水浴恒温控制系统的研究 毕业论文.doc

毕业设计说明书(论文)作 者: 学 号： 学院(系):能源与动力工程学院专 业:热能与动力工程题 目:水浴恒温控制系统的研究 指导者： (姓 名) (专业技术职务)评阅者： (姓 名) (专业技术职务)2012年 5月毕业设计说明书（论文）中文摘要本论文是对本次毕业设计所选择的课题水浴恒温控制系统的研究及其研究设计过程的一个详细论述和总结。水浴恒温控制系统是计算机自动控制技术在温度控制方面的重要应用，本文简要介绍了水浴恒温控制系统的技术背景、发展现状以及如何通过硬件改造和软件编程实现水浴恒温控制。通过将老式的机械式控温水浴槽改造成能够通过计算机程序自动控温的新型恒温水浴，并且用vb语言编写程序，从而实现了计算机自动控制理论在温度控制方面的实际应用。改造后的水域恒温控制系统能够实现对水浴的温度进行采集、显示、控制以及自动调控和手动调控切换等功能。关键词 自动控制 水浴恒温 vb pid算法 牛顿模块毕业设计说明书（论文）外文摘要title research of water temperature control system abstractthis essay is a summary and a explanation of the subject of this graduation design,that is research if water temperature control system. water temperature control system is the application of computer automatic control technology in temperature control area. this essay makes a brief introduction of this subjects technology background, development status and how to realize automatic control via reforming the hardware and software programming. this application of automatic control theory in temperature control area can be achieved by changing the old mechanic temperature control system into a new automatic system which can be controlled by a computer program, and writing the computer programme by visual basic programming language. this is an automatic control system which can get, display and control the water temperature, along with the function to switch between auto mode and manual mode.key words: automatic control constant water temperature vb pid arithmetic nudam module 本科毕业设计说明书（论文） 第 i 页 共 i 页目录1 绪论11.1 课题背景11.2 国内外温度控制技术发展现状11.3 课题可行性分析22 总体设计方案32.1 总体方案32.2 硬件设计（改造）方案42.3 软件设计方案63 程序操作说明164设计与调试过程中遇到的问题184.1 设计过程中遇到的问题184.2 调试过程中遇到的问题185 实验数据及pid参数整定20结论21致谢22参考文献23 本科毕业设计说明书（论文） 第 22 页 共 23 页1 绪论1.1 课题背景温度是包括压力、液位、流量等五大工业基本测量参数之首，也是工业生产过程中最常见的参数之一。在工业生产过程中，很多物理和化学变化都与温度有着密切的关系，约占到全部参数的50%左右。因此对温度进行准确地检测和控制有着极其重要的意义。温度控制系统自诞生至今已取得了长足的发展。尤其是近几年软件技术和硬件技术，包括线性系统、时变系统、非线性系统、微分差分系统等的日新月异使温度控制技术发展更为迅猛。其次，自动控温和远程控制中心已逐渐取代手动控制的分散局部控制站。另外温度控制的概念也有了很大的扩充，它不仅包括数据采集与管理、基本过程控制，还包括先进的管理系统、调度和优化等。温度控制正向着分散化、柔性化、分散化和集成化的方向发展和被应用于实际工业生产过程。此外神经网络、模糊控制、在线诊断、专家系统等理论也大大促进了温度控制系统的发展。1.2 国内外温度控制技术发展现状我国在温度控制系统领域的发展大致可分为三个阶段：2第一阶段：基地式仪表。四十年代初，由于石油、化工、电力等工业对自动化的需要，出现了基地式仪表。这种仪表将测量、记录、调节仪表组装在一个表壳里，一般结构简单，价格低廉，但是其功能仅限于单回路低精度的控制。第二阶段：单元组合式仪表。随着大型工业企业的出现，生产向综合自动化和集中控制的方向发展，人们发现基地式仪表的结构不够灵活，不如将仪表按功能划分，制定若干种能独立完成一定功能的标准单元，各单元之间以规定的标准信号相互联系，这样仪表的精度可以提高。第三阶段：微机控制阶段。随着微电子技术的发展、大规模集成电路制造的成功和微处理器的问世、计算机性能价格比的明显提高以及微型计算机在工业控制领域中的应用，使得温度控制系统发展到微机控制阶段。发达国家在温度控制领域的自动化水平较高，并且检测仪表和计算机控制系统较为完善。其计算机控制系统采用的形式大多已经是集散系统和分布式系统，并且配备有先进的控制算法。目前世界各工业发达国家正全力进行工厂综合自动化技术的研究。所谓综合自动化，就是在检测控制技术、信息技术、计算机控制和各种生产加工技术的基础上，从生产过程的全局出发，通过生产过程所需的各种信息的集成，把控制、优化、调度、管理、经营、决策融为一体，形成一个能适应各种生产环境的市场需求、多变性的、 总体最优的高质量、高效益、高柔性的管理生产系统。于是就产生了模糊控制、神经网络、遗传算法等智能控制方法，大大促进了温度控制技术的发展。1.3 课题可行性分析本设计选取水浴为温度控制对象，需完成硬件设备由原先手动控制结构到计算机自动控制的改造，基于visual basic语言的软件编程，和基于牛顿模块的pid恒温控制。主要工作为：1）设备硬件的设计和改造；2）visual basic温控程序的编写；3）实验数据的采集分析。近年来模块化处理温控方式已较广泛地运用于精细化生产过程中需要控制温度的各种装置。本设计是以pc机、vb程序以及牛顿模块为核心的水域恒温控制系统，可以实现温度的实时采集、图线绘制、温度自动控制等功能。随着计算机的普及和计算机技术的不断发展，计算机与外围设备之间的通讯显得越来越重要。由于串行通信是在一根传输线上逐位传送信息，所用的传输线较少，因此特别适合用于远距离传输数据。在实时控制和管理方面，采用多台微机处理机组成分级分部控制系统中，cpu之间的通信一般都是串行方式。所以串行接口是微机应用系统常用的接口，而相应的应用程序也成为近年来研究的热点。此外微机控制系统对外部环境的灵敏度低，对数字信号的抗干扰能力强，传输信号的成本低，并且无参数漂移等现象。因此本课题选择用pc机和串口通信实现温度自动控制是切实可行的。2 系统设计方案2.1 总体方案在本设计中,执行系统由水浴、加热电阻丝、热电偶、水管、电控阀门和调压模块组成；控制系统由pc机和牛顿模块组成。2.1.1 总线方案选择 由于自动控制系统最终的数据大多要最终传输到电脑当中，因此在自动控制系统当中485总线系统应用非常广泛。pc机所拥有的接口一般是rs232串口和usb接口，所以本设计可选用rs232转rs485或者usb转rs485两种总线方案。两者分别需要使用牛顿模块i-7520和i-7561。考虑到目前usb正逐步取代串口的总趋势，因此本课程设计选用了usb转rs485的总线方案，相应的牛顿模块选用i-7651。2.1.2 控制模块选择 目前计算机自动控制系统的控制模块一般可采用数据采集卡，单片机，牛顿模块等。数据采集卡是最传统的方案，但由于其传输速率不高，加上此方案较为老式，因此本设计未选用此方案。单片机有体积小巧、成本低廉，故障率低等优点，但是由于本专业的课程设置在单片机方面的知识不足以进行基于单片机的自动控制系统设计，因此本设计也未选用此方案。最后我还是选择了使用牛顿模块作为本设计的控制模块。牛顿模块具有组态简单、采集的信号稳定、抗干扰能力强、编程容易等众多优点。并且每个单一的牛顿模块都是地址可编程的，这使得用户构筑系统时更加容易。一般情况下用户无需进行硬件开发，只是选择合适的模块和变送器就行了。2.1.3 测温准确性方案选择 在设计时，我曾考虑过在水浴中央安装一个搅拌器以加快水浴温度趋向均匀的速度。但是由于这种设计的硬件改造难度较高，时间不允许，加上成本也较高，因此我选用了另一个方案，即在水浴的中央和边缘各放一个热电偶进行温度采集，然后取他们的平均值，这样同样能达到提高测温准确度的目的。2.1.4 总体设计结构图模拟量采集模块i-7018 通信协议模块i-7561pc机执行运行程序 控制模块i-7024控制调压器输出电压和电控阀门开闭控制加热电阻和冷却水循环热电偶采集温度rs485总线水浴图1 总体设计结构图 整个系统的工作过程大致如下：牛顿模块i-7018对水浴温度进行实时采集，经过牛顿模块i-7561实现usb和rs485总线协议传输，把温度以数字量形式载入pc机执行pid算法后再经牛顿模块i-7561输出信号以控制牛顿模块i-7024输出电压，对各外围设备的通断和功率进行调节，最终实现水浴温度的自动控制的目的。2.2 硬件设计（改造）方案2.2.1 硬件改造方案本设计的硬件系统改造方案分为以下几个部分：1）加热系统改造：用光电隔离单向交流调压模块代替原先膨胀式调节加热电阻丝功率的机械模块。2）温度采集系统改造：在中央和边缘各使用一个热电偶共同采集水温，返送给模块i-7018取平均值以提高测温准确性。3）循环水冷却系统：在水浴箱的上部和下部各开一个直径20mm的孔，接上外径20mm水管并且选用4分口径的电控阀门，以实现自动控制循环水冷却。4）控制部分所需硬件：pc机和牛顿模块i-7018、i-7024、i-7561。2.2.2 硬件结构图光电隔离单向交流调压模块i-7024i-7018i-7561pc机4分口径电控阀4分口径电控阀热电偶加热电阻水浴rs485总线图2 硬件结构图2.2.3 牛顿模块接线方式本设计中牛顿模块的电源均采用24vdc,参考了牛顿模块的使用说明书后可知其与外围设备的接线方式如下。牛顿模块i-7018与两个热电偶的接线方式如下图所示：图3 i-7018接线图 牛顿模块i-7024与光电隔离单向交流调压模块的接线方式如下图所示：图4 i-7024接线图上图中的负载load即为光电隔离单向交流调压模块。图5 光电隔离单向交流调压模块接线图光电隔离单向交流调压模块有电压输入、电流输入和电位器三种接线方式，本设计基于简便易行的考虑选择了电压输入的接线方式。上图中的负载即为加热电阻丝。2.3 软件设计方案2.3.1 控制算法的选择计算机自动控制方法中最经典也是常用的是pid调节。pid调节是一种线性调节，它将给定值r(t)与实际输出值c(t)的偏差的比例(p)、积分(i)、微分(d)通过线性组合构成控制量，对控制对象进行控制。13其中的p、i、d三者的作用如下：7比例环节p的作用：即时成比例地反应控制系统的偏差信号e(t)，偏差一旦产生，调节器立即产生控制作用以减小偏差。积分环节i的作用：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数ti，ti越大，积分作用越弱，反之则越强。微分环节d的作用：能反应偏差信号的变化趋势(变化速率)，并能在偏差信号的值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。对以上三个控制环节的不同选择能够构成4种不同的控制方案:7 1）p控制方式：p控制方式只是在前向通道上加上比例环节，相当于增大了系统的开环增益，减小了系统的稳态误差，减小了系统的阻尼，从而增大了系统的超调量和振荡性。 2）pi控制pi控制是在p控制基础上增加了积分环节，提高了系统的型别，从而能减小系统的稳态误差。因为单纯使用增大kp的方法来减小稳态误差的同时会使系统的超调量增大，破坏了系统的平稳性，而积分环节的引入可以与p控制合作来消除上述的副作用，至于积分环节对系统的准确的影响将通过实验给出结论。 3）pd控制方式pd控制方式是在p控制的基础上增加了微分环节，pd控制是一种早期控制，可在出现误差位置前，提前产生修正作用，从而达到改善系统性能的目的。4）pid控制 pid控制方式结合了比例积分微分三种控制方式的优点和特性，在更大的程度上改善系统各方面的性能，最大程度的使闭环系统的阶跃响应尽可能地最好（稳、快、准）。其算法流程图如下：给设定值x取测量值y(k)计算偏差e(k)=x-y(k)求比例分量up(k)=kp*e(k)-e(k-1)求积分分量ui(k)=ki*e(k)求微分分量ud(k)=kd*e(k)-2e(k-1)+e(k-2)计算控制器输出量u(k)=up(k)+ui(k)+ud(k)e(k-2)=e(k-1)e(k-1)=e(k)开始结束图6 pid算法流程图基于本设计控制对象的特点和pid算法集成了其它3种算法优点的考虑,本程序的控制算法部分最后决定采用pid调节算法。为了实现该算法，我首先用vb语言定义了一个动态数组t()用于储存每次测量的温度值，并通过文本框读取设定温度值和pid参数，然后按照上述pid算法流程图代入各数据计算出控制器输出信号。2.3.2 软件界面本设计的软件设计部分采用了visual basic 6.0。visual basic 6.0是一个可视性很强的编程工具，运用它可编辑多种类型的可视界面。在这次的界面设计中，我使用了vb语言中自带的command、text、label、frame、timer、picturebox等控件实现温度监控，另外还使用了牛顿模块所配套的dcon_x控件以实现数据通信。对界面的视觉效果方面我也选择了较清晰醒目的颜色和字体以方便操作时对数据的观察和按钮的点击。软件界面如图7和图8所示：图7 软件界面一图8 软件界面二2.3.3 软件功能 本软件能实现的功能有:1）显示系统模拟图并且显示水温、电阻丝输入电压和电控阀门开度等参数。如图：图9 系统模拟图该功能的实现主要是先用vb的绘图控件在图片框中画出系统结构图，然后利用标签控件的caption属性配合timer控件不断读取对应的值，实现各参数的实时显示。其流程图如下：启动timer控件读取对应参数显示各参数读取采样时间开始结束图10 显示系统模拟图算法2) 实时温度采集显示并且绘制实时温度曲线。如图：图11 温度曲线图 本功能的实现主要使用了个timer控件和一个picturebox控件。利用timer控件的定时触发功能实现实时采集温度，然后利用picturebox控件的line语句绘制温度曲线。主要程序流程图如下：启动timer控件读取实时温度绘制曲线读取采样时间结束开始图12 显示温度曲线算法 3) 设定目标温度值，通过自动和手动两种方式进行温度控制。自动模式下可输入pid参数，进行pid自动调节输出信号。如下图所示：图13 自动调节部分界面 手动模式下可输入调压模块的输出电压和电磁阀门的开度。如下图所示：图14 手动调节部分界面该功能主要利用了dcon_x控件读取测量温度值和输出控制信号。自动控制部分的程序设计流程图如下：读取实时温度值切换至i-7024连接调压器的接口输出控制信号比较是否大于设定温度切换至i-7024连接电控阀的接口yn实施pid调节开始结束图15 自动控制算法流程图 手动控制部分的程序流程图如下：输出控制信号开始结束图16 手动控制算法流程图4）在采集温度的同时自动保存温度历史记录，生成文本文档，保存在c: 目录下可随时打开查看上一次实验数据。实现保存记录的语句主要是vb的“openfor”和“print”两个文件操作语句，实现打开记事本查看记录的语句是vb的shell语句。保存记录部分的程序流程图如下：清空上一次记录以追加方式打开文件写入新记录关闭文件开始开始图17 保存记录算法流程图 5） vb实现数据通信。本设计采用牛顿模块实现数据通信，因此使用牛顿模块配套的dcon_x控件来实现pc机与控制对象之间的数据通信。首先要安装牛顿模块附带的使用光盘中的dcon activex和dcon dll两个文件，这样visual basic 6.0便能通过引用外部控件使用dcon_x控件了。为了能实现数据通信，主要工作是在程序初始化时设置通讯端口、波特率、模块id、模块地址、接口代号、采集模式和模块开关等模块参数。因此只要在程序的form_load子程序中对dcon_x.comport、dcon_x.baudrate、dcon_x1.moduleid、dcon_x1.moduleaddress、dcon_x1.slotno、dcon_x1.mode、 dcon_x1.portopen的值即可。3 程序操作说明基于上文对本毕业设计所编写的自动控制程序的功能所作的介绍，本节主要说明本程序在实际实验中的操作方法。图18 程序界面图上图为程序启动后的界面，对照此图对本程序的具体操作步骤加以说明：1）单击左上角的“显示模型（图线）”按钮可在实时温度曲线和模型实时参数两个监控视图之间进行随意切换。2）在“设定温度”和“采样周期”文本框中分别输入温度设定值和采样周期，需要注意的是由于控制对象是水浴，所以温度设定值的范围应在0至100摄氏度之间。3）单击“开始监控”按钮，程序即开始采集实施温度，并绘制实时温度曲线，但此时并未进行温度控制。此时“自动/手动”切换按钮和“结束控温按钮”由不可点击状态变为可点击状态。4）单击“自动/手动”切换按钮选择控制模式，同时右边相应的frame控件会激活。5）若选择自动控制模式，则在文本框中输入pid参数值，然后单击“自动调节”按钮，程序即开始实施自动控温。6）若要使用手动控制模式中的手动加热，则在“输出电压”文本框中输入牛顿模块i-7024的输出电压值，单击“调节”按钮，牛顿模块i-7024即输出该电压以控制调压模块的输出电压，进而控制加热电阻丝的加热功率和电控阀门的开关。此时该按钮变为“停止”按钮，若需要改变i-7024输出电压，则单击“停止”按钮，然后重新输入电压值，再单击“调节”按钮在进行调节。这样设计的目的在于防止输入错误使得输出电压过大。7）若要使用手动控制模式控制电控阀门的开度以控制循环水冷却，则在“阀门开度”文本框中输入阀门开度百分数然后单击“打开阀门”按钮，此时该按钮变为“关闭阀门”按钮，其余操作和设计目的均与上述手动加热功能中的“调节按钮”一样。8）单击“结束控温”按钮即可结束温度采集和温度控制。9）若需要查看实验数据记录则单击“查看记录”按钮。10）单击“退出”按钮可关闭程序。4设计与调试过程中遇到的问题在本次课程设计的过程中我遇到了各种各样大大小小的问题。在寻找解决方法的过程中，我学到了很多，能力也得到了很大的锻炼。4.1 设计过程中遇到的问题4.1.1软件界面的设计在软件界面设计上遇到的主要问题是各控件怎样排布可以使其相对、紧凑并且功能分布明确，易于操作。一开始我把图片框放在了窗口的左上角，然后其他按钮和文本框等空间放在左边和下边，围绕着图片框，但这种布局的缺点是各控件的分布过于分散，不够一目了然，而且有些按钮太大，有些喧宾夺主。于是后来我将图片框改放到了窗口的上部，并且放大，把文本框和按钮适当缩小然后同意放到窗口下部，这样软件的界面便紧凑且美观多了。4.1.2 软件细节功能的完善在刚开始设计时，我只考虑了软件的功能，因此程序过于简单，漏洞和使用不便之处很多。在老师的指导下，我重新仔细考虑了本软件的功能细节，并且逐渐增加控件和语句加以完善，增加了曲线横坐标的实时时间显示、温度采集时间、实验记录查看和实验模型显示等细节功能，使本软件更加的人性化，更接近能实际投入应用的要求。4.1.3 冷却系统设计由于先前所做的自动控温实验和课程设计都仅有加热部分，因此这次是第一次要进行冷却系统的设计。通过查阅资料和老师的指导，最终选择了使用循环水来实现冷却。为了对循环水系统进行控制，我选用了电控阀门，与加热部分的pid算法进行类比编写了自动控制电控阀门开度的算法，然后通过切换i-7024的输出端口来切换对加热电阻和电控阀门的控制。4.2 调试过程中遇到的问题4.2.1 i-7024输出电压错误在将硬件设备与计算机连接起来进行程序调试的过程中，一开始i-7024的输出电压始终很小，检查了控制程序中的模块参数设置语句并未发现错误。在老师的指导下，我使用牛顿模块配套的dcon_utility软件对i-7024的各项参数进行了检查，发现是牛顿模块的输入模式选择了电流输入模式，于是将其改成电压输入模式后i-7024的输出电压就正常了。4.2.2 i-7018信号采集出错i-7018本身存在信号采集会时常发生错误的问题，其模块的数据处理速度和采集速度偶尔会不同步，因此产生超时错误。由于是牛顿模块本身的问题，所以只能在软件设计中用语句加以屏蔽，我采用的办法是，由于温度变化应该是缓慢的，所以我检测输入的温度与前一采样时刻的温度进行比较，若偏差过大，则说明输入错误，然后令程序重新采集一次温度，这样就实现了对错误信号的屏蔽。5 实验数据及pid参数整定这里选用了实验过程中的3组数据进行分析以进行本控制系统的pid参数整定。表实验数据设定温度采样周期pid上升时间超调量501000ms1.20.020.00128s18%501000ms1.00.010.00118s8%501000ms0.80.010.00224s14% 从以上三组实验数据可以看出第二组数据（p=1.0；i=0.01；d=0.001）较为真实地反映了温控变化曲线，上升时间较短，超调量较小，并且跟二次振荡曲线很好地吻合，因此可作为本控制系统的pid参数的参考选值。结论 本次毕业设计是基于visual basic语言和牛顿模块以实现对水浴进行恒温控制。首先将一台老式机械调节的恒温水浴箱改造成能实现计算机自动控制的结构，然后运用vb语言编制了软件操