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青岛理工大学自动化工程学院检测技术与控制仪表课程设计报告题目温度检测与控制系统设计专班姓学业级名号自动化自动化 162 吴凯 201628063 指导教师刘素花 2018 年 12 月 30 日

温度检测与控制系统设计设计任务 1、设计参数被测温度 1200。C，最大误差不超过±1。C 2、设计要求（1）被控对象为小型加热炉，供电电压 220VAC，功率 2kW，用可控硅控制加热炉温度；（2）通过查阅相关设备手册或上网查询，选择温度传感器、调节器、加热炉控制器等设备（包括设备名称、型号、性能指标等）；（3）设备选型要有一定的理论计算；（4）用所选设备构成实验系统，画出系统结构图；课程设计评语设计报告成绩设计过程成绩（60%）（20%）答辩成绩（20%）总成绩

目录摘要 ..................................................... 4 1 概述 ..................................................... 5 1.1 目的意义 ................................................................. 5 1.2 国外研究现状 ............................................................. 5 1.3 过程控制系统 ............................................................. 6 1.4.PID 控制系统 ............................................................. 6 1.5PWM ...................................................................... 6 1.6.PLC ..................................................................... 6 1.7.PID 调节 ................................................................. 7 2.检测与控制单元的设计 .................................... 8 2.1 控制检测模型 ............................................................. 8 2.2 器件选择 ................................................................. 8 2.3 调节单元（中央控制器 plc） ............................................... 9 2.4 控制器（可控硅） ......................................................... 9 2.5 执行器 .................................................................. 10 2.6 检测控制原理 ............................................................ 11 2.7 程序编写 ................................................................ 11 3.总结 ....................................................13 参考文献 ..................................................14

摘要本设计实验采用的是 plc 控制系统输出 pwm 波进行可控硅通断来闭环控制小型加热炉的温度，实现自动控制，方便人们的工作，实验的目标是通过控制加热丝的通电时间与断电时间的调节来控制加热丝的温度。我们利用 plc，可控硅以及加热丝在实验中构成了单回路的闭环控制系统，并采用了 PID 算法对 PLC 编程。动态调节炉内温度，使温度达到规定要求范围，经过多次计算调试，最终实验稳定的温度控制，设计中最重要的是怎么实现算法 PID 的进一步调试，调试相应的控制参数，利用计算机的高精度控制已达到较高的控制水平。关键词：PLC，可控硅，pwm，加热炉，温度

1 概述 1.1 目的意义温度是生活及生产中最基本的物理量,它表征的是物体的冷热程度。自然界中任何物理、化学过程都紧密的与温度相联系。在很多生产过程中，温度的测量和控制都直接和安全生产、提高生产效率、保证产品质量、节约能源等重大技术指标相联系。因此，温度的测量与控制在国民经济各个领域中均受到了相当程度的重视。在实际的生产实验环境下，由于系统内部与外界的热交换是难以控制的，其他热源的干扰也是无法精确计算的，因此温度量的变化往往受到不可预测的外界环境扰动的影响。为了使系统与外界的能量交换尽可能的符合人们的要求，就需要采取其他手段来达到这样一- 个绝热的目的，例如可以让目标系统外部环境的温度与其内部温同步变化。根据热力学第二定律，两个温度相同的系统之间是达到热平衡的，这样利用一个与目标系统温度同步的隔离层，就可以把目标系统与外界进行热隔离。另外，在大部分实际的环境中，增温要比降温方便得多。因此，对温度的控制精度要求比较高的情况下，是不允许出现过冲现象的，即不允许实际温度超过控制的目标温度。特别是隔热效果很好的环境，温度一旦出现过冲，将难以很快把温度降下来。这是因为很多应用中只有加热:环节，而没有冷却的装置。同样道理，对于只有冷却没有加热环节的应用中，实际温度低于控制的目标温度，对控制效果的影响也是很大的。 1.2 国外研究现状随着科技的不断发展，现代社会对生产过程中各种参数和精确度的要求有了几何式的增长，如何准确、迅速地获取这些参数，就受到现代信息基础的发展水平的限制。温度传感器正朝着更多的功能、总线标准、可靠性高、精度高、开发虚拟传感器和传感器网络，系统开发上的芯片等高科技的方向高速发展。传感器通常是经过两个阶段的发展:模拟集成温度传感器，该传感器是由硅半导体集成 I 艺制造而成，也被称为硅传感器或单片集成温度传感器。该传感器具有功能单一、测量误差小远距离传输、低价格、小体积、微功耗、快速的响应速度、适合远程温度检测和温度控制、不需要非线性校准、简单的外部电路等优点。在国内和国际应用集成传感器中，它是最常见的典型产品，如 TMP17、LM135、AD590、AD592 等;模拟集成温度控制器包括-一个可编程的温控开关、温度控制器， LM56、AD22105 和 MAX6509 是典型产品。增强型集成温度控制器(例如 TC652/653)还包含-个模数转换器以及良好的固化程序，其中有一些方面和智能温度传感器是相似的。作为一一个系统，工作时是不受增强型温度传感器的控制，这是两者之间最大的区别。智能温度传感器(亦称数字温度传感器)是在 90 年代中期出现，是微电子技术、计算机技术和自动测试的结果。智能温度传感器包含一个温度传感器、模拟数字转换器、数字信号处理器、存储器和接口电路。某些产品有多路选择器，中央控制器(CPU)、随机存取存储器( RAM)和只读存储器(CD-ROM)。智能温度传感器输出的温度数据的相关量，适用于各种单片机;

基于硬件在软件测试能力的基础,开发了智能温度传感器，其智能化高低水平还取决于软件开发的水平。温度测量仪器国内外研究现状 1.3 过程控制系统过程控制系统是以表征生产过程的参量为被控制量使之接近给定值或保持在给定范围内的自动控制系统。这里“过程”是指在生产装置或设备中进行的物质和能量的相互作用和转换过程。表征过程的主要参量有温度、压力、流量、液位、成分、浓度等。通过对过程参量的控制，可使生产过程中产品的产量增加、质量提高和能耗减少。一般的过程控制系统通常采用反馈控制的形式，这是过程控制的主要方式。 1.4.PID 控制系统当今的闭环自动控制技术都是基于反馈的概念以减少不确定性。反馈理论的要素包括三个部分：测量、比较和执行。测量关键的是被控变量的实际值，与期望值相比较，用这个偏差来纠正系统的响应，执行调节控制。在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称 PID 控制，又称 PID 调节。 PID 控制器（比例-积分-微分控制器）是一个在工业控制应用中常见的反馈回路部件，由比例单元 P、积分单元 I 和微分单元 D 组成。PID 控制的基础是比例控制；积分控制可消除稳态误差，但可能增加超调；微分控制可加快大惯性系统响应速度以及减弱超调趋势。 1.5PWM脉冲宽度调制是一种模拟控制方式，其根据相应载荷的变化来调制晶体管基极或 MOS 管栅极的偏置，来实现晶体管或 MOS 管导通时间的改变，从而实现开关稳压电源输出的改变。这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定，是利用微处理器的数字信号对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。 PWM 控制技术以其控制简单，灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式，也是人们研究的热点。图一：pwm 1.6.PLCPLC 英文全称 Programmable Logic Controller ,中文全称为可编程逻辑控制器，定义是:一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。本次试验中所采用的 PLC 为西门子系列 PLC。

1.7.PID 调节图二：PID 控制原理图 U(t)表示当前控制器的输出量 e(t)表示当前控制器的输入量（一般为设定量与当前量的差值 delta=Uset-Unow） PID，其实对应的是三个量 Proportion（比例），记量 Kp Integration（积分），计量 Ki Differential（微分），记量 Kd

2.检测与控制单元的设计图三：控制检测模型 2.1 控制检测模型 2.2 器件选择 ①温度传感器求测温度 1200 度，误差不超过土 1C，所以决定了只能用铂铑等贵金属材料热电偶。IAKK-WRR 系列铂铑热电偶是一种传统的测温元件，具有热电性能稳定、抗氧化性强，适宜在氧化性、惰性气氛中连续使用。长期使用温度为 1600*C,短期使用温度为 1800C。有纸记录仪其技术指标如下: 1、测温范围: 0 ~1800C2、测温精度:<土 0.5% t3、时间常数:≤180s 2、绝缘电阻: 5MQ (20°C 时) 3、规格尺寸: 500， 750， 1000，1200 ( mm) HAKK-WRR 系列铂铑热电偶又称高温贵金属热电偶，铂铑有单铂铑(铂铑 10-铂铑)和双铂铑(铂铑 30-铂铑 6)之分，它们作为温度测量传感器，通常与温度变送器、调节器及显示仪表等配套使用，组成过程控制系统，用以直接测量或控制各种生产过程中 0-1800C 范围内的流体、蒸汽和气体介质以及固体表面等温度。铂铑热电偶为贵金属热电偶。偶丝直径规定为 0.5mm，允许偏差-0.015mm，其正极(BP)的名义化学成分为铂铑合金，其中含铑为 30%，含铂为 70%，负极(BN)为铂铑合金，含铑为量 6%，故俗称双铂铑热电偶。该热电偶长期最高使用温度为 1600C，短期最高使用温度为 1800C。优点:铂铑热电偶在热电偶系列中具有准确度最高，稳定性最好，测温温区宽，使用寿命长，测温上限高等优点。适用于氧化性和惰性气氛中，也可短期用于真空中，但不适用于还原性气氛或含有金属或非金属蒸气气氛中。B 型热电偶一个明显的优点是不需用补偿导线进行补偿，因为在 0 50'C 范围内热电势小于 3μ V。缺点:铂铑热电偶不足之处是热电势，热电势率较小，灵敏读低，高温下机械强度下降，对污染非常敏感，贵金属材料昂贵，因而一-次性投资较大。铂铑热电偶的工作原理是铂铑热电偶是由两种不同成分的导体两端接合成回路时，当两接合点温度

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