自动控制系统课程设计基于组态王的炉温控制系统设计大学论文.docx
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自动控制系统课程设计基于组态王的炉温控制系统设计大学论文
基于组态王的炉温控制系统设计
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摘要
温度是工业控制中主要的被控参数之一,特别是在冶金、化工、建材、食品、机械、石油等工业中,具有举足重轻的作用。
温度控制是控制系统中最为常见的控制类型之一。
最为常见的就是工业上使用电阻炉处理和生产工业产品,最基本的要求是要保持炉内温度的恒定,并且在一定的扰动下,炉内的温度经过一定的调节时间能自动恢复正常值,从而保证所生产的产品质量。
本设计基于单回路控制系统和PID控制器,使用计算机、铂电阻Pt100、控制箱、加热炉体和组态王设计电烤箱的炉温控制系统,使炉内温度基本保持在155℃不变,还建立了闭环和开环控制系统的数学模型,完成了系统所用到的设备的选型和组装接线,利用“组态王”软件编制上位机监控软件对炉内温度的采集和显示。
文中首先介绍了设计的背景和要求,接着对单回路控制系统做了简单的介绍,大致描述了通过组态王编制采集并绘制温度与时间曲线的步骤,并且完成了系统模型的建立,介绍了整定PID控制器参数的步骤和结果,最终完成了利用单回路控制系统中的一阶时延环节设计电烤箱的炉温控制系统,使其炉内温度经过一定的过渡过程始终维持在132℃。
关键词:
PID、电烤箱、炉温控制、单回路控制系统、凑试法
第一章引言
1.1设计目的
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。
通过课程设计,掌握过程控制系统的组成和工作原理、基本概念和分析方法、并具备构造、调试和工程设计自动控制系统的能力;了解闭环系统的静、动态特性分析方法及工作原理;掌握基于一阶时延、二阶典型系统的工程设计方法,掌握工作原理与工程设计方法,并熟悉掌握PID参数的整定方法和利用上位机监控电烤箱的炉温控制系统;培养团队精神,科学的、实事求是的工作方法,提高查阅资料、语言表达能力和理论联系实际的技能。
1.2设计背景及意义
锅炉在石油、化工、热力、电力等工业生产领域应用非常广泛,锅炉温度的控制效果在发电、供热、炼油、炼铁、炼钢等工业及民用部门中是非常重要的技术指标,锅炉控制系统的工作质量直接影响着锅炉的正常生产,它决定了电厂等工业基地能否安全、经济、高效的进行生产。
随着我国工业生产和科学技术的快速发展,企业对过程自动化控制水平的要求也不断提高。
电热锅炉的应用领域相当广泛,电热锅炉的性能优劣决定了产品的质量好坏。
目前电热锅炉的控制系统大都采用以微处理器为核心的计算机控制技术,既提高设备的自动化程度又提高设备的控制精度。
锅炉温度控制的被控对象是一个具有大延迟性、大惯性的非线性系统。
但目前很多锅炉仍靠人工加常规仪表,利用传统PID控制方法对锅炉温度控制系统进行操作和实时监控。
锅炉温度被控对象滞后时间比较长,滞后时间越长控制就越难,且影响滞后时间的因素很多,这样就造成了工人劳动强度增大,生产效果欠佳,也很难保证生产安全。
因此,锅炉温度控制系统一直是工业技术人员研究的重点及热点。
近年来大部分自动化类专业学生在工厂、企业等的过程生产领域从事过程控
制和自动化仪表操作等方面的工作。
因此,让学生进一步了解计算机控制技术和
智能控制理论及其具体应用是至关重要的,这是自动化专业学生必须掌握的专业
知识。
1.3设计任务及要求
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。
第二章单回路控制系统
2.1单回路控制系统简介
单回路控制系统又被称为简单控制系统。
在所有反馈控制系统中,单回路反馈控制系统是最基本、结构最简单的一种。
它由一个测量变送装置、一个控制器、一个控制阀和相应的被控对象所组成。
控制器是根据被控变量与给定值的偏差来进行控制的。
系统结构简单,所需自动化技术工具少,投资比较低,操作维护也比较方便,一般情况下都能满足控制质量的要求,因此在生产过程中70%以上的控制系统是单回路控制系统。
单回路系统的结构框图如图2.1所示。
图2.1单回路控制系统方框图
2.2单回路控制系统的设计
在设计单回路控制系统时,应该充分了解具体的生产工艺、生产过程和控制要求,正确选择被控变量和操作变量,正确选择控制阀的特性,正确选择控制器的类型及其正反作用,正确选择测量变送装置,深入研究上述过程的特性对系统控制质量的影响情况的重要性。
主要包括以下步骤:
(1)建立被控过程的数学模型
(2)选择控制方案
(3)选择控制设备及其确定型号
(4)工程安装
(5)仪表调试
(6)参数整定
方案设计是整个控制工程设计中最重要的一步,应注意:
(1)合理选择被控量(被控参数)和操纵量(控制参数)
(2)对象信息的获取和变送
(3)执行器的选择
(4)控制器的选择
工程设计包括仪表(微机)选型、控制室和仪表盘设计、供水供电供气设计、信号系统设计、安全防爆设计等。
2.2.1被控变量的选择
被控变量的选择直接关系到:
生产的稳定操作;产品产量和质量的提高;生产安全与劳动条件的改善。
因此,被控变量的选择是控制系统设计的核心问题。
常常将工业生产中所要控制的指标分为两大类:
直接控制指标和间接控制指标。
直接控制指标指被控制的指标本身就是需要控制的工艺指标。
间接控制指标指以产品质量为控制指标,但质量信号无法检测,或检测到的信号微弱或滞后很大,这时就要选取与其有单值关系而反应又快的另一变量。
对于以温度、压力、流量、液位为操作指标的生产过程,就选择温度、压力、流量、液位为被控变量。
对于选择质量指标作为被控变量,若存在仪表无法测量产品成分或物性参数(密度、粘度等)时,可选择一种间接的指标、作为被控变量。
该间接指标必须与直接指标存在单值的对应关系,并具有一定的变化灵敏度。
被控变量的选择的原则:
(1)在情况的许可时,应选择质量指标参数作为被控变量。
(2)当不能选择质量指标作为被控变量时,可选择一个与产品质量指标有单值对应关系的间接指标参数作为被控变量。
(3)所选的间接指标参数必须有足够大的变化灵敏度,以便反映产品质量的变化。
(4)在被控变量选择时还需考虑到工艺的合理性和国内、外仪表生产的现状
2.2.2操纵变量(控制参数)的选择
扰动作用是指由扰动通道对过程的被控参数产生影响,力图使被控参数偏离给定值。
而控制作用是指由控制通道对过程的被控参数起主导影响,抵消扰动影响,使被控参数尽力维持在给定值。
两者是一对互相矛盾的变量。
操纵变量是用来克服干扰对被控变量的影响,实现控制作用的变量。
应把对被控变量影响显著的可控因素作为操纵变量。
选择操纵变量时,应尽量考虑:
(1)与被控变量的因果关系;
(2)有利于实现自动化控制;
(3)具有快速的动态响应性能;
(4)对较大的扰动具有补偿作用;
(5)能够对过程性能的不利影响进行快速的调节。
2.2.3测量变送问题和执行器的选择
测量、变送装置是控制系统中获取信息的装置,也是系统进行控制的依据。
所以,要求它能正确地、及时地反映被控变量的状况。
假如测量不准确,使操作人员把不正常工况误认为是正常的,或把正常工况认为不正常,形成混乱,甚至会处理错误造成事故。
测量不准确或不及时,会产生失调或误调,影响之大不容忽视。
测量变送环节对被控参数作正确测量,并将它转换成标准统一信号(0.02-0.1MPa或DC0-10mA,或DC4-20mA)输出到调节器或指示记录仪。
控制系统中的测量元件时间常数不能太大,最好选用惰性小的快速测量元件,除此之外,测量元件还要正确的安装并且及时的维护,确保其测量精度、较小的时间常数、尽量小的纯滞后和信号的传递滞后。
执行器是接收控制器的输出信号,代替手动操作的装置,是构成自动控制系统不可缺少的重要部分。
执行器在系统中作用是接受控制器的输出信号,直接控制被控介质的输出量,达到控制温度的目的,从而将被控变量维持在工艺指标要求的数值上。
第三章硬件电路设计及原理
3.1系统设计
3.1.1方案论述
实验控制系统主要由计算机、电烤箱、智能控制仪表、固态继电器、通讯模块、电压数显表等构成,其中智能控制仪表、固态继电器、通讯模块、电压数显表安装于控制箱上,计算机完成温度采样、控制算法、输出控制、监控画面等主要功能。
如图3.1所示,加温炉体由民用烤箱改装,较为美观适合实验室应用。
双温室实验对象将烤箱用隔板隔成两部分,控制装置同样设置配置完全相同两套、安装于统一的控制箱上,控制箱面板布置图如图2.2所示。
温度控制器采集此时烤箱内温度,根据算法控制固态继电器的通断,从而产生占空比不同的脉冲信号,来改变烤箱的加热功率,实现温度的控制。
监控计算机用组态王等软件为平台,在485网络联接下,与温度控制器构成计算机集散控制系统,能方便地模拟工业现场环境和被控对象。
图3.1加热炉体
图3.2控制箱面板
3.1.2系统原理图及工作原理
监控计算机通过串行通讯与温度控制器(单回路控制器)连接,实现数据采集、操作和记录的功能。
温度对象由烤箱改造而成,增设风扇冷却装置,加热由烤箱原加热部件实现。
由温度控制器输出一路控制信号连接至固态继电器,驱动电烤箱加热单元;另一路控制信号连接至风扇用于冷却。
设计热电阻检测烤箱内温度,检测输入热电阻信号连接至温度控制器反馈端。
其系统功能如图3.3所示。
图3.3系统功能图
根据单回路控制系统的方框图,本控制系统的方框图如图3.4所示。
图3.4系统方框图
3.2智能控制仪表设计
温控器,即根据工作环境的温度变化,在开关内部发生物理形变,从而产生某些特殊效应,产生导通或者断开动作的一系列自动控制元件,也叫温控开关、温度保护器、温度控制器,简称温控器。
或是通过温度保护器将温度传到温度控制器,温度控制器发出开关命令,从而控制设备的运行以达到理想的温度及节能效果,其应用范围非常广泛,根据不同种类的温控器应用在家电、电机、制冷或制热等众多产品中。
智能控制仪表则是在普通温控器基础附加以下功能:
采用微电脑全自动仿智逻辑设计,可编程定时/温度选择;带数位式,大液晶显示屏幕,轻触式按键使您易于操作,可设定日期、时间显示;内置六至九个程式,用户还可自行编程,用户可根据自己的喜好选择一星期中不同时段的温度;过热保护:
当加热设备温度超过预置的过热保护温度时,温控器自动切断加热设备电源;防结霜功能,可将温度保持为5℃不变。
本次实验采用的是智能控制仪表CD901,下面进行详细介绍。
3.2.1规格型号说明
智能控制仪表的前部外观如图3.4和图3.5所示:
表上面各符号简介:
PV:
输入值(如:
读入烤箱的温度值)
SV:
设定值(如:
手动给定或程序给定值)
AT:
自整定(绿)
OUT1:
第一控制输出(加热侧)OUT2:
第二控制输出(冷却侧)
ALM1:
第一报警端ALM2:
第二报警端
SET:
设置各种命令 位移及运行/停止 图3.4CD901面板图3.5电压数显表 3.2.2技术数据说明 热电阻: Pt100 电压: 0~5V,1~5V电流: 0~20mA,4~20mA 通讯: RS-232/RS-485转换器控制类型: 4种 F: PID动作及自动演算(逆)D: PID动作及自动演算(正) W: 加热/冷却动作及自动演算(水冷)A: 加热/冷却动作及自动演算(风冷)
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