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1、 毕业设计说明书(论文)作 者: 学 号： 学院(系):能源与动力工程学院专 业:热能与动力工程题 目:水浴恒温控制系统的研究 指导者： (姓 名) (专业技术职务)评阅者： (姓 名) (专业技术职务)2012年 5月毕业设计说明书（论文）中文摘要本论文是对本次毕业设计所选择的课题水浴恒温控制系统的研究及其研究设计过程的一个详细论述和总结。水浴恒温控制系统是计算机自动控制技术在温度控制方面的重要应用，本文简要介绍了水浴恒温控制系统的技术背景、发展现状以及如何通过硬件改造和软件编程实现水浴恒温控制。通过将老式的机械式控温水浴槽改造成能够通过计算机程序自动控温的新型恒温水浴，并且用VB语言编写程
2、序，从而实现了计算机自动控制理论在温度控制方面的实际应用。改造后的水域恒温控制系统能够实现对水浴的温度进行采集、显示、控制以及自动调控和手动调控切换等功能。关键词 自动控制 水浴恒温 VB PID算法 牛顿模块毕业设计说明书（论文）外文摘要Title Research of Water Temperature Control System AbstractThis essay is a summary and a explanation of the subject of this graduation design,that is Research if Water Temperature
3、Control System. Water temperature control system is the application of computer automatic control technology in temperature control area. This essay makes a brief introduction of this subjects technology background, development status and how to realize automatic control via reforming the hardware a
4、nd software programming. This application of automatic control theory in temperature control area can be achieved by changing the old mechanic temperature control system into a new automatic system which can be controlled by a computer program, and writing the computer programme by Visual Basic prog
5、ramming language. This is an automatic control system which can get, display and control the water temperature, along with the function to switch between auto mode and manual mode.Key words: Automatic control Constant water temperature VB PID arithmetic Nudam module 本科毕业设计说明书（论文） 第 I 页 共 I 页目录1 绪论11
6、.1 课题背景11.2 国内外温度控制技术发展现状11.3 课题可行性分析22 总体设计方案32.1 总体方案32.2 硬件设计（改造）方案42.3 软件设计方案63 程序操作说明164设计与调试过程中遇到的问题184.1 设计过程中遇到的问题184.2 调试过程中遇到的问题185 实验数据及PID参数整定20结论21致谢22参考文献23 本科毕业设计说明书（论文） 第 21 页 共 23 页1 绪论1.1 课题背景温度是包括压力、液位、流量等五大工业基本测量参数之首，也是工业生产过程中最常见的参数之一。在工业生产过程中，很多物理和化学变化都与温度有着密切的关系，约占到全部参数的50%左右。因
7、此对温度进行准确地检测和控制有着极其重要的意义。温度控制系统自诞生至今已取得了长足的发展。尤其是近几年软件技术和硬件技术，包括线性系统、时变系统、非线性系统、微分差分系统等的日新月异使温度控制技术发展更为迅猛。其次，自动控温和远程控制中心已逐渐取代手动控制的分散局部控制站。另外温度控制的概念也有了很大的扩充，它不仅包括数据采集与管理、基本过程控制，还包括先进的管理系统、调度和优化等。温度控制正向着分散化、柔性化、分散化和集成化的方向发展和被应用于实际工业生产过程。此外神经网络、模糊控制、在线诊断、专家系统等理论也大大促进了温度控制系统的发展。1.2 国内外温度控制技术发展现状我国在温度控制系统
8、领域的发展大致可分为三个阶段：2第一阶段：基地式仪表。四十年代初，由于石油、化工、电力等工业对自动化的需要，出现了基地式仪表。这种仪表将测量、记录、调节仪表组装在一个表壳里，一般结构简单，价格低廉，但是其功能仅限于单回路低精度的控制。第二阶段：单元组合式仪表。随着大型工业企业的出现，生产向综合自动化和集中控制的方向发展，人们发现基地式仪表的结构不够灵活，不如将仪表按功能划分，制定若干种能独立完成一定功能的标准单元，各单元之间以规定的标准信号相互联系，这样仪表的精度可以提高。第三阶段：微机控制阶段。随着微电子技术的发展、大规模集成电路制造的成功和微处理器的问世、计算机性能价格比的明显提高以及微型
9、计算机在工业控制领域中的应用，使得温度控制系统发展到微机控制阶段。发达国家在温度控制领域的自动化水平较高，并且检测仪表和计算机控制系统较为完善。其计算机控制系统采用的形式大多已经是集散系统和分布式系统，并且配备有先进的控制算法。目前世界各工业发达国家正全力进行工厂综合自动化技术的研究。所谓综合自动化，就是在检测控制技术、信息技术、计算机控制和各种生产加工技术的基础上，从生产过程的全局出发，通过生产过程所需的各种信息的集成，把控制、优化、调度、管理、经营、决策融为一体，形成一个能适应各种生产环境的市场需求、多变性的、 总体最优的高质量、高效益、高柔性的管理生产系统。于是就产生了模糊控制、神经网络
10、、遗传算法等智能控制方法，大大促进了温度控制技术的发展。1.3 课题可行性分析本设计选取水浴为温度控制对象，需完成硬件设备由原先手动控制结构到计算机自动控制的改造，基于Visual Basic语言的软件编程，和基于牛顿模块的PID恒温控制。主要工作为：1）设备硬件的设计和改造；2）Visual Basic温控程序的编写；3）实验数据的采集分析。近年来模块化处理温控方式已较广泛地运用于精细化生产过程中需要控制温度的各种装置。本设计是以PC机、VB程序以及牛顿模块为核心的水域恒温控制系统，可以实现温度的实时采集、图线绘制、温度自动控制等功能。随着计算机的普及和计算机技术的不断发展，计算机与外围设备
11、之间的通讯显得越来越重要。由于串行通信是在一根传输线上逐位传送信息，所用的传输线较少，因此特别适合用于远距离传输数据。在实时控制和管理方面，采用多台微机处理机组成分级分部控制系统中，CPU之间的通信一般都是串行方式。所以串行接口是微机应用系统常用的接口，而相应的应用程序也成为近年来研究的热点。此外微机控制系统对外部环境的灵敏度低，对数字信号的抗干扰能力强，传输信号的成本低，并且无参数漂移等现象。因此本课题选择用PC机和串口通信实现温度自动控制是切实可行的。2 系统设计方案2.1 总体方案在本设计中,执行系统由水浴、加热电阻丝、热电偶、水管、电控阀门和调压模块组成；控制系统由PC机和牛顿模块组成
12、。2.1.1 总线方案选择 由于自动控制系统最终的数据大多要最终传输到电脑当中，因此在自动控制系统当中485总线系统应用非常广泛。PC机所拥有的接口一般是RS232串口和USB接口，所以本设计可选用RS232转RS485或者USB转RS485两种总线方案。两者分别需要使用牛顿模块I-7520和I-7561。考虑到目前USB正逐步取代串口的总趋势，因此本课程设计选用了USB转RS485的总线方案，相应的牛顿模块选用I-7651。2.1.2 控制模块选择 目前计算机自动控制系统的控制模块一般可采用数据采集卡，单片机，牛顿模块等。数据采集卡是最传统的方案，但由于其传输速率不高，加上此方案较为老式，因
13、此本设计未选用此方案。单片机有体积小巧、成本低廉，故障率低等优点，但是由于本专业的课程设置在单片机方面的知识不足以进行基于单片机的自动控制系统设计，因此本设计也未选用此方案。最后我还是选择了使用牛顿模块作为本设计的控制模块。牛顿模块具有组态简单、采集的信号稳定、抗干扰能力强、编程容易等众多优点。并且每个单一的牛顿模块都是地址可编程的，这使得用户构筑系统时更加容易。一般情况下用户无需进行硬件开发，只是选择合适的模块和变送器就行了。2.1.3 测温准确性方案选择 在设计时，我曾考虑过在水浴中央安装一个搅拌器以加快水浴温度趋向均匀的速度。但是由于这种设计的硬件改造难度较高，时间不允许，加上成本也较高
14、，因此我选用了另一个方案，即在水浴的中央和边缘各放一个热电偶进行温度采集，然后取他们的平均值，这样同样能达到提高测温准确度的目的。2.1.4 总体设计结构图模拟量采集模块I-7018 通信协议模块I-7561PC机执行运行程序 控制模块I-7024控制调压器输出电压和电控阀门开闭控制加热电阻和冷却水循环热电偶采集温度RS485总线水浴图1 总体设计结构图 整个系统的工作过程大致如下：牛顿模块I-7018对水浴温度进行实时采集，经过牛顿模块I-7561实现USB和RS485总线协议传输，把温度以数字量形式载入PC机执行PID算法后再经牛顿模块I-7561输出信号以控制牛顿模块I-7024输出电压
15、，对各外围设备的通断和功率进行调节，最终实现水浴温度的自动控制的目的。2.2 硬件设计（改造）方案2.2.1 硬件改造方案本设计的硬件系统改造方案分为以下几个部分：1）加热系统改造：用光电隔离单向交流调压模块代替原先膨胀式调节加热电阻丝功率的机械模块。2）温度采集系统改造：在中央和边缘各使用一个热电偶共同采集水温，返送给模块I-7018取平均值以提高测温准确性。3）循环水冷却系统：在水浴箱的上部和下部各开一个直径20mm的孔，接上外径20mm水管并且选用4分口径的电控阀门，以实现自动控制循环水冷却。4）控制部分所需硬件：PC机和牛顿模块I-7018、I-7024、I-7561。2.2.2 硬件结构图光电隔离
