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1、1课程设计任务书课程设计任务书学 院专 业学生姓名班级学号课程设计题目基于温控器计算机控制系统设计-实验研究实践教学要求与任务实践教学要求与任务: :1）构成计算机温度控制系统2）熟悉温控器3）实验调试4）THFCS-1 现场总线控制系统实验5）撰写实验报告工作计划与进度安排工作计划与进度安排: :1）第 12 天，查阅文献，构成计算机温度控制系统2）第 34 天，熟悉温控器3）第 56 天，实验调试4）第 79 天，THFCS-1 现场总线控制系统实验5）第 10 天，撰写实验报告指导教师：201 年 月 日专业负责人：201 年 月 日学院教学副院长：201 年 月 日2目 录1 摘要.1
2、2 温度控制器简介.22.1 温度控制器原理 .22,2 温度控制器的硬件选择.22.3 PID 控制的原理.33 系统组成 .53.1 计算机控制系统简介.53.2PLC 简介.53.3 现场总线控制系统简介.63.4 系统组成.64 实验过程 .84.1 实验装置说明.84.2 控制手段.114.3 系统组态分析.124.4PID 参数的选择 .144.5 实验步骤.155 实验调试.166 实验结果与总结 .177 参考文献.1901 摘要随着生产生活的需要，自动化控制越来越起到至关重要的作用。温度控制是工业生产过程中很普遍的过程控制，人们需要对各种加热炉，热处理炉，反应炉等锅炉中温度进
3、行测量与控制。特别是冶金，化工、建材、食品、机械、石油等工业中，具有举足轻重的作用，其温度的控制效果直接影响着产品的质量，因而设计一种较为理想的温度控制系统是非常有价值的，工业生产中温度控制具有单向性、时滞性、大惯性和时变性的特征，同时要实现温度控制的快速性和准确性，对于对于提高产品质量具有很重要的意义。对于不同的场所、不同的工艺、不同的产品所需要的温度范围不同、精度也不同，则采用的温度测量元件以及温度测量方法和控制方法都有所不同；产品工艺不同、温度控制的精度不同、时效不同，则对数据采集的精度和采用的控制算法也不同。因此对温度的控制方法要多种多样。随着电子技术和微型计算的迅速发展，微机测量和控
4、制技术也得到了迅速的发展和广泛的应用。利用微机对温度进行测控的技术也随之而产生。温度控制对象，在工业控制过程中，是相当重要的控制对象，因为温度直接的影响到了燃烧、化学反应、发酵、烘烤、蒸馏、浓度，结晶以及空气流动等物理的和化学的变化过程。温度控制的不好很有可能引起严重的安全事故，产品质量和产量等一系列的问题。温度控制是许多设备的重要的构成部分，它的功能是将温度控制在所需要的温度范围内，以利于进行工件的加工与处理。不论是在生活中还是在工业生产过程中，温度的变化对生活、生产的某些细节环节都会造成不同程度的影响，所以适时地对温度进行控制具有重要的意义。本次计算机控制系统设计是基于温度控制器的温度控制
5、系统设计，实验要求是通过温度控制器和现场总线实验装置构成计算机温度控制系统，进行实验研究。通过实验了解单回路温度控制系统的组成与工作原理，温度控制器和 PID 控制规律，并通过温度控制系统进行对被控对象的温度控制。现代信息技术的三大基础是信息采集控制(即温度控制器技术)、信息传输(通信技术)和信息处理(计算机技术)。温度控制器属于信息技术的前沿尖端产品，尤其是温度控制器被广泛用于工农业生产、科学研究和生活等领域，数量日渐上升。了解国内外电子温度控制器生产核心技术的研发动向、工艺设备、技术应用及趋1势对于企业提升产品技术规格，提高市场竞争力十分关键。2 温度控制器简介2.1 温度控制器原理温度控
6、制器是基于单片机开发的温度控制装置。其主要功能是，根据用户设定温度与实际温度的差值来控制加热器等执行机构，从而改变温度至用户所需。近些年来，因为温度控制器环节已经被纳入为分布式控制系统（DCS） ，个人电脑（PC）和可编程逻辑控制器（PLC） ，全球工业电子温度控制器市场增长缓慢。随着我国电子温度控制器市场的迅猛发展，与之相关的核心生产技术应用与研发必将成为业内企业关注的焦点。温度控制技术无论在工业生产还是日常生活中都起着重要的作用，已成为工业生产、科研活动中很重要的一个环节, 能否成功地将温度控制在所需的范围内关系到整个活动的成败。由于控制对象的多样性和复杂性, 导致温度的控制方法多种多样，
7、诸如 PLC 控制，和数字 PID 调节等等。常规的温度控制方法以设定温度为零节点，超出设定允许范围就进行温度调控，低于设定值就加热，反之就停止或降温。这种方法实现简单，成本低，但控制效果不理想，控制温度精度不够高，容易引起振荡，达到稳定的时间也长。因此，只能用于精度要求不高的场合。采用 PID 算法进行温度控制，它具有控制精度高，能够克服容量滞后的特点，特别适用于精度要求不高的场合。2,2 温度控制器的硬件选择温度控制器的硬件选择通常有两种方案方案一：利用单片机实现温度控制本设计主要围绕单片机进行设计，从实际应用出发，选取了体积小、精度相对较高的数字式温度传感器件 DS18B20 作为温度采
8、集装置，以单片机 89C51 作为主控芯片，LCD 1602 作为显示输出。DS18B20 直接采集数据并以数字的形式传到处理器，处理器会检查现场温度并将其与用户设定的温度进行比对，实现了对温度的实时测量，当温度超出设定范围系统将会自动调节加热或者降温系统，从而实现了实时恒温控制。方案二：利用 PLC 实现温度控制利用 PLC 实现恒温控制，采用 PLC 控制实现电热丝加热全通、间断导通和全断2加热的自控方式，来保持温度的恒定。智能型电偶温度表将置于被测对象中，热电偶的传感信号与恒定温度的给定电压进行比较，生成温差，自适应恒温控制电路根据差值大小控制电路的通断。方案一采用单片机实现温度调节。单
9、片机以其功能强、体积小、可靠性高造价低和开发周期短等优点，成为自动化领域和其他测控领域中广泛应用的器件，在工业生产中成为必不可少的器件。在温度控制系统中，单片机更是起到了不可替代的核心作用。综上所诉采用单片机进行系统数据处理和控制成本低，而且具有较高的可靠性，保证系统工作在最佳工作状态提高系统控制精度，有利于提高系统工作效率。对于系统动态性能与稳定要求不是很高的场合非常的合适，采用 DS18B20 作为温度传感器，直接得到数字信号，通过单片机对偏差进行运算。随着微机测量和控制技术的迅速发展与广泛应用，以单片机为核心的温度采集与控制系统的研发与应用在很大程度上提高了生产生活中对温度的控制水平。方
10、案二采用 PLC 进行控制，PLC 的成本比单片机高出太多，而且还要提供良好的工作环境，对周边设备的要求也很高。:所以大多数温度控制器采用单片机作为控制器2.3 PID 控制的原理在温度控制技术当中，PID 控制技术应用相对来说比较广泛，PID 控制器算法简单，计算量少，恒温效果稳定。所以温度控制器通常采用 PID 算法进行温度控制。下面介绍 PID 控制比例、积分、微分控制是应用最为广泛的调节器控制规律，简称 PID 控制，又称PID 调节。PID 控制器问世至今已有近 80 年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握
11、，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用 PID 控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用 PID 控制技术。PID 控制，实际中也有 PI 和 PD 控制。PID 控制器就是根据系统的误差，利用比例、 积分、微分计算出控制量进行控制的。比例（P）控制：比例控制是一种最简单,最常用的控制方式4。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。 积分（I）控制：在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。3对一
12、个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的 或简称有差系统。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项” 。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。 微分（D）控制：在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。 自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后(delay)组件，具
13、有抑制误差的作用， 其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前” ，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入 “比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项” ，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。PID 的基本算式有：位置型、增量型和速度型三种形式，其中最常用的事增量型式。设 u(n)为本周期 PID 控制器的输出（控制量） ，e(n)为本周期的 PID 输入偏差信号，e(n-1)为上一个周期的偏差信号，e(n-2)为上上个周期的偏差信号。KP 为比例增益，Ti为积分时间，Td 为微分时间，则 PID 基本算式的公式如下：1）位置型 PID 算式（3.1）)1()()(
