自动化控制系统课程设计.docx
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自动化控制系统课程设计
电烤箱的炉温控制系统设计
姓名：
学号：
班级：
DesignofTemperatureControlSystemofElectricOven
Supervisor:
ProfessorMengHongji
NortheasternUniversity
December2016
摘要
本次课程设计是灵活运用自动检测技术及仪表、过程控制仪表、过程控制系统等相关基本知识和基本理论模拟设计一个过程控制系统。
通过对电烤箱控制系统的工作方案设计、设备选型及其连线，从而利用阶跃输入炉温控制系统的对象-传递函数确定。
根据确定的对象-传递函数求得PID参数的理论值。
编写组态王软件程序，设计合理的人机交互。
利用组态王软件编制的上位机监控软件，将PID参数传输给控制器。
在上位机输入PID参数，根据PID调节规律进行多次调试，完成单回路PID炉温控制的实现。
核心工作就是找到合适的PID参数，利用试凑法加调节经验多次尝试，最终调出合适的输出曲线。
经过设计一个过程控制系统，培养了解决实际问题的能力。
关键词：
过程控制，PID参数，软件程序，炉温控
Abstract
Thecoursedesignisaprocesscontrolsystemwhichisusedtosimulatethebasicknowledgeandbasictheoryofautomaticdetectiontechnologyandinstrument,processcontrolinstrument,processcontrolsystemandsoon.Throughtheelectricovencontrolsystemschemedesign,equipmentselectionandconnection,thestepinputtemperaturecontrolsystemofobject-transferfunctionsaredetermined.ThetheoreticalvalueofthePIDparameterisobtainedbydeterminingtheobjecttransferfunction.PreparationofKingviewsoftwareprogram,therationaldesignofhuman-computerinteraction.ThePCmonitoringsoftwareKingviewsoftware,thePIDparameteristransmittedtothecontroller.InthePCPIDinputparameters,accordingtothePIDrulesfortheregulationrepeatedlydebugging,wecancontrolthesingleloopPIDtemperatureofthestove.ThemostimportantworkistofindappropriatePIDparameters,usingtrialanderrormethodregulationexperienceseveralattempts,finallymixtheproperoutputcurve.Throughthedesignofaprocesscontrolsystem,itcancultivatetheabilitytosolvepracticalproblems.
KeyWords:
processcontrol,PIDparameter,softwareprogram,temperatureofthestove
目录
摘要I
AbstractII
目录III
第一章概述1
1.2.1控制系统的工作原理1
1.2.2控制系统的硬件选择1
1.2.3炉温控制系统-对象传递函数的辨识2
1.2.4炉温单回路控制系统的实现2
第二章课程设计任务及要求3
2.1.1理论设计部分3
2.1.2系统设计3
2.1.3安装调试部分3
2.2设计要求3
第三章系统硬件设计5
3.1设计电路连接5
3.2设计需要的设备5
3.2.1可控硅5
3.2.2固态继电器：
6
3.2.3CD901智能仪表7
3.2.4RS232/RS485转换器7
第四章组态监控软件的编制8
4.1建立一个新工程8
4.2设备连接8
4.3图形界面的设计8
4.4构造数据库9
4.5动画连接9
4.5.2按钮10
4.6命令语言11
第五章单回路PID控制算法的参数调试12
5.1PID控制器的参数整定12
5.2一般PID控制算法13
5.3调试过程14
5.4结论19
学习心得20
第一章概述
1.1课程设计目的
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。
1.2设计步骤
1.2.1控制系统的工作原理
控制系统的原理设计主要包括以下几方面的内容：
（1）过程描述——对过程运行情况、操作方法进行介绍；
（2）检测参数选择和控制参数选择，并简要分析选择原因；
（3）绘制控制系统检测控制原理图和系统方框图。
1.2.2控制系统的硬件选择
根据本系统特点，参考实例，对炉温控制系统进行设计。
设计时具体设备数量、原理选择可以不局限于现有系统，学生可以利用所学知识设计更合理的系统。
本设计内容设计前需要查询大量仪表设备资料，根据系统需要选择自己认为最合适的设备，再进行接线图设计。
希望同学能够利用所学知识和可获得的资料，设计、选择与现有系统不同的特色方案，并进行比较分析。
对有特色的方案将进行加分。
（1）模拟量输入/输出设备的选择；
（2）控制元件或模块的选择及其工作原理分析；
（3）检测元件的选择及其工作原理；
（4）温度变送器的选择；
（5）组态软件的选择
（6）给出温控系统的接线图。
1.2.3炉温控制系统-对象传递函数的辨识
（1）控制对象的特点分析
（2）组态软件的开发
人机交互界面的设计；
●采集数据的量程转换；
●采样温度曲线的显示；
●采样数据的滤波方式选择及其原理、滤波前后曲线的对比；
●采样数据的存储。
（3）对象特性的辨识
●利用矩形脉冲响应曲线法求取对象特性；
●利用阶跃响应曲线法求取对象特性。
1.2.4炉温单回路控制系统的实现
（1）PID控制器的参数整定
（2）组态软件的开发
第二章课程设计任务及要求
2.1设计任务
自己提出系统题目并完成设计、并实现，按要求完成设计报告。
对系统的主回路和控制回路进行设计，同时系统当中要具备检测、显示和保护功能。
2.1.1理论设计部分
独立完成系统的原理设计。
说明系统实现的功能，应达到技术指标，进行多种方案的论证，确定最佳设计方案。
画出电路图，说明各部分电路的工作原理，初步选定所使用的各种器件的主要参数及型号，列出元器件明细表。
2.1.2系统设计
根据理论设计，验证所设计方案的正确性。
分析系统的工作原理，写出报告。
2.1.3安装调试部分
实现所设计的系统，并进行单元测试和系统调试。
完成系统功能。
若系统出现故障，排除系统故障，分析并记录系统产生故障的原因，并将此部分内容写在报告中。
2.2设计要求
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。
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。
第三章系统硬件设计
3.1设计电路连接
计算机作上位机监控，由智能仪表完成闭环，485网络，可远程监控及操作。
能构成多回路、多对象的计算机控制系统，即计算机集散控制系统。
（多种不同类型设备如变频器，PLC，数字调速装置构成系统需多条485网络）。
整个电路设计如图3.1所示，
图3.1电路设计图
3.2设计需要的设备
电烤箱：
1个；控制装置：
1套；组态王软件：
1套；温度测量元件：
1个；双向可控硅调压元件：
1个。
3.2.1可控硅
可控硅，是可控硅整流元件的简称，是一种具有三个PN结的四层结构的大功率半导体器件，亦称为晶闸管。
具有体积小、结构相对简单、功能强等特点，是比较常用的半导体器件之一。
该器件被广泛应用于各种电子设备和电子产品中，多用来作可控整流、逆变、变频、调压、无触点开关等。
家用电器中的调光灯、调速风扇、空调机、电视机、电冰箱、洗衣机、照相机、组合音响、声光电路、定时控制器、玩具装置、无线电遥控、摄像机及工业控制等都大量使用了可控硅器件。
可控硅有多种分类方法。
（1）按关断、导通及控制方式分类：
可控硅按其关断、导通及控制方式可分为普通可控硅、双向可控硅、逆导可控硅、门极关断可控硅（GTO）、BTG可控硅、温控可控硅和光控可控硅等多种。
（2）按引脚和极性分类：
可控硅按其引脚和极性可分为二极可控硅、三极可控硅和四极可控硅。
（3）按封装形式分类：
可控硅按其封装形式可分为金属封装可控硅、塑封可控硅和陶瓷封装可控硅三种类型。
其中，金属封装可控硅又分为螺栓形、平板形、圆壳形等多种；塑封可控硅又分为带散热片型和不带散热片型两种。
（4）按电流容量分类：
可控硅按电流容量可分为大功率可控硅、中功率可控硅和小功率可控硅三种。
通常，大功率可控硅多采用金属壳封装，而中、小功率可控硅则多采用塑封或陶瓷封装。
（5）按关断速度分类：
可控硅按其关断速度可分为普通可控硅和高频（快速）可控硅。
3.2.2固态继电器：
固态继电器（SolidStateRelay,缩写SSR），是由微电子电路，分立电子器件，电力电子功率器件组成的无触点开关。
用隔离器件实现了控制端与负载端的隔离。
固态继电器的输入端用微小的控制信号，达到直接驱动大电流负载。
控制电压和负载电压按使用场合可以分成交流和直流两大类，因此会有DC-AC，DC-DC，AC-AC，AC-DC四种型式，它们分别在交流或直流电源上做负载的开关，不能混用按负载电源的类型不同可将SSR分为交流固态继电器（AC—SSR）和直流固态继电器（DC—SSR）。
AC—SSR是以双向晶闸管作为开关器件，用来接通或断开交流负载电源的固态继电器。
AC—SSR的控制触发方式不同，又可分为过零触发型和随机导通型两种。
过零触发型AC—SSR是当控制信号输入后，在交流电源经过零电压附近时导通，故干扰很小。
随机导通型AC—SSR则是在交流电源的任一相位上导通或关断，因此在导通瞬间可能产生较大的干扰。
3.2.3CD901智能仪表
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（加热器断线报警、控制环断线报警）等功能，可进行热电偶、热电阻输入，采样周期：
0.5秒，过程值偏置：
-1999～9999℃[oF]或-199.9～999.9℃[oF]（温度输入）±全量程（电压/电流输入）全量。
3.2.4RS232/RS485转换器
用RS-232/RS-485转换器来实现计算机与仪表和控制箱的通讯。
它按RS-232规定的协议工作。
RS-232是规定连接电缆的机械、电气特性、信号功能及传送过程。
目前在IBMPC机上的COM1、COM2接口，就是RS-232C接口。
当通信距离较近时，可不需要Modem，通信双方可以直接连接，这种情况下，只需使用少数几根信号线。
最简单的情况，在通信中根本不需要RS-232C的控制联络信号，只需三根线（发送线、接收线、信号地线）便可实现全双工异步串行通信。
第四章组态监控软件的编制
4.1建立一个新工程
在工程浏览器中双击“新建工程”图标，建立一个新工程，进入“组态王”工程浏览器。
4.2设备连接
本次实验硬件设备选用理化公司生产的CD901数字温度控制器。
点击工程浏览器树形菜单下面的----设备----COM1---右面的新建图标，选择“智能仪表-理化-CD901-串口”，定义地址为10
双击工程浏览器左侧树形菜单中的“COM1”，对智能仪表CD901进行I/O设置
图4.1I/O设置
4.3图形界面的设计
双击我们设计的画面或新建一个画面，进入“组态王”开发系统，这时开始设计界面。
界面应包含一条温度曲线用以采集并绘出实时温度，两个按钮用以启动和停止程序，两处字符显示用以表示给定温度值和实时温度值，另外需在界面显示编程人的班级、学号、姓名等信息。
用到的控件应包括：
一个“X-Y轴曲线”控件，2个矩形、2个按钮，以及必要的文本。
4.4构造数据库
在这个工程中需要定义8个变量，变量属性如表4.2：
表4.2
变量名称
变量类型
连接设备
数据类型
读写属性
寄存器
PV
I/O实型
CD901
FLOAT
只读
M0
SV
I/O实型
CD901
FLOAT
读写
M8
AUTO_TUNING
I/O离散型
CD901
BIT
读写
M15
H_P
I/O实型
CD901
FLOAT
读写
M17
I
I/O实型
CD901
FLOAT
读写
M18
D
I/O实型
CD901
FLOAT
读写
M19
start
内存离散型
CD901
\
\
\
runtime
内存整型
CD901
\
\
\
其中PV表示温度的采样值，SV表示温度的给定值，AUTO_TUNING表示自动切换值，H_P表示加热比例带，start用来设置开始标志，runtime表示当前时间。
4.5动画连接
4.5.1文本
设置PH
图4.2PH设置
设置SV
图4.3SV设置
4.5.2按钮
需设置表示开始、停止功能的按钮。
4.6命令语言
画面语言写入，在屏幕上单击鼠标右键，在出现的快捷菜单中选择画面属性，在出现的画面属性对话框中选择命令语言，出现画面命令对话框，将每xxxx毫秒的值改为1000，在空白处键入：
if（\\本站点\start==1）
{
xyAddNewPoint（"maruihaoo",\\本站点\runtime,\\本站点\PV,0）;
xyAddNewPoint（"maruihaoo",\\本站点\runtime,\\本站点\SV,1）;
\\本站点\runtime=\\本站点\runtime+1;}
至此，整个开发工程已经完成。
第五章单回路PID控制算法的参数调试
比例控制能迅速反应误差，从而减小误差，但比例控制不能消除稳态误差，比例系数Kp太小不容易达到给定，Kp过大，会引起系统的不稳定；积分控制的作用是，只要系统存在误差，积分控制作用就不断的积累，输出控制量以消除误差，因而，只要有足够的时间，积分控制将能完全消除误差，积分作用太强会使系统超调加大，甚至使系统出现振荡；微分控制可以减小超调量，克服振荡，使系统的稳定性提高，同时加快系统的动态响应速度，减小调整时间，从而改善系统的动态性能。
对于炉温控制来说，由于加热炉的降温完全依靠自然散热，微分控制的作用并不明显[2]。
5.1PID控制器的参数整定
PID控制器的参数可以在被控对象模型未知的情况下采用试凑法[3]来整定，试凑法的步骤为：
先比例、再加积分、最后加微分。
首先只整定比例部分，由小到大调节比例系数直到系统输出反应较快，超调较小，稳态误差达到允许范围内，即可确定比例系数；然后加入积分作用，积分系数应由小到大，并将已整定好的比例系数略微缩小，观察系统输出响应，直到动态特性较好，而且完全消除静差，即可确定积分系数；最后加入微分作用，微分系数仍然是由小到大，同时配合修改比例系数和积分系数，以获得良好的调节效果，确定微分系数。
如果获得被控对象模型，则可以采用仿真试验来整定，可以节约时间。
对于传递函数可近似为一阶惯性加滞后环节的被控对象：
（5-1）
采用典型PID控制器：
，可以用Z－N（Zieglor－Nichols）经验公式：
（5-2）
进行初步整定，然后用试凑法进行微调整定。
5.2一般PID控制算法
PID控制器的微分方程为：
（5-3）
在计算机控制系统中，使用数字PID，将上式离散化，写成差分方程：
（5-4）
式中：
——积分系数；
——微分系数。
上式是位置式PID算式，也可以写成增量式，其差分方程：
（5-5）
位置型PID控制算式因为要累加偏差，计算量大，不仅要占用较多的存储单元，而且不便于编写程序，计算机的任何故障都可能引起u（k）的大幅度变化；增量式算法不需要做累加，控制量增量的确定仅与最近几次误差采样值有关，计算误差或计算精度问题对控制量的计算影响较小。
这里采用增量式表示的位置式PID，其差分方程为：
（5-6）
程序流程图如图5.1所示：
图5.1一般PID算法流程图
5.3调试过程
第一次，P=50，I=3600，D=0，此时最高温=97℃，如图5.2。
曲线未到设定值，继续进行试验。
应该继续调P，先找出P的变化对曲线有什么影响。
图5.2第一次实验
第二次，减小P,观察对曲线有何影响，能否使曲线达到设定值。
P=10，I=3600，D=0，第一个最高温=111.7℃，第一个最低温=102℃，第二个高温=107.9℃，如图5.3。
曲线超调不够，稳定值低于设定值。
但是第一次能达到设定值，说明P的值应该差不多，该调I和D的值了。
图5.3第二次实验
第三次，设置P＝15，根据经验公式计算得。
P=15，I=195，D=48，第一个最高温=106.5℃，曲线未到设定值如图5.4。
曲线超调不够。
图5.4第三次实验
第四次，同时减小I和D，增大积分作用，减小微分作用。
P=15，I=130，D=30，第一个最高温=109.8℃，仍然未达到设定值如图5.5。
曲线超调不够。
图5.5第四次实验
第五次，已知增大积分作用对曲线有积极作用，减小I。
P=15，I=90，D=20，第一个最高温=112.7℃，第一个最低温=106.8℃，第二个高温=114.2……，如图5.6。
曲线超调不够，衰减比也不佳，有发散趋势。
图5.6第五次实验
第六次，由于有发散趋势，增加P。
P=25，I=90，D=20，第一个最高温=119.6℃，超调量过大，如图5.7。
图5.7第六次实验
第七次，因为增大了P,所以微调I，减小激奋作用。
P=20，I=125，D=38，第一个最高温=113.1℃，比较符合如图5.8。
曲线形状不佳。
图5.8第七次实验
第八次，适当增大P、I，减小D。
P=35，I=135，D=30，第一个最高温=117.6℃，第一个最低温=118。
5℃，第二个高温=111.8℃，如图5.9。
超调为7.6，衰减比大约为4：
1。
图5.9第八次实验
5.4结论
PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。
它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小[4]。
任何闭环控制系统的首要任务是要稳（稳定）、快（快速）、准（准确）的响应命令。
PID调整的主要工作就是如何实现这一任务。
比例：
增大比例系数P将加快系统的响应，它的作用于输出值较快，但不能很好稳定在一个理想的数值，不良的结果是虽较能有效的克服扰动的影响，但有余差出现，过大的比例系数会使系统有比较大的超调，并产生振荡，使稳定性变坏。
积分：
积分能在比例的基础上消除余差，它能对稳定后有累积误差的系统进行误差修整，减小稳态误差。
微分：
微分具有超前作用，对于具有容量滞后的控制通道，引入微分参与控制，在微分项设置得当的情况下，对于提高系统的动态性能指标，有着显著效果，它可以使系统超调量减小，稳定性增加，动态误差减小。
综上所述：
P---比例控制系统的响应快速性，快速作用于输出，对应“快”
I---积分控制系统的准确性，消除过去的累积误差，对应“准”
D---微分控制系统的稳定性，具有超前控制作用，对应“稳”
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