电烤箱温度控制系统

电烤箱温度控制系统 Revised as of 23 November 2020

电烤箱的炉温控制系统设计作者姓名：

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摘要

PID控制用途广泛、使用灵活，已有系列化产品，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，可以取其中的一到两个单元，但比例控制单元是必不可少的。

在工厂，总是能看到许多回路都处于手动状态，原因是很难让过程在“自动”模式下平稳工作。由于这些不足，采用PID的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的困扰。PID参数自整定就是为了处理PID 参数整定这个问题而产生的。现在，自动整定或自身整定的PID控制器已是商业单回路控制器和分散控制系统的一个标准

单回路温度控制系统主要由计算机，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，监控画面等主要功能。控制箱装有温度显示与变送仪表，控制执行机构，控制量显示，手控电路等。加热炉体由烤箱改装，较为美观适合实验室应用。

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。本设计通过调节PID参数来实现炉温系统的控制。

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

第1章课程设计目的与任务

1.1课程设计目的

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。

1.2课程设计任务与要求

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) 撰写规范化的说明书一份。

第2章炉温控制系统的组成

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

●过程控制系统

●组态王培训教程

●相关设备元件的说明书

2.2炉温控制系统硬件组成

2.2.1实验设备

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（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。其原理结构如图所示。

双温室实验对象将烤箱用隔板隔成两部分，控制装置同样设置配置完全相同两套，安装于统一的控制箱上。控制箱面板布置图如图所示。

图温度试验系统功能结构图

图控制箱面板（单套控制系统）

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，我们要将温度的范围选在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。

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。固态继电器如图所示，电压数显表如图所示。

图固态继电器电控数显表

2.2.2设备通讯

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IBM PC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。

B两端为CD901的通讯端，为标准的RS485接口。标准的DB9 RS232接口信号定义如下：

●TxD：发送数据(Transmitted data-TxD)。通过TxD终端将串行数

据发送到MODEM。

●RxD：接收数据(Received data-RxD)。通过RxD线终端接收从

MODEM发来的串行数据。

●SG：信号地信号线，无方向。

●RS-485可以采用二线与四线方式，二线制可实现真正的多点双

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，

如图所示。

图通讯转换器图二线制RS-485

智能控制仪表的前部外观如下图2-8所示。

2.2.3智能控制仪表CD901简介

（1）智能控制仪表CD901的规格型号说明：

●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

●

●∨：下移减小数字

●∧：上移减大数字

CD901背面接线柱如下图所示。

图 CD901背部接线图

（2）CD901的技术数据说明：

●热电阻： Pt 100:

电压： 0~5v

电流： 0~20mA,

●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）：与输入范围同样

加热侧比例带（P）： 1 ~ 全距 ~ 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

限制积分动作生效范围（ARW）：加热侧比例带（P）

的 1~100%

（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：秒，过程值偏置： -1999 ~ 9999 ℃或 ~ ℃(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

按照实验装置面板上的连线原理图将系统运行时的线路连接上，连线原理图如

下图。

图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。

2.4炉温控制系统硬件工作原理

主机电源箱、多功能检测实验装置、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式，自动和手动，即可控硅模块的输入可以由计算机通过数据采集卡的D/A通道自动给定，也可以在控制面板上手动调节，两种方式只能选择一种。可控硅输入Uk为1~5伏电压，0~1伏为死区，死区内输出为0，1~5伏电压输入对应0~220伏电压输出Ud，对应关系为近似线性关系，如图所示。

图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式，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0~220度和0~300度，每台加热炉因保温效果和加热体实际功率不同，其温度范围也不尽相同，本文使用第二种方式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的检测炉温，温度变送器将热电阻的阻值变化转换放大为两路输出信号，一路为0~300度的温度信号，通过数码显示管在温度控制装置上显示出来，另一路为0~5伏的电压信号，通过数据采集卡PCI1711的A/D通道送入计算机，两路信号近似线性比例约为60。计算机经过计算处理，得到新的控制量，输出给可控硅。

第3章人机界面制作

3.1软件设计目标

软件系统的开发要达到以下功能要求：

◆采集温度变送器的电压输出，其范围为0~5V，即实现A/D功能；

◆输出控制量Uk，其范围也为0~5V，即实现D/A功能；

◆设计方便清晰的人机画面；

◆可以进行开环实验，并绘制加热炉升温曲线；

◆编程实现对采集到的数据进行滤波；

◆编程实现采用一般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，如图所示：

图组态王工程管理器

点击“新建”或在文件菜单中选择“新建工程”，出现如下提示：

图新建工程向导之一

点击“下一步”出现如下窗口，输入将建立的工程路径：

图新建工程向导之二

点击“下一步”，输入所建新工程的名称：

图新建工程向导之三

点击“完成”，并选择“是”，将新建的工程设为当前工程：

图组态王工程管理器

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。

图进入开发环境提示

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。

3.2.2画面的制作

3.3画面的制作

（1）制作“进入系统”画面，画面内容主要包括标题、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，如下图所示：

图新画面属性对话框

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如图5-7所示。

（2）制作“炉温实时控制系统”，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。

图进入系统画面

3.4建立数据词典

在工程浏览器中单击数据库、数据词典（如图5-8），在右边窗体中双击“新建”，可以建立内存离散、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[3]。

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，找到所用的板卡理光-CD901，并知道使用的通道号，便可以直接在数据词典里

建立I/O变量来参数的设定、数据的采集与输出。

图数据词典

在这个工程当中需要的9个变量及变量的类型和其他属性如下表：

表3-1 定义的变量

变量名称变量类型连接设备数据类型寄存器

PV I/O实型CD901 FLOAT M0

SV I/O实型CD901 FLOAT M8

I/Ol离散型CD901 BIT M15

AUTO_TUNIN

G

H_P I/O实型CD901 FLOAT M17

H_I I/O实型CD901 FLOAT M18

H_D I/O实型CD901 FLOAT M19

ON 内存离散型CD901

Runtime 内存整型CD901

DeviceID 内存整型

其中PV表示当前值，SV表示给定值，AUTO_TUNING表示自动切换值，H_P 表示加热比例系数，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表示当前时间，DeviceID用于构建数据库。

3.5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：

图动画连接窗口

(1)对于文本“####”：双击或用鼠标右键选择快捷菜单中的“动画连接”，弹出如上动画连接窗口，所有文本均选择“模拟值输出”按钮，在弹出的“模拟值输出连接”对话框，在表达式中分别输入对应的变量名，整数位、小数位对应选择数值。如下图5-10所示。其他属性默认，单击“确定”，返回并确定。

图模拟值输出连接

(2)对于按钮：用同样的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：

●开始按钮：\\本站点\ON=1;

SQLConnect(DeviceID,"dsn=mine,database=table");

SQLCreateTable(DeviceID,"biao","table");

●结束按钮：ON=0;

SQLDisconnect(DeviceID);

●退出按钮：ON=0;

exit(0);

如下图所示：

图按钮命令对话框

(3)对于画面：在屏幕上单击鼠标右键，在出现的快捷菜单中选择画面属性，在出现的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”中的“打开”，打开自己创建的工程，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 的作用

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。

4.2 PID 控制器参数的整定

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，稳态误差达到允许范围内，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：

1

)(+*=-s T e K s Wd f s

τ （4-1）

采用典型PID 控制器：)11()(s T s T Kp s W c D I ++*=，可以用Z －N （Zieglor －Nichols ）经验公式：

ττ

τ

*=*=*=5.022.1D I f T T T Kp 微分时间常数：积分时间常数：比例系数： （4-2）

进行初步整定，然后用试凑法进行微调整定。

4.3 一般PID 控制算法

PID 控制器的微分方程为：

])()(1)([)(?*++*=dt

t de T dt t e T t e Kp t u D I （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：

[]∑=--++*=k

j k e k e Kd j e Ki k e Kp 0)1()()()( （4-4） 式中：I T T Kp Ki *=——积分系数；

T Kp Kd D *=——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：

[][])2()1(2)()()1()()(-+-*-+*+--=?k e k e k e Kd k e Ki k e k e Kp k u （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：

（4-6）

程序流程图如图所示：