单回路温度定值控制系统

第１章绪论
1.1 设计要求
1.1.1 设计题目和设计指标
设计题目：智能温控系统设计
设计指标：1）设计组成单回路控制系统的各部分，画出总体框
图；
2）能根据单回路温度定值控制系统的特点，确定控
制方案；
3)根据所确定的设计方案进行仪表选择、控制器选
择、执行器选择；
4)合理选择PID 参数。

5)撰写设计说明书及注意事项。

1.1.2 设计功能
设计一个单回路温度控制系统，实现温度定值控制；确定设计方案，选择检测变送器、控制器、执行器，确定控制器算法，并进行参数整定，以提高综合运用有关专业知识的能力和实际动手能力。

第２章 系统总体设计方案
2.1工艺流程图
图1:工艺流程图
2.2方框图工作流程介绍
系统开始后，水温传感器将水温传送给控制器与给定值进行比较，e 是否为0，如果为0直接输出，如果不为0，控制器进行PID 计算，参数整定后，进行调节，然后传给执行器执行命令，从而达到温度稳定。

PID 控制器 电阻丝加热器 加热罐水
温
水温检测
一
给定值 输出值
图2：温度单回路系统结构框图
+ 加热器 TT 温检
控 制 器
TC
给定值
第3章 硬件设计和器件选择
3.1电气接线图
250欧姆
250欧姆0~5V
0~10V
1
2
250欧姆
250欧姆0~10V
7
5
温度控制对象温度变送
脉宽调制
图3：调节器与温度模块接线图
3.2器件选择
3.2.1 控制器
用于调节PID 算法的控制器选择AI818 3.2.2 温度传感器
测量水温的传感器采用热电阻Cu50。

热电阻Cu50在—50～150℃测量范围内电热阻和温度之间呈线性关系，温度系数越大，测量精度越高，热补偿性好，在过程控制领域使用广泛。

系统采用三线制Cu50，温度信号经过变送单元转换成4～20mADC 电流信号，便于采集。

3.2.3 加热器
采用电阻丝作为加热器件，采用可控硅移相触发单元调节电阻丝的发热功率，输入控制信号为4—20mA标准电流信号，其移相触发与输入控制电流成正比。

输出交流电压来控制加热器电阻丝的两端电压，从而控制加热罐的温度。

输入4mA电流时，加热器电阻丝的两端电压为0V，输入为20mA电流时，加热器电阻丝的两端电压为220V。

第4章控制算法选择及参数整定
4.1 控制算法选择
根据温度单回路控制系统的原理，实现PID控制算法。

由于采用AI-818人工智能温控器/调节器，所以采用增量式PID算法。

所谓增量式PID是指数字控制器的输出只是控制量的增量Δuk。

当执行机构需要的控制量是增量，而不是位置量的绝对数值时，可以使用增量式PID控制算法进行控制，其公式如下：
如果计算机控制系统采用恒定的采样周期T，一旦确定A、B、C，只要使用前后三次测量的偏差值，就可以由上式求出控制量。

增量式PID控制算法与位置式PID算法相比，计算量小的多，因此在实际中得到广泛的应用。

4.2 参数整定
控制器参数整定：指决定调节器的比例系数、积分时间Ti、微分时间Td和采样周期Ts具体数值。

整定的实质是通过改变调节器的参数，使其特性和过程特性相匹配，以改善系统的动态和静态指标，取得最佳的控制效果。

整定调节器参数的方法很多，
归纳起来可分为两大类，即理论计算整定法和工程整定法。

理论计算整定法有对数频率特性法和根轨迹法等；工程整定法有凑试法、临界比例法、经验法、衰减曲线法和响应曲线法等。

工程整定法特点不需要事先知道过程的数学模型，直接在过程控制系统中进行现场整定方法简单、计算简便、易于掌握。

4.2.1 凑试法
按照先比例（P）、再积分（I）、最后微分（D）的顺序。

置调节器积分时间Ti=∞，微分时间Td=0，在比例系数按经验设置的初值条件下，将系统投入运行，由小到大整定比例系数。

求得满意的1/4衰减度过渡过程曲线。

引入积分作用（此时应将上述比例系数Kp设置为5/6 Kp）。

将Ti由大到小进行整定。

若需引入微分作用时，则将Td按经验值或按Td=（1/3～1/4）设置，并由小到大加入。

4.2.2 临界比例法
在闭环控制系统里，将调节器置于纯比例作用下，从小到大逐渐改变调节器的比例系数，得到等幅振荡的过渡过程。

此时的比例系数称为临界比例系数，相邻两个波峰间的时间间隔，称为临界振荡周期Tu。

Ku
临界比例度法步骤：
1、将调节器的积分时间Ti置于最大（Ti=∞），微分时间置零（Td=0），比例系数Kp适当，平衡操作一段时间，把系统投入自动运行。

2、将比例系数Kp逐渐增大，得到等幅振荡过程，记下临界比例系数Ku和临界振荡周期Tu值。

3、根据Ku和Tu值，采用经验公式，计算出调节器各个参数，即Kp、Ti和Td的值。

按“先P再I最后D”的操作程序将调节器整定参数调到计算值上。

若还不够满意，可再作进一步调整。

临界比例度法整定注意事项：
有的过程控制系统，临界比例系数很大，使系统接近两式控制，调节阀不是全关就是全开，对工业生产不利。

有的过程控制系统，当调节器比例系数Kp调到最大刻度值时，系统仍不产生等幅振荡，对此，就把最大刻度的比例度Ku作为临界比例度进行调节器参数整定。

4.2.3经验法
用凑试法确定PID参数需要经过多次反复的实验，为了减少凑试次数，提高工作效率，可以借鉴他人的经验，并根据一定的要求，事先作少量的实验，以得到若干基准参数，然后按照经验公式，用这些基准参数导出PID控制参数，这就是经验法。

临界比例法就是一种经验法。

这种方法首先将控制器选为纯比例控制器，并形成闭环，改变比例系数，使系统对阶跃输入的响应达到临界状态，这时记下比例系数Ku、临界振荡周期为Tu，根据Z－N提供的经验公式，就可以由这两个基准参数得到不同类型控制器的参数，如表所示。

控制器类型Kp Ti Td
P 0.5Ku
PI 0.45Ku 0.85Tu
PID 0.6Ku 0.5Tu 0.12Tu
这种临界比例法使针对模拟PID控制器，对于数字PID控制器，
只要采样周期取的较小，原则上也同样使用。

在电动机的控制中，可以先采用临界比例法，然后在采用临界比例法求得结果的基础上，用凑试法进一步完善。

表中的控制参数，实际上是按衰减度为1/4时得到的。

通常认为1/4的衰减度能兼顾到稳定性和快速性。

如果要求更大的衰减，则必须用凑试法对参数作进一步的调整。

4.3 MATLAB仿真
在PID未整定前得：
整定后：
使用MATLAB软件将上图画图，根据PID算法和参数整定后得到的
PID数值输入PID控制器，
进行仿真，得到下图所示的结果
第5章系统软件设计
5.1控制器介绍
AI-818人工智能温控器/调节器
除支持标准电流（电压）信号输入外，还支持各种热电偶、热电阻、电阻及辐射（红外）温度计等，并具备扩充输入插座安装特殊输入规格，并可自定义特殊输入的非线性校正表格，可外接Cu50铜电阻作热电偶冷端补偿，0.1级测量精度，温漂小于30PPm/℃。

除主输入外的第二路输入用于外给定或阀门信号反馈功能，可组成串级或比值调节器等复杂调节系统。

模块化输出支持SSR电压、线性电流（电压）、继电器触点开关、可控硅无触点开关、单相、三相可控硅过零触发、移相触发输出及位置比例输出（直接驱动阀门电机正/反转）等。

除主输入外的第二路输入用于外给定或阀门信号反馈功能，可组成串级或比值调节器等复杂调节系统。

具备MPT、AI人工智能调节APID等多种调节方式，具有自整定、自学习功能，无超调及无欠调的优良控制特性，亦可使用位式控制（ON-OFF）功能;双组独立参数PID可支持加热/冷却双输出功能。

先进的AIBUS通讯协议：支持RS485或RS232C通讯接口，配合快速通讯技术能方便组建数千点规模的大、中型计算机控制系统，亦可组成AI系列触摸屏控制系统/分体式无纸记录仪。

支持上限、下限、偏差上限及偏差下限等多种报警功能，并可自由定义4个报警输出端口，支持多个报警信号从同一位置输出。

具备上电免除报警等功能，避免上电报警误动作。

可选用的面板尺寸：A、A2、B、C、C3、E、E2、E5、F、D。

5.2控制器面板说明
PV: 测量值显示窗；
SV：给定值显示窗
OUT：调节输出指示灯；
AL1：报警1 指示灯；
AL2：报警2 指示灯；
AUX: AUX辅助接口工作指示
灯；
A/M 键：数据移位
图1 调节器面板：显示转换(兼参数设置
进入)；
：数据减少键（兼程序运
行/暂停操作）；
：数据增加键（兼程序
停止操作）。

5.3调节器参数设置：
Sn 输入规格：Sn=34，0-5V电压输入；
Ctrl 控制方式：Ctrl=2，启动自整定，Ctrl=3，整定结束；
dip 小数位数：dip=0，小数点位数为0；
op1 输出方式：op1=2，0～20 mA线性电流输出；
CF 系统功能选择：单回路控制CF=2；
Run 运行状态选择： run=2，自动调节状态。

结论
本设计研究了智能温度控制，系统AI818为控制器，运用了
PID算法对水温度进行控制。

本设计的系统虽说成功的实现了锅炉内部的恒温控制，但在
系统的设计中也存在一些问题，如：PID参数的整定，对 PID参
数进行整定的时候，并不是每次都会得到理想的参数，并且参数
的自整定需要花很长的时间，但在组员的共同努力下，最终调出
比较好的PID值，完成设计。

心得和体会
为期两周的课程设计结束了，经过这次课程设计，使我的理论知识得到加强，动手能力也得到了提升，可以得到相应的结合，在课设过程中我们也遇到了许多问题，这需要我们努力地思考和认真的对待并解决问题，这是一个很好的学习过程，可以更加清晰地记住相关知识，起到了积累的作用，更重要的是团队协作完成了课程设计。

致谢
在这次毕业设计中，感谢刘洋老师的悉心指导，感谢组员的讨论得出方案，感谢同学们的帮助我们解决相关问题，使得我们组完成设计。

参考文献
邵裕森主编、过程控制工程（第二版）、机械工业出版社
梅晓榕主编、自动控制原理（第二版）、科学出版社
附录一元件清单
控制器：AI818；
变送器：热电阻Cu50；
执行器：电阻丝
目录
第１章绪论 ...................................... - 1 -
1.1 设计要求................................. - 1 -
1.1.1 设计题目和设计指标..................... - 1 -
1.1.2 设计功能............................... - 1 - 第２章系统总体设计方案 ......................... - 2 -
2.1工艺流程图................................. - 2 -
2.2方框图工作流程介绍......................... - 2 - 第3章硬件设计和器件选择 ....................... - 3 -
3.1电气接线图................................. - 3 -
3.2器件选择................................... - 3 -
3.2.1 控制器................................. - 3 -
3.2.2 温度传感器............................. - 3 -
3.2.3 加热器................................. - 4 - 第4章控制算法选择及参数整定 ................... - 5 -
4.1 控制算法选择............................. - 5 -
4.2 参数整定................................. - 5 -
4.2.1 凑试法.................................. - 6 -
4.2.2 临界比例法.............................. - 6 -
4.2.3经验法................................... - 7 -
4.3 MATLAB仿真............................... - 8 - 第5章系统软件设计 ............................. - 11 -
5.1控制器介绍................................ - 11 -
5.2控制器面板说明............................ - 12 -
5.3调节器参数设置：.......................... - 12 - 结论............................................. - 12 - 心得和体会 ...................................... - 13 - 致谢............................................. - 13 - 参考文献 ........................................ - 13 - 附录一元件清单 .................................. - 13 -。