专业课程设计报告

北京航空航天大学学生设计用纸 第 18 页课程设计报告温度控制系统的设计 袁凡目录1设计内容及技术指标21.1设计内容21.2技术指标22总体方案设计32.1 系统方案设计32.2主要元部件选择32.2.1 温度传感器的选择32.2.2 功率放大器和电压放大器的选择52.2.3 控制计算机53 元部件测试84建立温控系统广义对象的数学模型94.1 温控系统分析94.2温控系统阶跃响应的测试94.3建立广义对象数学模型115 数字控制系统仿真135.1 控制系统仿真模型的搭建136 设计总结16参考文献171设计内容及技术指标1.1 设计内容1系统方案设计和主要元部件选择； 2元部件测试； 3建立温控系统广义对象的数学模型； 4测试加热炉的温度电压特性曲线并根据响应曲线建模； 5数字控制系统仿真； 6撰写课程设计报告。 1.2技术指标 1温度控制范围：50100； 2系统超调：； 3温度上升时间： 分钟 ； 4过渡过程时间：分钟 ； 5控制精度：； 2 总体方案设计2.1 系统方案设计系统设计方案框图：图 1 温控系统组成框图2.2 主要元部件选择2.2.1 温度传感器的选择在反馈控制系统中测量元件对系统的构成和控制性能的影响都很大，过程参数的准确检测是准确控制参数的前提。温度传感器选择时应考虑以下技术要求：(1) 温度的最大测量范围，主要指测温上限； (2) 温度测量精度，温度传感器应有较好的灵敏度和线性度，重复性好，迟滞误差小； (3) 不同温度环境下性能稳定； (4) 价格便宜，一般选定型产品； 温度传感器种类：目前使用较多的温度传感器主要有两种：一是热电偶温度传感器，另一类是半导体温度传感器。(1) 热电偶温度传感器 a) 贵重金属热电偶广泛应用的铂铑-铂热电偶、铂铑-铂铑热电偶。特点是其温度性能稳定、测温上限高，但价格昂贵。用于测量1000摄氏度以上的高温。b) 普通金属热电偶普通热电偶有镍铬镍硅、镍铬康铜、铜康铜，前者测温可达 1200 度，后者测温可达 300 度。价格便宜，其中镍铬康铜热电偶的灵敏度高、电势温度的线性度好。c) 难熔金属热电偶难熔金属热电偶有钨铼热电偶。主要用于钢水、反应堆测温场合。d) 非金属热电偶非金属热电偶有碳钨热电偶、硅碳热电偶，它们的测温上限很高，热电势大，但体积笨重，机械强度差，只适合一些特殊条件下工作，一般少用。(2) P-N结半导体温度传感器 半导体温度传感器的特点是：灵敏度高、温度梯度大，线性度和重复性能都较稳定。不用进行温度补偿，体积也小，但所测的温度范围上限不高，一般在300摄氏度以下。因此只用于一般温度控制系统。下面列出两种半导体温度传感器特性供参考。由于所设计温控系统温度较低，使用P-N结温度传感器，其性能如下： 测温范围 -50+150 电压温度梯度 1.9891.99mV/ 测量精度 0.5% 由于P-N结的电压温度特性是当温度上升时电压下降，因此，在座位时机测温元件应用时一般需加一放大器，加入放大器一般有两个作用：反向作用及放大作用。 2.2.2 功率放大器和电压放大器的选择为驱动电烤箱工作，需要使用功率放大器。选择放大器的一般要求：满足一定的放大倍数；要有足够的输出功率；良好的线性范围；尽可能小的零位漂移并有较高的灵敏度；较好的共模抑制比，对干扰的抑制力强；工作稳定可靠，对环境温度要求低，尽可能体积小重量轻。目前用于过程控制的放大器有以下几种：(1) 用于测量信号放大的集成运算放大器，一般选用定型组件； (2) 可控硅半导体功率放大器，它具有功率输出宽、功率放大倍数高、损耗小、效率高、无噪声、信号传递快等有点，是目前应用较广的一类功率放大器； (3) 控制阀门或挡板工作的电动执行机构的伺服放大器，由于该放大倍数大，工作可靠，寿命长，尽管其时间常数大、体积大，但过程控制中仍在采用。本实验选择可控硅半导体功率放大器。2.2.3 控制计算机在数字式温控系统中，计算机是核心部件，从温控系统的工作原理可看出在一个采样周期内计算机要完成以下几方面工作: (1) 数据采集，将被控量采集到计算机内； (2) 完成控制计算机步骤和控制率的计算； (3) 数据的输出，将计算结果输出给执行机构；以实现控制功能以及打印、记录显示控制结果。 关于计算机的选择是一个涉及面很广的问题，此处不作详细讨论。实时控制系统计算机硬件的基本要求：(1) 要有实时时钟，在过程控制中要求按一定时间顺序进行各种操作、控制等，这要求系统中有一个时间基准，它就是由实时时钟提供的； (2) 有比较完善的中断系统以便解决快速主机与慢带外设之间矛盾以及及时处理紧急情况或计算机随机执行某些任务；(3) 有较丰富的指令系统； (4) 主机和传感器之间以及在主机与执行机构之间有适配的以 A/D 为核心的过程输入通道和以 D/A 为核心的过程输出通道，其容量和转换速度根据实际要求而定，而且应具有扩展性能； (5) 根据现场需要，有些计算机控制系统除了计算机本身的控制台外，还要有现场操作台，建立更完善，方便的人-机联系。如显示屏、自动手动切换、有明确标识的功能键、报警措施等； (6) 高可靠性和可维护性。除了硬件的可靠性外，软件的可靠性也很重要。对前者来说，处采用可靠性高的元器件外，若要求高还可采用多机并行；对后者来说，还要求软件具有自检测、自诊断能力。本实验采用ICETEK-F2812-A评估板进行设计。ICETEK-F2812-A评估板为瑞泰创新推出的DSP开发板，其主要性能如原理框图所示：图 2 ICETEK-F2812-A评估板原理框图利用ICETEK-F2812-A对采集到的温度信息进行处理，得到输出量，输出PWM控制电压，从而完成对电烤箱温度的控制。3 元部件测试利用ICETEK-F2812-A附带程序的运行，对其完整性进行检验。测试得ICETEK-F2812-A评估板功能正常，可以正常使用。之后进行温度传感器测试，先利用万用表测试微机电源电压，满足温度传感器工作需求。按照温度传感器需要分别连接电源，在室温下利用万用表测其输出电压，给予一定温度变化，观察输出电压变化，符合预期。再将温度传感器输出电压接入AD0口，利用编写的AD采样显示程序，在室温，体温环境下观察采样结果，符合传感器正常工作输出结果。最后用温度传感器与数字式温度计同时测电烤箱内水温，对电烤箱加热，利用数字式温度计示数对比传感器输出电压值，温度传感器输出电压与环境温度关系符合预期，得出温度传感器正常。通过直流稳压电源对功率放大器进行测试，在无论如何调节直流控制电压情况下下，电烤箱始终以较高功率工作，对故障进行排查，发现PWM功率放大器损坏。更换后在1v直流控制电压下，电烤箱以较低功率运行，调节控制电压大小，电烤箱功率随之改变（通过红外发光管颜色可知），认为放大器正常。之后使用PWM输出控制程序控制PWM0口输出PWM功率放大器控制电压，在PWM最小输出情况下，控制变量值为0xffff，输出0v。在PWM最大输出情况下，控制变量值为0x0000，输出3.27v。推测控制变量每减小1，PWM输出电压增大0.00005v。从而得到DA输出电压与控制变量表达式。4 建立温控系统广义对象的数学模型4.1 温控系统分析所设计的温度控制系统包括：电烤箱，温度传感器，控制计算机，功率放大器等部件，其中，电烤箱为被控对象，温度传感器为反馈元件，功率放大器为执行部件。由于预测所设计的系统控制时间长，对数学模型精度要求低，故选择建立广义对象数学模型。图 3单回路控制系统广义对象的定义4.2 温控系统阶跃响应的测试测试方法：(1) 将直流稳压电源的输出接到PWM驱动器的输入。将加热炉的供电插头接到PWM驱动器的输出插座。将温度计插入一小盆水中，并一齐放入加热炉中。(2) 给PWM驱动器输入1V的阶跃信号。其中1V的阶跃信号的产生，为直流稳压电源设定输出1V，由关到开，近似实现。(3) 每隔30s记录一次水温，直到水温达到60左右后增长缓慢。测试所得数据如下表所示：时间/s0306090120150180210240水温/C21.521.621.822.222.623.323.824.325.2时间/s270300330360390420450480510水温/C26.527.427.528.228.829.530.130.631.6时间/s540570600630660690720750780水温/C3232.83434.435.135.636.136.537.5时间/s81084087090093096099010201050水温/C38.23939.640.14141.342.242.943.4时间/s108011101140117012001230126012901320水温/C44.544.544.945.447.647.847.947.948.4时间/s135013801410144014701500153015601590水温/C49.149.449.950.250.651.151.652.152.5时间/s162016501680171017401770180018301860水温/C53.253.854.354.855.155.555.956.256.5时间/s189019201950198020102040207021002130水温/C56.85757.357.657.958.258.558.859.1时间/s216021902220225022802310234023702400水温/C59.359.659.960.160.260.460.860.961.1时间/s243024602490252025502580261026402670水温/C61.361.361.561.861.86262.262.562.4时间/s270027302760279028202850288029102940水温/C62.562.562.762.762.862.862.962.962.9将数据利用matlab绘制得下图：图 4广义对象阶跃响应曲线4.3 建立广义对象数学模型根据经验，温控系统可以简化为带延时的惯性环节，其传递函数具有如下形式：其中k为比例系数，T为时间常数，为延迟时间。利用阶跃响应曲线测的上述传递函数参数的方法：(1) 找到阶跃响应曲线拐点。(2) 作该点切线，交时间轴与稳态温度于两点。(3) 其中与时间轴交点的时间即为延时时间，与稳态值相交点的时间值减去延时时间即为时间常数T。(4) 利用稳态值与初态的差确定放大倍数k。方法如图所示：图 5 近似为带延时的惯性环节方法图 6 做切线求传函参数求得延时=60s ，时间常数T=2100s ，增益 k=41.4。计算3000s时 对应值，结果为0.7534。因此认为近似得到的带延时的惯性环节在3000s时并未进入稳态值，对其进行修正。 由于稳态值增加，相应的切线交稳态值的时间后移，得T=2400s.因此最终建立的广义对象传递函数为：5 数字控制系统仿真5.1 控制系统仿真模型的搭建系统形式如下所示：图 7控制系统形式由于系统较为简单，认为采用PI控制就可以满足要求。因此利用matlab搭建系统，用试凑法求PI控制器参数。搭建系统如下图所示：图 8 温控系统仿真模型试凑得控制器控制率为：Dz=7z-6.998z-1仿真得到的系统响应曲线如下图所示：图 9 仿真得到归一化响应曲线由上述阶跃响应曲线可得： 系统性能符合设计要求。6 设计总结本次课设对于我们工控专业的学生来说，是一次切实体验课本知识的难得机会，将所学的自动控制原理、计算机控制原理等课程的核心知识运用到课设的过程中，能够帮助我们真正提高动手能力。通过本次课程对温度控制系统的设计，让我对过程控制有了更深的了解。在设计过程中巧妙的实验数据处理，降低了模型的复杂程度，使其更易于仿真测试，这是我在设计过程中体会最深的一点。若不是采用广义对象，而是对系统进行机理建模，就必须将系统各个部件的特性进行测试，并且像诸如水位，散热速度等数据由于环境变化会有较大的改变。广义对象建模将这些都归结为一个大延时的一阶惯性环节，这样的