水温控制调节器课程设计

水温控制调节器课程 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 勤奋 严谨 求实 创新 电气工程与自动化学院 共 28 页 勤奋 严谨 求实 创新 电气工程与自动化学院 基于Cortex-M0的水温控制调节器设计 摘要 温度是 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 工业中极为常见的热工参数，对它的控制也是过程控制的一个重点。由于加热过程、加热装置特殊结构等具体原因，使得过程对象经常具有PID控制策略对的控制效果。 PID好的化学稳定性。 Cortex-M0处理器，是市场上现有的最小、能耗最低、最节能的ARM处理器。该处理能耗非常低、门数量少、代码占用空间小，使得MCU开发人员能够以8位处理器的价位，获得32位处理器的性能。超低门数还使其能够用于模拟 共 28 页 勤奋 严谨 求实 创新 电气工程与自动化学院 信号设备和混合信号设备及MCU应用中，可望明显节约系统成本。ARM凭借其作为低能耗技术的领导者和创建超低能耗设备的主要推动者的丰富专业技术，使得Cortex-M0处理器在不到12K门的面积内能耗仅有85 微瓦/MHz(0.085毫瓦)。Cortex-M0处理器还适合拥有诸如智能传感器和调 节器的可编程混合信号市场，这些应用在传统上一直要求使用独立的模拟 设备和数字设备。 本设计采用Cortex-M0采用软件PID调节作为温度调节器。由PWM上 位机上显示当前的PWM值、ADTinyHMI达到PID调节的目的。 关键字:电阻炉、Cortex-M0、AD转换器、三极管、PWM、PID调节 共 28 页 勤奋 严谨 求实 创新 电气工程与自动化学 院 目 录 目 录 ........................................................................................................................ ................................................4 第一章 绪 论 ........................................................................................................................ ......................................5 1.1温度控制系统设计的背景、发展历史及意 义.............................................................................................5 第二章 课程设计方 案 ........................................................................................................................ ....................8 2.1 温度控制系统的目的和功 能 .....................................................................................................................8 2.2 水温控制系统设计任务和要 求 .................................................................................................................8 2.2.1 设计课题 2.2.2 设计要求 2.2.3技术指标第三章 硬件设计原理及内容 3.1系统结构图 3.2 电炉主控制电路设计 3.2.1 过零触发双硅输出光耦 3.2.2 晶体管 3.3 三极管测温 原理简介 3.4 电炉电路设计图 3.5 仿真后的PCB图纸 . 3.6 焊 接后实体图第四章 PID软件设计 . 4.1 PID模拟调节器 . 4.2 数字 PID控制器 . 4.3 基于PID 4.4 基于C调节第五章 5.1 5.2 .............................................................................................................................24 5.2.1 ............................................................................................................................................24 5.2.2 求模型T、? 值 .......................................................................................................................25 5.3 由模型求 PID....................................................................................................................................25 5.3.1 基于Matlabsimulink仿 真 ...........................................................................................................25 致 谢 ........................................................................................................................ ..................................................27 共 28 页 勤奋 严谨 求实 创新 电气工程与自动化学院 第一章 绪论 1.1温度控制系统设计的背景、发展历史及意义 随着社会的发展，科技的进步，以及测温仪器在各个领域的应用，智能化已是现代温度控制系统发展的主流方向。特别是近年来，温度控制系统已应用到人们生活的各个方面，是与人们息息相关的一个实际问题。针对这种实际情 我国的电加热锅炉在10年，由于起步晚、规模小, 1 2 决定; 3 1998领域，把大型电力负荷控制的成功经验移植到电加热锅炉的大电流控制上来，率先提出了电加热锅炉的循环投切和分段模糊控制的控制模式，较好地解决了电加热锅炉控制的理论和实际问题。国内电加热炉的加热形式主要有以下两个: 1 电阻加热式 共 28 页 勤奋 严谨 求实 创新 电气工程与自动化学院 国内绝大多数厂家采用该方式，并选用电阻式管状电热元件。电阻加热方式的电气特点是锅水不带电，但在电加热元件漏水或爆裂时会使锅水带电或称漏电。另外，受电热元件绝缘导热层的绝缘程度的影响，电热管存在一定的泄漏电流。泄漏电流的国家 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 是<0.5ma。该方式在结构上易于叠加组合，控制灵活，更换方便。 2 电磁感应加热式 96%:。这是因为后者是 电阻炉是利用电流通过电阻体产生的热量来加热或熔化物料的一类电炉。它的特点:?电路简单;?对炉料种类的限制少;(小型电阻炉可以加热食品、干燥木材等);?炉温控制精度高;?容易实现在真空或控制气氛中加热等特点。电阻炉的主要参数有额定电压、额定功率、额定温度、工作空间尺寸。电阻炉 共 28 页 勤奋 严谨 求实 创新 电气工程与自动化学院 按炉温不同可以分为低温电阻炉(600,700?以下)、中温电阻炉(700?,1200)?、高温电阻炉(1200?以上)。 随着科学技术的发展，电阻炉被广泛应用在冶金、机械、石油化工、电力等工业生产中，在很多生产过程中，温度的测量和控制与生产安全、生产效率、产品质量、能源节约等重大技术经济指标紧紧相连。因此各个领域对电阻炉温现代科技发展中的一项重要技术。PIDP、I、D三个参数。PID热升温，靠自然冷却降温，PID 本文以电阻炉为控制对象，以Cortex-M0使电 共 28 页 勤奋 严谨 求实 创新 电气工程与自动化学院 第二章 课程设计 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 2.1 温度控制系统的目的和功能 温度是一个非常重要的物理量，因为它直接影响燃烧、化学反应、发酵、烘烤、煅烧、蒸馏、浓度、挤压成形、结晶以及空气流动等物理和化学过程。温度控制失误就可能引起生产安全、产品质量、产品产量等一系列问题。因此对温度的检测的意义就越来越大。 电炉在预定的电压值下所对应的温度不变。 2.2.2 设计要求 系统设计任务: 设计并制作一个水温自动控制系统，控制对象为电炉。水温可以在一定范 共 28 页 勤奋 严谨 求实 创新 电气工程与自动化学院 围内由人工设定，并能在环境温度降低时实现自动控制，以保持设定的温度基本不变。同时满足以下要求: 1:设置的PID参数，超调不允许超过百分之十，抗扰动性能好。 2:当温度偏高或者偏低时可以通过PWM的控制使电炉停止加热。 3:从串口输出水温随时间变化的数值。 4 2.2.3技术指标 (1) 温度显示误差不超过1?。 (2) 温度显示范围为0?—99(3) 程序部分用PID (4) (5) (6) 1?，标定温度?1?。 共 28 页 勤奋 严谨 求实 创新 电气工程与自动化学院 第三章 硬件设计原理及内容 3.1系统结构图 本系统的ARM炉温控制系统结构主要由单片机控制器、可控硅输出部分、热电偶传感器、温度变送器以及被控对象组成。 3.2 电炉主控制电路设计 3.2.1 过零触发双硅输出光耦MOC3061 MOC3061系列产品可以用来驱动工作电压为220V(240V)的交流双向可 共 28 页 勤奋 严谨 求实 创新 电气工程与自动化学院 控硅。当交流负载电流较小时，如200mA以下，也可以直接用它来带负载。适用于电磁阀及电磁铁控制、电机驱动、温度控制等。 MOC3061系列采用双列直插6引脚封装形 式，其引脚排列及内部电路如右图所示。器件由 输入、输出两部分组成。1、2教为输入端，输入 级是一个砷化镓红外发光二极管(LED)，该二极 管在5~15mA正向电流作用下，发出足够的红外 光，触发输出部分。3、5脚为空脚，4、6通。主要性能参数:可靠触发电流A;超阻断电压600V;重复冲击电流峰值dV/dt=100V/μs。 2所示。 共 28 页 勤奋 严谨 求实 创新 电气工程与自动化学院 3.2.2 一、主要特性 四层三端器件，创制于1957年，由T。控硅SCR的，它不仅能代替两只反极性并联的可控硅，而且仅需 一个触发电路，是比较理想的交流开关器件。其英文名 称TRIAC即三端双向交流开关之意。在性能上，可控硅不仅具有单向导电性，而且还具有比硅整流元件(俗称“死硅”)更为可贵的可控性。它只有导通和关断 共 28 页 勤奋 严谨 求实 创新 电气工程与自动化学院 两种状态。 二、工作原理 1、可控硅是P1N1P2N2四层三端结构元件，共有三个PN结， 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 原 理时，可以把它看作由一个PNP管和一个NPN管所组成。当阳极A加上正向电压时，BG1和BG2管均处于放大状态。此时，如果从控制极G输入一个正向触发信号，BG2便有基流ib2流过，经BG2ic2=β2ib2。因为BG2的集电极直接与BG1。 2、由于BG1和BG2即使控制极G能转化，条件如下: A2、控制极有足够 1、阳极电位高于阴极电位，2、阳极电流大于维持电流，C1、阳极电位低于阴极电位，2、阳极电流小于维持电流，任一条件即可。 3.3 三极管测温原理简介 共 28 页 勤奋 严谨 求实 创新 电气工程与自动化学院 一、PN节与温度的关系 由于PN结在温度变化时结电压也随 之变化，一般在室温环境下，温度每升高1?， 其正向压降减小2~2.5mV，温度每升高10? C，反向电流大约增大1倍左右。右图给出了 硅PN 结的温度特性曲线。由曲线?可以看 出，当温度低于200?时，结电压与温度有 PN 结可承受的最高结温比锗 PN 150应选用硅管。曲线?表示 PN PN 结的温度系数，在 150-2.5 mV/?。另外PN 结 PN 结电流电压特性和温度 NPN 三极管的基极和发射极之间 PN 结的温度特性实现 t-V 转换的，得到的电压是经过放大器放大后的电压。 温度传感器 放大器 AD转换 寄存器 图 2.2.2 温度采集流程图 共 28 页 勤奋 严谨 求实 创新 电气工程与自动化学院 NPN 三极管发射极—基极的 PN 结、R3、R1、R2 、R5、R6、R7一起构成了传感器电桥,当温度变化时,结电压 UBE随之变化，继而引起运放的正向输入端、反向输入端的电压相应变化，经过运算放大器的放大实现温度—电压的转换。 ? 共 28 页 勤奋 严谨 求实 创新 电气工程与自动化学院 3.5 仿真后的PCB图纸 共 28 页 勤奋 严谨 求实 创新 电气工程与自动化学院 3.6 焊接后实体图 共 28 页 勤奋 严谨 求实 创新 电气工程与自动化学 院 共 28 页 勤奋 严谨 求实 创新 电气工程与自动化学院 第四章 PID软件设计 4.1 PID模拟调节器 一、模拟PID控制系统组成，如图4.1 比例 三、1、比例环节:即时成比例地反应控制系统的偏差信号e(t)，偏差一旦产生，调节器立即产生控制作用以减小偏差。 2、积分环节:主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数TI，TI越大，积分作用越弱，反之则越强。 共 28 页 勤奋 严谨 求实 创新 电气工程与自动化学院 3、微分环节:能反应偏差信号的变化趋势(变化速率)，并能在偏差信号的值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。 4.2 数字PID控制器 三、常用的控制方式 1、P控制 u(n)?uP(n)?u0 2、PI控制 u(n)?uP(n)?uI(n)?u0 3、PD控制 u(n)?uP(n)?uD(n)?u0 共 28 页 勤奋 严谨 求实 创新 电气工程与自动化学院 4、PID控制 u(n)?uP(n)?uI(n)?uD(n)?u0 四、PID算法的两种类型 1、位置型控制 ?Tu(n)?KP?e(n)?TI??e(i)? i?0n?TD?e(n)?e(n?1)???u0 (4-4) T? ?u ?1?u2 二、位置型PID算法的程序流程 共 28 页 勤奋 严谨 求实 创新 电气工程与自动化学院 1、位置型的递推形式 u(n)?u(n?1)??u(n)?u(n?1)?a0e(n)?a1e(n?1)?a2e(n?2) (3-8) 2、位置型PID算法的程序流程 只需在增量型PID算法的程序流程基础上增加一次加运算Δ u(n)+u(n-1)=u(n)和更新u(n-1)即可。 三、对控制量的限制 1、控制算法总是受到一定运算字长的限制 2、执行机构的实际位置不允许超过上() u?umin?umin u(n)??uma ?u(n) nx?unax?max 4.4 基于C 微分参数，Cortex-M0中软件 **** ** 函数名称 CalPID ** 函数描述: 根据偏差值调节PWM占空比 ** 输入参数: 第一次的偏差值 ** 输出参数: 无 ** 返回值 : PWM **************************************************************** 共 28 页 勤奋 严谨 求实 创新 电气工程与自动化学 院 ****/ int CalPID(int First_devt) { static int Second_devt = 0,Third_devt = 0; static int PID_Contr_PWM = 0; PID_Contr_PWM = PID_Contr_PWM + Kp*(First_devt - Second_devt)/1000 if (PID_Contr_PWM >= 100) { } if (PID_Contr_PWM <= 0) { } } 分析说明:AD采集电压与预设的电压值的差值，最后通过PWM数值，上述程序中PID参数分别为:，该参数是由电炉的数学模型准确得到的。 PID_Contr_PWM = 100; 共 28 页 勤奋 严谨 求实 创新 电气工程与自动化学院 第五章 电阻炉模型的建立 5.1 电阻炉数学模型的建立 由于电阻炉是一个大滞后、大惯性器件，所以可以确定电阻炉对象数学模ke??s型为G(s)?，接下来需要确定的就是确定模型里面的K、T、Ts?1?值。 5.2 电阻炉模型参数的确定 首先、使用开环观察在确定PWM的条件下，为不导致过大的PWM使水沸腾，所有给定的PWM周期为0.5s)为百分之八)所示。 图5.1机理建模曲线 5.2.1 模型分析 由图5.1可知，在PWM为百分之五的时候达到稳定时刻有:U1=854， t1=3365; 在PWM为百分之八的时候达到稳定时刻有:U2=5147,t2=1150。 共 28 页 勤奋 严谨 求实 创新 电气工程与自动化学院 5.2.2 求模型K、T、?值 由图5.1的曲线，得出如下的相关计算: 电压的差值:?U?U2?U1?300mv 时间的差值:?t?t2?t1?1782 秒 共 28 页 勤奋 严谨 求实 创新 电气工程与自动化学院 二、由simulink得出PID参数 给定设置为1000，延迟系数设置为8，进行PID仿真可以得出如下波形: Kp = 0.11,Ki = 0.003,Kd = 0。 共 28 页 勤奋 严谨 求实 创新 电气工程与自动化学院 致谢 通过为期三周的课程设计，让我学习了很多，也了解了很多，真的可以说是受益匪浅。此次课程设计中，我做的课题是《基于Cortex-M0的水 温控制调节器设计》。查阅了很多资料并且对以前学习的专业知识系统并有针对性的复习设计出了自己满意作品，也只有这样才能起到此次课程设计的目的。 的帮助。 共 28 页 勤奋 严谨 求实 创新 电气工程与自动化学院 参考文献 [1] 张晓华?控制系统数字仿真与CAD?哈尔滨工业大学，1999.10。 [2]胡寿松.自动控制原理.科学出版社. 2008 [3]王港元.电工电子实践指导.江西科学技术出版社.2006 [4]李国勇 杨丽娟.计算机仿真技术与CAD .2008 [5]杨涛，高伟，黄树红.基于Matlab[J].中科技大学学报.2003 [6]闫石.数字电子技术基础.[7]谭浩强.C[8]百度百科: 共 28 页