温度控制系统设计计算机控制技术课程设计-精品.doc

学 号： 0121311370627 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 1303班 姓 名 李 杰 指导教师 周申培 2016 年 6 月 1 日 课程设计任务书 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 题 目: 温度控制系统设计 要求完成的主要任务: 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）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Ti改变时对系统超调量的影响。 4）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 5月25日—6月1日 完成硬件设计并调试 6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 10 5 心得体会 11 参考文献 12 本科生课程设计成绩评定表 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 1 设计任务及分析 1.1 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： 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Ti改变时对系统超调量的影响。 4）撰写设计说明书。 1.2 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。 2 方案设计 2.1 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、