自动化控制系统课程设计

电烤箱的炉温控制系统设计

姓名：

学号：

班级：

Design of Temperature Control System of

Electric Oven

Supervisor:Professor MengHongji Northeastern University

December 2016

摘要

本次课程设计是灵活运用自动检测技术及仪表、过程控制仪表、过程控制系统等相关基本知识和基本理论模拟设计一个过程控制系统。通过对电烤箱控制系统的工作方案设计、设备选型及其连线，从而利用阶跃输入炉温控制系统的对象-传递函数确定。根据确定的对象-传递函数求得PID参数的理论值。编写组态王软件程序，设计合理的人机交互。利用组态王软件编制的上位机监控软件，将PID参数传输给控制器。在上位机输入PID参数，根据PID调节规律进行多次调试，完成单回路PID炉温控制的实现。核心工作就是找到合适的PID参数，利用试凑法加调节经验多次尝试，最终调出合适的输出曲线。经过设计一个过程控制系统，培养了解决实际问题的能力。

关键词：过程控制，PID参数，软件程序，炉温控

Abstract

The course design is a process control system which is used to simulate the basic knowledge and basic theory of automatic detection technology and instrument, process control instrument, process control system and so on. Through the electric oven control system scheme design, equipment selection and connection, the step input temperature control system of object - transfer functions are determined. The theoretical value of the PID parameter is obtained by determining the object transfer function. Preparation of Kingview software program, the rational design of human-computer interaction. The PC monitoring software Kingview software, the PID parameter is transmitted to the controller. In the PC PID input parameters, according to the PID rules for the regulation repeatedly debugging, we can control the single loop PID temperature of the stove. The most important work is to find appropriate PID parameters, using trial and error method regulation experience several attempts, finally mix the proper output curve. Through the design of a process control system, it can cultivate the ability to solve practical problems.

Key Words: process control, PID parameter, software program, temperature of the stove

东北大学课程设计目录

目录

摘要 ................................................................................................................................................... I Abstract ............................................................................................................................................. I I 目录.......................................................................................................................................... I II 第一章概述...................................................................................................................................- 1 -

1.2.1控制系统的工作原理..........................................................................................- 1 -

1.2.2控制系统的硬件选择..........................................................................................- 1 -

1.2.3炉温控制系统-对象传递函数的辨识.................................................................- 2 -

1.2.4炉温单回路控制系统的实现..............................................................................- 2 -第二章课程设计任务及要求.......................................................................................................- 3 -

2.1.1理论设计部分......................................................................................................- 3 -

2.1.2系统设计..............................................................................................................- 3 -

2.1.3安装调试部分......................................................................................................- 3 -

2.2设计要求.........................................................................................................................- 3 -第三章系统硬件设计...................................................................................................................- 5 -

3.1设计电路连接.................................................................................................................- 5 -

3.2设计需要的设备.............................................................................................................- 5 -

3.2.1可控硅..................................................................................................................- 5 -

3.2.2固态继电器：......................................................................................................- 6 -

3.2.3 CD901智能仪表 ..................................................................................................- 7 -

3.2.4 RS232/RS485转换器 ...........................................................................................- 7 -第四章组态监控软件的编制.......................................................................................................- 8 -

4.1建立一个新工程.............................................................................................................- 8 -

4.2设备连接.........................................................................................................................- 8 -

4.3图形界面的设计.............................................................................................................- 8 -

4.4构造数据库.....................................................................................................................- 9 -

4.5动画连接.........................................................................................................................- 9 -

4.5.2按钮................................................................................................................... - 10 -

4.6命令语言...................................................................................................................... - 11 -第五章单回路PID控制算法的参数调试 ................................................................................ - 12 -

5.1 PID控制器的参数整定 ............................................................................................... - 12 -

5.2 一般PID控制算法 ..................................................................................................... - 13 -

5.3 调试过程..................................................................................................................... - 14 -

5.4 结论 ............................................................................................................................ - 19 -学习心得.................................................................................................................................... - 20 -

第一章概述

1.1课程设计目的

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设计步骤

1.2.1控制系统的工作原理

控制系统的原理设计主要包括以下几方面的内容：

(1) 过程描述——对过程运行情况、操作方法进行介绍；

(2) 检测参数选择和控制参数选择，并简要分析选择原因；

(3) 绘制控制系统检测控制原理图和系统方框图。

1.2.2控制系统的硬件选择

根据本系统特点，参考实例，对炉温控制系统进行设计。设计时具体设备数量、原理选择可以不局限于现有系统，学生可以利用所学知识设计更合理的系统。

本设计内容设计前需要查询大量仪表设备资料，根据系统需要选择自己认为最合适的设备，再进行接线图设计。希望同学能够利用所学知识和可获得的资料，设计、选择与现有系统不同的特色方案，并进行比较分析。对有特色的方案将进行加分。

(1)模拟量输入/输出设备的选择；

(2)控制元件或模块的选择及其工作原理分析；

(3)检测元件的选择及其工作原理；

(4)温度变送器的选择；

(5)组态软件的选择

(6)给出温控系统的接线图。

1.2.3炉温控制系统-对象传递函数的辨识

(1)控制对象的特点分析

(2) 组态软件的开发

人机交互界面的设计；

●采集数据的量程转换；

●采样温度曲线的显示；

●采样数据的滤波方式选择及其原理、滤波前后曲线的对比；

●采样数据的存储。

(3)对象特性的辨识

●利用矩形脉冲响应曲线法求取对象特性；

●利用阶跃响应曲线法求取对象特性。

1.2.4炉温单回路控制系统的实现

(1) PID控制器的参数整定

(2)组态软件的开发

第二章课程设计任务及要求

2.1设计任务

自己提出系统题目并完成设计、并实现，按要求完成设计报告。对系统的主回路和控制回路进行设计，同时系统当中要具备检测、显示和保护功能。

2.1.1理论设计部分

独立完成系统的原理设计。说明系统实现的功能，应达到技术指标，进行多种方案的论证，确定最佳设计方案。

画出电路图，说明各部分电路的工作原理，初步选定所使用的各种器件的主要参数及型号，列出元器件明细表。

2.1.2系统设计

根据理论设计，验证所设计方案的正确性。

分析系统的工作原理，写出报告。

2.1.3安装调试部分

实现所设计的系统，并进行单元测试和系统调试。完成系统功能。

若系统出现故障，排除系统故障，分析并记录系统产生故障的原因，并将此部分内容写在报告中。

2.2设计要求

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。

第三章系统硬件设计

3.1设计电路连接

计算机作上位机监控，由智能仪表完成闭环，485网络，可远程监控及操作。能构成多回路、多对象的计算机控制系统，即计算机集散控制系统。（多种不同类型设备如变频器，PLC，数字调速装置构成系统需多条485网络）。整个电路设计如图3.1所示，

图3.1电路设计图

3.2设计需要的设备

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。

3.2.1可控硅

可控硅，是可控硅整流元件的简称，是一种具有三个PN结的四层结构的大功率半导体器件，亦称为晶闸管。具有体积小、结构相对简单、功能强等特点，是比较常用的半导体器件之一。该器件被广泛应用于各种电子设备和电子产品中，多用来作可控整流、逆变、变频、调压、无触点开关等。家用电器中的调光灯、调速风扇、空调机、电视机、电冰箱、洗衣机、照相机、组合音响、声光电路、

定时控制器、玩具装置、无线电遥控、摄像机及工业控制等都大量使用了可控硅器件。

可控硅有多种分类方法。

(1)按关断、导通及控制方式分类：可控硅按其关断、导通及控制方式可分为普通可控硅、双向可控硅、逆导可控硅、门极关断可控硅（GTO）、BTG可控硅、温控可控硅和光控可控硅等多种。

(2)按引脚和极性分类：可控硅按其引脚和极性可分为二极可控硅、三极可控硅和四极可控硅。

(3)按封装形式分类：可控硅按其封装形式可分为金属封装可控硅、塑封可控硅和陶瓷封装可控硅三种类型。其中，金属封装可控硅又分为螺栓形、平板形、圆壳形等多种；塑封可控硅又分为带散热片型和不带散热片型两种。

(4)按电流容量分类：可控硅按电流容量可分为大功率可控硅、中功率可控硅和小功率可控硅三种。通常，大功率可控硅多采用金属壳封装，而中、小功率可控硅则多采用塑封或陶瓷封装。

(5)按关断速度分类：可控硅按其关断速度可分为普通可控硅和高频（快速）可控硅。

3.2.2固态继电器：

固态继电器（Solid State Relay,缩写SSR），是由微电子电路，分立电子器件，电力电子功率器件组成的无触点开关。用隔离器件实现了控制端与负载端的隔离。固态继电器的输入端用微小的控制信号，达到直接驱动大电流负载。

控制电压和负载电压按使用场合可以分成交流和直流两大类，因此会有DC-AC，DC-DC，AC-AC，AC-DC四种型式，它们分别在交流或直流电源上做负载的开关，不能混用按负载电源的类型不同可将SSR分为交流固态继电器(AC—SSR)和直流固态继电器 (DC—SSR)。AC—SSR是以双向晶闸管作为开关器件，用来接通或断开交流负载电源的固态继电器。AC—SSR的控制触发方式不同，又可分为过零触发型和随机导通型两种。过零触发型AC—SSR是当控制信号输入后，在交流电源经过零电压附近时导通，故干扰很小。随机导通型AC—SSR则是在交流电源的任一相位上导通或关断，因此在导通瞬间可能产生较大的干扰。

3.2.3 CD901智能仪表

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℃[oF]或-199.9～999.9℃[oF](温度输入)±全量程(电压/电流输入)全量。

3.2.4 RS232/RS485转换器

用RS-232/RS-485转换器来实现计算机与仪表和控制箱的通讯。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。

第四章组态监控软件的编制

4.1建立一个新工程

在工程浏览器中双击“新建工程”图标，建立一个新工程，进入“组态王”工程浏览器。

4.2设备连接

本次实验硬件设备选用理化公司生产的CD901数字温度控制器。点击工程浏览器树形菜单下面的----设备----COM1---右面的新建图标，选择“智能仪表-理化-CD901-串口”，定义地址为10

双击工程浏览器左侧树形菜单中的“COM1”，对智能仪表CD901进行I/O设置

图4.1 I/O设置

4.3图形界面的设计

双击我们设计的画面或新建一个画面，进入“组态王”开发系统，这时开始

设计界面。

界面应包含一条温度曲线用以采集并绘出实时温度，两个按钮用以启动和停止程序，两处字符显示用以表示给定温度值和实时温度值，另外需在界面显示编程人的班级、学号、姓名等信息。用到的控件应包括：一个“X-Y轴曲线”控件，2个矩形、2个按钮，以及必要的文本。

4.4构造数据库

在这个工程中需要定义8个变量，变量属性如表4.2：

表4.2

变量名称变量类型连接设备数据类型读写属性寄存器PV I/O实型CD901 FLOAT 只读M0

SV I/O实型CD901 FLOAT 读写M8 AUTO_TUNING I/O离散型CD901 BIT 读写M15 H_P I/O实型CD901 FLOAT 读写M17

I I/O实型CD901 FLOAT 读写M18

D I/O实型CD901 FLOAT 读写M19

start 内存离散型CD901 \ \ \ runtime 内存整型CD901 \ \ \

其中PV表示温度的采样值，SV表示温度的给定值，AUTO_TUNING表示自动切换值，H_P表示加热比例带，start用来设置开始标志，runtime表示当前时间。

4.5动画连接

4.5.1文本

设置PH

图4.2 PH设置设置SV

图4.3 SV设置4.5.2按钮

需设置表示开始、停止功能的按钮。

4.6命令语言

画面语言写入，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，将每xxxx毫秒的值改为1000，在空白处键入：

if(\\本站点\start==1)

{

xyAddNewPoint( "maruihaoo", \\本站点\runtime, \\本站点\PV, 0);

xyAddNewPoint( "maruihaoo", \\本站点\runtime, \\本站点\SV, 1);

\\本站点\runtime=\\本站点\runtime+1;}

至此，整个开发工程已经完成。