电烤箱温度控制新版系统.doc

电烤箱炉温控制系统设计

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摘 要
　 PID控制用途广泛、使用灵活，已有系列化产品，使用中只需设定三个参数（Kp， Ti和Td）即可。在诸多状况下，并不一定需要所有三个单元，可以取其中一到两个单元，但比例控制单元是必不可少。
　　在工厂，总是能看到许多回路都处在手动状态，因素是很难让过程在“自动”模式下平稳工作。由于这些局限性，采用PID工业控制系统总是受产品质量、安全、产量和能源挥霍等问题困扰。PID参数自整定就是为了解决PID参数整定这个问题而产生。当前，自动整定或自身整定PID控制器已是商业单回路控制器和分散控制系统一种原则
单回路温度控制系统重要由计算机，采样板卡，控制箱，加热炉体构成。是由计算机完毕温度采样，控制算法，输出控制，监控画面等重要功能。控制箱装有温度显示与变送仪表，控制执行机构，控制量显示，手控电路等。加热炉体由烤箱改装，较为美观适合实验室应用。
计算机控制系统普通由控制计算机、A/D与D/A接口、执行机构、被控对象、检测元件和变送器构成。本实验控制系统重要由计算机、电烤箱、智能控制仪表、固态继电器、通讯模块、电压数显表等构成，其中智能控制仪表、固态继电器、通讯模块、电压数显表安装于控制箱上。本设计通过调节PID参数来实现炉温系统控制。

核心词：单回路温度控制系统，PID控制，加热炉体，智能控制仪表，温度变送器，
热电阻，可控硅

目 录
摘 要 I
第1章 课程设计目与任务 1
1.1 课程设计目 1
1.2 课程设计任务与规定 1
第2章 炉温控制系统构成 2
2.1 设计所需设备及参照资料 2
2.1.1 设备 2
2.1.2 参照资料 2
2.2 炉温控制系统硬件构成 2
2.2.1 实验设备 2
2.2.2 设备通讯 4
2.2.3 智能控制仪表CD901简介 5
2.3 实验装置连线环节 7
2.4 炉温控制系统硬件工作原理 7
2.4.1 前向通道工作过程 7
2.4.2 反馈通道工作过程 8
第3章 人机界面制作 9
3.1 软件设计目的 9
3.2 人机界面制作 9
3.2.1 建立新工程 9
3.2.2 画面制作 12
3.3 画面制作 12
3.4 建立数据词典 13
3.5 建立动画连接 14
3.6 调试运营 16
第4章 PID控制作用及参数整定 17
4.1 PID作用 17
4.2 PID控制器参数整定 17
4.3 普通PID控制算法 17
4.4 工程整定办法简介 19
4.4.1 建立新工程 19
4.4.2 临界比例带入法 20
4.4.3 经验法 21
4.4.4 电烤箱传递函数开环响应切线法参数整定 22
第5章 实验测试与整定 24
感想与总结 27
参照文献 28

第1章 课程设计目与任务
1.1 课程设计目
本课程是从属于实践性教学环节。
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后来，可以灵活运用有关基本知识和基本理论模仿设计一种过程控制系统，以期培养学生解决实际问题能力。
1.2 课程设计任务与规定
在基本掌握过程控制常规控制方案工作原理及参数整定环节基本上，针对一种电烤箱设计炉温控制系统。
详细规定：
(1) 电烤箱控制系统工作方案设计、设备选型及其连线；
(2) 炉温控制系统对象-传递函数拟定；
(3) 单回路PID炉温控制实现；
(4) 运用组态王软件编制上位机监控软件；
(5) 撰写规范化阐明书一份。

第2章 炉温控制系统构成
2.1 设计所需设备及参照资料
2.1.1 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。
2.1.2 参照资料
l 过程控制系统
l 组态王培训教程
l 有关设备元件阐明书
2.2 炉温控制系统硬件构成
2.2.1 实验设备
实验控制系统重要由计算机、电烤箱、智能控制仪表、固态继电器、通讯模块、电压数显表等构成，其中智能控制仪表、固态继电器、通讯模块、电压数显表安装于控制箱上。监控计算机通过串行通讯与温度控制器（单回路控制器）连接，实现数据采集、操作和记录功能。温度对象由烤箱改造而成，增设电扇冷却装置，加热由烤箱原加热部件实现。
由温度控制器输出一路控制信号连接至固态继电器，驱动电烤箱加热单元；另一路控制信号连接至电扇用于冷却。设计热电阻检测烤箱内温度，检测输入热电阻信号连接至温度控制器反馈端。其原理构造如图2.1所示。
双温室实验对象将烤箱用隔板隔成两某些，控制装置同样设立配备完全相似两套，安装于统一控制箱上。控制箱面板布置图如图2.2所示。

图2.1 温度实验系统功能构造图

图2.2 控制箱面板（单套控制系统）
本实验检测元件为热电阻pt100。热电阻最大特点是工作在中低温区，性能稳定，测量精度高。本系统中电炉温度被控制在0～300度之间，为了留有余地，咱们要将温度范畴选在0～400度，它为中低温区，因此本系统选用是热电阻pt100作为温度检测元件。
交流固态继电器是一种无触点通断电子开关,为四端有源器件。其中两个端子为输入控制端,此外两端为输出受控端,中间采用光电隔离,作为输入输出之间电气隔离(浮空)。在输入端加上直流或脉冲信号,输出端就能从关断状态转变成导通状态(无信号时呈阻断状态),从而控制较大负载。整个器件无可动部件及触点,可实现相称于惯用机械式电磁继电器同样功能。固态继电器如图2.3所示，电压数显表如图2.4所示。

图2.3 固态继电器 2.4 电控数显表
2.2.2 设备通讯
实验装置采用RS-232/RS-485转换器来实现计算机与仪表和控制器通讯。RS-232/RS-485转换器如图2.5所示。
RS-232/RS-485转换器，它按RS-232规定合同工作。RS-232是规定连接电缆机械、电气特性、信号功能及传送过程。当前在IBM PC机上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，这种状况下，只需使用少数几根信号线。最简朴状况，在通信中主线不需要RS-232C控制联系信号，只需三根线（发送线、接受线、信号地线）便可实现全双工异步串行通信。
B两端为CD901通讯端，为标 准RS485接口。原则DB9 RS232接口信号定义如下：
l TxD：发送数据(Transmitted data-TxD)。通过TxD终端将串行数据发送到MODEM。
l RxD：接受数据(Received data-RxD)。通过RxD线终端接受从MODEM发来串行数据。
l SG：信号地信号线，无方向。
l RS-485可以采用二线与四线方式，二线制可实现真正多点双向通信。RS-485使用一对双绞线，将其中一线定义为A，另一线定义为B，如图2.6所示。

图2.5 通讯转换器 图2.6 二线制RS-485
智能控制仪表前部外观如下图2-8所示。
2.2.3 智能控制仪表CD901简介
（1）智能控制仪表CD901规格型号阐明：
l PV：输入值（如：读入烤箱温度值）
l SV：设定值 （如：手动给定或程序给定值）
l AT： 自整定（绿）
l OUT1：第一控制输出（加热侧）
l OUT2：第二控制输出（冷却侧）
l ALM1：第一报警端
l ALM2：第二报警端
l SET：设立各种命令
l <R/S：位移及运营/停止 图2.7 CD901面板
l ∨：下移减小数字
l ∧：上移减大数字
CD901背面接线柱如下图2.8所示。

图2.8 CD901背部接线图
（2）CD901技术数据阐明：
l 热电阻： Pt 100:
电压： 0~5v
电流： 0~20mA,
l 通讯 ： RS-232/RS-485转换器
l 控制类型： 4种
F： PID动作及自动演算（逆）
D： PID动作及自动演算（正）
W：加热/冷却动作及自动演算（水冷）
A： 加热/冷却动作及自动演算（风冷）
l 设定数据：
测定值（PV）：来自被控对象当前值
设定值（SV）：与输入范畴同样
加热侧比例带（P）： 1 ~ 全距 0.1 ~ 全距
冷却侧比例带（Pc）：为P 1~1000%
积分时间（I）： 1~3600秒
微分时间（D） 1~3600秒
加热侧比例周期（T）：1~100秒
冷却侧比例周期（t）： 1~100秒
限制积分动作生效范畴（ARW）：加热侧比例带（P） 1~100%
（3）CD901工作原理
CD901系列仪表可配备数字通讯接口，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码形式。CD901具备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 ℃或-199.9 ~ 999.9℃ (温度输入)±全量程(电压 / 电流输入)全量。
2.3 实验装置连线环节
按照实验装置面板上连线原理图将系统运营时线路连接上，连线原理图如下图2.9。

图2.9 面板上连线原理图
l 硬手动（手动给定）连线：硬手动时分别连接至调压模块接线柱③、④；
l OUT1连线：非硬手动时分别连接至调压模块接线柱③、④；
l OUT2连线：当使用电扇制冷时使用。
l TC连线：当使用检测元件作为反馈值时使用。
2.4 炉温控制系统硬件工作原理
主机电源箱、多功能检测实验装置、光电转速传感器-光电断续器(已装在转动源上)、转动源。
2.4.1 前向通道工作过程
前向通道有两中工作方式，自动和手动，即可控硅模块输入可以由计算机通过数据采集卡D/A通道自动给定，也可以在控制面板上手动调节，两种方式只能选取一种。可控硅输入Uk为1~5伏电压，0~1伏为死区，死区内输出为0，1~5伏电压输入相应0~220伏电压输出Ud，相应关系为近似线性关系，如图2.10所示。

图2.10 可控硅输入输出关系
可控硅输出电压Ud加在加热炉上，使炉温上升。加热炉也有两种工作方式，二加热体加热和四加热体加热，功率分别为600瓦和1200瓦，其温度范畴分别为0~220度和0~300度，每台加热炉因保温效果和加热体实际功率不同，其温度范畴也不尽相似，本文使用第二种方式测定数学模型参数并进行设计。
2.4.2 反馈通道工作过程
反馈通道一方面由热电阻Pt100检测炉温，温度变送器将热电阻阻值变化转换放大为两路输出信号，一路为0~300度温度信号，通过数码显示管在温度控制装置上显示出来，另一路为0~5伏电压信号，通过数据采集卡PCI1711A/D通道送入计算机，两路信号近似线性比例约为60。计算机通过计算解决，得到新控制量，输出给可控硅。

第3章 人机界面制作
3.1 软件设计目的
软件系统开发要达到如下功能规定：
u 采集温度变送器电压输出，其范畴为0~5V，即实现A/D功能；
u 输出控制量Uk，其范畴也为0~5V，即实现D/A功能；
u 设计以便清晰人机画面；
u 可以进行开环实验，并绘制加热炉升温曲线；
u 编程实现对采集到数据进行滤波；
u 编程实现采用普通PID控制。
3.2 人机界面制作
3.2.1 建立新工程
点击进入组态王工程管理器，如图3.1所示：

图3.1 组态王工程管理器
点击“新建”或在文献菜单中选取“新建工程”，浮现如下提示：

图3.2 新建工程向导之一
点击“下一步”浮现如下窗口，输入将建立工程途径：

图3.3 新建工程向导之二
点击“下一步”，输入所建新工程名称：

图3.4 新建工程向导之三
点击“完毕”，并选取“是”，将新建工程设为当前工程：

图3.5 组态王工程管理器
双击新建工程，由于未安装加密狗，因此会有如下提示，只能在演示方式下进入开发环境，开发环境持续使用两个小时后自动关闭，必要重新启动组态王。

图3.6进入开发环境提示
按照相应提示操作后，弹出工程浏览器窗口、画面制作开发系统和组态王信息窗口，然后就可以进行下一步工作了。
3.2.2 画面制作
3.3 画面制作
（1）制作“进入系统”画面，画面内容重要涉及标题、系统简要阐明、系统实物示意图和画面选取。选中工程浏览器左侧画面，在右侧窗口中双击“新建”，浮现新画面属性对话框，如下图3.7所示：

图3.7 新画面属性对话框
设立好属性后，点击“拟定”，运用画面开发系统自带工具箱、调色板等工具进行画面制作。做好进入系统画面如图5-7所示。
（2）制作“炉温实时控制系统”，重要涉及：标题、参数设定、重要参数显示、控制按钮和温度曲线等，其中绘制实时温度曲线是用“温控曲线”控件来实现。

图3.8进入系统画面
3.4 建立数据词典
在工程浏览器中单击数据库、数据词典（如图5-8），在右边窗体中双击“新建”，可以建立内存离散、内存整数、内存实数、内存字符串、I/O离散、I/O整数、I/O实数、I/O字符串和存储器九种类型变量，每种变量均有各自不同属性。变量可以事先建立，也可以在编程或建立动画过程中依照所需随时建立[3]。
在组态王中实现A/D、D/A功能不需要单独编程，只要在工程浏览器中建立新设备，找到所用板卡理光-CD901，并懂得使用通道号，便可以直接在数据词典里建立I/O变量来参数设定、数据采集与输出。

图3.9 数据词典
在这个工程当中需要9个变量及变量类型和其她属性如下表5.1：
表3-1 定义变量
变量名称
变量类型
连接设备
数据类型
寄存器
PV
I/O实型
CD901
FLOAT
M0
SV
I/O实型
CD901
FLOAT
M8
AUTO_TUNING
I/Ol离散型
CD901
BIT
M15
H_P
I/O实型
CD901
FLOAT
M17
H_I
I/O实型
CD901
FLOAT
M18
H_D
I/O实型
CD901
FLOAT
M19
ON
内存离散型
CD901

Runtime
内存整型
CD901

DeviceID
内存整型

其中PV表达当前值，SV表达给定值，AUTO_TUNING表达自动切换值，H_P表达加热比例系数，H_I表达积分时间，H_D表达微分时间，ON用来设立开始标志。Runtime表达当前时间，DeviceID用于构建数据库。
3.5 建立动画连接
在建立好画面上双击要建立动画连接对象，会弹出“动画连接”窗口：

图3.10 动画连接窗口
(1)对于文本“####”：双击或用鼠标右键选取快捷菜单中“动画连接”，弹出如上动画连接窗口，所有文本均选取“模仿值输出”按钮，在弹出“模仿值输出连接”对话框，在表达式中分别输入相应变量名，整数位、小数位相应选取数值。如下图5-10所示。其她属性默认，单击“拟定”，返回并拟定。

图3.11 模仿值输出连接
(2)对于按钮：用同样办法进入动画连接对话框，选取“弹起时”，进入“命令语言对话框”，对于三个按钮分别输入：
l 开始按钮：\\本站点\ON=1;
SQLConnect(DeviceID,"dsn=mine,database=table");
SQLCreateTable(DeviceID,"biao","table");
l 结束按钮：ON=0;
SQLDisconnect(DeviceID);
l 退出按钮：ON=0;
exit(0);
如下图3.12所示：

图3.12 按钮命令对话框
(3)对于画面：在屏幕上单击鼠标右键，在浮现快捷菜单中选取画面属性，在浮现画面属性对话框中选取命令语言，浮现画面命令对话框，将采样时间改为1000，在空白处键入：
if(\\本站点\ON==1)
{
xyAddNewPoint("caiy",\\本站点\Runtime,\\本站点\PV,0);
xyAddNewPoint("caiy",\\本站点\Runtime,\\本站点\SV,1);
\\本站点\Runtime=\\本站点\Runtime+1;
SQLInsert(DeviceID,"biao","bind");
}
3.6 调试运营
先单击菜单项“文献/所有存”，再单击菜单项“文献/切换到View”；就进入运营系统，单击“画面”中“打开”，打开自己创立工程，按开始按钮系统开始绘制温度采样曲线。

第4章 PID控制作用及参数整定
4.1 PID作用
比例控制能迅速反映误差，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，会引起系统不稳定；积分控制作用是，只要系统存在误差，积分控制作用就不断积累，输出控制量以消除误差，因而，只要有足够时间，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，甚至使系统浮现振荡；微分控制可以减小超调量，克服振荡，使系统稳定性提高，同步加快系统动态响应速度，减小调节时间，从而改进系统动态性能。对于炉温控制来说，由于加热炉降温完全依托自然散热，微分控制作用并不明显。
4.2 PID控制器参数整定
PID控制器参数可以在被控对象模型未知状况下采用试凑法来整定，试凑法环节为：先比例、再加积分、最后加微分。一方面只整定比例某些，由小到大调节比例系数直到系统输出反映较快，超调较小，稳态误差达到容许范畴内，即可拟定比例系数；然后加入积分作用，积分系数应由小到大，并将已整定好比例系数略微缩小，观测系统输出响应，直到动态特性较好，并且完全消除静差，即可拟定积分系数；最后加入微分作用，微分系数依然是由小到大，同步配合修改比例系数和积分系数，以获得良好调节效果，拟定微分系数。如果获得被控对象模型，则可以采用仿真实验来整定，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被控对象：
（4-1）
采用典型PID控制器：，可以用Z－N（Zieglor－Nichols）经验公式：
（4-2）
进行初步整定，然后用试凑法进行微调节定。
4.3 普通PID控制算法
PID控制器微分方程为：
（4-3）
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：

（4-4）
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：
（4-5）
位置型PID控制算式由于要累加偏差，计算量大，不但要占用较多存储单元，并且不便于编写程序，计算机任何故障都也许引起u(k)大幅度变化；增量式算法不需要做累加，控制量增量拟定仅与近来几次误差采样值关于，计算误差或计算精度问题对控制量计算影响较小。这里采用增量式表达位置式PID，其差分方程为：

（4-6）
程序流程图如图4.1所示：

图4.1 PID调节程序流程图

4.4 工程整定办法简介
4.4.1 建立新工程
衰减曲线法是在总结临界比例带法基本上发展起来，它是运用比例作用下产生4:1衰减振荡(ψ=0.75)过程时调节器比例带δ及过程衰减周期，据经验公式计算出调节器各个参数。
衰减曲线法详细环节是：
(1) 置调节器积分时间→∞，微分时间→0，比例带为一稍大值；将系统投入闭环运营。
(2) 在系统处在稳定状态后作阶跃扰动实验，观测控制过程。如果过渡过程衰减率不不大于0.75，应逐渐减小比例带值，并再次实验，直到过渡过程曲线浮现4:1衰减过程。记录下4:1衰减振荡过程曲线，如图6-1所示。在图6-1(a)或(b)所示曲线上求取ψ=0.75时振荡周期结合此过程下调节器比例带，按表4-1计算出调节器各个参数。
表4-1 衰减曲线法计算公式

规律

0.75
P

0
PI

0
(3) 按计算成果设立好调节器各个参数，作阶跃扰动实验，观测调节过程，恰当修改调节器参数，到满意为止。
与临界比例带法同样，衰减曲线法也是运用了比例作用下调节过程。从表4-1可以发现，对于ψ=0.75，采用比例积分调节规律时相对于采用比例调节规律引入了积分作用，因而系统稳定性将下降，为了依然能得到ψ=0.75衰减率，就需将放大1.2倍后作为比例积分调节器比例带值。

图4.2 衰减曲线
4.4.2 临界比例带入法
临界比例带法又称边界稳定法，其要点是将调节器设立成纯比例作用，将系统投入自动运营并将比例带由大到小变化，直到系统产生等幅振荡为止。这时控制系统处在边界稳定状态，记下此状态下比例带值，即临界比例带以及振荡周期，然后依照经验公式计算出调节器各个参数。可以看出临界比例带法无需懂得对象动态特性，直接在闭环系统中进行参数整定。
临界比例带法详细环节是：
(1)将调节器积分时间置于最大，即→∞；置微分时间 =0；置比例带于一种较大值。
(2)将系统投入闭环运营，待系统稳定后逐渐减小比例带，直到系统进入等幅振荡状态。普通振荡持续4～5个振幅即可，实验记录曲线如图4.3所示。

图4.3 等幅振荡曲线
(3)据记录曲线得振荡周期，此状态下调节器比例带为，然后按表6.2计算出调节器各个参数。
表4-2 临界比例带法计算公式
规律

P

0
PI

0
(4)将计算好参数值在调节器上设立好，作阶跃响应实验，观测系统调节过程，恰当修改调节器参数，直到调节过程满意为止。
4.4.3 经验法
如果调节系统在运营中经常受到扰动影响，那么要得到闭环系统确切阶跃响应曲线就很困难，因而临界比例法和衰减曲线法都不能得到满意成果。
通过长期实践，人们总结了一套参数整定经验，称之为经验法。经验法可以说是依照经验进行参数试凑办法，它一方面依照经验设立一组调节器参数，然后将系统投入闭环运营，待系统稳定后作阶跃扰动实验，观测调节过程；如果过渡过程不令人满意，则修改调节器参数，再作阶跃扰动实验，观测调节过程；重复上述实验，直到调节过程满意为止。
经验法整定参数详细环节是：
(1)将调节器积分时间放到最大，微分时间置于最小，据经验设立比例带值。将系统投入闭环运营，稳定后作阶跃扰动实验，观测调节过程，若过渡过程有但愿衰减率(ψ=0.75～0.9)则可，否则变化比例带值，重复上述实验。
(2)将调节器积分时间由最大调节到某一值，由于积分作用引入使系统稳定性下降，这时应将比例带值恰当增大，普通为纯比例作用1.2倍。作阶跃扰动实验，观测调节过程，修改积分时间重复实验，直到满意为止。
(3) 保持积分时间不变，变化比例带，看调节过程有无改进，若有改进则继续修改比例带，如无改进则反方向修改比例带，直到满意为止。保持比例带不变修改积分时间，同样重复试凑直到满意为止。如此重复凑试，直到有一组适当积分时间和比例带。
4.4.4 电烤箱传递函数开环响应切线法参数整定
拟定了开环响应方案后，同步完毕组态软件与硬件正常结合后。将手动控制器接至固态继电器端，输出一种稳定电压X=220V（检测所得）。
读取并读取开环温度响应曲线显示与上位机中，待温度最后稳定期保存数据。用绘图软件做出响应曲线如下图所示：

图4.4 开环温度响应曲线
在开环稳定温度在160℃左右时，依照响应曲线拟定一阶延时模型各参数：

图4.5 局部切线法求参示意图
依照局部切线图中数据读取可得：

可得：
（4-7）

第5章 实验测试与整定
（1）一方面依照临届比例法，测出相应比例系数，为1.7左右，通过前文简介计算办法得到大概积分或微分时间，如图。

图5.1
（2）如上曲线明显不符合实验目，经检查，为测试比例值时浮现死区，重新测试。可得如下曲线，可知微分作用过强。

图5.2
（3）减小微分时间，进行微调。

图5.3

（4）上图中，无明显超调量，调节时间过长，由此可知应增长比例系数，变化积分时间，可得系统下图。

图5.4
由此可以得到衰减比为4:1响应曲线，基本上符合规定。

感想与总结

参照文献
 1．翁维琴等编．过程控制系统及工程[M]．北京：化学工业出版社． .6
2. 邵裕森主编. 过程控制及仪表(修订版). 上海：上海交通大学出版社. .7
3. 陈夕松等编. 过程控制系统[M]. 北京：科学出版社. .7
4. 陶永华、尹怡欣.新型PID控制及应用[M].北京:机械工业出版社.1998
5. 马国华.监控组态软件及其应用[M].北京:清华大学出版社.
6．陈振春.双向可控硅在电动机控制电路中应用[J].南昌工程学院学报..2