过程控制系统实验报告

过程控制系统课程设计

设计题目：炉温的单闭环控制系统的设计

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摘要

温度是工业对象中一种重要的参数，特别在冶金、化工、机械各类工业中，广泛使用各种加热炉、热处理炉和反应炉等。由于炉子的种类不同，因此所采用的加热方法及燃料也不同，如煤气、天然气、油和电等。但是就其控制系统本身的动态特性来说，基本上属于一阶纯滞后环节，因而在控制算法上亦基本相同。

随着社会的发展，在生活和工业中已经广泛的使用温度控制，而现代化炉温控制已经开始自动化PID控制时代了。控制炉温恒定是满足生产、提高效率和节能减耗的关键技术，其具有很多优势，能够进一步提高控制精度，同时使得加热时间大大降低，不短提高能源的利用，因此也是越来越受到重视。为了更好的确保加热炉的安全运行，因此加强炉温控制系统的设计与实现的研究非常有必要。基于此本文分析了基于PID算法的炉温控制系统的设计与实现。

关键词：比例；积分；微分；炉温控制

I

目 录

摘要................................................................................................................................................I一、概述............................................................................................................................................1二、课程设计任务及要求................................................................................................................12.1设计任务...........................................................................................................................12.2设计要求...........................................................................................................................1三、理论设计....................................................................................................................................13.1方案论证............................................................................................................................13.2系统设计...........................................................................................................................13.3炉温控制系统硬件工作原理............................................................................................13.3.1前向通道工作过程................................................................................................1
3.3.2反馈通道工作过程...............................................................................................1
四、系统设计....................................................................................................................................14.1 PID算法设计.....................................................................................................................14.2软件设计............................................................................................................................14.2.1画面的制作...........................................................................................................1
4.2.2建立数据词典.......................................................................................................1
4.2.3建立动画连接.......................................................................................................1
五、调试过程与结果........................................................................................................................15.1 调解P参数.......................................................................................................................15.2 调节I参数........................................................................................................................15.3 调节D参数......................................................................................................................15.4 综合调试P、I、D三个参数...........................................................................................1六、实验中所用仪器设备清单........................................................................................................1七、收获与体会................................................................................................................................1

一、概述

近年来随着热处理工艺广泛应用于加工过程,热处理中温度的控制精度和控制规律的优劣直接影响到热处理工艺的好坏。电阻炉是热处理工艺中应用最多的加热设备,研究电阻炉温度控制方法具有重要意义。工业生产中广泛应用工业炉，如在冶金、化工等工矿企业以及宾馆、学校、商场等公共场所。当前，电阻炉温度控制的主要问题是：由于电阻炉是一个特性参数随炉温变化而变化的被控对象，炉温控制具有单向性、大惯性、大滞后、时变性的特点。例如，其升温单向性是由于电阻炉的升温、保温是依靠电阻丝加热，降温则是依靠环境自然冷却，当其温度一旦超调就很难用控制手段使其降温，因而很难用数学方法建立精确的模型和确定参数。

PID（比例-积分-微分）控制器作为最早实用化的控制器已有70多年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。PID控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。PID控制器具有结构简单、容易实现、控制效果好、鲁棒性强等特点，是迄今为止最稳定的控制方法。它所涉及的参数物理意义明确，理论分析体系完整，并为工程界所熟悉，因而在工业过程控制中得到了广泛应用。从实际需要出发，一种好的PID控制器参数整定方法，不仅可以减少操作人员的负担，还可以使系统处于最佳运行状态。因此，对PID控制器参数整定法的研究具有重要的实际意义。

本次课程设计中我们通过调节PID调节器的比例系数Kp、积分系数Ki和微分系数Kd来实现对电阻炉的温度控制。

1

二、课程设计任务及要求

2.1设计任务

在基本掌握过程控制常规控制方案的工作原理及参数整定步骤的基础上，针

对一个电烤箱设计炉温控制系统。

2.2设计要求

具体要求：
(1)电烤箱控制系统的工作方案设计、设备选型及其连线；(2)炉温控制系统的对象-传递函数确定；
(3)单回路PID炉温控制的实现；
(4)利用组态王软件编制上位机监控软件；
(5)撰写规范化的说明书一份。

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三、理论设计

3.1方案论证

本设计采用PID控制算法对温度进行控制，比例控制能迅速反应误差，从

而减小误差，但比例控制不能消除稳态误差，比例系数Kp太小不容易达到给定，

Kp过大，会引起系统的不稳定；积分控制的作用是，只要系统存在误差，积分

控制作用就不断的积累，输出控制量以消除误差，因而，只要有足够的时间，积

分控制将能完全消除误差，积分作用太强会使系统超调加大，甚至使系统出现振

荡；微分控制可以减小超调量，克服振荡，使系统的稳定性提高，同时加快系统

的动态响应速度，减小调整时间，从而改善系统的动态性能。对于炉温控制来说，

由于加热炉的降温完全依靠自然散热，微分控制的作用并不明显。

3.2系统设计

计算机控制系统一般由控制计算机、A/D与D/A接口、执行机构、被控对

象、检测元件和变送器组成。本炉温控制系统的控制计算机采用普通奔腾PC机，

A/D与D/A转换由研华多功能采集卡PCI-1711来实现，执行功能由可控硅模块

来完成，检测元件为热电阻Pt100，温度变送器为XMZ数字显示仪。系统结构

图如图3.1所示。

图3.1炉温控制系统结构框图

（1）PCI-1711：原来实验系统使用的是采用ISA总线的PCL-812PG采集卡，

采样速率最大为30kHz，而PCI-1711是一款功能强大的多功能PCI总线数据采

集卡，采样速率可达100kHz，速度快而且使用PCI总线也是适应时代发展趋势。

PCI-1711有2路模拟量输出通道，16路单端模拟量输入通道；16路数字量输入

通道与16路数字量输出通道；12位A/D转换器；板载1K采样FIFO缓冲器；

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每个输入通道增益可编程,自动通道/增益扫描[4]。PCI-1711采集卡是68针的，本系统只使用PCI-1711采集卡的模拟量输入输出通道各一个，即AD0与DA0两个通道，其引脚标号为AI0、AO0_OUT*，同时需要两根地线，由于PCI1711卡的接地点是连在一起的，所以可以随意选两个接地引脚AOGND*，PCI-1711卡的引脚图如图3.2所示。

图3.2PCI-1711多功能采集卡引脚图
（2）可控硅模块：本系统采用的是固体交流调压模块，它将触发器和双向可控硅固化于一个芯片中，计算机计算出的控制电压U(k)作为触发器的触发电压来触动双向可控硅，触发电压越大，通过可控硅后得到的电阻炉两端的电压Ud(k)就越大。图3.3表示了它的工作原理。

图3.3固态可控硅输入输出示意图
（3）检测元件：用于温度检测的传感器有很多种，常见的有热电阻、热电偶。热电偶传感器具有工作在中高温区、测温范围宽、测温精度高等特点。热电

阻的特点是工作在中低温区，性能稳定，测量精度高。本系统中电炉的温度被控制在0～300度之间，为中低温区，所以选用铂电阻Pt100作为温度检测元件，Pt100的测温范围是-200~650度，0度时电阻为100Ω，300度时电阻为212Ω。

（4）温度变送器：温度变送器为XMZ数字显示仪，为了消除连接导线值变化产生的测量误差，采用三线制接法将Pt100热电阻接到温度变送器的输入端，经过变送器变换后得到0~5伏的输出电压和0~300度的输出温度，所以加热炉温度与变送电压之间有60倍的转换关系。实际的系统中，PCI-1711插在PC机的机箱内，可控硅模块、温度变送器、主要参数显示器和一些控制按钮都集中安装

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在一个箱体内，即温度控制装置，实际的系统如图3.4所示。

图3.4炉温控制系统实物图
温度控制装置内的电路接线示意图如图3.5所示。其中电源开关由于线路比较复杂，未能在图中画出。

图3.5温度控制系统接线示意图

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3.3炉温控制系统硬件工作原理

3.3.1前向通道工作过程

前向通道有两种工作方式，自动和手动，即可控硅模块的输入可以由计算机

通过数据采集卡的D/A通道自动给定，也可以在控制面板上手动调节，两种方

式只能选择一种。可控硅输入Uk为1~5伏电压，0~1伏为死区，死区内输出为

0，1~5伏电压输入对应0~220伏电压输出Ud，对应关系为近似线性关系，如图

3.6所示。

图3.6可控硅输入输出关系

可控硅输出电压Ud加在加热炉上，使炉温上升。加热炉也有两种工作方式，

二加热体加热和四加热体加热，功率分别为600瓦和1200瓦，其温度范围分别

为0~220度和0~300度，每台加热炉因保温效果和加热体实际功率不同，其温度

范围也不尽相同，本文使用第二种方式测定数学模型参数并进行设计。

3.3.2反馈通道工作过程

反馈通道首先由热电阻Pt100的检测炉温，温度变送器将热电阻的阻值变化

转换放大为两路输出信号，一路为0~300度的温度信号，通过数码显示管在温度

控制装置上显示出来，另一路为0~5伏的电压信号，通过数据采集卡PCI1711

的A/D通道送入计算机，两路信号近似线性比例约为60。计算机经过计算处理，

得到新的控制量，输出给可控硅。

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四、系统设计

4.1PID算法设计

PID控制器的参数可以在被控对象模型未知的情况下采用试凑法来整定，试

凑法的步骤为：先比例、再加积分、最后加微分。首先只整定比例部分，由小到

大调节比例系数直到系统输出反应较快，超调较小，稳态误差达到允许范围内，

即可确定比例系数；然后加入积分作用，积分系数应由小到大，并将已整定好的

比例系数略微缩小，观察系统输出响应，直到动态特性较好，而且完全消除静差，

即可确定积分系数；最后加入微分作用，微分系数仍然是由小到大，同时配合修

改比例系数和积分系数，以获得良好的调节效果，确定微分系数。如果获得被控

对象模型，则可以采用仿真试验来整定，可以节约时间。

对于传递函数可近似为一阶惯性加滞后环节的被控对象：

Wd

s

)



K



e

s

（4-1）

T f

f s



1



1T

I

s



T

D

s

)

采用典型PID 控制器：

Wc

(

s

)



Kp



( 1

，可以用Z－N（Zieglor

－Nichols）经验公式：

比例系数：Kp1. 2Tf 

积分时间常数：TI 2

微分时间常数：TD0. 5

进行初步整定，然后用试凑法进行微调整定。

PID控制器的微分方程为：

u

( t

)



Kp



e

( t

)



1

e

( t

)

dt





de

( t

)

]

（）

T

I



D

dt

4-2

在计算机控制系统中，使用数字PID，将上式离散化，写成差分方程：

u

(

k

)



Kp

 e 

(

k

)



T

k  j0

e

(

j

)



T

D

e

(

k

)



e

(

k



1 )

 

T I

T

（4-3）



Kp



e

(

k

)



Ki

k  j0

e

(

j

)



Kd

e

(

k

)



e

(

k



1 )



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上式是位置式PID算式，也可以写成增量式，其差分方程：

位置型PID控制算式因为要累加偏差，计算量大，不仅要占用较多的存储

单元，而且不便于编写程序，计算机的任何故障都可能引起u(k)的大幅度变化；

增量式算法不需要做累加，控制量增量的确定仅与最近几次误差采样值有关，计

算误差或计算精度问题对控制量的计算影响较小。这里采用增量式表示的位置式

PID，其差分方程为：

（4-5）

程序流程图如图4.1所示：

选择一般PID

调整参数Kp,Ki, Kd输入给定x(k)

否

开始运行

是

采样y(k)

u ( k

)



u ( k

1 )



y

(

k

)

变

变

变

变

变

变

1



y

(

k

)

e ( k

1 )



e ( k



2 )

x

(

k

)



y

(

k

)



e

(

k

)

Kpe ( k

)



e ( k

1 )



Ki

e ( k

)



Kde ( k

)



2



e ( k

1 )



e ( k



2 )

e ( k

)



e ( k

1 )

u ( k

)



u ( k

1 )

u

(

k

)

标度变换系数

2



u

(

k

)

输出u(k)

停止

否

是

结束

图4.1一般PID算法流程图

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4.2软件设计

本设计采用组态王软件对进行软件的设计与调试，组态王是亚控科技根据当

前的自动化技术的发展趋势，面向低端自动化市场及应用，以实现企业一体化为

目标开发的一套产品。该产品以搭建战略性工业应用服务平台为目标，集成了对

亚控科技自主研发的工业实时数据库（KingHistorian）的支持，可以为企业提供

一个对整个生产流程进行数据汇总、分析及管理的有效平台，使企业能够及时有

效地获取信息，及时地做出反应，以获得最优化的结果。它具有适应性强、开放

性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。使用组态王实现控制系统实验仿真

的基本方法主要有：(1)图形界面的设计(2)构造数据库(3)建立动画连接(4)运行和

调试。

4.2.1画面的制作

（1）制作“温度控制曲线”画面，画面内容主要包括标题、参数显示、X-Y

曲线。选中工程浏览器左侧的画面，在右侧窗口中双击“新建”，出现新画面属性

对话框，如下图4.2所示：

图4.2新画面属性对话框

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设置好属性后，点击“确定”，利用画面开发系统自带的工具箱、调色板等工具进行画面制作。做好的系统显示的画面如图4.3所示。

图4.3系统显示画面

4.2.2建立数据词典

在工程浏览器中单击数据库、数据词典（如图4-10），在右边窗体中双击“新建”，可以建立内存离散、内存整数、内存实数、内存字符串、I/O离散、I/O整数、I/O实数、I/O字符串和存储器九种类型的变量，每种变量都有各自不同的属性。变量可以事先建立，也可以在编程或建立动画过程中根据所需随时建立。本设计建立的数据库如下图4.4所示。

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图4.4数据词典画面

4.2.3建立动画连接

在建立好的画面上双击要建立动画连接的对象，会弹出“动画连接”窗口，本

设计采用的是文本对象的“输入”、“输出”和按钮对象的“命令语言连接”。对于X-Y

曲线的编程，我们在画面属性里选择“命令语言”进行编程，对实时采集的数据在

电脑屏幕上显示，编程的结果如下图4.5所示。

图4.5X-Y曲线属性设置图画

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五、调试过程与结果

5.1调解P参数

首先将积分参数I置于最大，微分参数置为0，调节P参数。比较P参数在

不同值下的响应曲线情况。

图5.1P=50时的响应曲线图

图5.2P=20时的响应曲线图

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5.2调节I参数

在调节完P参数的基础上，逐步调节I参数，使响应曲线有超调并减小稳态

误差。图5.3及图5.4为调节I参数的过程图

图5.3I=200时的响应曲线图

图5.4I=50时的响应曲线图

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5.3调节D参数

在调节完P、I参数的基础上，给出合适的P、I参数。最后调节D参数，以求加快响应的动态速度。图5.5及图5.6为调节D参数的过程图。

图5.5D=200时的响应曲线图

图5.6D=30时的响应曲线图

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5.4综合调试P、I、D三个参数

经过多次调试与改正，以及大家的互相讨论，最终得到了本次设计的最佳参

数组合，其中P=35，I=110，D=65。结果图如图5.7所示。

图5.7最佳参数响应曲线图

从图中可看出：响应曲线最终是收敛的；前两个波峰比值接近4:1，具有一

定的抗干扰性；超调量小于10%的要求，稳态误差小于1℃；上升时间比较短。

综上，系统的综合调节性能相当不错，满足设计要求。

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六、实验中所用仪器设备清单

实验控制系统主要由计算机、电烤箱、智能控制仪表、固态继电器、通讯模块、电压数显表等构成，其中智能控制仪表、固态继电器、通讯模块、电压数显表安装于控制箱上。

监控计算机通过串行通讯与温度控制器（单回路控制器）连接，实现数据采集、操作和记录的功能。温度对象由烤箱改造而成，增设风扇冷却装置，加热由烤箱原加热部件实现。由温度控制器输出一路控制信号连接至固态继电器，驱动电烤箱加热单元；另一路控制信号连接至风扇用于冷却。设计热电阻检测烤箱内温度，检测输入热电阻信号连接至温度控制器反馈端。其原理结构如图6.1所示。

图6.1温度实验系统功能结构框图
双温室实验对象将烤箱用隔板隔成两部分，控制装置同样设置配置完全相同两套，安装于统一的控制箱上。控制箱面板布置图如图6.2所示。

本实验的检测元件为热电阻pt100。热电阻最大的特点是工作在中低温区，性能稳定，测量精度高。本系统中电炉的温度被控制在0～300度之间，为了留有余地，我们要将温度的范围选在0～400度，它为中低温区，所以本系统选用的是热电阻pt100作为温度检测元件。

交流固态继电器是一种无触点通断电子开关,为四端有源器件。其中两个端 16

图6.2控制箱面板（单套控制系统）
子为输入控制端,另外两端为输出受控端,中间采用光电隔离,作为输入输出之间电气隔离(浮空)。在输入端加上直流或脉冲信号,输出端就能从关断状态转变成导通状态(无信号时呈阻断状态),从而控制较大负载。整个器件无可动部件及触点,可实现相当于常用的机械式电磁继电器一样的功能。固态继电器如图6.3所示，电压数显表如图6.4所示。

图6.3固态继电器

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图6.4电压数显表
实验装置采用RS-232/RS-485转换器来实现计算机与仪表和控制器的通讯。RS-232/RS-485转换器如图6.5所示。

图6.5通讯转换器
智能控制仪表采用CD901仪表，CD901系列仪表可配置数字通讯接口，其接口为RS485，仪表与上位机通讯为被动方式，采用上位向仪表发出读写命令，仪表才会动作，通讯采用ASCII码的形式。CD901具有PID控制、自动演算、自主校正、设定数据帧、加热/制冷控制、数字通讯、正动作、逆动作、温度报警（加热器断线报警、控制环断线报警）等功能，可进行热电偶、热电阻输入。图6.6所示为CD901面板，图6.7所示为CD901背面接线图。