温度控制系统方案设计书.docVIP

第１章 绪论 1.1 设计要求 1.1.1 设计题目和设计指标 （1）制定控制方案；根据控制方案正确选用控制仪表，组成合理的控制系统； （2）根据控制要求合理设置调节器的参数； （3）仿真运行控制系统，及时记录下系统的输出响应曲线及相关数据； （4）认真总结仿真过程，并做好相关数据的整理工作。 1.1.2 设计功能 某小型热水锅炉，冷水从上部加入，经加热后由下部出水管供给用户。工艺要求供水温度应保持在80℃±1℃的数值上，现实现对水温的自动控制。 流程介绍： 温度经过热电偶采集，经过温度变送器将该温度信号变成4~20mA的电信号，再将电路中串联125欧的电阻，将该电流信号变成了单片机AD采集的基准电压范围内的电压0~5V，进过单片机的AD转换，与设定值进行比较后得到偏差量，给到PID程序控制部分，算出当前应给定的占空比，将占空比给到晶闸管，驱动电热丝做功实现对温度的闭环控制。 第3章 硬件设计与选择 3.1 系统电气接线图 3.2 器件选择 热电偶：WRNT-05(小型热电偶 镍铬-镍硅) （1）温度传感器的选择 方案一：采用热敏电阻，可满足35℃--95℃的测量范围，但热敏电阻精度、重复性和可靠性都比较差，对于检测精度小于1℃的温度信号是不适用的。 方案二：采用DS18B20测量温度，测量温度范围为 -55°C~+125°C，在 -10~+85°C范围内,精度为±0.5°C。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性，无需其他外加电路，直接输出数字量。 方案三：采用热电偶WRNT-05(小型热电偶 镍铬-镍硅)，虽然造价比较高，但适用于工业环境，稳定性好、可靠性高。测量范围是0~300度，精度高，是以4~20mA信号输出，易于转换。 方案比较：虽然DS18B20温度传感器有非常好的线性输出性能，但是根据工业现场的环境要求，最终选择方案三。 （2）控制器的选择 控制器：MC9S12XS128单片机 方案一：PLC（可编程控制器）造价比较高，稳定、可靠性高，采用梯形图进行编程语言，体积过大，集成的功能比较少。 方案二：MC9S12XS128单片机，该单片机对工业环境有一定的抗干扰性，功耗低，采用通用的C语言编程，编程简单实用，易于实现系统指标，适合人群比较广。 方案比较：PLC具有良好的稳定性，可靠性高，但是想对于单片机来说，单片机具有功耗低，易于控制，实用性高等特点。所以根据设计要求，我们选择方案二。 （3）加热设备的选择 晶闸管：TTS201 方案一：采用继电器控制。使用继电器可以通过较高的电压和电流，在正常条件下，工作十分可靠。 方案二：采用晶闸管控制，由单片机进行PWM控制晶闸管从而控制加热装置。 方案比较：我们采用方案二，其效果比单用继电器要好，便于控制。继电器控制的只是开关两个状态，根据设计要求，对温度进行精确的控制，采用脉宽调制进行控制，所以选择后者。 加热装置：选择工业加热的电热丝。 第4章 控制算法选择及参数整定 PID控制是工程实际中应用最为广泛的调节器控制规律。问世至今70多年来，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。单位反馈的PID控制原理框图如图4.1： 图1 单位反馈的PID控制原理图 单位反馈e代表理想输入与实际输出的误差，这个误差信号被送到控制器，控制器算出误差信号的积分值和微分值，并将它们与原误差信号进行线性组合，得到输出量u。 其中， 、 、 分别称为比例系数、积分系数、微分系数。u接着被送到了执行机构，这样就获得了新的输出信号,这个新的输出信号被再次送到感应器以发现新的误差信号，这个过程就这样周而复始地进行。 PID各个参数作用基本介绍： 增大微分项系数可以加快动态系统响应，但容易引起震荡。一般增大比例系数能够减小上升时间，但不能消除稳态误差。增大积分系数能够消除稳态误差，但会使瞬时响应变差。增大微分系数能够增强系统的稳定特性，减小超调，并且改善瞬时响应。 对连续系统中的积分项和微分项在计算机上的实现，是将上式转换成差分方程，由此实现数字PID调节器。 位置式PID控制算法 用矩形数值积分代替上式中的积分项，对导数项用后向差分逼近，得到数字PID控制器的基本算式（位置算式）： 其中T是采样时间，、、为三个待调参数，我们在实际代码实现算法时，处理成以下形式： PreU = Kp * error + Ki * Integral + Kd * derror 增量式PID控制算法 对位置式加以变换，可以得到PID算法的另一种实现形式（增量式）： 我们在实际代码实现时，处理成PreU += （Kp * d_error + Ki * error + Kd*dd_error) 的形式。 运用PID控制的关键是调整三个比