吉林大学：《计算机控制技术》课程教学资源（PPT课件讲稿）第八章 计算机控制系统设计 8.4 电阻炉温度控制系统

8.4电阻炉温度控制系统 在日常生活中和工业生产中，有大量的需 要进行温度控制的场合，有大量的需要控制的 加热设备。其中，电阻炉就是热处理生产中应 用最广的加热设备，是电流通过电热元件产生 热量，借助辐射和对流的传递方式将热量传递 给工件，使工件加热到所要求的温度。 口 确定总体方案 系统硬件设计 控制算法设计 软件设计

8.4 电阻炉温度控制系统 在日常生活中和工业生产中，有大量的需 要进行温度控制的场合，有大量的需要控制的 加热设备。其中，电阻炉就是热处理生产中应 用最广的加热设备，是电流通过电热元件产生 热量，借助辐射和对流的传递方式将热量传递 给工件，使工件加热到所要求的温度。 ❑ 确定总体方案 ❑ 系统硬件设计 ❑ 控制算法设计 ❑ 软件设计

1.确定总体方案 在某煤气/焦碳生产企业中，为了把握工艺规律和控制参数，按 比例制作了一台模拟炼焦炉，其中的煤炭采用电阻丝进行加热。要求 控制电阻炉中A点的温度按预定的规律变化，同时监测B点的温度， 一旦B点温度超过允许值，就应该发出报警信息并停止加热。 根据设计任务的要求，采用8031单片机系统组成的数字控制器代 替常规模拟调节器。整个系统在规定的采样时刻经过A/D转换采集由 温度传感器反馈回来的温度反馈测量值，并和给定值进行比较，将经 过控制运算后的控制量输出给执行元件控制电阻丝的加热过程。此外， 系统还应实现人机接口功能。 温度检测 传感器 单片机系统 电阻丝 隔离、驱动 执行器 图8.10模拟炼焦炉温度控制系统总体框图

1.确定总体方案 在某煤气/焦碳生产企业中，为了把握工艺规律和控制参数，按 比例制作了一台模拟炼焦炉，其中的煤炭采用电阻丝进行加热。要求 控制电阻炉中A点的温度按预定的规律变化，同时监测B点的温度， 一旦B点温度超过允许值，就应该发出报警信息并停止加热。 根据设计任务的要求，采用8031单片机系统组成的数字控制器代 替常规模拟调节器。整个系统在规定的采样时刻经过A/D转换采集由 温度传感器反馈回来的温度反馈测量值，并和给定值进行比较，将经 过控制运算后的控制量输出给执行元件控制电阻丝的加热过程。此外， 系统还应实现人机接口功能。 图8.10 模拟炼焦炉温度控制系统总体框图

2,系统硬件设计 口人机接口电路 口温度测量电路 温度控制电路 口 单片机基本系统

2.系统硬件设计 ❑ 人机接口电路 ❑ 温度测量电路 ❑ 温度控制电路 ❑ 单片机基本系统

人机接口电路 本系统允许用户根据需要随时改变系统的 工作状态和控制参数，为此设置了4位LED显示 和相应的操作键盘，并由专用控制芯片8279实 现与CPU的接口。采用8279后，可以节省CPU用 于查询键盘输入和管理显示输出的时间，降低 了对CPU处理速度的要求，同时也减少了软件 工作量

人机接口电路 本系统允许用户根据需要随时改变系统的 工作状态和控制参数，为此设置了4位LED显示 和相应的操作键盘，并由专用控制芯片8279实 现与CPU的接口。采用8279后，可以节省CPU用 于查询键盘输入和管理显示输出的时间，降低 了对CPU处理速度的要求，同时也减少了软件 工作量

温度测量电路 热电偶用来检测炉温，将温度值转换为毫伏 级的电压信号。为便于信号远距离传送，采用温 度变送器，把热电偶输出信号转换为4~20A的电 流信号，在接收端再经V变换使之变成适于AD 转换的电压信号。 在系统中，采用多路复用方式对两路热电偶 信号、冷端补偿信号和标准电压信号进行AD转换。 系统运行过程中，定期对标准电压进行采样，以 修正AD转换器的灵敏度、保证侧控精度。为提高 系统抗干扰能力，在多路转换开关的控制电路A/D 转换电路的数字都分中还采用了光电隔离措施

温度测量电路 热电偶用来检测炉温，将温度值转换为毫伏 级的电压信号。为便于信号远距离传送，采用温 度变送器，把热电偶输出信号转换为4~20mA的电 流信号，在接收端再经I/V变换使之变成适于A/D 转换的电压信号。 在系统中，采用多路复用方式对两路热电偶 信号、冷端补偿信号和标准电压信号进行A/D转换。 系统运行过程中，定期对标准电压进行采样，以 修正A/D转换器的灵敏度、保证测控精度。为提高 系统抗干扰能力，在多路转换开关的控制电路A/D 转换电路的数字部分中还采用了光电隔离措施

温度控制电路 电阻丝由过零触发型的双向晶闸管整流电路驱动， 通过调节加热阻丝上的平均电压来控制加热功率，最终 达到控制炉温的目的，其原理见图8.11。MOC3021是晶 闸管型光电隔离器件，它只能触发小功率晶闸管。因此， 本系统中通过MOC3021控制双向晶闸管T1,再由T1控制 主电路的双向晶闸管T2。 +12V MOC3021 计算机 -220V 并行输出 负载。 图8.11加热控制电路

温度控制电路 电阻丝由过零触发型的双向晶闸管整流电路驱动， 通过调节加热阻丝上的平均电压来控制加热功率，最终 达到控制炉温的目的，其原理见图8.11。MOC3021是晶 闸管型光电隔离器件，它只能触发小功率晶闸管。因此， 本系统中通过MOC3021控制双向晶闸管T1，再由T1控制 主电路的双向晶闸管T2。 图8.11加热控制电路

温度控制电路 01】 0 (a)电网电压 用 (b)控制端信号 (©)负载电压 图8.12过零型双向晶闸管的触发特性

图8.12过零型双向晶闸管的触发特性 温度控制电路

单片机基本系统 单片机是整个系统的核心，它负责协调、控制系统的各个部 分完成规定的功能。 过零同步信号接到8031CPU的外部中断输入端上，在中断服务 程序中进行触发控制和控制周期计数：外部中断用于8279的中断 请求管理，在中断服务程序中处理键盘输入。 AC电源 为了软件简便和 操作面板： 键盘LED 同步检测 显示等 节省资源起见，可 冷湖 补偿 以选择采样周期T为 热电偶 INTo 8279 I/V 电网周期的整数倍， 跟随器 8031 电 变送器 A/ 这样采样工作和控 阻 转换 光电隔 多路转换开关 变 制运算就可以在同 B 器 切换控制 光电隔离 步信号中断服务程 ■■■口 热电偶 标准电压 CPU 扩展存储器： 序中进行，而不必 品闸管 EPROM 2764 电路 RAM6116 安排另外的定时器 光电隔离 功率放大 并行输出接口 进行采样/控制运算 周期定时了。 图8.13模拟炼焦炉温度控制系统

单片机基本系统 单片机是整个系统的核心，它负责协调、控制系统的各个部 分完成规定的功能。 过零同步信号接到8031CPU的外部中断输入端上，在中断服务 程序中进行触发控制和控制周期计数；外部中断用于8279的中断 请求管理，在中断服务程序中处理键盘输入。 为了软件简便和 节省资源起见，可 以选择采样周期T为 电网周期的整数倍， 这样采样工作和控 制运算就可以在同 步信号中断服务程 序中进行，而不必 安排另外的定时器 进行采样/控制运算 周期定时了。 图8.13 模拟炼焦炉温度控制系统

3,控制算法设计 系统数学模型电阻炉是一个具有自能力的对象， 可以近似为一个纯滞后环节和一个惯性环节的串联。 控制器设计针对被控对象具有纯滞后环节的特点， 采用大林算法设计如下数字控制器进行控制。 D(z)= do -ajz-1 1-a2z1-a2w 数字控制器 零阶保持器 被控对象 给定值 e(k) u(k) K D(z) 1-e e 箱出 1+Tas 图8.14模拟炼焦炉温度控制系统数学模型

3.控制算法设计 系统数学模型 电阻炉是一个具有自衡能力的对象， 可以近似为一个纯滞后环节和一个惯性环节的串联。 控制器设计 针对被控对象具有纯滞后环节的特点， 采用大林算法设计如下数字控制器进行控制。 1 3 1 2 1 0 1 1 ( ) − − − − − − − = N a z a z a a z D z 图8.14 模拟炼焦炉温度控制系统数学模型

4.钦件设计 温度控制系统软件包括主程序、采样定时 中断程序、数字滤波程序、非线性校正程序、 控制运算和控制输出处理程序、键盘管理程序 等

4.软件设计 温度控制系统软件包括主程序、采样定时 中断程序、数字滤波程序、非线性校正程序、 控制运算和控制输出处理程序、键盘管理程序 等