1、工業過程控制課程設計題 目: 溫度單回路控制系統設計 院系名稱： 專業班級： 學生姓名： 學 號： 指導教師： 設計地點： 設計時間： 設計成績： 指導教師： 摘要隨著電子技術以及應用需求的發展，單片機技術得到了迅速的發展，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展。伴隨著科學技術的發展，電子技術有了更高的飛躍，我們現在完全可以運用單片機和電子溫度傳感器對某處進行溫度檢測，而且我們可以很容易地做到多點的溫度檢測，如果對此原理圖稍加改進，我們還可以進行不同地點的實時溫度檢測和控制。 關鍵詞： 組態軟件 PID控制 儀表 系統設計目 錄1 引言12 系統設計分析12.1 設計目的12

2、.2設計要求22.3 設計的內容23系統方案的設計及控制規律的選擇23.1系統控制方案23.2 系統結構框圖24儀表與模塊的選擇34.1 儀器儀表的選擇34.2 模塊的選擇55組態畫面設計55.1組態王簡介55.2組態軟件設計653 組態畫面76 組態程序設計86.1 PID 控制算法86.2PID 控制算法流程圖106.3 PID腳本程序107組態王標記名字典128系統調試過程13設計心得131 引言現代工業設計、工程建設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現，這樣就可能有效的利用溫度控制來掌握所需要的產品

3、了。將單片機控制方法運用到溫度控制系統中，可以克服溫度控制系統中存在的嚴重滯后現象，同時在提高采樣頻率的基礎上可以很大程度的提高控制效果和控制精度。溫度的控制問題是一個工業生產中經常會遇到的問題。本文以它為例進行介紹，希望能收到舉一反三和觸類旁通的效果。現代自動控制越來越朝著智能化發展，在很多自動控制系統中都用到了工控機，小型機、甚至是巨型機處理機等，當然這些處理機有一個很大的特點，那就是很高的運行速度，很大的內存，大量的數據存儲器。但隨之而來的是巨額的成本。在很多的小型系統中，處理機的成本占系統成本的比例高達20%，而對于這些小型的系統來說，配置一個如此高速的處理機沒有任何必要，因為這些小系

4、統追求經濟效益，而不是最在乎系統的快速性，所以用成本低廉的單片機控制小型的，而又不是很復雜，不需要大量復雜運算的系統中是非常適合的。 隨著電子技術以及應用需求的發展，單片機技術得到了迅速的發展，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展。伴隨著科學技術的發展，電子技術有了更高的飛躍，我們現在完全可以運用單片機和電子溫度傳感器對某處進行溫度檢測，而且我們可以很容易地做到多點的溫度檢測，如果對此原理圖稍加改進，我們還可以進行不同地點的實時溫度檢測和控制。2 系統設計分析2.1 設計目的運用組態軟件“組態王King View6.53”，結合工業過程實驗室已有設備，按照定值系統的控制要求

5、，應用PID算法，自行設計，構成單回路溫度控制系統，并整定現相關的PID參數以使系統穩定運行，最終得到一個具有較美觀組態畫面和較完善組態控制程序的溫度單回路控制系統。2.2設計要求 利用電阻絲加熱器對流經加熱罐中的水進行加熱，使用組態軟件實現控制監控，采用合理的控制規律，是管道中流動水的溫度穩定在設定值附近，以達到整體系統穩定運行的效果。水溫的測量范圍為0100，測量精度1%。2.3 設計的內容 運用組態軟件“組態王6.53”，結合工業過程實驗室已有設備，按照流量比值控制系統的控制要求，應用PID算法，自行設計，構成單回路閉環控制系統，并整定相關的PID參數以使系統穩定運行，最終得到一個具有較

6、美觀組態畫面和較完善組態控制程序的溫度單回路控制系統。3系統方案的設計及控制規律的選擇3.1系統控制方案為了取得較好的控制效果，基于組態軟件的溫度單回路過程控制系統在系統設計時，采用PID控制規律。通過溫度傳感器將檢測到的實時溫度值與溫度設定值的差值送入計算機，計算機運用PID算法得到相應的控制信號，并將其輸出給執行器，然后執行器調節加熱器，以達到調節溫度的控制目的。3.2 系統結構框圖根據控制要求，溫度單回路控制系統的控制參數是水的溫度，測量便采用溫度傳感器，被控參數是加熱器的功率，控制器是計算機，執行器是加熱器，所以溫度單回路控制系統的結構框圖如圖3-1所示。圖3-1 單回路控制系統的結構

7、框根據系統組成框圖和組成的儀表單元，得到系統流程圖如圖3-2所示。 圖3-2系統流程圖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50150測量范圍內電熱阻和溫度之間呈線性關系，溫度系數越大，測量精度越高，熱補償性好，在過程控制領域使用廣泛。系統采用三線制Cu50，溫度信號經過變送單元轉換成420mADC電流信號，便于計算機采集。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單元調節電阻絲的發熱功率，輸入控制信號為420mA標準電流信號，其移相觸發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

8、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電動調節閥采用電動調節閥對控制回路的水的流量進行調節。采用德國PS公司進口的PSL202型智能電動調節閥，無需配伺服放大器，驅動電路采用高性能稀土磁性材料制造的同步電機運行平穩，體積小，力矩大，抗堵轉，控制精度高。控制單元與執行機構一體化，可靠性高、操作方便，并可與計算機配套使用，組成最佳調節回路。由輸入控制信號420mA及單相電源即可控制運轉實現對壓力流量溫度液位等參數的調節，具有體積小，重量輕，連線簡單，泄漏量少的優點。采用PS電子式直行程執行機構，420m

9、A閥位反饋信號輸出雙導向單座柱塞式閥芯，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，可預置閥門關斷力，保證閥門的可靠關斷防止泄露。性能穩定可靠，控制精度高，使用壽命長等優點。4.1.4其他設備在控制回路中所涉及到的設備還有水泵，變頻器，電磁閥，開關電源等。水泵采用丹麥格蘭富循環水泵。噪音低，壽命長，揚程可達10米，功耗小，220V即可供電，在水泵出水口裝有壓力變送器，與變頻器一起可構成恒壓供水系統。所用到的電磁閥的工作電源為DC24V，管段能力強，使用方便，結構簡單。所采用的24V開關電源最大電流為2A，滿足系統需要。4.2 模塊的選擇4.2.1 D/A A/D 模塊的選擇

10、采用牛頓7000系列遠程數據采集模塊作為計算機控制系統的數據采集通訊過程模塊。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420mADC，電壓輸出15VDC，精度14位。使用7024模塊的1通道I01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15VDC。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，為小于1200米，是雙端發雙端收，在傳輸線上允許接的驅動器和接收器數目較多，且數

11、據傳輸速率較快，正因為它具有如此優點所以價格方面比較貴。而RS232一般適用于短距離，為小于20米。是單端發單端收。對此實驗來講，距離很近，且RS232就可滿足系統的要求，從價格方面和其他方面考慮，本實驗采用RS232通訊總線。通信模塊采用牛頓7520，RS232轉換485通訊模塊。使用RS-232/RS485雙向協議轉換，速度為300115200BPS，可長距離傳輸。控制回路中電磁閥的開關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，可直接驅動電磁閥設備。5組態畫面設計5.1組態王簡介組態王是在PC機上建立工業控制對象人機接

12、口的一種智能軟件包，該軟件包從工業控制對象中采集數據，并記錄在實時數據庫中，同時負責把數據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、操作記錄、趨勢曲線等監視功能，并按實際需要生成歷史數據文件，它以Windows 98/Windows 2000/Windows XP中文操作系統為操作平臺，采用了多線程、COM組態等新技術，實現了實時多任務。它具有豐富的圖庫及圖庫開發工具，支持各種主流PLC、智能儀表、板卡和現場總線等工控產品；有一種類似C語言的編程環境，便于處理各種算法和操作，還內嵌了許多函數供用戶調用，實現各種功能。5.2組態軟件設計在Windows XP環境下，控制系統軟件以組態

13、王6.01作為開發平臺。整個監控系統實現數據采集，總體監視，相關參數實時在線調整，顯示實時曲線，歷史曲線等功能。5.2.1設備設置組態王對設備的管理是通過對邏輯設備名的管理實現的，具體將就是每一個實際I/O設備都必須在組態王中指定一個唯一的邏輯名稱，此邏輯設備名就對應著該I/O的生產廠家、實際設備名稱、設備通信方式、設備地址、與上位計算機的通訊方式等信息內容。系統中與上位計算機進行數據交換外部的設備主要是AD設備牛頓7017模塊和DA設備牛頓7024模塊。在組態王軟件工程瀏覽器中，設置7017模塊IN4通道和7024模塊i01通道名稱分別為AD和DA，與計算機COM1串口通信，通信地址分別為0

14、和1。通信參數的設置如下表所示：表1 通信參數的設置表設置項推薦值波特率9600數據位長度/位7停止位長度/位1奇偶校驗位偶校驗53 組態畫面本系統繪制的組態畫面主要有開機畫面，系統組成畫面等。開機畫面主要顯示課題題目，制作人姓名，班級等相關信息。畫面上設置有兩個提示按鍵，分別提示操作員進入主界面或退出操作系統等。系統主界面主要繪制的溫度單回路控制系統的工藝組成圖。包括水箱，管道，加熱罐和閥門等設備以及相關的操作提示按鈕等。基于動畫連接，主界面可實現自動，手動切換，以及顯示PID參數整定框和實時曲線框以方便操作員在線調節PID參數觀察控制效果。組態畫面設計的大致步驟如下：1：創建一個新項目圖5

15、-1 新建項目2：創建一個新畫面3：動畫連接所謂動畫連接，就是建立畫面的圖素與數據庫變量的對應關系，建立動畫連接后，根據數據庫中變量的變化，圖形對象可以按動畫連接的要求進行改變。建立動畫連接的基本步驟：1創建或選擇連接對象，2雙擊與變量相關的圖形對象，彈出動畫連接對話框3選擇對象想要進行的連接4為鏈接定義輸入詳細資料4：最終的組態畫面如下所示：系統主界面如下圖5-3所示 圖5-3 溫度單回路控制系統組態圖6 組態程序設計6.1 PID 控制算法PID是一種工業控制過程中應用較為廣泛的一種控制算法，它具有原理簡單，易于實現，穩定性好，適用范圍廣，控制參數易于整定等優點。PID控制不需了解被控對象

16、的數學模型,只要根據經驗調整控制器參數 ,便可獲得滿意的結果。其不足之處是對被控參數的變化比較敏感。但是通過軟件編程方法實現PID控制 ,可以靈活地調整參數。 連續PID控制器也稱比例積分微分控制器，即過程控制是按誤差的比例（P-ProportionAl）、積分（I-IntegrAl）和微分（D-DerivAtive）對系統進行控制。它的控制規律的數學模型如下： 式中，e(t)：調節器輸入函數，即給定量與輸出量的偏u(t)：調節器輸出函數。 將式展開，調節器輸出函數可分成比例部分、積分部分和微分部分，它們分別是: 比例部分 比例部分的數學表達式是,p在比例部分中，Kp是比例系數，Kp越大，可以

17、使系統的過渡過程越快，迅速消除靜誤差；但Kp過大，易使系統超調，產生振蕩，導致不穩定。因此，此比例系數應選擇合適，才能達到使系統的過渡過程時間短而穩定的效果。 其中： U控制器的輸出，比例系數，e調節器輸入偏差， 控制量的基準。比例作用：迅速反應誤差，但不能消除穩態誤差，過大容易引起不穩定 積分部分 積分部分的數學表達式是從它的數學表達式可以看出，要是系統誤差存在，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，控制作用也就不會改變，積分部分的作用是消除系統誤差。積分時間常數的選擇對積分部分的作用影響很大。較大，積分作用較弱，這時，系統消除誤差所需的時間會加長，調節

18、過程慢；較小，積分作用增強，這時可能使系統過渡過程產生振蕩，但可以較快地消除誤差。 微分部分微分部分的數學表達式是.位置式PID控制算法 6.2PID 控制算法流程圖圖6-1 PID控制算法流程圖6.3 PID腳本程序啟動時： Ts=20; I= Ti/ Ts; D= Td/ Ts; ukp=0; uk1=0; ek1=0; ek11=0; ek12=0;運行期間：if( 自動開關=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; ukp= a0* ek1- a1* ek11+ a2* ek12+ uk11; uk11= ukp; ek12= ek11; ek11= ek1;if( ukp<1000) if( ukp<0) uk1=0; else uk1= ukp; else uk1=1000;關閉時： ukp=0; uk1=0; ek1=0; ek11=0; ek12=0;7組態王標記名字典根據控制系統的需要建立數據詞典，以便確定內存變量與I/O數據，運算數據的關系。只有在數據詞典中定義的變量才能在系統的控制程序中使用。本系統中所涉