基于温控器计算机控制系统设计实验研究课程设计任务书学士学位论文.docx
《基于温控器计算机控制系统设计实验研究课程设计任务书学士学位论文.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于温控器计算机控制系统设计实验研究课程设计任务书学士学位论文.docx（25页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
基于温控器计算机控制系统设计实验研究课程设计任务书学士学位论文
课程设计任务书
学院
专业
学生姓名
班级学号
课程设计题目
基于温控器计算机控制系统设计----实验研究
实践教学要求与任务:
1）构成计算机温度控制系统
2）熟悉温控器
3）实验调试
4）THFCS-1现场总线控制系统实验
5）撰写实验报告
工作计划与进度安排:
1）第1～2天，查阅文献，构成计算机温度控制系统
2）第3～4天，熟悉温控器
3）第5～6天，实验调试
4）第7～9天，THFCS-1现场总线控制系统实验
5）第10天，撰写实验报告
指导教师：
201年月日
专业负责人：
201年月日
学院教学副院长：
201年月日
目录
1摘要1
2温度控制器简介2
2.1温度控制器原理2
2,2温度控制器的硬件选择2
2.3PID控制的原理3
3系统组成5
3.1计算机控制系统简介5
3.2PLC简介5
3.3现场总线控制系统简介6
3.4系统组成6
4实验过程8
4.1实验装置说明8
4.2控制手段11
4.3系统组态分析12
4.4PID参数的选择14
4.5实验步骤15
5实验调试16
6实验结果与总结17
7参考文献19
1摘要
随着生产生活的需要，自动化控制越来越起到至关重要的作用。
温度控制是工业生产过程中很普遍的过程控制，人们需要对各种加热炉，热处理炉，反应炉等锅炉中温度进行测量与控制。
特别是冶金，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，因而设计一种较为理想的温度控制系统是非常有价值的，工业生产中温度控制具有单向性、时滞性、大惯性和时变性的特征，同时要实现温度控制的快速性和准确性，对于对于提高产品质量具有很重要的意义。
对于不同的场所、不同的工艺、不同的产品所需要的温度范围不同、精度也不同，则采用的温度测量元件以及温度测量方法和控制方法都有所不同；产品工艺不同、温度控制的精度不同、时效不同，则对数据采集的精度和采用的控制算法也不同。
因此对温度的控制方法要多种多样。
随着电子技术和微型计算的迅速发展，微机测量和控制技术也得到了迅速的发展和广泛的应用。
利用微机对温度进行测控的技术也随之而产生。
温度控制对象，在工业控制过程中，是相当重要的控制对象，因为温度直接的影响到了燃烧、化学反应、发酵、烘烤、蒸馏、浓度，结晶以及空气流动等物理的和化学的变化过程。
温度控制的不好很有可能引起严重的安全事故，产品质量和产量等一系列的问题。
温度控制是许多设备的重要的构成部分，它的功能是将温度控制在所需要的温度范围内，以利于进行工件的加工与处理。
不论是在生活中还是在工业生产过程中，温度的变化对生活、生产的某些细节环节都会造成不同程度的影响，所以适时地对温度进行控制具有重要的意义。
本次计算机控制系统设计是基于温度控制器的温度控制系统设计，实验要求是通过温度控制器和现场总线实验装置构成计算机温度控制系统，进行实验研究。
通过实验了解单回路温度控制系统的组成与工作原理，温度控制器和PID控制规律，并通过温度控制系统进行对被控对象的温度控制。
现代信息技术的三大基础是信息采集控制（即温度控制器技术）、信息传输（通信技术）和信息处理（计算机技术）。
温度控制器属于信息技术的前沿尖端产品，尤其是温度控制器被广泛用于工农业生产、科学研究和生活等领域，数量日渐上升。
了解国内外电子温度控制器生产核心技术的研发动向、工艺设备、技术应用及趋势对于企业提升产品技术规格，提高市场竞争力十分关键。
2温度控制器简介
2.1温度控制器原理
温度控制器是基于单片机开发的温度控制装置。
其主要功能是，根据用户设定温度与实际温度的差值来控制加热器等执行机构，从而改变温度至用户所需。
近些年来，因为温度控制器环节已经被纳入为分布式控制系统（DCS），个人电脑（PC）和可编程逻辑控制器（PLC），全球工业电子温度控制器市场增长缓慢。
随着我国电子温度控制器市场的迅猛发展，与之相关的核心生产技术应用与研发必将成为业内企业关注的焦点。
温度控制技术无论在工业生产还是日常生活中都起着重要的作用，已成为工业生产、科研活动中很重要的一个环节,能否成功地将温度控制在所需的范围内关系到整个活动的成败。
由于控制对象的多样性和复杂性,导致温度的控制方法多种多样，诸如PLC控制，和数字PID调节等等。
常规的温度控制方法以设定温度为零节点，超出设定允许范围就进行温度调控，低于设定值就加热，反之就停止或降温。
这种方法实现简单，成本低，但控制效果不理想，控制温度精度不够高，容易引起振荡，达到稳定的时间也长。
因此，只能用于精度要求不高的场合。
采用PID算法进行温度控制，它具有控制精度高，能够克服容量滞后的特点，特别适用于精度要求不高的场合。
2,2温度控制器的硬件选择
温度控制器的硬件选择通常有两种方案
方案一：
利用单片机实现温度控制
本设计主要围绕单片机进行设计，从实际应用出发，选取了体积小、精度相对较高的数字式温度传感器件DS18B20作为温度采集装置，以单片机89C51作为主控芯片，LCD1602作为显示输出。
DS18B20直接采集数据并以数字的形式传到处理器，处理器会检查现场温度并将其与用户设定的温度进行比对，实现了对温度的实时测量，当温度超出设定范围系统将会自动调节加热或者降温系统，从而实现了实时恒温控制。
方案二：
利用PLC实现温度控制
利用PLC实现恒温控制，采用PLC控制实现电热丝加热全通、间断导通和全断加热的自控方式，来保持温度的恒定。
智能型电偶温度表将置于被测对象中，热电偶的传感信号与恒定温度的给定电压进行比较，生成温差，自适应恒温控制电路根据差值大小控制电路的通断。
方案一采用单片机实现温度调节。
单片机以其功能强、体积小、可靠性高造价低和开发周期短等优点，成为自动化领域和其他测控领域中广泛应用的器件，在工业生产中成为必不可少的器件。
在温度控制系统中，单片机更是起到了不可替代的核心作用。
综上所诉采用单片机进行系统数据处理和控制成本低，而且具有较高的可靠性，保证系统工作在最佳工作状态提高系统控制精度，有利于提高系统工作效率。
对于系统动态性能与稳定要求不是很高的场合非常的合适，采用DS18B20作为温度传感器，直接得到数字信号，通过单片机对偏差进行运算。
随着微机测量和控制技术的迅速发展与广泛应用，以单片机为核心的温度采集与控制系统的研发与应用在很大程度上提高了生产生活中对温度的控制水平。
方案二采用PLC进行控制，PLC的成本比单片机高出太多，而且还要提供良好的工作环境，对周边设备的要求也很高。
:
所以大多数温度控制器采用单片机作为控制器
2.3PID控制的原理
在温度控制技术当中，PID控制技术应用相对来说比较广泛，PID控制器算法简单，计算量少，恒温效果稳定。
所以温度控制器通常采用PID算法进行温度控制。
下面介绍PID控制
比例、积分、微分控制是应用最为广泛的调节器控制规律，简称PID控制，又称PID调节。
PID控制器问世至今已有近80年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。
当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。
即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。
PID控制，实际中也有PI和PD控制。
PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。
比例（P）控制：
比例控制是一种最简单,最常用的控制方式[4]。
其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。
当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。
积分（I）控制：
在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。
对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统。
为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。
积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。
这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。
因此，比例+积分（PI）控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。
微分（D）控制：
在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。
自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。
其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后（delay）组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。
解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。
这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。
所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分（PD）控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。
PID的基本算式有：
位置型、增量型和速度型三种形式，其中最常用的事增量型式。
设u（n）为本周期PID控制器的输出（控制量），e（n）为本周期的PID输入偏差信号，e（n-1）为上一个周期的偏差信号，e（n-2）为上上个周期的偏差信号。
KP为比例增益，Ti为积分时间，Td为微分时间，则PID基本算式的公式如下：
1）位置型PID算式
（3.1）
根据微分方程和差分方程的对应关系可知，如果微分方程中的积分运算对应差分方程的累加运算，微分方程对应一个周期的增量变化，则能很容易的推导出表达式3.1。
2）增量型PID算式
（3.2）
由增量型PID算式也可以得到PID控制器的位置输出：
（3.3）
3）PID一般算式及模拟控制规律
u（t）=Kc[e（t）+
（3.4）
PID算法的原理即调节KC,TI,TD三个参数使系统达到平衡。
PID控制原理的优点在于能够在控制过程中根据预先设定好的控制规律不停地自动调节控制量以使被控系统朝着设定的平衡状态过度,最后达到控制范围精度内的稳定的动态平衡状态。
要使用好PID控制原理,关键在于根据实际情况确定PID的各种参数，可以调整PID控制参数，满足不同控制对象与控制品质要求。
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大小。
这项工作可能是费时的,但做好了,将会提高控制器的使用效果,达到较高的控制精度,是值得的。
3系统组成
3.1计算机控制系统简介
所谓计算机控制系统，就是有计算机去取代传统控制系统中控制器的相关功能。
计算机控制系统闭环控制结构主要包括计算机、过程输入/输出通道和检测与执行装置。
对于大部分计算机控制系统，其被控过程通常为连续时间系统，因此需要经过对连续信号的采样过程，将连续信号离散化，以便计算机对其进行处理。
由于引入计算机与数字信号，计算机控制系统的控制过程可以归纳为以下三个步骤：
实时数据采集，实时决策，实时控制。
以上三个步骤按顺序执行，从而使整个系统按照一定性能指标的要求进行工作、
工业控制是计算机的一个重要应用领域，计算机控制系统正是为了适应这一领域的需要而发展起来的一门专业技术，它主要研究如何将计算机技术、通过信息技术和自动控制理论应用于工业生产过程，并设计出所需要的计算机控制系统。
3.2PLC简介
可编程控制器（ProgrammableController）是集计算机技术、自动控制技术和通信技术为一体的新型自动控制装置。
其性能优越，已被广泛的应用于工业控制的各个领域，并已经成为工业自动化的三大支柱（PLC、工业机器人、CAD/CAM）之一。
PLC的工作方式是一个不断循环的顺序扫描工作方式。
每一次扫描所用的时间称为扫描周期或工作周期。
CPU从第一条指令开始，按顺序逐条地执行用户程序直到用户程序结束，然后返回第一条指令开始新的一轮扫描。
PLC就是这样周而复始地重复上述循环扫描的。
传统的加热炉电气控制系统普遍采用继电器控制技术,由于采用固定接线的硬件实现逻辑控制,使控制系统的体积增大,耗电多,效率不高且易出故障,不能保证正常的工业生产。
随着计算机控制技术的发展,传统继电器控制技术必然被基于计算机技术而产生的PLC控制技术所取代。
而PLC本身优异的性能使基于PLC控制的温度控制系统变的经济高效稳定且维护方便。
这种温度控制系统对改造传统的继电器控制系统有相当的意义。
3.3现场总线控制系统简介
现场总线控制系统为计算机控制系统典型应用形式
现场总线控制系统（FCS）是在分布式控制系统（DCS）基础上发展起来的一种高级形式，其核心是引入现场总线。
现场总线是连接过程控制现场各种智能设备与中央监控之间的全数字，双向通讯网络，是一种专门面向工业控制现场的实时，高可靠性数据传输网络。
FCS中的现场智能设备为具有标准协议现场总线接口的数字化多功能仪表，采用总线供电，具有本质安全性，一般具有良好的互换性与互操作性。
与传统的DCS相比，FCS主要改变了现场控制层的结构，摒弃了传统DCS中的相对集中现场控制，而将其化整为零，分散于各种现场仪表与设备，并通过现场总线构成相应的控制回路，实现了真正的分散控制。
3.4系统组成
温度控制系统的设计主要是通过实验的需要选择硬件，然后将选择的硬件组成控制系统。
系统结构框图和方框图如图3-1所示。
在以PLC控制为核心，加热炉为基础的温度自动控制系统中，PLC将加热炉温度设定值与温度传感器的测量值之间的偏差经PID运算后得到的信号控制输出电压的大小，从而调节加热器加热，实现温度自动控制的目的。
文章介绍了基于S7-300温度控制系统的PID调节器的实现。
本系统是一个典型的检测、信号处理、输入运算到输出控制电炉加热功率以实现水温控制的全过程。
因此，应以PLC为核心组成一个专用计算机应用系统，以满足检测、控制应用类型的功能要求。
另外，PLC的使用也为实现水温的智能化控制以及提供完善的人机界面及多机通信皆空提供了可能。
本次课程设计用THFCS-1现场总线控制系统实验设备构成温度控制系统。
以PLC为控制器，锅炉内胆作为被控对象，内胆的水温为系统的被控制量。
试验中锅炉内胆的水温稳定至给定量，将铂电阻TT1检测到的锅炉内胆温度信号作为反馈信号，在与给定量比较后的差值通过调节器控制三相调压模块的输出电压（即三相电加热管的端电压），以达到控制锅炉内胆水温的目的。
THFCS-1现场总线控制系统实验装置是由实验控制对象、实验控制柜及上位监控PC机三部分组成。
本实验装置控制柜中的CPU模块采用CP5611网卡进行通讯通讯方式。
通讯协议为PROFIBUS-DP。
图3-1锅炉内胆温度特性测试系统
a）结构图（b）方框图
本实验控制系统流程图如图3-2所示。
图3-2实验控制系统流程图
本实验主要涉及两路信号，一路是现场测量信号锅炉内胆温度，另外一路是控制移项调压模块输出的控制信号。
锅炉内胆温度的检测装置为PT100热电阻，PT100热电阻检测到的信号传送给温度变送器，本系统采用带PROFIBUS-PA通讯接口的温度变送器，挂接在PROFIBUS-PA总线上，PROFIBUS-PA总线通过LINK和COUPLER组成的DP链路与PROFIBUS-DP总线交换数据，PROFIBUS-DP总线上挂接有控制器CPU315-2DP，这样就完成了现场测量信号到CPU的传送。
本实验的执行机构为移项调压块，移项调压模块所需的控制信号是4到20mA电流信号。
控制信号由控制器CPU315-2DP发出，经由PROFIBUS-DP总线到达分布式I/O模块ET200M，模拟量输出模块SM332和分布式I/O模块ET200M直接相连，最后模拟量输出4到20mA电流信号控制移项调压模块的输出电压。
4实验过程
本实验是通过THFCS-1现场总线控制系统实验装置构成温度控制系统，使其锅炉内胆水温保持在给定值。
该系统由水箱、阀门、变频器、磁力泵、锅炉内胆、三相调压装置、电加热管、温度传感器、可编程逻辑控制器等组成。
PID控制器通过检测温度信号实时控制调节阀的开度以及可控硅的电压，使锅炉内胆水温保持在给定值左右的一定范围之内。
本系统可以通过外部端子的开关或者远程监控，使系统自动进行PID运算，保证最后锅炉内的水温。
4.1实验装置说明
实验对象总貌图如图4-1所示：
一、本实验装置对象主要由水箱、锅炉和盘管三大部分组成。
供水系统有两路：
一路由三相（380V恒压供水）磁力驱动泵、电动调节阀、电磁阀、涡轮流量计及手动调节阀组成；另一路由变频器、三相磁力驱动泵、涡轮流量计及手动调节阀组成。
被控对象
由不锈钢储水箱、（上、中、下）三个串接有机玻璃水箱、4.5KW三相电加热模拟锅炉（由不锈钢锅炉内胆加温筒和封闭式锅炉夹套构成）、盘管和敷塑不锈钢管道等组成。
1．水箱：
包括上水箱、中水箱、下水箱和储水箱。
2．模拟锅炉：
是利用电加热管加热的常压锅炉。
3．盘管：
模拟工业现场的管道输送和滞后环节，
4．管道及阀门：
整个系统管道由敷塑不锈钢管连接而成，
图4-1实验对象总貌图
检测装置
1．压力传感器、变送器：
三个压力传感器分别用来对上、中、下三个水箱的液位进行检测，其量程为0～5KP，
2．温度传感器：
装置中采用了六个Pt100铂热电阻温度传感器，分别用来检测锅炉内胆、锅炉夹套、盘管（有3个测试点）以及上水箱出口的水温。
3．模拟转换器：
三个模拟转换器（涡轮流量计）分别用来对由电动调节阀控制的动力支路、由变频器控制的动力支路及盘管出口处的流量进行检测。
执行机构
1．电动调节阀：
采用智能直行程电动调节阀，用来对控制回路的流量进行调节。
2．水泵：
本装置采用磁力驱动泵，型号为16CQ-8P，流量为30升/分，扬程为8米，功率为180W。
3．电磁阀：
在本装置中作为电动调节阀的旁路，起到阶跃干扰的作用。
4．三相电加热管：
由三根1.5KW电加热管星形连接而成，用来对锅炉内胆内的水进行加温，每根加热管的电阻值约为50Ω左右。
二、“THJ-3型西门子PLC过程控制系统”的控制柜主要由电源控制组件、西门子PLC控制组件、变频器控制组件等几部分组成。
1、电源控制组件
充分考虑人身安全保护，装有漏电保护空气开关。
接上三相四线电源，打开总电源开关，此时三只电压表均指示380V左右，控制柜后面的插座带电；打开风扇开关，可以给控制柜散热；打开控制站电源，西门子S7-300PLC既可上电。
打开三相电源开关后，打开三相磁力泵和三相电加热管开关既可各自上电。
打开单相电源开关后，打开电动调节阀、变频器、电磁阀开关既可各自上电。
2、西门子PLC控制组件
在本装置中采用了S7-300PLC控制系统。
S7-300PLC控制系统：
本实验装置采用了的中小型PLC（CPU315-2DP主机模块，SM323：
8路数字量输入输出模块，SM331：
8路模拟量输入模块，SM332：
4路模拟量输出模块，CP343-1以太网模块。
）以及一块西门子CP5611专用网卡和一根MPI网线。
3、交流变频器
采用日本三菱公司的FR-D720S-0.4K-CHT型变频器，控制信号输入为4～20mADC，交流220V变频输出用来驱动三相磁力驱动泵。
4、三相移相SCR调压装置
采用三相可控硅移相触发装置，输入控制信号为4～20mA标准电流信号，其移相触发角与输入控制电流成正比。
输出交流电压用来控制电加热器的端电压，从而实现锅炉温度的连续控制。
三、本装置中PLC控制方案采用了德国西门子公司的S7-300PLC，采用的是Step7编程软件。
利用这个软件可以对PLC进行编程、调试、下装、诊断。
S7-300PLC控制方案采用WinCC软件作为上位机监控组态软件，西门子公司的WinCC是WlndowsControIConter（视窗控制中心）的简称。
WinCC是结合西门子在过程自动化领域中的先进技术和Microsoft的强大功能的产物。
作为一个国际先进的人机界面（HMI）软件和SCADA系统，WinCC提供了适用于工业的图形显示、消息、归档以及报表的功能模板；并具有高性能的过程耦合、快速的画面更新、以及可靠的数据；WinCC还为用户解决方案提供了开放的界面，使得将WinCC集成入复杂、广泛的自动化项目成为可能。
4.2控制手段
实践证明温度对象的特点是:
时间常数大，滞后现象严重，反应在控制系统上，就是被控温度的变化滞后于调节器的输出。
我们知道热量的传递是需要一定时间的，温度上升的快慢与其热容量的大小有关，通常温度的上升与下降和时间的关系是一个指数曲线关系。
而产生滞后则与热量的传递过程有关，再者测温元件也有一定的惯性，这些都会产生滞后现象。
水温控制系统的控制对象具有热储存能力大，惯性也较大的特点，水在容器内的流动或热量传递都存在一定的阻力，因为可以将它归于具有纯滞后的一阶大惯性环节。
一般来说，热过程大多具有较大的滞后，它对于任何信号的响应都会推迟一些时间，使输出与输入之间产生相移。
对于这样存在大的滞后特性的过度过程控制，一般可以采用以下几种控制方案。
1）、输出开关量控制
2）、比例控制（P控制）
3）、比例积分控制（IP控制）
4）、比例积分加微分控制（IPD控制）
结合本例题设计任务与我们采用比例积分加微分（PID）控制。
其特点是微分的作用使控制器的输出与偏差变化的速度成比例，它对克服对象的容量滞后有显著地效果。
在比例基础上加入微分作用，使稳定性提高，同时积分作用可以消除余差。
采用PID的控制方式，可以最大限度地满足系统对诸如控制精度，调节时间和超调量等控制品质的要求。
通过以上的分析，系统的总的滞后时间比较大，升温的滞后时间相对降温来说是比较小的。
因此，在PID调节中，要使系统的品质变好，除了加入适当的积分以消除静态误差外，还应该加强比例作用使调节更加灵敏，减小调节时间，同时还应该加入适当的微分作用，使系统的超调量减小。
在本次课程设计中，PID控制器通过检测温度信号实时控制调节阀的开度以及三相调压模块的输出电压，使锅炉内胆水温保持在给定值左右的一定范围之内。
该系统不仅采用自动控制原理，而且采用控制调节阀流量的开度的可变量来精确的控制锅炉内胆的水温。
4.3系统组态分析
组态就是用应用软件中提供的工具、方法，完成工程中某一具体任务的过程。
组态软件是有专业性的，一种组态软件只能适合某种领域的应用。
组态的概念最早出现在工业计算机控制中，如DCS（集散控制系统）组态，PLC梯形图组态。
人机界面生成软件就叫工控组态软件。
工业控制中形成的组态结果是用在实时监控的。
从表面上看，组态工具的运行程序就是执行自己特定的任务。
WinCC是西门子公司开发的上位机组态软件，通过WinCC可以与STEP7通讯，对控制对象进行远程检测和控制。
监控设计画面如图4-2所示。
图4-2实验界面
WINCC指的是WindowsControlCenter，它是在生产和过程自动化中解决可视化和控制任务的监控系统，它提供了适用于工业的图形显示、消息、归档以及报表的功能模板。
高性能的功能耦合、快速的画面更新以及可靠的数据交换使其具有高度的实用性。
WINCC是基于WindowsNT32位操作系统的，在WindowsNT或Windows2000标准环境中，WINCC具有控制自动化过程的强大功能，它是基于个人计算机，同时具
升级会员 