磁通量。這一交變的磁通量將在原、副線圈中產生感應電動勢,這便是自耦變壓器的工作原理。因此，自耦變壓器也具有一般變壓器所具有的變壓、變流和變阻特性。在實際生產應用中，調節器是構成自動控制系統的核心儀表，它將來自變送器的測量值與給定值相比較后產生的偏差進行比例、積分、微分(PID)運算，并輸出統一標準信號，去控制執行機構的動作，以實現對溫度及其他工藝變量的自動控制。調節器的運算規律是指調節器的輸出信號與輸入偏差之間隨時間變化的規律。理想的PID調節器的運算規律可用下式表示 （41）也可用傳遞函數表示為 （42）式中第一項為比例(P)部分，第二項為積分(I)部分，第三項為微分(D)部分，各變量的意義如下：——調節器的比例增益；——調節器的積分時間；——調節器的微分時間；實際PID調節器的運算規律表達式要復雜些，其傳遞函數常用下式表示 （43）式中 ——調節器變量之間的相互干擾系數，可表示為，其中比例系數的大小與調節器的構成方式有關。該式表明，當調節器無積分作用()或無微分作用時，； ——考慮相互干擾系數后的實際比例增益； ——考慮相互干擾系數后的實際積分時間； ——考慮相互干擾系數后的實際微分時間； ——積分增益； ——微分增益。當、均很大時，則上式就近似等于理想PID運算規律的表達式了。當偏差為階躍信號時，利用拉氏反變換，由上式可求得實際PID調節器的輸出為 （44）當時，；當時。調節器包括偏差檢測和進行PID運算的兩部分電路。偏差檢測電路也即輸入電路，偏差信號一般采用電壓形式，所以輸入信號與給定信號在輸入電路內都是以電壓形式進行比較。在本設計中可以使用DDZⅢ型調節器也可以使用數字式調節器，本設計采用 數字式調節器，因為數字式調節器相對于DDZⅢ型調節器使用起來更方便而且調節更精確。本設計中的執行器采用固態繼電器，固態繼電器（亦稱固體繼電器）英文名稱為Solid State Relay，簡稱SSR。固態繼電器與機電繼電器相比，是一種沒有機械運動，不含運動零件的繼電器，但它具有與機電繼電器本質上相同的功能。SSR是一種全部由固態電子元件組成的無觸點開關元件，他利用電子元器件的電，磁和光特性來完成輸入與輸出的可靠隔離，利用大功率三極管，功率場效應管，單向可控硅和雙向可控硅等器件的開關特性，來達到無觸點，無火花地接通和斷開被控電路。固態繼電器有三部分組成:輸入電路，隔離(耦合)和輸出電路。按輸入電壓的不同類別，輸入電路可分為直流輸入電路，交流輸入電路和交直流輸入電路三種。有些輸入控制電路還具有與TTL/CMOS兼容，正負邏輯控制和反相等功能。固態繼電器的輸入與輸出電路的隔離和耦合方式有光電耦合和變壓器耦合兩種。固態繼電器的輸出電路也可分為直流輸出電路，交流輸出電路和交直流輸出電路等形式。交流輸出時，通常使用兩個可控硅或一個雙向可控硅，直流輸出時可使用雙極性器件或功率場效應管。固態繼電器具有高壽命，靈敏度高，快速轉換，電磁干擾小等優點，固本設計采用固態繼電器。無紙無筆記錄儀摒棄了傳統記錄儀中使用的記錄筆和記錄紙，把工業現場的各種需要監視記錄的輸入信號，通過本機CPU數據處理，一方面在大屏幕液晶顯示屏幕上以多種形式的畫面顯示出來，另一方面把這些監察信號的數據存放在本機內藏的大容量存儲芯片內，以便在本記錄儀上直接進行數據和圖形查詢、翻閱和打印。帶有軟磁盤驅動的EXII型無紙記錄儀還可將這些數據進行拷盤存檔，用戶可用我們提供的上位機軟件，對已記錄數據的軟盤，在上位機上重現歷史數據和歷史曲線。無紙記錄儀分為：中長圖彩屏無紙記錄儀，藍屏無紙記錄儀，彩屏無紙記錄儀，單色無紙記錄儀。本設計使用的是藍屏無紙記錄儀，在使用時應先進入組態模塊，操作身份選為工程師，進而進入主菜單修改參數，通道選為單通道顯示，量程選為01000，接收信號選為S型熱電偶，單位選為攝氏度。當通電時無紙記錄儀將會自動進行工作，把熱電偶的正負極接到無紙記錄儀的輸入端，當實驗達到理想狀態時可以直接通過U盤讀取。然后再通過無紙記錄儀U盤數據存儲分析軟件對結果進行分析。PWM電路（脈寬調制電路）是利用微處理器的數字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術，廣泛應用于測量，通信，功率控制與變換等許多領域。脈沖寬度調制（PWM）是一種對模擬信號電平進行數字編碼的方法。通過高分辨率計數器的使用，方波的占空比被調制用來對一個具體模擬信號的電平進行編碼。PWM信號仍然是數字的，因為在給定的任何時刻，滿幅值的直流供電要么完全有(ON)，要么完全無(OFF)。電壓或電流源是以一種通(ON)或斷(OFF)的重復脈沖序列被加到模擬負載上去的。通的時候即是直流供電被加到負載上的時候，斷的時候即是供電被斷開的時候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM進行編碼。PWM的一個優點是從處理器到被控系統信號都是數字形式的，無需進行數模轉換。讓信號保持為數字形式可將噪聲影響降到最小。噪聲只有在強到足以將邏輯1改變為邏輯0或將邏輯0改變為邏輯1時，也才能對數字信號產生影響。 對噪聲抵抗能力的增強是PWM相對于模擬控制的另外一個優點，而且這也是在某些時候將PWM用于通信的主要原因。從模擬信號轉向PWM可以極大地延長通信距離。在接收端，通過適當的RC或LC網絡可以濾除調制高頻方波并將信號還原為模擬形式。 總之，PWM既經濟、節約空間、抗噪性能強，是一種值得廣大工程師在許多設計應用中使用的有效技術。 本設計利用脈寬調制電路將調節器輸出的420mA的信號線性轉化0%100%的占空比，使其控制固態繼電器的開關，進而控制了電阻爐的通電和斷電時間。從而實現了電阻爐的溫度控制。（1）PWM電路的硬件原理圖本設計的PWM電路采用了AT89C2051，ADC0832，74LS164，LED等，因此自己焊制了PWM電路板。PWM電路圖見附錄B。AT89C2051是美國ATMEL公司生產的低電壓、高性能CMOS 8位單片機，片內含2k bytes的可反復擦寫的只讀程序存儲器（PEROM）和128bytes的隨機數據存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術生產，兼容標準MCS51指令系統，片內置通用8位中央處理器和Flash存儲單元，功能強大at89c2051單片機可為您提供許多高性價比的應用場合。以下為其引腳圖： AT89C2051引腳圖主要性能：　　和MCS51產品兼容；　　2KB可重編程FLASH存儲器（1000次）；　??；　　全靜態工作：0Hz24KHz；　　2級程序存儲器保密鎖定；　　128*8位內部RAM；　　15條可編程I/O線；　　兩個16位定時器/計數器；　　6個中斷源；　　可編程串行通道；　　高精度電壓比較器（，）；直接驅動LED的輸出端口；ADC0832 是美國國家半導體公司生產的一種8 位分辨率、雙通道A/D轉換芯片。由于它體積小，兼容性，性價比高而深受單片機愛好者及企業歡迎，其目前已經有很高的普及率。 ADC0832的引腳圖ADC0832 具有以下特點：　　 8位分辨率；　　 雙通道A/D轉換；　　 輸入輸出電平與TTL/CMOS相兼容；　　 5V電源供電時輸入電壓在0~5V之間；　　 工作頻率為250KHZ，轉換時間為32μS；　　 一般功耗僅為15mW；　　 8P、14P—DIP（雙列直插）、PICC 多種封裝；　　 商用級芯片溫寬為0176。C to +70176。C，工業級芯片溫寬為?40176。C to +85176。C；　　芯片接口說明：　　 CS_ 片選使能，低電平芯片使能；　　 CH0 模擬輸入通道0，或作為IN+/使用；　　 CH1 模擬輸入通道1，或作為IN+/使用；　　 GND 芯片參考0 電位（地）；　　 DI 數據信號輸入，選擇通道控制；　　 DO 數據信號輸出，轉換數據輸出；　　 CLK 芯片時鐘輸入；　　 Vcc/REF 電源輸入及參考電壓輸入（復用）；ADC0832 為8位分辨率A/D轉換芯片，其最高分辨可達256級，可以適應一般的模擬量轉換要求。其內部電源輸入與參考電壓的復用，使得芯片的模擬電壓輸入在0~5V之間。芯片轉換時間僅為32μS，據有雙數據輸出可作為數據校驗，以減少數據誤差，轉換速度快且穩定性能強。獨立的芯片使能輸入，使多器件掛接和處理器控制變的更加方便。通過DI 數據輸入端，可以輕易的實現通道功能的選擇。74LS164 為 8 位移位寄存器,其主要電特性的典型值如下：當清除端（CLEAR）為低電平時，輸出端（QA－QH）均為低電平。 串行數據輸入端（A，B）可控制數據。當 A、B任意一個為 低電平，則禁止新數據輸入，在時鐘端（CLOCK）脈沖上升沿作用下Q0 為低電平。當A、B 有一個為高電平，則另一個就允許輸入數據，并在CLOCK 上升沿作用下決定Q0 的狀態。 74LS164的引腳圖引腳功能：CLOCK ：時鐘輸入端；CLEAR： 同步清除輸入端（低電平有效）； A，B ：串行數據輸入端；QA－QH： 輸出端； 74LS164的真值表（2）PWM電路的軟件pWM電路的軟件主要分為三部分，第一是模數轉換程序，第二是將調節器的輸出信號轉化為占空比的程序，第三是LED顯示占空比的程序。本設計采用C51進行編程（程序見附錄C）（3） PWM電路板由于實驗室的數字調節器不帶有PWM模塊，所以需要自己焊制PWM電路板， PWM電路板用信號發生器模擬調節器輸出的420mA電流，對PWM電路進行了演示，， PWM演示圖1 PWM演示圖2 PWM演示圖3第五章 電阻爐溫度控制系統的參數整定及系統調試根據前面的實驗結果，下一步應進行該系統的參數整定及系統調試。這時就應該實際的考慮很多問題，包括在系統連接后運行及調節參數上出現的問題。 溫度控制系統的實現線路 系統的連線框圖系統的接線端子圖與系統的基本原理框圖是一致的。見附錄A 系統的連接線路及自動控制過程在實驗室，對儀表進行了解，然后按照系統接線端子圖連線。一定將各儀表對應的端子連接正確，避免造成事故。連接好儀表后，檢查無誤后再接通電源。檢測一下調節器和執行器是否能正常工作。接通電源，參考前邊給定的PID調節器的參數，調試，整定系統以達到最佳的控制效果，確定最后的調節器參數。熱電偶將檢測得到的毫伏信號送入調節器，調節器把輸入信號與給定值信號的差值進行比例、積分、微分規律運算后將控制信號送入PWM電路，PWM電路控制固態繼電器的通電和斷電時間，從而控制電阻爐的溫度，只有當調節器的輸入信號與給定值相等時，即差值為零時，固態繼電器的通電時間不變，使電阻爐的溫度控制在給定值上，從而達到了恒溫控制的要求。 PID調節器及其參數的整定在實際工業生產應用中，調節器是構成自動控制系統的核心儀表，它的基本功能是將來自變送器的測量信號與給定信號相比較，并對由此所產生的偏差信號進行比例、積分或微分處理后，輸出調節信號控制執行器的動作以實現對不同被測或被控參數如溫度、壓力、流量或液位等的自動控制。 P、I、D各運算規律的作用基本運算規律比例（P）、積分（I）和微分（D）三種，PID調節器的運算規律就是由這些基本運算規律組合而成。下面分別介紹三種基本控制規律的特點。（1） 比例（P）控制規律具有比例控制規律的調節器其輸出信號的變化量ΔY與偏差信號ε之間存在比例關系，用微分方程形式表示為： ΔY=KPε （51）式中，KP為一個可調的比例增益。采用圖示法表示的比例調節器在階躍輸入信號作用下其輸出響應特性曲線如圖 。 比例調節器階躍響應輸出特性曲線顯然，當有偏差信號存在時，調節器的輸出立刻與偏差成比例地變化。這是一種最基本、最主要、應用最普遍的控制規律，它能及時和迅速地克服擾動的影響，從而使系統很快地達到穩定狀態。但因調節器的輸出信號與輸入信號須始終保持比例關系，所以在系統穩定后，被控變量無法達到給定值，而是存在一定的殘余偏差，即殘差。（2） 積分（I）控制規律具有積分控制規律的調節器其輸出信號的變化量ΔY與偏差信號ε的積分成正比，用微分方程形式表示可為： （52） 式中，為積分時間；為積分速度。采用圖示法表示的積分調節器在階躍輸入信號作用下其輸出響應特性曲線如圖 。 積分調節器階躍響應特性曲線顯然，斜率與調節器積分速度成正比的直線是積分過程的描述。直線越陡，表示積分速度越快，積分作用越強。，具有積分控制規律的調節器輸出信號變化量ΔY的大小