測控系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)

1、<p>　　《測控系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)》</p><p><b>　　課程設(shè)計(jì)報(bào)告</b></p><p>　　題 目： 測控系統(tǒng)課程設(shè)計(jì) </p><p>　　專 業(yè)： </p><p>　　班 級(jí)：

2、 </p><p>　　學(xué) 號(hào)： </p><p>　　姓 名： </p><p>　　指導(dǎo)教師： </p><p>　　2012年 1 月 12 日</p>

3、<p><b>　　設(shè)計(jì)目的：</b></p><p>　　測控系統(tǒng)課程講述的原理、技術(shù)僅靠教學(xué)是無法完全掌握和理解的，故必須通過具體的實(shí)際動(dòng)手設(shè)計(jì)才能獲得比較直觀和深刻的理解。物體的許多物理現(xiàn)象和化學(xué)性質(zhì)都與溫度有關(guān)，溫度是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究以及日常生活中需要普遍進(jìn)行測量和控制的一個(gè)非常重要的物理量。</p><p><b>　　設(shè)計(jì)內(nèi)

4、容：</b></p><p>　　測控系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)是集光、機(jī)、電、算一體化的課程設(shè)計(jì)。本次課程設(shè)計(jì)該系統(tǒng)通過溫度傳感器傳輸信號(hào)，該設(shè)定溫度信號(hào)要求在25~55℃之間。系統(tǒng)要求用戶輸入一個(gè)恒定溫度值。當(dāng)實(shí)際溫度接近恒定溫度時(shí)，控制器進(jìn)行P調(diào)節(jié)、PI調(diào)節(jié)、PID調(diào)節(jié)或模糊調(diào)節(jié)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)、遺傳算法調(diào)節(jié)、蟻群算法調(diào)節(jié)等，調(diào)節(jié)器控制固態(tài)繼電器的占空比，繼電器再控制電加熱器的電流。當(dāng)溫差越大，則固態(tài)繼電器占空

5、比越高；頻率越慢，則溫度越低。</p><p>　　系統(tǒng)要求至少具備以下模塊：</p><p>　　1、溫度測量模塊（如：熱電阻，PT100、PT50，熱電偶K）；</p><p>　　2、PID調(diào)節(jié)模塊(如：PLC模塊，單片機(jī)測控模塊，模擬PID模塊，儀表調(diào)節(jié)模塊)；</p><p><b>　　3、電加熱器模塊；</b&g

6、t;</p><p>　　4、水箱模塊（如：上水箱，下水箱等）；</p><p>　　5、顯示控制組態(tài)模塊；</p><p><b>　　設(shè)計(jì)要求：</b></p><p>　　熟悉單回路反饋控制系統(tǒng)的組成和工作原理；研究系統(tǒng)分別用P、PI調(diào)節(jié)器時(shí)的階躍響應(yīng)、抗擾動(dòng)作用，參數(shù)變換對系統(tǒng)性能的影響。</p>

7、<p>　　了解單片機(jī)編程控制器的模擬量輸入/輸出控制功能。通過對復(fù)合加熱水箱溫度PID調(diào)節(jié)組態(tài)的使用，了解單片機(jī)編程及力控軟件的組態(tài)方法。</p><p>　　熟悉用力控軟件建立監(jiān)控系統(tǒng)的整個(gè)過程；掌握力控軟件提供的一些基本功能，如基本畫面圖素的繪制、圖庫元素的調(diào)用、動(dòng)畫連接的使用、程序命令語言的使用與輸入；學(xué)會(huì)用力控軟件編制數(shù)字P、PI、PID算法，能夠調(diào)節(jié)積分時(shí)間常數(shù)、微分時(shí)間常數(shù)、比例系數(shù)，以得

8、到滿意的控制效果。</p><p><b>　　設(shè)計(jì)主要儀器設(shè)備：</b></p><p>　　計(jì)算機(jī)、組態(tài)軟件、單片機(jī)、溫度傳感器檢測變送模塊、交流變頻控制器、電機(jī)、水泵、上下水箱、PID調(diào)節(jié)器、AUTOCAD軟件等。</p><p>　　課程設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)及系統(tǒng)控制要求</p><p><b>　　1.計(jì)算機(jī)

9、部分。</b></p><p>　　計(jì)算機(jī)所設(shè)計(jì)的部分主要是通過使用組態(tài)軟件來畫出溫度測控系統(tǒng)的概略圖，如圖1</p><p>　　圖1、組態(tài)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖</p><p><b>　　2、傳感器部分。</b></p><p><b>　　<1> 溫度傳感器</b></p&

10、gt;<p>　　溫度測量通常采用熱電阻元件（感溫元件） 。它是利用金屬導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化而變化的特性來進(jìn)行溫度測量的。其電阻值與溫度間的關(guān)系式為</p><p>　　Rt＝Rt0[1+α(t-t0)]</p><p>　　式中 Rt——溫度為 t(如室溫 20℃)時(shí)的電阻值；</p><p>　　Rt0——溫度為 t0(通常為 0℃)時(shí)的電阻值

11、；</p><p>　　α——電阻的溫度系數(shù)。</p><p>　　可見， 由于溫度的變化， 導(dǎo)致了金屬導(dǎo)體電阻的變化。這樣只要設(shè)法測出電阻值的變化，就可達(dá)到溫度測量的目的。</p><p>　　雖然大多數(shù)金屬導(dǎo)體的電阻值隨溫度的變化而變化，但是它們并不都能作為測溫用的熱電阻。作為熱電阻的材料一般要求是：電阻溫度系數(shù)小、電阻率要大、熱容量要??；在整個(gè)測溫范圍內(nèi)，應(yīng)具

12、有穩(wěn)定的物理、化學(xué)性質(zhì)和良好的重復(fù)性；并要求電阻值隨溫度的變化呈線性關(guān)系。</p><p>　　但是，要完全符合上述要求的熱電阻材料實(shí)際上是有困難的。根據(jù)具體情況，目前應(yīng)用最廣泛的熱電阻材料是鉑和銅。本裝置使用的是鉑電阻元件 PT100，并通過溫度變送器（測量電橋或分壓采樣電路或者 AI 人工智能工業(yè)調(diào)節(jié)器）將電阻值的變化轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。</p><p>　　鉑電阻元件是采用特殊的工藝和材

13、料制造，它具有很高的穩(wěn)定性和耐震動(dòng)等特點(diǎn)，還具有較強(qiáng)的抗污染能力。</p><p>　　在 0~650℃的溫度范圍內(nèi)，鉑電阻與溫度的關(guān)系為</p><p>　　Rt＝Rt0(1+At+Bt +Ct )</p><p>　　式中 Rt——溫度為 t(如室溫 20℃)時(shí)的電阻值；</p><p>　　Rt0——溫度為 t0(通常為 0℃)時(shí)的電阻

14、值；</p><p>　　A、B、C 是常數(shù)，一般 A=3.90802*10 1/℃，B=-5.802*10 1/℃，C=-4.2735*10 1/℃。</p><p>　　Rt-t 的關(guān)系稱為分度表，用分度號(hào)來表示。</p><p><b>　　3、單片機(jī)部分。</b></p><p>　　單片機(jī)控制部分包括芯片選擇、

15、A/D轉(zhuǎn)換電路、PID算法、LED顯示、D/A轉(zhuǎn)換電路等部分。主要是實(shí)現(xiàn)從傳感器中得到反饋的模擬信號(hào)經(jīng)由A/D轉(zhuǎn)換電路將溫度的連續(xù)變化轉(zhuǎn)化成離散的數(shù)字變化，這樣便于用單片機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，單片機(jī)對采集到的數(shù)據(jù)采用位置式PID算法得到控制參數(shù)，接著對所得到的控制參數(shù)進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)送到執(zhí)行部件以對復(fù)合水箱中的溫度進(jìn)行控制并反映到計(jì)算機(jī)中供操作人員參考。</p><p>　　用單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的主要流程如下

16、：</p><p>　　4、加熱控制器部分。</p><p>　?、?、繼電器和電熱絲的選取：</p><p>　　本設(shè)計(jì)所要求的加熱控制器即執(zhí)行機(jī)構(gòu)，由固態(tài)繼電器和電熱絲兩部分構(gòu)成（如圖2所示）</p><p>　　圖2位式控制系統(tǒng)的方框圖</p><p>　　圖3為位式溫度控制系統(tǒng)，這種控制系統(tǒng)是控制規(guī)律中最簡單的一

17、種。本設(shè)計(jì)的控制對象為電熱絲，被控制量是水箱內(nèi)套的水溫T，溫度傳感器將被測溫度轉(zhuǎn)變?yōu)榉答侂妷篤i，并與二位調(diào)節(jié)器的上限輸入Vmax和下限輸入Vmin相比較，從而決定二位調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)。調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)Vo作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制信號(hào)。</p><p>　　圖3位式控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　該系統(tǒng)的工作原理是： 當(dāng)被控制的水溫T 減小到小于設(shè)定下限值時(shí)，即 Vi≤Vmin時(shí)，調(diào)節(jié)器的

18、輸出為Vo（5V），執(zhí)行元件（固態(tài)繼電器）接通，使電熱絲接通 220V電源加熱（如圖2 所示）。隨著水溫 T 的升高，Vi 也不斷增大，增大到大于設(shè)定上限值時(shí)，即Vi≥Vmax時(shí)，則兩位調(diào)節(jié)器的輸出 Vo由 5V 降到 0V，此時(shí)固態(tài)繼電器釋放，切斷電熱絲的供電。</p><p>　　由溫控系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作原理可知：設(shè)計(jì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要就是設(shè)計(jì)固態(tài)繼電器SSR。SSR是一種無觸點(diǎn)功率半導(dǎo)體器件，其特點(diǎn)是：</

19、p><p>　　(1)輸入控制電壓低(3～14V)，直流或脈沖電壓均能作輸入控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電流小，輸入控制電壓與TTI、HTI、CMOS、PMOS電平兼容。</p><p>　　(2)輸出、輸入間一般采用光電隔離，隔離絕緣大于2kV，符合國際電氣安全標(biāo)準(zhǔn)。</p><p>　　(3)輸出無觸點(diǎn)、無噪聲、無火化，開關(guān)速度快。</p><p>　　(

20、4)有交流、直流輸出方式，輸出電壓有多種規(guī)格選擇。</p><p>　　(5)采用環(huán)氧樹脂全灌封裝，防塵、耐濕、耐振、壽命長。</p><p>　　根據(jù)負(fù)載電流的不同，SSR分交流(ACSSR)和直流(DCSSR)2種，又根據(jù)觸發(fā)控制形式的不同，ACSSR又分隨機(jī)導(dǎo)通(P型)和過零觸發(fā)(Z型)2種，由于ACSSR(Z型)對外的干擾非常小，應(yīng)用更廣．</p><p>

21、　　ACSSR(z型)電路如圖4所示．其內(nèi)部結(jié)構(gòu)由信號(hào)輸入電路、零電壓檢測和控制電路、雙向可控硅輸出及RC吸收電路構(gòu)成．</p><p>　　當(dāng)無信號(hào)輸入時(shí)，T1管導(dǎo)通，SCR處于關(guān)斷狀態(tài)，SSR是斷開狀．當(dāng)有信號(hào)輸入時(shí)，T1管截止，R5、Re、T２組成過零電壓檢測，只要R４和R６的分壓超過T２的基、射極壓降，T２管飽和導(dǎo)通，它使SCR的控制極箝位在低電壓上，而不能導(dǎo)通，只有當(dāng)輸入信號(hào)加入的同時(shí)，負(fù)載電壓又處在零

22、電壓附近(+10V～+20V范圍)，來不及使T２進(jìn)入飽和導(dǎo)通，此時(shí)SCR才能通過R３注入控制電流而導(dǎo)通，雙向可控硅TRAC通過R７一整流橋一SCR一整流橋，得到了觸發(fā)電流，故TRAC導(dǎo)通，將負(fù)載與電源接通．</p><p>　　當(dāng)輸入信號(hào)撤銷后，T１進(jìn)入飽和狀態(tài)，它旁路了SCR的控制電流，因此，在SCR電流過零的瞬間，SCR將截止，一旦SCR截止后，TRAC也在其電流減小到小于堅(jiān)持電流的瞬間自動(dòng)關(guān)斷，切斷負(fù)載與電

23、源間的電流通道．</p><p>　　電路是有過零時(shí)開啟(并非電壓為0V處導(dǎo)通，而是有一定電壓)，電流過零時(shí)關(guān)斷的特性，其工作波形圖如圖5所示．</p><p>　　圖4過零觸發(fā)型交流固態(tài)繼電器結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　圖5繼電器工作波形圖</p><p>　　電熱絲采用鐵鉻鋁合金，鐵鉻鋁合金系列主要優(yōu)缺點(diǎn)：</p><

24、p>　　優(yōu)點(diǎn)：鐵鉻鋁電熱合金其使用溫度高，最高使用溫度可達(dá)1400度，（0Cr21A16Nb、0Cr27A17Mo2等)，使用壽命長、表面負(fù)荷高、抗氧化性能好、電阻率高，價(jià)格便宜等。</p><p>　　缺點(diǎn)：主要是高溫強(qiáng)度低，隨著使用溫度升高其塑性增大，元件易變形，不易彎曲和修復(fù)。</p><p><b>　　5、水箱設(shè)計(jì)部分</b></p>&

25、lt;p>　　水箱（如圖6所示）的主要作用是保證溫度控制在實(shí)際所需要的溫度范圍內(nèi)，根據(jù)溫度傳感器檢測到的具體溫度來判斷現(xiàn)階段下溫度處于那種情況下，是高于PLC給定的最高溫度還是低于PLC給定的最低溫度，或者是剛好處于PLC給定的溫度范圍之內(nèi)。若溫度低于實(shí)際所需的溫度時(shí)，利用水箱頂部的加熱器對水箱內(nèi)部的水進(jìn)行加熱來達(dá)到實(shí)際所需的溫度；若溫度高于實(shí)際所需溫度較大時(shí)，利用水箱頂部的進(jìn)水口向水箱內(nèi)部注入冷水對水箱實(shí)現(xiàn)降溫處理，同時(shí)可以開大

26、進(jìn)水閥進(jìn)行快速的降溫，在向水箱內(nèi)注入冷水的同時(shí)向外排放水箱內(nèi)的高溫水，達(dá)到動(dòng)態(tài)循環(huán)的狀態(tài)，這樣可以更快速更充分的實(shí)現(xiàn)降溫的效果，保證溫度快速的恢復(fù)到PLC給定的溫度范圍之內(nèi)；若溫度高于實(shí)際溫度較小時(shí)，則只需將進(jìn)水閥開小點(diǎn)即可，最終保證溫度控制在實(shí)際要求的范圍內(nèi)。通過水箱對溫度的調(diào)節(jié)來達(dá)到整個(gè)控制系統(tǒng)的安全穩(wěn)定的運(yùn)行。</p><p><b>　　圖6水箱設(shè)計(jì)圖</b></p>

27、<p>　　一般情況下，用比例（P）調(diào)教器的系統(tǒng)是一個(gè)有差系統(tǒng)，比例度的大小不僅會(huì)影響到余差的大小，且與系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能密切相關(guān)。用比例積分（PI）調(diào)節(jié)器，由于積分的作用，不僅能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)無余差，而且只要參數(shù)選擇合理，也能使系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)性能。</p><p>　　電機(jī)循環(huán)水泵通電開通時(shí)，分別用數(shù)字P 、PI、PID控制算法調(diào)節(jié)電子調(diào)節(jié)閥的開度，已使測量液位按給定值變化，系統(tǒng)最終能穩(wěn)定在給定值。<

28、/p><p>　　圖7 溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)流程圖</p><p><b>　　設(shè)計(jì)心得體會(huì)：</b></p><p>　　本次設(shè)計(jì)是一次綜合性的設(shè)計(jì)，要求我們不僅要了解測控智能儀器該課程，還要具備電氣技術(shù)，傳感器等的應(yīng)用，更有理論聯(lián)系實(shí)際的基本知識(shí)。這樣才能更好的設(shè)計(jì)出符合客觀實(shí)際條件的設(shè)計(jì)。該次設(shè)計(jì)我選用的是單片機(jī)來控制實(shí)現(xiàn)溫控的。通過設(shè)計(jì)，使我

29、對電加熱器硬件設(shè)計(jì)有了進(jìn)一步了解。在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中，我認(rèn)真地思考、觀察，通過繼電器設(shè)計(jì)控制電熱絲開關(guān)的通斷，以達(dá)到靈敏加熱的效果。在設(shè)計(jì)過程，難免會(huì)遇到一些硬件方面的問題，通過劉老師的細(xì)心指導(dǎo)，并最終得到較為理想的結(jié)果。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)：</b></p><p>　　[1]馮柏群，祁和義．檢測與傳感器技術(shù)[M] ．北京：人民郵電出版社，2008年

30、</p><p>　　[2]浦昭邦，王寶光．測控儀器設(shè)計(jì)[M] ．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010年</p><p>　　[3]楊老記． AutoCAD2011三維建模入門與實(shí)例解析[M] ．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011年</p><p>　　[4]王月姣．固態(tài)繼電器在單片機(jī)測控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J] ．中南民族大學(xué)學(xué)報(bào)，2010年</p><p&g