温度控制系统设计

武汉理工大学《计算机控制技术》课程设计说明书

课程设计任务书

学生姓名： 郑子茗 专业班级： 自动化1101班

指导教师： 周申培 工作单位： 自动化学院

题 目: 温度控制系统设计

初始条件：

被控对象为电炉，采用热阻丝加热，利用大功率可控硅控制器控制热阻丝两端所加的电压大小，来改变流经热阻丝的电流，从而改变电炉炉内的温度。可控硅控制器输入为0～5伏时对应电炉温度0－300℃，温度传感器测量值对应也为0～5伏，对象的特性为带有纯滞后环节的一阶系统，惯性时间常数为T1＝30秒，滞后时间常数为τ＝10秒。

要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）

1．设计温度控制系统的计算机硬件系统，画出框图；

2．编写积分分离PID算法程序，从键盘接受Kp、Ti、Td、T及β的值；

3．计算机仿真被控对象，编写仿真程序；

4．通过数据分析T改变时对系统超调量的影响。

5. 撰写设计说明书。课程设计说明书应包括：设计任务及要求；方案比较及认证；系统滤波原理、硬件原理，电路图，采用器件的功能说明；软件思想，流程，源程序；调试记录及结果分析；参考资料；附录：芯片资料，程序清单；总结。

时间安排：

6月25日 查阅和准备相关技术资料，完成整体方案设计

6月26日—6月27日 完成硬件设计

6月30日—7月1日 编写调试程序

7月2日—7月3日 撰写课程设计说明书

7月4日 提交课程设计说明书、图纸、电子文档

指导教师签名： 年 月 日

系主任（或责任教师）签名： 年 月 日

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摘要

随着科学技术的迅猛发展，各个领域对温度控制系统的精度、稳定性等要求越来越高，控制系统也千变万化。电阻炉广泛应用于各行各业， 其温度控制通常采用模拟或数字调节仪表进行调节，但存在着某些固有的缺点。而采用单片机进行炉温控制，可大大地提高控制质量和自动化水平， 具有良好的经济效益和推广价值。

本设计以89C51单片机为核心控制器件，以ADC0809作为A/D转换器件，采用闭环直接数字控制算法，通过控制可控硅来控制热电阻，进而控制电炉温度，最终设计了一个满足要求的电阻炉微型计算机温度控制系统。

关键字：电阻炉 89C51单片机 温度控制 A/D转换

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目录

1 设计任务及分析.................................................... 1

2 方案设计.................................................................................................................... 2

3总的设计..................................................................................................................... 3

3.1 软件流程图...................................................................................................... 3

3.2 总的硬件设计................................................................................................. 4

4 积分分离PID控制.................................................................................................... 5

4.1 PID控制度的作用 ........................................................................................... 5

4.2 积分分离判断.................................................................................................. 5

4.3 PID控制算法 ................................................................................................ 7

5 系统仿真.................................................................................................................... 9

5.1 仿真程序及图形设计...................................................................................... 9

5.2 仿真结果........................................................................................................ 10

心得体会......................................................................................................................14

参考文献......................................................................................................................15

程序清单......................................................................................................................16

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1 温度控制系统设计

1 设计任务及分析

被控对象为电炉，采用热阻丝加热，利用大功率可控硅控制器控制热阻丝两端所加的电压大小，来改变流经热阻丝的电流，从而改变电炉炉内的温度。可控硅控制器输入为0－5伏时对应电炉温度0－300℃，温度传感器测量值对应也为0－5伏，对象的特性为带有纯滞后环节的一阶系统，惯性时间常数为T1＝30秒，滞后时间常数为τ＝10秒。

要求完成的任务

1）设计温度控制系统的计算机硬件系统，画出框图；

2）编写积分分离PID算法程序，从键盘接受Kp、Ti、Td、T及β的值；

3）通过数据分析T改变时对系统超调量的影响。

4）撰写设计说明书。

本次设计是对电炉的温度控制，而电炉的温度是通过放在其中的热阻丝来控制的，而热阻丝的电流由可控硅控制器控制热阻丝两端所加电压来控制。对电炉温度的控制是个动态的过程，不可能一下子就达到我们想要的温度，需要用到一些仪器比如热电偶来测量电路的温度，通过传感器将炉温转换成电压信号，送入A/D转换器，通过采样和模数转换，所检测到的电压信号和炉温给定值的电压信号送入计算机程序中作比较，得出给定值与实际值之间的偏差，单片机对偏差进行运算，将运算结果送给晶闸管调压器来调节热阻丝的电流，以此来调节电电炉的温度。

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2 2 方案设计

电炉的温度控制是个动态的控制过程，需要借助计算机，单片机等很多器件的硬件连接来实现。而电炉温度的直接控制是通过热阻丝的加热来实现的，热阻丝的加热是由流经热阻丝的电流老控制的，而热阻丝的电流是通过可控硅控制器控制热阻丝两端所加电压来控制，电压的调节是通过可控制硅控制。需要用到热电偶时刻监测电炉的温度，通过传感器将温度信号转化为电压信号，而电压信号通过模数转换送入到计算机进行控制，计算机将转换结果送到晶闸管来控制加到热阻丝两端的电压，这样达到调节电炉温度的目的。

电炉温度控制的硬件连接图如图2-1所示

图2-1 温度控制系统框图 传感器 电炉

显示电路

计算机

键盘控制 D/A转换 A/D转换

数据采集 控制电路 武汉理工大学《计算机控制技术》课程设计说明书

3 3 总的设计

3.1 软件流程图

软件流程图如图3-1所示

图3-1 软件流程图

开始

系统初始化

数据采集

A/D转换器

求温度值

信号比较

PID调节

计算机输出