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测控系统课程设计
《测控系统课程设计》
课程设计报告
题目:
测控系统课程设计
专业:
班级:
学号:
姓名:
指导教师:
2012年1月12日
一、设计目的:
测控系统课程讲述的原理、技术仅靠教学是无法完全掌握和理解的,故必须通过具体的实际动手设计才能获得比较直观和深刻的理解。
物体的许多物理现象和化学性质都与温度有关,温度是工农业生产、科学实验研究以及日常生活中需要普遍进行测量和控制的一个非常重要的物理量。
二、设计内容:
测控系统课程设计是集光、机、电、算一体化的课程设计。
本次课程设计该系统通过温度传感器传输信号,该设定温度信号要求在25~55℃之间。
系统要求用户输入一个恒定温度值。
当实际温度接近恒定温度时,控制器进行P调节、PI调节、PID调节或模糊调节、神经网络调节、遗传算法调节、蚁群算法调节等,调节器控制固态继电器的占空比,继电器再控制电加热器的电流。
当温差越大,则固态继电器占空比越高;频率越慢,则温度越低。
系统要求至少具备以下模块:
1、温度测量模块(如:
热电阻,PT100、PT50,热电偶K);
2、PID调节模块(如:
PLC模块,单片机测控模块,模拟PID模块,仪表调节模块);
3、电加热器模块;
4、水箱模块(如:
上水箱,下水箱等);
5、显示控制组态模块;
三、设计要求:
熟悉单回路反馈控制系统的组成和工作原理;研究系统分别用P、PI调节器时的阶跃响应、抗扰动作用,参数变换对系统性能的影响。
了解单片机编程控制器的模拟量输入/输出控制功能。
通过对复合加热水箱温度PID调节组态的使用,了解单片机编程及力控软件的组态方法。
熟悉用力控软件建立监控系统的整个过程;掌握力控软件提供的一些基本功能,如基本画面图素的绘制、图库元素的调用、动画连接的使用、程序命令语言的使用与输入;学会用力控软件编制数字P、PI、PID算法,能够调节积分时间常数、微分时间常数、比例系数,以得到满意的控制效果。
四、设计主要仪器设备:
计算机、组态软件、单片机、温度传感器检测变送模块、交流变频控制器、电机、水泵、上下水箱、PID调节器、AUTOCAD软件等。
五、
课程设计理论基础及系统控制要求
1.计算机部分。
计算机所设计的部分主要是通过使用组态软件来画出温度测控系统的概略图,如图1
图1、组态设计结构图
2、传感器部分。
<1>温度传感器
温度测量通常采用热电阻元件(感温元件)。
它是利用金属导体的电阻值随温度变化而变化的特性来进行温度测量的。
其电阻值与温度间的关系式为
Rt=Rt0[1+α(t-t0)]
式中Rt——温度为t(如室温20℃)时的电阻值;
Rt0——温度为t0(通常为0℃)时的电阻值;
α——电阻的温度系数。
可见,由于温度的变化,导致了金属导体电阻的变化。
这样只要设法测出电阻值的变化,就可达到温度测量的目的。
虽然大多数金属导体的电阻值随温度的变化而变化,但是它们并不都能作为测温用的热电阻。
作为热电阻的材料一般要求是:
电阻温度系数小、电阻率要大、热容量要小;在整个测温范围内,应具有稳定的物理、化学性质和良好的重复性;并要求电阻值随温度的变化呈线性关系。
但是,要完全符合上述要求的热电阻材料实际上是有困难的。
根据具体情况,目前应用最广泛的热电阻材料是铂和铜。
本装置使用的是铂电阻元件PT100,并通过温度变送器(测量电桥或分压采样电路或者AI人工智能工业调节器)将电阻值的变化转换为电压信号。
铂电阻元件是采用特殊的工艺和材料制造,它具有很高的稳定性和耐震动等特点,还具有较强的抗污染能力。
在0~650℃的温度范围内,铂电阻与温度的关系为
Rt=Rt0(1+At+Bt+Ct)
式中Rt——温度为t(如室温20℃)时的电阻值;
Rt0——温度为t0(通常为0℃)时的电阻值;
A、B、C是常数,一般A=3.90802*101/℃,B=-5.802*101/℃,C=-4.2735*101/℃。
Rt-t的关系称为分度表,用分度号来表示。
3、单片机部分。
单片机控制部分包括芯片选择、A/D转换电路、PID算法、LED显示、D/A转换电路等部分。
主要是实现从传感器中得到反馈的模拟信号经由A/D转换电路将温度的连续变化转化成离散的数字变化,这样便于用单片机对数据进行处理,单片机对采集到的数据采用位置式PID算法得到控制参数,接着对所得到的控制参数进行D/A转换成模拟信号送到执行部件以对复合水箱中的温度进行控制并反映到计算机中供操作人员参考。
用单片机进行数据处理的主要流程如下:
4、加热控制器部分。
、继电器和电热丝的选取:
本设计所要求的加热控制器即执行机构,由固态继电器和电热丝两部分构成(如图2所示)
图2位式控制系统的方框图
图3为位式温度控制系统,这种控制系统是控制规律中最简单的一种。
本设计的控制对象为电热丝,被控制量是水箱内套的水温T,温度传感器将被测温度转变为反馈电压Vi,并与二位调节器的上限输入Vmax和下限输入Vmin相比较,从而决定二位调节器的输出信号。
调节器的输出信号Vo作为执行机构的控制信号。
图3位式控制系统的结构图
该系统的工作原理是:
当被控制的水温T减小到小于设定下限值时,即Vi≤Vmin时,调节器的输出为Vo(5V),执行元件(固态继电器)接通,使电热丝接通220V电源加热(如图2所示)。
随着水温T的升高,Vi也不断增大,增大到大于设定上限值时,即Vi≥Vmax时,则两位调节器的输出Vo由5V降到0V,此时固态继电器释放,切断电热丝的供电。
由温控系统执行机构的工作原理可知:
设计执行机构主要就是设计固态继电器SSR。
SSR是一种无触点功率半导体器件,其特点是:
(1)输入控制电压低(3~14V),直流或脉冲电压均能作输入控制信号,驱动电流小,输入控制电压与TTI、HTI、CMOS、PMOS电平兼容。
(2)输出、输入间一般采用光电隔离,隔离绝缘大于2kV,符合国际电气安全标准。
(3)输出无触点、无噪声、无火化,开关速度快。
(4)有交流、直流输出方式,输出电压有多种规格选择。
(5)采用环氧树脂全灌封装,防尘、耐湿、耐振、寿命长。
根据负载电流的不同,SSR分交流(ACSSR)和直流(DCSSR)2种,又根据触发控制形式的不同,ACSSR又分随机导通(P型)和过零触发(Z型)2种,由于ACSSR(Z型)对外的干扰非常小,应用更广.
ACSSR(z型)电路如图4所示.其内部结构由信号输入电路、零电压检测和控制电路、双向可控硅输出及RC吸收电路构成.
当无信号输入时,T1管导通,SCR处于关断状态,SSR是断开状.当有信号输入时,T1管截止,R5、Re、T2组成过零电压检测,只要R4和R6的分压超过T2的基、射极压降,T2管饱和导通,它使SCR的控制极箝位在低电压上,而不能导通,只有当输入信号加入的同时,负载电压又处在零电压附近(+10V~+20V范围),来不及使T2进入饱和导通,此时SCR才能通过R3注入控制电流而导通,双向可控硅TRAC通过R7一整流桥一SCR一整流桥,得到了触发电流,故TRAC导通,将负载与电源接通.
当输入信号撤销后,T1进入饱和状态,它旁路了SCR的控制电流,因此,在SCR电流过零的瞬间,SCR将截止,一旦SCR截止后,TRAC也在其电流减小到小于坚持电流的瞬间自动关断,切断负载与电源间的电流通道.
电路是有过零时开启(并非电压为0V处导通,而是有一定电压),电流过零时关断的特性,其工作波形图如图5所示.
图4过零触发型交流固态继电器结构图
图5继电器工作波形图
电热丝采用铁铬铝合金,铁铬铝合金系列主要优缺点:
优点:
铁铬铝电热合金其使用温度高,最高使用温度可达1400度,(0Cr21A16Nb、0Cr27A17Mo2等),使用寿命长、表面负荷高、抗氧化性能好、电阻率高,价格便宜等。
缺点:
主要是高温强度低,随着使用温度升高其塑性增大,元件易变形,不易弯曲和修复。
5、水箱设计部分
水箱(如图6所示)的主要作用是保证温度控制在实际所需要的温度范围内,根据温度传感器检测到的具体温度来判断现阶段下温度处于那种情况下,是高于PLC给定的最高温度还是低于PLC给定的最低温度,或者是刚好处于PLC给定的温度范围之内。
若温度低于实际所需的温度时,利用水箱顶部的加热器对水箱内部的水进行加热来达到实际所需的温度;若温度高于实际所需温度较大时,利用水箱顶部的进水口向水箱内部注入冷水对水箱实现降温处理,同时可以开大进水阀进行快速的降温,在向水箱内注入冷水的同时向外排放水箱内的高温水,达到动态循环的状态,这样可以更快速更充分的实现降温的效果,保证温度快速的恢复到PLC给定的温度范围之内;若温度高于实际温度较小时,则只需将进水阀开小点即可,最终保证温度控制在实际要求的范围内。
通过水箱对温度的调节来达到整个控制系统的安全稳定的运行。
图6水箱设计图
一般情况下,用比例(P)调教器的系统是一个有差系统,比例度的大小不仅会影响到余差的大小,且与系统的动态性能密切相关。
用比例积分(PI)调节器,由于积分的作用,不仅能实现系统无余差,而且只要参数选择合理,也能使系统具有良好的动态性能。
电机循环水泵通电开通时,分别用数字P、PI、PID控制算法调节电子调节阀的开度,已使测量液位按给定值变化,系统最终能稳定在给定值。
图7温度控制系统结构流程图
六、设计心得体会:
本次设计是一次综合性的设计,要求我们不仅要了解测控智能仪器该课程,还要具备电气技术,传感器等的应用,更有理论联系实际的基本知识。
这样才能更好的设计出符合客观实际条件的设计。
该次设计我选用的是单片机来控制实现温控的。
通过设计,使我对电加热器硬件设计有了进一步了解。
在整个设计过程中,我认真地思考、观察,通过继电器设计控制电热丝开关的通断,以达到灵敏加热的效果。
在设计过程,难免会遇到一些硬件方面的问题,通过刘老师的细心指导,并最终得到较为理想的结果。
七、参考文献:
[1]冯柏群,祁和义.检测与传感器技术[M].北京:
人民邮电出版社,2008年
[2]浦昭邦,王宝光.测控仪器设计[M].北京:
机械工业出版社,2010年
[3]杨老记.AutoCAD2011三维建模入门与实例解析[M].北京:
机械工业出版社,2011年
[4]王月姣.固态继电器在单片机测控系统中的应用[J].中南民族大学学报,2010年
[5]赵英.固态继电器在智能电动调节阀中的应用[J].济南职业学院学报,2008年
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- 测控 系统 课程设计