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东北大学过程控制系统课设

炉温的单闭环控制系统设计

作者姓名：

学号：

指导教师：

学院名称：

专业名称：

东北大学

2016年12月

课程设计（论文）任务书

课程设计（论文）题目：

炉温的单闭环控制系统设计

基本容：

在基本掌握过程控制常规控制方案的工作原理及参数整定步骤的基础上，针对一个电烤箱设计炉温控制系统。

课程设计（论文）专题部分：

题目：

电烤箱单回路炉温控制

基本要求：

（1）电烤箱控制系统的工作方案设计、设备选型及其连线；

（2）炉温控制系统的对象-传递函数确定；

（3）单回路PID炉温控制的实现；

（4）利用组态王软件编制上位机监控软件；

（5）撰写规化的说明书一份。

学生接受课程设计（论文）题目日期

指导教师签字：

2016年1月

炉温的单闭环控制系统设计

摘要

炉温控制系统是工业控制中比较典型的控制系统，但是温度系统惯性大、滞后现象严重，难以建立精确的数学模型，给控制过程带来很大难题。

因此，针对每个不同的系统需要单独研究一种最佳的控制方案，以达到系统稳定、调节时间短且超调量小的性能指标。

本次课程设计是以电烤箱为控制对象，利用PID控制算法实现电烤箱的恒温控制。

通过组态王软件编写PID控制程序以及实际调节PID参数，深刻理解控制系统的构建与调试以及PID各项参数的意义。

本次设计是基于组态王的软件平台进行的，借此熟悉组态软件的使用。

关键词：

电烤箱温度控制系统，组态王，PID整定，温度曲线

第一章绪论

课题的提出与意义

在工业生产过程中，控制对象各种各样，温度是生产过程和科学实验中普遍而且重要的物理参数之一。

在生产过程中，为了高效地进行生产，必须对它的主要参数，如温度、压力、流量等进行有效的控制。

温度控制在生产过程中占有相当大的比例，其关键在于测温和控温两方面。

温度测量是温度控制的基础，技术已经比较成熟。

由于控制对象越来越复杂，在温度控制方面，还存在着许多问题。

如何更好地提高控制性能，满足不同系统的控制要求，是目前科学研究领域的一个重要课题。

温度控制一般指对某一特定空间的温度进行控制调节，使其达到工艺过程的要求。

本文主要研究电烤箱温度控制的方法。

炉温控制是指根据炉温对给定温度的偏差，接通或断开供给炉子的热源能量，或连续改变热源能量的大小，使炉温稳定有给定温度围，以满足热处理工艺的需要。

应用传统的模拟电路控制方法，由于电路复杂、器件太多、无法用精确的数学方法来建立模型并确定参数，往往很难达到理想的控制效果。

本设计采用PID控制。

PID控制器问世至今已有近70年历史，PID控制是比例、积分、微分控制的简称，PID控制器是工业过程控制中最常见的一种过程控制器。

由于PID控制器算法简单、效果好，因而被广泛应用于化工、冶金、机械、热工和轻工等工业过程控制系统中。

目前，PID算法一般是在顺序程序结构的微处理器上实现。

由于PID算法有一定的并行性，顺序程序结构的微处理器限制了它的速度，对于实时性要求比较高的系统来说，是不太适合的。

通过硬件描述语言VHDL在FPGA上实现的硬件电路具有强大的并行运算能力，可以解决这个问题，从而实现高速的PID控制。

本文以电烤箱为研究对象，研究一种最佳的控制方案，以达到系统稳定、调节时间短且超调量小的性能指标。

设计目的

本课程是隶属于实践性教学环节。

通过过程控制系统课程设计这一教学实践环节，使学生能在学完自动检测技术及仪表、过程控制仪表、过程控制系统等课程以后，能够灵活运用相关基本知识和基本理论模拟设计一个过程控制系统，以期培养学生解决实际问题的能力。

课程设计任务和要求

在基本掌握过程控制常规控制方案的工作原理及参数整定步骤的基础上，针对一个电烤箱设计炉温控制系统。

具体要求：

（1）电烤箱控制系统的工作方案设计、设备选型及其连线；

（2）炉温控制系统的对象-传递函数确定；

（3）单回路PID炉温控制的实现；

（4）利用组态王软件编制上位机监控软件；

（5）撰写规化的说明书一份。

第二章炉温控制系统工作原理

炉温控制系统原理图

计算机控制系统一般由控制计算机、A/D与D/A接口、执行机构、被控对象、检测元件和变送器组成。

本炉温控制系统的控制计算机采用普通奔腾PC机，A/D与D/A转换由理化智能控制仪表CD901来实现，执行功能由可控硅模块来完成，检测元件为热电阻Pt100，温度变送器为XMZ数字显示仪。

系统原理图如图2.1所示

图2.1炉温控制系统原理图

监控计算机通过串行通讯与温度控制器（单回路控制器）连接，实现数据采集、操作和记录的功能。

温度对象由烤箱改造而成，增设风扇冷却装置，加热由烤箱原加热部件实现。

由温度控制器输出一路控制信号连接至固态继电器，驱动电烤箱加热单元；另一路控制信号连接至风扇用于冷却。

设计热电阻检测烤箱温度，检测输入热电阻信号连接至温度控制器反馈端。

其原理结构如图2.2所示。

图2.2温度实验系统功能结构框图

实验操作方法与步骤

二.1.1连线

图2.3面板上的连线原理图

硬手动（手动给定）连线：

硬手动时分别连接至调压模块接线柱③、④；

OUT1连线：

非硬手动时分别连接至调压模块接线柱③、④；

OUT2连线：

当使用风扇制冷时使用。

TC连线：

当使用检测元件作为反馈值时使用。

二.1.2设置仪表

当系统给电后，各个仪表开始工作，首先进行仪表的设置工作。

（1）硬手动控制

当仪表处于正常显示时，将接线柱③、④与手动的③、④连接起来，使控制系统处于手动状态。

然后调整电位器按钮，给定一个电压值（顺时针增大，逆时针减小），打开电烤箱，使之升温，观察各个仪表的数值。

（2）软手动控制（手动控制）

控制器选择手动模式时，将接线柱③、④与控制器OUT1的③、④连接起来，使控制系统处于软手动－控制器手动状态。

然后调整控制器输出值，打开电烤箱，使之升温，观察各个仪表的数值。

（3）自动控制

控制器选择手动模式时，将接线柱③、④与控制器OUT1的③、④连接起来，使控制系统处于软手动－控制器手动状态。

然后调整好控制器给定值，打开电烤箱，将控制器选择自动模式，控制器将自动调整温度。

第三章炉温控制系统的硬件组成

炉温控制系统

实验控制系统主要由计算机、电烤箱、智能控制仪表、固态继电器、通讯模块、电压数显表等构成，其中智能控制仪表、固态继电器、通讯模块、电压数显表安装于控制箱上。

监控计算机通过串行通讯与温度控制器连接，实现数据采集、操作和记录的功能。

温度对象由烤箱改造而成，增设风扇冷却装置，加热由烤箱原加热部件实现。

由温度控制器输出一路控制信号连接至固态继电器，驱动电烤箱加热单元；另一路控制信号连接至风扇用于冷却。

设计热电阻检测烤箱温度，检测输入热电阻信号连接至温度控制器反馈端。

控制箱面板布置图如图3.1所示。

图3.1控制箱面板布置图

智能控制仪表CD901

三.1.1智能控制仪表CD901简介

RKC温控器，也叫RKC温控表，是日本理化株式会社的核心产品，广泛应用于塑胶、电炉等行业，是一种工业温度控制器，是目前中国大陆工业温控表的主流品牌，其精度高，质量可靠耐用等特点赢得广大用户的口碑。

温控器的核心控制算法为PID控制，P（Proportional）比例+I（Integral）积分+D（Differential）微分控制。

工业温度控制器所控制的工业设备温度围一般在-199℃--3000℃。

加热机构一般采用继电器或者固体继电器的形式来进行，温控器根据热电偶发回来的信号读取实际温度，然后把这个实际温度值跟设定温度值进行比较，产生温度偏差，调节的方向朝着温度偏差减少的方向进行，然后RKC温控器输出一个模拟量或者开关量驱动继电器或者可控硅等执行机构实现加热或者冷却控制。

三.1.2智能控制仪表CD901的规格型号说明

智能控制仪表CD901的面板如下图3.2所示：

图3.2智能控制仪表CD901的面板

表上面各符号简介：

PV：

输入值（如：

读入烤箱的温度值）

SV：

设定值（如：

手动给定或程序给定值）

AT：

自整定（绿）

OUT1：

第一控制输出（加热侧）

OUT2：

第二控制输出（冷却侧）

ALM1：

第一报警端

ALM2：

第二报警端

SET：

设置各种命令

位移及运行/停止

∨：

下移减小数字

∧：

上移减大数字

CD901背面接线柱如图3.3所示：

图3.3CD901背面接线图

CD901的技术数据说明：

热电阻：

Pt100或JPt100

电压：

0~5V，1~5V

电流：

0~20mA，4~20mA

通讯：

RS-232/RS-485转换器

控制类型：

4种

F：

PID动作及自动演算（逆）

D：

PID动作及自动演算（正）

W：

加热/冷却动作及自动演算（水冷）

A：

加热/冷却动作及自动演算（风冷）

设定数据：

测定值（PV）：

来自被控对象的当前值

设定值（SV）：

与输入围同样

加热侧比例带（P）：

1~99999全距0.1~全距

冷却侧比例带（Pc）：

为P的1~1000%

积分时间（I）：

1~3600秒

微分时间（D）：

1~3600秒

加热侧比例周期（T）：

1~100秒

冷却侧比例周期（t）：

1~100秒

限制积分动作生效围（ARW）：

加热侧比例带（P）的1~100%

三.1.3CD901工作原理

CD901系列仪表可配置数字通讯接口，其接口为RS485，仪表与上位机通讯为被动方式。

采用上位向仪表发出读写命令，仪表才会动作，通讯采用ASCII码的形式。

CD901具有PID控制、自动演算、自主校正、设定数据帧、加热/制冷控制、数字通讯、正动作、逆动作、温度报警（加热器断线报警、控制环断线报警）等功能，可进行热电偶、热电阻输入，采样周期：

0.5秒，过程值偏置：

-1999~9999℃或-199.9~999.9℃（温度输入）±全量程（电压/电流输入）。

热电阻pt100

本实验的检测元件为热电阻pt100。

热电阻最大的特点是工作在中低温区，性能稳定，测量精度高。

本系统中电炉的温度被控制在0～300度之间，为了留有余地，我们要将温度的围选在0～400度，它为中低温区，所以本系统选用的是热电阻pt100作为温度检测元件。

pt100是以铂作感温材料的感温元件，并由引线和保护管组成的一种温度检测器，通常还带有与外部测量、控制装置及机械装置连接的部件。

Pt100实物图如图3.4所示。

pt100工作原理：

它的阻值会随着温度的变化而改变。

PT后的100即表示它在0℃时阻值为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，它的的阻值会随着温度上升它的阻值是成匀速增涨的。

图3.4Pt100实物图

固态继电器

三.1.4固态继电器简介

交流固态继电器是一种无触点通断电子开关，为四端有源器件。

其中两个端子为输入控制端，另外两端为输出受控端，中间采用光电隔离，作为输入输出之间电气隔离（浮空）。

在输入端加上直流或脉冲信号，输出端就能从关断状态转变成导通状态（无信号时呈阻断状态），从而控制较大负载。

整个器件无可动部件及触点，可实现相当于常用的机械式电磁继电器一样的功能。

固态继电器如图3.5所示。

图3.5固态继电器

三.1.5固态继电器工作原理

固态继电器工作原理基本上是相似的。

主要由输入（控制）电路，驱动电路和输出（负载）电路三部分组成。

固态继电器的输入电路是为输入控制信号提供一个回路，使之成为固态继电器的触发信号源。

固态继电器的输入电路多为直流输入，个别的为交流输入。

直流输入电路又分为阻性输入和恒流输入。

阻性输入电路的输入控制电流随输入电压呈线性的正向变化。

恒流输入电路，在输入电压达到一定值时，电流不再随电压的升高而明显增大，这种继电器可适用于相当宽的输入电压围。

固态继电器的驱动电路可以包括隔离耦合电路、功能电路和触发电路三部分。

隔离耦合电路，目前多采用光电耦合器和高频变压器两种电路形式。

常用的光电耦合器有光－三极管、光－双向可控硅、光－二极管阵列（光－伏）等。

高频变压器耦合，是在一定的输入电压下，形成约10MHz的自激振荡，通过变压器磁芯将高频信号传递到变压器次级。

功能电路可包括检波整流、过零、加速、保护、显示等各种功能电路。

触发电路的作用是给输出器件提供触发信号。

固态继电器的输出电路是在触发信号的控制下，实现固态继电器的通断切换。

输出电路主要由输出器件（芯片）和起瞬态抑制作用的吸收回路组成，有时还包括反馈电路。

三.1.6固态继电器特点及用途

固态继电器是具有隔离功能的无触点电子开关，在开关过程中无机械接件，因此固态继电器除具有与电磁继电器一样的功能外，还具有逻辑电路兼容，耐振耐机械冲击，安装位置无限制，具有良好的防潮防霉防腐蚀性能，在防爆和防止臭氧污染方面的性能也极佳，输入功率小，灵敏度高，控制功率小，电磁兼容性好，噪声低和工作频率高等特点。

专用的固态继电器可以具有短路保护，过载保护和过热保护功能，与组合逻辑固化封装就可以实现用户需要的智能模块，直接用于控制系统中。

固态继电器已广泛应用于计算机外围接口设备、恒温系统、调温、电炉加温控制、电机控制、数控机械，遥控系统、工业自动化装置；信号灯、调光、闪烁器、照明舞台灯光控制系统；仪器仪表、医疗器械、复印机、自动洗衣机；自动消防，保安系统，以及作为电网功率因素补偿的电力电容的切换开关等等，另外在化工、煤矿等需防爆、防潮、防腐蚀场合中都有大量使用。

RS-232/RS-485转换器

实验装置采用RS-232/RS-485转换器来实现计算机与仪表和控制器的通讯。

RS-232/RS-485转换器如图3.6所示。

RS-232/RS-485转换器，它按RS-232规定的协议工作。

RS-232是规定连接电缆的机械、电气特性、信号功能及传送过程。

目前在IBMPC机上的COM1、COM2接口，就是RS-232C接口。

当通信距离较近时，可不需要Modem，通信双方可以直接连接，这种情况下，只需使用少数几根信号线。

最简单的情况，在通信中根本不需要RS-232C的控制联络信号，只需三根线（发送线、接收线、信号地线）便可实现全双工异步串行通信。

图3.6RS-232/RS-485转换器

三.1.7RS-232

RS-232接口符合美国电子工业联盟（EIA）制定的串行数据通信的接口标准，原始编号全称是EIA-RS-232（简称232，RS232）。

它被广泛用于计算机串行接口外设连接。

连接电缆和机械、电气特性、信号功能及传送过程。

RS-232接口如图3.7所示。

RS-232特点：

1、接口的信号容实际上RS-232-C的25条引线中有许多是很少使用的，在计算机与终端通讯中一般只使用3-9条引线。

2、接口的电气特性在RS-232-C中任何一条信号线的电压均为负逻辑关系。

即：

逻辑“1”，-5—-15V；逻辑“0”+5—+15V。

噪声容限为2V。

即要求接收器能识别低至+3V的信号作为逻辑“0”，高到-3V的信号作为逻辑“1”

3、接口的物理结构RS-232-C接口连接器一般使用型号为DB-25的25芯插头座,通常插头在DCE端,插座在DTE端.一些设备与PC机连接的RS-232-C接口,因为不使用对方的传送控制信号,只需三条接口线,即“发送数据”、“接收数据”和“信号地”。

所以采用DB-9的9芯插头座，传输线采用屏蔽双绞线。

图3.7RS-232接口

三.1.8RS-485

RS485采用差分信号负逻辑，-2V～-6V表示“0”，+2V～+6V表示“1”。

RS485有两线制和四线制两种接线，四线制只能实现点对点的通信方式，现很少采用，现在多采用的是两线制接线方式，这种接线方式为总线式拓扑结构在同一总线上最多可以挂接32个结点。

在RS485通信网络中一般采用的是主从通信方式，即一个主机带多个从机。

RS485总线拓扑图如图3.8所示。

图3.8RS485总线拓扑图

RS-485特点如下：

1、RS-485的电气特性：

采用差分信号负逻辑，逻辑“1”以两线间的电压差为+（2~6）V表示；逻辑“0”以两线间的电压差为-（2~6）V表示。

接口信号电平比RS-232-C降低了，就不易损坏接口电路的芯片，且该电平与TTL电平兼容，可方便与TTL电路连接。

2、RS-485的数据最高传输速率为10Mbps。

3、RS-485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干扰能力增强，即抗噪声干扰性好。

4、RS-485最大的通信距离约为1219m，最大传输速率为10Mbps，传输速率与传输距离成反比，在100KbpS的传输速率下，才可以达到最大的通信距离，如果需传输更长的距离，需要加485中继器。

RS-485总线一般最大支持32个节点，如果使用特制的485芯片，可以达到128个或者256个节点，最大的可以支持到400个节点。

电烤箱

温度对象由烤箱改造而成，增设风扇冷却装置，加热由烤箱原加热部件实现。

被控对象电烤箱实物图如图3.9所示。

图3.9电烤箱实物图

第四章人机界面制作

软件设计目标

软件系统的开发要达到以下功能要求：

1、采集温度变送器的电压输出，其围为0~5V，即实现A/D功能；

2、输出控制量Uk，其围也为0~5V，即实现D/A功能；

3、设计方便清晰的人机画面；

4、可以进行开环实验，并绘制加热炉升温曲线；

5、编程实现对采集到的数据进行滤波；

6、编程实现采用一般PID控制。

（由于我们组是采用的智能仪表，所以我们省去了部分编程过程）

人机界面制作

四.1.1建立新工程

1、点击进入组态王工程管理器

图4.1组态王工程管理器

2、点击“新建”或在文件菜单中选择“新建工程”

图4.2新建工程向导之一

3、点击“下一步”出现如下窗口，输入将建立的工程路径

图4.3新建工程向导之二

4、点击“下一步”，输入所建新工程的名称

5、点击“完成”，并选择“是”，将新建的工程设为当前工程。

双击新建的工程，由于未安装加密狗，所以会有以下提示，只能在演示方式下进入开发环境，开发环境连续使用两个小时后自动关闭，必须重新启动组态王。

按照相应的提示操作后，弹出工程浏览器窗口、画面制作开发系统和组态王信息窗口，然后就可以进行下一步的工作了。

四.1.2画面的制作

1、制作“进入系统”画面，画面容主要包括标题、系统简要说明、系统实物示意图和画面选择。

选中工程浏览器左侧的画面，在右侧窗口中双击“新建”，出现新画面属性对话框。

设置好属性后，点击“确定”，利用画面开发系统自带的工具箱、调色板等工具进行画面制作。

做好的进入系统的画面。

2、制作“实时控制系统画面”和“仿真控制系统画面”，两个画面容基本相同，主要包括：

标题、参数设定、主要参数显示、控制按钮和温度曲线等，其中绘制实时温度曲线是用“温控曲线”控件来实现的，标题上的三角形是用来做动画的，运行时不会影响上面的文字，其他都是用简单的元素画出来的。

制作完成的“实时控制系统画面”，“仿真控制系统画面”只是改变了个别参数，画面命令语言中加入了被控对象模型，整体构成几乎没有变化。

四.1.3建立数据词典

在工程浏览器中单击数据库、数据词典，在右边窗体中双击“新建”，可以建立存离散、存整数、存实数、存字符串、I/O离散、I/O整数、I/O实数、I/O字符串和存储器九种类型的变量，每种变量都有各自不同的属性。

变量可以事先建立，也可以在编程或建立动画过程中根据所需随时建立。

在组态王中实现A/D、D/A功能不需要单独编程，只要在工程浏览器中建立新设备，找到所用的板卡PCI-1711，并知道使用的通道号，便可以直接在数据词典里建立I/O变量来实现数据的采集与输出。

建立I/O变量时需要填写“连接设备”、“寄存器”和“数据类型”，这就要求首先在工程管理器的设备中建立所用的设备，并知道在硬件系统中所用的I/O通道号及与其对应的数据类型。

系统中用到两个I/O变量，一个是“控制量”，用来做DA输出，其连接设备是“PCI1711”（事先建立好的设备逻辑名称），寄存器选用“DA0”，数据类型为实型（float），读写属性为“读写”；另一个是“反馈电压1”，用来做AD输入，其连接设备也是“PCI1711”，寄存器选用“AD0”，数据类型为实型（float），读写属性为“只读”，采集频率为100毫秒。

变量“控制量”的属性窗口。

图4.4定义变量窗口

四.1.4建立动画连接

在建立好的画面上双击要建立动画连接的对象，会弹出“动画连接”窗口：

可根据需要选择要使用的动画，其中一些动画可同时在一个对象上实现，其他的只能选择一种，例如选择了水平移动，则滑动杆输入变为不可选，而特殊里的闪烁或隐含则可以继续选择。

用得最多的是文本对象的“输入”、“输出”和按钮对象的“命令语言连接”，例如要运行系统需点击“开始”按钮，可选中“弹起时”，输入命令语言。

图4.5上位机人机界面图

第五章PID控制算法

比例控制能迅速反应误差，从而减小误差，但比例控制不能消除稳态误差，比例系数Kp太小不容易达到给定，Kp过大，会引起系统的不稳定；积分控制的作用是，只要系统存在误差，积分控制作用就不断的积累，输出控制量以消除误差，因而，只要有足够的时间，积分控制将能完全消除误差，积分作用太强会使系统超调加大，甚至使系统出现振荡；微分控制可以减小超调量，克服振荡，使系统的稳定性提高，同时加快系统的动态响应速度，减小调整时间，从而改善系统的动态性能。

对于炉温控制来说，由于加热炉的降温完全依靠自然散热，微分控制的作用并不明显。

PID控制器的参数整定

PID控制器的参数可以在被控对象模型未知的情况下采用试凑法来整定，试凑法的步骤为：

先比例、再加积分、最后加微分。

首先只整定比例部分，由小到大调节比例系数直到系统输出反应较快，超调较小，稳态误差达到允许围，即可确定比例系数；然后加入积分作用，积分系数应由小到大，并将已整定好的比例系数略微缩小，观察系统输出响应，直到动态特性较好，而且完全消除静差，即可确定积分系数；最后加入微分作用，微分系数仍然是由小到大，同时配合修改比例系数和积分系数，以获得良好的调节效果，确定微分系数。

如果获得被控对象模型，则可以采用仿真试验来整定，可以节约时间。

对于传递函数可近似为一阶惯性加滞后环节的被控对象：

式（5.1）

采用典型PID控制器：

，可以用Z－N（Zieglor－Nichols）经验公式：

式（5.2）

进行初步整定，然后用试凑法进行微调整定。

一般PID控制算法

PID控制器的微分方程为：

式（5.3）

在计算机控制系统中，使用数字PID，将上式离散化，写成差分方程：

式（5.4）

式中：

——积分系数；

——微分系数。

上式是位置式PID算式，也可以写成增量式，其差分方程：

式（5.5）

位置型PID控制算式因为要累加偏差，计算量大，不仅要占用较多的存储单元，而且不便于编写程序，计算机的任何故障都可能引起u（k）的大幅度变化；增量式算法不需要做累加，控制量增量的确定仅与最近几次误差采样值有关，计算误差或计算精度问题对控制量的计算影响较小。

这里采用增量式表示的位置式PID，其差分方程为：

式（5.6）

程序流程图如图5.1所示：

图5.1一般PID算法流程图

第六章参数整定

浅谈参数整定

进行初步整定，然后用试凑法进行微调整定通过计算开始输入数值，先比例，再加积分，最后加微分。

观察图形，适当调整改变参数。

并根据PID调节口诀：

参数整定找最佳，