過程控制系統(tǒng)課程設計玻璃爐窯溫度控制、玻璃進給控制系統(tǒng)設計

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1、 ——自動化工程系 過程控制系統(tǒng)課程設計 題目：玻璃爐窯溫度控制、玻璃進給控制系統(tǒng)設計 學生姓名： 專 業(yè)：測控技術與儀器 班級學號： 指導教師： 設計時間：2010-7-14 玻璃爐窯溫度控制、玻璃進給控制系統(tǒng)設計 摘要：對于鋼化爐，為滿足工藝要求，鋼化爐溫度控制是保證鋼化質(zhì)量的關鍵因素，同時要求裝料平穩(wěn)、供熱分布均勻、可提供較大的供熱負荷變化。按工藝流程，將鋼化爐分成四段，即加熱段(加熱至600~650℃)，保溫段(玻璃往復擺動)，急冷段(往復急冷)，緩冷段(冷卻風機吹風)。為獲得較好

2、的控制效果，采用PLC控制技術配合工控機進行系統(tǒng)的檢測及自動控制。在控制算法方面，本系統(tǒng)在傳統(tǒng)的PID基礎上，開發(fā)設計了三種控制器(模糊自適應PID控制器，神經(jīng)元自適應PID控制，模糊免疫PID)，并對這三種控制器進行仿真對比分析，確定最適合鋼化爐溫度系統(tǒng)的控制器，最后利用監(jiān)控界面進行實時監(jiān)控。具體工作如下： 1、設計玻璃爐窯溫度控制控制工藝，畫出控制工藝流程圖。 2、寫出溫度控制、進給控制的工作過程，繪出系統(tǒng)框圖。 3、用PLC控制進給過程，設計出PLC進給控制接線圖，給出輸入輸出端子號。 4、編制PLC進給控制梯形圖，寫出語句表。（機種不限）。 5、采用單片機對爐溫進行檢測控制。

3、 系統(tǒng)的硬件電路設計。 要求單片機采用89S51，晶振在6MHZ以上。數(shù)據(jù)存儲器采用串行存儲器。（如24C系列、93C系列）顯示器電路設計采用MAX7219串行驅(qū)動方案，共陽極數(shù)碼管。擴展8255矩陣鍵盤或分立式鍵盤。A/D轉(zhuǎn)換采用AD7705，設計采集電路。熱電偶檢測溫度。多路轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)多點檢測?？煽毓铚囟瓤刂齐娐凡捎霉虘B(tài)繼電器方案。 編制溫度控制系統(tǒng)各模塊流程圖。（數(shù)據(jù)采集、處理；數(shù)據(jù)存儲；爐溫控制；鍵盤、顯示等） 附加：1、采用智能調(diào)節(jié)器、熱電偶溫度變送器、可控硅溫度控制模塊等組成溫度控制系統(tǒng)設計控制系統(tǒng)控制框圖及接線圖。說明各種儀表結(jié)構(gòu)及工作原理。 2、溫度控制采用PLC及A/

4、D、I/O、D/A接口卡，設計硬件線路及軟件框圖。 3、學習組態(tài)軟件，嘗試繪制玻璃爐溫控制系統(tǒng)流程圖。 關鍵詞：鋼化玻璃；ＰＬＣ；ＰＩＤ；  目錄 第1章：課題概述 1.1：選題背景與研究意義。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。1 1.2：溫度控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。2 1.3：課題主要工作。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。2 第2章：鋼化玻璃生產(chǎn)系統(tǒng)概述 2.1：鋼化玻璃

5、生產(chǎn)系統(tǒng)總體設計。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。2 第3章：基于PLC的進給控制 3.1：進給系統(tǒng)要求。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。4 3.2：鋼化玻璃進給過程控制。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。4 3.3：PLC的選型與概述。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。5 3.4：硬件電路設計。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。

6、。。。。。。。。。。。。。。。6 第4章：基于AT89S51單片機的溫度控制系統(tǒng)設計 4.1：系統(tǒng)功能及實現(xiàn)原理。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。10 4.2：主體設計部分。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。11 4.3：溫度控制系統(tǒng)各部分具體選型與設計。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。13 參考文獻。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。19 附錄 附錄1：PLC控制過程具體聯(lián)線

7、圖。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。20 附錄2：各器件的具體選擇型號一覽表。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。20 緒論 第一章：課題概述 1.1選題背景及研究意義 玻璃是一種常見的、普遍使用的建筑裝飾材料，能有效地減輕建筑物本身的自重，增強建筑物的裝飾美感。隨著人們生活水平的提高、科學技術的發(fā)展和社會的進步，人們對玻璃的要求越來越趨于多樣化、功能化、綠色化。各種功能的玻璃深加工產(chǎn)品，如蒙砂玻璃、彩釉玻璃、鍍膜玻璃、低輻射玻璃、壓花玻璃等逐漸受到人們的青睞。 然而玻璃屬于脆性材料，破碎時易危及人

8、身安全，特別是高層建筑的玻璃更具危險。平板玻璃鋼化一般采用優(yōu)質(zhì)浮法玻璃為原料，將普通平板玻璃經(jīng)物理或化學的方法處理，使其表面形成壓應力，內(nèi)部形成張應力。在承受外力時，首先抵消表層應力，從而提高承載能力，改善玻璃抗拉強度。所以鋼化玻璃又稱安全玻璃。它不僅具有熱穩(wěn)定性好以及光潔、透明、可切割等特點，而且安全性能明顯提高。第一，鋼化玻璃強度較之普通玻璃提高數(shù)倍，抗彎強度是普通玻璃的3~5倍，抗沖擊強度是普通玻璃5~10倍，提高強度的同時亦提高了安全性。第二，鋼化玻璃的承載能力增大改善了易碎性質(zhì)，即使鋼化玻璃破壞也呈無銳角的小碎片，極大地降低了對人體的傷害。第三，鋼化玻璃的耐急冷急熱性質(zhì)較之普通玻璃有

9、2~3倍的提高，一般可承受150℃以上的溫差變化，對防止熱炸裂有明顯的效果。 在鋼化玻璃生產(chǎn)過程中，鋼化玻璃的爐溫控制是生產(chǎn)過程的一個重要環(huán)節(jié)，由于傳統(tǒng)方案不能準確的控制鋼化爐的爐溫，所以實際生產(chǎn)中還主要是以工人的經(jīng)驗來判斷和控制爐溫時間，這樣就影響了鋼化玻璃控制系統(tǒng)的自動化程度以及控制控制精度。為了彌補以上不足，有必要研究一種檢測方案，對比經(jīng)典控制與智能控制的優(yōu)缺點，結(jié)合鋼化爐溫度控制的特性，建立對應鋼化爐爐溫控制系統(tǒng)的參數(shù)數(shù)學模型，將最優(yōu)的控制理論算法研究成果融入到控制系統(tǒng)中，進一步提高工業(yè)自動化的水平。 1.2溫度控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 對于溫度控制，主要有兩類算法，即包括模

10、糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡和模糊神經(jīng)網(wǎng)絡在內(nèi)的智能控制形式的算法和包括自整定PID控制和Smith預估計在內(nèi)的經(jīng)典控制形式的算法。 1智能控制 智能控制是一類無需人的干預就能獨立地驅(qū)動智能機器實現(xiàn)其目標的自動控制。包括專家控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制、學習控制、遺傳算法等。但在眾多智能控制方法當中，模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡以及二者的結(jié)合—模糊神經(jīng)網(wǎng)絡在溫度時滯系統(tǒng)控制中應用較為廣泛。 智能控制方法雖然克服了Smith預估計器和自適應控制的缺陷，但它們本身也并不完美，普遍存在控制精度不高等缺點。所以智能控制方法經(jīng)常與Smith預估計及自適應相結(jié)合，這也是目前研究的方向。在國內(nèi)，技術人員努力把各種時滯過程控

11、制方法應用到實際，并且大部分采用PID控制、Smith預估控制及其改進型。 2經(jīng)典控制 所謂經(jīng)典控制及方法是針對時滯系統(tǒng)控制伺題提出并應用得最早的控制策略。主要包括自整定PID控制、Smith預估控方法。這些方法雖理論上較簡單，但在實際應用中卻能收到良好的控制效果,因而在工業(yè)生產(chǎn)實踐中獲得了廣泛的應用. 1.3課題主要工作 對于鋼化爐，為滿足工藝要求，鋼化爐溫度控制是保證鋼化質(zhì)量的關鍵因素。同時要求裝料平穩(wěn)、供熱分布均勻、可提供較大的供熱負荷變化。按工藝流程，將鋼化爐分成四段，即加熱段(加熱至600一650℃)，保溫段(玻璃往復擺動)，急冷段(往復急冷)，緩冷段(冷卻風機吹風)。

12、為獲得較好的控制效果，采用PLC控制技術配合工控機進行系統(tǒng)的檢測及自動控制。在控制算法方面，本系統(tǒng)在傳統(tǒng)的PID基礎上，開發(fā)設計了三種控制器(模糊自適應PID控制器，神經(jīng)元自適應PID控制，模糊免疫PID)，并對這三種控制器進行仿真對比分析，確定最適合鋼化爐溫度系統(tǒng)的控制器。最后利用監(jiān)控界面進行實時監(jiān)控 。 設計部分 第二章．鋼化玻璃生產(chǎn)系統(tǒng)概述 2.1鋼化玻璃生產(chǎn)系統(tǒng)總體設計 鋼化玻璃自動化生產(chǎn)設備主要有加熱爐、冷卻風柵、玻璃傳送給進裝置及控制系統(tǒng)等組成。對5mm厚度的玻璃加熱時間在2分2秒至2分10秒之間。加熱溫度為680~685攝氏度。玻璃呈水平由給進裝置中的輥道輸送，以6

13、米/分鐘左右的速度加入加熱爐內(nèi)加熱，玻璃有加熱爐出來后移到開度為100mm，風壓為650水柱的風柵中急速冷卻1分40秒左右進行鋼化。圖2.1為設備工作原理示意圖。圖中左部位爐前玻璃進給裝置，中部為加熱爐，右部為冷卻風柵部分。 鋼化玻璃生產(chǎn)的工藝流程如圖2.1所示，生產(chǎn)過程可概括為上片，自動往復加熱，往復急冷，往復吹風，取片五個工藝階段。 圖2.1 鋼化玻璃系統(tǒng)部分說明圖 1,.進料區(qū)2.前門3.加熱區(qū)4.后門.5速冷6.出料口.7進料電機 8.主傳電機I9主傳電機II 基于水平鋼化玻璃生產(chǎn)線示意圖，我們得出系統(tǒng)的總框圖 圖2.2 系統(tǒng)總體框

14、圖 第三章．基于PLC的進給控制 3.1進給系統(tǒng)要求 ① 進給裝置運動方式和傳動方式的確定 進給裝置由三部分組成：爐前進給部分、爐內(nèi)進給部分和出爐風柵部分。玻璃的進給右進給裝置上的若干根平行排列的輥子的旋轉(zhuǎn)運動實現(xiàn)，即輥子旋轉(zhuǎn)時，玻璃在輥子摩擦力的帶動下水平運動。 ②電氣傳動控制系統(tǒng) 考慮到進給裝置的速度和運動精度不高。為簡化結(jié)構(gòu)、降低成本，采用三相交流電機，經(jīng)減速器和鏈條驅(qū)動與輥子連接的鏈輪作旋轉(zhuǎn)運動。由于風機產(chǎn)生的空氣壓力需要根據(jù)生產(chǎn)工藝情況而變化，所以風機電機應能調(diào)速。因此，采用交流變頻調(diào)速器實現(xiàn)風機的變頻調(diào)速。在進給裝置中，有PLC控制電機。 3.2鋼化玻璃進給過

15、程控制 (1) 進給控制的工作過程 鋼化玻璃進給行程控制是借助于行程開關來實現(xiàn)的。當輥子的玻璃撞壓到行程開關后，行程開關的觸點動作。此信號有可編程控制器檢測，控制電機的轉(zhuǎn)、停和正反轉(zhuǎn)，以達到行程開關的控制的目的。 進給裝置的工作流程如下： 玻璃原料被工人用吸盤放到進給部分1的輥子上——>玻璃壓下行程開關sw1、sw2——>延時10s——>進給部分電機1啟動，輥子帶動玻璃進給，使玻璃在加熱爐被加熱，出爐——> 玻璃完全運動到風柵冷卻區(qū)內(nèi)，玻璃壓下行程開關sw21、sw22——>進給停止，開啟風柵，對玻璃進行冷卻淬火，冷卻時間為1分40秒——>啟動進給部分2，是玻璃離開風光柵，由操作人員

16、用吸盤吸走。如圖所示為進給部分流程圖： 圖3.1 進給部分系統(tǒng)流程圖 3.3 PLC的選型與概述 本課題選用西門子的S7一300控制器，負責從現(xiàn)場設備接收數(shù)據(jù)、檢測各狀態(tài)量、對實時數(shù)據(jù)按算法處理、向執(zhí)行機構(gòu)發(fā)布命令、與上位機通訊、各PLC協(xié)調(diào)工作等。SIMATIC S7-300是一種通用型的PLC，能適合自動化工程中的各種應用場合，尤其是在生產(chǎn)制造工程中的應用。模塊化、無風扇結(jié)構(gòu)、易于實現(xiàn)分布式的配置以及易于掌握等特點，使得S7-300在各種工業(yè)領域中實施各種控制任務時，成為一種既經(jīng)濟又切合實際的解決方案。SIMATIC S7-300的大量功能能夠支持和幫助用戶進行編程、啟動和

17、維護。 1.上位機及PLC系統(tǒng)配置 S7-300的特點是高效率的組態(tài)和編程，從而大幅度地降低工程成本?，F(xiàn)能提供符合IEC61131-3國際標準的SIMATIC工程工具。此外，集成的高性能系統(tǒng)診斷功能可保證控制器的更高可用性，能夠顯著提高生產(chǎn)率。為了減少停機時間，增加產(chǎn)量，提供可組態(tài)的過程診斷，以用于分析和排除過程故障?？刂普镜呐渲门c整個生產(chǎn)過程中檢測點的類型及其數(shù)量密切相關。在鋼化玻璃生產(chǎn)線控制過程中，所有的FO點類型分為四種，即模擬量輸入(AD、模擬量輸出(AO)、開關量輸入(Dl)、開關量輸出(DO)等四種。 S7一300的模擬量輸出模塊用于將CPU送給它的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為成比例的電流

18、信號或電壓信號，對執(zhí)行機構(gòu)進行調(diào)節(jié)或控制，其主要組成部分是D/A轉(zhuǎn)化器。 圖3.2 S7-300系列PLC系統(tǒng)構(gòu)成框圖 3.4硬件電路設計 ① PLC型號電路確定 西門子的S7一300控制器 ②．進給驅(qū)動電機 進給裝置分為2個部分，需要2臺電機分別驅(qū)動。爐前和爐內(nèi)進給部分的進給運動由1臺電機驅(qū)動，出爐和在風柵下的進給運動由另1臺電機驅(qū)動，選取電機型號為J02-21-6三相交流異步電機，極對數(shù)為3，功率為0.8KW，額定電壓380V，額定轉(zhuǎn)速n=970r/m。電機上帶電磁鐵，在電機斷電時，可以迅速制動電機，由于在某些工況下，要有反向進給運動，因此，要求能

19、控制電機的正反轉(zhuǎn)。電機到輥子的傳動比為:ζ=n電機/n輥子=970/31.85=30.455，采用1級齒輪傳動即可實現(xiàn)。 ③．PLC控制電路連線圖及I/O端子號分配 PLC控制電路連線圖如圖3. I/O端子號分配如表1. 輸入端流入的電路很小，采用直流匯點式接線，其中SW3接通為自動方式，斷開為手動方式。當設置為手動狀態(tài)時，PB1～PB4按鈕為手動點動按鈕，操作人員點動的對應按鈕控制電機的正反轉(zhuǎn)，從而完成手動控制進給量。輸出端4個端子為一組，每組有一個公共端(COM)，每個端子允許流過的額定電流為1A，由于輸出端與接觸器的線圈相接，電流小于1A，這種接法完全可行。輸出外接220V交流電。

20、 輸入器件及符號 輸入端子號 輸出器件及符號 輸出端子號 啟動按鈕1SB X0 電機正轉(zhuǎn)接觸器 Y30 總停按鈕2SB X1 線圈KM1 行程開關SW11 X2 電機1反轉(zhuǎn)接觸器 Y31 行程開關SW12 X3 線圈KM2 行程開關SW21 X4 電機2正轉(zhuǎn)接觸器 Y32 行程開關SW22 X5 線圈KM3 自動/手動 電機2反轉(zhuǎn)接觸器 Y33 切換開關SW3 X400 線圈KM4 電機1正轉(zhuǎn)PB1 X401 風柵接觸器 Y35 電機1反轉(zhuǎn)PB2 X402 線圈KM5 電機2正轉(zhuǎn)PB3 X4

21、03 工作指示燈 Y36 電機2反轉(zhuǎn)PB4 X404 報警指示燈 Y37 表1 ④．模擬輸入輸出單元的配置 從加熱爐出來的玻璃需急冷淬火，急冷淬火除需要控制溫度外，還有一個重要的參數(shù)是空氣壓力?？諝鈮毫赏ㄟ^對空氣壓縮機電機變頻調(diào)速來實現(xiàn)。實現(xiàn)的方法是PLC通過D/A轉(zhuǎn)換器輸出控制電壓給變頻器，來調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)空氣壓力，PLC配置的模擬量單元為FX2-6A-E。其配置如圖3.3 圖 3.3 PLC控制過程具體連線圖（見附錄1） 具體控制程序 第四章 基于AT89S51單片機的溫度控制系統(tǒng)設計 溫度是工業(yè)控制中

22、主要的被控參數(shù)之一特別是在冶金化工、建材、食品、機械、石油等工業(yè)中，具有舉足重輕的作用。對于不同場所、不同工藝、所需溫度高低范圍不同、精度不同，則采用的測 溫元件、測溫方法以及對溫度的控制方法也將不同；產(chǎn) 品工藝不同、控制溫度的精度不同、時效不同，則對數(shù)據(jù)采集的精度和采用的控制算法也不同，因而，對溫度的測控方法多種多樣。隨著電子技術和微型計算機的迅速發(fā)展，微機測量和控制技術也得到了迅速的發(fā)展和廣泛的應用。利用微機對溫度進行測控的技術，也便隨之而生，并得到日益發(fā)展和完善，越來越顯示出其優(yōu)越性。本設計即用微機對溫度進行實時檢測與控制。 4.1系統(tǒng)功能及實現(xiàn)原理 系統(tǒng)設計目標 單片機對溫度進

23、行實時檢測和控制，以解決工業(yè)及常生活中對溫度的及時自動控制問題；用共陽極數(shù)碼顯管顯示實際溫度值，方便人工監(jiān)視；用鍵盤輸入溫度控制范圍值便于在不同應用場所設置不同溫度范圍值。當實際溫度值不在該范圍時，系統(tǒng)能自動調(diào)節(jié)溫度，以保持設定的溫度基本不變，達到自動控制的目的。系統(tǒng)的溫度最小區(qū)分度為 1℃。在環(huán)境溫度變化時，溫度控制的靜態(tài)誤差小于等于0．5℃。 系統(tǒng)設計的出發(fā)點 在達到對溫度的檢測和控制的基礎上，達到一定的測控精度，并盡量使系統(tǒng)的可靠性高、穩(wěn)定性好、性價 比高、速度快、使用靈活、實現(xiàn)容易、便于擴充。 設計原理 本設計采用 89S51單片機應用系統(tǒng)來實現(xiàn)設計要求，因89C51在片內(nèi)

24、含4kb的EEPROM，不需外擴展存儲器，可使系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)簡單。利用 89S51串行口輸出工作方式，使 89C51的利用率大大提高，外部電路得以簡化。89C51可直接對鍵盤進行掃描讀數(shù)，可直接用串／并轉(zhuǎn)換模塊74LS104驅(qū)動LED顯示溫度值因其利用率高，負載重 ，后向電路只需加一塊同向驅(qū)動器即可正常工作。在串行 傳輸數(shù)據(jù)時，頻率可達到1MHz，對溫度的顯示完全達到測控精度要求。1．4具體方案硬件電路由單片機、顯示器、溫度采集電路、執(zhí)行部件等構(gòu)成，框圖見圖1。 A/D轉(zhuǎn)換 溫度檢測 玻璃窯 電阻絲 可控硅控制電路 AT89S51 給定值 圖

25、2單片機控制電路 4.2主體設計部分 可控硅控制電路 PLC進給電路 LED共陽極數(shù)碼顯示管 電源 鍵盤電路 溫度采集及A/D轉(zhuǎn)換 AT89S51 單片機 本系統(tǒng)采用比較流行的AT89S51作為電路的控制核心,使用8位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0809進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,控制電路部分采用PWM控制可控硅的通斷以實行對鍋爐溫度的連續(xù)控制,此方案電路簡單并且可以滿足題目中的各項要求的精度。系統(tǒng)整體設計具體方案 圖3溫度控制系統(tǒng)具體設計方案框圖 根據(jù)溫度變化慢,并且控制精度不易掌握的特點,我們設計了以AT89

26、S51單片機為檢測控制中心的電熱鍋爐溫度自動控制系統(tǒng)。溫度控制采用改進的PID數(shù)字控制算法,顯示采用8位LED靜態(tài)顯示。該設計結(jié)構(gòu)簡單,控制算法新穎,控制精度高,有較強的通用性。所設計的控制系統(tǒng)有以下功能： 溫度控制設定波動范圍小于1%,測量精度小于1%,控制精度小于2%,超調(diào)整量小于4%; 實現(xiàn)控制可以升溫也可以降溫; 實時顯示當前溫度值; 按鍵控制：設置數(shù)字鍵、設置鍵、確認鍵; 越限報警。 圖 4具體系統(tǒng)連線圖 綜上所述，給出溫度控制系統(tǒng)的流程圖： 4.3溫度控制系統(tǒng)各部分具體選型與設計 硬件電路主

27、要有兩大部分組成：模擬部分和數(shù)字部分：從功能模塊上來分有：主機電路、數(shù)據(jù)采集電路、鍵盤顯示電路、控制執(zhí)行電路。 （1） LED硬件顯示電路 根據(jù)要求，本系統(tǒng)采用共陽極數(shù)碼管共陽極是低電平有效時有效輸入。在C51單片機要使發(fā)光二極管點亮,數(shù)碼管是共陽極的就要讓I/O口的電位變?yōu)榈碗娢?，因些不同的器件會有不同的?shù)碼值。另外引腳信號與碼位的對應關系也會影響碼值,即引腳可以由高到低排列(7-1),也可以由低到高排列(1-7)。本實驗的數(shù)碼管為共陽極,采用由高到低的排列 P1口用來輸出數(shù)據(jù)，即為寫鎖存。經(jīng)過74LS138譯碼，分別片選到數(shù)碼管的個、十、百三位。上數(shù)碼管顯示設定值，下數(shù)碼管顯示熱

28、電偶測試的溫度，直觀的顯示了系統(tǒng)所測溫度與設定溫度之差。為下面的PID的參數(shù)提供依據(jù)。硬件電路圖如下所示： （2） 鍵盤電路 在鍵盤中按鍵數(shù)量較多時，通常將按鍵排列成矩陣形式，如圖所示。在矩陣式鍵盤中，每條水平線和垂直線在交叉處不直接連通，而是通過一個按鍵加以連接。這樣，可以構(gòu)成44=16個按鍵。 1、44矩陣鍵盤的工作原理 矩陣鍵盤又稱為行列式鍵盤，它是用4條I/O線作為行線，4條I/O線作為列線組成的鍵盤。在行線和列線的每一個交叉點上，設置一個按鍵。這樣鍵盤中按鍵的個數(shù)是44個。這種行列式鍵盤結(jié)構(gòu)能夠有效地提高單片機系統(tǒng)中I/O口的利用率。 圖1為ME300B矩陣鍵盤

29、電路圖，行線接P1.4－P1.7，列線接P1.0－P1.3。 圖1 矩陣鍵盤電路 圖2 按鍵排列 （3） A/D數(shù)模轉(zhuǎn)換電路 本系統(tǒng)選取比較熟悉的ADC0809 A/D轉(zhuǎn)換器，ADC0809是采樣分辨率為8位的、以逐次逼近原理進行?！獢?shù)轉(zhuǎn)換的器件。其內(nèi)部有一個8通道多路開關，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號，只選通8路模擬輸入信號中的一個進行A/D轉(zhuǎn)換。 1．主要特性 　　1）8路輸入通道，8位A／D轉(zhuǎn)換器，即分辨率為8位。 　　2）具有轉(zhuǎn)換起?？刂贫恕? 　　3）轉(zhuǎn)換時間為100μs 　　4）單個＋5V電源供電 　　5）模擬輸入電壓范圍0～

30、＋5V，不需零點和滿刻度校準。 　　6）工作溫度范圍為-40～＋85攝氏度 7）低功耗，約15mW。 2．內(nèi)部結(jié)構(gòu) 　　ADC0809是CMOS單片型逐次逼近式A／D轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖13．22所示，它由8路模擬開關、地址鎖存與譯碼器、比較器、8位開關樹型A/D轉(zhuǎn)換器、逐次逼近 3．外部特性（引腳功能） 　　ADC0809芯片有28條引腳，采用雙列直插式封裝，如圖13．23所示。下面說明各引腳功能。 　　IN0～IN7：8路模擬量輸入端。 　　2-1～2-8：8位數(shù)字量輸出端。 　　ADDA、ADDB、ADDC：3位地址輸入線，用于選通8路模擬輸入中的一路

31、　　ALE：地址鎖存允許信號，輸入，高電平有效。 　　START： A／D轉(zhuǎn)換啟動脈沖輸入端，輸入一個正脈沖（至少100ns寬）使其啟動（脈沖上升沿使0809復位，下降沿啟動A/D轉(zhuǎn)換）。 　　EOC： A／D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，輸出，當A／D轉(zhuǎn)換結(jié)束時，此端輸出一個高電平（轉(zhuǎn)換期間一直為低電平）。 　　OE：數(shù)據(jù)輸出允許信號，輸入，高電平有效。當A／D轉(zhuǎn)換結(jié)束時，此端輸入一個高電平，才能打開輸出三態(tài)門，輸出數(shù)字量。 　　CLK：時鐘脈沖輸入端。要求時鐘頻率不高于640KHZ。 　　REF（+）、REF（-）：基準電壓。 　　Vcc：電源，單一＋5V。 　　GND：地。

32、 ADC0809的工作過程 　　首先輸入3位地址，并使ALE=1，將地址存入地址鎖存器中。此地址經(jīng)譯碼選通8路模擬輸入之一到比較器。START上升沿將逐次逼近寄存器復位。下降沿啟動 A／D轉(zhuǎn)換，之后EOC輸出信號變低，指示轉(zhuǎn)換正在進行。直到A／D轉(zhuǎn)換完成，EOC變?yōu)楦唠娖剑甘続／D轉(zhuǎn)換結(jié)束，結(jié)果數(shù)據(jù)已存入鎖存器，這個信號可用作中斷申請。當OE輸入高電平 時，輸出三態(tài)門打開，轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線上。 圖.1ADC0809引腳 圖2 ADC0809控制信號時序圖 （4） 可控硅控制電路 熱電偶工作原理 如果兩種不同成分的均質(zhì)導體形成回路，直接測溫端叫測量端，接線

33、端子端叫參比端，當兩端存在溫差時，就會在回路 中產(chǎn)生電流，那么兩端之間就會存在Seebeck熱電勢，即塞貝克效應。熱電勢的大小只與熱電偶導體材質(zhì)以及兩端溫差有關，與熱電偶導體的長度、直徑無關。 設計任務 設計一個溫度自動控制系統(tǒng)，控制對象為玻璃窯爐，溫度可以在一定范圍內(nèi)由人工設定，并能在環(huán)境溫度降低時實現(xiàn)自動調(diào)整，以保持設定的溫度基本不變，系統(tǒng)設計具體要求： l 溫度設定范圍為650℃， l 控制器為繼電器； l 用十進制數(shù)碼管顯示實際溫度。 熱電偶的選擇 本系統(tǒng)采用的K型(鎳鉻一鎳硅)熱電偶]，其可

34、測量1300℃以內(nèi)的溫度，其線性度較好，熱電動勢較大，靈敏度高，穩(wěn)定性和均勻性較好，抗氧化性能強，價格便宜，是目前用量最大的廉金屬熱電偶。 熱電偶是一種感溫元件，它把溫度信號轉(zhuǎn)換成熱電動勢信號，通過電氣儀表轉(zhuǎn)換成被測介質(zhì)的溫度。熱電偶測溫的基本原理是兩種不同成份的均質(zhì)導體組成閉合回路(不受大小和開頭的限制)，當兩端存在溫度梯度時，回路中就會有電流通過，此時兩端之間就產(chǎn)生熱電動勢，這就是所謂的塞貝克效應。熱電偶的工作原理植口下圖4.1所示。兩種不同成份的均質(zhì)導體A和B為熱電極，溫度較高的一端T叫工作端(也稱測量端)，溫度較低的一端T。為自由端(也稱補償端)，自由端通常處于某個恒定的溫度下。

35、 溫度檢測電路 溫度檢測電路采用“傳感器－濾波器－放大器－冷端補償－線性化處理”模式，將熱電偶輸出的毫伏級電壓信號最終轉(zhuǎn)換為與溫度相對應的數(shù)字信號與CPU通信。 本溫度控制系統(tǒng)采用通斷控制，通過改變給定控制周期內(nèi)加熱器的導通和關斷時間，達到調(diào)節(jié)溫度的目的。系統(tǒng)控制電路由雙向可控硅輸出型光電耦合器MOC3061和雙向可控硅BTA12組成，MOC3061是一種新型的光電耦合器件,它可用直流低電壓、小電流來控制交流高電壓、大電流。用該器件觸發(fā)晶閘管,具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、觸發(fā)可靠等優(yōu)點。當單片機的P1．7口輸出低電平時，同向驅(qū)動器7407輸出低電平，MOC3061的輸入端有電流輸入，輸

36、出端的雙向可控硅導通，觸發(fā)外部的雙向可控硅BTA12導通，加熱器通電；當P1．7端輸出高電平時，MOC3061輸出端的雙向可控硅關斷，外部的雙向可控硅BTA12也關斷，加熱器斷電。 圖4 溫度控制電路 8031對溫度的控制是通過可控硅調(diào)控器實現(xiàn)的。 雙向可控硅管和加熱絲串聯(lián)接在交流220V，50Hz交流試點回路。在給定的周期T內(nèi)，8031只要改變可控硅管的接通時間便可改變加熱絲功率，以達到調(diào)節(jié)溫度的目的。圖3.4示出了可控硅管在給定周期T內(nèi)具有不同接通時間的情況。 可控硅接通時間可以通過可控硅控制板上控制脈沖控制。該觸發(fā)脈沖由8031用軟件

37、在P1.7引腳上產(chǎn)生，受過零同步脈沖后經(jīng)光偶管和驅(qū)動器輸送到可控硅的控制極上。通常，電阻爐爐溫控制采用偏差控制法。偏差控制的原理是先求出史冊爐溫對所需爐溫的偏差值，然后對偏差值處理而獲得控制信號去調(diào)節(jié)電阻爐的假熱功率，以實現(xiàn)對 電阻爐的爐溫控制。 （5） PID控制 圖3.1 PID控制回路 PID控制算法中使用增量式PID控制算法，通過對鋼化玻璃窯爐的溫度進行PID計算，得到的結(jié)果輸出給只想結(jié)構(gòu)，進而對窯爐的溫度控制。 3.2模糊自適應PID控制 由于鋼化爐具有時變、非線性、大時滯等特點，考

38、慮采用模糊控制與PID控制相結(jié)合的方法對鋼化爐溫度進行控制。 模糊控制有較強的適應對象參數(shù)變化的能力，與傳統(tǒng)控制方法相比，模糊控制的主要優(yōu)點在于在設計系統(tǒng)時不需要建立被控對象的精確數(shù)學模型，而只需要已有的相關知識和經(jīng)驗即可。因此，模糊控制特別適用于數(shù)學模型未知或不易于建立精確數(shù)學模型的復雜、非線性的控制。 模糊控制系統(tǒng)通常由模糊控制器、輸入/輸出、執(zhí)行機構(gòu)、被控對象和測量裝置等五部分組成。如圖3.1所示。 (1)被控對象(鋼化爐) 被控對象可以是線性的或非線性的、確定的或模糊的，有滯后或無滯后的，定常的或時變等多種情況。對于那些難以建立精確數(shù)學模型的復雜對象，更適宜采用模糊控制。

39、 (2)執(zhí)行機構(gòu) 有電氣的，如各類交、直流電動機，伺服電動機，步進電動機等，還有氣動的和液壓的，如各類氣動調(diào)節(jié)閥和液壓馬達、液壓閥等。又如在本論文中的各溫度段步進電機、風柵噴嘴等。 (3)模糊控制器 控制器是各類自動控制系統(tǒng)中的核心部分，在模糊控制理論中，采用基于模糊知識表示和規(guī)則推理的語言型“模糊控制器”，這是模糊控制系統(tǒng)區(qū)別于其它自動控制系統(tǒng)的特點所在。 (4)輸入/輸出(1/0)接口 在實際系統(tǒng)中，由于多數(shù)被控對象的控制量及其可觀測狀態(tài)量是模擬量，因此，模糊控制系統(tǒng)必須具有模/數(shù)(A/D)、數(shù)/模(D/A)轉(zhuǎn)換單元，同時在模糊控制系統(tǒng)中，還應該有適用于模糊邏輯處理的“模糊化”

40、與“解模糊化”(或稱“非模糊化”)環(huán)節(jié)，這部分通常也被看作是模糊控制器的輸入/輸出接口。 (5)測量裝置它是將被控對象或各種過程的控制量轉(zhuǎn)換為電信號(模擬的或數(shù)字的)的一類裝置。通常由各類數(shù)字的或模擬的測量儀器、檢測元件或傳感器等組成。它在模糊控制系統(tǒng)中占有十分重要的地位，其精度往往直接影響整個系統(tǒng)的性能指標，因此要求其精度高、可靠且穩(wěn)定性好。 基于以上模糊控制系統(tǒng)的構(gòu)成，結(jié)合傳統(tǒng)的PID控制，從鋼化爐時變、非線性、大時滯的特點出發(fā)，設計了自適應模糊PID控制器用于鋼化爐溫等控制。 程序流程圖： 圖3.2 模糊自適應PID算法程序流程圖 通過改變鋼化爐被控模型的參數(shù)，比較了PI

41、D控制、模糊自適應PID控制、神經(jīng)元PID控制和模糊免疫PID控制方法，系統(tǒng)階躍響應結(jié)果表明: (1)智能控制方法在被控對象發(fā)生變化時具有較好的適應能力，具有較強的魯棒性，當系統(tǒng)發(fā)生變化時均能夠穩(wěn)定工作。 (2)模糊自適應PID控制的系統(tǒng)響應較慢，這和最初確定的模糊規(guī)則有關，當調(diào)整模糊規(guī)則后，系統(tǒng)性能應該有所提高，但是，模糊控制器是二輸入三輸出系統(tǒng)，規(guī)則過多，模糊推理時間較長，不適宜鋼化爐的實時控制。 參考文獻 [1] 陳明熒.8051 單片機課程設計實訓教材 北京:清華大學出版社 2004 [2] 胡漢才.單片機原理及其接口技術 北京:清華大學出版社 1995

42、[3] 徐淑華 程退安 姚萬生 .單片機微型機原理及應用 哈爾濱工業(yè)大學出版社 1994 [4] At89S52 [J]姜曉霞 等 基于 單片機的智能客房控制系統(tǒng)微計算機信息 2005 21 :10-2. [5] 胡漢才.單片機原理及其接口技術[M].北京:清華大學出版社,2003. [6] 陶永華.新型 PID 控制及其應用[M].北京:機械工業(yè)出版社,2002. [7] 張開生,郭國法.MCS-51 單片機溫度控制系統(tǒng)的設計[J]微計算機信息,2005(7):61-69. [8] 劉大偉,李緒友.基于 DSP 的多路溫度控制系統(tǒng)的設計[J]儀表技術與傳感器,2004(8):51-54. 附錄 附錄1 PLC控制過程具體連線圖 附錄2 各器件的具體選擇型號一覽表 單片機：AT89S51 PLC：西門子的S7一300控制器 A/D轉(zhuǎn)換器：ADC0809 A/D轉(zhuǎn)換器 鍵盤：4*4矩陣鍵盤 顯示電路：LED共陽極數(shù)碼顯示管