專業(yè)課程設(shè)計報告(共17頁)

1、北京航空航天大學(xué)學(xué)生設(shè)計用紙 第 PAGE 17 頁課程設(shè)計報告(bogo)溫度控制系統(tǒng)(kn zh x tn)的設(shè)計39032128 袁凡目錄(ml) TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc369284661 1設(shè)計(shj)內(nèi)容及技術(shù)指標(biāo) PAGEREF _Toc369284661 h 2 HYPERLINK l _Toc369284662 1.1設(shè)計(shj)內(nèi)容 PAGEREF _Toc369284662 h 2 HYPERLINK l _Toc369284663 1.2技術(shù)指標(biāo) PAGEREF _Toc369284663 h 2 HYPERLINK l _T

2、oc369284664 2總體方案設(shè)計 PAGEREF _Toc369284664 h 3 HYPERLINK l _Toc369284665 2.1 系統(tǒng)方案設(shè)計 PAGEREF _Toc369284665 h 3 HYPERLINK l _Toc369284666 2.2主要元部件選擇 PAGEREF _Toc369284666 h 3 HYPERLINK l _Toc369284667 2.2.1 溫度傳感器的選擇 PAGEREF _Toc369284667 h 3 HYPERLINK l _Toc369284668 2.2.2 功率放大器和電壓放大器的選擇 PAGEREF _Toc36

3、9284668 h 5 HYPERLINK l _Toc369284669 2.2.3 控制計算機 PAGEREF _Toc369284669 h 5 HYPERLINK l _Toc369284670 3 元部件測試 PAGEREF _Toc369284670 h 8 HYPERLINK l _Toc369284671 4建立溫控系統(tǒng)廣義對象的數(shù)學(xué)模型 PAGEREF _Toc369284671 h 9 HYPERLINK l _Toc369284672 4.1 溫控系統(tǒng)分析 PAGEREF _Toc369284672 h 9 HYPERLINK l _Toc369284673 4.2溫控系

4、統(tǒng)階躍響應(yīng)的測試 PAGEREF _Toc369284673 h 9 HYPERLINK l _Toc369284674 4.3建立廣義對象數(shù)學(xué)模型 PAGEREF _Toc369284674 h 11 HYPERLINK l _Toc369284675 5 數(shù)字控制系統(tǒng)仿真 PAGEREF _Toc369284675 h 13 HYPERLINK l _Toc369284676 5.1 控制系統(tǒng)仿真模型的搭建 PAGEREF _Toc369284676 h 13 HYPERLINK l _Toc369284677 6 設(shè)計總結(jié) PAGEREF _Toc369284677 h 16 HYPER

5、LINK l _Toc369284678 參考文獻 PAGEREF _Toc369284678 h 171設(shè)計(shj)內(nèi)容及技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(shj)內(nèi)容1系統(tǒng)(xtng)方案設(shè)計和主要元部件選擇； 2元部件測試； 3建立溫控系統(tǒng)廣義對象的數(shù)學(xué)模型； 4測試加熱爐的溫度電壓特性曲線并根據(jù)響應(yīng)曲線建模； 5數(shù)字控制系統(tǒng)仿真； 6撰寫課程設(shè)計報告。 1.2技術(shù)指標(biāo) 1溫度控制范圍：50100； 2系統(tǒng)超調(diào)：； 3溫度上升時間： 分鐘 ； 4過渡過程時間：分鐘 ； 5控制精度：； 總體方案設(shè)計2.1 系統(tǒng)方案設(shè)計系統(tǒng)設(shè)計方案框圖：圖 SEQ 圖 * ARABIC 1 溫控系統(tǒng)組成(z chn)框圖主要

6、元部件(bjin)選擇2.2.1 溫度傳感器的選擇(xunz)在反饋控制系統(tǒng)中測量元件對系統(tǒng)的構(gòu)成和控制性能的影響都很大，過程參數(shù)的準(zhǔn)確檢測是準(zhǔn)確控制參數(shù)的前提。溫度傳感器選擇時應(yīng)考慮以下技術(shù)要求：溫度的最大測量范圍，主要指測溫上限； 溫度測量精度，溫度傳感器應(yīng)有較好的靈敏度和線性度，重復(fù)性好，遲滯誤差??； 不同溫度環(huán)境下性能穩(wěn)定； 價格便宜，一般選定型產(chǎn)品； 溫度傳感器種類：目前使用較多的溫度傳感器主要有兩種：一是熱電偶溫度傳感器，另一類是半導(dǎo)體溫度傳感器。熱電偶溫度傳感器 貴重金屬熱電偶廣泛應(yīng)用的鉑銠-鉑熱電偶、鉑銠-鉑銠熱電偶。特點是其溫度性能穩(wěn)定、測溫上限高，但價格昂貴。用于測量100

7、0攝氏度以上的高溫。普通金屬熱電偶普通(ptng)熱電偶有鎳鉻鎳硅、鎳鉻康銅(kn tn)、銅康銅(kn tn)，前者測溫可達 1200 度，后者測溫可達 300 度。價格便宜，其中鎳鉻康銅熱電偶的靈敏度高、電勢溫度的線性度好。難熔金屬熱電偶難熔金屬熱電偶有鎢錸熱電偶。主要用于鋼水、反應(yīng)堆測溫場合。非金屬熱電偶非金屬熱電偶有碳鎢熱電偶、硅碳熱電偶，它們的測溫上限很高，熱電勢大，但體積笨重，機械強度差，只適合一些特殊條件下工作，一般少用。P-N結(jié)半導(dǎo)體溫度傳感器 半導(dǎo)體溫度傳感器的特點是：靈敏度高、溫度梯度大，線性度和重復(fù)性能都較穩(wěn)定。不用進行溫度補償，體積也小，但所測的溫度范圍上限不高，一般在

8、300攝氏度以下。因此只用于一般溫度控制系統(tǒng)。下面列出兩種半導(dǎo)體溫度傳感器特性供參考。由于所設(shè)計溫控系統(tǒng)溫度較低，使用P-N結(jié)溫度傳感器，其性能如下：測溫范圍 -50+150 電壓溫度梯度 1.9891.99mV/ 測量精度 0.5% 由于P-N結(jié)的電壓溫度特性是當(dāng)溫度上升時電壓下降，因此，在座位時機測溫元件應(yīng)用時一般需加一放大器，加入放大器一般有兩個作用：反向作用及放大作用。 2.2.2 功率放大器和電壓放大器的選擇為驅(qū)動電烤箱工作，需要使用功率放大器。選擇放大器的一般要求：滿足一定的放大倍數(shù)；要有足夠的輸出功率；良好的線性范圍；盡可能小的零位漂移并有較高的靈敏度；較好的共模抑制比，對干擾的

9、抑制力強；工作(gngzu)穩(wěn)定可靠，對環(huán)境溫度要求低，盡可能體積小重量輕。目前用于過程控制(kngzh)的放大器有以下幾種：用于測量信號放大的集成運算放大器，一般選用定型(dng xng)組件； 可控硅半導(dǎo)體功率放大器，它具有功率輸出寬、功率放大倍數(shù)高、損耗小、效率高、無噪聲、信號傳遞快等有點，是目前應(yīng)用較廣的一類功率放大器； 控制閥門或擋板工作的電動執(zhí)行機構(gòu)的伺服放大器，由于該放大倍數(shù)大，工作可靠，壽命長，盡管其時間常數(shù)大、體積大，但過程控制中仍在采用。本實驗選擇可控硅半導(dǎo)體功率放大器。2.2.3 控制計算機在數(shù)字式溫控系統(tǒng)中，計算機是核心部件，從溫控系統(tǒng)的工作原理可看出在一個采樣周期內(nèi)計

10、算機要完成以下幾方面工作: 數(shù)據(jù)采集，將被控量采集到計算機內(nèi)； 完成控制計算機步驟和控制率的計算； 數(shù)據(jù)的輸出，將計算結(jié)果輸出給執(zhí)行機構(gòu)；以實現(xiàn)控制功能以及打印、記錄顯示控制結(jié)果。 關(guān)于計算機的選擇是一個涉及面很廣的問題，此處不作詳細討論。實時控制系統(tǒng)計算機硬件的基本要求：要有實時時鐘，在過程控制中要求按一定時間順序進行各種操作、控制等，這要求系統(tǒng)中有一個時間基準(zhǔn)，它就是由實時時鐘提供的； 有比較完善的中斷系統(tǒng)以便解決快速主機與慢帶外設(shè)之間矛盾以及及時處理緊急情況或計算機隨機執(zhí)行某些任務(wù)；有較豐富(fngf)的指令系統(tǒng)； 主機和傳感器之間以及在主機與執(zhí)行機構(gòu)之間有適配的以 A/D 為核心的過程

11、輸入通道和以 D/A 為核心的過程輸出通道，其容量和轉(zhuǎn)換速度根據(jù)實際要求而定，而且(r qi)應(yīng)具有擴展性能； 根據(jù)現(xiàn)場需要，有些計算機控制系統(tǒng)除了(ch le)計算機本身的控制臺外，還要有現(xiàn)場操作臺，建立更完善，方便的人-機聯(lián)系。如顯示屏、自動手動切換、有明確標(biāo)識的功能鍵、報警措施等； 高可靠性和可維護性。除了硬件的可靠性外，軟件的可靠性也很重要。對前者來說，處采用可靠性高的元器件外，若要求高還可采用多機并行；對后者來說，還要求軟件具有自檢測、自診斷能力。本實驗采用ICETEK-F2812-A評估板進行設(shè)計。ICETEK-F2812-A評估板為瑞泰創(chuàng)新推出的DSP開發(fā)板，其主要性能如原理框圖

12、所示：圖 SEQ 圖 * ARABIC 2 ICETEK-F2812-A評估板原理框圖利用(lyng)ICETEK-F2812-A對采集到的溫度(wnd)信息進行處理，得到輸出量，輸出PWM控制電壓，從而完成對電烤箱溫度的控制。3 元部件(bjin)測試利用(lyng)ICETEK-F2812-A附帶程序的運行，對其完整性進行(jnxng)檢驗。測試得ICETEK-F2812-A評估板功能正常，可以正常使用。之后進行溫度傳感器測試，先利用萬用表測試微機電源電壓，滿足溫度傳感器工作需求。按照溫度傳感器需要分別連接電源，在室溫下利用萬用表測其輸出電壓，給予一定溫度變化，觀察輸出電壓變化，符合預(yù)期。

13、再將溫度傳感器輸出電壓接入AD0口，利用編寫的AD采樣顯示程序，在室溫，體溫環(huán)境下觀察采樣結(jié)果，符合傳感器正常工作輸出結(jié)果。最后用溫度傳感器與數(shù)字式溫度計同時測電烤箱內(nèi)水溫，對電烤箱加熱，利用數(shù)字式溫度計示數(shù)對比傳感器輸出電壓值，溫度傳感器輸出電壓與環(huán)境溫度關(guān)系符合預(yù)期，得出溫度傳感器正常。通過直流穩(wěn)壓電源對功率放大器進行測試，在無論如何調(diào)節(jié)直流控制電壓情況下下，電烤箱始終以較高功率工作，對故障進行排查，發(fā)現(xiàn)PWM功率放大器損壞。更換后在1v直流控制電壓下，電烤箱以較低功率運行，調(diào)節(jié)控制電壓大小，電烤箱功率隨之改變（通過紅外發(fā)光管顏色可知），認為放大器正常。之后使用PWM輸出控制程序控制PWM

14、0口輸出PWM功率放大器控制電壓，在PWM最小輸出情況下，控制變量值為0 xffff，輸出0v。在PWM最大輸出情況下，控制變量值為0 x0000，輸出3.27v。推測控制變量每減小1，PWM輸出電壓增大0.00005v。從而得到DA輸出電壓與控制變量表達式。建立溫控系統(tǒng)(xtng)廣義對象的數(shù)學(xué)模型4.1 溫控系統(tǒng)分析所設(shè)計的溫度控制系統(tǒng)(kn zh x tn)包括：電烤箱，溫度傳感器，控制計算機，功率放大器等部件，其中，電烤箱為被控對象，溫度傳感器為反饋元件，功率放大器為執(zhí)行(zhxng)部件。由于預(yù)測所設(shè)計的系統(tǒng)控制時間長，對數(shù)學(xué)模型精度要求低，故選擇建立廣義對象數(shù)學(xué)模型。圖 SEQ 圖

15、 * ARABIC 3單回路控制系統(tǒng)廣義對象的定義溫控系統(tǒng)階躍響應(yīng)的測試測試方法：將直流穩(wěn)壓電源的輸出接到PWM驅(qū)動器的輸入。將加熱爐的供電插頭接到PWM驅(qū)動器的輸出插座。將溫度計插入一小盆水中，并一齊放入加熱爐中。給PWM驅(qū)動器輸入1V的階躍信號。其中1V的階躍信號的產(chǎn)生，為直流穩(wěn)壓電源設(shè)定輸出1V，由關(guān)到開，近似實現(xiàn)。每隔30s記錄一次水溫，直到水溫達到60左右后增長緩慢。測試所得數(shù)據(jù)如下表所示：時間/s0306090120150180210240水溫/C21.521.621.822.222.623.323.824.325.2時間/s270300330360390420450480510水

16、溫/C26.527.427.528.228.829.530.130.631.6時間/s540570600630660690720750780水溫/C3232.83434.435.135.636.136.537.5時間/s81084087090093096099010201050水溫/C38.23939.640.14141.342.242.943.4時間/s108011101140117012001230126012901320水溫/C44.544.544.945.447.647.847.947.948.4時間/s135013801410144014701500153015601590水溫/C4

17、9.149.449.950.250.651.151.652.152.5時間/s162016501680171017401770180018301860水溫/C53.253.854.354.855.155.555.956.256.5時間/s189019201950198020102040207021002130水溫/C56.85757.357.657.958.258.558.859.1時間/s216021902220225022802310234023702400水溫/C59.359.659.960.160.260.460.860.961.1時間/s24302460249025202550258

18、0261026402670水溫/C61.361.361.561.861.86262.262.562.4時間/s270027302760279028202850288029102940水溫/C62.562.562.762.762.862.862.962.962.9將數(shù)據(jù)(shj)利用matlab繪制得下圖：圖 SEQ 圖 * ARABIC 4廣義對象階躍響應(yīng)(xingyng)曲線建立(jinl)廣義對象數(shù)學(xué)模型根據(jù)經(jīng)驗，溫控系統(tǒng)可以簡化為帶延時的慣性環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)具有如下形式：其中(qzhng)k為比例(bl)系數(shù)，T為時間常數(shù)(sh jin chn sh)，為延遲時間。利用階躍響應(yīng)曲線測的上

19、述傳遞函數(shù)參數(shù)的方法：找到階躍響應(yīng)曲線拐點。作該點切線，交時間軸與穩(wěn)態(tài)溫度于兩點。其中與時間軸交點的時間即為延時時間，與穩(wěn)態(tài)值相交點的時間值減去延時時間即為時間常數(shù)T。利用穩(wěn)態(tài)值與初態(tài)的差確定放大倍數(shù)k。方法如圖所示：圖 SEQ 圖 * ARABIC 5 近似為帶延時的慣性環(huán)節(jié)方法圖 SEQ 圖 * ARABIC 6 做切線求傳函參數(shù)求得延時=60s ，時間常數(shù)(sh jin chn sh)T=2100s ，增益 k=41.4。計算(j sun)3000s時 對應(yīng)值，結(jié)果為0.7534。因此認為近似(jn s)得到的帶延時的慣性環(huán)節(jié)在3000s時并未進入穩(wěn)態(tài)值，對其進行修正。 由于穩(wěn)態(tài)值增加，

20、相應(yīng)的切線交穩(wěn)態(tài)值的時間后移，得T=2400s.因此最終建立的廣義對象傳遞函數(shù)為：5 數(shù)字控制系統(tǒng)仿真5.1 控制系統(tǒng)仿真模型的搭建系統(tǒng)形式如下所示：圖 SEQ 圖 * ARABIC 7控制系統(tǒng)形式由于系統(tǒng)較為簡單，認為采用PI控制就可以滿足要求。因此利用matlab搭建系統(tǒng)，用試湊法求PI控制器參數(shù)。搭建系統(tǒng)如下圖所示：圖 SEQ 圖 * ARABIC 8 溫控系統(tǒng)仿真(fn zhn)模型試湊得控制器控制率為：Dz=7z-6.998z-1仿真得到的系統(tǒng)(xtng)響應(yīng)曲線如下圖所示：圖 SEQ 圖 * ARABIC 9 仿真得到歸一化響應(yīng)(xingyng)曲線由上述階躍響應(yīng)曲線可得： 系統(tǒng)(xtng)性能(xngnng)符合設(shè)計要求。6 設(shè)計(shj)總結(jié)本次課設(shè)對于我們工控專業(yè)的學(xué)生