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1、课 程 设 计题 目铂热电阻恒温自动控制系统的设计学 院自动化专 业自动化班 级姓 名指导教师2014年1月10日课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 指导教师： 工作单位： 自动化学院 题 目: 铂热电阻恒温自动控制系统的设计 初始条件：1. 课程设计辅导资料：“过程控制系统和应用”、“过程控制系统与仪表”、“过程控制仪表及控制系统”、“过程控制系统及仪表”等；2. 先修课程：仪表与过程控制系统等。3. 主要涉及的知识点： 过程控制仪表、控制系统、被控过程等要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）1. 课程设计时间：1.5周；2. 课程设计内容：根据
2、指导老师给定的题目，按规定选择其中1套完成； 本课程设计统一技术要求：研读辅导资料对应章节，对选定的设计题目所涉及的生产工艺和控制原理进行介绍，针对具体设计选择相应的控制参数、被控参数以及过程检测控制仪表，并画出控制流程图及控制系统方框图。3. 课程设计说明书按学校“课程设计工作规范”中的“统一书写格式”撰写，具体包括： 目录； 摘要； 生产工艺和控制原理介绍； 控制参数和被控参数选择； 控制仪表及技术参数； 控制流程图及控制系统方框图； 总结与展望；（设计过程的总结，还有没有改进和完善的地方）； 课程设计的心得体会（至少500字）； 参考文献（不少于5篇）； 其它必要内容等。时间安排：具体时
3、间设计内容1月1日指导老师就课程设计内容、设计要求、进度安排、评分标准等做具体介绍。学生确定选题，明确设计要求1月2日开始查阅资料，了解系统生产工艺和控制原理。1月3日确定系统所需检测元件、执行元件、调节仪表技术参数1月6日1月7日确定控制流程图及控制系统方框图1月8日1月9日撰写课程设计说明书1月10日答辩并上交课程设计说明书指导教师签名： 2013 年 12 月 27 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日目录摘要11生产工艺和控制原理介绍22控制参数和被控参数选择32.1被控参数的选择32.2控制参数的选择33控制仪表及技术参数63.1铂热电阻传感器63.2调节阀的选择73.3调节器及
4、技术参数的选择73.3.1调节规律的选择73.3.2技术参数的选定104控制流程图及控制系统方框图114.1控制系统流程图114.2 控制系统方框图115总结与展望126课程设计的心得体会13参考文献14仪表与过程控制系统课程设计说明书摘要过程控制系统是表征生产过程的参量为被控制量使之接近给定值或保持在给定范围内的自动控制系统。这里“过程”是指在生产装置或设备中进行的物质和能量的相互作用和转换过程。表征过程的主要参量有温度、压力、流量、液位、成分、浓度等。通过对过程参量的控制，可使生产过程中产品的产量增加、质量提高和能耗减少。一般的过程控制系统通常采用反馈控制的形式，这是过程控制的主要方式。本
5、温度控制系统通过铂热电阻测量被控系统的温度，引入单片机作为核心控制调节器，并且运用PID算法，实现温度的精确控制。由温度传感器返回被控系统温度值与设定值比较，通过单片机的处理后发出相应的控制信号使一定空间范围内的温度保持基本恒定，通过实例加深对过程控制系统设计的理解及该课程理论知识与相关学科的联系。关键词： 过程控制 PID算法 铂热电阻 单片机1生产工艺和控制原理介绍温度控制是工业生产过程中经常遇到的过程控制，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，其温度的控制效果直接影响着产品的质量。因此设计一种较为理想的温度控制系统是非常有价值的。对于不同场所、不同工艺、
6、所需温度高低范围不同、精度不同，则采用的测温元件、测温方法以及对温度的控制方法也将不同；产品工艺不同、控制温度的精度不同、时效不同，则对数据采集的精度和采用的控制算法也不同。因而，对温度的测控方法多种多样。随着电子技术和微型计算机的迅速发展，微机测量和控制技术也得到了迅速的发展和广泛的应用，同时实现温度测量的各类传感器层出不穷。本文采用的是以铂热电阻作为温度传感器，单片机作为核心控制器来控制系统温度的简单控制系统，具体实施过程如下：铂热电阻传感器接收的温度信号经过A/D转换为单片机可接受的数字信号，通过单片机内设定的相应算法控制加热介质流量的大小从而控制系统的温度。原理框图如下： 图1 控制系
7、统原理框图2控制参数和被控参数选择被控系统热介质热交换器调节阀1调节阀2传导介质图2控制系统示意图如图2所示，热介质（比热值大的液体）经热交换器与传导介质婚后后，进入加热间。通过热传导效应将热能传给被控系统，从而控制其温度。2.1被控参数的选择 题以给出要求控制的是被控系统的温度，但由于直接用铂热电阻测系统空气或液体中的温度较难以实现且存在测量不准确和不及时的缺点。设被控系统为一容器，可将铂热电阻安置在容器的底部，从而测得的温度值能较客观地反应出整个容器的温度。2.2控制参数的选择从图中可知，影响被控系统温度（或加热间温度）的变量有热介质旁路流量、传导介质流量，两者分别通过调节阀1和调节阀2控
8、制。分别以这两个变量作为控制变量，得到如下两种控制方案：方案一：以旁路热介质流量为控制变量（由调节阀1进行控制），对被控系统温度进行控制；方案二：以传导介质流量为控制变量（由调节阀2进行控制），对被控系统温度进行控制。两种方案的框图如图3中的a,b所示（若选择两个变量其中之一为控制变量，则另一变量视为干扰）。调节器调节阀1加热间铂热电阻温度传感器热交换器+-_+3-a调节器调节阀2加热间铂热电阻温度传感器+-+-热交换器3-b图3 温度控制过程2种方案控制系统示意框图在分析、比较两个方案前，先对影响各个方案通道特性的主要环节进行定性分析。（1）传导介质对加热间介质的温度，传导介质对热介质温度的
9、影响为一个双容过程，其传递函数可近似为式中，时间常数、都比较大。（2）传导介质与热介质混合后，通过管道进入加热间，旁路热介质对进入加热间流量的影响，可用一阶惯性环节加纯滞后近似式中，时间常数较小。（3）调节阀1、调节阀2到热交换器的滞后时间较小，可忽略不计。（4）两个方案控制通道都包含调节器、调节阀、温度检测单元，他们的特性不影响比较结果；加热间的特性对于连两个方案的影响是一致的，同样可以忽略不考虑。 在以上定性结论的基础上，对三个可选方案进行分析、比较，从中选出合理的控制方案及对应的控制变量。方案1 从其对应的控制系统框图（图3-a）可以看出，由调节阀1控制的旁路热介质流量经过热交换器中与传
10、导介质混合和滞后传递函数为之后进入加热间。由于一阶惯性环节时间常数和纯滞后的滞后因数，控制通道有一定的滞后。干扰进入通道的位置距调节阀1很近，干扰通道环节多，引起的动差小而且平缓。方案2从其对应的控制系统框图（图3-b）可以看出，由调节阀2控制的传导介质流量对流过热交换器的热介质进行冷却中和传递函数为，介质经过混合和滞后传递函数为之后进入加热间。由于有二个时间常数和、的时间常数、管道的纯滞后多种因素共同影响，控制通道（相对于方案1）的时间滞后很大，控制变量对被控系统温度的控制作用很慢；干扰进入控制通道的位置距调节阀2较远且干扰通道环节少，引起的动差大。所以方案二的控制品质相对于方案一有很大的下
11、降。通过以上分析可知，从控制品质角度来看，方案1高于方案二。而从生产安全的角度来看，选用方案一并且令调节阀1为气开式可有效地保证在故障发生时加热间的温度不至于过高，从而使得整个控制系统的安全得到保障。经过综合比较分析后，确定选择方案1较为合理。既选定以旁路热介质流量为控制变量。3控制仪表及技术参数3.1铂热电阻传感器电阻值随温度的变化程度称为温漂系数,大部分金属材料的温漂系数是正数,而且许多纯金属材料的温漂系数在一定温度范围内保持恒定,具体应用中选用哪一种金属材料(铂、铜、镍等) 取决于被测温度的范围。金属铂(Pt) 电阻的温度响应特性较好,成本较低,可测量温度较高;它在0 的额定电阻值100
12、 ,是一种标准化器件。工作温度范围: - 200 + 850 ,考虑到工业的实际应用,本系统设计的测量范围为0100 。因为热敏电阻的阻值和温度呈正比关系,只需知道流过该电阻的电流就可以得到与温度成正比的输出电压。根据已知的电阻-温度关系,可以计算出被测量的温度值。Pt100温度测器是一种以铂( Pt) 做成的电阻式温度检测器,其电阻和温度变化的关系式为:式中: R0 为0 下的电阻值,R0 = 100 ; T 为摄氏温度。因此,用铂做成的电阻式温度检测器,又称为Pt100 温度传感器,即:, ,显然,电阻与温度呈非线性关系,但当测量精度要求较低时,电阻值与温度的函数关系可以简化为:实际应用中
13、, Pt100 的连接方式可以为两线制、三线制或四线制。该系统采用三线制接法即可满足要求。二线制连接时,由于引线电阻与Pt100 串联,增大了电阻,会影响测量;三线制连接时,对Pt100 额外增加了第三条线,由于引线电阻具有相同特性,能够对线电阻进行补偿;四线制连接时,可以实现Kelvin 检测,消除了两线连线的压差。对Pt100温度传感器进行了硬件设计,其整个数据采集系统结构框图如图4所示。利用铂热电阻特性来检测温度,将温度转换成电压信号;再通过V/I转换单元,将电压信号转为420 mA的标准电流信号输出,这样既省去昂贵的补偿导线,又提高了信号长距离传送过程中的抗干扰能力;在单片机系统上再由电流电压转换芯片RCV420将420 mA转换为05 V电压信号。经过A/D转换成数字信号,单片机系统把读取到的数字信号进行识别处理,并换算成与温度对应的数字信号,最后再由液晶显示器显示输出温度值。CPU主要完成对A/D采集到的数据进行处理,包括A/D值的滤波处理和A/D值向实际温度转换,最后送给显示器显示。+24V输入（420MA）稳压单元放大/线性化V/I转换热电阻PT100I/V转换A/D转换，CPU处理器图4 数据采集系统结构框图3.2调节阀的选择前文已经提到，出于安全生产的角度考虑，应选择气开式调节阀，以保证在发生故障时加热间不至于过热从而引发安全事故。此外，由于温度
