基于STC12C5A60S2的馬弗爐溫度控制器設計

馬弗爐是高性能機電一體化的新一代智能產品，適用于煤炭、電力、化工、冶金等行業(yè)和部門進行工業(yè)分析。馬弗爐溫度控制器設計以單片機STC12C5A60S2作為控制中心，采用PID控制算法和自適應控制技術，自動調整預加熱溫度，并可以存儲記憶，確保試驗順利完成，自動化程度高。

總體設計方案
1.馬弗爐主要技術指標
測溫范圍：0～1000℃
測溫精度：±3℃
控溫精度：±10℃（在250～1000℃范圍內）
升溫時間：(室溫～920℃)≤30min
電源：AC220V±22V@50Hz±1Hz
功率：3.5kW
具有快速灰化和緩慢灰化、揮發(fā)分、羅加指數(shù)、黏結指數(shù)等四個專用加熱程序；另外，溫度控制器有一個自選程序，通過按鍵可選擇所需設定的溫度和保溫時間。

2.設計思路
馬弗爐溫度控制器設計采用PID算法來控制PWM的占空比，由PWM信號控制IGBT的通斷，使用時鐘專用芯片DS1302進行定時控制，從而實現(xiàn)在不同時段對爐溫的控制。

3.系統(tǒng)結構
馬弗爐溫度控制器由單片機STC12C5A60S2，熱電偶放大器與數(shù)字轉換器MAX6675，時鐘芯片DS1302，Ｉ級精度Ｋ形熱電偶，鍵盤及顯示系統(tǒng)組成，系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結構框圖

PID簡介
1.基本概念
①基本偏差e(t)：表示當前測量值與設定目標之間的偏差。設定目標是被減數(shù)，結果可以是正或負，正數(shù)表示還沒有達到，負數(shù)表示已經超過了設定值，這是面向比例項用的一個變動數(shù)據(jù)。

②累計偏差∑e(t)=e(t)+e(t-1) +…+e(t-n)：這是我們每一次測量得到偏差值的總和，是代數(shù)和，要考慮正負號運算的。這是面向積分項用的一個變動數(shù)據(jù)。

③基本偏差的相對量e(t)-e(t-1)：用本次的基本偏差減去上一次的基本偏差，用于考察當前控制對象的趨勢，作為快速反應的重要依據(jù)，這是面向微分項用的一個變動數(shù)據(jù)。

④三個基本參數(shù)Kp、Ki、Kd：這是做好一個控制器的關鍵常數(shù)，分別稱為比例常數(shù)、積分常數(shù)和微分常數(shù)。不同的控制對象需要選取不同的值，經過現(xiàn)場調試才能獲得較好的效果。

2.三個基本參數(shù)Kp、Ki、Kd實際控制中的作用
①比例環(huán)節(jié)：即時成比例地反應控制系統(tǒng)的偏差信號e(t)，偏差一旦產生，調節(jié)器立即產生控制作用以減小偏差。比例作用大，可以加快調節(jié)，減少誤差，但過大比例會使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降。

②積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù)Ti。Ti越大，積分作用越弱，反之則越強。

③微分環(huán)節(jié)：能反應偏差信號的變化趨勢(變化速率)，并能在偏差信號的值變得過大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減小調節(jié)時間。