專業(yè)課程設(shè)計(jì)報(bào)告

北京航空航天大學(xué)學(xué)生設(shè)計(jì)用紙 第 18 頁(yè)課程設(shè)計(jì)報(bào)告溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 袁凡目錄1設(shè)計(jì)內(nèi)容及技術(shù)指標(biāo)21.1設(shè)計(jì)內(nèi)容21.2技術(shù)指標(biāo)22總體方案設(shè)計(jì)32.1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)32.2主要元部件選擇32.2.1 溫度傳感器的選擇32.2.2 功率放大器和電壓放大器的選擇52.2.3 控制計(jì)算機(jī)53 元部件測(cè)試84建立溫控系統(tǒng)廣義對(duì)象的數(shù)學(xué)模型94.1 溫控系統(tǒng)分析94.2溫控系統(tǒng)階躍響應(yīng)的測(cè)試94.3建立廣義對(duì)象數(shù)學(xué)模型115 數(shù)字控制系統(tǒng)仿真135.1 控制系統(tǒng)仿真模型的搭建136 設(shè)計(jì)總結(jié)16參考文獻(xiàn)171設(shè)計(jì)內(nèi)容及技術(shù)指標(biāo)1.1 設(shè)計(jì)內(nèi)容1系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)和主要元部件選擇； 2元部件測(cè)試； 3建立溫控系統(tǒng)廣義對(duì)象的數(shù)學(xué)模型； 4測(cè)試加熱爐的溫度電壓特性曲線并根據(jù)響應(yīng)曲線建模； 5數(shù)字控制系統(tǒng)仿真； 6撰寫課程設(shè)計(jì)報(bào)告。 1.2技術(shù)指標(biāo) 1溫度控制范圍：50100； 2系統(tǒng)超調(diào)：； 3溫度上升時(shí)間： 分鐘 ； 4過渡過程時(shí)間：分鐘 ； 5控制精度：； 2 總體方案設(shè)計(jì)2.1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案框圖：圖 1 溫控系統(tǒng)組成框圖2.2 主要元部件選擇2.2.1 溫度傳感器的選擇在反饋控制系統(tǒng)中測(cè)量元件對(duì)系統(tǒng)的構(gòu)成和控制性能的影響都很大，過程參數(shù)的準(zhǔn)確檢測(cè)是準(zhǔn)確控制參數(shù)的前提。溫度傳感器選擇時(shí)應(yīng)考慮以下技術(shù)要求：(1) 溫度的最大測(cè)量范圍，主要指測(cè)溫上限； (2) 溫度測(cè)量精度，溫度傳感器應(yīng)有較好的靈敏度和線性度，重復(fù)性好，遲滯誤差小； (3) 不同溫度環(huán)境下性能穩(wěn)定； (4) 價(jià)格便宜，一般選定型產(chǎn)品； 溫度傳感器種類：目前使用較多的溫度傳感器主要有兩種：一是熱電偶溫度傳感器，另一類是半導(dǎo)體溫度傳感器。(1) 熱電偶溫度傳感器 a) 貴重金屬熱電偶廣泛應(yīng)用的鉑銠-鉑熱電偶、鉑銠-鉑銠熱電偶。特點(diǎn)是其溫度性能穩(wěn)定、測(cè)溫上限高，但價(jià)格昂貴。用于測(cè)量1000攝氏度以上的高溫。b) 普通金屬熱電偶普通熱電偶有鎳鉻鎳硅、鎳鉻康銅、銅康銅，前者測(cè)溫可達(dá) 1200 度，后者測(cè)溫可達(dá) 300 度。價(jià)格便宜，其中鎳鉻康銅熱電偶的靈敏度高、電勢(shì)溫度的線性度好。c) 難熔金屬熱電偶難熔金屬熱電偶有鎢錸熱電偶。主要用于鋼水、反應(yīng)堆測(cè)溫場(chǎng)合。d) 非金屬熱電偶非金屬熱電偶有碳鎢熱電偶、硅碳熱電偶，它們的測(cè)溫上限很高，熱電勢(shì)大，但體積笨重，機(jī)械強(qiáng)度差，只適合一些特殊條件下工作，一般少用。(2) P-N結(jié)半導(dǎo)體溫度傳感器 半導(dǎo)體溫度傳感器的特點(diǎn)是：靈敏度高、溫度梯度大，線性度和重復(fù)性能都較穩(wěn)定。不用進(jìn)行溫度補(bǔ)償，體積也小，但所測(cè)的溫度范圍上限不高，一般在300攝氏度以下。因此只用于一般溫度控制系統(tǒng)。下面列出兩種半導(dǎo)體溫度傳感器特性供參考。由于所設(shè)計(jì)溫控系統(tǒng)溫度較低，使用P-N結(jié)溫度傳感器，其性能如下： 測(cè)溫范圍 -50+150 電壓溫度梯度 1.9891.99mV/ 測(cè)量精度 0.5% 由于P-N結(jié)的電壓溫度特性是當(dāng)溫度上升時(shí)電壓下降，因此，在座位時(shí)機(jī)測(cè)溫元件應(yīng)用時(shí)一般需加一放大器，加入放大器一般有兩個(gè)作用：反向作用及放大作用。 2.2.2 功率放大器和電壓放大器的選擇為驅(qū)動(dòng)電烤箱工作，需要使用功率放大器。選擇放大器的一般要求：滿足一定的放大倍數(shù)；要有足夠的輸出功率；良好的線性范圍；盡可能小的零位漂移并有較高的靈敏度；較好的共模抑制比，對(duì)干擾的抑制力強(qiáng)；工作穩(wěn)定可靠，對(duì)環(huán)境溫度要求低，盡可能體積小重量輕。目前用于過程控制的放大器有以下幾種：(1) 用于測(cè)量信號(hào)放大的集成運(yùn)算放大器，一般選用定型組件； (2) 可控硅半導(dǎo)體功率放大器，它具有功率輸出寬、功率放大倍數(shù)高、損耗小、效率高、無(wú)噪聲、信號(hào)傳遞快等有點(diǎn)，是目前應(yīng)用較廣的一類功率放大器； (3) 控制閥門或擋板工作的電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的伺服放大器，由于該放大倍數(shù)大，工作可靠，壽命長(zhǎng)，盡管其時(shí)間常數(shù)大、體積大，但過程控制中仍在采用。本實(shí)驗(yàn)選擇可控硅半導(dǎo)體功率放大器。2.2.3 控制計(jì)算機(jī)在數(shù)字式溫控系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)是核心部件，從溫控系統(tǒng)的工作原理可看出在一個(gè)采樣周期內(nèi)計(jì)算機(jī)要完成以下幾方面工作: (1) 數(shù)據(jù)采集，將被控量采集到計(jì)算機(jī)內(nèi)； (2) 完成控制計(jì)算機(jī)步驟和控制率的計(jì)算； (3) 數(shù)據(jù)的輸出，將計(jì)算結(jié)果輸出給執(zhí)行機(jī)構(gòu)；以實(shí)現(xiàn)控制功能以及打印、記錄顯示控制結(jié)果。 關(guān)于計(jì)算機(jī)的選擇是一個(gè)涉及面很廣的問題，此處不作詳細(xì)討論。實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)硬件的基本要求：(1) 要有實(shí)時(shí)時(shí)鐘，在過程控制中要求按一定時(shí)間順序進(jìn)行各種操作、控制等，這要求系統(tǒng)中有一個(gè)時(shí)間基準(zhǔn)，它就是由實(shí)時(shí)時(shí)鐘提供的； (2) 有比較完善的中斷系統(tǒng)以便解決快速主機(jī)與慢帶外設(shè)之間矛盾以及及時(shí)處理緊急情況或計(jì)算機(jī)隨機(jī)執(zhí)行某些任務(wù)；(3) 有較豐富的指令系統(tǒng)； (4) 主機(jī)和傳感器之間以及在主機(jī)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間有適配的以 A/D 為核心的過程輸入通道和以 D/A 為核心的過程輸出通道，其容量和轉(zhuǎn)換速度根據(jù)實(shí)際要求而定，而且應(yīng)具有擴(kuò)展性能； (5) 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要，有些計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)除了計(jì)算機(jī)本身的控制臺(tái)外，還要有現(xiàn)場(chǎng)操作臺(tái)，建立更完善，方便的人-機(jī)聯(lián)系。如顯示屏、自動(dòng)手動(dòng)切換、有明確標(biāo)識(shí)的功能鍵、報(bào)警措施等； (6) 高可靠性和可維護(hù)性。除了硬件的可靠性外，軟件的可靠性也很重要。對(duì)前者來說，處采用可靠性高的元器件外，若要求高還可采用多機(jī)并行；對(duì)后者來說，還要求軟件具有自檢測(cè)、自診斷能力。本實(shí)驗(yàn)采用ICETEK-F2812-A評(píng)估板進(jìn)行設(shè)計(jì)。ICETEK-F2812-A評(píng)估板為瑞泰創(chuàng)新推出的DSP開發(fā)板，其主要性能如原理框圖所示：圖 2 ICETEK-F2812-A評(píng)估板原理框圖利用ICETEK-F2812-A對(duì)采集到的溫度信息進(jìn)行處理，得到輸出量，輸出PWM控制電壓，從而完成對(duì)電烤箱溫度的控制。3 元部件測(cè)試?yán)肐CETEK-F2812-A附帶程序的運(yùn)行，對(duì)其完整性進(jìn)行檢驗(yàn)。測(cè)試得ICETEK-F2812-A評(píng)估板功能正常，可以正常使用。之后進(jìn)行溫度傳感器測(cè)試，先利用萬(wàn)用表測(cè)試微機(jī)電源電壓，滿足溫度傳感器工作需求。按照溫度傳感器需要分別連接電源，在室溫下利用萬(wàn)用表測(cè)其輸出電壓，給予一定溫度變化，觀察輸出電壓變化，符合預(yù)期。再將溫度傳感器輸出電壓接入AD0口，利用編寫的AD采樣顯示程序，在室溫，體溫環(huán)境下觀察采樣結(jié)果，符合傳感器正常工作輸出結(jié)果。最后用溫度傳感器與數(shù)字式溫度計(jì)同時(shí)測(cè)電烤箱內(nèi)水溫，對(duì)電烤箱加熱，利用數(shù)字式溫度計(jì)示數(shù)對(duì)比傳感器輸出電壓值，溫度傳感器輸出電壓與環(huán)境溫度關(guān)系符合預(yù)期，得出溫度傳感器正常。通過直流穩(wěn)壓電源對(duì)功率放大器進(jìn)行測(cè)試，在無(wú)論如何調(diào)節(jié)直流控制電壓情況下下，電烤箱始終以較高功率工作，對(duì)故障進(jìn)行排查，發(fā)現(xiàn)PWM功率放大器損壞。更換后在1v直流控制電壓下，電烤箱以較低功率運(yùn)行，調(diào)節(jié)控制電壓大小，電烤箱功率隨之改變（通過紅外發(fā)光管顏色可知），認(rèn)為放大器正常。之后使用PWM輸出控制程序控制PWM0口輸出PWM功率放大器控制電壓，在PWM最小輸出情況下，控制變量值為0xffff，輸出0v。在PWM最大輸出情況下，控制變量值為0x0000，輸出3.27v。推測(cè)控制變量每減小1，PWM輸出電壓增大0.00005v。從而得到DA輸出電壓與控制變量表達(dá)式。4 建立溫控系統(tǒng)廣義對(duì)象的數(shù)學(xué)模型4.1 溫控系統(tǒng)分析所設(shè)計(jì)的溫度控制系統(tǒng)包括：電烤箱，溫度傳感器，控制計(jì)算機(jī)，功率放大器等部件，其中，電烤箱為被控對(duì)象，溫度傳感器為反饋元件，功率放大器為執(zhí)行部件。由于預(yù)測(cè)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)控制時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)數(shù)學(xué)模型精度要求低，故選擇建立廣義對(duì)象數(shù)學(xué)模型。圖 3單回路控制系統(tǒng)廣義對(duì)象的定義4.2 溫控系統(tǒng)階躍響應(yīng)的測(cè)試測(cè)試方法：(1) 將直流穩(wěn)壓電源的輸出接到PWM驅(qū)動(dòng)器的輸入。將加熱爐的供電插頭接到PWM驅(qū)動(dòng)器的輸出插座。將溫度計(jì)插入一小盆水中，并一齊放入加熱爐中。(2) 給PWM驅(qū)動(dòng)器輸入1V的階躍信號(hào)。其中1V的階躍信號(hào)的產(chǎn)生，為直流穩(wěn)壓電源設(shè)定輸出1V，由關(guān)到開，近似實(shí)現(xiàn)。(3) 每隔30s記錄一次水溫，直到水溫達(dá)到60左右后增長(zhǎng)緩慢。測(cè)試所得數(shù)據(jù)如下表所示：時(shí)間/s0306090120150180210240水溫/C21.521.621.822.222.623.323.824.325.2時(shí)間/s270300330360390420450480510水溫/C26.527.427.528.228.829.530.130.631.6時(shí)間/s540570600630660690720750780水溫/C3232.83434.435.135.636.136.537.5時(shí)間/s81084087090093096099010201050水溫/C38.23939.640.14141.342.242.943.4時(shí)間/s108011101140117012001230126012901320水溫/C44.544.544.945.447.647.847.947.948.4時(shí)間/s135013801410144014701500153015601590水溫/C49.149.449.950.250.651.151.652.152.5時(shí)間/s162016501680171017401770180018301860水溫/C53.253.854.354.855.155.555.956.256.5時(shí)間/s189019201950198020102040207021002130水溫/C56.85757.357.657.958.258.558.859.1時(shí)間/s216021902220225022802310234023702400水溫/C59.359.659.960.160.260.460.860.961.1時(shí)間/s243024602490252025502580261026402670水溫/C61.361.361.561.861.86262.262.562.4時(shí)間/s270027302760279028202850288029102940水溫/C62.562.562.762.762.862.862.962.962.9將數(shù)據(jù)利用matlab繪制得下圖：圖 4廣義對(duì)象階躍響應(yīng)曲線4.3 建立廣義對(duì)象數(shù)學(xué)模型根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，溫控系統(tǒng)可以簡(jiǎn)化為帶延時(shí)的慣性環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)具有如下形式：其中k為比例系數(shù)，T為時(shí)間常數(shù)，為延遲時(shí)間。利用階躍響應(yīng)曲線測(cè)的上述傳遞函數(shù)參數(shù)的方法：(1) 找到階躍響應(yīng)曲線拐點(diǎn)。(2) 作該點(diǎn)切線，交時(shí)間軸與穩(wěn)態(tài)溫度于兩點(diǎn)。(3) 其中與時(shí)間軸交點(diǎn)的時(shí)間即為延時(shí)時(shí)間，與穩(wěn)態(tài)值相交點(diǎn)的時(shí)間值減去延時(shí)時(shí)間即為時(shí)間常數(shù)T。(4) 利用穩(wěn)態(tài)值與初態(tài)的差確定放大倍數(shù)k。方法如圖所示：圖 5 近似為帶延時(shí)的慣性環(huán)節(jié)方法圖 6 做切線求傳函參數(shù)求得延時(shí)=60s ，時(shí)間常數(shù)T=2100s ，增益 k=41.4。計(jì)算3000s時(shí) 對(duì)應(yīng)值，結(jié)果為0.7534。因此認(rèn)為近似得到的帶延時(shí)的慣性環(huán)節(jié)在3000s時(shí)并未進(jìn)入穩(wěn)態(tài)值，對(duì)其進(jìn)行修正。 由于穩(wěn)態(tài)值增加，相應(yīng)的切線交穩(wěn)態(tài)值的時(shí)間后移，得T=2400s.因此最終建立的廣義對(duì)象傳遞函數(shù)為：5 數(shù)字控制系統(tǒng)仿真5.1 控制系統(tǒng)仿真模型的搭建系統(tǒng)形式如下所示：圖 7控制系統(tǒng)形式由于系統(tǒng)較為簡(jiǎn)單，認(rèn)為采用PI控制就可以滿足要求。因此利用matlab搭建系統(tǒng)，用試湊法求PI控制器參數(shù)。搭建系統(tǒng)如下圖所示：圖 8 溫控系統(tǒng)仿真模型試湊得控制器控制率為：Dz=7z-6.998z-1仿真得到的系統(tǒng)響應(yīng)曲線如下圖所示：圖 9 仿真得到歸一化響應(yīng)曲線由上述階躍響應(yīng)曲線可得： 系統(tǒng)性能符合設(shè)計(jì)要求。6 設(shè)計(jì)總結(jié)本次課設(shè)對(duì)于我們工控專業(yè)的學(xué)生來說，是一次切實(shí)體驗(yàn)課本知識(shí)的難得機(jī)會(huì)，將所學(xué)的自動(dòng)控制原理、計(jì)算機(jī)控制原理等課程的核心知識(shí)運(yùn)用到課設(shè)的過程中，能夠幫助我們真正提高動(dòng)手能力。通過本次課程對(duì)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，讓我對(duì)過程控制有了更深的了解。在設(shè)計(jì)過程中巧妙的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理，降低了模型的復(fù)雜程度，使其更易于仿真測(cè)試，這是我在設(shè)計(jì)過程中體會(huì)最深的一點(diǎn)。若不是采用廣義對(duì)象，而是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)理建模，就必須將系統(tǒng)各個(gè)部件的特性進(jìn)行測(cè)試，并且像諸如水位，散熱速度等數(shù)據(jù)由于環(huán)境變化會(huì)有較大的改變。廣義對(duì)象建模將這些都?xì)w結(jié)為一個(gè)大延時(shí)的一階慣性環(huán)節(jié)，這樣的