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双热电偶外热式坩埚盐浴炉温度自动控制系统研究

作　者: 张莹
导　师: 王华昌
学　校: 武汉理工大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 温度自动控制 TD处理传递函数单片机
分类号: TP273
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

本文研究的对象是双热电偶外热式坩埚盐浴炉的温度自动控制系统。温度自动控制系统的控制质量,如控制精度、响应速度、自动化级别等,对于盐浴热处理工艺的顺利进行和处理后材料的性能有着至关重要的作用。但是,盐浴热处理的温度控制系统具有大滞后性和复杂性等特点。而传统的温度控制系统,多采用的是人工控温、分档调节等方法,能量消耗大并且控制质量低,不适于滞后、复杂、时变温度系统的控制,给热处理工艺的进行过程带来不便,甚至有时不能满足某些材料的加工要求。本文针对以上问题进行研究,寻找一种好的解决方法。本文的研究目标是设计一种针对外热式坩埚盐浴炉的温度自动控制系统,在传统半自动温控系统的基础上,采用较先进的自动控制理论、控制技术来实现高控制质量的控温系统。同时,针对双热电偶外热式坩埚盐浴炉,计算出加工过程的热量传输量以及系统的温度-热量传递函数,为实际的盐浴处理工艺提供数学理论支持。本文的研究内容主要有：1)采用PID算法并通过扩充响应曲线法来整定控制参数；2)计算系统的热量传输量并导出了系统热量传递的函数关系式；3)设计了温度控制系统的硬件,使用单片机为核心、较先进的电子元件为辅助的硬件系统,实现温度自动控制；4)设计了温度控制系统的软件结构、系统流程图等。本文研究结论为：1)使用PID算法以及扩充响应曲线法来整定控制参数可以提高系统的响应速度、降低滞后性、减小温度波动,提高控制质量。2)系统的热量传输量可以定量求出。热量传输可以分为从电源到炉膛的热量传递,炉膛传入坩埚导致坩埚温度上升的热过程和坩埚将热量传到盐浴使得盐浴温度上升这三个过程,第一种的热量传递方式为将电能转变为热能,第二种的热量传递方式包括辐射传热和对流传热；第三种的传递方式包括辐射传热、对流传热和传导传热。3)计算了系统热量传递的函数关系式。为了方便计算和简化模型,在计算热量传递的函数时,只计算电源传入炉膛的热量传递函数,和从炉膛到坩埚盐浴这一整体的热量传递函数表达式。4)温度控制系统的硬件主要是以单片机AT89C52作为核心元件,并采用高精度的数字转换器MAX6675来简化电路,实现了温度的自动化控制。5)温度控制系统的软件流程图和软件设计可以辅助系统的硬件完成各项功能。本文研究成果对双热电偶外热式坩埚盐浴炉的温度控制技术有较为重要的意义,有一定的实际价值,可以投入生产使用。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-8
目录  8-12
第1章. 绪论  12-25
  1.1 TD盐浴渗金属的发展概况  12-13
    1.1.1 引言  12-13
  1.2 外热式坩埚盐浴炉概况  13-16
    1.2.1 盐浴炉的特点  13-14
    1.2.2 盐浴炉的分类  14-15
      1.2.2.1. 内热式盐浴炉  14
      1.2.2.2. 外热式盐浴炉  14-15
    1.2.3 TD盐浴设备  15-16
      1.2.3.1. 外热式坩埚盐浴炉的结构  15-16
      1.2.3.2. 温度控制模式  16
  1.3 自动化控制技术发展和现状  16-18
  1.4 加热炉的温度自动控制概况  18-20
  1.5 单片机和PID控制在加热炉温度控制系统中的运用  20-23
    1.5.1 单片机在温度控制系统中的运用  20-23
      1.5.1.1. 单片机控制系统的组成  20-21
      1.5.1.2. 单片机控制系统的概况  21-22
      1.5.1.3. 单片机控制系统的分类  22
      1.5.1.4. 单片机在温度控制系统中的运用  22-23
    1.5.2 PID算法在温度控制系统中的运用  23
  1.6 选题内容及课题意义  23-24
  1.7 本章小结  24-25
第2章. 温度控制系统的主要数学模型  25-53
  2.1 双热电偶外热式坩埚盐浴炉温度控制要求  25-26
    2.1.1 炉膛温度控制要求  25
    2.1.2 盐浴温度控制要求  25-26
  2.2 数字PID算法  26-35
    2.2.1 PID控制原理  26-28
    2.2.2 PID控制参数整定的方法  28-31
      2.2.2.1. 按扩充临界比例度法整定参数  28-29
      2.2.2.2. 按扩充响应曲线法整定参数  29-31
    2.2.3 温度控制系统的PID模型和参数的求取  31-35
      2.2.3.1 盐浴炉PID参数的整定  31-34
      2.2.3.2 PID控制规律和控制参数整定  34-35
  2.3 炉膛和盐浴的热量传输  35-45
    2.3.1 热量传输的概念和基本方式  35-40
      2.3.1.1. 传导传热  36-37
      2.3.1.2. 对流传热  37-38
      2.3.1.3. 辐射传热  38-40
    2.3.2 炉膛到坩埚的热量传递的计算  40-42
      2.3.2.1. 炉膛到坩埚的对流换热量  40-41
      2.3.2.2. 炉膛到坩埚的辐射换热量  41-42
    2.3.3 坩埚传入盐浴的热量传递计算  42-45
      2.3.3.1. 坩埚传入盐浴的辐射换热量  42
      2.3.3.2. 坩埚传入盐浴的对流换热量  42-44
      2.3.3.3. 坩埚传入盐浴的导热量  44-45
  2.4 温度控制系统的热量传递函数的求取  45-52
    2.4.1 传递函数概念  45-46
    2.4.2 温度控制系统的热量传递函数  46-52
      2.4.2.1. 电源到炉膛的传递函数表达式  46-47
      2.4.2.2. 炉膛到坩埚和盐浴的热量传递函数  47-52
  2.5 本章小结  52-53
第3章. 温度控制系统硬件设计  53-69
  3.1 系统概述  53-55
    3.1.1 温度控制系统的硬件结构  53-55
    3.1.2 温度控制系统的软件模块  55
  3.2 温度控制系统硬件电路设计  55-68
    3.2.1 电源电路和看门狗电路  55-56
      3.2.1.1. 电源电路  55-56
      3.2.1.2. 看门狗电路  56
    3.2.2 温度控制电路  56-59
      3.2.2.1. 单片机AT89C52  57
      3.2.2.2. 过零触发器  57-58
      3.2.2.3. 可控硅的型号和功能  58-59
    3.2.3 温度检测电路  59-60
      3.2.3.1. K型热电偶  60
      3.2.3.2. 高精度数字转换器  60
    3.2.4 时钟电路  60-61
    3.2.5 串口通讯电路  61-63
    3.2.6 键盘  63-67
      3.2.6.1. 键盘的设置  63-65
      3.2.6.2. 键盘接口电路  65-67
    3.2.7 LED显示  67-68
      3.2.7.1. 显示示意图  67-68
      3.2.7.2. 显示电路图  68
  3.3 本章小结  68-69
第4章. 温度控制系统软件设计  69-77
  4.1 引言  69
  4.2 温度控制系统软件流程图  69-71
  4.3 温度控制系统软件程序设计  71-76
    4.3.1 数字调节器设计  71-72
    4.3.2 键盘显示子程序  72-74
    4.3.3 晶闸管设计  74
    4.3.4 中断服务程序  74
    4.3.5 系统的调试  74-76
  4.4 本章小结  76-77
第5章. 结论与展望  77-79
  5.1 结论  77-78
  5.2 展望  78-79
参考文献  79-82
附录攻读硕士学位期间发表的论文  82-83
致谢  83

双热电偶外热式坩埚盐浴炉温度自动控制系统研究

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