热处理炉炉温单片机控制系统.PDF

　　收稿日期 :1997 - 09 - 04 　　第一作者 　男 　1967 年 12 月生 　硕士学位 　讲师 热处理炉炉温单片机控制系统 韩丰田 　白国长 (郑州工业大学机械系) 摘　要 　介绍一种采用单片机构成的热处理炉炉温控制系统 ,对系统的控制算法、硬件设计及 软件实现进行了较详细的论述。现场试验证明该温控系统具有较好的控制效果。 关键词 　炉温控制 ;单片机 ;控制算法 中图分类号 　TP368 . 1 1 　概述 热处理电炉的发热体为电阻丝 ,一般由三相交流电供电 ,为调节其温度 ,常规方式大都 使用模拟式控制仪表测量温度 ,并通过控制交流接触器的通断时间比例来达到改变加热功 率的目的。但由于仪表本身测温精度差 ,并受到交流接触器的寿命限制 ,通断频率很低 ,故 温度控制精度低 ,且无法实现按程序设定曲线升温及故障自诊断等功能。 本文提出的炉温控制系统就是为了克服模拟式温控仪的缺陷而研制的。系统采用高精 度放大器及高分辩率 V / F 转换器以获得较高的测温精度 ;热电偶的冷端补偿采用热电阻 温度传感器 ,测量冷端温度准确 ,克服了常规方法补偿误差大的缺点 ;采用 8031 单片机实现 控制算法、程序升温、键盘输入、显示打印等功能 ;使用双向可控硅实现加热功率的控制 ,由 于采用无触点功率开关 ,故通断频率可设置得很高 ,显著提高了控温精度。 2 　控制算法 本系统采用时间最优控制 ( B ang - B ang 控制) 与积分分离 PID 控制的双模控制算 法[1 ] ,时间最优控制可加快动态过程 , PID 控制则可提高跟踪精度 ,保证稳态误差满足要 求。 2 . 1 　时间最优控制模式 当| R ( k) - Y ( K) | = | e ( k) | E E1 　时间最优控制模式 E2 　积分分离 PID 模式li　 　　 　 　　　 　　　 　”　c (2) 式中 　　E1 ———时间最优控制偏差极限值 　　R ( k) ———第 k 次采样时刻的设定值 　　Y ( k) ———第 k 次采样时刻的反馈值 第 19 卷 　第 1 期 1998 年 　3 月 　 郑州工业大学学报 　Journal of Zhengzhou University of Technology 　 Vol119 　No11 Mar1 　1998 　　e ( k) ———第 k 次采样时刻的偏差值 　　U ( k) ———第 k 次采样时刻的计算机输出值 　　U m ax ———计算机输出的最大值 2 . 2 　积分分离式 PID 控制 积分分离式 PID 控制可显著抑制积分饱和 ,防止产生超调和振荡。 　　当| e ( k) | E E2 　PD 控制 E2 　PID 控制.　　　 　 　 　　　 　　　 升 温及 诊断　　 　　 　　　　] 　　 　 　 　　 　 　　　 　　 　　 　 　　 　　 　 　 　 　　 　　 　 　 　 　 　　　 　 　　 41 1 　　 　　 　　　 　　 　 　 　 　 　　　 (2) 恒温阶段 ,设定值 R ( k) 恒等于保温温度 ,根据 R ( k) 与温度传感器测得的反馈量 Y ( k)之差求得偏差 e ( k) ,算出在恒温时的输出量 U ( k) ,由于恒温阶段偏差很小 ,控制算 法为一般为 PID 方式。 图 1 　设定控温曲线示例 2 . 4 　B ang - B ang 控制/ PD 控制/ PID 控制之间的切换 在每一次采样周期中 ,首先根据采集的热电偶输出信号计算出炉温值 Y ( k) 并与设定 曲线中相应时刻的设值 R ( k) 进行比较 ,如果其差值| e ( k) | E1 ,则系统转入 B ang - B ang 控制 ,如果| e ( k) | 0 ,系统全速加温 ,可控硅在整个采样周期内全时间导通。否则 ,系统输 出为零 ,可控硅在当前采样周期内关断。 如果偏差值| e ( k) | E1 ,则系统进入 PD 或 PID 控制 ,这时系统控制程序要做两种判 断 : (1) 如差值| e ( k) | ≥E2 ,则只用 PD 控制 ,令积分项为零 ,以防止过大的偏差积累使系 统出现超调和振荡。 (2) 如差值| e ( k) | E2 ,则系统转入 PID 控制 ,由于积分项的作用 ,在恒温段可使控制 温误差很小。 3 　系统硬件设计 系统的硬件框图如下页图 2 . 3 . 1 　数据采集和 V / F 转换 用作热电隅冷端补偿用的室温信号、热电偶输出的炉温信号及基准源通过多路开关 CD5051 ,经限幅处理后加到 V / F 转换 L M 331 上转换成与模拟电压成正比的频率信号 ,采 用闸门控制计数并经 8031 处理 ,一方面显示温度