合肥工業(yè)大學
《計算機控制技術(shù)》課程設(shè)計
——電阻爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計
學院專業(yè)
姓 名
學 號_______ ________ _
完成時間
摘 要：電阻爐的類型根據(jù)其熱量產(chǎn)生的方式不同，可分為間接加熱式和直接加熱式兩大類。間接加熱式電阻爐，就是在爐子內(nèi)部有專用的電阻材料制作的加熱元件，電流通過加熱元件時產(chǎn)生熱量，再通過熱的傳導、對流、輻射而使放置在爐中的爐料被加熱。直接加熱式電阻爐，是將電源直接接在所需加熱的材料上，讓強大的電流直接流過所需加熱的材料，使材料本身發(fā)熱從而達到加熱的效果。工業(yè)電阻爐，大部分采用間接加熱式，只有一小部分采用直接加熱式。由于電阻爐具有熱效率高、熱量損失小、加熱方式簡單、溫度場分布 均勻、環(huán)保等優(yōu)點，應(yīng)用十分廣泛。
關(guān)鍵詞：爐溫控制；高效率；加熱
、總體方案設(shè)計
本次課程設(shè)計主要就是使用計算機以及相應(yīng)的部件組成電阻爐爐溫的自動控制系統(tǒng)，從而使系統(tǒng)達到工藝要求的性能指標。
1、 設(shè)計內(nèi)容及要求
電阻加熱爐用于合金鋼產(chǎn)品熱力特性實驗，電加熱爐用電爐絲提供功率，使其在預(yù)定的時間內(nèi)將爐內(nèi)溫度穩(wěn)定到給定的溫度值。在本控制對象電阻加熱爐功率為8KW，有220V交流電源供電，采用雙向可控硅進行控制。
2、工藝要求及要求實現(xiàn)的基本功能
本系統(tǒng)中所選用的加熱爐為間接加熱式電阻爐，控制要求為采用一臺主機控制8個同樣規(guī)格的電阻爐溫度；電爐額定功率為20 kW；）恒溫正常工作溫度為1000℃，控溫精度為±1%；電阻爐溫度按預(yù)定的規(guī)律變化，超調(diào)量應(yīng)盡可能小，且具有良好的穩(wěn)定性；具有溫度、曲線自動顯示和打印功能，顯示精度為±1℃；具有報警、參數(shù)設(shè)定、溫度曲線修改設(shè)置等功能。
3、控制系統(tǒng)整體設(shè)計
電阻爐溫度計算機控制系統(tǒng)主要由主機、溫度檢測裝置、A/D轉(zhuǎn)換器、執(zhí)行機構(gòu)及輔助電路組成。系統(tǒng)中主機可以選用工業(yè)控制計算機、單片微型計算機或可編程序控制器中的一種作為控制器，再根據(jù)系統(tǒng)控制要求，選擇一種合理的控制算法對電阻爐溫度進行控制。控制系統(tǒng)組成框圖如圖11-1所示。采用熱電偶作為測溫元件，經(jīng)變送器及A/D轉(zhuǎn)換電路對測得的溫度信號進行處理，送入主機與給定值比較，按控制算法計算后輸出控制量，通過固態(tài)繼電器實現(xiàn)對電阻爐加熱功率的調(diào)節(jié)，使爐溫按設(shè)定溫度曲線變化。各部分方案如下：
（1）控制系統(tǒng)主機
考慮到MCS-51系列單片機已經(jīng)過長期的應(yīng)用，性能比較穩(wěn)定，其功能完全可以滿足本系統(tǒng)控制要求，人們對它又比較熟悉，因此主機采用AT89C51單片機。
（2）檢測裝置
系統(tǒng)選用鎳鉻-鎳硅熱電偶作為測溫元件檢測爐膛中的溫度。鎳鉻-鎳硅熱電偶測溫范圍為-200～+1200℃（分度號為k）。它線性度較好，價格便宜，輸出熱電動勢較大（40μA/℃），便于測量放大器的選配。熱電偶冷端溫度補償采用集成溫度傳感器AD590。變送器
采用兩級放大，第一級選用高穩(wěn)定性運放ICL7650，第二級由通用型集成運算放大器μA741構(gòu)成。
（3）執(zhí)行機構(gòu)
采用交流過零觸發(fā)型固態(tài)繼電器控制電路。這種控制方式與傳統(tǒng)的采用移相觸發(fā)電路改變晶閘管導通角的雙向晶閘管（SCR）控制方式相比，具有穩(wěn)定、可靠、先進等優(yōu)點。
（4）模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D轉(zhuǎn)換器）
選用AD574A模/數(shù)轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)對溫度信號的轉(zhuǎn)換。AD574A是12位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時間為25μs，轉(zhuǎn)換精度為0.05%。
二、數(shù)字控制器的設(shè)計
理論分析和實驗結(jié)果表明，電阻爐是一個具有自平衡能力的對象，可以近似為帶有純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)。由被控對象實驗得到的飛升曲線，確定出被控對象的純滯后時間τ=1.2 min和被控對象的慣性時間常數(shù)TP=1.2 min。當τ/TP≤0.5時，可采用PID算法控制;當τ/TP> 0.5時，可采用達林算法控制，本系統(tǒng)τ/TTP>0.5，故采用達林算法控制。
三、硬件的設(shè)計和實現(xiàn)
1、溫度檢測及功率放大電路
本系統(tǒng)采用鎳鉻-鎳硅熱電偶檢測電阻爐中的溫度，熱電偶測溫是基于物體的熱電效 應(yīng)，它由兩種不同的金屬或合金組成，其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，可將溫度信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，測溫范圍廣、精度高，可實現(xiàn)遠距離測量和傳送，使用穩(wěn)定、可靠，因此被廣泛應(yīng)用。其不足之處是測溫精度受冷端溫度（即環(huán)境溫度）的影響，為了提高熱電偶測溫精度，需要在熱電偶冷端進行溫度補償。溫度檢測電路及功率放大電路如圖所示。熱電偶冷端溫度補償采用的是集成溫度傳感器AD590，流過AD590的電流Iu=273μA+ T0×1μA/℃，式中，T0為室溫。負載電阻R3上輸出電壓UOUT= Iu R3，選擇電阻R3使UOUT在AD590允許輸入電壓范圍內(nèi)。本系統(tǒng)選擇R3=10 kΩ。這種測量方法冷端溫度準確，克服了常規(guī)方法補償誤差大和不方便的缺點。
熱電偶傳感器輸出的電壓信號較為微弱（只有幾毫伏到幾十毫伏），因此在進行A/D轉(zhuǎn)換之前必須進行信號變送，由高放大倍數(shù)的電路將它放大到A/D轉(zhuǎn)換器通常所要求的電壓范圍，熱電偶的輸出熱電勢為0～56 mV。本系統(tǒng)前級選用自穩(wěn)態(tài)高精度斬波運放 ICL7650，
輸入信號為差動信號，放大倍數(shù)為15倍。后級運放選用較廉價的μA741，放大倍數(shù)可調(diào)，最大可達100倍，主要完成反相功能。ICL7650輸入端的鉗位二極管起保護作用，避免輸入線路發(fā)生故障時的瞬態(tài)尖峰干擾損壞運放，輸入電壓可直接送入AD574A進行轉(zhuǎn)換。
2、AD574A模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路
如下圖所示，AD574A工作在12位狀態(tài)，轉(zhuǎn)換值分兩次輸出，高8位從DB4～DB11輸出，低4位從DB0～DB3輸出，并直接和單片機的數(shù)據(jù)線相連，AD574A的片選端接鎖存器的Q7端，低電平有效;CE為片選使能端，高電平有效;CS 和CE共同用于片選控制，只有當兩個信號同時有效時，才能選中本芯片工作。A0端接鎖存器74LS373的Q1端。A0=0時啟動A/D轉(zhuǎn)換。R/接鎖存器74LS373的Q0端。R/=0時，啟動A/D轉(zhuǎn)換;R/=1時，允許讀出轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)。AT89C51的和經(jīng)“與非”門74LS00與AD574A的CE端相接。12/8接地表示AT89C51要分兩次從AD574A讀出A/D轉(zhuǎn)換的12位數(shù)字量。
