电烤箱温度控制新版系统.docx

电烤箱炉温控制系统设计作 者 姓 名：作 者 学 号：指 导 教 师：学 院 名 称： 专 业 名 称：摘 要 PID控制用途广泛、使用灵活，已经有系列化产品，使用中只需设定三个参数（Kp， Ti和Td）即可。在很多情况下，并不一定需要全部三个单元，能够取其中一到两个单元，但百分比控制单元是必不可少。在工厂，总是能看到很多回路全部处于手动状态，原因是极难让过程在“自动”模式下平稳工作。因为这些不足，采取PID工业控制系统总是受产品质量、安全、产量和能源浪费等问题困扰。PID参数自整定就是为了处理PID参数整定这个问题而产生。现在，自动整定或本身整定PID控制器已是商业单回路控制器和分散控制系统一个标准单回路温度控制系统关键由计算机，采样板卡，控制箱，加热炉体组成。是由计算机完成温度采样，控制算法，输出控制，监控画面等关键功效。控制箱装有温度显示和变送仪表，控制实施机构，控制量显示，手控电路等。加热炉体由烤箱改装，较为美观适合试验室应用。计算机控制系统通常由控制计算机、A/D和D/A接口、实施机构、被控对象、检测元件和变送器组成。本试验控制系统关键由计算机、电烤箱、智能控制仪表、固态继电器、通讯模块、电压数显表等组成，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。本设计经过调整PID参数来实现炉温系统控制。关键词：单回路温度控制系统，PID控制，加热炉体，智能控制仪表，温度变送器，热电阻，可控硅 目 录摘 要I第1章 课程设计目标和任务11.1 课程设计目标11.2 课程设计任务和要求1第2章 炉温控制系统组成22.1 设计所需设备及参考资料22.1.1 设备22.1.2 参考资料22.2 炉温控制系统硬件组成22.2.1 试验设备22.2.2 设备通讯42.2.3 智能控制仪表CD901介绍52.3 试验装置连线步骤72.4 炉温控制系统硬件工作原理72.4.1 前向通道工作过程72.4.2 反馈通道工作过程8第3章 人机界面制作93.1 软件设计目标93.2 人机界面制作93.2.1 建立新工程93.2.2 画面制作123.3 画面制作123.4 建立数据词典133.5 建立动画连接143.6 调试运行16第4章 PID控制作用及参数整定174.1 PID作用174.2 PID控制器参数整定174.3 通常PID控制算法174.4 工程整定方法介绍194.4.1 建立新工程194.4.2 临界百分比带入法204.4.3 经验法214.4.4 电烤箱传输函数开环响应切线法参数整定22第5章 试验测试和整定24感想和总结27参考文件28第1章 课程设计目标和任务1.1 课程设计目标本课程是隶属于实践性教学步骤。经过过程控制系统课程设计这一教学实践步骤，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，能够灵活利用相关基础知识和基础理论模拟设计一个过程控制系统，以期培养学生处理实际问题能力。1.2 课程设计任务和要求在基础掌握过程控制常规控制方案工作原理及参数整定步骤基础上，针对一个电烤箱设计炉温控制系统。具体要求：(1) 电烤箱控制系统工作方案设计、设备选型及其连线；(2) 炉温控制系统对象-传输函数确定；(3) 单回路PID炉温控制实现；(4) 利用组态王软件编制上位机监控软件；(5) 撰写规范化说明书一份。第2章 炉温控制系统组成2.1 设计所需设备及参考资料2.1.1 设备电烤箱：1个；控制装置：1套；组态王软件：1套；温度测量元件：1个；双向可控硅调压元件：1个。2.1.2 参考资料l 过程控制系统l 组态王培训教程l 相关设备元件说明书2.2 炉温控制系统硬件组成2.2.1 试验设备试验控制系统关键由计算机、电烤箱、智能控制仪表、固态继电器、通讯模块、电压数显表等组成，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。监控计算机经过串行通讯和温度控制器（单回路控制器）连接，实现数据采集、操作和统计功效。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内温度，检测输入热电阻信号连接至温度控制器反馈端。其原理结构图2.1所表示。双温室试验对象将烤箱用隔板隔成两部分，控制装置一样设置配置完全相同两套，安装于统一控制箱上。控制箱面板部署图图2.2所表示。图2.1 温度试验系统功效结构图图2.2 控制箱面板（单套控制系统）本试验检测元件为热电阻pt100。热电阻最大特点是工作在中低温区，性能稳定，测量精度高。本系统中电炉温度被控制在0300度之间，为了留有余地，我们要将温度范围选在0400度，它为中低温区，所以本系统选择是热电阻pt100作为温度检测元件。交流固态继电器是一个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,中间采取光电隔离,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,可实现相当于常见机械式电磁继电器一样功效。固态继电器图2.3所表示，电压数显表图2.4所表示。 图2.3 固态继电器 2.4 电控数显表2.2.2 设备通讯试验装置采取RS-232/RS-485转换器来实现计算机和仪表和控制器通讯。RS-232/RS-485转换器图2.5所表示。RS-232/RS-485转换器，它按RS-232要求协议工作。RS-232是要求连接电缆机械、电气特征、信号功效及传送过程。现在在IBM PC机上COM1、COM2接口，就是RS-232C接口。当通信距离较近时，可不需要Modem，通信双方能够直接连接，这种情况下，只需使用少数几根信号线。最简单情况，在通信中根本不需要RS-232C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。B两端为CD901通讯端，为标 准RS485接口。标准DB9 RS232接口信号定义以下：l TxD：发送数据(Transmitted data-TxD)。经过TxD终端将串行数据发送到MODEM。l RxD：接收数据(Received data-RxD)。经过RxD线终端接收从MODEM发来串行数据。l SG：信号地信号线，无方向。l RS-485能够采取二线和四线方法，二线制可实现真正多点双向通信。RS-485使用一对双绞线，将其中一线定义为A，另一线定义为B，图2.6所表示。 图2.5 通讯转换器 图2.6 二线制RS-485智能控制仪表前部外观以下图2-8所表示。2.2.3 智能控制仪表CD901介绍（1）智能控制仪表CD901规格型号说明：l PV：输入值（如：读入烤箱温度值）l SV：设定值 （如：手动给定或程序给定值）l AT： 自整定（绿）l OUT1：第一控制输出（加热侧）l OUT2：第二控制输出（冷却侧）l ALM1：第一报警端 l ALM2：第二报警端l SET：设置多种命令l R/S：位移及运行/停止 图2.7 CD901面板l ：下移减小数字l ：上移减大数字 CD901后面接线柱以下图2.8所表示。图2.8 CD901背部接线图（2）CD901技术数听说明：l 热电阻： Pt 100:电压： 05v 电流： 020mA,l 通讯 ： RS-232/RS-485转换器l 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）l 设定数据：测定值（PV）：来自被控对象目前值设定值（SV）：和输入范围一样加热侧百分比带（P）： 1 全距 0.1 全距冷却侧百分比带（Pc）：为P 11000%积分时间（I）： 13600秒微分时间（D） 13600秒加热侧百分比周期（T）：1100秒冷却侧百分比周期（t）： 1100秒限制积分动作生效范围（ARW）：加热侧百分比带（P） 1100%（3）CD901工作原理CD901系列仪表可配置数字通讯接口，其接口为RS485，仪表和上位机通讯为被动方法，采取上位向仪表发出读写命令，仪表才会动作，通讯采取ASCII码形式。CD901含有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）等功效，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)全量。2.3 试验装置连线步骤根据试验装置面板上连线原理图将系统运行时线路连接上，连线原理图以下图2.9。图2.9 面板上连线原理图l 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、；l OUT1连线：非硬手动时分别连接至调压模块接线柱、；l OUT2连线：当使用风扇制冷时使用。l TC连线：当使用检测元件作为反馈值时使用。2.4 炉温控制系统硬件工作原理主机电源箱、多功效检测试验装置、光电转速传感器-光电断续器(已装在转动源上)、转动源。2.4.1 前向通道工作过程前向通道有两中工作方法，自动和手动，即可控硅模块输入能够由计算机经过数据采集卡D/A通道自动给定，也能够在控制面板上手动调整，两种方法只能选择一个。可控硅输入Uk为15伏电压，01伏为死区，死区内输出为0，15伏电压输入对应0220伏电压输出Ud，对应关系为近似线性关系，图2.10所表示。图2.10 可控硅输入输出关系可控硅输出电压Ud加在加热炉上，使炉温上升。加热炉也有两种工作方法，二加热体加热和四加热体加热，功率分别为600瓦和1200瓦，其温度范围分别为0220度和0300度，每台加热炉因保温效果和加热体实际功率不一样，其温度范围也不尽相同，本文使用第二种方法测定数学模型参数并进行设计。2.4.2 反馈通道工作过程反馈通道首先由热电阻Pt100检测炉温，温度变送器将热电阻阻值改变转换放大为两路输出信号，一路为0300度温度信号，经过数码显示管在温度控制装置上显示出来，另一路为05伏电压信号，经过数据采集卡PCI1711A/D通道送入计算机，两路信号近似线性百分比约为60。计算机经过计算处理，得到新控制量，输出给可控硅。第3章 人机界面制作3.1 软件设计目标软件系统开发要达成以下功效要求：u 采集温度变送器电压输出，其范围为05V，即实现A/D功效；u 输出控制量Uk，其范围也为05V，即实现D/A功效；u 设计方便清楚人机画面；u 能够进行开环试验，并绘制加热炉升温曲线；u 编程实现对采集到数据进行滤波；u 编程实现采取通常PID控制。3.2 人机界面制作3.2.1 建立新工程点击进入组态王工程管理器，图3.1所表示：图3.1 组态王工程管理器点击“新建”或在文件菜单中选择“新建工程”，出现以下提醒：图3.2 新建工程向导之一点击“下一步”出现以下窗口，输入将建立工程路径：图3.3 新建工程向导之二点击“下一步”，输入所建新工程名称：图3.4 新建工程向导之三点击“完成”，并选择“是”，将新建工程设为目前工程：图3.5 组态王工程管理器双击新建工程，因为未安装加密狗，所以会有以下提醒，只能在演示方法下进入开发环境，开发环境连续使用两个小时后自动关闭，必需重新开启组态王。图3.6进入开发环境提醒按摄影应提醒操作后，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，然后就能够进行下一步工作了。3.2.2 画面制作3.3 画面制作（1）制作“进入系统”画面，画面内容关键包含标题、系统简明说明、系统实物示意图和画面选择。选中工程浏览器左侧画面，在右侧窗口中双击“新建”，出现新画面属性对话框，以下图3.7所表示：图3.7 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工具箱、调色板等工具进行画面制作。做好进入系统画面图5-7所表示。（2）制作“炉温实时控制系统”，关键包含：标题、参数设定、关键参数显示、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。图3.8进入系统画面3.4 建立数据词典在工程浏览器中单击数据库、数据词典（图5-8），在右边窗体中双击“新建”，能够建立内存离散、内存整数、内存实数、内存字符串、I/O离散、I/O整数、I/O实数、I/O字符串和存放器九种类型变量，每种变量全部有各自不一样属性。变量能够事先建立，也能够在编程或建立动画过程中依据所需随时建立3。在组态王中实现A/D、D/A功效不需要单独编程，只要在工程浏览器中建立新设备，找到所用板卡理光-CD901，并知道使用通道号，便能够直接在数据词典里建立I/O变量来参数设定、数据采集和输出。图3.9 数据词典在这个工程当中需要9个变量及变量类型和其它属性以下表5.1：表3-1 定义变量变量名称变量类型连接设备数据类型寄存器PVI/O实型CD901FLOATM0SVI/O实型CD901FLOATM8AUTO_TUNINGI/Ol离散型CD901BITM15H_PI/O实型CD901FLOATM17H_II/O实型CD901FLOATM18H_DI/O实型CD901FLOATM19ON内存离散型CD901Runtime内存整型CD901DeviceID内存整型其中PV表示目前值，SV表示给定值，AUTO_TUNING表示自动切换值，H_P表示加热百分比系数，H_I表示积分时间，H_D表示微分时间，ON用来设置开始标志。Runtime表示目前时间，DeviceID用于构建数据库。3.5 建立动画连接在建立好画面上双击要建立动画连接对象，会弹出“动画连接”窗口：图3.10 动画连接窗口(1)对于文本“#”：双击或用鼠标右键选择快捷菜单中“动画连接”，弹出如上动画连接窗口，全部文本均选择“模拟值输出”按钮，在弹出“模拟值输出连接”对话框，在表示式中分别输入对应变量名，整数位、小数位对应选择数值。以下图5-10所表示。其它属性默认，单击“确定”，返回并确定。图3.11 模拟值输出连接(2)对于按钮：用一样方法进入动画连接对话框，选择“弹起时”，进入“命令语言对话框”，对于三个按钮分别输入：l 开始按钮：本站点ON=1;SQLConnect(DeviceID,dsn=mine,database=table);SQLCreateTable(DeviceID,biao,table);l 结束按钮：ON=0;SQLDisconnect(DeviceID);l 退出按钮：ON=0;exit(0);以下图3.12所表示：图3.12 按钮命令对话框(3)对于画面：在屏幕上单击鼠标右键，在出现快捷菜单中选择画面属性，在出现画面属性对话框中选择命令语言，出现画面命令对话框，将采样时间改为1000，在空白处键入：if(本站点ON=1)xyAddNewPoint(caiy,本站点Runtime,本站点PV,0);xyAddNewPoint(caiy,本站点Runtime,本站点SV,1);本站点Runtime=本站点Runtime+1;SQLInsert(DeviceID,biao,bind);3.6 调试运行先单击菜单项“文件/全部存”，再单击菜单项“文件/切换到View”；就进入运行系统，单击“画面”中“打开”，打开自己创建工程，按开始按钮系统开始绘制温度采样曲线。第4章 PID控制作用及参数整定4.1 PID作用百分比控制能快速反应误差，从而减小误差，但百分比控制不能消除稳态误差，百分比系数Kp太小不轻易达成给定，Kp过大，会引发系统不稳定；积分控制作用是，只要系统存在误差，积分控制作用就不停积累，输出控制量以消除误差，所以，只要有足够时间，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；微分控制能够减小超调量，克服振荡，使系统稳定性提升，同时加紧系统动态响应速度，减小调整时间，从而改善系统动态性能。对于炉温控制来说，因为加热炉降温完全依靠自然散热，微分控制作用并不显著。4.2 PID控制器参数整定PID控制器参数能够在被控对象模型未知情况下采取试凑法来整定，试凑法步骤为：先百分比、再加积分、最终加微分。首先只整定百分比部分，由小到大调整百分比系数直到系统输出反应较快，超调较小，稳态误差达成许可范围内，即可确定百分比系数；然后加入积分作用，积分系数应由小到大，并将已整定好百分比系数略微缩小，观察系统输出响应，直到动态特征很好，而且完全消除静差，即可确定积分系数；最终加入微分作用，微分系数仍然是由小到大，同时配合修改百分比系数和积分系数，以取得良好调整效果，确定微分系数。假如取得被控对象模型，则能够采取仿真试验来整定，能够节省时间。对于传输函数可近似为一阶惯性加滞后步骤被控对象： （4-1）采取经典PID控制器：，能够用ZN（ZieglorNichols）经验公式： （4-2）进行初步整定，然后用试凑法进行微调整定。4.3 通常PID控制算法PID控制器微分方程为： （4-3）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： （4-4）式中：积分系数；微分系数。上式是位置式PID算式，也能够写成增量式，其差分方程： （4-5）位置型PID控制算式因为要累加偏差，计算量大，不仅要占用较多存放单元，而且不便于编写程序，计算机任何故障全部可能引发u(k)大幅度改变；增量式算法不需要做累加，控制量增量确实定仅和最近几次误差采样值相关，计算误差或计算精度问题对控制量计算影响较小。这里采取增量式表示位置式PID，其差分方程为： （4-6）程序步骤图图4.1所表示：图4.1 PID调整程序步骤图4.4 工程整定方法介绍4.4.1 建立新工程衰减曲线法是在总结临界百分比带法基础上发展起来，它是利用百分比作用下产生4:1衰减振荡(=0.75)过程时调整器百分比带及过程衰减周期，据经验公式计算出调整器各个参数。衰减曲线法具体步骤是：(1) 置调整器积分时间，微分时间0，百分比带为一稍大值；将系统投入闭环运行。(2) 在系统处于稳定状态后作阶跃扰动试验，观察控制过程。假如过渡过程衰减率大于0.75，应逐步减小百分比带值，并再次试验，直到过渡过程曲线出现4:1衰减过程。统计下4:1衰减振荡过程曲线，图6-1所表示。在图6-1(a)或(b)所表示曲线上求取=0.75时振荡周期结合此过程下调整器百分比带，按表4-1计算出调整器各个参数。表4-1 衰减曲线法计算公式规律0.75P0PI0(3) 按计算结果设置好调整器各个参数，作阶跃扰动试验，观察调整过程，合适修改调整器参数，到满意为止。和临界百分比带法一样，衰减曲线法也是利用了百分比作用下调整过程。从表4-1能够发觉，对于=0.75，采取百分比积分调整规律时相对于采取百分比调整规律引入了积分作用，所以系统稳定性将下降，为了仍然能得到=0.75衰减率，就需将放大1.2倍后作为百分比积分调整器百分比带值。图4.2 衰减曲线4.4.2 临界百分比带入法临界百分比带法又称边界稳定法，其关键点是将调整器设置成纯百分比作用，将系统投入自动运行并将百分比带由大到小改变，直到系统产生等幅振荡为止。这时控制系统处于边界稳定状态，记下此状态下百分比带值，即临界百分比带和振荡周期，然后依据经验公式计算出调整器各个参数。能够看出临界百分比带法无需知道对象动态特征，直接在闭环系统中进行参数整定。临界百分比带法具体步骤是：(1)将调整器积分时间置于最大，即；置微分时间 =0；置百分比带于一个较大值。(2)将系统投入闭环运行，待系统稳定后逐步减小百分比带，直到系统进入等幅振荡状态。通常振荡连续45个振幅即可，试验统计曲线图4.3所表示。图4.3 等幅振荡曲线(3)据统计曲线得振荡周期，此状态下调整器百分比带为，然后按表6.2计算出调整器各个参数。表4-2 临界百分比带法计算公式规律P0PI0(4)将计算好参数值在调整器上设置好，作阶跃响应试验，观察系统调整过程，合适修改调整器参数，直到调整过程满意为止。4.4.3 经验法假如调整系统在运行中常常受到扰动影响，那么要得到闭环系统确切阶跃响应曲线就很困难，所以临界百分比法和衰减曲线法全部不能得到满意结果。经过长久实践，大家总结了一套参数整定经验，称之为经验法。经验法能够说是依据经验进行参数试凑方法，它首先依据经验设置一组调整器参数，然后将系统投入闭环运行，待系统稳定后作阶跃扰动试验，观察调整过程；假如过渡过程不令人满意，则修改调整器参数，再作阶跃扰动试验，观察调整过程；反复上述试验，直到调整过程满意为止。经验法整定参数具体步骤是：(1)将调整器积分时间放到最大，微分时间置于最小，据经验设置百分比带值。将系统投入闭环运行，稳定后作阶跃扰动试验，观察调整过程，若过渡过程有期望衰减率(=0.750.9)则可，不然改变百分比带值，反复上述试验。 (2)将调整器积分时间由最大调整到某一值，因为积分作用引入使系统稳定性下降，这时应将百分比带值合适增大，通常为纯百分比作用1.2倍。作阶跃扰动试验，观察调整过程，修改积分时间反复试验，直到满意为止。(3) 保持积分时间不变，改变百分比带，看调整过程有没有改善，若有改善则继续修改百分比带，如无改善则反方向修改百分比带，直到满意为止。保持百分比带不变修改积分时间，一样反复试凑直到满意为止。如此反复凑试，直到有一组适宜积分时间和百分比带。4.4.4 电烤箱传输函数开环响应切线法参数整定确定了开环响应方案后，同时完成组态软件和硬件正常结合后。将手动控制器接至固态继电器端，输出一个稳定电压X=220V（检测所得）。读取并读取开环温度响应曲线显示和上位机中，待温度最终稳定时保留数据。用绘图软件做出响应曲线以下图所表示：图4.4 开环温度响应曲线在开环稳定温度在160左右时，依据响应曲线确定一阶延时模型各参数：图4.5 局部切线法求参示意图依据局部切线图中数据读取可得： 可得： （4-7）第5章 试验测试和整定（1）首先依据临届百分比法，测出对应百分比系数，为1.7左右，经过前文介绍计算方法得到大约积分或微分时间，图。图5.1 （2）如上曲线显著不符合试验目标，经检验，为测试百分比值时出现死区，重新测试。可得以下曲线，可知微分作用过强。图5.2 （3）减小微分时间，进行微调。图5.3 （4）上图中，无显著超调量，调整时间过长，由此可知应增加百分比系数，改变积分时间，可得系统下图。图5.4 由此能够得到衰减比为4:1响应曲线，基础上符合要求。感想和总结参考文件1翁维琴等编过程控制系统及工程M北京：化学工业出版社 .6 2. 邵裕森主编. 过程控制及仪表(修订版). 上海：上海交通大学出版社. .73. 陈夕松等编. 过程控制系统M. 北京：科学出版社. .74. 陶永华、尹怡欣.新型PID控制及应用M.北京:机械工业出版社.19985. 马国华.监控组态软件及其应用M.北京:清华大学出版社.6陈振春.双向可控硅在电动机控制电路中应用J.南昌工程学院学报.2