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1、内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）基于PCT实验台恒温控制摘 要 温度是工业生产中一个重要参数，在冶金企业，温度控制对管坯钢坯起着至关重要的作用。在加热炉的温度控制中，温度的变化是一个大滞后的环节，同时还受各种因素的影响，如热电阻的位置炉膛的结构炉膛的压力步进梁的节奏。由于温度的复杂性，同时伴随计算机控制技术仪表检测技术的快速发展，目前产生了各种温度控制技术，从最简单的燃气流量到双交叉限幅模糊控制。受国内经济发展状况的影响，国内的冶金企业在力求脱离粗狂式经济发展模式，对温度控制日益严格，以天津钢管公司为例，加热炉的温度控制一般要求在5度以内，这给温度控制提出了相当的挑战。虽然温度控制的理
2、论在不断被提出，但在实际的温度控制系统中，PID温度控制还是目前的主流。在此我以PCT试验台为基础探讨在仪表和上位机上的PID温度控制的优缺点，在传统PID的基础上进行一定改进，从而提高温度控制的精度。目 录摘 要1目 录2第一章 绪 论41.1课题研究背景41.2 温度控制系统发展状况51.3 本文研究内容6第二章 PCT实验台简介62.1 实验台构成62.1.1水箱62.1.2液位传感器62.1.3变频器72.1.4 流量计的使用82.1.4.1电磁流量计82.1.4.2涡轮流量计82.1.4.3孔板流量计82.1.5 温度传感器92.1.6电动调节阀92.1.7三相磁力水泵92.1.8有
3、机玻璃管102.1.9比例器102.1.10 交流固体继电器102.1.11 三压力传感器的使用102.1.12 牛顿模块102.2调节器的使用及输入输出端口说明112.2.1显示状态122.2.2 基本使用操作132.2.3 AI人工智能调节及自整定（AT）操作142.2.4 程序操作(仅适用AI808P型)162.2.5 与计算机通讯17第三章辨识被控过程的数学模型183.1 对象(温度)特性测试实验193.1.1 实验设备简介193.2 温度检测与变送203.2.1温度203.2.2 温度传感器203.2.2.1 非电参数温度传感器203.2.2.2 电参数温度传感器203.3 实验步骤
4、233.4 响应曲线法辨识过程的数学模型243.4.1 阶跃响应法243.4.2由阶跃响应确定一阶对延环节参数24第四章 PID参数整定264.1 PID控制的概念274.3 基于 MAT LAB /Si mulink环境PID参数整定294.3.1 PI D参数及其对系统控制过程的影响294.3.1.1P I D控制参数294.3.1.2KP、 TI、 TD 对系统控制过程的影响304.3.2 PID 参数整定Simulink环境下PID参数的稳定边界法整定30第五章 调节器参数的工程整定方法345.1 临界比例度法(又称稳定边界法)355.2 衰减曲线法355.3 反应曲线法(动态特性参数
5、法)375.4 三种工程整定方法的比较385.5 温度单闭环实验395.5.1实验设备395.5.2调节器的参数设置405.5.3实验步骤405.5.4实验结果分析41第六章 温度控制系统的组态画面设计426.1 组态软件概述426.2组态王的简介436.3 组态画面的建立436.3.1 建立工程436.3.2 设备配置446.3.3 定义变量456.3.4 简单画面的设计、编辑与动画连接476.3.5 实时曲线与历史曲线496.3.5.1 实时曲线的建立506.3.5.2历史曲线的建立506.3.6手自动切换和PID控制画面的建立516.3.6.1 PID控制画面的建立516.3.6.2 手
6、自动切换按钮526.4 命令语言及PID控制程序编写536.4.1 几种常用PID控制算法的改进536.4.1.1 PID控制算法536.4.1.2 带死区的数字PID控制算法536.4.1.3 不完全微分数字PID控制算法546.4.2 根据温度控制系统编写相应的PID控制程序546.5 控制算法比较及控制效果曲线57第七章 大时延过程的补偿控制系统577.1 史密斯预估控制系统587.2 带Smith预估器的控制器设计597.3 具有纯滞后补偿的数字控制器607.3.1 施密斯预估器607.3.2 纯滞后补偿控制算法步骤617.3.3施密斯预估器程序框图627.3.4 计算机控制施密斯预估
7、器源程序637.3.5 施密斯预估器方法的控制效果64第八章 分析总结65参考文献66第一章 绪 论1.1课题研究背景 温度是工业生产中常见的工艺参数之一，任何物理变化和化学反应过程都与温度密切相关。在科学研究和生产实践的诸多领域中, 温度控制占有着极为重要的地位, 特别是在冶金、化工、建材、食品、机械、石油等工业中，具有举足轻重的作用。对于不同生产情况和工艺要求下的温度控制，所采用的加热方式，燃料，控制方案 也有所不同。例如冶金、机械、食品、化工等各类工业生产中广泛使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉等；燃料有煤气、天然气、油、电等。温度控制系统的工艺过程复杂多变，具有不确定性，因此对系统要求
8、更为先进的控制技术和控制理论。温度的测量和控制在工业生产中获得了广泛的应用，在工农业生产、国防、科研以及日常生活等领域占有重要的地位。温度控制系统是人类供热、取暖的主要设备的驱动来源，它的出现迄今已有两百余年的历史期间，从低级到高级，从简单到复杂随着生产力的发展和 对温度控制精度要求的不断提高，温度控制系统的控制技术得到迅速发展。目前智能温度控制系统广泛应用于社会生活、工业生产的各个领域，适用于家电、汽车、材料、电力电子等行业，成为发展国民经济的重要热工设备之一。在现代化的建设中，能源的需求非常大，然而我国的能源利用率极低，所以实现温度控制的智能化，有着极为重要的实际意义。 1.2 温度控制系
9、统发展状况温度控制系统在工业生产中获得了广泛的应用，在工农业生产、国防、科研以及日常生活等领域占有重要的地位。温度控制系统是人类供热、取暖的主要设备的驱动 来源，它的出现迄今已有两百余年的历史。期间，从低级到高级，从简单到复杂，随着生产力的发展和对温度控制精度要求的不断提高，温度控制系统的控制技术得到迅速发展。当前比较流行的温度控制系统有基于单片机的温度控制系统，基于PLC的温度控制系统，基于工控机（IPC）的温度控制系统，集散型温度控制系统（DCS），现场总线控制系统（FCS）等。集散型温度控制系统（DCS）是一种功能上分散，管理上集中上集中的新型控制系统。与常规仪表相比具有丰富的监控、协调
10、管理功能等特点。现场总线控制系统（FCS）综合了数字通信技术、计算机技术、自动控制技术、网络技术和智能仪表等多种技术手段的系统。虽然温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛，但从生产的温度控制器来讲，总体发展水平仍然不高，同日本、美国、德国等先进国家相比有着较大差距。目前，我国在这方面总体技术水平处于20世纪80年代中后期水平，成熟产品主要以“点位”控制及常规的PID控制器为主。它只能适应一般温度系统控制，难于控制滞后、复杂、时变温度系统控制。而适应于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表，国内技术还不十分成熟，形成商品化并在仪表控制参数的自整定方面，国外已有较多的成熟产品。但由于国外技
11、术保密及我国开发工作的滞后，还没有开发出性能可靠的自整定软件。控制参数大多靠人工经验及现场调试确定。国外温度控制系统发展迅速，并在智能化、自适应、参数自整定等方面取得成果。日本、美国、德国、瑞典等技术领先，都生产出了一批商品化的、性能优异的温度控制器及仪器仪表，并在各行业广泛应用。它们主要具有如下的特点： 一是适应于大惯性、 大滞后等复杂温度控制系统的控制；二是能够适应于受控系统数学模型难以建立的温度控制系统的控制；三是能够适应于受控系统过程复杂、参数时变的温度控制系统的控制；四是温度控制系统普遍采用自适应控制、自校正控制、模糊控制、人工智能等理论及计算机技术，运用先进的算法，适应的范围广泛；
12、五是温控器普遍具有参数自整定功能。借助计算机软件技术， 温控器具有对控制对象控制参数及特性进行自动整定的功能。有的还具有自学习功能，能够根据历史经验及控制对象的变化情况，自动调整相关控制参数，以保证控制效果的最优化； 六是具有控制精度高、抗干扰力强、鲁棒性好的特点。目前，国外温度控制系统及仪表正朝着高精度、智能化、小型化等方面快速发展。1.3 本文研究内容 目前社会上温度控制大多采用智能调节器，国产调节器分辨率和精度较低，温度控制效果不是很理想，但价格便宜，国外调节器分辨率和精度较高，价格较贵。本文通过对智能控制仪表及PID温度控制算法的深入研究，探讨在PCT智能仪表下，通过调整和改进控制算法
13、，从而提高控制精度。了解和掌握大惯性、大滞后的温度控制系统的控制的方法。对比不同的温度控制方法，进行比较最后得出一种能快速、稳定、高精度的温度控制方法。第二章 PCT实验台简介2.1 实验台构成实验台主要由上位水箱、下位水箱、储水箱、温控圆筒、加热器、液位和压力传感器、压力罐、湿度传感器、工业PH计、电磁流量传感器、孔板流量传感器、涡轮流量传感器、电动调节阀、变频器、水泵、加温模块、接线端子、电源总开关、电流指示表、比例器、DC24V开关电源以及上海万迅智能调节仪表组成的挂箱。2.1.1水箱水箱的结构特点是：采用两槽结构，主要分溢流缓冲槽、工作槽、溢流水管。 溢流缓冲槽：是为了解决水流直接注入
14、水箱造成被测液面波动而设计的，当水流注入水箱后经过溢流缓冲槽缓冲，溢出水槽沿水槽壁流下达到减少被测液面波动。溢流水管 ：当设备无人职守时有时会出现水箱的水位已经到达最高水位，为了防止液位满出水箱，则多出的水可以通过溢流排水管排出。水箱I（上位水箱）液位高度：0280mm水箱II（下位水箱）液位高度：0280mm水箱III（不锈钢储水箱）液位高度：0500mm2.1.2液位传感器液位传感器连接水箱的底部，检测水箱的液位，同时输出420mA的电流信号。提供给计算机作为液位检测信号。本套工业自动化仪表实验采用挂箱式，组装灵活，如果从新组装了液位传感器（例如改变了液位传感器在网孔板上的位置或改变了所检
15、测的水箱），液位传感器都要从新校正零点和量程。2.1.3变频器变频器面板图如图2-11、 合上控制对象上的电源2、把PCT-ET-02面板上的内外控开关打到内控状态，按下设置PU灯亮3、 设置参数如下：C5=15 P21=3 P30=1 P39=80 P53=1 P59=1 P60=4 P61=4 P62=4 P63=44、 按按钮设置EXT灯亮，把PCT-ET-02面板上的内/外控开关打到“外控”，状态，在PCT-ET-02面板上变频器输入端子上输入420mA电流即控制变频器的频率设定值。5、停止外部控制，只要把PCT-ET-02面板上的内/外控制开关打到内控一端即可停止控制。6、由外部控制切换到内部控制步骤PCT-E
