引言
前言：電阻爐在國民經(jīng)濟(jì)中有著廣泛的應(yīng)用，而大功率的電阻爐則應(yīng)用在各種工業(yè)生產(chǎn)過程中。然而，大多數(shù)電阻爐存在著各種干擾因素。一直以來，人們采用了各種方法來進(jìn)行溫度控制，都沒有取得很好的控制效果。起先由于電阻爐的發(fā)熱體為電阻絲，傳統(tǒng)方法大多采用儀表測量溫度，并通過控制交流接觸器的通斷時(shí)間比例來控制加熱功率。電阻爐微機(jī)自動(dòng)程序溫度控制系統(tǒng)就是通過單片機(jī)對(duì)加熱爐的升、降溫速率和保溫時(shí)間進(jìn)行嚴(yán)格控制的裝置，它將溫度變送、顯示和數(shù)字控制集于一體，以微機(jī)控制為基礎(chǔ)，以A/D轉(zhuǎn)換器為核心，并配以適當(dāng)?shù)耐鈬涌陔娐罚瑢?shí)現(xiàn)對(duì)電阻爐溫度自動(dòng)控制。
摘要：自動(dòng)控制系統(tǒng)在各個(gè)領(lǐng)域尤其是工業(yè)領(lǐng)域中有著及其廣泛的應(yīng)用，溫度控制是控制系統(tǒng)中最為常見的控制類型之一。隨著單片機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，通過單片機(jī)對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制日益成為今后自動(dòng)控制領(lǐng)域的一個(gè)重要發(fā)展方向。
1.電加熱爐溫度控制系統(tǒng)的特性
溫控系統(tǒng)主要由溫度傳感器、溫度調(diào)節(jié)儀、執(zhí)行裝置、被控對(duì)象四個(gè)部分組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1.1所示。
圖1.1
被控制對(duì)象是大容量、大慣性的電熱爐溫度對(duì)象，是典型的多階容積遲后特性，在工程上往往近似為包含有純滯后的二階容積遲后；由于被控對(duì)象電容量大，通常采用可控硅作調(diào)節(jié)器的執(zhí)行器，其具體的電路圖如圖1.2所示。如圖
1.3所示，設(shè)周期T
c
內(nèi)導(dǎo)通的周期的波數(shù)為n，每個(gè)周波的周期為T，則調(diào)
功器的輸出功率為P=n×T×P
n /T
c
，P
n
為設(shè)定周期T
c
內(nèi)電壓全通過時(shí)候裝置
的輸出功率。
圖1.2 圖1.3 執(zhí)行器的特性：電爐的溫度調(diào)節(jié)是通過調(diào)節(jié)劑(供電能源)的斷續(xù)作用，改變
電爐絲閉合時(shí)間T
b 與斷開時(shí)間T
k
的比值α,α=T
b
/T
k
。
調(diào)節(jié)加熱爐的溫度，在工業(yè)上是通過在設(shè)定周期范圍內(nèi)，將電路接通幾個(gè)周波，然后斷開幾個(gè)周波，改變晶閘管在設(shè)定周期內(nèi)通斷時(shí)間的比例，來調(diào)節(jié)負(fù)載兩端交流平均電壓即負(fù)載功率，這就是通常所說的調(diào)功器或周波控制器；調(diào)功器是在電源電壓過零時(shí)觸發(fā)晶閘管是導(dǎo)通的，所以負(fù)載上得到的是完整的正弦波，調(diào)節(jié)的只是設(shè)定周期T
c
內(nèi)導(dǎo)通的電壓周波。
2.電爐的電加熱原理及方式
當(dāng)電流在導(dǎo)體中流過時(shí)，因?yàn)槿魏螌?dǎo)體均存在電阻，電能即在導(dǎo)體中形成損耗，轉(zhuǎn)換為熱能，按焦耳楞次定律：Q＝0．2412Rt，Q代表熱能，單位卡；I代表電流，單位安9；R代表電阻，單位歐姆；t代表時(shí)間，單位秒。
按上式推算，當(dāng)1千瓦小時(shí)的電能，全部轉(zhuǎn)換為熱能時(shí)Q＝(0．24×1000×36000)／1000=864千卡。
在電熱技術(shù)上按l千瓦小時(shí)＝860千卡計(jì)算。電爐在結(jié)構(gòu)上是使電能轉(zhuǎn)換為熱能的設(shè)備，它能有效地用來加熱指定的工件，并保持高的效率。
電阻爐按熱量產(chǎn)生的方法不同，可分為間接加熱式和直接加熱式二大類。間接加熱式電阻爐、就是在爐子內(nèi)部有專用的電阻材料做的發(fā)熱元件。電流通過加
熱元件時(shí)產(chǎn)生熱量，再通過熱的傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射而使放置在爐中的爐料被加熱。直接加熱式電阻爐，電源直接接在所需加熱的材料上，使強(qiáng)大的電流直接流過所需加熱的材料而使材料自己發(fā)熱達(dá)到加熱效果。
3.溫度控制系統(tǒng)組成
3.1硬件部分
一般電路有元件如：8031芯片、8255A芯片、74LS373芯片、6116芯片、2764芯片、ADC0809轉(zhuǎn)換器、溫度檢測元件及變送器.
溫度調(diào)節(jié)儀是控溫系統(tǒng)的核心部分，采用單片機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)智能化，它主要由輸入通道、輸出通道、人機(jī)對(duì)話通道以及一些外圍電路組成。它把傳感器送來的溫度信號(hào)進(jìn)行放大、比較、運(yùn)算后，輸出控制信號(hào)，觸發(fā)執(zhí)行裝置，實(shí)現(xiàn)溫度的自動(dòng)控制，同時(shí)還實(shí)現(xiàn)多種溫度傳感器的轉(zhuǎn)換、調(diào)零、調(diào)幅的軟調(diào)整等功能。主要設(shè)備：熱電偶或熱電阻，智能PID溫控儀，可控硅觸發(fā)調(diào)功器等。
圖1.4 系統(tǒng)硬件組成
3.2軟件部分
系統(tǒng)軟件采用中斷方式編程，主要部分是時(shí)鐘中斷程序，主要由輸入處理程序、控制算法程序、顯示處理、輸出處理和自診斷程序等組成。儀表通電啟動(dòng)后，初始化程序進(jìn)行時(shí)間給定，每隔500ms時(shí)鐘中斷一次，中斷后進(jìn)入時(shí)鐘中斷處理。對(duì)于純滯后，大慣性環(huán)節(jié)控制對(duì)象，一般采用積分分離PID控制算法。
4.爐溫自動(dòng)控制原理
根據(jù)爐溫對(duì)給定溫度的偏差，自動(dòng)接通或斷開供給爐子的熱源能量，或連續(xù)改變熱源能量的大小，使?fàn)t溫穩(wěn)定有給定溫度范圍，以滿足熱處理工藝的需要。溫度自動(dòng)控制常用調(diào)節(jié)規(guī)律有二位式、三位式、比例、比例積分和比例積分微分等幾種。電阻爐爐溫控制是這樣一個(gè)反饋調(diào)節(jié)過程，比較實(shí)際爐溫和需要爐溫得到偏差，通過對(duì)偏差的處理獲得控制信號(hào)，去調(diào)節(jié)電阻爐的熱功率，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)爐溫的控制。
系統(tǒng)控制程序采用兩重中斷嵌套方式設(shè)計(jì)。首先使T0計(jì)數(shù)器產(chǎn)生定時(shí)中斷，作為本系統(tǒng)的采樣周期。在中斷服務(wù)程序中啟動(dòng)A/D，讀入采樣數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)字濾波、上下限報(bào)警處理，PID計(jì)算，然后輸出控制脈沖信號(hào)。脈沖寬度由T1計(jì)數(shù)器溢出中斷決定。在等待T1中斷時(shí)，將本次采樣值轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的溫度值放入顯示緩沖區(qū)，然后調(diào)用顯示子程序。從T1中斷返回后，再從T0中斷返回主程序并且、繼續(xù)顯示
本次采樣溫度，等待下次T0中斷。
其原理在實(shí)際中表現(xiàn)有：
1)二位式調(diào)節(jié)--它只有開、關(guān)兩種狀態(tài)，當(dāng)爐溫低于限給定值時(shí)執(zhí)行器全開；當(dāng)爐溫高于給定值時(shí)執(zhí)行器全閉。（執(zhí)行器一般選用接觸器）
2）三位式調(diào)節(jié)--它有上下限兩個(gè)給定值，當(dāng)爐溫低于下限給定值時(shí)招待器全開；當(dāng)爐溫在上、下限給定值之間時(shí)執(zhí)行器部分開啟；當(dāng)爐溫超過上限給定值時(shí)執(zhí)行器全閉。（如管狀加熱器為加熱元件時(shí)，可采用三位式調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)加熱與保溫功率的不同）
3）比例調(diào)節(jié)（P調(diào)節(jié)）--調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)（M）和偏差輸入（e）成比例。即：M=ke，式中：K-----比例系數(shù)
4）比例積分（PI）調(diào)節(jié)--為了“靜差”，在比例調(diào)節(jié)中添加積分（I）調(diào)節(jié)積分，
直到偏差消除才無輸出信號(hào)，故能消除“靜差”比例調(diào)節(jié)和積分調(diào)節(jié)的組合稱為比例積分調(diào)節(jié). 5) 比例積分微分（PID）調(diào)節(jié)--比例積分調(diào)節(jié)會(huì)使調(diào)節(jié)過程增長，溫度的波動(dòng)幅值增大，為此再引入微分（D）調(diào)節(jié)。微分調(diào)節(jié)能加快調(diào)節(jié)速度，降低溫度波動(dòng)幅度，比例調(diào)節(jié)、積分調(diào)節(jié)和微分調(diào)節(jié)的組合稱為比例積分微分調(diào)節(jié)。（一般采用晶閘管調(diào)節(jié)器為執(zhí)行器）。
