电阻炉温度控制系统

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1、电阻炉温度控制系统　　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。系统总体框图如图1所示。　　　　　　　图1

2、模拟炼焦炉温度控制系统总体框图　　2.系统硬件设计　　按前面的总体设计方案，该系统硬件的设计包括以下几个部分。　　⑴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。　　⑵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4～20毫安的电流信号，在接收端再经I/V变换使之变成适

3、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。　　⑶温度控制电路　　电阻丝由过零触发型的双向可控硅整流电路驱动，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2。MOC3021是可控硅型光电隔离器件，它只能触发小功率可控硅。因此，本系统中通过MOC3021控制双向可控硅BCR1，再由BCR1控制主电路的双向可控硅

4、BCR2。　　　　　　　　　　　图2加热控制电路　　电路中采用的过零触发型双向可控硅的特性如图3所示，只有当其两端电压过零时控制端上施加触发信号，它才导通；一旦导通，只有再次过零时才被关断。针对这一特点，本系统采取了控制在M个电网周期内可控硅导通的周期数m(0≤m≤M)的方法来控制输出平均电压。为简单起见，可以使控制运算所得控制量u和实际导通周期数m直接对应，即　　　　　　（1）　　同步检测电路检出电网电压信号的过零点，形成过零同步信号，并接到CPU的中断请求输入端，以提供触发参考点和控制周期M的计数信号。需要注意的是，同步检测电路和电阻炉加热回路的电源必须是同相的，以保证触发信号的

5、同步。　　　　　　　　　图3过零型双向可控硅的触发特性　　⑷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。在设计系统时，除充分利用8031CPU的各种内置资源外，还扩展了8K的程序存储器2764(EPROM)和2K的数据存储器6116(RAM)。　　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。　　另外，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

6、必安排另外的定时器进行采样/控制运算周期定时了。　　电阻炉温度控制系统的硬件原理框图见图4。　　　　　　　　　图4模拟炼焦炉温度控制系统　　3.控制算法设计　　⑴系统数学模型　　在本系统中，把可控硅整流电路、模拟炼焦炉、温度变送器统一地作为被控对象。　　理论分析和实验结果证明，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。与电阻炉的时间常数相比，系统中的温度变送器、可控硅电路等环节的时间常数可以忽略不计，因此被控对象的传递函数为　　　　　（2）　　其中，被控对象的输入为可控硅整流电路的输出电压，输出为炉内的A点的温度所对应的I/V电路输出电压。被控对象

7、的各参数可采用飞升曲线法通过实验来确定，各参数含义如下：　　Td—电阻炉的惯性时间常数；　　τ—电阻炉的纯滞后时间；　　Kd—被控对象放大系数，是温度变送器、触发放大环节、可控硅调压电路及电阻炉的比例系数的乘积。　　综上所述，模拟炼焦炉温度控制系统的数学模型如图5所示。注意，虽然没有在硬件上设置专门的零阶保持器，但由于可控硅一旦触发导通即可保持到电网电压过零，相当于内含零阶保持器。　　　　图5模拟炼焦炉温度控制系统数学模型　　⑵控制器设计　　针对被控