电阻炉温度控制系统总体设计

温度是工业生产中常见的工艺参数,温度控制在工业实践和科学研究中具有极大意义,因此,温度控制是生产自动化的重要任务。采用直接数字控制(DDC)中的最小拍控制来控制一电加热炉,输入为加在电阻丝两端的电压,电加热炉的炉内温度作为输出,系统输出输入的传递函数为：G(s)=2/(s(s+1)),要实现的温控范围为100-500℃。系统采用的控制方案以及抗干扰设计使其达到了较好的控制效果。

电阻炉温度控制系统总体设计

郭焕刚 侯力 李东占

（四川大学制造科学与工程学院，成都 610065）

[摘要]：温度是工业生产中常见的工艺参数，温度控制在工业实践和科学研究中具有极大意义，因此，温度控制是生产自动化的重要任务。采用直接数字控制（DDC）中的最小拍控制来控制一电加热炉，输入为加在电阻丝两端的电压，电加热炉的炉内温度作为输出，系统输出输入的传递函数为：G(s)=2/(s(s+1))，要实现的温控范围为100-500℃。系统采用的控制方案以及抗干扰设计使其达到了较好的控制效果。

关键词：温度控制；电阻炉；直接数字控制；最小拍控制；热电偶

中图分类号：TP273 文献识别码：A

General design of the resistance furnace temperature control system

GUO Huan-gang, HOU-Li, LI Dong-zhan

(School of Manufacturing Science and Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065,

China)

[Abstract]：In the industrial production, the temperature is a common technological parameter, temperature control plays a significant role in industrial applications and scientific research, thus, temperature control is an important task for production automation. Using minimal step control of Direct digital control (DDC) , adding the voltage on both sides of the resistance wire as the inputs, furnace temperature of electric heating furnace as outputs, system-transfer function for outputs and inputs: G(s)=2/(s(s+1)), temperature control scope is 100-500℃, so electric heating furnace is controlled. At the same time, in order to reach better control, system adopts control project and resisting-disturbance design.

Key Words：temperature control; resistance furnace; Direct Digital Control; minimal step control; thermocouple

1 引言(Introduction)

温度是工业生产中常见的工艺参数，任何物理变化和化学反应过程都与温度密切相关，因此，温度控制是生产自动化的重要任务。对于不同生产情况和工艺要求下的温度控制，要求的加热方式和燃料会不同，相应的控制方案也便存在差异。成熟且有效的控制方案有直接数字控制（DDC），推断控制(Inference Control)，预测控制(Predictive Control)，模糊控制（Fuzzy Control），专家控制(Expert Control)，鲁棒控制（Robust Control）等。总之，温度成为了一个绝大部分行业都将高度涉及和关注的重要物理量。

文章设计的控制对象为一电加热炉，输入为加在电阻丝两端的电压，输出为电加热炉内的温度，输入和输出的传递函数为：G(s)=2/(s(s+1))，控温范围为100～500℃，所采用的控制方案为直接数字控制（DDC）中的最少拍控制[1]。最少拍设计，是指系统在典型输入信号（如阶跃信号、速度信号、加速度信号）作用下，经过最少拍（有限拍）使系统输出的系统稳态误差为零。因此，最少拍控制系统也称最少拍无差系统或最少拍随动系统，它实质上是时间最优控制系统，系统的性能指标就是系统调节时间最短或尽可能短，即对闭环Z传递函数要求快速性和准确性。

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作者简介：郭焕刚（1982-），男，硕士，四川大学制造科学与工程学院，主要研究方向为机电一体化。

E-mail:ghg_0427@，电话：15928067194，邮编：610065.

温度是工业生产中常见的工艺参数,温度控制在工业实践和科学研究中具有极大意义,因此,温度控制是生产自动化的重要任务。采用直接数字控制(DDC)中的最小拍控制来控制一电加热炉,输入为加在电阻丝两端的电压,电加热炉的炉内温度作为输出,系统输出输入的传递函数为：G(s)=2/(s(s+1)),要实现的温控范围为100-500℃。系统采用的控制方案以及抗干扰设计使其达到了较好的控制效果。

2 温度控制系统的组成框图(Composition block diagram of

temperature control system)

采用典型的反馈式温度控制系统，组成部分见图1。其中数字控制器的功能由微型计算机实现。

图1 反馈式温度控制系统

Fig. 1 Feedback type temperature control system

3 温度控制系统结构图及总论(Structure chart and pandect of

temperature control system)

图2 温度控制系统结构图

Fig. 2 Structure chart of temperature control system

图2中由4～20mA变送器，I/V，A/D转换器构成输入通道，用于采集炉内的温度信号。其中，变送器选用XTR101，它将热电偶信号（温度信号）变为4～20mA电流输出，再由高精密电流/电压（I/V）变换器RCV420将4～20mA电流信号变为0～5V标准电压信号，以供A/D转换之用。转换后的数字量与炉温的给定值数字化后进行比较，即可得到实际炉温和给定炉温的偏差。炉温的设定值由键盘输入。由微型计算机构成的数字控制器按最小拍进行运算，计算出所需要的控制量。数字控制器的输出经标度变换后送给8253，由8253定时计数器转变为高低电平的不同持续时间，送至SCR触发电路，触发晶闸管并改变其导通角大小，从而控制电加热炉的加热电压，起到调温的作用。

3.1 计算机CPU的选择(Choice of computer CPU)

选择Intel8086微处理器[2]构成炉温控制系统的核心，使其工作于最小方式下。并与其配备8284A--时钟发生器，8282--带三态缓冲器的通用8位地址锁存器，8286--具有三态输出的8位双极型总线收发器。其中，时钟发生器8284A为CPU提供时钟信号，经时钟同步的系统复位信号RESET和准备就绪信号READY；地址锁存器8282是针对于8086CPU地址/数据线分时复用而设计配备的，它可以在8086CPU总线周期的T1状态，利用ALE信号的下降沿将地址信息锁存于其中；总线收发器8286是为了提高8086CPU数据总线的驱动能力。

3.2 SCR触发回路和主回路(SCR trigger circuit and main circuit)

图3所示为一晶闸管触发电路。包括脉冲触发器（单稳态电路，由IC1和IC2组成），控制门，光电耦合器4N25，放大器和双向晶闸管。由全波整流电路得到的同步电压使晶体管BG1每半波导通一次。当控制端为“1”高电平的时候，BG1的每次导通都会经由单稳电

温度是工业生产中常见的工艺参数,温度控制在工业实践和科学研究中具有极大意义,因此,温度控制是生产自动化的重要任务。采用直接数字控制(DDC)中的最小拍控制来控制一电加热炉,输入为加在电阻丝两端的电压,电加热炉的炉内温度作为输出,系统输出输入的传递函数为：G(s)=2/(s(s+1)),要实现的温控范围为100-500℃。系统采用的控制方案以及抗干扰设计使其达到了较好的控制效果。

路由IC2输出一个负脉冲，该脉冲经IC3反向后由光电耦合器和放大电路发大后触发晶闸管，在这一半周内晶闸管基本上处于全导通状态。若控制端为“0”低电平的时候，则单稳态电路不输出脉冲，在这一半周内晶闸管也不导通。

图3晶闸管触发电路

Fig. 3 trigger circuit of thyristor

因此，可以改变控制端的电平，控制单稳态电路每秒输出的脉冲数，从而改变晶闸管每秒钟内导通的时间，达到调压的目的。

3.3 热电偶的选择(Choice of thermocouple)

热电偶[3]是常用的测温元件，它利用不同材料的导体一端紧密连接在一起产生的热电势效应将温度信号转换为电势信号。本设计采用K型[4][5]热电偶——镍络-镍硅(因其线性度较好、热电势较大、灵敏度较高、稳定性和复现性较好、抗氧化性强以及价格便宜)对温度进行检测，参比端温度为20℃。由以下公式可以计算出K型热电偶分别在100℃、200℃、300℃、400℃、500℃时候的输出电势：

E(100,20)=E(100,0)-E(20,0)=4.096mV-0.798mV=3.298mV

E(200,20)=E(200,0)-E(20,0)=8.138mV-0.798mV=7.34mV

E(300,20)=E(300,0)-E(20,0)=12.209mV-0.798mV=11.411mV

E(400,20)=E(400,0)-E(20,0)=16.397mV-0.798mV=15.599mV

E(500,20)=E(500,0)-E(20,0)=20.644mV-0.798mV=19.846mV

热电偶传感器输出的电压信号较为微弱(只有几毫伏到几十毫伏),因此在进行Ａ/Ｄ转换之前必须进行信号调理,由高放大倍数的电路将它放大到Ａ/Ｄ转换器通常所要求的伏特级电平。

3.4 4～20mA变送器XTR101(4~20mA transmitter XTR101)

XTR101为4～20mA线性化变送器，它可与镍络-镍硅测温传感器构成精密的T/I变换。器件中的放大器适合很宽的测温范围，在-40℃～+85℃的工作温度内，传送电流的总误差不超过1%，供电电源可以从11.6V到40V,输入失调电压小于±2.5mV，输入失调电流小于20nA。XTR101外形采用标准的14脚DIP封装。

3.5 I/V转换器RCV420(I/V converter RCV420)

RCV420是一种精密电流/电压变换器，它能将4～20mA的环路电流变为0～5V的电压输出，并且具有可靠的性能和很低的成本。除具有精密运放和电阻网络外，还集成有10V基准电源。对环路电流由很好的变换能力。具有-25℃～+85℃和0℃～70℃的工作温度范围，输入失调电压小于1mA，总的变换误差小于0.1%，电源电压范围±5～±18V。RCV420的外形采用标准的16脚DIP封装。

3.6 A/D转换器ADC0809(A/D Converter ADC0809)

ADC0809是美国国家半导体公司的CMOS型8位28条引脚A/D转换器。采用逐次逼近技术，输出的数字信号由TTL三态缓冲器顺序控制，可以直接与数据总线相连。分辨率

温度是工业生产中常见的工艺参数,温度控制在工业实践和科学研究中具有极大意义,因此,温度控制是生产自动化的重要任务。采用直接数字控制(DDC)中的最小拍控制来控制一电加热炉,输入为加在电阻丝两端的电压,电加热炉的炉内温度作为输出,系统输出输入的传递函数为：G(s)=2/(s(s+1)),要实现的温控范围为100-500℃。系统采用的控制方案以及抗干扰设计使其达到了较好的控制效果。

为8位，精度为7位，时钟频率范围在10～1280kHz之间，单一+5V电源供电，数据具有三态输出能力，易于和微处理器相连。

3.7 定时计数器8253(Timing counter 8253)

8253是Intel公司的使用单一+5V电源供电，NMOS工艺制成的24条引脚的双列直插式芯片。具有3个独立的计数器，每一个都可以单独作为定时器或者计数器使用，且都可以按照二进制或者十进制计数，每个计数器计数速率高达2MHz，最高的技术速率可达

2.6MHz。所有的输入输出引脚都与TTL电平兼容。

3.8 LED数码管驱动芯片ICM7218A(LED Driver IC ICM7218A)

ICM7218是一种多功能LED数码管驱动芯片，主要由控制器，8*8静态RAM，BCS译码，B码和显示字段译码器，扫描振荡控制电路和显示驱动器等组成。

ICM7218的外引线有写入控制线2条：WR和MODE；数据线8条：ID0~ID7；LED显示驱动线16条；电源线2条。WR为写选通信号，低电平有效。MODE为写入控制字的写入显示数据控制线，当MODE=1时，写控制字；当MODE=0时，写数据。

3.9 可编程并行I/O接口芯片82C55A(Programmable and parallel I/O interface chip

82C55A)

82C55A是Intel公司的并行I/O接口芯片，40条引脚，双列直插式封装。D0~D7位三态，双向数据线，可与CPU总线直接相连。内部由3个端口A，B，C。三个端口都具有8位数据输出锁存器，只有A端口具有输入所锁存器。

3.10 硬件地址分配表(Distribution list of hardware address)

表1 硬件地址分配表

Tab. 1 Distribution list of hardware address

4 温度控制系统软件设计(Software design of temperature control

system)

4.1.1 温度控制系统软件结构图(Software structure chart of temperature control system)

温度是工业生产中常见的工艺参数,温度控制在工业实践和科学研究中具有极大意义,因此,温度控制是生产自动化的重要任务。采用直接数字控制(DDC)中的最小拍控制来控制一电加热炉,输入为加在电阻丝两端的电压,电加热炉的炉内温度作为输出,系统输出输入的传递函数为：G(s)=2/(s(s+1)),要实现的温控范围为100-500℃。系统采用的控制方案以及抗干扰设计使其达到了较好的控制效果。

图4 单回路闭环温度控制系统

Fig. 4 Single circuit and closed loop temperature control system

图4所示的是单回路闭环温度控制系统，虚线框内的某些功能由计算机来完成。

4.1.2 总体流程图(General flow chart)

控制系统的总体流程图如图5所示。

图5 程序总体流程图

Fig. 5 General flow chart of program

温度是工业生产中常见的工艺参数,温度控制在工业实践和科学研究中具有极大意义,因此,温度控制是生产自动化的重要任务。采用直接数字控制(DDC)中的最小拍控制来控制一电加热炉,输入为加在电阻丝两端的电压,电加热炉的炉内温度作为输出,系统输出输入的传递函数为：G(s)=2/(s(s+1)),要实现的温控范围为100-500℃。系统采用的控制方案以及抗干扰设计使其达到了较好的控制效果。

4.2 模块程序流程图(Flow chart of module program)

4.2.1 数字滤波模块(Digital filter module)

采用程序判断滤波的限速滤波模块。

图6 限速滤波程序模块

Fig. 6 Speed limit and filtering program module

图6中C1，C2，C3分别为第一次采样值，第二次采样值和第三次采样值。

4.2.2 工程量变换程序模块(Quantities conversion program module)

变送器XTR101输出4～20mADC，温度起点为100℃，满量程为500℃。8位A/D转换器ADC0809输出数字量00H~FFH（0～5V），应用以下变换公式[7]进行变换： [6]

Ar=Ao+(AA-Ao)(Nr-No)/(NA-No)

式中：Ao—一次测量仪表的下限；

AA—一次测量仪表的上限；

Ar—实际测量值；

No—仪表下限对应的数字量；

NA—仪表上限对应的数字量；

Nr—测量值对应的数字量。

温度是工业生产中常见的工艺参数,温度控制在工业实践和科学研究中具有极大意义,因此,温度控制是生产自动化的重要任务。采用直接数字控制(DDC)中的最小拍控制来控制一电加热炉,输入为加在电阻丝两端的电压,电加热炉的炉内温度作为输出,系统输出输入的传递函数为：G(s)=2/(s(s+1)),要实现的温控范围为100-500℃。系统采用的控制方案以及抗干扰设计使其达到了较好的控制效果。

工程量变换的流程图如下：

图7 工程量变换程序流程图

Fig. 7 Flow chart of quantities conversion program

4.2.3 温度非线性转换程序模块(Temperature´s non-line conversion program module)

由于采集到的温度数据是非线性的，为方便处理，应该对其进行线性拟合[8]。本文采用折线拟合法进行线性化处理。如图8所示，有如下几段：

当3.298mV≤WN<7.34mV时，T℃=24.47*WN+18.41

当7.34mV≤WN<11.411mV时，T℃=24.56*WN+19.70

当11.411mV≤WN<15.599mV时，T℃=23.88*WN+27.53

当15.599mV≤WN<19.846mV时，T℃=23.55*WN+32.71

当19.846mV≤WN时，T℃=500℃

图8 热点偶与温度关系拟合

Fig. 8 Fit for relation curve of temperature and thermocouple

温度是工业生产中常见的工艺参数,温度控制在工业实践和科学研究中具有极大意义,因此,温度控制是生产自动化的重要任务。采用直接数字控制(DDC)中的最小拍控制来控制一电加热炉,输入为加在电阻丝两端的电压,电加热炉的炉内温度作为输出,系统输出输入的传递函数为：G(s)=2/(s(s+1)),要实现的温控范围为100-500℃。系统采用的控制方案以及抗干扰设计使其达到了较好的控制效果。

流程图如下所示：

图9 温度线性拟合流程图

Fig. 9 Flow chart of temperature´s linear fitting

5 系统抗干扰设计(Anti-interference design of system)

为防止干扰因素对系统造成影响，系统中进行了如下设计：

（1）用光电耦合器把各种模拟负载与数字信息源隔离开来，也就是把模拟地和数字地断开，杜绝强电脉冲通过Ｉ/Ｏ口串入工控机。

（2）以阻容滤波网络来除去常态高频干扰，同时在程序里加入数字滤波程序。

（3）Ａ/Ｄ数据采集采取10次算术平均，有效地防止了误读数。

（4）为提高精度对热电偶进行冷端温度补偿，对变送器进行了零点偏移。

（5）程序模块功能划分明确，硬件部件相对独立工作，系统工作时各部分之间的相互干扰降到了最低程度。

6 结论(Conclusion)

在连续控制系统中，PID以及其他控制器一般来讲可以取得满意的响应性能，但是PID控制作用的调整只限于调整比例增益、积分增益和微分增益。实际上，数字控制系统中，控制算法并不限于PID算法。文章对温度控制系统的设计是基于直接设计方法中的最小拍控制，它本质上是一种快速数字控制系统。注意的是，务必要依据实际情况裁定其采样周期，不可盲目取小，这依旧是控制领域的难点。

温度是工业生产中常见的工艺参数,温度控制在工业实践和科学研究中具有极大意义,因此,温度控制是生产自动化的重要任务。采用直接数字控制(DDC)中的最小拍控制来控制一电加热炉,输入为加在电阻丝两端的电压,电加热炉的炉内温度作为输出,系统输出输入的传递函数为：G(s)=2/(s(s+1)),要实现的温控范围为100-500℃。系统采用的控制方案以及抗干扰设计使其达到了较好的控制效果。

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温度是工业生产中常见的工艺参数,温度控制在工业实践和科学研究中具有极大意义,因此,温度控制是生产自动化的重要任务。采用直接数字控制(DDC)中的最小拍控制来控制一电加热炉,输入为加在电阻丝两端的电压,电加热炉的炉内温度作为输出,系统输出输入的传递函数为：G(s)=2/(s(s+1)),要实现的温控范围为100-500℃。系统采用的控制方案以及抗干扰设计使其达到了较好的控制效果。

附录：温度控制系统硬件原理图(Appendix:Schematic diagram of temperature

control system hardware)

作者简介：

郭焕刚（1982-），男，硕士，四川大学制造科学与工程学院，主要研究方向为机电一

体化。E-mail:ghg_0427@，电话：15928067194，邮编：610065。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/12j4.html