1、自动化专业课程设计-基于 M0 的水温控制调节器设计专业班级： 自动化 112 班 指导教师： 梁毓明老师 姓 名： 刘光云 学 号： 26 号 时 间： 2013 年 6 月 10 日-6 月 30 日第 0 页摘要进入 21 世纪后，自动控制正朝着高精度、多功能、标准化、高可靠性及安全性发展。温度控制也正朝着开发虚拟温度控制器和网络温度控制器、研制单片测温控温系统等高科技的方向迅速发展。温度已成为工业对象控制中一种重要的参数，在科学研究和生产实践的诸多领域中,温度控制占有着极为重要的地位, 温度控制技术是一种比较重要的工业技术，不仅在化工，航天，航空，医疗等高科技领域，在食品、机械、冶金、
2、化工、建材、石油等工业领域,占据着具有举足轻重的作用。在我们日常的生活中，我们也是经常应用到的。随着工业技术的不断发展，传统的控制方式已经不能满足高精度、高速度的控制要求。如接触器温度控制仪表，其主要缺点是温度波动范围大，由于它主要通过控制接触器的通断时间比例来达到改变加热功率的目的，受仪表本身误差和交流接触器的寿命限制，通断频率很低。近几年来快速发展了多种先进的温度控制方式，如：直接数字控制（DDC） ，推断控制，预测控制，模糊控制（Fuzzy） ，专家控制(Expert Control)，鲁棒控制（Robust Control） ，推理控制等，PID 控制，神经网络及遗传算法控制等。这些控
3、制技术大大的提高了控制精度，不但使控制变得简便，而且使产品的质量更好，降低了产品的成本，提高了生产效率。随着 ARM 微型计算机的功能不断的增强，为先进的控制算法提供了载体，许多高性能的新型机种应运而生。ARM 以其功能强、体积小、可靠性高、造价低和开发周期短等优点，成为自动化领域和其他测控领域中广泛应用的器件，在工业生产中成为必不可少的器件。在温度控制系统中，单片机更是起到了不可替代的核心作用。像用于热处理的加热炉、用于融化金属的坩锅电阻炉等类似工业用加热炉中都可以广泛应用，随着生产的发展，在工业中，一些设备对温度的控制要求越来越高。在温度控制技术在温度控制当中，PID 控制技术应用相对来说
4、比较广泛，PID 控制器算法简单，计算量小，恒温效果稳定。本文则是以 ARM（Cortex-MO）为核心、PID 算法为控制方式、MATLAB 仿真、串口通讯而设计的水温控制调节器设计系统。关键字：自动控制，温度控制，ARM，PID 算法，MATLAB 仿真，串口通讯，水温控制调节器。第 1 页目 录摘要第 1 页第一章 概述第 4 页1.1.电阻炉简介第 4 页1.1.1.电阻炉的描述第 4 页1.1.2.电阻炉的工作原理第 4 页1.2.温度控制系统简介第 5 页1.2.1.温度控制系统设计的背景、发展历史及意义第 5 页1.2.2 温度控制系统的目的第 6 页1.2.3 温度控制系统完成
5、的功能第 6 页第二章 本水温控制调节器系统简介第 7 页第 2 页2.1.本控制系统的总体描述第 7 页2.2.本设计的主要内容第 7 页2.2.1.设计课题第 7 页2.2.2.设计要求第 8 页2.2.3.技术指标第 8 页第三章 水温控制调节器系统的硬件设计第 8 页3.1.电炉主控电路的设计第 8 页3.1.1.光耦 MOC3063 作用介绍第 8 页3.1.2.晶闸管 BT137 作用介绍 第 9 页3.1.3.电炉控制电路的设计第 10页3.2.三极管测温电路的设计第 3 页第 10 页3.2.1.三极管测温电路的整体设计第 10 页3.2.2.三极管测温原理简介第 11页3.2
6、.3.LM324 运放电路第 12 页3.3.总体电路的设计组合第 13 页3.3.1.总体硬件电路的原理图第 13 页3.3.2.PCB 转印图第 14 页3.4.硬件电路的焊接与调试第 14 页3.4.1.转印制版第 14 页3.4.2.器件的焊接第 15 页3.4.3.调试第 15 页第 4 页3.5.硬件实物图第 15 页第四章 控制算法的确定与数学模型的建立和求解第 17 页4.1.控制算法的确定第 17 页4.2.数学模型的建立第 17 页4.3.数学模型中参数的求解第 18 页4.3.1.模型的分析第 18 页4.3.2.求模型 K、T、值第 19 页第 5 章 PID 应用原理
7、和参数选择第 19 页5.1.模拟 PID 调节器第 19 页5.2.数字 PID 控制器第 20 页第 5 页5.3.基于 PID 算法的程序流程第 21 页5.4.由模型在 simulink 环境下求 PID 中的参数第 23 页第 6 章 总结与感悟第 25 页致谢！第 26 页参考文献第 27 页第一章 概述1.1.电阻炉简介1.1.1.电阻炉的描述第 6 页电阻炉是利用电流通过电热体元件将电能转化为热能来加热或者熔化工件和物料的热加工设备。电阻炉由炉体、电气控制系统和辅助系统组成。炉体由炉壳、加热器、炉衬（包括隔热屏）等部件组成。电气控制系统包括电子线路、微机控制、仪表显示及电气部件
8、等。辅助系统通常指传动系统、真空系统、冷却系统等。电阻炉的主要参数由额定电压、额定功率、额定温度、工作空间尺寸。生产率、空炉损耗功率、空炉升温时间、炉温控制精度及炉温均匀性等1.1.2.电阻炉的工作原理电阻炉是以电流通过导体所产生的焦耳热为热源的电炉。电阻炉以电为热源，通过电热元件将电能转化为热能，在炉内对金属进行加热。电阻炉和火焰比，热效率高，可达 5080，热工制度容易控制，劳动条件好，炉体寿命长，适用于要求较严的工件的加热，但耗电费用高。按传热方式，电阻炉分为辐射式电阻炉和对流式电阻炉。辐射式电阻炉以辐射传热为主，对流传热作用较小；对流式电阻炉以对流传热为主，通常称为空气循环电阻炉，靠热
9、空气进行加热，炉温多低于 650。按电热产生方式，电阻炉分为直接加热和间接加热两种。在直接加热电阻炉中，电流直接通过物料，因电热功率集中在物料本身，所以物料加热很快，适用于要求快速加热的工艺，例如锻造坯料的加热。这种电阻炉可以把物料加热到很高的温度，例如碳素材料石墨化电炉，能把物料加热到超过 2500。直接加热电阻炉可作成真空电阻加热炉或通保护气体电阻加热炉，在粉末冶金中，常用于烧结钨、钽、铌等制品。采用这种炉子加热时应注意：为使物料加热均匀，要求物料各部位的导电截面和电导率一致；由于物料自身电阻相当小，为达到所需的电热功率，工作电流相当大，因此送电电极和物料接触要好，以免起电弧烧损物料，而且
10、送电母线的电阻要小，以减少电路损失；在供交流电时，要合理配置短网，以免感抗过大而使功率因数过低。大部分电阻炉是间接加热电阻炉，其中装有专门用来实现电-热转变的电阻体,称为电热体，由它把热能传给炉中物料。这种电炉炉壳用钢板制成，炉膛砌衬耐火材料，内放物料。最常用的电热体是铁铬铝电热体、镍铬电热体、碳化硅棒和二第 7 页硅化钼棒。根据需要，炉内气氛可以是普通气氛、保护气氛或真空。一般电源电压 220 伏或 380 伏，必要时配置可调节电压的中间变压器。小型炉（= 100)第 26 页PID_Contr_PWM = 100;if (PID_Contr_PWM = 0)PID_Contr_PWM =
11、0;Third_devt = Second_devt;Second_devt = First_devt;return PID_Contr_PWM;5.4.由模型在 simulink 环境下求 PID 中的参数一、搭建 simulink 原理图分析电炉的数学模型可知，该模型由一个 PID 控制器、零节保持器、惯性环节、滞后环节主要构成，原理图如下所示：二、由 simulink 得出 PID 参数给定设置为 1000，延迟系数设置为 10，进行 PID 仿真可以得出如下波形：此时刻给定的 PID 参数分别：Kp = 0.1,Ki = 0.0003,Kd = 0第 27 页此波形可以得出，上升时间在
12、 50s 左右，有 10 十秒钟的延时，超调量已经很小，稳态误差也满足要求。第六章 总结与感悟通过这次课程设计，对自己以往的学习有了很深的认识。专业课的系统学习刚刚结束，但是由于课程本身较难，在学习过程中没有做到足够的理解学习以及在以后的时间没有做到充分的温习，因此在这次设计作业的解题过程中感遇到了很大的阻力。 首先拿到课题就感到不知所云，犹如丈二和尚摸不着头脑。已经超出我们平时作业的水平，也超出了我们的能力范围，以至好长时间都没有动笔，只是每次拿出来看几眼。慢慢看出了些眉头后，又用过请教同学和老师把部分不懂的细节弄清了。完成这个艰难的第一步后，对整个题目解析宏观的把握，对解题方法也有了大致思
13、路。第二步就是详细分析，作出原理框图，本以为这一步会水到渠成，但进入实际操作，却是遍布荆棘：仅仅一个 PCB 图，就用了很长时间研究。总算计算完毕，开始编写程序。通过此次的课程设计，让我认识到一个很严重的问题：我们的学习不扎实。第 28 页考完之后或是经过一段时间我们就对前面学过的知识没有映像了，这主要是因为没有理解性学习。所以，在以后的学习中，一定要学的扎实，学的牢靠，并且能学以致用，活学活用。同时，作为自动化专业本科生，我们对计算机编程等使用还不够熟练，毕竟，以后的计算，基本有计算机完成，掌握好编程，就如同海上航行把握住了风向，必然一帆风顺。 另外，这次课程设计为明年的毕业论文打下了很好的
14、基础制作电炉的这些天，真的很辛苦，每天在实验室做板，焊接，检验。首先是画原理图，这个很考验模电数电功底，自己根据其功能选择相应的器材，这里得感谢王老师提供的关于可控硅的资料，再自己上网查了一些其他方面的资料，终于，原理图画出来了。其次是画 PCB 图，这个倒不是很难，由于以前画过，所以也没花较多时间就完成了。然后是焊板，如果在焊接中稍有马虎，那么这块板肯定不能成功，我们还需要很大的耐心先根据原理图对照，如果有错，那么只能遗憾的重做前功尽弃。当然，这还不算难，最难的是电路与原理图一样，只不过在某个地方断线什么的这个最麻烦，因为刚开始我们还不知道哪里断线了。所以我们要先目测，如果断线明显还好，有些
15、时候线条太细，断了也看不出来，那么我们就要拿着万能表一段一段的检查。焊接，我们要事先训练几天，因为在焊接过程中，有些器件不能长时间忍受高温，所以我们的焊接要达到既快又准。当我们把硬件都准备好时，电炉其实才完成了一半，电炉的核心控制程序还得我们自己编，一开始，电炉的程序我们完全靠模仿别人的程序，后来随着自己对其中的道理不断加深，我也能试着写写了。我相信，随着对自动化更加深刻的学习，以后一定能够在此基础上完善它！同时我明白了同学之间的合作也是十分重要的，一个人的能力毕竟是有限的，就是你学的再好，也有不知道的东西或者遗忘的东西，所以大家互相帮助，各自发挥自己的所长，这样办事的效率是很高的。这次实验对我来说是成功的，学会了许多课本上所学不到的东西，在课本上我永远也不会知道当自己面临困境的时候该如何去获取资料来解决问题，永远也体会不到自己动手做出一件作品时的激动心情。这次实验使我的专业技能得到很大的提高，首先烙铁已经能够运用了，焊接技术有所提高总的来说动手能力有了很大提高。其次通过这次实验我学会了要如何去做才能将书本和显示连接起来，对所学的知识进行灵活的运用，要
