89C51单片机电阻炉炉温控制系统设计+源程序(3)
在设计中应该注意，采样周期不能太短，否则会使调节过程过于频繁，这样不但执行机构不能反应，而且计算机的利用率也大为降低；采样周期不能太长， 否则会使干扰无法及时消除，使调节品质下降[2]。
1.3.2 技术指标
设计一个基于闭环直接数字控制算法的电阻炉温度控制系统具体化技术指标如下：
（1）电阻炉温度控制在0~100℃；
（2）加热过程中恒温控制，误差为±2℃；
（3）LED实时显示系统温度，用键盘输入温度，精度为1℃；
（4）采用直接数字控制算法，要求误差小，平稳性好；
（5）温度超出预置温度±5℃时发出报警。
1.3.3 电阻炉温度控制系统结构
电阻炉温度控制系统是闭合的反馈系统。温控系统主要由温度传感器、温度调节仪、执行装置、被控对象四个部分组成，其系统结构图如图1所示。
图1 温控系统结构图
执行器的特性：电阻炉的温度调节通过调节剂(供电能源)的断续作用，改变电炉丝闭合时间Tb与断开时间Tk的比值α=Tb/Tk[3]。
调节加热炉的温度，在工业上是通过在设定周期范围内，将电路接通几个周波，然后断开几个周波，改变晶闸管在设定周期内通断时间的比例，来调节负载两端交流平均电压即负载功率，这就是通常所说的调功器或周波控制器；调功器是在电源电压过零时触发晶闸管导通的，所以负载上得到的是完整的正弦波，调节的只是设定周期Tc内导通的电压周波[4]。
1.4 控制算法
1.4.1 控制算法的确定
PID调节是连续系统中技术最成熟的、应用最广泛的一种控制算方法。它结构灵活，不仅可以用常规的PID调节，而且可以根据系统的要求，采用各种PID的变型，如PI、PD控制及改进的PID控制等。它具有许多特点，如不需要求出数学模型、控制效果好等，特别是在微机控制系统中，对于时间常数比较大的被控制对象来说，数字PID完全可以代替模拟PID调节器，应用更加灵活，使用性更强。所以该系统采用PID控制算法，同时也分别用达林算法、Smith算法进行了建模、仿真，与PID控制算法进行效果比较。
1.4.2 数学模型的建立
具有一阶惯性纯滞后特性的电阻炉系统，其数学模型可表示为：
在PID调节中，各校正环节的作用如下:
(1) 比例环节能迅速反应误差，从而减小误差，但比例控制不能消除稳态误
差，Kp的加大，会引起系统的不稳定。
(2) 积分环节主要用于消除静差，提高系统的误差度。只要系统存在误差，积分控制作用就不断地积累，输出控制量以消除误差，因而只要有足够的时间，积分控制将能完全消除误差，积分作用太强会使系统超调加大，甚至使系统出现振荡。
(3) 微分环节可以减小系统超调量，克服振荡，提高系统的稳定性，同时加快系统的动态响应速度，减小调整时间，从而改善系统的动态性能[5]。
因此，将P、I、D三种调节规律结合在一起，可以使系统既快速敏捷，又平稳准确，只要三者强度配合适当，便可获得满意的调节效果。
1.5 系统总体设计
系统的硬件包括微控制器部分（主机）、温度检测、温度控制、人机对话（键盘/显示/报警）4个主要部分，系统的结构框图如图2所示：
图2 系统总体结构框图
单片机温度控制系统是以89C51单片机为控制核心，辅以采样反馈电路，驱动电路，晶闸管主电路对电炉炉温进行控制的微机控制系统。其系统基本控制原理为：将温度设定值(键盘输入)和温度反馈值同时送入温度控制电路部分，然后经过调节器运算得到输出控制量，输出控制量控制驱动电路得到控制电压施加到被控对象(电阻炉)上，电阻炉因此达到设定的温度[6]。