自動控制系統(tǒng)課程設(shè)計基于組態(tài)王的爐溫控制系統(tǒng)設(shè)計大學(xué)論文

目錄6096摘要 I6421目錄 123548第一章引言 35931.1設(shè)計目的 3144971.2設(shè)計背景及意義 3303241.3設(shè)計任務(wù)及要求 417573第二章單回路控制系統(tǒng) 513472.1單回路控制系統(tǒng)簡介 5151772.2單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計 5102722.2.1被控變量的選擇 6118652.2.2操縱變量（控制參數(shù)）的選擇 6152792.2.3測量變送問題和執(zhí)行器的選擇 711871第三章硬件電路設(shè)計及原理 8220523.1系統(tǒng)設(shè)計 8121633.1.1方案論述 82073.1.2系統(tǒng)原理圖及工作原理 9180183.2智能控制儀表設(shè)計 1051743.2.1規(guī)格型號說明 10118403.2.2技術(shù)數(shù)據(jù)說明 11307213.2.3工作原理 11112183.3溫度測量電路設(shè)計 1248823.3.1測溫原理 12295483.3.2特點 13300783.3.3接線方法 1355283.3.4非線性補償方法 14213243.4通訊部分硬件設(shè)計 15198013.5交流固態(tài)繼電器硬件設(shè)計 16240963.5.1交流固態(tài)繼電器的原理 1796513.5.2交流固態(tài)繼電器的分類 18156713.5.3交流固態(tài)繼電器的特點 18225623.5.4交流固態(tài)繼電器的應(yīng)用場合 1977853.5.5交流固態(tài)繼電器的使用注意事項 195165第四章軟件設(shè)計 21286784.1軟件設(shè)計目標 2182524.2人機界面設(shè)計 2148074.2.1“組態(tài)王”軟件簡介 2116144.2.2人機界面基本設(shè)計步驟 2231214.3PID控制算法 26213264.3.1PID算法簡介 26176864.3.2PID各參數(shù)對控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響 2726129第五章參數(shù)整定 28320275.1常用的參數(shù)整定方法 28295075.1.1臨界比例度法 2890635.1.2經(jīng)驗湊試法 29199245.2實際參數(shù)調(diào)試 291521第六章結(jié)論 3216285心得體會 335120參考文獻 34

第一章引言1.1設(shè)計目的通過過程控制系統(tǒng)課程設(shè)計這一教學(xué)實踐環(huán)節(jié)，使學(xué)生能在學(xué)完自動檢測技術(shù)及儀表、過程控制儀表、過程控制系統(tǒng)等課程以后，能夠靈活運用相關(guān)基本知識和基本理論模擬設(shè)計一個過程控制系統(tǒng)，以期培養(yǎng)學(xué)生解決實際問題的能力。通過課程設(shè)計，掌握過程控制系統(tǒng)的組成和工作原理、基本概念和分析方法、并具備構(gòu)造、調(diào)試和工程設(shè)計自動控制系統(tǒng)的能力；了解閉環(huán)系統(tǒng)的靜、動態(tài)特性分析方法及工作原理；掌握基于一階時延、二階典型系統(tǒng)的工程設(shè)計方法，掌握工作原理與工程設(shè)計方法，并熟悉掌握PID參數(shù)的整定方法和利用上位機監(jiān)控電烤箱的爐溫控制系統(tǒng)；培養(yǎng)團隊精神，科學(xué)的、實事求是的工作方法，提高查閱資料、語言表達能力和理論聯(lián)系實際的技能。1.2設(shè)計背景及意義鍋爐在石油、化工、熱力、電力等工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛，鍋爐溫度的控制效果在發(fā)電、供熱、煉油、煉鐵、煉鋼等工業(yè)及民用部門中是非常重要的技術(shù)指標，鍋爐控制系統(tǒng)的工作質(zhì)量直接影響著鍋爐的正常生產(chǎn)，它決定了電廠等工業(yè)基地能否安全、經(jīng)濟、高效的進行生產(chǎn)。隨著我國工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，企業(yè)對過程自動化控制水平的要求也不斷提高。電熱鍋爐的應(yīng)用領(lǐng)域相當(dāng)廣泛，電熱鍋爐的性能優(yōu)劣決定了產(chǎn)品的質(zhì)量好壞。目前電熱鍋爐的控制系統(tǒng)大都采用以微處理器為核心的計算機控制技術(shù)，既提高設(shè)備的自動化程度又提高設(shè)備的控制精度。鍋爐溫度控制的被控對象是一個具有大延遲性、大慣性的非線性系統(tǒng)。但目前很多鍋爐仍靠人工加常規(guī)儀表，利用傳統(tǒng)PID控制方法對鍋爐溫度控制系統(tǒng)進行操作和實時監(jiān)控。鍋爐溫度被控對象滯后時間比較長，滯后時間越長控制就越難，且影響滯后時間的因素很多，這樣就造成了工人勞動強度增大，生產(chǎn)效果欠佳，也很難保證生產(chǎn)安全。因此，鍋爐溫度控制系統(tǒng)一直是工業(yè)技術(shù)人員研究的重點及熱點。近年來大部分自動化類專業(yè)學(xué)生在工廠、企業(yè)等的過程生產(chǎn)領(lǐng)域從事過程控制和自動化儀表操作等方面的工作。因此，讓學(xué)生進一步了解計算機控制技術(shù)和智能控制理論及其具體應(yīng)用是至關(guān)重要的，這是自動化專業(yè)學(xué)生必須掌握的專業(yè)知識。1.3設(shè)計任務(wù)及要求在基本掌握過程控制常規(guī)控制方案的工作原理及參數(shù)整定步驟的基礎(chǔ)上，針對一個電烤箱設(shè)計爐溫控制系統(tǒng)。具體要求：(1)電烤箱控制系統(tǒng)的工作方案設(shè)計、設(shè)備選型及其連線；(2)爐溫控制系統(tǒng)的對象-傳遞函數(shù)確定；(3)單回路PID爐溫控制的實現(xiàn)；(4)利用組態(tài)王軟件編制上位機監(jiān)控軟件；(5)撰寫規(guī)范化的說明書一份。東北大學(xué)課程設(shè)計第二章軟件設(shè)計第二章單回路控制系統(tǒng)2.1單回路控制系統(tǒng)簡介單回路控制系統(tǒng)又被稱為簡單控制系統(tǒng)。在所有反饋控制系統(tǒng)中，單回路反饋控制系統(tǒng)是最基本、結(jié)構(gòu)最簡單的一種。它由一個測量變送裝置、一個控制器、一個控制閥和相應(yīng)的被控對象所組成?？刂破魇歉鶕?jù)被控變量與給定值的偏差來進行控制的。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，所需自動化技術(shù)工具少，投資比較低，操作維護也比較方便，一般情況下都能滿足控制質(zhì)量的要求,因此在生產(chǎn)過程中70%以上的控制系統(tǒng)是單回路控制系統(tǒng)。單回路系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2.1所示。圖2.1單回路控制系統(tǒng)方框圖2.2單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計在設(shè)計單回路控制系統(tǒng)時，應(yīng)該充分了解具體的生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)過程和控制要求，正確選擇被控變量和操作變量，正確選擇控制閥的特性，正確選擇控制器的類型及其正反作用，正確選擇測量變送裝置，深入研究上述過程的特性對系統(tǒng)控制質(zhì)量的影響情況的重要性。主要包括以下步驟：（1）建立被控過程的數(shù)學(xué)模型（2）選擇控制方案（3）選擇控制設(shè)備及其確定型號（4）工程安裝（5）儀表調(diào)試（6）參數(shù)整定方案設(shè)計是整個控制工程設(shè)計中最重要的一步，應(yīng)注意：（1）合理選擇被控量（被控參數(shù)）和操縱量（控制參數(shù)）（2）對象信息的獲取和變送（3）執(zhí)行器的選擇（4）控制器的選擇工程設(shè)計包括儀表（微機）選型、控制室和儀表盤設(shè)計、供水供電供氣設(shè)計、信號系統(tǒng)設(shè)計、安全防爆設(shè)計等。2.2.1被控變量的選擇被控變量的選擇直接關(guān)系到：生產(chǎn)的穩(wěn)定操作；產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量的提高；生產(chǎn)安全與勞動條件的改善。因此，被控變量的選擇是控制系統(tǒng)設(shè)計的核心問題。常常將工業(yè)生產(chǎn)中所要控制的指標分為兩大類：直接控制指標和間接控制指標。直接控制指標指被控制的指標本身就是需要控制的工藝指標。間接控制指標指以產(chǎn)品質(zhì)量為控制指標，但質(zhì)量信號無法檢測，或檢測到的信號微弱或滯后很大，這時就要選取與其有單值關(guān)系而反應(yīng)又快的另一變量。對于以溫度、壓力、流量、液位為操作指標的生產(chǎn)過程，就選擇溫度、壓力、流量、液位為被控變量。對于選擇質(zhì)量指標作為被控變量，若存在儀表無法測量產(chǎn)品成分或物性參數(shù)（密度、粘度等）時，可選擇一種間接的指標、作為被控變量。該間接指標必須與直接指標存在單值的對應(yīng)關(guān)系，并具有一定的變化靈敏度。被控變量的選擇的原則：（1）在情況的許可時，應(yīng)選擇質(zhì)量指標參數(shù)作為被控變量。（2）當(dāng)不能選擇質(zhì)量指標作為被控變量時，可選擇一個與產(chǎn)品質(zhì)量指標有單值對應(yīng)關(guān)系的間接指標參數(shù)作為被控變量。（3）所選的間接指標參數(shù)必須有足夠大的變化靈敏度，以便反映產(chǎn)品質(zhì)量的變化。（4）在被控變量選擇時還需考慮到工藝的合理性和國內(nèi)、外儀表生產(chǎn)的現(xiàn)狀2.2.2操縱變量（控制參數(shù)）的選擇擾動作用是指由擾動通道對過程的被控參數(shù)產(chǎn)生影響，力圖使被控參數(shù)偏離給定值。而控制作用是指由控制通道對過程的被控參數(shù)起主導(dǎo)影響，抵消擾動影響，使被控參數(shù)盡力維持在給定值。兩者是一對互相矛盾的變量。操縱變量是用來克服干擾對被控變量的影響，實現(xiàn)控制作用的變量。應(yīng)把對被控變量影響顯著的可控因素作為操縱變量。選擇操縱變量時，應(yīng)盡量考慮：（1）與被控變量的因果關(guān)系；（2）有利于實現(xiàn)自動化控制；（3）具有快速的動態(tài)響應(yīng)性能；（4）對較大的擾動具有補償作用；（5）能夠?qū)^程性能的不利影響進行快速的調(diào)節(jié)。2.2.3測量變送問題和執(zhí)行器的選擇測量、變送裝置是控制系統(tǒng)中獲取信息的裝置，也是系統(tǒng)進行控制的依據(jù)。所以，要求它能正確地、及時地反映被控變量的狀況。假如測量不準確，使操作人員把不正常工況誤認為是正常的，或把正常工況認為不正常，形成混亂，甚至?xí)幚礤e誤造成事故。測量不準確或不及時，會產(chǎn)生失調(diào)或誤調(diào)，影響之大不容忽視。測量變送環(huán)節(jié)對被控參數(shù)作正確測量，并將它轉(zhuǎn)換成標準統(tǒng)一信號（0.02-0.1MPa或DC0-10mA，或DC4-20mA）輸出到調(diào)節(jié)器或指示記錄儀?？刂葡到y(tǒng)中的測量元件時間常數(shù)不能太大，最好選用惰性小的快速測量元件，除此之外，測量元件還要正確的安裝并且及時的維護，確保其測量精度、較小的時間常數(shù)、盡量小的純滯后和信號的傳遞滯后。執(zhí)行器是接收控制器的輸出信號，代替手動操作的裝置，是構(gòu)成自動控制系統(tǒng)不可缺少的重要部分。執(zhí)行器在系統(tǒng)中作用是接受控制器的輸出信號，直接控制被控介質(zhì)的輸出量，達到控制溫度的目的，從而將被控變量維持在工藝指標要求的數(shù)值上。東北大學(xué)課程設(shè)計第三章硬件電路設(shè)計及原理第三章硬件電路設(shè)計及原理3.1系統(tǒng)設(shè)計3.1.1方案論述實驗控制系統(tǒng)主要由計算機、電烤箱、智能控制儀表、固態(tài)繼電器、通訊模塊、電壓數(shù)顯表等構(gòu)成，其中智能控制儀表、固態(tài)繼電器、通訊模塊、電壓數(shù)顯表安裝于控制箱上，計算機完成溫度采樣、控制算法、輸出控制、監(jiān)控畫面等主要功能。如圖3.1所示，加溫爐體由民用烤箱改裝，較為美觀適合實驗室應(yīng)用。雙溫室實驗對象將烤箱用隔板隔成兩部分，控制裝置同樣設(shè)置配置完全相同兩套、安裝于統(tǒng)一的控制箱上，控制箱面板布置圖如圖2.2所示。溫度控制器采集此時烤箱內(nèi)溫度，根據(jù)算法控制固態(tài)繼電器的通斷，從而產(chǎn)生占空比不同的脈沖信號，來改變烤箱的加熱功率，實現(xiàn)溫度的控制。監(jiān)控計算機用組態(tài)王等軟件為平臺，在485網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接下，與溫度控制器構(gòu)成計算機集散控制系統(tǒng)，能方便地模擬工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境和被控對象。圖3.1加熱爐體圖3.2控制箱面板3.1.2系統(tǒng)原理圖及工作原理監(jiān)控計算機通過串行通訊與溫度控制器（單回路控制器）連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、操作和記錄的功能。溫度對象由烤箱改造而成，增設(shè)風(fēng)扇冷卻裝置，加熱由烤箱原加熱部件實現(xiàn)。由溫度控制器輸出一路控制信號連接至固態(tài)繼電器，驅(qū)動電烤箱加熱單元；另一路控制信號連接至風(fēng)扇用于冷卻。設(shè)計熱電阻檢測烤箱內(nèi)溫度，檢測輸入熱電阻信號連接至溫度控制器反饋端。其系統(tǒng)功能如圖3.3所示。圖3.3系統(tǒng)功能圖根據(jù)單回路控制系統(tǒng)的方框圖，本控制系統(tǒng)的方框圖如圖3.4所示。圖3.4系統(tǒng)方框圖3.2智能控制儀表設(shè)計溫控器，即根據(jù)工作環(huán)境的溫度變化，在開關(guān)內(nèi)部發(fā)生物理形變，從而產(chǎn)生某些特殊效應(yīng)，產(chǎn)生導(dǎo)通或者斷開動作的一系列自動控制元件，也叫溫控開關(guān)、溫度保護器、溫度控制器，簡稱溫控器?；蚴峭ㄟ^溫度保護器將溫度傳到溫度控制器，溫度控制器發(fā)出開關(guān)命令，從而控制設(shè)備的運行以達到理想的溫度及節(jié)能效果，其應(yīng)用范圍非常廣泛，根據(jù)不同種類的溫控器應(yīng)用在家電、電機、制冷或制熱等眾多產(chǎn)品中。智能控制儀表則是在普通溫控器基礎(chǔ)附加以下功能：采用微電腦全自動仿智邏輯設(shè)計，可編程定時/溫度選擇；帶數(shù)位式，大液晶顯示屏幕，輕觸式按鍵使您易于操作，可設(shè)定日期、時間顯示；內(nèi)置六至九個程式，用戶還可自行編程，用戶可根據(jù)自己的喜好選擇一星期中不同時段的溫度；過熱保護：當(dāng)加熱設(shè)備溫度超過預(yù)置的過熱保護溫度時，溫控器自動切斷加熱設(shè)備電源；防結(jié)霜功能，可將溫度保持為5℃不變。本次實驗采用的是智能控制儀表CD901，下面進行詳細介紹。3.2.1規(guī)格型號說明智能控制儀表的前部外觀如圖3.4和圖3.5所示：表上面各符號簡介：PV：輸入值（如：讀入烤箱的溫度值）SV：設(shè)定值（如：手動給定或程序給定值）AT：自整定（綠）OUT1：第一控制輸出（加熱側(cè)）OUT2：第二控制輸出（冷卻側(cè)）ALM1：第一報警端ALM2：第二報警端SET：設(shè)置各種命令<R/S：位移及運行/停止圖3.4CD901面板圖3.5電壓數(shù)顯表3.2.2技術(shù)數(shù)據(jù)說明熱電阻：Pt100電壓：0~5V,1~5V電流：0~20mA,4~20mA通訊：RS-232/RS-485轉(zhuǎn)換器控制類型：4種F：PID動作及自動演算（逆）D：PID動作及自動演算（正）W：加熱/冷卻動作及自動演算（水冷）A：加熱/冷卻動作及自動演算（風(fēng)冷）設(shè)定數(shù)據(jù)：測定值（PV）：來自被控對象的當(dāng)前值設(shè)定值（SV）：與輸入范圍同樣加熱側(cè)比例帶（P）：1~全距0.1~全距冷卻側(cè)比例帶（Pc）：為P的1~1000%積分時間（I）：1~3600秒微分時間（D）1~3600秒加熱側(cè)比例周期（T）：1~100秒冷卻側(cè)比例周期（t）：1~100秒限制積分動作生效范圍（ARW）：加熱側(cè)比例帶（P）的1~100%3.2.3工作原理CD901系列儀表可配置數(shù)字通訊接口，其接口為RS485，儀表與上位機通訊為被動方式，采用上位向儀表發(fā)出讀寫命令，儀表才會動作，通訊采用ASCII碼的形式。CD901具有PID控制、自動演算、自主校正、設(shè)定數(shù)據(jù)幀、加熱/制冷控制、數(shù)字通訊、正動作、逆動作、溫度報警（加熱器斷線報警、控制環(huán)斷線報警）等功能，可進行熱電偶、熱電阻輸入，采樣周期為0.5秒，過程值偏置為-1999~9999℃或-199.9~999.9℃(溫度輸入)±全量程(電壓/電流輸入)全量。3.3溫度測量電路設(shè)計本實驗的溫度傳感器采用Pt100溫度傳感器。Pt100溫度傳感器是一種將溫度變量轉(zhuǎn)換為可傳送的標準化輸出信號的儀表，主要用于工業(yè)過程溫度參數(shù)的測量和控制。帶傳感器的變送器通常由兩部分組成：傳感器和信號轉(zhuǎn)換器。傳感器主要是熱電偶或熱電阻；信號轉(zhuǎn)換器主要由測量單元、信號處理和轉(zhuǎn)換單元組成。熱電阻最大的特點是工作在中低溫區(qū)，性能穩(wěn)定，測量精度高。本系統(tǒng)中電爐的溫度被控制在0～300度之間，為了留有余地，我們要將溫度的范圍選在0～400度，它為中低溫區(qū)，所以本系統(tǒng)選用的是熱電阻Pt100作為溫度檢測元件。下面對Pt100進行詳細介紹。3.3.1測溫原理當(dāng)Pt100在0攝氏度的時候他的阻值為100歐姆，它的阻值會隨著溫度上升而成近似勻速的增長。但他們之間的關(guān)系并不是簡單的正比的關(guān)系，而更應(yīng)該趨近于一條拋物線。對于工業(yè)用鉑電阻溫度計，可以用簡單的分度公式來描述其電阻與溫度的關(guān)系。工業(yè)用鉑電阻溫度計的使用范圍是-200～850℃，在如此寬的溫度范圍內(nèi)，很難用一個數(shù)學(xué)公式準確表示，為此需要分成兩個溫度范圍分別表示：在-200<t<0℃時，（3-1）在0≤t<850℃時，（3-2）其中，為t℃時的電阻值，為0℃時的電阻值，,,。3.3.2特點（1）優(yōu)點：1）測溫范圍寬，準確度高，在ITS–90的13.8033~1234.93K范圍內(nèi)，用作內(nèi)插用標準儀器。2）穩(wěn)定性好、性能可靠以及抗氧化性很強。3）鉑很容易提純，復(fù)現(xiàn)性好。4）與其他材料相比，鉑有較高的電阻率。5）易加工成形，可制成很細的鉑絲或極薄的鉑箔。（2）缺點：1）鉑電阻的電阻與溫度為非線性關(guān)系。2）電阻溫度系數(shù)α比較小。3）在還原介質(zhì)中工作時易被玷污變脆。4）價格較貴。3.3.3接線方法（1）兩線制1）定義：如圖3.6所示，在熱電阻感溫元件的兩端各連一根導(dǎo)線的引線形式2）特點：引線方式簡單、費用低，引線電阻以及引線電阻的變化會帶來附加誤差。3）應(yīng)用場合：兩線制適用于引線不長，測溫準確度要求較低的場合。圖3.6兩線制接線圖（2）三線制1）定義：如圖3.7所示，在熱電阻感溫元件的一端連接兩根引線，另一端連接一根引線的引線形式。2）特點：可以較好地消除引線電阻的影響；測量準確度高于兩線制；應(yīng)用較廣，工業(yè)熱電阻通常采用三線制接法；尤其是在測溫范圍窄、導(dǎo)線長、架設(shè)銅導(dǎo)線途中溫度發(fā)生變化等情況下，必須采用三線制接法。圖3.7三線制接線圖（3）四線制1）定義：如圖3.8所示，在熱電阻感溫元件的兩端各連兩根引線的連接方式。2）特點：主要用于高精度溫度檢測；能完全消除引線電阻對測量的影響；在連接導(dǎo)線阻值相同時，還可消除連接導(dǎo)線的影響。圖3.8四線制接線圖3.3.4非線性補償方法鉑熱電阻測溫電路傳統(tǒng)的方法是利用不平衡電橋把電阻的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷?。該方法存在的問題是橋臂電阻和電橋輸出電壓之間為非線性關(guān)系。這樣，鉑電阻的非線性和不平衡電橋固有的非線性電勢必給溫度測量帶來很大的非線性誤差。因此，我們需要采取一些方法補償非線性誤差。（1）數(shù)字補償法。查表法是數(shù)字補償法中最常用的一種方法，較為簡單實用。（2）模擬補償法。模擬補償法又分為簡單模擬電路和集成芯片補償法。常用的集成芯片有XTR105和XTR106。XTR105是美國BURR-BROWN公司生產(chǎn)的用于溫度檢測系統(tǒng)中的溫度—電流變送器，它可將鉑電阻的阻值隨溫度的變化量轉(zhuǎn)換成電流。XTR106是美國BB公司推出的兩線制集成單片變送器，它的最大特點是可以對不平衡電橋的固有非線性進行二次項補償。3.4通訊部分硬件設(shè)計配有不同標準串行接口的計算機、外部設(shè)備或智能儀器之間進行遠程數(shù)據(jù)通信，需要進行標準串行接口的相互轉(zhuǎn)換。本實驗裝置采用RS-232/RS-485轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)計算機與儀表和控制器的通訊。RS-232/RS-485轉(zhuǎn)換器如圖3.9所示。RS-232/RS-485轉(zhuǎn)換器，它按RS-232規(guī)定的協(xié)議工作。RS-232是規(guī)定連接電纜的機械、電氣特性、信號功能及傳送過程。目前在IBMPC機上的COM1、COM2接口，就是RS-232接口。當(dāng)通信距離較近時，可不需要Modem，通信雙方可以直接連接，這種情況下，只需使用少數(shù)幾根信號線。最簡單的情況，在通信中根本不需要RS-232C的控制聯(lián)絡(luò)信號，只需三根線（發(fā)送線、接收線、信號地線）便可實現(xiàn)全雙工異步串行通信。標準的DB9RS232接口信號定義如下：TXD--發(fā)送數(shù)據(jù)(Transmitteddata-TXD)。通過TXD終端將串行數(shù)據(jù)發(fā)送到MODEM。RXD--接收數(shù)據(jù)(Receiveddata-RXD)。通過RXD線終端接收從MODEM發(fā)來的串行數(shù)據(jù)。SG--信號地信號線，無方向。圖3.9通訊轉(zhuǎn)換器RS-485可以采用二線與四線方式，二線制可實現(xiàn)真正的多點雙向通信。RS-485使用一對雙絞線，將其中一線定義為A，另一線定義為B，如圖3.10所示。圖3.10二線制RS-4853.5交流固態(tài)繼電器硬件設(shè)計交流固態(tài)繼電器（SSR）是一種無觸點通斷電子開關(guān),為四端有源器件。其中兩個端子為輸入控制端,另外兩端為輸出受控端,中間采用光電隔離,作為輸入輸出之間電氣隔離(浮空)。在輸入端加上直流或脈沖信號,輸出端就能從關(guān)斷狀態(tài)轉(zhuǎn)變成導(dǎo)通狀態(tài)(無信號時呈阻斷狀態(tài)),從而控制較大負載。整個器件無可動部件及觸點,可實現(xiàn)相當(dāng)于常用的機械式電磁繼電器一樣的功能。固態(tài)繼電器如圖3.11所示。圖2.11固態(tài)繼電器3.5.1交流固態(tài)繼電器的原理以交流過零型的SSR為例，圖3.12是它的工作原理框圖，從整體上看，SSR有兩個輸入端(A和B)和兩個輸出端(C和D)，是一種四端器件。固態(tài)繼電器的輸入電路是為輸入控制信號電流提供一個回路，工作時只要在A、B上加上一定的控制信號電流，就可以控制C、D兩端之間的“通”和“斷”，實現(xiàn)“開關(guān)”的功能。固態(tài)繼電器屬于電流型驅(qū)動器件，輸入電路多為直流輸入，個別用途的為交流輸入。圖3.13中耦合電路功能是把A、B端輸入的控制信號傳遞到SSR的輸出電路，同時在電氣上實現(xiàn)輸入端與輸出端的高度隔離，耦合電路常用的元件是“光電耦合器”。由于輸入端的負載是驅(qū)動電流較小的發(fā)光二極管，這使SSR的輸入端很容易做到與控制信號源相匹配。另外，變壓器也可用來作為固態(tài)繼電器的耦合（隔離）器件。固體繼電器的輸出電路把接收到的控制信號經(jīng)過觸發(fā)電路的調(diào)理、變換成開關(guān)電子器件的觸發(fā)信號，然后控制開關(guān)器件的導(dǎo)通和截止，從而實現(xiàn)固態(tài)繼電器的開關(guān)功能。圖3.13工作原理框圖3.5.2交流固態(tài)繼電器的分類交流固態(tài)繼電器按開關(guān)方式分有電壓過零導(dǎo)通型和隨機導(dǎo)通型；按輸出開關(guān)元件分有雙向可控硅輸出型(普通型)和單向可控硅反并聯(lián)型(增強型)；按安裝方式分有印刷線路板上用的針插式(自然冷卻、不必帶散熱器)和固定在金屬底板上的裝置式(靠散熱器冷卻)；另外輸入端又有寬范圍輸入(DC3～32V)的恒流源型和串電阻限流型等。3.5.3交流固態(tài)繼電器的特點（1）優(yōu)點：1）高壽命，高可靠:SSR沒有機械零部件，由固體器件完成觸點功能，由于沒有運動的零部件，因此能在高沖擊、振動的環(huán)境下工作，由于組成固態(tài)繼電器的元器件的固有特性，決定了固態(tài)繼電器的壽命長，可靠性高。2）靈敏度高，控制功率小，電磁兼容性好，固態(tài)繼電器的輸人電壓范圍較寬，驅(qū)動功率低，可與大多數(shù)邏輯集成電路兼容不需加緩沖器或驅(qū)動器。3）快速轉(zhuǎn)換:固態(tài)繼電器因為采用固體器件，所以切換速度可從幾毫秒至幾微妙。4）電磁干擾小:固態(tài)繼電器沒有輸入“線圈”，沒有觸點燃弧和回跳，因而減少了電磁干擾。大多數(shù)交流輸出固態(tài)繼電器是一個零電壓開關(guān)，在零電壓處導(dǎo)通，零電流處關(guān)斷，減少了電流波形的突然中斷，從而減少了開關(guān)瞬態(tài)效應(yīng)。（2）缺點：1）導(dǎo)通后的管壓降大，可控硅或雙向可控硅的正向降壓可達1~2V，大功率晶體管的飽和壓降也在1~2V之間，一般功率場效應(yīng)管的導(dǎo)通電阻也較機械觸點的接觸電阻大。2）半導(dǎo)體器件關(guān)斷后仍可有數(shù)微安至數(shù)毫安的漏電流，因此不能實現(xiàn)理想的電隔離。3）由于管壓降大，導(dǎo)通后的功耗和發(fā)熱量也大，大功率固態(tài)繼電器的體積遠遠大于同容量的電磁繼電器，成本也較高。4）電子元器件的溫度特性和電子線路的抗干擾能力較差，耐輻射能力也較差，如不采取有效措施，則工作可靠性低。5)固態(tài)繼電器對過載有較大的敏感性，必須用快速熔斷器或RC阻尼電路對其進行過載保護。固態(tài)繼電器的負載與環(huán)境溫度明顯有關(guān)，溫度升高，負載能力將迅速下降。3.5.4交流固態(tài)繼電器的應(yīng)用場合（1）應(yīng)用于現(xiàn)代軍事裝備和武器系統(tǒng)；（2）應(yīng)用于各類廣播、通信、雷達導(dǎo)航系統(tǒng)；（3）應(yīng)用于各類計算機及相關(guān)配套設(shè)備；（4）應(yīng)用于自動化檢測儀器、工業(yè)控制設(shè)備和現(xiàn)代化醫(yī)療設(shè)備。3.5.5交流固態(tài)繼電器的使用注意事項（1）期間的發(fā)熱SSR對溫度的敏感性很強，工作溫度超過標稱值后，必須降溫或外加散熱器，此時，需依據(jù)實際工作環(huán)境條件，嚴格參照額定工作電流時允許的外殼溫升(75℃)，合理選用散熱器尺寸或降低電流使用，否則將因過熱引起失控，甚至造成SSR器件損壞。在30A以下配散熱器，可采用自然風(fēng)冷；若連續(xù)負載電流大于30A時，最好采用儀器風(fēng)扇強制風(fēng)冷。（2）封裝和安裝形式SSR通常有臥式W型和立式L1型，體積小適用于印制電路板直接焊接安裝。立式L2型，既能適合于電路板焊接安裝，也能適用于線路板上插接安裝。K型和F型，適合散熱器及儀器底板安裝。大功率SSR(K型和F型封裝)安裝時，應(yīng)注意散熱器接觸面應(yīng)平整，并需涂覆導(dǎo)熱硅脂。安裝力矩愈大，接觸熱阻愈小。大電流的引出線需配接冷壓焊片，以減少引出線接點電阻。（3）輸入端驅(qū)動SSR按輸入控制方式，可分為電阻型和恒流源。較常用的是與5VTTL電平兼容的電阻輸入型，使用其他控制電壓時，可相應(yīng)選用限流電阻。SSR輸入屬于電流型器件，當(dāng)輸入端光耦晶閘管完全導(dǎo)通后，再觸發(fā)大功率晶閘管導(dǎo)通。當(dāng)激勵不足或斜波式的觸發(fā)電壓，有可能造成大功率晶閘管處于臨界導(dǎo)通邊緣，并造成主負載電流流經(jīng)觸發(fā)回路引起的損壞。國外廠商提供的器件標準電流為10mA，考慮到全溫度工作范圍(－40～＋70℃)，發(fā)光效率穩(wěn)定和抗干擾能力，推薦最佳直流觸發(fā)工作電流在12～25mA之間。SSR的輸入端可并聯(lián)或串聯(lián)驅(qū)動。串聯(lián)使用時，一個SSR應(yīng)按4V電壓考慮，12V電壓可驅(qū)動3個SSR。（4）過流/過壓保護較常用的過電流保護方法是快速熔斷器和空氣開關(guān)，快速熔斷器可按額定工作電流的1.2倍選擇，一般小容量可選用熔斷器。負載短路往往是造成SSR產(chǎn)品損壞的主要原因，應(yīng)特別引起注意。對于感性及容性負載，除SSR內(nèi)部的RC電路保護外，建議采用壓敏電阻并聯(lián)在輸出端，作為組合保護。交流220V的SSR，宜選用MYH12、430V、12的壓敏電阻；380V的SSR，宜選用MYH12、750V壓敏電阻；對于容量較大的電動機以及變壓器，則應(yīng)選用MYH20、24通流容量大的壓敏電阻。東北大學(xué)課程設(shè)計第四章軟件設(shè)計第四章軟件設(shè)計4.1軟件設(shè)計目標軟件系統(tǒng)的開發(fā)要達到以下功能要求：（1）采集溫度變送器的電壓輸出，其范圍為0~5V，即實現(xiàn)A/D功能；（2）輸出控制量Uk，其范圍也為0~5V，即實現(xiàn)D/A功能；（3）設(shè)計方便清晰的人機畫面；（4）可以進行開環(huán)實驗，并繪制加熱爐升溫曲線；（5）編程實現(xiàn)對采集到的數(shù)據(jù)進行濾波；（6）編程實現(xiàn)采用一般PID控制。4.2人機界面設(shè)計4.2.1“組態(tài)王”軟件簡介“組態(tài)王”開發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)軟件，是新型的工業(yè)自動控制系統(tǒng)，它以標準的工業(yè)計算機軟、硬件平臺構(gòu)成的集成系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的封閉式系統(tǒng)?！敖M態(tài)王”軟件由工程管理器、工程瀏覽器和畫面運行系統(tǒng)三部分組成。工程瀏覽器和畫面運行系統(tǒng)是各自獨立的Windows應(yīng)用程序，均可單獨使用；兩者又相互依存，在工程瀏覽器的畫面開發(fā)系統(tǒng)中設(shè)計開發(fā)的畫面應(yīng)用程序程序必須在畫面運行系統(tǒng)運行環(huán)境中才能運行。工程管理器是組態(tài)王工程管理、新建、備份、變量的導(dǎo)入/導(dǎo)出、定義工程的屬性。工程瀏覽器是“組態(tài)王”軟件的核心部分和管理開發(fā)系統(tǒng)，它將畫面制作系統(tǒng)中已設(shè)計好的圖形畫面，命令語言，設(shè)備驅(qū)動程序管理，配置管理，數(shù)據(jù)庫訪問配置等工程資源進行統(tǒng)一管理，并在一個窗口內(nèi)樹形結(jié)構(gòu)排列。畫面運行系統(tǒng)是“組態(tài)王”軟件的實時運行環(huán)境，用于畫面開發(fā)中建立的動畫圖形畫面，并負責(zé)數(shù)據(jù)庫與I/O服務(wù)程序的數(shù)據(jù)交換，它通過實時數(shù)據(jù)庫管理從工業(yè)控制對象采集的各種數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)的變化用動畫的形式表示出來，同時完成報警、歷史記錄、趨勢曲線等功能，并可生成歷史數(shù)據(jù)文件。4.2.2人機界面基本設(shè)計步驟（1）創(chuàng)建工程路徑。啟動“組態(tài)王”工程管理器，選擇菜單“文件/新建工程”或單擊新建按鈕，彈出“新建工程向?qū)е弧獨g迎使用本向?qū)А保鐖D3.1所示。圖4.1新建工程向?qū)е稽c擊“下一步”，彈出“新建工程向?qū)еx擇工程所在路徑”，如圖4.2所示。圖4.2新建工程向?qū)е诠こ搪窂轿谋究蛑休斎胍粋€有效路徑，選好之后，單擊“下一步”繼續(xù)，彈出“新建工程向?qū)еこ堂Q和描述”對話框，如圖4.3所示。圖4.3新建工程向?qū)е诠こ涛谋究蛑休斎牍こ堂?，輸完后單擊“完成”。這時新定義的工程信息會出現(xiàn)在工程管理器的信息表格中，雙擊該信息，進入“組態(tài)王”開發(fā)系統(tǒng)。（2）設(shè)計工程界面。進入“組態(tài)王”開發(fā)系統(tǒng)后，選擇工程瀏覽器左側(cè)大綱頁“文件/畫面”。雙擊“新建”圖標，出現(xiàn)新畫面屬性對話框，如圖4.4所示。圖4.4新畫面屬性對話框設(shè)置好屬性后，點擊“確定”，進入“組態(tài)王”開發(fā)系統(tǒng)，在這里我們可以利用系統(tǒng)為用戶提供的工具箱里的各種圖形對象來設(shè)計我們的圖形界面。（3）構(gòu)造數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫是“組態(tài)王”軟件的核心部分，是一個變量的集合，在畫面運行系統(tǒng)運行時，它含有全部數(shù)據(jù)變量的當(dāng)前值。變量在“組態(tài)王”開發(fā)系統(tǒng)中定義，在定義時要指定變量名和變量類型，有些類型的變量還需要一些附加信息。數(shù)據(jù)變量的集合成為“數(shù)據(jù)詞典”。在工程瀏覽器中單擊數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)詞典（如圖4.5），在右邊窗體中雙擊“新建”，可以建立內(nèi)存離散、內(nèi)存整數(shù)、內(nèi)存實數(shù)、內(nèi)存字符串、I/O離散、I/O整數(shù)、I/O實數(shù)、I/O字符串和存儲器九種類型的變量，每種變量都有各自不同的屬性。變量可以事先建立，也可以在編程或建立動畫過程中根據(jù)所需隨時建立。如圖3.5所示。圖4.5數(shù)據(jù)詞典建立I/O變量時需要填寫“連接設(shè)備”、“寄存器”和“數(shù)據(jù)類型”，這就要求首先在工程管理器的設(shè)備中建立所用的設(shè)備，并知道在硬件系統(tǒng)中所用的I/O通道號及與其對應(yīng)的數(shù)據(jù)類型。系統(tǒng)中用到6個I/O變量，其中4個是控制參數(shù)，一個是設(shè)定溫度，一個是檢測溫度。圖4.6定義變量窗口（4）建立動畫連接。定義動畫連接是指在畫面的圖形對象與數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)變量之間建立一種關(guān)系，當(dāng)變量的值改變時，在畫面上以圖形對象的動畫效果表示出來?；蛘哂绍浖氖褂谜咄ㄟ^圖形對象改變數(shù)據(jù)變量的值?！敖M態(tài)王”提供了21中連接方式。一個圖形對象可以同時定義多個連接，組成復(fù)雜的效果，以便滿足實際中任意的動畫需要。在建立好的畫面上雙擊要建立動畫連接的對象，會彈出“動畫連接”窗口。可根據(jù)需要選擇要使用的動畫，其中一些動畫可同時在一個對象上實現(xiàn)，其他的只能選擇一種，如圖4.7所示。圖4.7動畫連接窗口（5）調(diào)試運行。先點擊菜單項“文件/全部存”，再點擊菜單項“文件/切換到view”，就開始運行剛才開發(fā)的工程，如圖4.8所示。圖4.8運行畫面4.3PID控制算法4.3.1PID算法簡介在工程實際中，應(yīng)用最為廣泛的控制器控制規(guī)律為比例(proportional)、積分(integral)、微分(derivative)控制，簡稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。PID控制，實際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制的。PID控制器問世至今已有近70年歷史，它以其算法簡單、魯棒性好、可靠性高，被廣泛應(yīng)用于過程控制和運動控制。各種各樣的PID控制器產(chǎn)品已在工程實際中得到了廣泛的應(yīng)用，有利用PID控制實現(xiàn)的壓力、溫度、流量、液位控制器，有實現(xiàn)PID控制功能的可編程控制器(PLC)，還有可實現(xiàn)PID控制的PC系統(tǒng)等。據(jù)統(tǒng)計，工業(yè)控制的控制器中PID類控制器占90%以上。PID控制成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。PID控制器的微分方程為：（5-3）在計算機控制系統(tǒng)中，使用數(shù)字PID，將上式離散化，寫成差分方程：（5-4）式中，——積分系數(shù)，——微分系數(shù)上式是位置式PID算式，也可以寫成增量式，其差分方程：（5-5）位置型PID控制算式因為要累加偏差，計算量大，不僅要占用較多的存儲單元，而且不便于編寫程序，計算機的任何故障都可能引起u(k)的大幅度變化；增量式算法不需要做累加，控制量增量的確定僅與最近幾次誤差采樣值有關(guān)，計算誤差或計算精度問題對控制量的計算影響較小。這里采用增量式表示的位置式PID，其差分方程為：（5-6）程序流程圖如圖4.9所示：圖4.9PID算法流程圖4.3.2PID各參數(shù)對控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響（1）比例（P）：增大比例系數(shù)P將加快系統(tǒng)的響應(yīng)，它的作用于輸出值較快，但不能很好穩(wěn)定在一個理想的數(shù)值，不良的結(jié)果是雖較能有效的克服擾動的影響，但有余差出現(xiàn)，過大的比例系數(shù)會使系統(tǒng)有比較大的超調(diào)，并產(chǎn)生振蕩，使穩(wěn)定性變壞。（2）積分（I）：積分能在比例的基礎(chǔ)上消除余差，它能對穩(wěn)定后有累積誤差的系統(tǒng)進行誤差修整，減小穩(wěn)態(tài)誤差。（3）微分（D）：微分具有超前作用，對于具有容量滯后的控制通道，引入微分參與控制，在微分項設(shè)置得當(dāng)?shù)那闆r下，對于提高系統(tǒng)的動態(tài)性能指標，有著顯著效果，它可以使系統(tǒng)超調(diào)量減小，穩(wěn)定性增加，動態(tài)誤差減小。東北大學(xué)課程設(shè)計第五章參數(shù)整定第五章參數(shù)整定5.1常用的參數(shù)整定方法一個自動控制系統(tǒng)的過渡過程或者控制質(zhì)量，與被控對象、干擾形式與大小、控制方案的確定及控制器參數(shù)整定有著密切的關(guān)系。在控制方案、廣義對象的特性、控制規(guī)律都已確定的情況下，控制質(zhì)量主要就取決于控制器參數(shù)的整定。所謂控制器參數(shù)的整定，就是按照已定的控制方案，求取使控制質(zhì)量最好的控制器參數(shù)值。具體來說，就是確定最合適的控制器比例度、積分時間和微分時間。常用的有臨界比例度法、衰減曲線法、以及經(jīng)驗湊試法和反應(yīng)曲線法。在本次課設(shè)中，主要采用的是臨界比例度法和經(jīng)驗湊試法。5.1.1臨界比例度法臨界比例度法是在閉環(huán)系統(tǒng)條件下進行的，方便簡單，應(yīng)用廣泛，具體步驟如下：1)調(diào)節(jié)器置于純比例位置，且比例度置最大值，此時無積分和微分作用（），使閉環(huán)投入運行。待系統(tǒng)運行穩(wěn)定后。對給定值施加一適當(dāng)幅值的階躍擾動，并逐步減小比例度，直到曲線出現(xiàn)等幅震蕩，即為臨界震蕩，并記錄此時的比例度，稱為臨界比例度。同時可以根據(jù)記錄曲線查出臨界震蕩周期。根據(jù)如圖所示的表格得出參數(shù)、、的值。圖5.1臨界震蕩曲線和參數(shù)5.1.2經(jīng)驗湊試法經(jīng)驗湊試法是長期的生產(chǎn)實踐中總結(jié)出來的一種整定方法。它是根據(jù)經(jīng)驗先將控制器參數(shù)放在一個數(shù)值上，直接在閉環(huán)的控制系統(tǒng)中，通過改變給定值施加干擾，在記錄儀上觀察過渡過程曲線，運用、、對過渡過程的影響為指導(dǎo)，按照規(guī)定順序，對比例度、積分時間和微分時間逐個整定，直到獲得滿意的過渡過程為止。各類控制系統(tǒng)中控制器參數(shù)的經(jīng)驗數(shù)據(jù)．列于下表，供整定時參考選擇。圖5.2常用控制器參數(shù)整定經(jīng)驗數(shù)據(jù)5.2實際參數(shù)調(diào)試在實際控制系統(tǒng)的PID參數(shù)整定時，大多還是采用經(jīng)驗法。由于主要依賴工程經(jīng)驗，直接在控制系統(tǒng)的試驗中進行，且方法簡單、易于掌握，所以在工程實際中被廣泛采用。本次課程設(shè)計就是通過不斷地調(diào)試來增加參數(shù)整定經(jīng)驗。我的設(shè)定溫度是132℃，同組同學(xué)的設(shè)定溫度是95度，以下是調(diào)節(jié)過程中的幾個關(guān)鍵過程。（1）剛開始我們組使用不加微分積分，只加比例，但是曲線不是很好，并沒有到達預(yù)定值，在目標值之下震蕩，有時會發(fā)散，經(jīng)過思考應(yīng)該是積分不夠的原因。實驗圖如下。圖5.4實驗一（2）由于實驗一的曲線并不能達到要求，故做第二組實驗我們加了積分作用，調(diào)試了很多，只有這一組還有點符合要求。如圖，積分時間調(diào)到