东北大学过程控制系统课设

炉温的单闭环控制系统设计

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东北大学

2016年12月

过程控制系统课程设计课程设计（论文）任务书课程设计（论文）任务书

炉温的单闭环控制系统设计

摘要

炉温控制系统是工业控制中比较典型的控制系统，但是温度系统惯性大、滞后现象严重，难以建立精确的数学模型，给控制过程带来很大难题。因此，针对每个不同的系统需要单独研究一种最佳的控制方案，以达到系统稳定、调节时间短且超调量小的性能指标。

本次课程设计是以电烤箱为控制对象，利用PID控制算法实现电烤箱的恒温控制。通过组态王软件编写PID控制程序以及实际调节PID参数，深刻理解控制系统的构建与调试以及PID各项参数的意义。本次设计是基于组态王的软件平台进行的，借此熟悉组态软件的使用。

关键词：电烤箱温度控制系统，组态王，PID整定，温度曲线

目录

课程设计（论文）任务书......................................................................................................... I 摘要........................................................................................................................................... II 第一章绪论 (1)

1.1 课题的提出与意义 (1)

1.2 设计目的 (1)

1.3 课程设计任务和要求 (2)

第二章炉温控制系统工作原理 (3)

2.1 炉温控制系统原理图 (3)

2.2 实验操作方法与步骤 (4)

2.2.1 连线 (4)

2.2.2 设置仪表 (4)

第三章炉温控制系统的硬件组成 (5)

3.1 炉温控制系统 (5)

3.2 智能控制仪表CD901 (5)

3.2.1 智能控制仪表CD901简介 (5)

3.2.2 智能控制仪表CD901的规格型号说明 (6)

3.2.3 CD901工作原理 (8)

3.3 热电阻pt100 (8)

3.4 固态继电器 (9)

3.4.1 固态继电器简介 (9)

3.4.2 固态继电器工作原理 (9)

3.4.3 固态继电器特点及用途 (10)

3.5 RS-232/RS-485转换器 (10)

3.5.1 RS-232 (11)

3.5.2 RS-485 (12)

3.6 电烤箱 (13)

第四章人机界面制作 (14)

4.1 软件设计目标 (14)

4.2 人机界面制作 (14)

4.2.1 建立新工程 (14)

4.2.2 画面的制作 (16)

4.2.3 建立数据词典 (16)

4.2.4 建立动画连接 (17)

第五章PID控制算法 (18)

5.1 PID控制器的参数整定 (18)

5.2 一般PID控制算法 (18)

第六章参数整定 (21)

6.1 浅谈参数整定 (21)

6.2 PID参数整定调试过程 (21)

参考文献 (25)

心得体会 (26)

第一章绪论

1.1课题的提出与意义

在工业生产过程中，控制对象各种各样，温度是生产过程和科学实验中普遍而且重要的物理参数之一。在生产过程中，为了高效地进行生产，必须对它的主要参数，如温度、压力、流量等进行有效的控制。温度控制在生产过程中占有相当大的比例，其关键在于测温和控温两方面。温度测量是温度控制的基础，技术已经比较成熟。由于控制对象越来越复杂，在温度控制方面，还存在着许多问题。如何更好地提高控制性能，满足不同系统的控制要求，是目前科学研究领域的一个重要课题。温度控制一般指对某一特定空间的温度进行控制调节，使其达到工艺过程的要求。本文主要研究电烤箱温度控制的方法。

炉温控制是指根据炉温对给定温度的偏差，接通或断开供给炉子的热源能量，或连续改变热源能量的大小，使炉温稳定有给定温度范围，以满足热处理工艺的需要。应用传统的模拟电路控制方法，由于电路复杂、器件太多、无法用精确的数学方法来建立模型并确定参数，往往很难达到理想的控制效果。

本设计采用PID控制。PID控制器问世至今已有近70年历史，PID控制是比例、积分、微分控制的简称，PID控制器是工业过程控制中最常见的一种过程控制器。由于PID控制器算法简单、效果好，因而被广泛应用于化工、冶金、机械、热工和轻工等工业过程控制系统中。目前，PID算法一般是在顺序程序结构的微处理器上实现。由于PID 算法有一定的并行性，顺序程序结构的微处理器限制了它的速度，对于实时性要求比较高的系统来说，是不太适合的。通过硬件描述语言VHDL在FPGA上实现的硬件电路具有强大的并行运算能力，可以解决这个问题，从而实现高速的PID控制。

本文以电烤箱为研究对象，研究一种最佳的控制方案，以达到系统稳定、调节时间短且超调量小的性能指标。

1.2设计目的

本课程是隶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，能够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。

1.3课程设计任务和要求

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步骤的基础上，针对一个电烤箱设计炉温控制系统。

具体要求：

(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-传递函数确定；

(3) 单回路PID炉温控制的实现；

(4) 利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。