内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）
⑵优点：具备计算机的运算能力和存储容量, 速度块，适用于复杂应用和大量数据处理[2]。
2、可编程控制器（PLC）： ⑴优点
①可靠性：工业级元件，抗干扰能力尤其是抗电源干扰的能力大大提升，就算电源很差或是在变频调速情怀下仍能保持正常工作。
②可扩展性：若需增加一些功能就得对相应程序进行重新编制，而PLC的程序编写相对简单，开发周期相对较短。
③可维护性：PLC自身的诊断功能较强，如果系统发生故障，则很容易就能检测出发生故障和元件，不必专业人士也能对其进行维修，对于程序引发的故障，PLC已经提供了很完善的代码调试工具，使找出故障变得相对简单。
④操作：对PLC进行操作时可以应用触摸屏的方式，人机交互界面，全屏幕显示，并且上面会设计十分详细的操作指导，即使是首次使用，也能通过提示顺利进行操作，这就降低了对操作人员的要求，一般工人也能很快掌握[2]。 ⑵缺点：价格相对较高。 3、嵌入式（单片机）系统
单片机的应用已经涉及到我们日常生活中的各个领域，几乎很难发现哪一个领域还没有用到单片机。导弹飞行中的导航系统，飞机上许多仪表仪器的控制，计算机系统中的网络通讯以及数据传输，工厂自动控制、数据处理，此外，如智能IC，各种豪华轿车上的安保系统，录像机和摄像机以及全自动家用洗衣机，儿童智能玩及电子类宠物等，这些都与单片机有关[3]。更别说自动化领域中的智能仪表、机器人、医疗器械和各种各各样的智能机械[4]。如今，普通的型号单片机的出厂价格大约在1美元左右，高端型号单片机价格也不高，大约10美元。随着现代软件技术的进展，针对单片机系统开发出了一些专用的操作系统，这些操作系统可以直接嵌入到单片机，使操作更为人性化。
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单片机控制系统的主要有以下几下特点： ⑴优点：
①可靠性：单片机的有些器件不是工业级的，抗干扰性特别是抗电源干扰能力很弱，但对于控制要求不是特别高的系统，也能很好的满足要求。
②可扩展性：因为单片机系统的硬件线路是按照特定的功能和要求而设计的，因此要扩充一个功能就得对线路进行重新设计，而且相应程序也需要重新进行设计。因此会增加一定的开发成本和延长开发周期。
③可维护性：如果单片机系统发生故障，则很难检测出发生故障的元件，最简单的方法是更换整个系统，这样维修成本增加了[2]。
⑵优点： 集成度高，系统结构简单，使用方便，实现模块化，可工作到10^6 ~10^7小时无故障，处理功能强，速度快，低电压，低功耗， 适用于简单应用, 实时响应要求高的场合且价格低廉。
综上：由于本控制系统规模比较小，对控制的要求不是特别高，再加上性价比因素，最终选择单片机控制。
本章小节
本章分析了铝液混合炉工艺特点和用户需求，提出控制系统设计要达到的目标。最后对几个经典的可选方案进行了简单的分析和比较，确定了单片机控制的开发方案。
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第二章 铝混合炉控制系统的总体设计
2.1 铝混合炉控制系统的组成
压力传感器 D/A转换 触发角控制器 电机 三相整流桥 T报警 炉内加热装置 压力变送器 微 多路开关 处 理 A/D转换器 显示 温度传感器1 温度变送器2 器 键盘 温度变送器1 温度传感器2 限位开关 图2.0 铝混合炉控制系统的构架框图
2.2 铝液温度闭环控制算法
本系统涉及温度的闭环控制，其控制算法的核心采用经典的PID算法，并在此基础上加以改进，使其更符合现场控制要求。 2.2.1 PID算法原理和特点
在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用
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PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。 2.2.2 比例（P）控制
比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-state error）。 2.2.3 积分（I）控制
在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（System with Steady-state Error）。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分（PI）控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。 2.2.4 微分（D）控制
在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后（delay）组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入 “比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分（PD）控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。
PID算法公式如下：
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2.3 铝混合炉控制系统的采样信号和控制量分析
本系统的采样信号有炉内铝液的温度、炉口铝的温度、氮气的压力、控制信号有炉内铝液的温度、传送电机的启动、LED报警灯的控制。 现列出如下变量表： 序号 采样/控制信号名称 1 T1 模拟 性质（开关、模拟） 热电偶 传感器 占用硬件资源 AD转换芯片 和DA转换芯炉内铝液温度 片 2 3 4 T2 P StartDJ 模拟 模拟 开关 热电偶 AD转换芯片 炉口铝液温度 AD转换芯片 氮气压力 I/O引脚、隔传送电机控制 离放大电路 6 Alert 开关 I/O引脚、隔LED报警控制 离放大电路 7 INT0 开关 I/O引脚、光产品计数 隔
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说明