电烤箱的炉温控制系统设计作 者 姓 名：作 者 学 号：指 导 教 师：学 院 名 称： 专 业 名 称：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。在很多情况下，并不一定需要所有三个单元，可以取其中的一到两个单元，但比例控制单元是必不可少的。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的工业控制系统总是受产品质量、安全、产量和能源浪费等问题的困扰。PID参数自整定就是为了解决PID参数整定这个问题而产生的。现在，自动整定或自身整定的PID控制器已是商业单回路控制器和分散控制系统的一个标准单回路温度控制系统重要由计算机，采样板卡，控制箱，加热炉体组成。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。计算机控制系统一般由控制计算机、A/D与D/A接口、执行机构、被控对象、检测元件和变送器组成。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的控制。关键词：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 课程设计目的与任务11.1 课程设计目的11.2 课程设计任务与规定1第2章 炉温控制系统的组成22.1 设计所需设备及参考资料22.1.1 设备22.1.2 参考资料22.2 炉温控制系统硬件组成22.2.1 实验设备22.2.2 设备通讯42.2.3 智能控制仪表CD901简介52.3 实验装置连线环节72.4 炉温控制系统硬件工作原理72.4.1 前向通道工作过程72.4.2 反馈通道工作过程8第3章 人机界面制作93.1 软件设计目的93.2 人机界面制作93.2.1 建立新工程93.2.2 画面的制作123.3 画面的制作123.4 建立数据词典133.5 建立动画连接143.6 调试运营16第4章 PID控制作用及参数整定174.1 PID的作用174.2 PID控制器参数的整定174.3 一般PID控制算法174.4 工程整定方法介绍194.4.1 建立新工程194.4.2 临界比例带入法204.4.3 经验法214.4.4 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27参考文献28第1章 课程设计目的与任务1.1 课程设计目的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以后，可以灵活运用相关基本知识和基本理论模拟设计一个过程控制系统，以期培养学生解决实际问题的能力。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的工作原理及参数整定环节的基础上，针对一个电烤箱设计炉温控制系统。具体规定：(1) 电烤箱控制系统的工作方案设计、设备选型及其连线；(2) 炉温控制系统的对象-传递函数拟定；(3) 单回路PID炉温控制的实现；(4) 运用组态王软件编制上位机监控软件；(5) 撰写规范化的说明书一份。第2章 炉温控制系统的组成2.1 设计所需设备及参考资料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 参考资料l 过程控制系统l 组态王培训教程l 相关设备元件的说明书2.2 炉温控制系统硬件组成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、操作和记录的功能。温度对象由烤箱改造而成，增设风扇冷却装置，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风扇用于冷却。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。其原理结构如图2.1所示。双温室实验对象将烤箱用隔板隔成两部分，控制装置同样设立配置完全相同两套，安装于统一的控制箱上。控制箱面板布置图如图2.2所示。图2.1 温度实验系统功能结构图图2.2 控制箱面板（单套控制系统）本实验的检测元件为热电阻pt100。热电阻最大的特点是工作在中低温区，性能稳定，测量精度高。本系统中电炉的温度被控制在0300度之间，为了留有余地，我们要将温度的范围选在0400度，它为中低温区，所以本系统选用的是热电阻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,可实现相称于常用的机械式电磁继电器同样的功能。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的通讯。RS-232/RS-485转换器如图2.5所示。RS-232/RS-485转换器，它按RS-232规定的协议工作。RS-232是规定连接电缆的机械、电气特性、信号功能及传送过程。目前在IBM PC机上的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，这种情况下，只需使用少数几根信号线。最简朴的情况，在通信中主线不需要RS-232C的控制联络信号，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的通讯端，为标 准的RS485接口。标准的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发来的串行数据。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，二线制可实现真正的多点双向通信。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智能控制仪表的前部外观如下图2-8所示。2.2.3 智能控制仪表CD901简介（1）智能控制仪表CD901的规格型号说明：l PV：输入值（如：读入烤箱的温度值）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的技术数据说明：l 热电阻： Pt 100:电压： 05v 电流： 020mA,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）：来自被控对象的当前值设定值（SV）：与输入范围同样加热侧比例带（P）： 1 全距 0.1 全距冷却侧比例带（Pc）：为P的 11000%积分时间（I）： 13600秒微分时间（D） 13600秒加热侧比例周期（T）：1100秒冷却侧比例周期（t）： 1100秒限制积分动作生效范围（ARW）：加热侧比例带（P）的 1100%（3）CD901工作原理CD901系列仪表可配置数字通讯接口，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码的形式。CD901具有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的连线原理图将系统运营时的线路连接上，连线原理图如下图2.9。图2.9 面板上的连线原理图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、；l OUT1连线：非硬手动时分别连接至调压模块接线柱、；l OUT2连线：当使用风扇制冷时使用。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，即可控硅模块的输入可以由计算机通过数据采集卡的D/A通道自动给定，也可以在控制面板上手动调节，两种方式只能选择一种。可控硅输入Uk为15伏电压，01伏为死区，死区内输出为0，15伏电压输入相应0220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，其温度范围分别为0220度和0300度，每台加热炉因保温效果和加热体实际功率不同，其温度范围也不尽相同，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的检测炉温，温度变送器将热电阻的阻值变化转换放大为两路输出信号，一路为0300度的温度信号，通过数码显示管在温度控制装置上显示出来，另一路为05伏的电压信号，通过数据采集卡PCI1711的A/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，得到新的控制量，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的开发要达成以下功能