毕业设计开题报告
电气工程及其自动化 电阻炉温度控制系统软件设计
1前言部分
近年来电阻炉在化工、冶金、机械等行业中得到了广泛应用，因此温度控制对于工业生产和科学研究中具有重要意义。其控制系统属于一阶纯滞后环节，具有大惯性、纯滞后、非线性等特点。而传统的控制方式超调大，控制时间长，控制精度低。随着单片机技术的飞速发展，通过单片机对被控对象进行控制日益成为今后自动控制领域的一个重要发展方向。采用单片机进行炉温控制，具有电路设计简单、精度高、控制效果好等优点，对提高生产效率、促进科技进步等方面具有重要的现实意义。然而，大多数电阻炉存在着各种干扰因素，将会给工业生产带来极大的不便。因此，在电阻炉温度控制系统的设计中，应尽量考虑到如何有效地避免各种干扰因素而采用一个较好的控制方案，选择合适的芯片及控制算法是非常有必要的。[1]
2主题部分
温度是工业生产中常见的工艺参数之一，任何的物理变化和化学反应过程都与温度密切联系，因此温度控制是生产自动化的重要任务。对于不同生产情况和工艺要求下的温度控制，所采用的加热方式，燃料，控制方案也有所不同。例如冶金、机械、食品、化工等各类工业生产中广泛使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉等；燃料有煤气、天然气、油、电等；控制方案有直接数字控制（DDC）,推断控制，预测控制，模糊控制，专家控制，鲁棒控制，推断控制，PID控制等。本次控制对象是电阻炉。下面简要介绍几种方案。
一、控制方案
PID控制 传统的电阻炉温度控制系统在电阻炉启 停状态时,产生很大的冲击电流,对电阻炉设备及电网带来一系列问题并且在温度控制方面误差很大，严
重影响产品质量.单片机在电阻炉温度控制系统的应用是基于传统的电阻炉控制,采用单片机系统进行 PID控制运算，将控制量输出，控制电阻炉的加热 根据系统运行中偏差和偏差变化率状况实施不同的控制策略,使整个过程在最佳工作状态下运行,从而大大降低设备故障率，提高电阻炉设备寿命及产品质量。
系统的工作过程为：用键盘将温度的设定值送入单片机，启动运行后，通过信号采集电路将温度信号采集到后，送到 A/D 转换电路将信号转换成数字量送入单片机系统进行PID 控制运算，将控制量输出，控制电阻炉的加热 在加热过程中如果温度超过了设置的上限极值时系统发出报警信号，提示操作人员 [2] 。
预估控制 对于电阻炉这种具有纯迟延的对象 ,Smith 预估控制是一种非常有效的控制方法 ,只是对模型精度的敏感性限制了这种方法的应用.所以许多研究人员尝试使用自适应预估控制在线辨识被控对象的动态参数 ,用辨识参数构造 Smit h 预估器进行预估控制.辨识过程中 ,纯迟延时间往往事先通过实验测定或用相关分析的方法辨识,然后在认为纯迟延时间准确已知的情况下 ,用自适应的方法辨识其他的线性参数 ,进而构造自适应预估器.显然 ,自适应辨识的精度取决于纯迟延时间的辨识精度 ,而相关分析需要大量的数据作为基础,所以辨识过程需要很长的时间 ,当纯迟延时间的估计不准确的时候 ,自适应律的稳定性和整个系统的控制性能都将不能保证。电阻炉的温度调节可分为动态和稳态 2 个过程.动态过程主要是调节电阻炉的蓄热量 ,使炉温升高(降低)到设定的温度值 ,稳态对应的加热量和散热量相平衡 ,维持炉温的恒定.不同的炉温设定值对应不同的散热速度,也就需要不同的加热电压来维持其蓄热量的恒定.稳态下 ,电阻炉温度和加热电压的对应关系是电阻炉的静态特性. PID 的调节原理是根据动态偏差来寻找设定值对应的稳态输入电压 ,调节作用灵敏则调节过程短,但容易过调 ,超调大 ,为了避免过调 ,只能牺牲调节的快速性 ,二者不可兼顾 ,并且 ,不同的温度值 ,对应对象的静态增益也不同.当设定温度大幅变化时 ,单一的 PID 控制器的控制性能难以保证.根据以上的工作过程分析 ,可通过遍历性实验构造一个电阻炉的静态特性表.当温度不等于设定值时 ,由BangBang 控制器来迅速调节电阻炉的蓄热量 ,使实际温度尽快趋近设定温度 ,而当温度达到设定值时 ,切换到积分控制器,并根据设定温度由静态特性表查出其对应的稳定电压为积分控制器置初值。[3]
模糊控制 其控制不需要被控对象的精确描述，比较适合电阻炉温度控制，常规的模糊控制算法稳态误差较大。所以一般不选用。
基于PID的模糊控制 以常规的PID调节为基础，结合模糊控制的思想，根据电阻炉特性的变化，建立以偏差e和偏差变化率ec为输入、PID控制参数Ki和Kp为输出的模糊控制规则，通过模糊推理和输出，自动修改PID参数，以取得最佳控制效果。[4]
二、软件部分
1 电阻炉温控系统的数学建模
从实际应用中,可以知道电阻炉是一种能自衡的对象,将电阻炉炉膛内的温度作为惟一变量,可以写出它的常微分方程。 当电阻炉炉膛温度稳定时,则某一时刻加热元件发出的热量 Qt 应该等于该时刻炉膛中积累的热量 Q1 和通过炉体散失掉的热量 Q2 之和,即:
Qt?Q1?Q2 Q1 、 Q2 可用下面两个式子表示: Q1?CdTk Q2?dt
Tk?T0 R式中:C为电阻炉的热容量; TK为炉内温度; t为烧结时间; T0 为环境温度; R为电阻炉的阻值(绝缘材料及炉内、 外流动气体产生的) 。
2 软件程序设计
PID控制系统软件采用中断方式编程，主要部分是时钟中断程序，主要由输入处理程序、控制算法程序、显示处理、输出处理和自诊断程序等组成，其流程图如图5所示。仪表通电启动后，初始化程序进行时间给定，每隔500ms时钟中断一次，中断后进入时钟中断处理。对于纯滞后，大惯性环节控制对象，一般采用积分分离PID控制算法。在一般的PID控制中，当系统有较大的扰动或设
定值较大幅度提降时，由于偏差较大及系统存在惯性和滞后，在积分项的作用下，会产生较大的超调和长时间波动，在温度缓慢变化过程中这一现象尤为严重，为此采用积分分离措施，即在偏差较大时，取消积分作用，偏差较小时，才将积分作用投入。积分分离PID控制算法如下：
TkTdU(k)?Kp{e(k)?Ki?e(j)?[e(k)?e(k?1)]}
Tii?0T式中Ki是引入的逻辑系数 当e(k)??,Ki?0 当e(k)??,Ki?1 主程序流程图：
主程序(main)设定目标温度(set tmp)LCD显示PID控制初始化LCD显示初始化DS18B20读取温度(tmp)LCD显示Compare _temper()Set_tmp-tmp>2?Y继电器控制加热器持续加热N连续采样温度（tmp）进行PID控制继电器控制加热器间断加热减小功率减小超调
图1 主程序流程图
中断函数流程图
中断函数初始化函数中断COUNT++COUNT>100COUNT>HIGHTIME?Y继电器得电YCOUNT=0N继电器失电中断返回
图2 中断函数流程图 3总结部分
对于温度控制采用的方法多种，其中PID控制已较为成熟。近几年 ,电阻炉作为广泛使用的工业生产重要设备 ,它的应用研究受到了广泛关注。因电阻炉具有大滞后特性,采用传统的 PID(Proportion Integration Differentiation)控制方法难以兼顾动态精度和调节速度 ,同时因电阻炉具有非线性 ,在温度设定值大幅变化的情况下 ,单一控制器的控制性能不稳定.模糊控制、专家系统等智能控制方法虽然控制品质高 ,但建立规则库需要大量的实验数据为基础 ,而且往往控制器只是针对于特定的对象,通用性差[4]。现阶段的控制方向转换为复合控制，采用单一的控制方法弊端很多，综合两种控制方法或者更多控制方法已成为一种新的趋势。
针对不同的控制其软件部分各不相同。如元件的选择，软件程序的编写。
4参考文献
［1］吕小红, 周凤星，马亮．基于单片机的电阻炉温度控制系统设计［J］．微计算机信息，2008，24（17）.
电阻炉温度控制系统软件设计【文献综述】
