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1、电烤箱的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：各类材料摘 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
2、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
3、，加热炉体，智能控制仪表，温度变送器，热电阻，可控硅 各类材料目 录摘 要I第1章 课程设计目的与任务11.1 课程设计目的11.2 课程设计任务与要求1第2章 炉温控制系统的组成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 实验设备22.2.2 设备通讯42.2.3 智能控制仪表CD901简介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 画面的制作
4、123.3 画面的制作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的作用174.2 PID控制器参数的整定174.3 一般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 临界比例带入法204.4.3 经验法214.4.4 电烤箱传递函数开环响应切线法参数整定22第5章 实验测试与整定24感想与总结27参考文献28各类材料第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
5、、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。各类材料第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：
6、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
7、入热电阻信号连接至温度控制器反馈端。其原理结构如图2.1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2.2所示。图2.1 温度试验系统功能结构图图2.2 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0300度之间，为了留有余地，我们要将温度的范围选在0400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
8、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2.3所示，电压数显表如图2.4所示。 图2.3 固态继电器 2.4 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2.5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
9、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：l TxD：发送数据(Transmitted data-TxD)。通过TxD终端将串行数据发送到MODEM。l RxD：接收数据(Received data-RxD)。通过RxD线终端接收从MODEM发
10、来的串行数据。l SG：信号地信号线，无方向。l 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2.6所示。 图2.5 通讯转换器 图2.6 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：l PV：输入值（如：读入烤箱的温度值）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
11、警端l SET：设置各种命令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背面接线柱如下图2.8所示。图2.8 CD901背部接线图（2）CD901的技术数据说明：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
12、0.1 全距冷却侧比例带（Pc）：为P的 11000%积分时间（I）： 13600秒微分时间（D） 13600秒加热侧比例周期（T）：1100秒冷却侧比例周期（t）： 1100秒限制积分动作生效范围（ARW）：加热侧比例带（P）的 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
13、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2.9。图2.9 面板上的连线原理图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
14、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，如图2.10所示。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0220度和0300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
15、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0300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05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：u 采集温度变送器的电压输出，其范围为05V，即实现A/D功能；u 输出控制量Uk，其范围也为05V，即实现D/A功能；u 设计方便清晰的人机画面；u 可以进行开
16、环实验，并绘制加热炉升温曲线；u 编程实现对采集到的数据进行滤波；u 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3.1所示：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”，出现如下提示：图3.2 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3.3 新建工程向导之二点击“下一步”，输入所建新工程的名称：图3.4 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3.5 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
17、境连续使用两个小时后自动关闭，必须重新启动组态王。图3.6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3.7所示：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
18、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（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
19、定、数据的采集与输出。图3.9 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5.1：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，
20、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3.11 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”，
21、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);如下图3.12所示：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)xyAddNew
22、Point(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
23、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
24、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： （4-1）采用典型PID控制器：，可以用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 一般PID控制算法PID控制器的微分方程为
25、： （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，也可以写成增量式，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4.1所示：图4.1 PID调节程序流程图4.4 工程整定方法介绍4.4.1 建立新工程衰
26、减曲线法是在总结临界比例带法基础上发展起来的，它是利用比例作用下产生的4:1衰减振荡(=0.75)过程时的调节器比例带及过程衰减周期，据经验公式计算出调节器的各个参数。衰减曲线法的具体步骤是：(1) 置调节器的积分时间，微分时间0，比例带为一稍大的值；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。如果过渡过程衰减率大于0.75，应逐步减小比例带值，并再次试验，直到过渡过程曲线出现4:1的衰减过程。记录下4:1的衰减振荡过程曲线，如图6-1所示。在图6-1(a)或(b)所示的曲线上求取=0.75时的振荡周期结合此过程下的调节器比例带，按表4-1计算出调节器的各个参
27、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节器的各个参数，作阶跃扰动试验，观察调节过程，适当修改调节器参数，到满意为止。与临界比例带法一样，衰减曲线法也是利用了比例作用下的调节过程。从表4-1可以发现，对于=0.75，采用比例积分调节规律时相对于采用比例调节规律引入了积分作用，因此系统的稳定性将下降，为了仍然能得到=0.75的衰减率，就需将放大1.2倍后作为比例积分调节器的比例带值。图4.2 衰减曲线4.4.2 临界比例带入法临界比例带法又称边界稳定法，其要点是将调节器设置成纯比例作用，将系统投入自动运行并将比例带由大到小改变，直到系统产生等幅振荡为止。这
28、时控制系统处于边界稳定状态，记下此状态下的比例带值，即临界比例带以及振荡周期，然后根据经验公式计算出调节器的各个参数。可以看出临界比例带法无需知道对象的动态特性，直接在闭环系统中进行参数整定。临界比例带法的具体步骤是：(1)将调节器的积分时间置于最大，即；置微分时间 =0；置比例带于一个较大的值。(2)将系统投入闭环运行，待系统稳定后逐渐减小比例带，直到系统进入等幅振荡状态。一般振荡持续45个振幅即可，试验记录曲线如图4.3所示。图4.3 等幅振荡曲线(3)据记录曲线得振荡周期，此状态下的调节器比例带为，然后按表6.2计算出调节器的各个参数。表4-2 临界比例带法计算公式规律P0PI0(4)将
29、计算好的参数值在调节器上设置好，作阶跃响应试验，观察系统的调节过程，适当修改调节器的参数，直到调节过程满意为止。4.4.3 经验法如果调节系统在运行中经常受到扰动影响，那么要得到闭环系统确切的阶跃响应曲线就很困难，因此临界比例法和衰减曲线法都不能得到满意的结果。通过长期实践，人们总结了一套参数整定的经验，称之为经验法。经验法可以说是根据经验进行参数试凑的方法，它首先根据经验设置一组调节器参数，然后将系统投入闭环运行，待系统稳定后作阶跃扰动试验，观察调节过程；如果过渡过程不令人满意，则修改调节器参数，再作阶跃扰动试验，观察调节过程；反复上述试验，直到调节过程满意为止。经验法整定参数的具体步骤是：
30、(1)将调节器的积分时间放到最大，微分时间置于最小，据经验设置比例带值。将系统投入闭环运行，稳定后作阶跃扰动试验，观察调节过程，若过渡过程有希望的衰减率(=0.750.9)则可，否则改变比例带值，重复上述试验。 (2)将调节器的积分时间由最大调整到某一值，由于积分作用的引入使系统的稳定性下降，这时应将比例带值适当增大，一般为纯比例作用的1.2倍。作阶跃扰动试验，观察调节过程，修改积分时间重复试验，直到满意为止。(3) 保持积分时间不变，改变比例带，看调节过程有无改善，若有改善则继续修改比例带，如无改善则反方向修改比例带，直到满意为止。保持比例带不变修改积分时间，同样反复试凑直到满意为止。如此反
31、复凑试，直到有一组合适的积分时间和比例带。4.4.4 电烤箱传递函数开环响应切线法参数整定确定了开环响应方案后，同时完成组态软件与硬件的正常结合后。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与上位机中，待温度最后稳定时保存数据。用绘图软件做出响应曲线如下图所示：图4.4 开环温度响应曲线在开环稳定温度在160左右时，根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根据局部切线图中数据读取可得： 可得： （4-7）第5章 实验测试与整定（1）首先根据临届比例法，测出相应的比例系数，为1.7左右，通过前文介绍计算方法得到
32、大概的积分或微分时间，如图。图5.1 （2）如上曲线明显不符合实验目的，经检验，为测试比例值时出现死区，重新测试。可得如下曲线，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，无明显超调量，调节时间过长，由此可知应增加比例系数，改变积分时间，可得系统下图。图5.4 由此可以得到衰减比为4:1的响应曲线，基本上符合要求。感想与总结参考文献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 2003.6 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. 2004.73. 陈夕松等编. 过程控制系统M. 北京：科学出版社. 2005.74. 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.20016陈振春.双向可控硅在电动机控制电路中的的应用J.南昌工程学院学报.2005.2