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2. 整体设计
2.1 系统结构
自动控制系统可以划分为开环控制系统和闭环控制系统。一个控制系统包括控制器、传感器、变送器、执行机构、输入输出端口等。加热炉的单回路控制系统主要是以出口温度为控制变量。由于加热炉出口温度控制精度要求非常严格，允许误差范围很小，并要求控制性能也越来越高，同时在控制过程中还可能有干扰因素的介入，为了保证控制系统的性能提高，提高资源利用率，有时对于扰动因素必须加以必要的措施。
根据控制要求和期望实现的控制效果，控制方案设计的加热炉温控制系统结构方框图如图1所示。控制系统一般由调节对象(加热炉)、检测元件(测温仪表)、变送器、控制器和执行器等5个部分组成。设计单回路负反馈温度控制器系统，构成闭环回路系统，初步实现控制效果。其中，控制器是本文设计的核心。同时，为了优化控制系统，提高控制系统的性能，设计加入串级控制系统。系统负反馈电路图如图2所示。
根据控制对象为加热炉温度的特点，其温度传感器不能采用常用的测温元件。经过查阅文献和借阅资料本文将采用Pt100热电阻做为温度传感器，Pt100是铂热电阻，它的阻值跟温度的变化成正比。PT100的阻值与温度变化关系为：当PT100温度为0℃时它的阻值为100欧姆，在100℃时它的阻值约为138.5欧姆。它的工业原理：当PT100在0摄氏度的时候他的阻值为100欧姆，它的阻值会随着温度上升而成匀速增长的，它的测量值范围在0℃~1600℃，最适合作为加热炉，电阻炉等各种工业炉的温度传感器。Pt100温度传感器是一种将温度变量转换为可传送的标准化输出信号的仪表，由传感器和信号转换器组成。温度测量变送器采用HAKK-WB系列变送器，调节器接受控制器的控制信号，运用执行元件控制加热炉燃料进出量（燃料传送装置或者调节阀）。其中可以添加显示器（可选接次要器件，用虚线表示）；温度传感器传递信号由A/D转换器接收，其中转换芯片采用ADC0809，其转换精度是1/256。为了提高对控制系统的精度采用高位的A/D转换器，其控制精度均能够满足控制的需要。然而根据实际需要温度控制情况，也可以采用零点漂移和冷端补偿的温度变松桥路，缩小测温的范围，从而达到理论的控制精度达到0.1度。在信号的传递的过程中，采用性能优良的斩波稳零运算放大器ICL7650，调零放大器在斩波振荡器和时钟电路的控制下轮流为本身的主放大器调零。
图1系统结构方框图
温度测量转换部分是整个系统的数据来源，直接影响系统的可靠性。传统的温度测量方法是：温度传感器例如AD580，将测量的温度转换成模拟电信号在经过A/D转换器把模拟信号转换成数字信号，在对采集的数字信号进行分析处理，实现复杂，滤波困难，系统的稳定性不好，采用特殊的Pt100热电阻来进行信号的测量和传递。为了提高系统的稳态性能，提高控制精度，设计PID控制器，来调节控制系统，减小干扰因素的影响。
另外根据控制要求加热炉的温度控制系统负反馈图如图2所示。θ为物料出口温度，Qg加热炉温度控制调整信号。箭头方向为信号流动方向，温度信号由检测元件进入控制系统，经过一系列器件和运算后，由执行器改变燃料流量或者通气量，提高空燃比，提高燃烧效率，进而实现温度控制。加热炉温度控制器系统整体控制流程图。其中，调节器采用数字PID控制器，Qg控制信号，θ为物料出口温度，加热炉作为控制对象。
给定值
图2 系统负反馈电路图
本文设计的基于51单片机的加热炉温度控制系统的硬件电路图由图3所示。该系统以单片机为处理核心，可以外扩显示电路和键盘电路，实现温度的输入和显示功能。加热炉的实际温度由PT100热电阻测量转换成电压信号，通过温度变送器实现信号的分析和传递，经过运算放大器ICL7650放大到5V左右，在经过滤波器滤波以后，由A/D转换器转换成数字信号。该信号可以有显示电路显示出来，也可以将测量值与被控温度值进行对比，根据你偏差值的大小，选择合适的PID控制器，来实现温度控制系统性能的优化。
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