測控系統(tǒng)課程設計

1、<p>　　《測控系統(tǒng)課程設計》</p><p><b>　　課程設計報告</b></p><p>　　題 目： 測控系統(tǒng)課程設計 </p><p>　　專 業(yè)： </p><p>　　班 級：

2、 </p><p>　　學 號： </p><p>　　姓 名： </p><p>　　指導教師： </p><p>　　2012年 1 月 12 日</p>

3、<p><b>　　設計目的：</b></p><p>　　測控系統(tǒng)課程講述的原理、技術僅靠教學是無法完全掌握和理解的，故必須通過具體的實際動手設計才能獲得比較直觀和深刻的理解。物體的許多物理現(xiàn)象和化學性質(zhì)都與溫度有關，溫度是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學實驗研究以及日常生活中需要普遍進行測量和控制的一個非常重要的物理量。</p><p><b>　　設計內(nèi)

4、容：</b></p><p>　　測控系統(tǒng)課程設計是集光、機、電、算一體化的課程設計。本次課程設計該系統(tǒng)通過溫度傳感器傳輸信號，該設定溫度信號要求在25~55℃之間。系統(tǒng)要求用戶輸入一個恒定溫度值。當實際溫度接近恒定溫度時，控制器進行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>　　設計要求：</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)器時的階躍響應、抗擾動作用，參數(shù)變換對系統(tǒng)性能的影響。</p>

7、<p>　　了解單片機編程控制器的模擬量輸入/輸出控制功能。通過對復合加熱水箱溫度PID調(diào)節(jié)組態(tài)的使用，了解單片機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、動畫連接的使用、程序命令語言的使用與輸入；學會用力控軟件編制數(shù)字P、PI、PID算法，能夠調(diào)節(jié)積分時間常數(shù)、微分時間常數(shù)、比例系數(shù)，以得

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

9、部分。</b></p><p>　　計算機所設計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)設計結(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） 。它是利用金屬導體的電阻值隨溫度變化而變化的特性來進行溫度測量的。其電阻值與溫度間的關系式為</p><p>　　Rt＝Rt0[1+α(t-t0)]</p><p>　　式中 Rt——溫度為 t(如室溫 20℃)時的電阻值；</p><p>　　Rt0——溫度為 t0(通常為 0℃)時的電阻值

11、；</p><p>　　α——電阻的溫度系數(shù)。</p><p>　　可見， 由于溫度的變化， 導致了金屬導體電阻的變化。這樣只要設法測出電阻值的變化，就可達到溫度測量的目的。</p><p>　　雖然大多數(shù)金屬導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??；在整個測溫范圍內(nèi)，應具

12、有穩(wěn)定的物理、化學性質(zhì)和良好的重復性；并要求電阻值隨溫度的變化呈線性關系。</p><p>　　但是，要完全符合上述要求的熱電阻材料實際上是有困難的。根據(jù)具體情況，目前應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。</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)定性和耐震動等特點，還具有較強的抗污染能力。</p><p>　　在 0~650℃的溫度范圍內(nèi)，鉑電阻與溫度的關系為</p><p>　　Rt＝Rt0(1+At+Bt +Ct )</p><p>　　式中 Rt——溫度為 t(如室溫 20℃)時的電阻值；</p><p>　　Rt0——溫度為 t0(通常為 0℃)時的電阻

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 的關系稱為分度表，用分度號來表示。</p><p><b>　　3、單片機部分。</b></p><p>　　單片機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。主要是實現(xiàn)從傳感器中得到反饋的模擬信號經(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，這樣便于用單片機對數(shù)據(jù)進行處理，單片機對采集到的數(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)進行D/A轉(zhuǎn)換成模擬信號送到執(zhí)行部件以對復合水箱中的溫度進行控制并反映到計算機中供操作人員參考。</p><p>　　用單片機進行數(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>　　①、繼電器和電熱絲的選?。?lt;/p><p>　　本設計所要求的加熱控制器即執(zhí)行機構(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。本設計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。調(diào)節(jié)器的輸出信號Vo作為執(zhí)行機構(gòu)的控制信號。</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： 當被控制的水溫T 減小到小于設定下限值時，即 Vi≤Vmin時，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，增大到大于設定上限值時，即Vi≥Vmax時，則兩位調(diào)節(jié)器的輸出 Vo由 5V 降到 0V，此時固態(tài)繼電器釋放，切斷電熱絲的供電。</p><p>　　由溫控系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)的工作原理可知：設計執(zhí)行機構(gòu)主要就是設計固態(tài)繼電器SSR。SSR是一種無觸點功率半導體器件，其特點是：</

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，驅(qū)動電流小，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準。</p><p>　　(3)輸出無觸點、無噪聲、無火化，開關速度快。</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又分隨機導通(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>　　當無信號輸入時，T1管導通，SCR處于關斷狀態(tài)，SSR是斷開狀．當有信號輸入時，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管飽和導通，它使SCR的控制極箝位在低電壓上，而不能導通，只有當輸入信號加入的同時，負載電壓又處在零

22、電壓附近(+10V～+20V范圍)，來不及使T２進入飽和導通，此時SCR才能通過R３注入控制電流而導通，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導通，將負載與電源接通．</p><p>　　當輸入信號撤銷后，T１進入飽和狀態(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持電流的瞬間自動關斷，切斷負載與電

23、源間的電流通道．</p><p>　　電路是有過零時開啟(并非電壓為0V處導通，而是有一定電壓)，電流過零時關斷的特性，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：</p><

24、p>　　優(yōu)點：鐵鉻鋁電熱合金其使用溫度高，最高使用溫度可達1400度，（0Cr21A16Nb、0Cr27A17Mo2等)，使用壽命長、表面負荷高、抗氧化性能好、電阻率高，價格便宜等。</p><p>　　缺點：主要是高溫強度低，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。</p><p><b>　　5、水箱設計部分</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)。若溫度低于實際所需的溫度時，利用水箱頂部的加熱器對水箱內(nèi)部的水進行加熱來達到實際所需的溫度；若溫度高于實際所需溫度較大時，利用水箱頂部的進水口向水箱內(nèi)部注入冷水對水箱實現(xiàn)降溫處理，同時可以開大

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

27、<p>　　一般情況下，用比例（P）調(diào)教器的系統(tǒng)是一個有差系統(tǒng)，比例度的大小不僅會影響到余差的大小，且與系統(tǒng)的動態(tài)性能密切相關。用比例積分（PI）調(diào)節(jié)器，由于積分的作用，不僅能實現(xiàn)系統(tǒng)無余差，而且只要參數(shù)選擇合理，也能使系統(tǒng)具有良好的動態(tài)性能。</p><p>　　電機循環(huán)水泵通電開通時，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>　　設計心得體會：</b></p><p>　　本次設計是一次綜合性的設計，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，傳感器等的應用，更有理論聯(lián)系實際的基本知識。這樣才能更好的設計出符合客觀實際條件的設計。該次設計我選用的是單片機來控制實現(xiàn)溫控的。通過設計，使我

29、對電加熱器硬件設計有了進一步了解。在整個設計過程中，我認真地思考、觀察，通過繼電器設計控制電熱絲開關的通斷，以達到靈敏加熱的效果。在設計過程，難免會遇到一些硬件方面的問題，通過劉老師的細心指導，并最終得到較為理想的結(jié)果。</p><p><b>　　參考文獻：</b></p><p>　　[1]馮柏群，祁和義．檢測與傳感器技術[M] ．北京：人民郵電出版社，2008年

30、</p><p>　　[2]浦昭邦，王寶光．測控儀器設計[M] ．北京：機械工業(yè)出版社，2010年</p><p>　　[3]楊老記． AutoCAD2011三維建模入門與實例解析[M] ．北京：機械工業(yè)出版社，2011年</p><p>　　[4]王月姣．固態(tài)繼電器在單片機測控系統(tǒng)中的應用[J] ．中南民族大學學報，2010年</p><p&g