水温控制调节器课程设计

1、 勤奋 严谨 求实 创新 电气工程与自动化学院水温控制调节器 课题 目：基于Cortex-M0的水温控制调节器设计学 号：XXXXXX姓 名：XXXXXX专业班级：XXXXXX指导老师：XXXXXX编写日期：2013年6月29日 （电气工程与自动化学院）程设计第 0 页 共 29 页基于Cortex-M0的水温控制调节器设计摘要温度是流程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大时滞、非线性、难以建立精确数学模型等特点，利用传统的PID控制策略对其进行控制，难以取得理想的控制效果，而应用数字PID控制算法能得到较

2、好的控制效果。本文主要阐述了一种改进型的加热炉对象及其工艺流程，使加热炉的恒温及点火实现了自动控制，从而使加热炉实现了全自动化的控制。此种加热炉可广泛应用于铝厂、钢厂等金属冶炼、金属加工行业以及化工行业。此设计以工业中的电加热炉为原型，以实验室中的电加热炉为实际的被控对象，采用PID控制算法对其温度进行控制。电阻炉是利用电流使炉内电热元件或加热介质发热，从而对工件或物料加热的工业炉。电阻炉在机械工业中用于金属锻压前加热、金属热处理加热、钎焊、粉末冶金烧结、玻璃陶瓷焙烧和退火、低熔点金属熔化、砂型和油漆膜层的干燥等。电热元件具有很高的耐热性和高温强度，很低的电阻温度系数和良好的化学稳定性。Cor

3、tex-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-M

4、0作为数据处理与控制单元，用三极管作为测温元件，采用软件PID调节作为温度调节器。由Cortex -M0自带的AD转换器与PWM输出作为主要控制单元。采集数据的同时，通过串口把数据发送到上位机，在上位机上显示当前的PWM值、AD采集电压值与时间的关系曲线。温度通过TinyHMI数码管显示出来，使电阻炉的温度始终保持在预定的温度范围内调节，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调节第 27 页 共 29 页目 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

5、.2 水温控制系统设计任务和要求8 2.2.1 设计课题8 2.2.2 设计要求8 2.2.3技术指标9第三章 硬件设计原理及内容10 3.1系统结构图10 3.2 电炉主控制电路设计10 3.2.1 过零触发双硅输出光耦MOC306110 3.2.2 晶体管BT13712 3.3 三极管测温原理简介14 3.4 电炉电路设计图15 3.5 仿真后的PCB图纸16 3.6 焊接后实体图17第四章 PID软件设计19 4.1 PID模拟调节器19 4.2 数字PID控制器20 4.3 基于PID算法的程序流程21 4.4 基于C语言实现PID调节22第五章 电阻炉模型的建立24 5.1 电阻炉数

6、学模型的建立24 5.2 电阻炉模型参数的确定24 5.2.1 模型分析24 5.2.2 求模型K、T、值25 5.3 由模型求PID参数25 5.3.1 基于Matlab的simulink仿真25致谢27第1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。针对这种实际情况，设计一个温度控制系统，具有广泛的应用前景与实际意义。我国的电加热锅炉在10多年前问世，由于受到当时电力因素的制约，发展非常缓慢，只有几

7、个非锅炉行业的厂家在生产。1998年以来，特别是2000年，电热锅炉市场迅速发展。行业内许多厂家都已经或者正在准备生产电热锅炉。由于起步晚、规模小,电加热锅炉的控制水准很低，甚至很原始。电加热锅炉的控制与燃油（气）锅炉的控制有很大的不同：1 电流巨大，属大电流或超大电流控制；2 没有现成的燃烧器及其程控器，锅炉的加热过程和控制品质完全由自己决定；3 比燃油（气）锅炉的自动化程度和蓄热要求更高，外观要求也更现代、更美观。因此，电热锅炉控制存在较大难度。1998年我们抓住了市场机遇，再次把工业控制技术应用于电加热锅炉控制领域，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

8、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 电磁感应加热式该方式的加热原理是：当电流通过加热线圈时，就会形成电磁场把金属锅壳置于电磁场之中，就会使锅壳产生涡流，并导致其发热，从而完成对锅水加热的目的。其

9、电流愈大，发热量愈大。电磁感应加热方式在工业上的应用较早，典型的应用就是中频加热炉。但是把它应用到锅炉上，确属首次，很有创意值得关注。目前国内只有一家厂家生产这种电热锅炉。该方式的优点是，与水和锅炉是非接触式加热，因此绝无漏电的可能性；另一个优点是该方式须用可控硅做驱动输出，因此具有无触点开关的独特优势；机械噪声小，可多级或无级调节，使用寿命长。该方式的缺点是热效率比电阻加热方式要稍低，约96%:。这是因为后者是直接与锅水接触加热，而前者是间接加热，况且作为功率驱动元件的可控硅元件，其本身也要消耗一定功率。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

10、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。电阻炉按炉温不同可以分为低温电阻炉(600700以下)、中温电阻炉(7001200)、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度控制的稳定性、可靠性、精度等要求也越来越高，温度测量控制技术也成为现代科技发展中的一项重要技术。PID控制温度

11、的效果主要取决于P、I、D三个参数。PID控制大滞后、大惯性，其控制品质难以保证。电阻炉是由电阻丝加热升温，靠自然冷却降温，PID控制对小型电阻炉的温度控制效果良好。本文以电阻炉为控制对象，以Cortex-M0为硬件核心，利用Cortex-M0使电阻炉的温度维持在一个稳定的范围。第二章 课程设计方案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。温度采集控制系统在工业生产、科学研究和

12、人们的生活领域中，得到了广泛应用。在工业生产过程中，很多时候都需要对温度进行严格的监控，以使得生产能够顺利的进行，产品的质量才能够得到充分的保证。使用自动温度控制系统可以对生产环境的温度进行自动控制，保证生产的自动化、智能化能够顺利、安全进行，从而提高企业的生产效率。 温度采集控制系统是在嵌入式系统设计的基础上发展起来的。嵌入式系统虽然起源于微型计算机时代，但是微型计算机的体积、价位、可靠性，都无法满足广大对象对嵌入式系统的要求，因此，嵌入式系统必须走独立发展道路。这条道路就是芯片化道路。2.2 水温控制系统设计任务和要求2.2.1 设计课题设计一个水温可控的电阻炉，可以在超调允许的范围内自动

13、调节温度，使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：用十进制数码管显示水的实际温度保留三位小数。 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099。（3） 程序部分用PID算法实现温度自动控制。（4） 检测信号为电压信号

14、。（5） 通过上位机实时显示当前的相关数据（6） 温度设定范围为 4090，最小区分度为1，标定温度1。 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。图3-1 控制系统结构图系统硬件结构框图如下：看门狗报警提醒通信接口LED显示键盘微控制器Cortex-M0温度检测PT100驱动执行机构8路D/A转换器DAC0832测量变送8路A/D转换器ADC0809加热电阻温度3.2 电炉主控制电路设计3.2.1 过零触发双硅输出光耦MOC3061MOC3061系列产品可以用来驱动工作电压为220V（

15、240V）的交流双向可控硅。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515mA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脚为输出端，输出级为具有过零检测的光控双向可控硅。当红外发光二极管发射红外光时，光控双向可控硅触发导通。主要性能参数：可靠触发电流Ift=515mA；保持Ih=100µA；超阻断电压600V；

16、重复冲击电流峰值1A；关断状态额定电压上升率dV/dt=100V/µs。 该器件的极限参数如表1所示，电气特性如表2所示。3.2.2 晶体管BT137一、主要特性一种以硅单晶为基本材料的P1N1P2N2四层三端器件，创制于1957年，由于它特性类似于真空闸流管，所以国际上通称为硅晶体闸流管，简称可控硅T。又由于可控硅最初应用于可控整流方面所以又称为硅可控整流元件，简称为可控硅SCR。双向可控硅是在普通可控硅的基础上发展而成的，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

17、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BG2放大，其集电极电流ic2=2ib2。因为BG2的集电极直接与BG1的基极相连，所以ib1=ic。2、由于BG1和BG2所构成的正反馈作用，所以一旦可控硅导通后，即使控制极G的电流消失了，可控硅仍然能够维持导通状态，由于触发信号只起触发作用，没有关

18、断功能，所以这种可控硅是不可关断的。由于可控硅只有导通和关断两种工作状态，所以它具有开关特性，这种特性需要一定的条件才能转化，条件如下：A、从关断到导通1、阳极电位高于是阴极电位，2、控制极有足够的正向电压和电流，两者缺一不可。B、维持导通1、阳极电位高于阴极电位，2、阳极电流大于维持电流，两者缺一不可。C、从导通到关断1、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22.5mV，温度每升高10°C，反向电流大约增大1倍左右。右图给

19、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，结电压与温度有良好的线性关系，可用作温度传感器，实现温度电压（t-V）转换。硅 PN 结可承受的最高结温比锗 PN 结要高，更加适于测量150以下的温度，故通常应选用硅管。曲线表示 PN 结的结电压对温度的偏导数，实际上就是 PN 结的温度系数，在 150以下范围内，这个温度系数约为-2.5 mV/。另外PN 结温度传感器具有响应速度较快（时间常数小于 1 s）体积小和价格低廉的优点。晶体管温度传感器则是利用半导体材料 PN 结电流电压特性和温度的相关性进行测温，它的最大优点是输出线性度好，测温精度也比较高，而且价格便宜，是比较

20、有前途的一类温度传感器。二、测温电路工作原理寄存器AD转换放大器温度传感器传感器电压是通过 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。 图 2.2.2 温度采集流程图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。三、测温电路的相关计算，此时运放同向端电压约等于PN结的电压；运放输出的电压值为：.由次关系式可知，随着温度的上升，PN结的压降不断下降，输

21、出电压也慢慢增大。3.4 电炉电路设计图电炉总控电路的设计如下图2.1.3所示：3.5 仿真后的PCB图纸3.6 焊接后实体图第4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 图4.1 模拟PID控制系统原理框图二、模拟PID调节器的微分方程和传输函数PID调节器是一种线性调节器，它将给定值r(t)与实际输出值c(t)的偏差的比例(P)、积分(I)、微分(D)通过线性组合构成控制量，对控制对象进行控制。 1、PID调节器的微分方程 （4-1） 式中 2、PID调节器的传输函数 （4-2）三、PID调节器各校正环节的作用1、比例环节：即时成比例地反应控制系统的

22、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。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控制器一、模拟PID控制规律的离散化，如表4.1.2所示模拟形式离散化形式 表4.1.2 模拟PID控制规律的离散化二、数字PID控制器的差分方程 （4-3）式中 称为比例项 称为积分项 称为微分项三、常用的控制方式1、P控制 2、P

23、I控制 3、PD控制 4、PID控制 四、PID算法的两种类型 1、位置型控制 （4-4） 2、增量型控制 （4-5）4.3 基于PID算法的程序流程一、增量型PID算法的程序流程1、增量型PID算法的算式 （4-6）式中， （4-7）2、增量型和位置型PID算法的程序流程，如下图所示 2、 位置型PID算法的程序流程1、位置型的递推形式 （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(或下)极限 4.4

24、 基于C语言实现PID调节本此设计采用的是增量式PID算法，此法简单明了，可以随机建模，然后通过得出的模型进而调出PID相关的比例、积分、微分参数，Cortex-M0中软件编制为如下程序：/* 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*/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*(

25、First_devt - Second_devt)/1000 + Ki*First_devt/100000 + Kd*(First_devt - 2*Second_devt + Third_devt);if (PID_Contr_PWM >= 100)PID_Contr_PWM = 100;if (PID_Contr_PWM <= 0)PID_Contr_PWM = 0;Third_devt = Second_devt;Second_devt = First_devt;return PID_Contr_PWM;分析说明:该函数的入口参数为第一次计算的AD采集电压与预设的电压值的差值

26、，最后通过PID调节得出的为给定的PWM数值，上述程序中PID参数分别为：Kp = 100,Ki = 25,Kd = 0，该参数是由电炉的数学模型准确得到的。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型为，接下来需要确定的就是确定模型里面的K、T、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，温度与时间的关系式，为不导致过大的PWM使水沸腾，所有给定的PWM比较小（占空比为百分之五，周期为0.5s）。当第一次达到稳定温度时，再次改变PWM的给定值（给定PWM为百分之八），再次得到一个稳定的曲线，如图5.1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。5.2.2 求模型