温度控制系统设计

学号：0121011360501课程设计题目温度控制系统设计学院自动化学院专业自动化专业班级自动化1005班姓名王建华指导教师向馗副教授2013年07月04日武汉理工大学《计算机控制技术》课程设计课程设计任务书学生姓名：王建华专业班级：自动化1005班指导教师：向馗副教授工作单位：自动化学院题目:温度控制系统设计初始条件：（1）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。（2）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。（3）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。要求完成的主要任务：（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）（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Kp、Ti、Td、T及β的值；（3）通过数据分析Td改变时对系统超调量的影响；（4）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7月5日提交课程设计说明书、图纸、电子文档指导教师签名：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》课程设计目录摘要................................................................................................................................11被控系统描述............................................................................................................21.1被控系统简介.....................................................................................................21.2设计任务.............................................................................................................21.3被控系统分析.....................................................................................................22系统设计....................................................................................................................32.1系统控制原理.....................................................................................................32.2方案设计.............................................................................................................43硬件电路设计............................................................................................................53.1输入模块的设计.................................................................................................53.2加热控制电路设计.............................................................................................53.3单片机的选择.....................................................................................................63.4系统总硬件设计框图.........................................................................................74系统程序设计............................................................................................................84.1软件设计流程图.................................................................................................84.2系统模型建立.....................................................................................................94.3控制算法.............................................................................................................94.3.1PID控制度的作用.......................................................................................94.3.2位置型与增量型PID控制算法................................................................104.3.3积分分离的PID算式................................................................................104.4PID控制器的参数整定..................................................................................124.4.1采样周期的选择........................................................................................124.4.2PID参数整定法.........................................................................................125系统仿真分析..........................................................................................................145.1改进式积分分离PID控制仿真.......................................................................145.2SIMULINK仿真...................................................................................................155.3TD改变对系统的影响......................................................................................165.4调试分析...........................................................................................................186心得体会..................................................................................................................19附录..........................................................................................................................21武汉理工大学《计算机控制技术》课程设计1摘要自动控制系统在各个领域尤其是工业领域中有着及其广泛的应用，温度控制是控制系统中最为常见的控制类型之一。随着单片机技术的飞速发展，通过单片机对被控对象进行控制日益成为今后自动控制领域的一个重要发展方向。本次课程设计我所做的是温度控制系统，通过引入计算机，单片机，传感器，PID算法来实现电炉温度的自动控制，而不要人为参与，这种方法快速，敏捷，准确，一旦温度发生变化，就可以被检测到，同时，计算机会采取一定的计算，将结果送到双向可控硅控制器，由双向可控硅控制通过一定的方法去调节电炉的温度，直到达到要求的温度。需要用到MATLAB这一个功能强大的软件，而且需要编写一定的程序语句，可以通过程序的运行，将被控系统离散化。再通过PID算法计算出使系统达到稳定所用时间最短，超调最小的Ti，Kp，Td的值，然后通过Td的变化观察系统的动态性能。关键字：单片机传感器温度控制武汉理工大学《计算机控制技术》课程设计21被控系统描述1.1被控系统简介被控对象为电炉，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。1.2设计任务（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Kp、Ti、Td、T及β的值；（3）通过数据分析Td改变时对系统超调量的影响。1.3被控系统分析本次设计是对电炉的温度控制，而电炉的温度是通过放在其中的热阻丝来控制的，而热阻丝的电流由可控硅控制器控制热阻丝两端所加电压来控制。该系统利用单片机（80C51）可以方便地实现对PID参数的选择与设定，实现工业过程中的PID控制。它采用温度传感器热电偶将检测到的实际炉温进行A/D转换，送入计算机中，与设定值进行比较，得出偏差后将其按PID规律进行调整，得出对应的控制量来控制驱动电路，调节电炉的加热功率，从而实现对炉温的控制。利用单片机实现温度智能控制，能自动完成数据采集、处理、转换，并进行PID控制和键盘终端处理（各参数数值的修正）及显示。武汉理工大学《计算机控制技术》课程设计32系统设计2.1系统控制原理系统采用的PID控制法具有原理简单、适应性强、鲁棒性强、稳定性好、可靠性高等优点，通常可分为位置式和增量式两种类型算法。PID算法是PID模糊控制技术的核心部分，通