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1、基于组态王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：2东北大学课程设计 摘要摘 要温度是工业控制中主要的被控参数之一，特别是在冶金、化工、建材、食品、机械、石油等工业中，具有举足重轻的作用。温度控制是控制系统中最为常见的控制类型之一。最为常见的就是工业上使用电阻炉处理和生产工业产品，最基本的要求是要保持炉内温度的恒定，并且在一定的扰动下，炉内的温度经过一定的调节时间能自动恢复正常值，从而保证所生产的产品质量。本设计基于单回路控制系统和PID控制器，使用计算机、铂电阻Pt100、控制箱、加热炉体和组态王设计电烤箱的炉温控制系统，使炉内温度
2、基本保持在155不变，还建立了闭环和开环控制系统的数学模型，完成了系统所用到的设备的选型和组装接线，利用“组态王”软件编制上位机监控软件对炉内温度的采集和显示。文中首先介绍了设计的背景和要求，接着对单回路控制系统做了简单的介绍，大致描述了通过组态王编制采集并绘制温度与时间曲线的步骤，并且完成了系统模型的建立，介绍了整定PID控制器参数的步骤和结果，最终完成了利用单回路控制系统中的一阶时延环节设计电烤箱的炉温控制系统，使其炉内温度经过一定的过渡过程始终维持在132。关键词：PID、电烤箱、炉温控制、单回路控制系统、凑试法I东北大学课程设计 第一章 引言目录摘 要I目录1第一章 引言31.1 设计
3、目的31.2 设计背景及意义31.3 设计任务及要求4第二章 单回路控制系统52.1 单回路控制系统简介52.2 单回路控制系统的设计52.2.1 被控变量的选择62.2.2 操纵变量（控制参数）的选择62.2.3测量变送问题和执行器的选择7第三章 硬件电路设计及原理83.1 系统设计83.1.1 方案论述83.1.2 系统原理图及工作原理93.2 智能控制仪表设计103.2.1 规格型号说明103.2.2 技术数据说明113.2.3 工作原理113.3 温度测量电路设计123.3.1 测温原理123.3.2 特点133.3.3 接线方法133.3.4 非线性补偿方法143.4 通讯部分硬件设
4、计153.5 交流固态继电器硬件设计163.5.1 交流固态继电器的原理173.5.2 交流固态继电器的分类183.5.3 交流固态继电器的特点183.5.4 交流固态继电器的应用场合193.5.5 交流固态继电器的使用注意事项19第四章 软件设计214.1 软件设计目标214.2 人机界面设计214.2.1 “组态王”软件简介214.2.2 人机界面基本设计步骤224.3 PID控制算法264.3.1 PID算法简介264.3.2 PID各参数对控制系统稳定性的影响27第五章 参数整定285.1常用的参数整定方法285.1.1临界比例度法285.1.2经验凑试法295.2 实际参数调试29第
5、六章 结论32心得体会33参考文献34第一章 引言1.1 设计目的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。通过课程设计，掌握过程控制系统的组成和工作原理、基本概念和分析方法、并具备构造、调试和工程设计自动控制系统的能力；了解闭环系统的静、动态特性分析方法及工作原理；掌握基于一阶时延、二阶典型系统的工程设计方法，掌握工作原理与工程设计方法，并熟悉掌握PID参数的整定方法和利用上位机监控电烤箱的炉温控制系统；培养团队精神，科学的、实事
6、求是的工作方法，提高查阅资料、语言表达能力和理论联系实际的技能。1.2 设计背景及意义 锅炉在石油、化工、热力、电力等工业生产领域应用非常广泛，锅炉温度的控制效果在发电、供热、炼油、炼铁、炼钢等工业及民用部门中是非常重要的技术指标，锅炉控制系统的工作质量直接影响着锅炉的正常生产，它决定了电厂等工业基地能否安全、经济、高效的进行生产。随着我国工业生产和科学技术的快速发展，企业对过程自动化控制水平的要求也不断提高。 电热锅炉的应用领域相当广泛，电热锅炉的性能优劣决定了产品的质量好坏。目前电热锅炉的控制系统大都采用以微处理器为核心的计算机控制技术，既提高设备的自动化程度又提高设备的控制精度。锅炉温度
7、控制的被控对象是一个具有大延迟性、大惯性的非线性系统。但目前很多锅炉仍靠人工加常规仪表，利用传统PID控制方法对锅炉温度控制系统进行操作和实时监控。锅炉温度被控对象滞后时间比较长，滞后时间越长控制就越难，且影响滞后时间的因素很多，这样就造成了工人劳动强度增大，生产效果欠佳，也很难保证生产安全。因此，锅炉温度控制系统一直是工业技术人员研究的重点及热点。 近年来大部分自动化类专业学生在工厂、企业等的过程生产领域从事过程控制和自动化仪表操作等方面的工作。因此，让学生进一步了解计算机控制技术和智能控制理论及其具体应用是至关重要的，这是自动化专业学生必须掌握的专业知识。1.3 设计任务及要求在基本掌握过
8、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。33东北大学课程设计 第二章 软件设计第二章 单回路控制系统2.1 单回路控制系统简介 单回路控制系统又被称为简单控制系统。在所有反馈控制系统中，单回路反馈控制系统是最基本、结构最简单的一种。它由一个测量变送装置、一个控制器、一个控制阀和相应的被控对象所组成。控制器是根据被控变量与给定值的偏差来进
9、行控制的。系统结构简单，所需自动化技术工具少，投资比较低，操作维护也比较方便，一般情况下都能满足控制质量的要求,因此在生产过程中70%以上的控制系统是单回路控制系统。单回路系统的结构框图如图2.1所示。图2.1单回路控制系统方框图2.2 单回路控制系统的设计 在设计单回路控制系统时，应该充分了解具体的生产工艺、生产过程和控制要求，正确选择被控变量和操作变量，正确选择控制阀的特性，正确选择控制器的类型及其正反作用，正确选择测量变送装置，深入研究上述过程的特性对系统控制质量的影响情况的重要性。主要包括以下步骤：（1）建立被控过程的数学模型（2）选择控制方案（3）选择控制设备及其确定型号（4）工程安
10、装（5）仪表调试（6）参数整定方案设计是整个控制工程设计中最重要的一步，应注意：（1）合理选择被控量（被控参数）和操纵量（控制参数）（2）对象信息的获取和变送（3）执行器的选择（4）控制器的选择工程设计包括仪表（微机）选型、控制室和仪表盘设计、供水供电供气设计、信号系统设计、安全防爆设计等。2.2.1 被控变量的选择被控变量的选择直接关系到：生产的稳定操作；产品产量和质量的提高；生产安全与劳动条件的改善。因此，被控变量的选择是控制系统设计的核心问题。常常将工业生产中所要控制的指标分为两大类：直接控制指标和间接控制指标。直接控制指标指被控制的指标本身就是需要控制的工艺指标。间接控制指标指以产品质
11、量为控制指标，但质量信号无法检测，或检测到的信号微弱或滞后很大，这时就要选取与其有单值关系而反应又快的另一变量。对于以温度、压力、流量、液位为操作指标的生产过程，就选择温度、压力、流量、液位为被控变量。对于选择质量指标作为被控变量，若存在仪表无法测量产品成分或物性参数（密度、粘度等）时，可选择一种间接的指标、作为被控变量。该间接指标必须与直接指标存在单值的对应关系，并具有一定的变化灵敏度。被控变量的选择的原则：（1）在情况的许可时，应选择质量指标参数作为被控变量。（2）当不能选择质量指标作为被控变量时，可选择一个与产品质量指标有单值对应关系的间接指标参数作为被控变量。（3）所选的间接指标参数必
12、须有足够大的变化灵敏度，以便反映产品质量的变化。（4）在被控变量选择时还需考虑到工艺的合理性和国内、外仪表生产的现状2.2.2 操纵变量（控制参数）的选择扰动作用是指由扰动通道对过程的被控参数产生影响，力图使被控参数偏离给定值。而控制作用是指由控制通道对过程的被控参数起主导影响，抵消扰动影响，使被控参数尽力维持在给定值。两者是一对互相矛盾的变量。操纵变量是用来克服干扰对被控变量的影响，实现控制作用的变量。应把对被控变量影响显著的可控因素作为操纵变量。选择操纵变量时，应尽量考虑：（1）与被控变量的因果关系；（2）有利于实现自动化控制；（3）具有快速的动态响应性能；（4）对较大的扰动具有补偿作用；
13、（5）能够对过程性能的不利影响进行快速的调节。2.2.3测量变送问题和执行器的选择 测量、变送装置是控制系统中获取信息的装置，也是系统进行控制的依据。所以，要求它能正确地、及时地反映被控变量的状况。假如测量不准确，使操作人员把不正常工况误认为是正常的，或把正常工况认为不正常，形成混乱，甚至会处理错误造成事故。测量不准确或不及时，会产生失调或误调，影响之大不容忽视。测量变送环节对被控参数作正确测量，并将它转换成标准统一信号（0.02-0.1MPa或DC0-10mA，或DC4-20mA）输出到调节器或指示记录仪。控制系统中的测量元件时间常数不能太大，最好选用惰性小的快速测量元件，除此之外，测量元件
14、还要正确的安装并且及时的维护，确保其测量精度、较小的时间常数、尽量小的纯滞后和信号的传递滞后。执行器是接收控制器的输出信号，代替手动操作的装置，是构成自动控制系统不可缺少的重要部分。执行器在系统中作用是接受控制器的输出信号，直接控制被控介质的输出量，达到控制温度的目的，从而将被控变量维持在工艺指标要求的数值上。东北大学课程设计 第三章 硬件电路设计及原理第三章 硬件电路设计及原理3.1 系统设计3.1.1 方案论述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，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。如图3.1所示，加温炉体由民用烤箱改装，较为美观适合实验室应用。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。温度控制器采集此时烤箱内温度，根据算法控制固态继电器的通断，从而产生占空比不同的脉冲信号，来改变烤箱的加热功率，实现温度的控制。监控计算机用组态王等软件为平台，在485网络联接下，与温度控制器构成计算机集散控制系统
