铂热电阻温度自动控制系统的设计.docx
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铂热电阻温度自动控制系统的设计
学号：
19
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
自动化1005班
姓名
陈滨
指导教师
刘小珠
2014
年
1
月
10
日
课程设计任务书
学生姓名：
陈滨专业班级：
自动化1005
指导教师：
刘小珠工作单位：
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：
“过程控制系统和使用”、“过程控制系统和仪表”、“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：
仪表和过程控制系统等。
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：
1目录；
2摘要；
3生产工艺和控制原理介绍；
4控制参数和被控参数选择；
5控制仪表及技术参数；
6控制流程图及控制系统方框图；
7总结和展望；（设计过程的总结，还有没有改进和完善的地方）；
8课程设计的心得体会（至少500字）；
9参考文献（不少于5篇）；
10其它必要内容等。
时间安排：
具体时间
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
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和设定值比较，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和相关学科的联系。
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、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使用，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控制系统原理框图
2控制参数和被控参数选择
图2控制系统示意图
如图2所示，热介质（比热值大的液体）经热交换器和传导介质婚后后，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）。
3-a
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）传导介质和热介质混合后，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
经过热交换器中和传导介质混合和滞后[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,具体使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100Ω,是一种标准化器件。
工作温度范围:
-200～+850℃,考虑到工业的实际使用,本系统设计的测量范围为0～100℃。
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和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=100Ω;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,电阻和温度呈非线性关系,但当测量精度要求较低时,电阻值和温度的函数关系可以简化为:
实际使用中,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,由于引线电阻和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4~20mA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4~20mA转换为0~5V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,并换算成和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。
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，由于温度控制过程是通过热传导效应来实验的，而热传导效应本身存在一定的延时，所以在选择调节阀时希望能具有快开/关特性在一定程度上抵消传导效应的延时。
而对于单双座的选择也同样遵循对流量影响较大的原则，选择双座形。
综上所述，可以选择平板形阀芯（具有快开特性）的气开式直通双座阀。
3.3调节器及技术参数的选择
3.3.1调节规律的选择
系统算法控制采用工业上常用的位置型PID数字控制，并且结合特定的系统加以算法的改进，形成了开关量控制—积分分离PID控制相结合的自动识别的控制算法。
该方法不仅减小了超调量，而且有效地克服了积分饱和的影响，使控制精度提高。
长期以来国内外科技工作者对温度控制器进行了广泛深入的研究，产生了大批温度控制器，如性能成熟使用广泛的PID调节器、智能控制PID调节器、自适应控制等。
此处主要对一些控制器特性进行分析以便选择适合的控制方法使用于改造。
常用的控制算法有以下几种：
（1）经典的比例积分微分控制算法；
（2）根据动态系统的优化理论得到的自适应控制和最优控制方法；
（3）根据模糊集合理论得到模糊控制算法。
自适应控制、最优控制方法以及模糊控制算法是建立在精确的数学模型基础上的，在实时过程控制中，由于控制对象的精确数学模型难于建立，系统参数经常发生变化，运用控制理论进行综合分析要花很大代价，主要是时间。
同时由于所得到的数学模型过于复杂难于实现，在实时控制系统中要求系统的控制信号的给出要及时，所以在目前的过程控制系统中较少采用自适应控制、最优控制方法和模糊控制算法。
目前在过程控制中使用较多的还是PI控制算法、PD控制算法和PID控制算法。
温度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，空气的流动或加热片热量传递都存在一定的阻力，因而可以归于具有纯滞后的一阶大惯性环节。
对于大惯性系统的过渡过程控制，一般可采用以下几种控制方案：
（1）开关量控制
这种方法通过比较给定值和被控参数的偏差来控制输出的状态，开通或关断，因此控制过程十分简单，也容易实现；但由于输出控制量只有两种状态，使被控参数在两个方向上变化的速率均为最大，因此容易引起反馈回路振荡，控制精度不高；这种控制方案一般在大惯性系统对控制精度和动态特性要求不高的情况下采用。
如图5a所示。
（2）比例控制（P控制）
比例控制的输出和偏差成比例关系，当负荷变化时，抗干扰能力强，过渡过程时间短，但过程终了存在余差；适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、允许被控量在一定范围内变化的系统。
如图5b所示。
（3）比例积分控制（PI控制）
控制器的输出和偏差的积分成比例，积分的作用使过渡过程结束时无余差，但降低了系统的稳定性；PI控制适用于滞后较小，负荷变化不大，被控量不允许有余差的控制系统。
如图5c所示。
（4）比例积分加微分控制（PID控制）
微分的作用是使控制器的输出和偏差变化的速度成比例，它对克服对象的容量滞后有显著的效果；在比例基础上加入微分作用，使稳定性提高，再加上积分作用，可以消除余差；PID控制适用于负荷变化大、容量滞后较大、控制品质要求又很高的控制系统。
如图5d所示。
5a5b
5c5d
图5控制算法图示
PID调节器是一种线性调节器，这种调节器是将设定值x和实际输出值y进行比较构成偏差。
e=x-y
并将其比例、积分、微分通过线性组合构成控制量。
其动态方程为：
对上式进行拉式变换，既得到PID调节器的传递函数：
其中
---为调节器的比例度
---为积分时间常数
---为微分时间常数
3.3.2技术参数的选定
调节器技术参数的选定可根据工程整定法中的稳定边界法来选定，具体方法如下：
在生产工艺容许的情况下，先让调节器按比例比例调节工作。
从小到大逐渐改变调节器的比力度，直至系统产生等幅振荡；记录此时的（临界）比例度
和等幅振荡周期
，再通过经验公式的简单计算，求出调节器的整定参数。
步骤归纳如下：
（1）首先取
，
，根据广义对象特性选择一个较大的比例度P值，并在工况稳定的情况下，将控制系统投入自动运行状态。
（2）等系统平稳运行后，对设定值施加一个阶跃扰动，并减小P，直到系统出现等幅振荡——临界振荡过程。
记录下此时的临界比例度
和系统等幅振荡周期
。
（3）根据所记录的
和
，按图6中表格所给出的经验公式计算调节器的整定参数
、
和
，并按计算结果设置调节器参数，再做设定值扰动实验，如此反复，直至得到满意的结果为止。
整定参数
调节规律
（%）
P
2
PI
2.2
0.85
PID
1.7
0.5
0.125
图6稳定边界法整定参数计算表
稳定边界法经验公式的理论依据是在纯比例调节时，系统的最佳放大倍数约等于临界放大倍数
的一半。
4控制流程图及控制系统方框图
4.1控制系统流程图
图7控制系统流程图
如图所示，该控制系统假定被控系统为一容器，通过安置在容器底部的铂热电阻传感器（所测温度在0-500℃）。
温度控制过程是通过调节器（采用单片机）控制加入加热间加热介质的温度以热传导的效应将热能传给被控系统。
4.2控制系统方框图
图8控制系统方框图
本控制系统采用的是单闭环回路控制，以热介质的流量作为控制变量，则传导介质的流量为干扰量，控制规律采用PID调节控制，经过理论分析该系统能够在控制品质和抗干扰方便有较好的效果。
5总结和展望
该温度自动控制系统是以铂热电阻为传感器测量已设容器底端温度（既为容器内温度），通过A/D转换将信号传送给调节器单片机。
调节器控制热介质旁路阀门的开关量从而控制其流量，间接控制了进入加热间介质的温度，既加热的程度。
而调节器内预写入的PID控制规律使得温度控制系统对于突然的干扰及客观存在的通过滞后特性都有了一定程度上的抵消，令控制效果大为改善。
同时系统也存在不足和改善的空间：
（1）由于系统是通过液体对液态系统控制，从系统的可操作性及简洁性上考虑，并未设计完善的火花防爆系统；
（2）控制系统没有对故障发生预设方案，若系统发生故障，则调节阀1关闭，但热介质仍源源不断地进入热交换器和传导介质混合，虽然不足以构成安全问题，但造成了资源的浪费；（3）随着科技进步和理论体系的不断发展，该控制系统中的部分设备及数学公式存在改进的空间。
6课程设计的心得体会
本学期的过程控制系统的学习到此告一段落了，经过半年的学习，使得我对过程控制有了初步的了解。
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。
课本分别介绍了传感器、执行器（调节阀）、调节阀、及控制规律等几个主要环节介绍了过程控制的设计及建立并通过几个实例来加深我们的了解。
此次课程设计我的题目是铂热电阻温度控制系统。
温度控制系统是工业过程控制的典型，广泛运用于冶金、化工、建材、食品、机械、石油等工业中，可以说是最常见的过程控制系统类型。
而设计的要求相比于书中的例题则实际且具体得多，这就要求我不能空泛地去谈理论，而是应该从实际生产的角度出发去查阅相关的资料来建立具有较强操作性的控制系统。
这极大了加强了我的实际动手能力及对理论知识实践化的程度。
当然，在课程设计的过程中也少不了向同学及老师的求助，在此我特别地感谢给予我指导的课程设计老师
参考文献
[1]何希才,任力颖,杨静.实用传感器接口电路实例
[2]林国汉,王迎旭.基于单片机的温度远程控制系统设计
[3]陈德龙,秦会斌.基于Pt100的电子温度表设计
[4]才智,范长胜,杨冬霞.Pt100铂热电阻温度测量系统的设计
[5]李芸婷,万振凯.Pt100温度传感器数据实时采集
[6]王再英，刘淮霞，陈毅静.过程控制系统和仪表
本科生课程设计成绩评定表
姓名
性别
专业、班级
课程设计题目：
课程设计答辩或质疑记录：
成绩评定依据：
序号
评定项目
评分成绩
1
选题合理、目的明确（10分）
2
设计方案正确，具有可行性、创新性（20分）
3
设计结果可信（例如：
系统建模、求解，仿真结果）（25分）
4
态度认真、学习刻苦、遵守纪律（15分）
5
设计报告的规范化、参考文献充分（不少于5篇）（10分）
6
答辩（20分）
总分
最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）
指导教师签字：
2014年1月12日
升级会员 