计算机的控制课程设计(温度控制系统地设计与实现).pdf
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1、实用标准文案 精彩文档 课程设计说明书 题目 : 温 度 控 制 系 统 的 设 计 与 实 现 学 生 姓 名 : 学院 : 电 力 学 院 系别 : 自 动 化 专业 : 自 动 化 班级 : 指 导 教 师 : 二一年一月十四日 学校代码: 10128 学号: 200710202074 实用标准文案 精彩文档 内蒙古工业大学课程设计(论文)任务书 课程名称:计算机控制系统课程设计学院:电力学院班级:自动化 07-3班 学生姓名:石鑫学号: 200710202074 指导教师:刘磊李志明 一、题目 温度控制系统的设计与实现 二、目的与意义 通过本设计,学生可以加深对温度控制这一过程系统建模
2、、仿真、分析、控制策略设计及实 现的理解,熟悉过程对象的控制特性,较好地掌握计算机控制系统的典型分析方法、基本设计方 法及实现方法,提高观察、分析和解决问题的能力,培养严谨的科学态度,获得科学研究的初步 技能。 三、要求 (包括原始数据、技术参数、设计要求、图纸量、工作量要求等) 技术参数 : 数据采集卡中泰 PCI-8333 固态继电器过零型;输入DC 324V;输出 AC 24240V;最大工作电流25A 测温元件热电偶分度号:K ,热电阻分度号:Pt100 温度变送器输出信号 4 20 mA 电水壶材质:不锈钢;额定电压: AC 220V ;额定功率:1500W ;容积: 6L; 周长:
3、 73cm,高: 20cm 普通示波器 数字万用表 内蒙古呼和浩特地区水沸点:=95。 工作内容及要求: 1、利用计算机控制技术画出单输入单输出控制系统的结构工作原理图。 熟练应用计算机控制技术知识分析系统和设计控制器 2、熟悉课设系统构成 认识熟悉课设各种装置和相关软件,尤其熟悉被控对象水壶。阅读设计中用到的实验装置的 使用说明书,没有说明书的自己上网查找(推荐百度文库);熟悉力控软件; 3、根据上两步画出本课设中所涉及的单输入单输出温度控制系统控制框图 4、温控对象的数学建模 实用标准文案 精彩文档 熟悉两种建模理论(实际课程没有讲解,但课本中间接提到,具体理论推荐百度文库查 找) ,机理
4、建模,测试建模。掌握测试建模的方法。确定被控对象水壶的数学模型传函中的参数。 5、根据控制要求(性能指标)和控制对象模型确定控制方案和控制策略及仿真 首先确定温度控制系统的控制方案,利用自动控制原理确定控制策略。利用MATLAB 编程 计算确定控制器具体传函,同时利用MATLAB进行仿真研究,看是否达到控制要求,不满足重复 第五步。 6、控制实现 结合本课程设计,利用热工测量仪表知识,熟悉传感器的选型,利用微机原理和总线接口 知识, 熟悉数据采集系统中A/D 和 D/A 以及接口芯片的选型,利用模拟电子技术和数字电子技术 以及电路知识,熟悉辅助电路设计,例如一些滤波,放大电路。利用自动控制原理
5、离散系统知识 熟悉控制器算法的实现,利用面向对象的编程语言熟悉采集卡的驱动工作,利用电传动理论(温 度课程设计中没有涉及到)和PLC软继电器和硬继电器相关知识熟悉执行机构的选型(温度课设 中使用)。 7、系统的构建和实际系统的调试 用万用表和示波器一步一步检查物理连接,看看每一步连接输出信号是否正确可靠,理 论控制器参数通过仿真是否整定合理,开始调试系统, 根据实际控制效果,重新调整控制器参数, 看是否能达到控制要求。 8、若没有结果或达不到控制要求 认真检查系统构建的物理连接 改变控制策略,改进控制算法(实际都是力控中实现) 修改模型。 重复以上4-7 步骤。 技术要求: 电水壶内热水温度控
6、制在60 100之间的任一温度。 设计成果要求: 所设计控制策略的仿真程序; 实物控制:实现电水壶内热水温度在60 100之间的任一温度的定值控制; 控制策略的组态软件实现程序,要求利用组态软件画出工艺流程图、趋势曲线等; 按统一规范格式,撰写课程设计说明书。 实用标准文案 精彩文档 四、工作内容、进度安排 2011-1-4 2011-1-6 上午熟悉系统构成,查资料,阅读整理资料(要求有读书笔记) 2011-1-7 控制对象的数学建模。 2011-1-102011-1-11 控制策略设计、实现、仿真。 2011-1-12 系统组成,调试。 2011-1-13 2011-1-14 分析总结本次
7、课程设计,提出进一步改进建议。认真详细撰写课 程设计说明书。上交仿真程序、组态软件实现程序、课程设计说 明书,验收实物控制效果,答辩。 五、主要参考文献 1 张计科,王志和. 计算机集成控制系统课程设计指导书. 呼和浩特:内蒙古工业大学, 2005 2 方康玲主编 . 过程控制系统 . 武汉:武汉理工大学出版社2002 3 金以慧 . 过程控制 . 北京:清华大学出版社1993 4 胡寿松 . 自动控制原理. 第四版 . 北京:科学出版社2001 审核意见 系(教研室)主任(签字) 指导教师下达时间 2011 年 1 月 4 日 指导教师签字: _ 实用标准文案 精彩文档 摘要 温度控制系统是
8、一种典型的过程控制系统,在工业生产中具有极其广泛的应用。温 度控制系统的对象存在滞后,它对阶跃信号的响应会推迟一些时间,对自动控制产生不 利的影响,因此对温度准确的测量和有效的控制是此类工业控制系统中的重要指标。温 度是一个重要的物理量,也是工业生产过程中的主要工艺参数之一,物体的许多性质和 特性都与温度有关,很多重要的过程只有在一定温度范围内才能有效的进行,因此,对 温度的精确测量和可靠控制,在工业生产和科学研究中就具有很重要的意义。 本文阐述了过程控制系统的概念,介绍了一种温度控制系统建模与控制,以电热水 壶为被控对象,通过实验的方法建立温度控制系统的数学模型,采用了PID算法进行系 统的
9、设计,达到了比较好的控制目的。 关键词 :温度控制;建模;自动控制;过程控制;PID 实用标准文案 精彩文档 Abstract In industrial production with extremely extensive application, temperature control system is a typical process control system.Temperature control system has the larger inertia. It is the response signal to step off some of time.And it p
10、roduces the adverse effect to the temperature measurement. The control system is the important industrial control index. Temperature is an important parameters in the process of industrial production. Also it is one of the main parameters of objects, many properties and characteristics of temperatur
11、e, many important process only under certain temperature range can efficiently work. Therefore, the precise measurement of temperature control, reliable industrial production and scientific research has very important significance. This paper discusses the concept of process control system and intro
12、duces a kind of temperature control system .The electric kettle is the controlled object, PID algorithm is used for system design,through experience method to get the model of temperature control system and we can get the controlied response well. Keywords:Temperature control; Mathematical modeling;
13、 Automatic control; Process control; PID 实用标准文案 精彩文档 实用标准文案 精彩文档 目录 第一章概述 错误!未定义书签。 1.1 题目背景及应用意义. 错误!未定义书签。 1.2 本文内容及工作安排 1 第二章系统组成及被控对象分析(被控对象数学建模) . 3 2.1 系统组成 3 2.1 被控对象分析(被控对象数学建模) 5 第三章控制策略设计及仿真研究 11 3.1 控制策略设计 . 11 3.2 仿真研究 . 15 第四章控制策略实现 18 4.1 组态环境下控制策略编程实现. 18 4.2 力控软件 . 18 4.3 运行结果分析 . 20
14、 第五章总结 22 参考文献 23 实用标准文案 精彩文档 第一章概述 11 题目背景及应用意义 在近四十年的时间里, 电子计算机的发展经历了从电子管、晶体管、中小规模集 成电路到大规模集成电路这样四个阶段,尤其是随着半导体集成技术的飞跃发展,七 十年代初诞生了一代新型的电子计算机微型计算机,使得计算机应用日益广泛; 目前,计算机应用已渗透到各行各业,达到了前所未有的普及程度。 一个由计算机技 术为标志,包括新材料、宇航、生物工程、海洋工程等多种学科在内的新技术革命正 在兴起。 伴随着科学技术的发展, 计算机技术有了更高的飞跃, 我们现在完全可以运用计 算机和温度传感器对某处进行温度检测,而且
15、我们可以很容易地做到实时温度检测和 控制。 温度是工业控制中主要的被控参数之一,特别是在冶金、化工、建材、食品、机 械等工业中,具有举足重轻的作用,因此, 温度控制系统是典型的控制系统。对于不 同场所、不同工艺、所需温度高低范围不同、精度不同,则采用的测温元件、测温 方法以及对温度的控制方法也将不同;产品工艺不同、 控制温度的精度不同、 时效不 同,则对数据采集的精度和采用的控制算法也不同,因而,对温度的测控方法多种多 样。 不同的应用部门对温度控制系统品质有不同的要求,并选用不同类型的调节器。 如果精度要求不高,可采用两位调节器,一般情况下多采用PID调节器。高精度温度 控制系统则常采用串级
16、控制, 串级控制系统由主回路和副回路两个回路构成,具有控 制精度高、抗干扰性好、响应快、动态偏差小等优点,常用于干扰强且温度要求精确 的生产过程,如化工生产中反应器的温度控制。 12 本文内容及工作安排 1系统组成分析 认真阅读设计中用到的实验装置的实用说明书,分析温度控制系统的组成、 工作 原理、特性参数。 2控制方案制定 制定温度控制系统的控制方案,包括采用何种控制策略控制、 使用何种软件环境 实现、计划达到何种控制效果。 实用标准文案 精彩文档 3温控对象的数学建模 建立电热水壶的数学模型。 4控制策略设计及仿真研究 设计温度控制系统的控制策略,并在Matlab/Simulink环境下仿
17、真研究,得到较 为满意的结果。 5控制策略实现 将设计的控制策略在组态软件下实现,同时实现输入输出数据显示和曲线绘制、 过程动画组态等功能。 课程说明书分五章对本次课设内容进行系统阐述,第一章简略描述了本次课设内 容“温度控制系统的设计与实现”知识背景及应用意义, 并对本次课设的工作内容进 行了详细的介绍。 第二章介绍了系统的基本组成以及被控对象的数学建模过程。第三 章主要阐述设计控制策略或控制算法的全过程,阐述设计控制策略或控制算法设计好 后,在 Matlab/Simulink环境下仿真模型建立、从仿真结果分析控制策略的性能、仿 真中反映的一些问题及解决措施等主要内容。第四章主要讲述仿真验证
18、后的控制策略 或控制算法在力控组态环境下的组态实现过程,对控制策略或控制算法在力控组态环 境下的组态实现后,进行实物控制的结果分析。 第五章对课设全过程进行总结和分析, 进行梳理和整合。 实用标准文案 精彩文档 第二章被控对象数学建模 21 系统组成 温度控制系统的组成部件: 电热水壶 -充当被控对象; 热电偶 - 完成壶内温 度测试;固态继电器 -通过计算机输出的控制信号使其通断,进而使整个加热系统 工作或者停止; Pci8333板卡及计算机 -整个控制系统的核心部分完成模数转换及 PID控制等。实验实物图如图 2-1所示。 图2-1 实验实物图 1电热水壶 额定电压: 220V ,额定功率
19、: 1500W ,工作频率: 50Hz,直径: 24CM ,容量:5L。 2热电偶 热电偶是根据热电效应制成的一种测温元件。它结构简单,坚固耐用,使用方便, 是应用很广泛的一种测温元件。热电偶由两种不同成份的导体两端经焊接形成回路, 直接测温的一端叫工作端, 另一端温度保持一定叫冷端,亦称参考端, 因为两种不同 实用标准文案 精彩文档 金属的自由电子密度不同, 当两种金属接触时在两种金属的交界处,就会因电子密度 不同而产生电子扩散, 扩散结果在两金属接触面两侧形成静电场即接触电势差。这种 接触电势差仅与两金属的材料和接触点的温度有关,和热电极的长度、 直径无关, 温 度愈高,金属中自由电子就越
20、活跃, 致使接触处所产生的电场强度增加,接触面电动 势也相应增高, 热电偶的热电动势将随着测量端温升增大。热电偶产生的温差电势是 由两种导体的接触电势和单一导体的温差电势造成的。热电偶原理图如图2-2所示。 图2-2 热电偶原理图 本设计采用 WRNK-191 型号的热电偶, 分度号为 K,其中各字母和数字分别代表: W 代表温度仪表, R代表热电偶, N代表测温元件材料,即镍铬-镍硅, K代表铠装式, 1 代表安装固定形式无固定装置, 9代表自由端带补偿导线, 1代表工作端形式为绝缘式。 在本设计中由于采用 TC001 温度控制单元作为变送器,因为温度控制单元本身已经集 成了冷端补偿器,所以
21、无须再额外增加补偿线路。 3固态继电器 固态继电器 (Solid State Relays, 缩写SSR) 是一种无触点电子开关, 由分立元 器件、膜固定电阻网络和芯片, 采用混合工艺组装来实现控制回路与负载回路的电隔 离及信号耦合, 由固态器件实现负载的通断切换功能,内部无任何可动部件。 虽然固 态继电器型号规格很多, 但它们的工作原理基本相似。主要由输入电路, 驱动电路和 输出电路三部分组成。 4中泰PCI-8333 PCI-8333 多功能模入模出接口卡适用于提供了PCI 总线插槽的 PC 系列微机,具 有即插即用( PnP )的功能。其操作系统可选用目前流行的 Windows 系列、高
22、稳定性 的Unix等多种操作系统以及专业数据采集分析系统LabVIEW 等软件环境。在硬件的安 实用标准文案 精彩文档 装上也非常简单,使用时只需将接口卡插入机内任何一个PCI总线插槽中并用螺丝固 定,信号电缆从机箱外部直接接入。 PCI-8333 多功能模入模出接口卡安装使用方便,程序编制简单。其模入模出及 I/O 信号均由卡上的 37芯D 型插头与外部信号源及设备连接。对于模入部分,用户可 根据实际需要选择单端或双端输入方式。对于模出部分, 用户可根据控制对象的需要 选择电压或电流输出方式以及不同的量程。本卡上的A/D、D/A 转换均为 12位,同时 还备有 16路数字量输入和 16 路数
23、字量输出接口, 三路16位字长的计数 / 定时器,以及 1Mhz 的基准时钟。本卡的 A/D 转换启动方式可以选用程序触发、定时器自动触发、 外同步触发等方式,转换状态可以用程序查询,也可以用中断方式通知CPU 读取转换 结果。 2.2 被控对象分析(被控对象数学建模) 1过程控制系统建模方法 在控制系统的分析和设计中, 首先要建立系统的数学模型。 控制系统的数学模型 是描述系统内部物理量(或变量)之间关系的数学表达式。在静态条件下,描述变量 之间关系的代数方程叫静态数学模型;而描述变量各阶导数之间关系的微分方程叫动 态数学模型。建立控制系统的数学模型是分析和设计控制系统的首要工作。 建立控制
24、系统数学模型的方法有机理建模法和测试建模法。 (1)机理建模法:对系统各部分的运动机理进行分析,根据它们所依据的物理规律 或化学规律分别列写相应的运动方程。例如:基尔霍夫定律、牛顿定律、热力学定律 等。 (2)测试建模法:人为的给系统施加某种测试信号,记录其输出响应,并用适当的 数学模型区逼近。 2系统机理建模 本系统的被控对象是电热水壶, 通过对其加热过程中热量这一物理量的变化和转 移过程,确定其模型。由热力学第一定律得: ior W( 2-1 ) 式中, i 电热水壶吸收的热量; o电热水壶散发的热量; r W 给电热水壶加热的总能量 根据热力学知识,有下列关系: 实用标准文案 精彩文档
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- 计算机 控制 课程设计 温度 控制系统 设计 实现
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