基于单片机的智能温度控制系统设计-精品(2)

内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）

电加热炉是工业生产过程和实验室里广泛使用的加热设备，是将电能转换为热能的能量转换装置。布置在炉内的加热元件将电能转化为热能，通过辐射或对流的方式将热能传递给加热对象，从而改变对象的温度。

通常的工业过程都对炉温的控制提出了一定的要求，这就需要对电加热炉进行控制，调节它的通电强度来改变它输出的热能。电加热炉具有结构简单、无污染、自动化程度高等特点。与传统的以煤和石化产品为燃料的锅炉相比还具有基本投资少、占地面积小、操作方便、热效率高、能量转化率高等优点。电加热炉控制作为过程控制的一个典型，动态特性具有大惯性大延迟的特点，而且伴有非线性。其温度特性曲线如图1.1所示。

图1.1电加热炉温度特性曲线

最近几年来，随着工业的快速发展，需要消耗大量的能源，并且环境污染问题越来越突出，节省能源、保护环境己被人们所接受，成为今后科学技术发展的方向。因此，通过国内加热技术在工业行业的应用情况的总结及对比分析，可以预见出国内加热炉的发展方向及趋势。

对于现在讲品种、讲效益的时代，一个加热炉的自动化水平的高低和加热形式的多样性，决定了该加热炉适应的生产行业。但是随着计算机控制技术和电子技术的发展，用计算机来控制加热炉的智能控制系统进行加热己成为一个新的发展方向。

国内各种形式的加热炉发展到现在，还不能讲哪一种形式是最先进、最成熟的，都多多少少存在一些问题，还有待我们去探索，如各热工参数之间和设计结构之间的定量关系，控制系统和调节系统的最优化，但计算机控制加热炉系统是一种发展方向。[2]

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1.3智能温度控制系统

在工业生产过程中，控制对象各种各样，温度是生产过程和科学实验中普遍而且重要的物理参数之一。在生产过程中，为了高效地进行生产，必须对它的主要参数，如温度、压力、流量等进行有效的控制。温度控制在生产过程中占有相当大的比例，其关键在于测温和控温两方面。温度测量是温度控制的基础，技术己经比较成熟。基于控制对象越来越复杂，在温度控制方面，还存在着许多问题。温度控制一般指对某一特定空间的温度进行控制调节，使其达到工艺过程的要求。本文主要研究电加热炉温度控制的方法。

智能控制的发展主要得益于模糊逻辑控制和神经网络控制理论的不断成熟。90年代以后，智能控制的集成技术研究取得很大重大进展，如模糊神经网络、模糊专家系统、传统PID控制与智能控制的结合等。这些都为智能控制技术的应用提供了广阔的前景。[6]

智能控制是一类无需人的干预就能够针对控制对象的状态自动地调节控制规

律以实现控制目标的控制策略。它避开了建立精确的数学模型和用常规控制理论进行定量计算与分析的困难性。它实质上是一种无模型控制方案，即在不需要知道被控对象精确数学模型的情况下，通过自身的调节作用，使实际响应曲线逼近理想响应曲线。

随着微机的发展和广泛应用，国内于70年代中已开始用计算机实现对电加热炉的控制。由于计算机控制最大的特点是控制算法可灵活变动，因此，为电加热炉的计算机控制提供了方便。

若已通过辨识建立了电加热炉的数学模型，则可采用最优控制或自适应控制。若未建立电加热炉的数学模型，则可采用数字PID控制、非线性PID控制、带积分型适应模糊控制或智能控制与神经网络控制等。

PID 智能控制算法和单神经元自适 PSD 智能控制算法，由于算法简单、控制效果好，因而受到了人们广泛的关注，受到工程上广泛应用且结构简单的常规 PID 控制器的启发，利用具有自学习和自适应能力的单神经元来构成单神经元自适应智能控制器。

PID 和 PSD 控制算法比较结果：

(1)单神经元自适应 PID 智能控制算法和单神经元自适应 PSD 智能控制算法都比传统 PID 控制算法超调量小、速度快、实时控制效果好。

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(2)采用不同学习速率η的单神经元自适应PID智能控制算法较采用相同学习速率η的有较好的快速性、较小的超调量和较强的鲁棒性。

(3)改进后的单神经元自适应PID智能控制算法较改进前的具有较小的超调量和较好的实时控制效果。

(4)与单神经元自适应 PID 智能控制算法相比，单神经元自适应 PSD智能控制算法具有可调参数范围大、自适应能力强等优点，可用于控制过程时变、有大滞后的复杂对象，是一种价值较高的智能控制算法。

总之，在上述两种算法中，学习速率η不同的单神经元自适应 PSD智能控制算法具有较满意的实时控制效果，实用价值较高。[5]

但是考虑到本人目前的学识所限，有许多技术上的问题需要解决，这就需要在以后的工作和学习中加以改进，因此本次毕业设计将采用算法简单、实用价值较高的PID 控制算法，资料表明，采用该算法也可以取得良好的控制效果。

电加热炉随着科学技术的发展和工业生产水平的提高，己经在冶金、化工、机械等各类工业控制中得到了广泛应用，并且在国民经济中，占有举足轻重的地位。随着我国经济的快速发展，对能源的消耗与日俱增，怎样降低功耗提高经济效益，已成为人们关注的问题。例如在冶金行业轧钢生产过程中，加热炉能耗约占全厂总能耗的60%左右，是轧钢工序的能耗大户，尤其是近二十年来，加热炉的硬件设备装备水平有了很大的提高，因此提高加热炉操作水平，实现计算机全自动烧钢，降低加热炉能耗意义很大。对于这样一个具有非线性、大滞后、大惯性、时变性、升温单向性等特点的控制对象，很难用数学方法建立精确的数学模型，因此用传统的控制理论和方法很难达到好的控制效果。

单片机以其高可靠性、高性能价格比、控制方便简单和灵活性大等优点，在工业控制系统、智能化仪器仪表等诸多领域得到广泛应用。采用单片机进行炉温控制可以提高控制质量和自动化水平。

由于计算机技术、控制技术、网络技术和通信技术的迅猛发展，高校的专业合并与渗透使工业控制计算机系统、自动化、信息技术改造了传统产业。机电一体化、数控、先进制造技术、CIMS 之间的技术、专业、学科之间的界限越来越模糊，这是实际发展的需要，也是技术发展的必然趋势。

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第二章 电加热炉智能温度控制系统

2.1电加热炉智能温度控制系统的构成

电加热炉广泛用于冶金、石油化工、纺织印染等工业生产过程。因此对加热炉温度的控制是必不可少的。作为被控对象，电加热炉具有非线性、时变性、分布参数等特点。

要实现对加热炉的控制，必须建立被控对象的数学模型，然后求取相应的控制器方程，例如自适应控制、随机最优控制、预测控制、解耦控制和变结构控制等。这类控制方法由于数学工具深奥，算法复杂，现场工程师难以理解和接受，因而这些先进控制算法的推广受到制约。人们在实践中知道，许多复杂的生产过程难以实现目标控制，但是熟练的操作工、技术人员和专家操作自如，而不要建立什么数学模型，就可以得到比较满意的控制效果。设想把这些专家的经验和知识总结起来赋予计算机，让计算机参与生产过程控制，这类系统一般称为智能控制系统，它包含专家控制、模糊控制和神经网络控制。本文就没有建立电加热炉的数学模型，而是在设计出加热炉硬件原理图的基础上，直接采用算法简单、效果好的PID 智能控制算法。其系统框图如图2.1所示。

设定值e调节器u调节阀电加热炉T-温度变送器图2.1 智能温度控制系统结构框图

键盘D/A转换上下限报警单片机A/D转换LED显示温度变送器SCR调功器电加热炉图2.2电加热炉温度智能控制系统硬件连接框图

电加热炉炉膛温度是由多组炉丝的供电能量来调节的，它们分别由多套晶闸

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管调功器供电。调功器的输出功率由改变过零触发器的给定电压来调节。为了控制炉温，设计了一套电加热炉计算机控制系统，如图2.2所示。

该系统以单片机为核心，包括A/D 转换电路、键盘电路、LED显示电路、D/A转换电路等几部分组成。

2.2电加热炉智能温度控制系统的原理

电加热炉计算机控制系统是一多输入、多输出的多变量系统，但本次设计仅以一组为例，即输入信号有八组，经过放大后再经过多路选择，之后在经控制电路处理。电加热炉炉温的控制过程如下：测温元件将检测到的温度信号经过放大、隔断处理后，在某一时刻被选择的信号送到 A/D转换器，转换成数字量送给单片机，单片机对 A/D 结果处理（包括冷端补偿计算），得出加热炉温度测量值，一路信号经74LS164驱动LED显示，一路信号将温度测量值与给定温度值进行 PID运算（可通过键盘调节PID参数），运算结果经D/A转换，送给SCR调功器来控制加热炉的加热过程。

2.3电加热炉智能温度控制系统设计

电加热炉智能温度控制系统包括软件和硬件两大部分。

硬件是整个设计的基础。硬件包括检测变换部分，输入信号转换部分，微处理部分，显示部分，键盘部分及输出信号转换部分等。

温度控制系统的软件设计是整个控制系统设计的核心，硬件要在软件的配合下才能完成预先确定要实现的各种功能。硬件设计具有通用性，而软件设计的大部分工作是针对某一特定对象，可以完成硬件不能完成的功能。软件设计具有充分的灵活性，可以根据系统的要求而变化。

单片机的智能功能要由软件来完成，温度控制系统软件在程序设计时采用了模块化设计方法，将控制器所要完成的功能分别编写和调试，所有模块调试成功以后，将各个模块连接，构成单片机软件系统。这样的设计有利于程序代码的优化，而且便于调试、维护和升级。整个系统由 3 部分组成：系统主程序、各功能子程序、中断程序。系统主程序负责任务调度，子程序实现系统各个子功能，中断程序负责处理系统的中断事件。主程序在完成系统初始化后，顺序执行各子模块程序，而中断发生时或预定义的时间到时 (例如控制时间到) ，系统执行中断服务程序，处理完毕后程序回到中断发生前的状态，主程序继续执行。

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