过程控制系统课程设计报告书管式加热炉温度控制系统设计
学院：自动化
班级：15级自动化4班
指导老师：陈刚
组员：
重庆大学自动化学院
2019年1月
任务分配
过程控制系统课程设计——管式加热炉温度控制系统的设计
目录
任务分配 (2)
过程控制系统课程设计——管式加热炉温度控制系统的设计 (2)
1摘要 (4)
2模型简介 (4)
2.1背景 (4)
2.2模型假设 (4)
2.3系统扰动因素 (5)
3控制方案 (5)
3.1传统PID控制方法 (5)
3.2串级控制系统 (6)
3.3 方案选择 (7)
4串级控制器的设计 (7)
4.1主副控制器设计 (7)
4.1.1主、副回路的设计原则 (7)
4.1.2主、副调节器的选型 (7)
4.1.3主、副调节器调节规律的选择作用 (8)
4.2串级控制器的参数整定 (8)
5系统的仿真和改进 (9)
5.1串级控制系统仿真 (9)
5.2基于Smith预估计补偿器的串级控制系统 (11)
六．总结 (14)
七．参考文献 (15)
1摘要
当今世界，随着市场竞争的日益激烈，产品的质量和功能也向更高的档次发展，制造产品的工艺过程变得越来越复杂，为满足优质、高产、低消耗，作为工业自动化重要分支的过程控制的任务也愈来愈重，无论是在大规模的工业生产过程中，还是在传统工业过程改造中，过程控制技术对于提高产品质量以及节省能源等均起十分重要的作用。为了能将课程所学理论知识初步尝试应用于实践。
本设计针对管式加热炉系统的控制问题展开了研究。通过将实际加热炉模型化，通过实验法建立锅炉的数学模型。针对物料温度控制问题，在对比了简单的单回路PID控制方法、串级控制两种方法的优劣性后，选择了串级控制的方法控制物料温度。综合应用过程控制理论以及MATLAB仿真技术，通过经验模型及参数整定，得到系统响应曲线。通过反复实验，调整参数，使控制效果比较理想。
关键词：管式加热炉系统、串级控制、MATLAB仿真
2模型简介
2.1背景
管式加热炉是石油工业中重要装置之一，加热炉控制的主要任务就是保证工艺介质最终温度达到并维持在工艺要求范围内，由于其具有强耦合、大滞后等特性，控制起来非常复杂。同时，近年来能源的节约、回收和合理利用日益受到关注。加热炉是冶金、炼油等生产部门的典型热工设备，能耗很大。因此，在设计加热炉控制系统时，在满足工艺要求的前提下，节能也是一个重要质量指标，要保证加热炉的热效率最高，经济效益最大。另外，为了更好地保护环境，在设计加热炉控制系统时，还要保证燃料充分燃烧，使燃烧产生的有害气体最少，达到减排的目的。
2.2模型假设
管式加热炉的主要任务是把原质油或重油加热到一定的温度，保证下一道工序正常进行。假设有一个加热炉系统，系统参数设定为：
1.物料以恒定速度进入管道，流速为10L/s，管道直径为10cm，不考虑物料浓度变化、压力变化等其他条件。
2.物料在加热炉内的长度为L=5m,假定物料受热均匀，并在t=10s后上升至指定温度。
3.假定燃气混合浓度不变，物料温度上升只受燃料流量影响。
4.不考虑环境温度、燃料值等影响，主要考虑燃料流量的扰动。
5.设定加热炉的出口温度T=70±2℃。
2.3系统扰动因素
管式加热炉的主要任务是把原质油或重油加热到一定的温度。引起温度改变的扰动因素有很多，主要有：
1.燃油方面（他的组分和调节阀前的油压以及燃料油流量）的扰动；
2.喷油用的过热蒸汽压力波动；
3.被加热油料方面（它的流量和入口温度）的扰动；
4.配风、炉膛漏风和大气温度方面的扰动；
本设计主要考虑的是被加热油料流量的扰动的影响，忽略其他的扰动因素。
3控制方案
3.1传统PID 控制方法
管式加热炉的任务是把原料加热到一定温度，以保证下道工艺顺利进行，因此若采用传统简单控制系统，常选原料油出口温度为 被控参数、燃料油流量为控制变量，如图3-1所示，其控制系统框图如图3-2所示。影响原料油出口
温度 的干扰有原料油流量 原料油入口温度 、燃料压力 、燃料
热值
、燃料流量 等，该系统根据原料油出口温度 来控制燃料阀门的开度，通过改变燃料流量将原油出口温度控制在规定值上，但由其系统图可知当燃料压力、流量、热值发生变化，产生扰动时，最先影响炉膛温度，然后通过传热过程逐渐影响原料油出口温度，从燃料流量变化经过三个容量后，才引起原料油出口温度的变化，这个通道时间常数很大，约15min,反应缓慢。而温度
调节器 是根据原料油的出口温度
与设定值的偏差进行控制，当燃料部分出现干扰后，系统并不能及时产生控制作用，克服干扰对被控参数
的影响，控制质量差，当生产工艺对原料油出口温度
要求严格时，传统的简单控制系统很难满足要求。
图3.1 管式加热炉简单温度控制系统
)(1t θ)(1t θ)(1t f )(2t f )(3t f )(4t f )(5t f )(1t θC T 1)(1t θ)(1t θ)(1t θ
图3.2管式加热炉简单温度控制系统框图
3.2串级控制系统
串级控制系统是在简单控制系统的基础上发展起来的，当被控过程的滞后较大，干扰比较剧烈、频繁时，采用简单控制系统控制品质较差，满足不了工艺控制精度，在这种情况下可考虑采用串级控制系统，串级控制系统采用两套检测变送器和两个调节器，前一个调节器的输出作为后一个调节器的设定，后一个调节器的输出送往调节阀。针对管式加热炉设计的温度-流量串级控制系统3-3所示，其系统框图3-4所示。
图3.3管式加热炉温度-流量串级控制系统
图3.4 管式加热炉温度-流量串级控制系统框图
3.3 方案选择
方案一的简单控制系统有干扰时，TC输出信号改变阀门开度，进而改变燃料流量，在炉膛中燃烧后，炉膛温度改变，改过程时间常数大，可达到15min。因此等到出口温度改变后，再改变操纵变量，动作不及时，偏差在较长时间内不能被消除。
方案二的串级控制系统中，由于引进了副回路，不仅能迅速克服作用于副回路内的干扰，也能加速克服主回路的干扰。副回路具有先调、初调、快调的特点；主回路具有后调、细调、慢调的特点，对副回路没有完全克服干扰的影响能彻底加以消除。由于主副回路相互配合，使控制质量显著提高。与单回路控制系统相比，串级控制系统多用了一个测量变送器与一个控制器（调节器），增加的投资并不多（对计算机控制系统来说，仅增加了一个测量变送器），但控制效果却有显著的提高。其原因是在串级控制系统中增加了一个包含二次扰动的副回路，使系统完善了被控过程的动态特性，提高了系统的工作频率；对二次扰动有很强的克服能力；提高了对一次扰动的克服能力和对回路参数变化的自适应能力。
综上所述，本设计选择串级控制系统。
4串级控制器的设计
为充分发挥串级控制系统的优点，在设计实施控制系统时，还应适当合理的设计主、副回路及选择主、副调节器的控制规律。
4.1主副控制器设计
4.1.1主、副回路的设计原则
1）副参数的选择，应使副回路的时间常数小，控制通道短，反应灵敏。
2）副回路应包含被控对象所受到的主要干扰。
3）主、副对象的时间常数应适当匹配。
4.1.2主、副调节器的选型
1）副调节器的选型:副调节器的任务是要快速动作以迅速消除进入副回路内的扰动，而且副参数并不要求无差，所以一般都选P调节器，也可采用PD调节器，但这增加了系统的复杂性，在一般情况下，采用P调节器就足够了，如果主、副回路频率相差很大，也可以考虑采用PI调节器。本次设计采用P调节器。
2）主调节器的选型:主调节器的任务是准确保持被调量符合生产要求。凡是需采用串级控制的生产过程，对控制的品质都是很高的，不允许被调量存在静差。因此主调节器必须具有积分作用，一般都采用PI调节器。如果控制对象惰性区的容积数目较多，同时又有主要扰动落在副回路以外的话，就可以考虑采用PID 调节器。本次设计采用PID调节器。
4.1.3主、副调节器调节规律的选择作用
1）主参数控制质量要求不十分严格，同时在对副参数的要求也不高的情况下，为使两者兼顾而采用串级控制方式时，主、副调节器均可以采用比例控制。
2）要求主参数波动范围很小，且不允许有余差，此时副调节器可以采用比例控制，主调节器采用比例积分控制。
3）主参数要求高，副参数亦有一定要求这时主、副调节器均采用比例积分形式。
4.2串级控制器的参数整定
串级控制系统中，两个控制器串联一起控制调节阀，因此两个控制器是相互关联的，不可避免会产生相互影响。所以两个控制器的参数整定也是相互关联的，需要相互协调，反复整定才能达到最佳效果。另外，系统在运行过程中，主回路和副回路的工作频率是不同的，一般副回路的工作频率较高，主回路的频率较低。工作频率的高低主要取决于被控过程的动态特性，但也与主、副回路的参数整定有关。在整定时应尽量加大副控制器的增益以提高副回路的工作频率，目的是师主、副回路的工作频率尽可能错开，以减少相互作用的影响。
在工程实践中，串级控制系统常用的参数整定方法有逐步逼近法、两部整定法，一步整定法等。本设计采用两步整定法，先整定副控制器，后整定主控制器。
图4.1 串级控制系统方框图
1）先整定副调节器:当副回路受到阶跃扰动时，在较短时间内副回路控制过程就告结束。在此期间，主回路基本上不参加动作，由图4.3得整定副回路时的方框图，如图4.4 （a ）所示。可按单回路系统的整定方法整定副调节器()2T W s 。
2）整定主调节器:当主回路进行控制时，副回路几乎起理想随动作用，由图4.3可得 （4.1）
从而求得副回路的闭和传递函数
222()1()()m Y s R s W s = （4.2） 即在主回路中副回路可看作一个比例环节，由此画出整定主回路时的方框图，如图4.2（b ）所示。可按单回路系统的整定方法整定主调节器()1T W s 的参数。
在此方法下主副控制器参数的工程整定如下：
a. 在工况稳定，主、副控制器都在纯比例作用的条件下，将主控制器的比例度先固定
222()()()
m R s Y s W s =
在100％的刻度上，然后逐渐减小副控制器的比例度，求取副回路在满足某种衰减比(如4：
1)过渡过程下的副控制器比例度δ2S 和操作周期T 2S 。
b. 在副控制器比例度等于δ2S ，的条件下，逐步减小主控制器的比例度，直至得到同样衰减比下的过渡过程，记下此时主控制器的比例度δ1S 。和操作周期T 1S 。
c. 根据上面得到的δ1S 、、T 1S 、δ2S 、、T 2S 计算主、副控制器的比例度、积分时间和微分时间。
d. 按“先副后主”、“先比例次积分后微分”的整定方法，将计算出的控制器参数加到控制器上。
e. 观察控制过程，适当调整，直到获得满意的过渡过程。
按上述步骤整定系统后，通常应满足213ωω≥（1ω、2ω分别为主、副回路主导衰减振荡成分的频率）。通过整定可知主、副控制器的参数为10.8;95;5;24i d Kc T T Kc ====
图4.2 主(a)副(b)调节器分别独立整定时的方框图
5系统的仿真和改进
5.1串级控制系统仿真
通过查阅相关资料可知导前区的传递函数为 6020.8150s W e s -=
+ （5.1） 惰性区的传递函数为: ()400121.25190s W e s -=
+ （5.2） 其调节器为PID 调节器，即：
()111T d i W s T s T s δ??=++ ???
（5.3） 用衰减曲线法整定参数得10.8;95;5;24i d Kc T T Kc ====，用MA TLAB 的Simulink 进行仿真，其结构图如图5.1所示，其仿真曲线如图5.2所示；对系统施加一个给定值阶跃扰动（r=1）时响应曲线如下图5.3所示。
图5.1 串级控制的simulink 结构图
图5.2 串级PID 控制的simulink 仿真图 图5.3 给定值阶跃扰动响应曲线
给系统施加一个外部阶跃扰动时的仿真如图5.4所示，当惰性区纯滞后时间变为60，惯性时间常数变为100时，其仿真如图5.5所示。
图5.4 系统外部阶跃扰动仿真图 图5.5 t 变为60，Td 变为100时的仿真图
当变为当纯滞后时间变为80，惯性时间常数变为120 时如图5.6所示
图5.6t 变为80，Td 变为120 的仿真图
由图5.2可以看到在锅炉过热汽温控制系统中，串级PID 控制能取得比较令人满意的效果。由图5.3、5.4可以看到串级系统对抑制回路内部干扰效果不错，对外部干扰效果不是太好，因此要尽可能把主要的干扰放在内回路解决。但是随着控制理论的发展和过热汽温串级
控制系统的研究发现，常规PID 控制器仍然存在较大的不足，比如其响应速度慢、超调量大、过渡时间长。造成这问题的主要原因是，常规PID 控制器的参数是固定不变的，对参数的整定只能大致按照整个控制过程的要求进行，而系统在控制过程的各个阶段对参数却有不同的要求。另外，过热汽温控制系统属于大惯性、大延迟的系统，由于串级PID 的参数是固定的，很难在工况发生变化时取得令人满意的效果。由图5.5 、图5.6 可知，为取得较好的控制效果，对于大时延、大惯性的系统，单单的串级控制系统是不够的，因此需要改进其算法。下面就来介绍Smith 预估补偿器的作用。
5.2基于Smith 预估计补偿器的串级控制系统
对于有纯迟延过程的控制系统，调节器采用PID 控制规律时，系统的静态和动态品质均下降，纯迟延愈大，其性能指标下降的愈大。Smith 针对具有纯迟延的过程，提出在PID 反馈控制的基础上引入一个预补偿环节，使控制品质大大提高。下面就对Smith 预估补偿的原理进行更详细地介绍。
当采用简单回路控制时，如图5.7所示
图5.7 单回路控制系统
控制器的传递函数为()T W s ，对象的传递函数为()()0'0W
s W s s e t =-时，从设定值作用至被控变量的闭环传递函数是：
()
()()()()()
'0'10s
W s W s e Y s T s R s W s W s e T t t -=-+ （5.4）
扰动作用至被控变量的闭环传递函数是： ()()()()()'0'01s
s T Y s W s e F s W s W s e
t t --=+ （5.5） 如果分母中的s e t -
项可以除去，情况就大有改善，迟延对闭环极点的不利影响将不复存
在。 Smith 预估补偿方案主题思想就是消去分母中的s e t -项，实现的方法是把对象的数字
模型引入到控制回路之内，设法取得更为及时的反馈信息，以改进控制品质，这种方案可按不同的角度进行解释说明，下面从内模（模型置于回路之内）的角度来介绍。Smith 预估器补偿原理图如图5.8所示。
图5.8 Smith 预估补偿控制原理图
在图5.8中()'0W s 是对象除去纯迟延环节s e t -以后的传递函数，()'s W s 是Smith 预估补
偿器的传递函数，假若系统中无此补偿器，则由调节器输出()s m 到被调量()Y s 之间的传
递函数为：
()()
()'0s
Y s W s e s t m -= （5.6）
上式表明，受到控制作用之后的被调量要经过纯迟延t 之后才能返回到调节器。若系统采用预估补偿器，则调节器()s m 与反馈到调节器的()'Y
s 之间传递函数是两个并联通道之
和，即 ()()
()()'''0s s Y s W s e W s s t t m -=+ （5.7） 为使调节器采集的信号()'Y s 不至迟延t ，则要求式（5.8）为
()()
()()()''''00s s Y s W s e W s W s s t t m -=+= （5.8） 从上式便可得到预估补偿器的传递函数为：
()()()''01s s W s W s e t -=- （5.9）
一般称式（5.4）表示的预估器为Smith 预估器。其实施框图如图5.3所示，只要一个与对象除去纯迟延环节后的传递函数()'s W s 相同的环节和一个迟延时间等于t 的纯迟延环节就可以组成Smith 预估模型，它将消除大迟延对系统过度过程的影响，使调节过程的品质与过程无迟延环节时的情况一样，只是在时间坐标上向后推迟的一个时间t 。
图5.9Smith 补偿控制系统方框图
从图5.9可以推出系统的闭环传递函数为
()''00'0'01()()()()()()1()()s T T s T W s W s W s W s e Y s W s e R s W s W s ττ--??+-=??+??
=??
????+---)()(1)()(1)('0'0'
0s W s W e s W s W e s W T s T s ττ ()()[]'011s s W s e W s e t t --=-
()()()()()
'01'01T T W s W s W s W s W s =+ （5.10） 式中()1W s 为无延迟环节时系统闭环传递函数。
()()()()()()()'01'01s
s T T Y s W s W s e W s e R s W s W s
t t --==+ （5.11） 由式（5.10）可见，对于随动控制经预估补偿，其特征方程中已消去了s e t -项，即消除了纯迟延对系统控制品质的不利影响。至于分子之中的s e t -仅仅将系统控制过程曲线在时间轴上推迟了一个t ，所以预补偿完全补偿了纯迟延对过程的不利影响。控制品质与被控过程无纯迟延完全相同。
对于定值控制，由式（5.11）可知，闭环传递函数由两项组成。第一项为扰动对象只有2t t >时才产生控制作用，当2t τ≤时无控制作用。所以Smith 预估补偿控制应用于定值控制其效果不如随动控制。不过，从系统特征方程看，预估补偿方案对定值控制系统品质的改善还是有好处的。
通过对Smith 预估计的分析，可以推出串级汽温控制系统的原理图5.10，并用simulink 对其仿真可以得到其仿真图5.11，如下所示；把惰性区的延迟时间由40s 改为60s ，再次进行仿真得到的仿真曲线如图5.12所示。
由仿真图4.2与图5.11相比较得到，由图5.11可以看出Smith 预估器使控制品质大大提高，系统的特性非常好。 由仿真图5.11与图5.12相比较得到，Smith 预估器它对模型的误差十分敏感，当系统参数变化时，由于控制参数不能随之而化，不能对受控过程参数做出适时调整，从而时过程的品质指标恶化。
图5.10基于Smith 预估补偿的管式加热炉串级控制系统的simlink 结构图
图5.11 Smith预估补偿的串级控制系统仿真图图5.12 t=60， Smith估计的仿真图
六．总结
经过一周多小组成员的共同努力，这次课程设计任务总算做完了。在这一个星期的课程设计的过程中，我们深深地体会到，随着自动化技术日新日异的发展，自动化技术的应用已经深入到我们日常生化的各个方面，作为自动化专业的学生，应该学好这个主干课程，为社会作出了巨大贡献。我们切实体会到了MATLAB强大的计算与绘图功能，尤其是仿真功能，用它可以准确而又高效地解决自动控制分析与设计中的问题，因此掌握MATLAB是十分重要的。
课程设计是培养学生锻炼实践能力的重要环节, 要求我们综合运用所学知识,发现、提出、分析和解决实际问题。通过这次能力拓展，我们体会到了理论与实际的差距，我们应该用于承认差异的存在，并且正视差异。在熟练掌握书本上的基本内容的基础上，我们还应该灵活思考，具体问题具体分析，这正是步入社会以后最实用的。
在设计的过程中，我们不断发现自己的缺陷，通过团队合作力，不断完善系统功能。
七．参考文献
[1] 王浩宇;管式加热炉PID算法改进及其应用;北京：电子工业出版社;2009
[2] 冉从蓉;串级过程控制系统的抗干扰分析[J];北京：自然科学版社;2000
[3] 金以慧;过程控制;北京：清华大学出版社;1993
[4] 邵惠鹤;工业过程高级控制;上海：上海交通大学出版社;2003.
[5] 刘金琨;先进PID控制机器MATLAB仿真;北京：电子工业出版社;2003
温度控制器的设计与制作 一、功能要求 设计并制作一个温度控制器，用于自动接通或断开室内的电加热设备，从而使室内温度达到设定温度要求，并能实时显示室内温度。当室内温度大于等于设定温度时，控制器断 ?时，控制器接通电加热设备。 开电加热设备；当室内温度比设定温度小2C 控温范围：0~51C? 控温精度：≤1C? 二、硬件系统设计 1．硬件系统由七部分组成，即单片机及看门狗电路、温度检测电路、控制输出电路、键盘电路、显示电路、设置温度储存电路及电源电路。 （1）单片机及看门狗电路 根据设计所需的单片机的内部资源（程序存储器的容量、数据存储器的容量及I/O口数量），选择AT89C51-24PC较合适。为了防止程序跑飞，导致温度失控，进而引起可怕的后果，本设计加入了硬件看门狗电路IMP813L，如果它的WDI脚不处于浮空状态，在1.6秒内WDI不被触发（即没有检测到上什沿或下降沿），就说明程序已经跑飞，看门狗输出端WDO将输出低电平到手动复位端，使复位输出端RST发出复位信号，使单片机可靠复位，即程序重新开始执行。（注：如果选用AT89S51，由于其内部已具有看门狗电路，就不需外加IMP813L） （2）温度检测电路 温度传感器采用AD590，它实际上是一个与绝对温度成正比的电流源，它的工作电压为4~30V，感测的温度范围为-550C~+1500C，具有良好的线性输出，其输出电流与温度成正比，即1μA/K。因此在00C时的输出电流为273.2μA，在1000C时输出电流为373.2μA。温度传感器将温度的变化转变为电流信号，通过电阻后转变电压信号，经过运算放大器JRC4558运算处理，处理后得到的模拟电压信号传输给A/D转换部分。A/D转换器选用ADC0804，它是用CMOS集成工艺制成的逐次逼近型模数转换芯片，分辨率8位，转换时间100μs，基准电压0~5V，输入模拟电压0～5V。 （3）控制输出电路 控制信号由单片机的P1.4引脚输出，经过光耦TLP521-1隔离后，经三极管C8550直接驱动继电器WJ108-1C-05VDC，如果所接的电加热设备的功率≤2KW，则可利用继电器的常开触点直接控制加热设备，如果加热设备的功率>2KW，可以继电器控制接触器，由接触器直接控制加热设备。 （4）键盘电路 键盘共有四个按键，分别是S1（设置）、S2（+）、S3（-）、S4（储存）。通过键盘来设置室内应达到的温度，键盘采用中断方式控制。 （5）显示电路 显示电路由两位E10501_AR数码管组成，由两片74LS164驱动，实现静态显示，74LS164所需的串行数据和时钟由单片机的P3.0和P3.1提供。对于学过“串行口”知识的班级，实习时，可以采用串行口工作于方式0，即同步移位寄存器的输出方式，通过串行口输出显示数据（实时温度值或设置温度值）；对于没学过“串行口”知识的班级，实习时，可以采用模拟串行口的输出方式，实现显示数据的串行输出。 （6）设置温度存储电路 为了防止设定温度在电源断电后丢失，此设计加入了储存电路，储存器选用具有I2C总线功能的AT24C01或FM24C01均可。每次通过键盘设置的室内设定温度都通过储存器储存起来，即使是电源断电，储存器存储的设定温度也不丢失，在电源来电后，单片机自动将设
湖南理工学院南湖学院 课程设计 题目：电加热炉温度控制系统设计专业:机械电子工程 组名：第三组 班级：机电班 组成员:彭江林、谢超、薛文熙
目录 1 意义与要求 (2) 1.1 实际意义 (2) 1.2 技术要求 (2) 2 设计内容及步骤 (2) 2.1 方案设计 (2) 2.2 详细设计 (3) 2.2.1 主要硬件介绍 (3) 2.2.2 电路设计方法 (4) 2.2.3 绘制流程图 (7) 2.2.4 程序设计 (8) 2.3 调试和仿真 (8) 3 结果分析 (9) 4 课程设计心得体会 (10) 参考文献 (10) 附录............................................................ 10-27
1 意义与要求 1.1 实际意义 在现实生活当中，很多场合需要对温度进行智能控制，日常生活中最常见的要算空调和冰箱了，他们都能根据环境实时情况，结合人为的设定，对温度进行智能控制。工业生产中的电加热炉温度监控系统和培养基的温度监控系统都是计算机控制系统的典型应用。通过这次课程设计，我们将自己动手设计一个小型的计算机控制系统，目的在于将理论结合实践以加深我们对课本知识的理解。 1.2 技术要求 要求利用所学过的知识设计一个温度控制系统，并用软件仿真。功能要求如下： （1）能够利用温度传感器检测环境中的实时温度； （2）能对所要求的温度进行设定； （3）将传感器检测到得实时温度与设定值相比较，当环境中的温度高于或低于所设定的温度时，系统会自动做出相应的动作来改变这一状况，使系统温度始终保持在设定的温度值。 2 设计内容及步骤 2.1 方案设计 要想达到技术要求的内容，少不了以下几种器件：单片机、温度传感器、LCD显示屏、直流电动机等。其中单片机用作主控制器，控制其他器件的工作和处理数据；温度传感器用来检测环境中的实时温度，并将检测值送到单片机中进行数值对比；LCD显示屏用来显示温度、时间的数字值；直流电动机用来表示电加热炉的工作情况，转动表示电加热炉通电加热，停止转动表示电加热炉断
目录 第一章课程设计要求及电路说明 (3) 1.1课程设计要求与技术指标 (3) 1.2课程设计电路说明 (4) 第二章课程设计及结果分析 (6) 2.1课程设计思想 (6) 2.2课程设计问题及解决办法 (6) 2.3调试结果分析 (7) 第三章课程设计方案特点及体会 (8) 3.1 课程设计方案特点 (8) 3.2 课程设计心得体会 (9) 参考文献 (9) 附录 (9)
第一章课程设计要求及电路说明 1.1课程设计要求与技术指标 温度控制器的设计 设计要求与技术指标： 1、设计要求 （1）设计一个温度控制器电路； （2）根据性能指标，计算元件参数，选好元件，设计电路并画出电路图； （3）撰写设计报告。 2、技术指标 温度测量范围0—99℃，精度误差为0.1℃；LED数码管直读显示；温度报警指示灯。
1.2课程设计电路说明 1.2.1系统单元电路组成 温度计电路设计总体设计方框图如图1所示，控制器采用单片机AT89S51，温度传感器采用DS18B20，用3位LED数码管以串口传送数据实现温度显示。 1.2.2设计电路说明 主控制器：CPU是整个控制部分的核心,由STC89C52芯片连同附加电路构成的单片机最小系统作为数据处理及控制模块. 显示电路：显示电路采用4个共阳LED数码管，用于显示温度计的数值。报警电路：报警电路由蜂鸣器和三极管组成，当测量温度超过设计的温度时，该电路就会发出报警。 温度传感器：主要由DS18B20芯片组成，用于温度的采集。 时钟振荡：时钟振荡电路由晶振和电容组成，为STC89C52芯片提供稳定的时钟频率。
第二章课程设计及结果分析 2.1课程设计 2.1.1设计方案论证与比较 显示电路方案 方案一：采用数码管动态显示 使用一个七段LED数码管，采用动态显示的方法来显示各项指标，此方法价格成本低，而且自己也比较熟悉，实验室也常备有此元件。 方案二：采用LCD液晶显示 采用1602 LCD液晶显示，此方案显示内容相对丰富，且布线较为简单。 综合上述原因，采用方案一，使用数码管作为显示电路。 测温电路方案 方案一：采用模拟温度传感器测温 由于本设计是测温电路，可以使用热敏电阻之类的器件利用其感温效应，在将随被测温度变化的电压或电流采集过来，进行A/D转换后，就可以用单片机进行数据的处理，在显示电路上，就可以将被测温度显示出来，这种设计需要用到A/D转换电路，感温电路比较麻烦。 方案二：采用数字温度传感器 经过查询相关的资料，发现在单片机电路设计中，大多数都是使用传感器，所以可以采用一只温度传感器DS18B20，此传感器，可以很容易直接读取被测温度值，进行转换，就可以满足设计要求。 综合考虑，很容易看出，采用方案二，电路比较简单，软件设计也比较简单，故采用了方案二。 2.1.2设计总体方案 根据上述方案比较，结合题目要可以将系统分为主控模块，显示模块，温度采集模块和报警模块，其框图如下：
微型计算机控制技术 课程设计 ----电阻加热炉温度控制 学院：信息工程学院 专业班级：自动化0703班 姓名：唐凯 学号：
目录 一、摘要 二、总体方案设计 1、设计内容及要求 2、工艺要求 3、要求实现的系统基本功能 4、对象分析 5、系统功能设计 三、硬件的设计和实现 四、数字控制器的设计） 五、软件设计） 1、系统程序流程图 2、程序清单 六、完整的系统电路图 七、系统调试 八、设计总结 九、参考文献
一、摘要 温度是工业对象中主要的被控参数之一。特别是在冶金、化工、机械各类工业中，广泛使用各种加热炉、热处理炉、反应炉等。由于炉子的种类不同，所采用的加热方法及燃料也不相同，如煤气、天然气等。但就控制系统本身的动态特性而言，均属于一阶纯滞后环节，在控制算法上基本相同，可采用PID控制或其他纯滞后补偿算法。 为了保证生产过程正常安全地进行，提高产品的质量和数量，以及减轻工人的劳动强度，节约能源，对加热用的各种电炉要求在一定条件下保持恒温，不能随电源电压波动或炉内物体而变化，或者有的电炉的炉温根据工艺要求按照某个指定的升温或保温规律而变化，等等。 因此，在工农业生产或科学实验中常常对温度不仅要不断地测量，而且要进行控制。 二、总体方案设计 设计任务 用一台计算机及相应的部件组成电阻炉炉温的自动控制系统，并使系统达到工艺要求的性能指标。 1、设计内容及要求 电阻加热炉用于合金钢产品热力特性实验，电加热炉用电炉丝提供功率，使其在预定的时间内将炉内温度稳定到给定的温度值。在本控制对象电阻加热炉功率为8KW，有220V交流电源供电，采用双向可控硅进行控制。
目录 一、工艺介绍 (2) 二、功能的设计 (4) 三、实现的情况以及效果 (6)
一、工艺介绍 在钢厂中轧钢车间在对工件进行轧制前需要将工件加热到一定的温度，如图1表示其中一个加热段的温度控制系统。在图中采用了6台设有断偶报警的温度变送器、3台高值选择器、1台加法器、1台PID调节器和1台电器转换器组成系统。 利用阶跃响应便识的，以控制电流为输入、加热炉温度为输出的系统的传递函数为： 温度测量与变送器的传递函数为： 由于，因此，上式中可简化为： 在实际的设计控制系统时，首先采用了常规PID控制系统，但控制响应超调量较大，不能满足控制要求。
图1 对如图1所示的加热炉多点平均温度系统采用可变增益自适应纯滞后补偿进行仿真。 加入补偿环节后，PID调节器所控制的对象包括原来的对象和补偿环节两部分，于是等效对象的特性G（s）可以写成： 即补偿后的广义被控对象不在含有纯延迟环节，所以，采用纯滞后的对象特性比原来的对象容易控制的多。 但实际应用中发现，加热锅炉由于使用时间长短不同及处理工件数量不同，会引起特性变化，导致补偿模型精度降低，从而使纯滞后补偿特性变差，很难满足实际生产的稳定控制要求。
为改善调节效果，在控制线路中加入两个非线性单元——除法器与乘法器，构成如图所示的加热炉多点温度控制纯滞后自适应控制系统。 二、功能的设计 1、系统辨识 经辨识的被控对象模型为： 所以，带可变增益的自适应补偿控制结构框图如图
图2 加热炉多点温度控制纯滞后自适应补偿系统控制框图2、无调节器的开环系统稳定性分析 理想情况下，无调节器的开环传递函数为： 上式中所示广义被控对象的Bode图如下图所示。 图3
郑州科技学院 《模拟电子技术》课程设计 题目温度控制器 学生姓名 专业班级 学号 院（系）信息工程学院 指导教师 完成时间 2015年12月31日
郑州科技学院 模拟电子技术课程设计任务书 专业 14级通信工程班级 2班学号姓名 一、设计题目温度控制器 二、设计任务与要求 1、当温度低于设定温度时，两个加热丝同时通电加热，指示灯发光； 2、当水温高于设定温度时，两根加热丝都不通电，指示灯熄灭； 3、根据上述要求选定设计方案，画出系统框图，并写出详细的设计过程； 4、利用Multisim软件画出一套完整的设计电路图，并列出所有的元件清单； 5、安装调试并按规定格式写出课程设计报告书. 三、参考文献 [1]吴友宇.模拟电子技术基础[M]. 清华大学出版社,2009.52~55. [2]孙梅生.电子技术基础课程设计[M]. 高等教育出版社,2005.25~28. [3]徐国华.电子技能实训教程[M]. 北京航空航天大学出版社,2006.13 ~15. [4]陈杰,黄鸿.传感器与检测技术[M].北京:高等教育出版社,2008.22~25. [5]翟玉文等.电子设计与实践[M].北京:北京中国电力出版社,2005.11~13. [6]万嘉若,林康运.电子线路基础[M]. 高等教育出版社,2006.27 ~29. 四、设计时间 2015 年12月21 日至2015 年12 月31 日 指导教师签名： 年月日
本设计是一种结构简单、性能稳定、使用方便、价格低廉、使用寿命长、具有一定的实用性等优点的温度控制电路。本文设计了一种温度控制器电路，该系统采用模拟技术进行温度的采集与控制。主要由电源模块，温度采集模块，继电器模块组成。 现代社会科学技术的发展可以说是突飞猛进，很多传统的东西都被成本更低、功能更多、使用更方便的电子产品所替代，本课程设计是一个以温度传感器采用LM35的环境温度简易测控系统，用于替代传统的低精度、不易读数的温度计。但系统预留了足够的扩展空间，并提供了简单的扩展方式供参考，实际使用中可根据需要改成多路转换，既可以增加湿度等测控对象，也能减少外界因素对系统的干扰。 首先温度传感器把温度信号转换为电流信号，通过放大器变成电压信号，然后送入两个反向输入的运算放大器组成的比较器电路，让电位器来改变温度范围的取值，最后信号送入比较器电路，通过比较来判断控制电路是否需要工作。此方案是采用传统的模拟控制方法，选用模拟电路，用电位器设定给定值，反馈的温度值与给定的温度值比较后，决定是否加热。 关键词：温度传感器比较器继电器
电阻加热炉温度控制精 选文档 TTMS system office room 【TTMS16H-TTMS2A-TTMS8Q8-
微型计算机控制技术 课程设计 ----电阻加热炉温度控制 学院：信息工程学院 专业班级：自动化0703班 姓名：唐凯 学号：07001139
目录 一、摘要 二、总体方案设计 1、设计内容及要求 2、工艺要求 3、要求实现的系统基本功能 4、对象分析 5、系统功能设计 三、硬件的设计和实现 四、数字控制器的设计） 五、软件设计） 1、系统程序流程图 2、程序清单 六、完整的系统电路图 七、系统调试 八、设计总结 九、参考文献
一、摘要 温度是工业对象中主要的被控参数之一。特别是在冶金、化工、机械各类工业中，广泛使用各种加热炉、热处理炉、反应炉等。由于炉子的种类不同，所采用的加热方法及燃料也不相同，如煤气、天然气等。但就控制系统本身的动态特性而言，均属于一阶纯滞后环节，在控制算法上基本相同，可采用PID 控制或其他纯滞后补偿算法。 为了保证生产过程正常安全地进行，提高产品的质量和数量，以及减轻工人的劳动强度，节约能源，对加热用的各种电炉要求在一定条件下保持恒温，不能随电源电压波动或炉内物体而变化，或者有的电炉的炉温根据工艺要求按照某个指定的升温或保温规律而变化，等等。 因此，在工农业生产或科学实验中常常对温度不仅要不断地测量，而且要进行控制。 二、总体方案设计 设计任务 用一台计算机及相应的部件组成电阻炉炉温的自动控制系统，并使系统达到工艺要求的性能指标。 1、设计内容及要求 电阻加热炉用于合金钢产品热力特性实验，电加热炉用电炉丝提供功率，使其在预定的时间内将炉内温度稳定到给定的温度值。在本控制对象电阻加热炉功率为8KW，有220V交流电源供电，采用双向可控硅进行控制。
过程控制系统课程设计报告书管式加热炉温度控制系统设计 学院：自动化 班级：15级自动化4班 指导老师：陈刚 组员： 重庆大学自动化学院 2019年1月
任务分配 过程控制系统课程设计——管式加热炉温度控制系统的设计
目录 任务分配 (2) 过程控制系统课程设计——管式加热炉温度控制系统的设计 (2) 1摘要 (4) 2模型简介 (4) 2.1背景 (4) 2.2模型假设 (4) 2.3系统扰动因素 (5) 3控制方案 (5) 3.1传统PID控制方法 (5) 3.2串级控制系统 (6) 3.3 方案选择 (7) 4串级控制器的设计 (7) 4.1主副控制器设计 (7) 4.1.1主、副回路的设计原则 (7) 4.1.2主、副调节器的选型 (7) 4.1.3主、副调节器调节规律的选择作用 (8) 4.2串级控制器的参数整定 (8) 5系统的仿真和改进 (9) 5.1串级控制系统仿真 (9) 5.2基于Smith预估计补偿器的串级控制系统 (11) 六．总结 (14) 七．参考文献 (15)
1摘要 当今世界，随着市场竞争的日益激烈，产品的质量和功能也向更高的档次发展，制造产品的工艺过程变得越来越复杂，为满足优质、高产、低消耗，作为工业自动化重要分支的过程控制的任务也愈来愈重，无论是在大规模的工业生产过程中，还是在传统工业过程改造中，过程控制技术对于提高产品质量以及节省能源等均起十分重要的作用。为了能将课程所学理论知识初步尝试应用于实践。 本设计针对管式加热炉系统的控制问题展开了研究。通过将实际加热炉模型化，通过实验法建立锅炉的数学模型。针对物料温度控制问题，在对比了简单的单回路PID控制方法、串级控制两种方法的优劣性后，选择了串级控制的方法控制物料温度。综合应用过程控制理论以及MATLAB仿真技术，通过经验模型及参数整定，得到系统响应曲线。通过反复实验，调整参数，使控制效果比较理想。 关键词：管式加热炉系统、串级控制、MATLAB仿真 2模型简介 2.1背景 管式加热炉是石油工业中重要装置之一，加热炉控制的主要任务就是保证工艺介质最终温度达到并维持在工艺要求范围内，由于其具有强耦合、大滞后等特性，控制起来非常复杂。同时，近年来能源的节约、回收和合理利用日益受到关注。加热炉是冶金、炼油等生产部门的典型热工设备，能耗很大。因此，在设计加热炉控制系统时，在满足工艺要求的前提下，节能也是一个重要质量指标，要保证加热炉的热效率最高，经济效益最大。另外，为了更好地保护环境，在设计加热炉控制系统时，还要保证燃料充分燃烧，使燃烧产生的有害气体最少，达到减排的目的。 2.2模型假设 管式加热炉的主要任务是把原质油或重油加热到一定的温度，保证下一道工序正常进行。假设有一个加热炉系统，系统参数设定为： 1.物料以恒定速度进入管道，流速为10L/s，管道直径为10cm，不考虑物料浓度变化、压力变化等其他条件。 2.物料在加热炉内的长度为L=5m,假定物料受热均匀，并在t=10s后上升至指定温度。 3.假定燃气混合浓度不变，物料温度上升只受燃料流量影响。 4.不考虑环境温度、燃料值等影响，主要考虑燃料流量的扰动。
目录 1.原理电路的设计 (11) 1.1总体方案设计 (11) 1.1.1简单原理叙述 (11) 1.1.2设计方案选择 (11) 1.2单元电路的设计 (33) 1.2.1温度信号的采集与转化单元——温度传感器 (33) 1.2.2电压信号的处理单元——运算放大器 (44) 1.2.3电压表征温度单元 (55) 1.2.4电压控制单元——迟滞比较器 (66) 1.2.5驱动单元——继电器 (88) 1.2.6 制冷部分——Tec半导体制冷片 (99) 1.3完整电路图 (1010) 2.仿真结果分析 (1111) 3 实物展示 (1313) 3.1 实物焊接效果图 (1313) 3.2 实物性能测试数据 (1414) 3.2.1制冷测试 (1414) 3.2.2制热测试 (1818) 3.3.3性能测试数据分析 (2020) 4总结、收获与体会 (2121) 附录一元件清单 (2222) 附录二参考文献. (2323)
摘要 本课程设计以温度传感器LM35、运算放大器UA741、NE5532P及电压比较器LM339 N为电路系统的主要组成元件，扩展适当的接口电路，制作一个温度控制系统，通过室温的变化和改变设定的温度，来改变电压传感器上两个输入端电压的大小，通过三极管开关电路控制继电器的通断，来控制Tec制冷片的工作。这样循环往复执行这样一个周期性的动作，从而把温度控制在一定范围内。学会查询文献资料，撰写论文的方法，并提交课程设计报告和实验成品。 关键词：温度；测量；控制。
Abstract This course is designed to a temperature sensor LM35, an operational amplifier UA741，NE5532P and a voltage comparator LM339N circuit system of the main components. Extending the appropriate interface circuit, make a temperature control system. By changing the temperature changes and set the temperature to change the size of the two input ends of the voltage on the voltage sensor, an audion tube switch circuit to control the on-off relay to control Tec cooling piece work. This cycle of performing such a periodic motion, thus controlling the temperature in a certain range. Learn to query the literature, writing papers, and submitted to the curriculum design report and experimental products. Key words: temperature ; measure ;control
第一章系统分析与控制方案的确立 1.系统分析 图1.1所示为某工业生产中的加热炉，其任务是将被加热物料加热到一定温度，然后送到下道工序进行加工。加热炉工艺过程为：被加热物料流过排列炉膛四周的管道后，加热到炉出口工艺所要求的温度。在加热用的燃料油管道上装有一个调节阀，用以控制燃料油流量，以达到控制出口温度的目的。 T1出口 支路1 炉膛 支路2 燃料 被加热物料 图1.1加热炉出口温度系统 由于加热炉时间常数大，而且扰动的因素多，比如原料侧的扰动及负荷扰动；燃烧侧的扰动等，单回路反馈控制系统不能满足工艺对加热炉出口温度的要求。为了提高控制质量，采用串级控制系统，运用副回路的快速作用，有效地提高控制质量，满足生产要求。 2.串级控制系统的设计 加热炉工艺过程为：被加热物料流过排列炉膛四周的管道后，加热到炉出口工艺所要求的温度。在加热用的燃料油管道上装有一个调节阀，用以控制燃料油流量，以达到控制出口温度的目的。由于加热炉时间常数大，而且扰动的因素多，比如原料侧的扰动及负荷扰动；燃烧侧的扰动等，单回路反馈控制系统不能满足工艺对加热炉出口温度的要求。为了提高控制质量，采用串级控制系统，运用副回路的快速作用，以加热炉出口温度为主变量，选择滞后较小的炉膛温度为副变量，构成炉出口温度与炉膛温度的串级控制系统有效地提高控制质量，以满足工业生产的要求，系统的串级控制结构图如图1.2所示。
图 1.2 加热炉出口温度串级控制系统结构图 串级控制系统的工作过程，就是指在扰动作用下，引起主、副变量偏离设 定值，由主、副调节器通过控制作用克服扰动，使系统恢复到新的稳定状态的 过渡过程。由加热炉出口温度串级控制系统结构图可绘制出其结构方框图，如 图 1.3 所示。 图 1.3 加热炉出口温度串级控制系统结构方框图 (1) 主被控参数的选择 应选择被控过程中能直接反映生产过程中的产品产量和质量，又易于测量 的参数。在加热炉出口温度与炉膛温度的串级控制系统中加热炉出口温度为系 统的主被控参数，因为加热炉出口温度是整个控制作用的关键，要求出口物料 温度维持在某给定值上下。如果其调节欠妥当，会造成整个系统控制设计的失 败。 (2) 副被控制参数的选择 从整个系统来看，加热炉的炉膛温度虽然不是我们要控制的直接目标，但 是炉膛温度会很大程度上影响出口物料的温度，因此我们选择炉膛温度为副被 控参数。 (3) 控制器的选择 主控制器的选择：主被控变量是工艺操作的主要指标（温度），允许波动的 度 副控制器 调节阀 主控制器 主检测、变送仪表 副检测、变送仪表 炉膛 出口温度
学号 天津城建大学 过程控制课程设计 设计说明书 某加热炉温度控制 起止日期：2014 年6 月23 日至2014 年6 月27 日 学生姓名 班级 成绩 指导教师(签字) 控制与机械工程学院 2014年6月27 日
天津城建大学 课程设计任务书 2013 -2014学年第2学期 控制与机械工程学院电气工程及其自动化专业班级13电气11班 姓名学号 课程设计名称：过程控制 设计题目：某加热炉温度控制 完成期限：自2014 年6 月23 日至2014 年 6 月27 日共1 周设计依据、要求及主要内容： 一、设计任务 某温度过程在阶跃扰动1/ ?=作用下，其温度变化的数据如下： q t h 试根据实验数据设计一个超调量25% δ≤的无差控制系统。具体要求如下： p （1）根据实验数据选择一定的辨识方法建立对象的数学模型； （2）根据辨识结果设计符合要求的控制系统（控制系统原理图、控制规律选择等）；（3）根据设计方案选择相应的控制仪表； （4）对设计的控制系统进行仿真，整定运行参数。 二、设计要求 采用MATLAB仿真；需要做出以下结果： （1）超调量 （2）峰值时间 （3）过渡过程时间 （4）余差 （5）第一个波峰值 （6）第二个波峰值 （7）衰减比 （8）衰减率 （9）振荡频率 （10）全部P、I、D的参数 （11）PID的模型 （12）设计思路
三、设计报告 课程设计报告要做到层次清晰，论述清楚，图表正确，书写工整；详见“课程设计报告写作要求”。 四、参考资料 [1] 何衍庆．工业生产过程控制（1版）．北京：化学工业出版社，2004 [2] 邵裕森．过程控制工程．北京：机械工业出版社2000 [3] 过程控制教材 指导教师（签字）： 教研室主任（签字）： 批准日期：年月日
摘要 在日常生活及工农业生产中，对温度的检测及控制时常显得极其重要。因此，对数字显示温度计的设计有着实际意义和广泛的应用。本文介绍一种利用单片机实现对温度只能控制及显示方案。本毕业设计主要研究的是对高精度的数字温度计的设计，继而实现对对象的测温。测温系数主要包括供电电源，数字温度传感器的数据采集电路，LED显示电路，蜂鸣报警电路，继电器控制，按键电路，单片机主板电路。高精度数字温度计的测温过程，由数字温度传感器采集所测对象的温度，并将温度传输到单片机，最终由液晶显示器显示温度值。该数字温度计测温范围在-55℃~+125℃，精度误差在±0.5℃以内，然后通过LED数码管直接显示出温度值。数字温度计完全可代替传统的水银温度计，可以在家庭以及工业中都可以应用，实用价值很高。 关键词：单片机：ds18b20：LED显示：数字温度. Abstract In our daily life and industrial and agricultural production, the detection and control of the temperature, the digital thermometer has practical significance and a wide range of applications .This article describes a programmer which use a microcontroller to achieve and display the right temperature by intelligent control .This programmer mainly consists by temperature control sensors, MCU, LED display modules circuit. The main aim of this thesis is to design high-precision digital thermometer and then realize the object temperature measurement. Temperature measurement system includes power supply, data acquisition circuit, buzzer alarm circuit, keypad circuit, board with a microcontroller circuit is the key to the whole system. The temperature process of high-precision digital thermometer, from collecting the temperature of the object by the digital temperature sensor and the temperature transmit ted to the microcontroller, and ultimately display temperature by the LED. The digital thermometer requires the high degree is positive 125and the low degree is negative 55, the error is less than 0.5, LED can read the number. This digital thermometer could
第一章绪论 1.1选题背景及意义 加热炉是利用电能来产生蒸汽或热水的装置。因为其效率高、无污染、自动化程度高，稳定性好的优点，冶金、机械、化工等各类工业生产过程中广泛使用电加热炉对温度进行控制。而传统的加热炉普遍采用继电器控制。由于继电器控制系统中，线路庞杂，故障查找和排除都相对困难，而且花费大量时间，影响工业生产。随着计算机技术的发展，传统继电器控制系统势必被PLC所取代。二十世纪七十年代后期，伴随着微电子技术和计算机技术的快速发展，也使得PLC 具有了计算机的功能，成为了一种以电子计算机为核心的工业控制装置，在温度控制领域可以让控制系统变得更高效，稳定且维护方便。 在过去的几十年里至今，PID控制已在工业控制中得到了广泛的应用。在工业自动化的三大支柱（PLC、工业机器人、CAD/CAM）中位居第一。由于其原理简单、使用方便、适应能力强，在工业过程控制中95%甚至以上的控制回路都采用了PID结构。虽然后来也出现了很多不同新的算法，但PID仍旧是最普遍的规律。 1.2国内外研究现状及发展趋势 一些先进国家在二十世纪七十年代后期到八十年代初期就开始研发电热锅炉，中国到八十年代中期才开始起步，对电加热炉的生产过程进行计算机控制的研究。直到九十年代中期，不少企业才开始应用计算机控制的连续加热炉，可以说发展缓慢，而且对于国内的温度控制器，总体发展水平仍不高，不少企业还相当落后。与欧美、日本，德国等先进国家相比，其差距较大。目前我国的产品主要以“点位”控制和常规PID为主，只能处理一些简单的温度控制。对于一些过程复杂的，时变温度系统的场合往往束手无策。而相对于一些技术领先的国家，他们生产出了一批能够适应于大惯性、大滞后、过程复杂，参数时变的温度控制系统。并且普遍采用自适应控制、模糊控制及计算机技术。 近年来，伴随着科学技术的不断快速发展，计算机技术的进步和检测设备及
基于单片机的电加热炉温度控制系统设计 王丽华1郑树展2 （1、天津职业大学，天津300402；2、天津航空机电有限公司，天津300123） 摘要：温度控制是工业对象中主要的控制参数之一，其控制系统本身的动态特性属于一阶纯滞后环节。以8051单片机为核心，采用温度变送器桥路和固态继电器控温电路，实现对电炉温度的自动控制。该控制系统具有硬件成本低、控温精度较高、可靠性好、抗干扰能力强等特点。 关键词：电加热炉控温固态继电器飞升曲线 0引言 传统的以普通双向晶闸管（SCR）控制的高温电加热炉采用移相触发电路改变晶闸管导通角的大小来调节输出功率，达到自动控制电加热炉温度的目的。这种移相方式输出一种非正弦波，实践表明这种控制方式产生相当大的中频干扰，并通过电网传输，给电力系统造成“公害”。采用固态继电器控温电路，通过单片机控制固态继电器，其波形为完整的正弦波，是一种稳定、可靠、较先进的控制方法。为了降低成本和保证较高的控温精度，采用普通的ADC0809芯片和具有零点迁移、冷端补偿功能的温度变送器桥路，使实际测温范围缩小。 1电加热炉温度控制系统的硬件设计 电加热炉温度控制系统的硬件由图1所示各部件组成，它以8051单片机为核心，外扩键盘输入和LED显示温度。电加热炉炉内的实际温度由热电偶测量并转换成毫伏级的电压信号，通过温度变送器桥路实现零点迁移和冷端补偿，经运算放大器7650放大到0～5V，再经过有源低通滤波器滤波后，由A/D转换成数字量。此数字量经数字滤波、标度转换后，一方面通过LED将炉温显示出来；另一方面，将该温度值与被控温度值进行比较，根据其偏差值的大小，采用PID控制，通过PWM脉冲调宽功率放大器控制SSR固态继电器来控制电加热炉炉丝的导通时间，就可以控制电炉丝的加热功率大小，从而控制电炉的温度及升温速度，使其逐渐趋于给定值且达到平衡。 1.1 热电偶的选取 热电偶是温度测量传感器，对它的选择将直接影响检测误差的大小。目前多选K型或S 型（镍铬-镍硅）热电偶。两者相比，K型有较好的温度—热电势的线性度，但它不适宜于长时间在高温区适用；S型有高的精度，但温度—热电势的线性度较差。 A/D转换器 图1中A/D转换芯片采用ADC0809，其转换精度是1/256。若电加热炉工作温度是256℃，这样在（0～256）℃范围A/D的转换精度为256℃/256＝1℃/bit，即一个数字量表示1℃，这显然不能满足控制精度为±0.5℃要求。为了提高控制精度，可以选用更高位的A/D转换器，如10位、12位、16位A/D转换器，其控值精度均能满足要求。然而根据实际需要温度控制情况，也可以通过具有零点迁移和冷端补偿功能的温度变送桥路，缩小测温的范围，如
本科生课程设计（论文）辽宁工业大学 单片机原理及接口技术课程设计（论文）题目：加热炉温度控制器设计 院（系）：电气工程学院 专业班级：电气092 学号： 090303040 学生姓名： 指导教师：（签字） 起止时间：2012.06.24-2012.07.06
课程设计（论文）任务及评语 院（系）：电气工程学院 教研室： 电气工程及其自动化 注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算 学 号 学生姓名 专业班级 电气092 课程设计（论文）题目 加热炉温度控制器设计 课程设计（论文）任务 高温加热炉利用煤气加热，通过传感器测量温度，四相5V 、1A 步进电机调节阀门来调节进气量。温度控制范围0～1800℃。 设计任务： 1. CPU 最小系统设计（包括CPU 选择，晶振电路，复位电路） 2. 温度传感器及接口电路设计 3. 步进电机驱动电路设计 4. 程序流程图设计及程序清单编写 技术参数： 1．温度控制范围：0-1800℃ 2．工作电源220V 设计要求： 1、分析系统功能，尽可能降低成本，选择合适的单片机、AD 转换器、输出电路等； 2、应用专业绘图软件绘制硬件电路图和软件流程图； 3、按规定格式，撰写、打印设计说明书一份，其中程序开发要有详细的软件设计说明，详细阐述系统的工作过程，字数应在4000字以上。 进度计划 第1天 查阅收集资料 第2天 总体设计方案的确定 第3-4天 CPU 最小系统设计 第5天 温度传感器及接口电路设计 第6天 步进电机驱动电路设计 第7天 程序流程图设计 第8天 软件编写与调试 第9天 设计说明书完成 第10天 答辩 指导教师评语及成绩 平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日
摘要 温度控制系统广泛应用于工业控制领域，如钢铁厂、化工厂、火电厂等锅炉的温度控制系统，电焊机的温度控制系统等。加热炉温度控制在许多领域中得到广泛的应用。这方面的应用大多是基于单片机进行PID 控制, 然而单片机控制的DDC 系统软硬件设计较为复杂, 特别是涉及到逻辑控制方面更不是其长处, 然而PLC 在这方面却是公认的最佳选择。 加热炉温度是一个大惯性系统，一般采用PID调节进行控制。随着PLC 功能的扩充在许多PLC 控制器中都扩充了PID 控制功能, 因此在逻辑控制与PID控制混合的应用场所中采用PLC控制是较为合理的。本设计是利用西门子S7-200PLC控制加热炉温度的控制系统。首先介绍了温度控制系统的工作原理和系统的组成，然后介绍了西门子S7-200PLC和系统硬件及软件的具体设计过程。 关键词：温度控制；PID；温度传感器；可控硅电压调整器 仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除谢谢
Abstract Temperature control system has been widely used in the industry controlled field，as the temperature control system of boilers and welding machines in steel works、chemical plant、heat-engine plant etc. Heating-stove temperature control has also been applied widely in all kinds of fields .The application of this aspect is based on SCM which is making the PID control, yet the hardware and software design of DDC system controlled by SCM is somewhat complicated , it’s not an advantage especially related to logic control, however it is accepted as the best choice when mentioned to PLC. The furnace temperature of heating-stove is a large inertia system，so generally using PID adjusting to control. With the expanding of PLC function, the control function in many PLC controllers has been expanded. Therefore it is more reasonable to apply PLC controlling in the applicable fields where logical control and PID control blend together. The design has utilized the control system with which Siemens S7-200 PLC control the temperature heating-stove. In the first place this paper presents the working principles of the temperature control system and the elements of this system. Then it introduces Siemens S7-200 PLC and the specific design procedures of the hardware and the software. Keywords Temperature control PID temperature pickup SCR V oltage Converter 仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除谢谢I
温度控制系统设计方案 １引言 温度是工业过程控制中主要的被控参数之一，在冶金、化工、建材、食品、石油等工业中，工艺过程所要求的温度的控制效果直接影响着产品的质量。对于不同场所、不同工艺、所需温度高低范围不同、精度不同，则采用的测温元件、测温方法以及对温度的控制方法也将不同，随着电子技术和微型计算机的迅速发展，微机测量和控制技术得到了迅速的发展和广泛的应用。越来越显示出其优越性。 随着集成电路技术的发展，单片微型计算机的功能不断增强，许多高性能的新型机种不断涌现出来。单片机以其功能强、体积小、可靠性高、造价低和开发周期短等优点，成为自动化和各个测控领域中广泛应用的器件，在温度控制系统中，单片机更是起到了不可替代的核心作用。在工业生产中，如用于热处理的加热炉、用于融化金属的坩锅电阻炉等，都用到了电阻加热的原理。 鉴于单片机技术应用的广泛性和优越性，温度控制的重要性，因而设计一种较为理想的温度控制系统是非常有价值的。本文就是根据这一思想来展开的。 1.1 系统设计的目的和任务 1.1.1 系统设计的目的 通过本次毕业设计,主要想达到以下目的： 1. 增进对单片机的感性认识，加深对单片机理论方面的理解。 2. 掌握单片机的内部功能模块的应用，如定时器/计数器、中断、片内外存贮器、I/O口等。 3. 了解和掌握单片机应用系统的软硬件设计过程、方法及实现，为以后工作中设计和实现单片机应用系统打下基础。 4. 熟悉闭环控制系统的组成原理及单片机ＰＩＤ算法的实现方法。 1.1.2 系统设计的任务 1．查阅资料，弄清楚所要解决的问题的思路，确定设计方案。 2．系统硬件电路设计。 3．系统相关软件设计。 4．仿真实现温度参数设定、转换、显示等功能。 5．依据对象模型设计控制器参数， 6．系统调试与分析；并依据调试结果予以完善。 1.2毕业设计论文安排 1.论证系统设计方案，设计系统原理图。