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1、炉温的单闭环控制系统设计作 者 姓 名：学 号：指 导 教 师：学 院 名 称：专 业 名 称：东 北 大 学2016年12月过程控制系统课程设计课程设计（论文）任务书课程设计（论文）任务书课程设计（论文）题目：炉温的单闭环控制系统设计基本内容：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。课程设计（论文）专题部分：题目：电烤箱单回路炉温控制基本要求：(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
2、说明书一份。学生接受课程设计（论文）题目日期指导教师签字：2016年1月I过程控制系统课程设计摘要炉温的单闭环控制系统设计摘要炉温控制系统是工业控制中比较典型的控制系统，但是温度系统惯性大、滞后现象严重，难以建立精确的数学模型，给控制过程带来很大难题。因此，针对每个不同的系统需要单独研究一种最佳的控制方案，以达到系统稳定、调节时间短且超调量小的性能指标。本次课程设计是以电烤箱为控制对象，利用PID控制算法实现电烤箱的恒温控制。通过组态王软件编写PID控制程序以及实际调节PID参数，深刻理解控制系统的构建与调试以及PID各项参数的意义。本次设计是基于组态王的软件平台进行的，借此熟悉组态软件的使用
3、。关键词：电烤箱温度控制系统，组态王，PID整定，温度曲线IV过程控制系统课程设计目录目录课程设计（论文）任务书I摘要II第一章 绪论11.1 课题的提出与意义11.2 设计目的11.3 课程设计任务和要求2第二章 炉温控制系统工作原理32.1 炉温控制系统原理图32.2 实验操作方法与步骤42.2.1 连线42.2.2 设置仪表4第三章 炉温控制系统的硬件组成53.1 炉温控制系统53.2 智能控制仪表CD90153.2.1 智能控制仪表CD901简介53.2.2 智能控制仪表CD901的规格型号说明63.2.3 CD901工作原理83.3 热电阻pt10083.4 固态继电器93.4.1
4、固态继电器简介93.4.2 固态继电器工作原理93.4.3 固态继电器特点及用途103.5 RS-232/RS-485转换器103.5.1 RS-232113.5.2 RS-485123.6 电烤箱13第四章 人机界面制作144.1 软件设计目标144.2 人机界面制作144.2.1 建立新工程144.2.2 画面的制作164.2.3 建立数据词典164.2.4 建立动画连接17第五章 PID控制算法185.1 PID控制器的参数整定185.2 一般PID控制算法18第六章 参数整定216.1 浅谈参数整定216.2 PID参数整定调试过程21参考文献25心得体会26过程控制系统课程设计第一章
5、 绪论第一章 绪论1.1 课题的提出与意义在工业生产过程中，控制对象各种各样，温度是生产过程和科学实验中普遍而且重要的物理参数之一。在生产过程中，为了高效地进行生产，必须对它的主要参数，如温度、压力、流量等进行有效的控制。温度控制在生产过程中占有相当大的比例，其关键在于测温和控温两方面。温度测量是温度控制的基础，技术已经比较成熟。由于控制对象越来越复杂，在温度控制方面，还存在着许多问题。如何更好地提高控制性能，满足不同系统的控制要求，是目前科学研究领域的一个重要课题。温度控制一般指对某一特定空间的温度进行控制调节，使其达到工艺过程的要求。本文主要研究电烤箱温度控制的方法。炉温控制是指根据炉温对
6、给定温度的偏差，接通或断开供给炉子的热源能量，或连续改变热源能量的大小，使炉温稳定有给定温度范围，以满足热处理工艺的需要。应用传统的模拟电路控制方法，由于电路复杂、器件太多、无法用精确的数学方法来建立模型并确定参数，往往很难达到理想的控制效果。本设计采用PID控制。PID控制器问世至今已有近70年历史，PID控制是比例、积分、微分控制的简称，PID控制器是工业过程控制中最常见的一种过程控制器。由于PID控制器算法简单、效果好，因而被广泛应用于化工、冶金、机械、热工和轻工等工业过程控制系统中。目前，PID算法一般是在顺序程序结构的微处理器上实现。由于PID算法有一定的并行性，顺序程序结构的微处理
7、器限制了它的速度，对于实时性要求比较高的系统来说，是不太适合的。通过硬件描述语言VHDL在FPGA上实现的硬件电路具有强大的并行运算能力，可以解决这个问题，从而实现高速的PID控制。本文以电烤箱为研究对象，研究一种最佳的控制方案，以达到系统稳定、调节时间短且超调量小的性能指标。1.2 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。1.3 课程设计任务和要求在基本掌握过程控制常规控制方案的工作原理及参
8、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。2过程控制系统课程设计第二章 炉温控制系统工作原理第二章 炉温控制系统工作原理2.1 炉温控制系统原理图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。本炉温控制系统的控制计算机采用普通奔腾PC机，A/D与D/A转换由理化智能控制仪表CD901来实现，执行功能由可控硅模块来完成，检测
9、元件为热电阻Pt100，温度变送器为XMZ数字显示仪。系统原理图如图2.1所示图2.1 炉温控制系统原理图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2.2 所示。图 2.2 温度实验系统功能结构框图2.2 实验操作方法与步骤2.2.1 连线图2.3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
10、接至调压模块接线柱、；OUT1连线：非硬手动时分别连接至调压模块接线柱、；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。2.2.2 设置仪表当系统给电后，各个仪表开始工作，首先进行仪表的设置工作。(1) 硬手动控制当仪表处于正常显示时，将接线柱、 与手动的 、连接起来，使控制系统处于手动状态。然后调整电位器按钮，给定一个电压值（顺时针增大，逆时针减小），打开电烤箱，使之升温，观察各个仪表的数值。(2) 软手动控制（手动控制）控制器选择手动模式时，将接线柱、 与控制器OUT1的 、连接起来，使控制系统处于软手动控制器手动状态。然后调整控制器输出值，打开电烤箱，使之
11、升温，观察各个仪表的数值。(3) 自动控制控制器选择手动模式时，将接线柱、 与控制器OUT1的 、连接起来，使控制系统处于软手动控制器手动状态。然后调整好控制器给定值，打开电烤箱，将控制器选择自动模式，控制器将自动调整温度。26过程控制系统课程设计第三章 炉温控制系统的硬件组成第三章 炉温控制系统的硬件组成3.1 炉温控制系统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
12、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。控制箱面板布置图如图3.1所示。图3.1 控制箱面板布置图3.2 智能控制仪表CD9013.2.1 智能控制仪表CD901简介RKC温控器，也叫RKC温控表，是日本理化株式会社的核心产品，广泛应用于塑胶、电炉等行业，是一种工业温度控制器，是目前中国大陆工业温控表的主流品牌，其精度高，质量可靠耐用等特点赢得广大用户的口碑。温控器的核心控制算法为PID控制，P(Proportional)比例+I(Integra
13、l)积分+D(Differential)微分控制。工业温度控制器所控制的工业设备温度范围一般在-199-3000。加热机构一般采用继电器或者固体继电器的形式来进行，温控器根据热电偶发回来的信号读取实际温度，然后把这个实际温度值跟设定温度值进行比较，产生温度偏差，调节的方向朝着温度偏差减少的方向进行，然后RKC温控器输出一个模拟量或者开关量驱动继电器或者可控硅等执行机构实现加热或者冷却控制。3.2.2 智能控制仪表CD901的规格型号说明智能控制仪表CD901的面板如下图3.2所示：图3.2智能控制仪表CD901的面板表上面各符号简介：PV：输入值（如：读入烤箱的温度值）SV：设定值（如：手动给
14、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R/S：位移及运行/停止：下移减小数字：上移减大数字CD901背面接线柱如图3.3所示：图3.3 CD901 背面接线图CD901的技术数据说明：热电阻：Pt100或JPt100电压：05V，15V电流：020mA，420mA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
15、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）：199999全距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%3.2.3 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
