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1、计算机控制系统说明书内蒙古工业大学课程设计（论文）任务书课程名称：计算机控制系统课程设计 学院：电力学院 班级： 自动化07-2班 学生姓名： 许志强 _ 学号： 200710202054 指导教师：刘磊 李志明 一、题目温度控制系统的设计与实现二、目的与意义通过本设计，学生可以加深对温度控制这一过程系统建模、仿真、分析、控制策略设计及实现的理解，熟悉过程对象的控制特性，较好地掌握计算机控制系统的典型分析方法、基本设计方法及实现方法，提高观察、分析和解决问题的能力，培养严谨的科学态度，获得科学研究的初步技能。 三、要求（包括原始数据、技术参数、设计要求、图纸量、工作量要求等） 技术参数:数据采

2、集卡 中泰PCI-8333固态继电器 过零型；输入DC 324V；输出AC 24240V；最大工作电流25A测温元件 热电偶分度号：K ，热电阻分度号：Pt100温度变送器输出信号 420 mA电水壶 材质：不锈钢 ；额定电压：AC 220V ；额定功率：1500W；容积：6L；周长：73cm，高：20cm示波器万用表工作内容及要求:1、利用计算机控制技术画出单输入单输出控制系统的结构工作原理图。熟练应用计算机控制技术知识分析系统和设计控制器2、熟悉课设系统构成认识熟悉课设各种装置和相关软件，尤其熟悉被控对象水壶。阅读设计中用到的实验装置的使用说明书，没有说明书的自己上网查找（推荐XX文库）；

3、熟悉力控软件；3、根据上两步画出本课设中所涉及的单输入单输出温度控制系统控制框图 4、温控对象的数学建模熟悉两种建模理论（实际课程没有讲解，但课本中间接提到，具体理论推荐XX文库查找），机理建模，测试建模。掌握测试建模的方法。确定被控对象水壶的数学模型传函中的参数。5、根据控制要求（性能指标）和控制对象模型确定控制方案和控制策略及仿真首先确定温度控制系统的控制方案，利用自动控制原理确定控制策略。利用MATLAB编程计算确定控制器具体传函，同时利用MATLAB进行仿真研究，看是否达到控制要求，不满足重复第五步。6、控制实现结合本课程设计，利用热工测量仪表知识，熟悉传感器的选型，利用微机原理和总线

4、接口知识，熟悉数据采集系统中A/D和D/A 以及接口芯片的选型，利用模拟电子技术和数字电子技术以及电路知识，熟悉辅助电路设计，例如一些滤波，放大电路。利用自动控制原理离散系统知识熟悉控制器算法的实现，利用面向对象的编程语言熟悉采集卡的驱动工作，利用电传动理论（温度课程设计中没有涉及到）和PLC软继电器和硬继电器相关知识熟悉执行机构的选型（温度课设中使用）。7、系统的构建和实际系统的调试用万用表和示波器一步一步检查物理连接，看看每一步连接输出信号是否正确可靠，理论控制器参数通过仿真是否整定合理，开始调试系统，根据实际控制效果，重新调整控制器参数，看是否能达到控制要求。8、若没有结果或达不到控制要

5、求认真检查系统构建的物理连接改变控制策略，改进控制算法（实际都是力控中实现）修改模型。重复以上4-7步骤。技术要求：电水壶内热水温度控制在60100之间的任一温度。设计成果要求： 所设计控制策略的仿真程序； 实物控制：实现电水壶内热水温度在60100之间的任一温度的定值控制； 控制策略的组态软件实现程序，要求利用组态软件画出工艺流程图、趋势曲线等； 按统一规范格式，撰写课程设计说明书。四、工作内容、进度安排 2011-1-42011-1-6上午 熟悉系统构成，查资料，阅读整理资料（要求有读书笔记）2011-1-7 控制对象的数学建模。2011-1-10 控制策略设计、实现、仿真。2011-1-

6、112011-1-12 系统组成，调试。2011-1-132011-1-14 分析总结本次课程设计，提出进一步改进建议。认真详细撰写课程设计说明书。上交仿真程序、组态软件实现程序、课程设计说明书，验收实物控制效果，答辩。五、主要参考文献1 张计科，王志和.计算机集成控制系统课程设计指导书.呼和浩特：内蒙古工业大学，2005 2 计算机控制技术，于海生主编，北京：机械工业出版社. 2007年5月3 胡寿松.自动控制原理.第四版.北京：科学出版社20014 李华 范多旺 .计算机控制系统.机械工业出版社审核意见 系（教研室）主任（签字） 指导教师下达时间 2009 年 12 月 21 日指导教师签

7、字：_摘 要：温度控制系统是一种典型的过程控制系统，在工业生产中具有极其广泛的应用。温度控制系统的对象存在滞后，它对阶跃信号的响应会推迟一些时间，对自动控制产生不利的影响，因此对温度准确的测量和有效的控制是此类工业控制系统中的重要指标。温度是一个重要的物理量，也是工业生产过程中的主要工艺参数之一，物体的许多性质和特性都与温度有关，很多重要的过程只有在一定温度范围内才能有效的进行，因此，对温度的精确测量和可靠控制，在工业生产和科学研究中就具有很重要的意义。本文阐述了过程控制系统的概念，介绍了一种温度控制系统建模与控制，以电热水壶为被控对象，通过实验的方法建立温度控制系统的数学模型。达到了比较好的

8、控制目的。关键词：温度控制；数学建模；力控组态控制；热电阻；MATLABAbstract :In industrial production with extremely extensive application, temperature control system is a typical process control system.Temperature control system has the larger inertia. It is the response signal to step off some of time.And it produces the advers

9、e effect to the temperature measurement. The control system is the important industrial control index. Temperature is an important parameters in the process of industrial production. Also it is one of the main parameters of objects, many properties and characteristics of temperature, many important

10、process only under certain temperature range can efficiently work. Therefore, the precise measurement of temperature control, reliable industrial production and scientific research has very important significance.This paper discusses the concept of process control system and introduces a kind of tem

11、perature control system .The electric kettle is the controlled object. Through experience method to get the model of temperature control system.Get the well control response.Keywords: Temperature control; Mathematical modeling; PCAuto5；thermocouple；MATLAB目录第一章 概述 11.1 题目背景及应用意义 11.2 本文内容及工作安排 2第二章 系

12、统组成及被控对象数学建模 32.1 系统组成 32.2 被控对象数学建模 4第三章 控制策略设计及仿真研究 73.1 控制策略设计 73.2 仿真研究 10第四章 控制策略实现 124.1 组态环境下控制策略编程实现 124.2 运行结果分析 13第五章 总结 14参考文献 15第一章 概述11题目背景及应用意义温度是工业控制中的四大被控量之一，任何物理变化和化学反应过程都与温度密切相关。在科学研究和生产实践的诸多领域中 温度控制占有着极为重要的地位 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。对于不同生产情况和工艺要求下的温度控制，所采用的加热方式，燃料，控制方案

13、 也有所不同。例如冶金、机械、食品、化工等各类工业生产中广泛使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉等；燃料有煤气、天然气、油、电等。温度控制系统的工艺过程复杂多变，具有不确定性，因此对系统要求更为先进的控制技术和控制理论。 可编程控制器（PLC）可编程控制器是一种工业控制计算机，是继续计算机、自动控制技术和通信技术为一体的新型自动装置。它具有抗干扰能力强，价格便宜，可靠性强，编程简朴，易学易用等特点，在工业领域中深受工程操作人员的喜欢，因此PLC已在工业控制的各个领域中被广泛地使用。 目前在控制领域中，虽然逐步采用了电子计算机这个先进技术工具，特别是石油化工企业普遍采用了分散控制系统（DCS）。但

14、就其控制策略而言，占统治地位的仍旧是常规的PID控制。PID结构简朴、稳定性好、工作可靠。组态软件是指一些数据采集与过程控制的专用软件，它们是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。在组态概念出现之前，要实现某一任务，都是通过编写程序来实现的。编写程序不但工作量大、周期长，而且轻易犯错 误，不能保证工期。组态软件的出现，解决了这个问题。本次设计用的组态软件是力控5.012 本文内容及工作安排工作内容是：1、利用计算机控制技术画出单输入单输出控制系统的结构工作原理图。熟练应用计算机控制技术知识分析系统和设

15、计控制器2、熟悉课设系统构成认识熟悉课设各种装置和相关软件，尤其熟悉被控对象水壶。阅读设计中用到的实验装置的使用说明书，没有说明书的自己上网查找（推荐XX文库）；熟悉力控软件；3、根据上两步画出本课设中所涉及的单输入单输出温度控制系统控制框图 4、温控对象的数学建模熟悉两种建模理论（实际课程没有讲解，但课本中间接提到，具体理论推荐XX文库查找），机理建模，测试建模。掌握测试建模的方法。确定被控对象水壶的数学模型传函中的参数。5、根据控制要求（性能指标）和控制对象模型确定控制方案和控制策略及仿真首先确定温度控制系统的控制方案，利用自动控制原理确定控制策略。利用MATLAB编程计算确定控制器具体传

16、函，同时利用MATLAB进行仿真研究，看是否达到控制要求，不满足重复第五步。6、控制实现结合本课程设计，利用热工测量仪表知识，熟悉传感器的选型，利用微机原理和总线接口知识，熟悉数据采集系统中A/D和D/A 以及接口芯片的选型，利用模拟电子技术和数字电子技术以及电路知识，熟悉辅助电路设计，例如一些滤波，放大电路。利用自动控制原理离散系统知识熟悉控制器算法的实现，利用面向对象的编程语言熟悉采集卡的驱动工作，利用电传动理论（温度课程设计中没有涉及到）和PLC软继电器和硬继电器相关知识熟悉执行机构的选型（温度课设中使用）。7、系统的构建和实际系统的调试用万用表和示波器一步一步检查物理连接，看看每一步连

17、接输出信号是否正确可靠，理论控制器参数通过仿真是否整定合理，开始调试系统，根据实际控制效果，重新调整控制器参数，看是否能达到控制要求。8、若没有结果或达不到控制要求认真检查系统构建的物理连接改变控制策略，改进控制算法（实际都是力控中实现）修改模型。重复以上4-7步骤。工作安排：2011-1-42011-1-6上午 熟悉系统构成，查资料，阅读整理资料（要求有读书笔记）2011-1-7 控制对象的数学建模。2011-1-10 控制策略设计、实现、仿真。2011-1-112011-1-12 系统组成，调试。2011-1-132011-1-14 分析总结本次课程设计，提出进一步改进建议。认真详细撰写课

18、程设计说明书。上交仿真程序、组态软件实现程序、课程设计说明书，验收实物控制效果，答辩。第二章 被控对象数学建模21系统组成实验实物图2-1：图2-1温度控制系统主要由计算机、多功能数据采集卡、电热水壶、热电偶、智能温度变送器及固态继电器等组成。1. 计算机：是用来完成控制策略的仿真研究和实现 、输入输出显示和曲线绘制、过程动画组态等。2. 多功能数据采集卡：主要将来至温度变送器的输出实时采集送入计算机，并把经过计算机内部控制策略简析所得的控制量转换后送给固态继电器。3. 电热水壶：温度控制对象4. 热电偶或热电阻：用于测量电热水壶中的温度，本课设中用分度号为K的热电偶和分度号为Pt100的热电

19、阻。5. 智能温度变送器：将热电偶或热电阻的输出信号变送为420mA或15V的标准信号。6. 固态继电器：根据计算机输出的控制信号，接通或断开电热水壶的加热线路。2.2 被控对象分析（被控对象数学建模）本次设计采用的是测试建模的方法，旨在将实物电热水壶抽象成数学模型。利用力控组态软件在输入端施加周期性矩形脉冲激励，通过测量水壶的实时温度绘制出矩形脉冲响应曲线，再根据阶跃输入与脉冲输入关系及叠加定理，画出阶跃响应曲线，从而求出对象的数学模型，具体步骤如下：1 在力控组态环境下设定一个周期性的脉冲信号使固态继电器周期性通断，给电水壶加热。如图2-2 图2-22 2当电水壶内的水温从初始温度加热到设

20、定温度时，停止加热（即此后固态继电器一直处于断开状态）；然后让水温自然降到初始温度为止。整个过程中要一直记录测量数据。画出脉冲响应曲线2-3图2-33根据测量的脉冲响应数据及脉冲响应与阶跃响应的关系计算阶跃响应数据，并画出其曲线如图2-4中求得数学模型本次课设采用了有一阶惯性环节拟合的近视方法。常见的一种阶跃曲线为S形的单调曲线，如下图图2-4K= 图2-5设阶跃输入幅值为u，则增益K可按下式求取：y() y(0)uK= =710T=1500s时间常数T及延迟时间可用作图法确定：在图2-5响应曲线的拐点p做曲线，切线于时间轴交于A点，而与相应曲线稳定值的渐近线曲线交于B点，则OA对应延迟时间，

21、AB对应时间常数T。响应曲线对应的传递函数为：-seTs + 1KG(s)=这种近似方法拟合精度较差，但方法简便，而且实践表明它可以成功的应用于PID调节器的参数整定，故应用较为广泛。本次设计通过对系统的分析研究决定采用测试建模的方法对被控对象进行建模过程如下：1. 建模原理：在输入端施加周期性矩形脉冲激励，得到矩形脉冲响应曲线，再根据阶跃输入与脉冲输入关系及线性叠加定理，画出阶跃响应曲线，从而求出对象的数学模型。2.建模步骤：（1）由于时间的关系无法用力控实现设定周期性脉冲信号，经分析考虑决定采用人为控制方式给电水壶加热，决定采用占空比为10的脉冲信号并且每五分钟测一次数据（即加热30秒停2

22、70秒为一周期）（2）当电水壶内的水温从初始温度加热到设定温度时（50度），停止加热（即此后固态继电器一直处于断开状态）；然后让水温自然降到初始温度为止。整个过程中要一直记录测量数据。（3）根据测量的脉冲响应数据及脉冲响应与阶越响应的关系计算阶越响应数据，并画出其曲线，求得数学模型。测量脉冲数据如下表：时间t/m温度/ 时间t/m 5181153710211203615251253520281303325321353230351403135381453040421502945461552850501602755491652660481702565471752470461802375451852

23、2804419021854319520904220019954120518100402101710539215161103822015根据以上数据画出脉冲响应曲线，根据测量的脉冲响应数据及脉冲响应与阶越响应的关系计算阶越响应数据，并画出其曲线，求得数学模型。求解 k T 延时t第三章 控制策略设计及仿真研究31 控制策略设计本次课程的实物模型近似看成一阶惯性有滞后系统，我们可采用以下方法进行相应的校正。一个设计合理的系统的三频段低频段和高频段可以有更大的斜率 低频段斜率大，提高稳态性能；高频段斜率大，排除干扰-50se710中频段的斜率以20dB为宜，但中频段必须有足够的带宽，以保证系的相位裕

24、量，带宽越大，相位裕量越大。3000s + 1在测试建模中得到了被控对象的传递函数：G(s)=根据以上理论我们算出控制器传递函数为：根据求得的数学模型进行串联校正的方法对系统进行校正，估算控制器传递函数32仿真研究将设计好的系统在MATLAB6.5中进行仿真实验，实验框图截图如下。经过多次调试控制器参数最终得到仿真输出曲线如下：第四章 控制策略实现41 组态环境下控制策略编程实现1进入力控程序，新建应用并开发系统。2在窗口中画出试验模拟图。3在实时数据库中的子菜单下打开数据库组态，建立一些数据点。在I/O设备驱动中选择板卡中泰PCI8333，设备地址定义为C400。4启动控制策略生成器，此时提

25、示下图所示对话框：建立主策略，输入策略名，点击确定，进入到控制策略编辑组态界面。5展开左边导航器中的工具，点击变量、输入变量，在右边的编辑区域中的任意位置上点击即可画出一个变量输入块，如下图所示：6在画出的基本块上选择变量的属性。按照同样的方法，可以画出PID控制器，输出等其他功能块。按系统建模将各模块连接起来，并设置相应的值。如下所示：7选择菜单命令“编译【B】全部重新编译【A】”，对策略进行编译。8运行策略执行程序，在其上观察运行结果，也可以在实时数据库或图形界面上观察运行结果。42 运行结果分析由于对力控软件熟悉程度不够好，所以控制算法在力控组态环境下的组态没有实现，也没来的及进行实物控

26、制，现对运行结果进行预分析如下：当实际温度离设定的温度比较远时系统持续加热。当水温达到设定温度时，就停止加热，水开始散热，从而控制水温，使其不会上升太高。当水温下降，低于设定温度时，系统就又开始加热，直到温度达到设定值。第五章 总结在这次课程设计中我觉得最重要的就是要有自学能力，因为这次实训中有部分知识我们之前还没有接触过，所以自己必须学会查找相关的资料。另外就是在遇到实际问题的时候，要认真思考，运用所学的知识，一步一步的去探索和分析，是完全可以解决遇到的一般问题的。而在这次课程设计的过程中，我一开始时感觉自己不知道该怎么做，这也是自己在将理论用于实践方面比较欠缺的原因。不过经过自己几天的努力，最后还是有所收获，而且基本完成了课设要求。经过这次的课程设计，让我深深的感受到理论联系实践的重要性，平时在学习中不能够透彻理解的知识，通过动手，会有更好的认知。本次课程设计虽然不长，但是它给我们带来了很多收获。它使我意识到自己的操作能力的不足，在理论上还存在很多缺陷。所以在以后的学习生活中，我会更加努力地加强理论联系实践的学习，在努力学好专业知识的同时努力加强自己的专业技能方面的能力，使自己的知识在实践中不断增长，在实践中锻炼自己，培养自己各方面的能力，不断提高自己。本次课程设计由于时间方面的原因还有一些不足之处：例如对力控5.0软件没能很好掌握，还有许多功能没有学会等