溫度單回路控制

工業(yè)過程控制課程設(shè)計(jì)題目: 溫度單回路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 院系名稱： 專業(yè)班級： 學(xué)生姓名： 學(xué)號: 指導(dǎo)教師： 設(shè)計(jì)地點(diǎn)： 設(shè)計(jì)時間： 設(shè)計(jì)成績： 指導(dǎo)教師： 摘要隨著電子技術(shù)以及應(yīng)用需求的發(fā)展，單片機(jī)技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，在高集成度，高速度，低功耗以及高性能方面取得了很大的進(jìn)展。伴隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電子技術(shù)有了更高的飛躍，我們現(xiàn)在完全可以運(yùn)用單片機(jī)和電子溫度傳感器對某處進(jìn)行溫度檢測，而且我們可以很容易地做到多點(diǎn)的溫度檢測，如果對此原理圖稍加改進(jìn)，我們還可以進(jìn)行不同地點(diǎn)的實(shí)時溫度檢測和控制。關(guān)鍵詞：組態(tài)軟件PID控制儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"1引言 1\o"CurrentDocument"2系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析 1\o"CurrentDocument"2.1設(shè)計(jì)目的 1\o"CurrentDocument"2.2設(shè)計(jì)要求 2\o"CurrentDocument"2.3設(shè)計(jì)的內(nèi)容 2\o"CurrentDocument"3系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)及控制規(guī)律的選擇 2\o"CurrentDocument"3.1系統(tǒng)控制方案 2\o"CurrentDocument"3.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 2\o"CurrentDocument"4儀表與模塊的選擇 3\o"CurrentDocument"4.1儀器儀表的選擇 3\o"CurrentDocument"4.2模塊的選擇 4\o"CurrentDocument"5組態(tài)畫面設(shè)計(jì) 5\o"CurrentDocument"組態(tài)王簡介 5\o"CurrentDocument"組態(tài)軟件設(shè)計(jì) 6\o"CurrentDocument"5.3組態(tài)畫面 6\o"CurrentDocument"6組態(tài)程序設(shè)計(jì) 8\o"CurrentDocument"PID控制算法 8\o"CurrentDocument"PID控制算法流程圖 10\o"CurrentDocument"PID腳本程序 10\o"CurrentDocument"7組態(tài)王標(biāo)記名字典 12\o"CurrentDocument"8系統(tǒng)調(diào)試過程 13設(shè)計(jì)心得 錯誤！未定義書簽。1引言現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計(jì)、工程建設(shè)及日常生活中常常需要用到溫度控制，早期溫度控制主要應(yīng)用于工廠中，例如鋼鐵的水溶溫度，不同等級的鋼鐵要通過不同溫度的鐵水來實(shí)現(xiàn)，這樣就可能有效的利用溫度控制來掌握所需要的產(chǎn)品了。將單片機(jī)控制方法運(yùn)用到溫度控制系統(tǒng)中，可以克服溫度控制系統(tǒng)中存在的嚴(yán)重滯后現(xiàn)象，同時在提咼米樣頻率的基礎(chǔ)上可以很大程度的提咼控制效果和控制精度。溫度的控制問題是一個工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常會遇到的問題。本文以它為例進(jìn)行介紹,希望能收到舉一反三和觸類旁通的效果?，F(xiàn)代自動控制越來越朝著智能化發(fā)展，在很多自動控制系統(tǒng)中都用到了工控機(jī),小型機(jī)、甚至是巨型機(jī)處理機(jī)等，當(dāng)然這些處理機(jī)有一個很大的特點(diǎn)，那就是很高的運(yùn)行速度，很大的內(nèi)存，大量的數(shù)據(jù)存儲器。但隨之而來的是巨額的成本。在很多的小型系統(tǒng)中，處理機(jī)的成本占系統(tǒng)成本的比例高達(dá)20%，而對于這些小型的系統(tǒng)來說，配置一個如此高速的處理機(jī)沒有任何必要，因?yàn)檫@些小系統(tǒng)追求經(jīng)濟(jì)效益,而不是最在乎系統(tǒng)的快速性，所以用成本低廉的單片機(jī)控制小型的，而又不是很復(fù)雜，不需要大量復(fù)雜運(yùn)算的系統(tǒng)中是非常適合的。隨著電子技術(shù)以及應(yīng)用需求的發(fā)展，單片機(jī)技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，在高集成度，高速度，低功耗以及高性能方面取得了很大的進(jìn)展。伴隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電子技術(shù)有了更高的飛躍，我們現(xiàn)在完全可以運(yùn)用單片機(jī)和電子溫度傳感器對某處進(jìn)行溫度檢測，而且我們可以很容易地做到多點(diǎn)的溫度檢測，如果對此原理圖稍加改進(jìn)，我們還可以進(jìn)行不同地點(diǎn)的實(shí)時溫度檢測和控制。2系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析2.1設(shè)計(jì)目的運(yùn)用組態(tài)軟件“組態(tài)王KingView6.53”，結(jié)合工業(yè)過程實(shí)驗(yàn)室已有設(shè)備，按照定值系統(tǒng)的控制要求，應(yīng)用PID算法，自行設(shè)計(jì)，構(gòu)成單回路溫度控制系統(tǒng)，并整定現(xiàn)相關(guān)的PID參數(shù)以使系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，最終得到一個具有較美觀組態(tài)畫面和較完善組態(tài)控制程序的溫度單回路控制系統(tǒng)。2?2設(shè)計(jì)要求利用電阻絲加熱器對流經(jīng)加熱罐中的水進(jìn)行加熱，使用組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)控制監(jiān)控，采用合理的控制規(guī)律，是管道中流動水的溫度穩(wěn)定在設(shè)定值附近，以達(dá)到整體系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的效果。水溫的測量范圍為o—100°C，測量精度VI%。2.3設(shè)計(jì)的內(nèi)容運(yùn)用組態(tài)軟件“組態(tài)王6.53”，結(jié)合工業(yè)過程實(shí)驗(yàn)室已有設(shè)備，按照流量比值控制系統(tǒng)的控制要求，應(yīng)用PID算法，自行設(shè)計(jì)，構(gòu)成單回路閉環(huán)控制系統(tǒng)，并整定相關(guān)的PID參數(shù)以使系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，最終得到一個具有較美觀組態(tài)畫面和較完善組態(tài)控制程序的溫度單回路控制系統(tǒng)。3系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)及控制規(guī)律的選擇3?1系統(tǒng)控制方案為了取得較好的控制效果，基于組態(tài)軟件的溫度單回路過程控制系統(tǒng)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時，采用PID控制規(guī)律。通過溫度傳感器將檢測到的實(shí)時溫度值與溫度設(shè)定值的差值送入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)運(yùn)用PID算法得到相應(yīng)的控制信號，并將其輸出給執(zhí)行器，然后執(zhí)行器調(diào)節(jié)加熱器，以達(dá)到調(diào)節(jié)溫度的控制目的。3.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖根據(jù)控制要求，溫度單回路控制系統(tǒng)的控制參數(shù)是水的溫度，測量便采用溫度傳感器，被控參數(shù)是加熱器的功率，控制器是計(jì)算機(jī)，執(zhí)行器是加熱器，所以溫度單回路控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖3-1所示。

圖3-1單回路控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框根據(jù)系統(tǒng)組成框圖和組成的儀表單元，得到系統(tǒng)流程圖如圖3-2所示。計(jì)算機(jī)AD模塊Cu50*fdA模塊7024加熱罐可控碰AD模塊Cu50*fdA模塊7024加熱罐可控碰T―220VAC圖3-2系統(tǒng)流程圖4儀表與模塊的選擇4.1儀器儀表的選擇4.1.1 溫度傳感器測量水溫的傳感器采用電熱阻Cu50。熱電阻Cu50在一50?150°C測量范圍內(nèi)電熱阻和溫度之間呈線性關(guān)系，溫度系數(shù)越大，測量精度越高，熱補(bǔ)償性好，在過程控制領(lǐng)域使用廣泛。系統(tǒng)采用三線制Cu50,溫度信號經(jīng)過變送單元轉(zhuǎn)換成4?20mADC電流信號，便于計(jì)算機(jī)米集。4.1.2加熱器采用電阻絲作為加熱器件，采用可控硅移相觸發(fā)單元調(diào)節(jié)電阻絲的發(fā)熱功率，輸入控制信號為4—20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號，其移相觸發(fā)與輸入控制電流成正比。輸出交流電壓來控制加熱器電阻絲的兩端電壓，從而控制加熱罐的溫度。輸入4mA電流時，加熱器電阻絲的兩端溫度為0V，輸入為20mA電流時，加熱器電阻絲的兩端溫度為220V。4.1.3電動調(diào)節(jié)閥采用電動調(diào)節(jié)閥對控制回路的水的流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。采用德國PS公司進(jìn)口的PSL202型智能電動調(diào)節(jié)閥，無需配伺服放大器，驅(qū)動電路采用高性能稀土磁性材料制造的同步電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，體積小，力矩大，抗堵轉(zhuǎn)，控制精度高?？刂茊卧c執(zhí)行機(jī)構(gòu)一體化，可靠性高、操作方便，并可與計(jì)算機(jī)配套使用，組成最佳調(diào)節(jié)回路。由輸入控制信號4?20mA及單相電源即可控制運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)對壓力流量溫度液位等參數(shù)的調(diào)節(jié)，具有體積小，重量輕，連線簡單，泄漏量少的優(yōu)點(diǎn)。采用PS電子式直行程執(zhí)行機(jī)構(gòu)，4?20mA閥位反饋信號輸出雙導(dǎo)向單座柱塞式閥芯，流量具有等百分比特性，直線特性和快開特性，閥門采用柔性彈簧連接，可預(yù)置閥門關(guān)斷力，保證閥門的可靠關(guān)斷防止泄露。性能穩(wěn)定可靠，控制精度高，使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)。4.1.4其他設(shè)備在控制回路中所涉及到的設(shè)備還有水泵，變頻器，電磁閥，開關(guān)電源等。水泵采用丹麥格蘭富循環(huán)水泵。噪音低，壽命長，揚(yáng)程可達(dá)10米，功耗小，220V即可供電，在水泵出水口裝有壓力變送器，與變頻器一起可構(gòu)成恒壓供水系統(tǒng)。所用到的電磁閥的工作電源為DC24V，管段能力強(qiáng)，使用方便，結(jié)構(gòu)簡單。所采用的24V開關(guān)電源最大電流為2A，滿足系統(tǒng)需要。4.2模塊的選擇4.2.1D/AA/D模塊的選擇采用牛頓7000系列遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集模塊作為計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集通訊過程模塊。牛頓7000系列模塊體積小，安裝方便，可靠性高。D/A模塊采用牛頓7024,四通道模擬輸出模塊，電流輸出4?20mADC,電壓輸出1?5VDC，精度14位。使用7024模塊的1通道101作為可控硅的電壓控制通道。A/D模塊采用牛頓7017，八通道模擬輸出模塊，電壓輸入1?5VDC。。使用7024模塊的4通道IN4作為溫度信號檢測輸入通道。4.2.2通信模塊系統(tǒng)常用的并行總線有RS232,RS485等。RS485更適合于多站連接，且距離傳輸較遠(yuǎn)，為小于1200米，是雙端發(fā)雙端收，在傳輸線上允許接的驅(qū)動器和接收器數(shù)目較多，且數(shù)據(jù)傳輸速率較快，正因?yàn)樗哂腥绱藘?yōu)點(diǎn)所以價格方面比較貴。而RS232一般適用于短距離，為小于20米。是單端發(fā)單端收。對此實(shí)驗(yàn)來講，距離很近，且RS232就可滿足系統(tǒng)的要求，從價格方面和其他方面考慮，本實(shí)驗(yàn)采用RS232通訊總線。通信模塊采用牛頓7520,RS232轉(zhuǎn)換485通訊模塊。使用RS-232/RS485雙向協(xié)議轉(zhuǎn)換，速度為300?115200BPS，可長距離傳輸。控制回路中電磁閥的開關(guān)量輸出模塊采用牛頓7043,16通道非隔離集電極開路輸出模塊。最大集電極開路電壓30V，每通道輸出電流100mA，可直接驅(qū)動電磁閥設(shè)備。5組態(tài)畫面設(shè)計(jì)5?1組態(tài)王簡介組態(tài)王是在pc機(jī)上建立工業(yè)控制對象人機(jī)接口的一種智能軟件包，該軟件包從工業(yè)控制對象中采集數(shù)據(jù)，并記錄在實(shí)時數(shù)據(jù)庫中，同時負(fù)責(zé)把數(shù)據(jù)的變化用動畫的方式想象得表示出來，還可以完成變量警報(bào)、操作記錄、趨勢曲線等監(jiān)視功能，并按實(shí)際需要生成歷史數(shù)據(jù)文件，它以Windows98/Windows2000/WindowsXP中文操作系統(tǒng)為操作平臺，采用了多線程、COM組態(tài)等新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時多任務(wù)。它具有豐富的圖庫及圖庫開發(fā)工具，支持各種主流PLC、智能儀表、板卡和現(xiàn)場總線等工控產(chǎn)品；有一種類似C語言的編程環(huán)境，便于處理各種算法和操作，還內(nèi)嵌了許多函數(shù)供用戶調(diào)用，實(shí)現(xiàn)各種功能。5?2組態(tài)軟件設(shè)計(jì)在WindowsXP環(huán)境下，控制系統(tǒng)軟件以組態(tài)王6.01作為開發(fā)平臺。整個監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，總體監(jiān)視，相關(guān)參數(shù)實(shí)時在線調(diào)整，顯示實(shí)時曲線，歷史曲線等功能。5.2.1設(shè)備設(shè)置組態(tài)王對設(shè)備的管理是通過對邏輯設(shè)備名的管理實(shí)現(xiàn)的，具體將就是每一個實(shí)際I/O設(shè)備都必須在組態(tài)王中指定一個唯一的邏輯名稱，此邏輯設(shè)備名就對應(yīng)著該I/O的生產(chǎn)廠家、實(shí)際設(shè)備名稱、設(shè)備通信方式、設(shè)備地址、與上位計(jì)算機(jī)的通訊方式等信息內(nèi)容。系統(tǒng)中與上位計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換外部的設(shè)備主要是AD設(shè)備牛頓7017模塊和DA設(shè)備牛頓7024模塊。在組態(tài)王軟件工程瀏覽器中，設(shè)置7017模塊IN4通道和7024模塊i01通道名稱分別為AD和DA,與計(jì)算機(jī)COM1串口通信，通信地址分別為0和1。通信參數(shù)的設(shè)置如下表所示：表1通信參數(shù)的設(shè)置表設(shè)置項(xiàng)推薦值波特率9600數(shù)據(jù)位長度/位7停止位長度/位1奇偶校驗(yàn)位偶校驗(yàn)5?3組態(tài)畫面本系統(tǒng)繪制的組態(tài)畫面主要有開機(jī)畫面，系統(tǒng)組成畫面等。開機(jī)畫面主要顯示課題題目，制作人姓名，班級等相關(guān)信息。畫面上設(shè)置有兩個提示按鍵，分別提示操作員進(jìn)入主界面或退出操作系統(tǒng)等。系統(tǒng)主界面主要繪制的溫度單回路控制系統(tǒng)的工藝組成圖。包括水箱，管道，加熱罐和閥門等設(shè)備以及相關(guān)的操作提示按鈕等。基于動畫連接，主界面可實(shí)現(xiàn)自動，手動切換，以及顯示PID參數(shù)整定框和實(shí)時曲線框以方便操作員在線調(diào)節(jié)PID參數(shù)觀察控制效果。組態(tài)畫面設(shè)計(jì)的大致步驟如下：1:創(chuàng)建一個新項(xiàng)目2:創(chuàng)建一個新畫面3：動畫連接所謂動畫連接，就是建立畫面的圖素與數(shù)據(jù)庫變量的對應(yīng)關(guān)系，建立動畫連接后，根據(jù)數(shù)據(jù)庫中變量的變化，圖形對象可以按動畫連接的要求進(jìn)行改變。建立動畫連接的基本步驟：1創(chuàng)建或選擇連接對象，2雙擊與變量相關(guān)的圖形對象，彈出動畫連接對話框3選擇對象想要進(jìn)行的連接4為鏈接定義輸入詳細(xì)資料4：最終的組態(tài)畫面如下所示：系統(tǒng)主界面如下圖5-3所示

矚［E］討咧［L］工ME圖庫［Z］畫面［W］曙助［H］矚［E］討咧［L］工ME圖庫［Z］畫面［W］曙助［H］設(shè)定值###c測量值###c輸出值###c)控制器二員塔國巴A%C!?DII嘲誤系■冒Nftpc電厲:=:□?0蜒％TDM一鬧JP?T囹O陶晶詩君/K園『呂十和二_一DR『禽?:/■—10 20 1321 695比例系數(shù)###c積分時間###cti■ ■■■■口曲■□□■■■■■a圖5-3溫度單回路控制系統(tǒng)組態(tài)圖6組態(tài)程序設(shè)計(jì)6?1PID控制算法PID是一種工業(yè)控制過程中應(yīng)用較為廣泛的一種控制算法，它具有原理簡單，易于實(shí)現(xiàn)，穩(wěn)定性好，適用范圍廣，控制參數(shù)易于整定等優(yōu)點(diǎn)。PID控制不需了解被控對象的數(shù)學(xué)模型，只要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)調(diào)整控制器參數(shù)，便可獲得滿意的結(jié)果。其不足之處是對被控參數(shù)的變化比較敏感。但是通過軟件編程方法實(shí)現(xiàn)PID控制，可以靈活地調(diào)整參數(shù)。連續(xù)PID控制器也稱比例一積分一微分控制器，即過程控制是按誤差的比例(P-ProportionAl)、積分(ITntegrAl)和微分(D-DerivAtive)對系統(tǒng)進(jìn)行控制。它的控制規(guī)律的數(shù)學(xué)模型如下：u(t)=ke(t)+1「e(t)dt+T""p To ddt1- I 」式中，e(t)：調(diào)節(jié)器輸入函數(shù)，即給定量與輸出量的偏u(t)：調(diào)節(jié)器輸出函數(shù)。將式展開，調(diào)節(jié)器輸出函數(shù)可分成比例部分、積分部分和微分部分，它們分別是:

⑴比例部分比例部分的數(shù)學(xué)表達(dá)式是kpe(t),p在比例部分中,Kp是比例系數(shù),Kp越大，可以使系統(tǒng)的過渡過程越快，迅速消除靜誤差；但Kp過大，易使系統(tǒng)超調(diào)，產(chǎn)生振蕩，導(dǎo)致不穩(wěn)定。因此，此比例系數(shù)應(yīng)選擇合適，才能達(dá)到使系統(tǒng)的過渡過程時間短而穩(wěn)定的效果。其中：U控制器的輸出，KP比例系數(shù)，e調(diào)節(jié)器輸入偏差，U0控制量的基準(zhǔn)。比例作用：迅速反應(yīng)誤差，但不能消除穩(wěn)態(tài)誤差，過大容易引起不穩(wěn)定⑵積分部分積分部分的數(shù)學(xué)表達(dá)式是倖「e(t)dt從它的數(shù)學(xué)表達(dá)式可以看出，ToI要是系統(tǒng)誤差存在，控制作用就會不斷增加或減少，只有e(t)=0時，它的積分才是一個不變的常數(shù)，控制作用也就不會改變，積分部分的作用是消除系統(tǒng)誤差。積分時間常數(shù)T的選擇對積分部分的作用影響很大。T較大，積分作用較弱,I I這時，系統(tǒng)消除誤差所需的時間會加長，調(diào)節(jié)過程慢；T較小，積分作用增強(qiáng)，這I時可能使系統(tǒng)過渡過程產(chǎn)生振蕩，但可以較快地消除誤差。⑶微分部分kde(t)微分部分的數(shù)學(xué)表達(dá)式是F-yrTd(t)D位置式PID控制算法u-Ke+p6?2PID控制算法流程圖圖6-1 PID控制算法流程圖6?3PID腳本程序啟動時：Ts=20;I=Ti/Ts;D=Td/Ts;ukp=0;ekl=O;ekll=O;ek12=0;運(yùn)行期間：if(自動開關(guān)==1){ Ts=15;I=Ti/Ts;D=Td/Ts;a0=P*(1+1/I+D);a1=P*(1+2*D);a2=P*D;ek1=sp-溫度；uk11;ukp=aO*ek1-a1* ek11+ a2*ek12+uk11;uk11=ukp;ek12= ek11;ek11=ek1;if(ukp<1OOO){if(ukp<0){uk1=O;}else{uk1=ukp;}}else{uk1=1000;}}關(guān)閉時：ukp=0;uk1=0;ekll=O;ekl2=0;7組態(tài)王標(biāo)記名字典根據(jù)控制系統(tǒng)的需要建立數(shù)據(jù)詞典，以便確定內(nèi)存變量與I/O數(shù)據(jù)，運(yùn)算數(shù)據(jù)的關(guān)系。只有在數(shù)據(jù)詞典中定義的變量才能在系統(tǒng)的控制程序中使用。本系統(tǒng)中所涉及到的變量的類型主要有AD,DA設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的I/O實(shí)型變量，控制電磁閥開關(guān)的I/O離散變量，用于定以開關(guān)動畫連接的內(nèi)存離散變量，參于PID運(yùn)算的內(nèi)存實(shí)型變量和實(shí)現(xiàn)各種動畫效果所用到的內(nèi)存實(shí)型及內(nèi)存整型變量等。具體的參數(shù)詞典如下表所示。變星名 1變量類型1■■ID連接設(shè)備寄存器夠$用戶名內(nèi)存字符串9瘡$訪問權(quán)限內(nèi)存實(shí)型10瘍$啟動歷史記錄內(nèi)存離散11瘡$啟動報(bào)警記錄內(nèi)存離散12瘡$啟動后臺命等語言內(nèi)存離散13瘡$新報(bào)警內(nèi)存離散14瘡$孜機(jī)熱備狀態(tài)內(nèi)存整型15瘡$毫秒內(nèi)存實(shí)型16瘡自動開關(guān)內(nèi)存離散21瘍