摘 要

热风炉在许多产品的生产中并不是单独使用的，而是作为热动力机械广泛的应用于各行各业中。热风炉的原理是燃烧燃料后加热空气形成热风，然后热风与产品直接接触后可实现对产品的加热、烘干、热定型、热熔染色等功能。如何安全和高效地产生热风是其最主要的目标。

在本文中阐述了根据热风炉的对象特性设计的系统方案并通过仿真软件Proteus进行仿真。控制系统的设计包括硬件设计和软件设计。在硬件设计通过对温度传感器、流量计和执行机构的比较选型后，再针对各自的特点进行每个模块的详细设计。在软件设计中包括了初始化程序设计、显示程序设计和数模转换程序等子程序的编写，还需要针对PID控制算法进行选择和整定参数。当完成系统的设计后借助仿真软件Proteus针对热风炉燃料流量—温度串级控制系统进行仿真，并对仿真结果进行分析。

关键词：单片机；串级控制；温度； PID控制算法

Abstract

Stove in the production of many products are not used alone, but is widely used as a thermal mechanical power walks of life. The principle is post-combustion fuel stove heated air to form hot air, hot air and direct contact with the product can achieve heating of the product, drying, heat-setting, hot melt dyeing and other functions. How to safely and efficiently produce hot air is its main goal.

It elaborated and simulation software Proteus simulation based on object properties stove design system solutions in this article. Design of the control system, including hardware and software design. In the hardware design by temperature sensors, flow meters, and after comparative selection of implementing agencies, further detailed design of each module for the respective characteristics. Including the initialization program design, programming design display subroutine digital to analog conversion procedures, etc., also need to be selected and tuning parameters for PID control algorithm in software design. Upon the completion of the design of the system by means of simulation software Proteus for stove fuel flow - temperature cascade control system simulation, and to analyze the simulation results.

Key Words：SCM；cascade control；temperature；PID control algorithm

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.2.1 国外研究现状 1

1.2.2 国内研究现状 2

1.3 研究的主要内容 2

第2章 控制系统的总体方案设计 4

2.1热风炉的对象特性 4

2.2 控制方式的选择 4

2.2 微型计算机的选择 4

2.3 被控变量的选择 5

2.4 执行机构的选择 5

2.5检测元件的选择 6

2.5.1 温度传感器的选择 6

2.5.2 流量计的选择 7

2.6系统的原理和结构 8

第3章 系统硬件设计 9

3.1单片机系统电路设计 9

3.1.1单片机的介绍 9

3.1.2单片机的电源电路 10

3.1.3单片机的报警电路 11

3.2温度变送环节设计 11

3.2.1温度采集电路 12

3.2.2 放大电路 12

3.2.3 A/D转换 13

3.3流量变送环节与执行机构的设计 15

3.3.1流量计 15

3.3.2智能阀门定位器 15

3.4显示环节设计 17

3.4.1 液晶 17

3.4.2 液晶与单片机 18

3.5按键电路设计 18

第4章 系统软件设计 20

4.1整体程序设计 20

4.2系统初始化设计 21

4.3按键程序设计 21

4.4 A/D转换程序设计 22

4.5控制算法 22

4.5.1 连续比例积分微分控制算法 22

4.5.2 离散比例积分微分控制算法 24

4.5.3控制规律的选择 25

4.5.4 参数整定 25

4.5.5 串级控制系统控制器参数的整定 26

第5章 控制系统的仿真 27

5.1仿真软件介绍 27

5.2软件仿真 27

5.3结果分析 29

第6章 总结与展望 30

6.1总结 30

6.2展望 30

参考文献 31

致谢 32

第1章 绪论

在本章主要的内容是阐述热风炉的主要工作流程及其研究的意义，在此基础上阐述热风炉控制系统的主要研究内容。

1.1 研究背景及意义

从20世纪70年代末开始，我国普及了将热风炉作为热动力机械，并且意识到了可利用热风作为载体可大幅提高热风炉的工作效率。

关于对热风炉的操作主要可以分为两个部分即燃烧控制部分和自动换炉部分[^[1]]。热风炉的燃烧过程又可以分为燃烧期和蓄热期。在燃烧期内，应当快速到达拱顶温度，然后采用合适的废气含氧比或空燃比，将燃料量调整到最大空气量，使得燃烧期缩短然后蓄热期延长，可以使热风炉可储蓄到更多的热量，并且减小在送风时对炉温产生的影响。蓄热期内，需要增加空气量和并且保持燃料量不变，使温度维持在设定值，但与此同时废气含量会会大大增加，蓄热量也随之增加，当废气温度到达设定值时则需要减少燃料及空气以维持稳定。在正常控制热风炉时，当热风炉中的达到给定值时则会自动发出指令使得正在燃烧的热风炉会按照燃烧、焖炉、送风的顺序的进行自动换炉。

在现代化的工业生产中，热风炉的炉温控制是一种可以频繁的遇到的过程控制系统，温度、压力、流量等都是其主要的被控变量，有些被控对象的选择可以直接影响到产品的质量，故选择合适的被控变量的控制可以使得工业生产更加的安全快捷高效。由于串级控制系统可以提高工作效率、改善动态特性、加快响应速度等特点，因此将串级控制系统应用于热风炉的温度控制中。

在本次设计中需要设计一个基于单片机控制系统。从20世纪70年代末开始，由于单片机技术有十分广泛的应用故此带动它的发展较为迅速，直至今日已经发展了近千个机种，并且在经历了三个大阶段的发展后逐渐成熟。基于以上情况，将设计一个可控的热风炉温度系统。

1.2 国内外研究现状

近年来，无论是在国内还是在国外都加大了对如何提高热风炉利用率的研究力度。而目前对于热风炉控制的主要可以分为两种：基于数学的控制和基于智能的控制。  

1.2.1 国外研究现状 

由于人工智能普及率并不高因此还存在一定的局限性，所以基于数学模型的热风炉控制技术在近几十年内在有了极大的提高。在国外热风炉燃烧控制的最主要的数学模型主要有以下2种：

(1) 日本川崎钢铁公司高炉热风炉系统[^[2]]。整个系统包括了热水准管理、热风炉自动换炉优化、废气温度管理四个部分。热水准管理是以节约燃料为手段以此来提高热风炉效率的，并且可以使送风炉可以实现零时自动换炉。热风炉的换炉过程是自动进行的，换炉时热水准需要减至零，换炉时间是与送风温度大小和送风量的多少有关，所以设定时间应该根据送风温度和送风量来计算，然后切换几个周期以进行修正[^[3]]。废气温度管理在整个系统中的作用是防止因废气温度过高烧坏格子砖支承的金属和防止表征热效率下降的，因此废气温度达到最高值时必须停止加热。