温度控制系统设计——计算机控制技术课程设计-精品.docx

学 学 号： 0121311370627 课 程 设 计 指导教师 周申培 2016 年 6 月 1 日 题 学专 目 院业 温度控制系统设计 自动化学院自动化专业 班 级 1303 班 姓 名 李 杰 学生姓名： 李杰 专业班级： 自动化 1303 班 指导教师： 周申培 工作单位 ： 自动化学院 课程设计任务书题目:温度控制系统设计 课程设计任务书 题 目: 温度控制系统设计 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，对象的特性为带有纯滞后环节的一阶系统，惯性时间常数为 T1＝30秒，滞后时间常数为τ＝ 10秒。 设计温度控制系统的计算机硬件系统，画出框图； 编写积分分离 PID 算法程序，从键盘接受 Kp、Ti、Td、T 及 β的值； 通过数据分析 Ti 改变时对系统超调量的影响。 撰写设计说明书。 时间安排： 5 月 24 日 查阅和准备相关技术资料，完成整体方案设计 月 25 日— 6 月 1 日 完成硬件设计并调试 月 2 日 提交课程设计 指导教师签名： 年 月 日 系主任（或责任教师）签名： 年 月 日 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 1..0. 5 心得体会 1..1.. 参考文献 1..2.. 本科生课程设计成绩评定表 PAGE PAGE 1 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 Ti 改变对系统超调量的影响。 关键词： PID 控制 Matlab 系统超调量 设计任务及分析 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，对象的特性为带有纯滞后环节的一阶系统，惯性时间常数为 T1＝30秒，滞后时间常数为τ＝ 10秒。 要求完成的任务： 设计温度控制系统的计算机硬件系统，画出框图； 编写积分分离 PID 算法程序，从键盘接受 Kp、Ti、Td、T 及 β的值； 通过数据分析 Ti 改变时对系统超调量的影响。 撰写设计说明书。 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。 方案设计 方案设计 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。