温度控制系统设计计算机控制技术课程设计

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计 程 设 课

温度控制系统设计 目 题 自动化学院 学 院 自动化专业 业 专 班 级 名 姓 指导教师 2013 6 26 日 月 年． 武汉理工大学《计算机控制技术》课程设计说明书 课程设计任务书

学生姓名： 专业班级： 指导教师： 工作单位： 自动化学院 题 目: 温度控制系统设计 要求完成的主要任务: 被控对象为电炉，采用热阻丝加热，利用大功率可控

硅控制器控制热阻丝两端所加的电压大小，来改变流经热阻丝的电流，从而改变电炉炉内的温度。可控硅控制器输入为0－5伏时对应电炉温度0－300℃，温度传感器测量值对应也为0－5伏，对象的特性为积分加惯性系统，惯性时间常数为T1＝40秒。 1）设计温度控制系统的计算机硬件系统，画出框图； 2）编写积分分离PID算法程序，从键盘接受K、T、T、T及β的值； dpi3）通过数据分析T改变时对系统超调量的影响。 i4）撰写设计说明书。

时间安排： 6月26日 查阅和准备相关技术资料，完成整体方案设计 6月27日—6月28日 完成硬件设计 6月29日—6月30日 编写调试程序 7月1日—7月4日 撰写课程设计说明书 提交课程设计说明书、图纸、电子文档 7月5日

指导教师签名： 年 月 日 系主任（或责任教师）签名： 年 月 日 武汉理工大学《计算机控制技术》课程设计说明书 目 录

摘 要 ............................................................................................................................................... 1 1 设计任务及分析 ......................................................................................................................... 2 1.1 设计任务要求 .................................................................................................................. 2 1.2 设计系统分析 .................................................................................................................. 2 2 方案设计 ..................................................................................................................................... 3 2.1 硬件系统设计 .................................................................................................................. 3 2.2 软件流程图 ...................................................................................................................... 4 3 控制算法 ..................................................................................................................................... 5 3.1 PID控制算法 ................................................................................................................... 5 3.2 积分分离的PID控制控制算法 ..................................................................................... 6 4 系统仿真 ..................................................................................................................................... 7 4.1 仿真程序及图形 .............................................................................................................. 7 4.2 仿真结果 .......................................................................................................................... 8 4.3 结果分析 ........................................................................................................................ 10 5 心得体会 ................................................................................................................................... 11 参考文献 ....................................................................................................................................... 12 附录 仿真程序及仿真图 ............................................................................................................. 13 本科生课程设计成绩评定表

武汉理工大学《计算机控制技术》课程设计说明书 摘 要

比例-积分-微分控制（简称PID控制），是控制系统中应用最为广泛的一种控制规律。实际运行的经验和理论的分析都表明，这种控制规律对许多工业过程进行控制时，都能得到满意的效果。利用计算机可以很好地使用PID算法对控制对象进行控制，具有较高的精度，并且可以很方便的改变PID参数，以达到不同的控制效果。 本设计的控制对象为电热炉，控制量为电炉温度，利用单片机对大功率可控硅导通角的控制，可以很方便地改变电热丝两端的电压，从而起到调节温度的作用。而热电偶配合单片机编程，能够较精确地得到炉温，使单片机能够实时发出控制信号，快速将炉温调节为给定值。当外界出现干扰使炉温发生变化时，单片机能够通过PID算法快速使炉温回到给定值。 为了使PID控制更加稳定可靠，本设计加入了积分分离的改进措施，当偏差较大时取消积分作用，利用PD控制快速使系统趋于稳定；当偏差小于某一个值时，加入积分作用，以消除静差。利用Matlab软件，可以通过仿真得到T改变对系统超调量的影响。 i 关键词：PID控制 Matlab 系统超调量

1 武汉理工大学《计算机控制技术》课程设计说明书

1 设计任务及分析 1.1 设计任务要求 被控对象为电炉，采用热阻丝加热，利用大功率可控硅控制器控制热阻丝两端所加的电压大小，来改变流经热阻丝的电流，从而改变电炉炉内的温度。可控硅控制器输入为0－5伏时对应电炉温度0－300℃，温度传感器测量值对应也为0－5伏，对象的特性为积分加惯性系统，惯性时间常数为T1＝40秒，滞后时间常数为τ＝10秒。 要求完成的任务： 1）设计温度控制系统的计算机硬件系统，画出框图； 2）编写积分分离PID算法程序，从键盘接受K、T、T、T及β的值； dip3）通过数据分析T改变时对系统超调量的影响。 i4）撰写设计说明书。

1.2 设计系统分析 本系统的以电炉为控制对象，以电炉温度为控制量，利用温度传感器实时检测电炉温度，并将测得的数据经过A/D转换后送入计算机，计算机系统将检测得到的温度与炉温给定值进行比较，并计算偏差，按照预置的控制算法，对可控硅控制器的导通角进行调节，从而可以控制热阻丝两端的电压，起到温度调节的作用。利用单片机可以方便地实现数据采集、转换、处理以及PID算法控制，并通过键盘对一些重要参数进行修正，还具有系统小巧、稳定可靠以及成本较低等优点。由于本次控制对象为电炉，其时间常数较大，因此采用周期不宜过小，避免系统响应过于频繁，降低计算机系统的效率并使控制品质变坏，但也不能太大，否则会使误差不能及时消除。 2 武汉理工大学《计算机控制技术》课程设计说明书

2 方案设计 2.1 硬件系统设计 本系统硬件部分主要由温度传感器、D/A转换电路、信号调理电路和I/V变换、单片机系统、A/D转换电路、可控硅及其控制电路以及电炉组成。温度控制系统硬件框图如图2-1所示。 信号调理及 温度传感器 I/V变换可控硅 控制电路Y 炉温≤下限温度炉温≥下限温度N 算法控制炉温PID炉温等于目标温N 度且稳定Y 结束 开始 温度数据采集 A/D 单 片 机Y 键盘输入 控制

转换D/A 转换 N 电炉 温度控制系统硬件框图图2-1 温度传感器主要有热电偶、金属热敏电阻和半导体热敏电阻等几种。其中，热电偶测范围内使用，并且具有精度高、性能稳定、结构简单、动态性℃温范围广，可在1K~2800电压分度表。金属热敏电阻主要有铂-能好等优点，缺点是线性度很不好，需要预置温度范围内使用，℃后者一般只在-50~150热电阻和铜热电阻，前者可在-200~800℃范围内使用，而铂热电阻价格较贵，因此并不太适合本次设计使用。半导体热敏电阻一般来说测温范围较小，此处不予考虑。综合比较，选用金属热电偶相对来说更加适宜。由于本设计采用单中可以很方ROM-电压分度表写入单片机的片机为控制核心，因此，将金属热电偶的温度 便的通过查表程序得到实时温度。左右，，其转换时间在100us位逐次逼近式A/D转换芯片