CN102723028A - 一种单回路快速温度控制实验教学装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种单回路快速温度控制实验教学装置，包括有被控对象、传感器、温度变送器、智能调节仪表、调压模块、上位机，热源采用卤钨灯，能够实现快速升温和冷却，智能调节仪表通过RS232通讯口与上位机相连接实现控制量的输出，上位机装有组态软件，通过PID参数的调节，可以使系统具有较为满意的动态性能指标，并能够记录系统的实时和历史数据、曲线。本发明很好的模拟了工业过程自动化的操作和管理平台，不仅可以满足本科生对过程控制实验的要求，也为研究生的深入研究提供一实验平台，且该装置结构简单合理，便于操作，维修方便，可广泛用于学生实验。

Description

一种单回路快速温度控制实验教学装置

技术领域

本发明涉及教学仪器技术领域，尤其是一种教学用单回路快速温度控制实验教学装置。

背景技术

温度是生产过程和科学实验中普遍存在而且重要的物理参数之一。在很多生产过程中，温度的测量和控制不仅与生产安全、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，也是实现工业生产过程自动化的一项重要任务。

温度测量是温度控制的基础，测量技术也比较成熟，温度控制则由于被控对象越来越复杂而存在需要更好的提高控制性能以满足不同系统的控制要求。目前温度测量有多种方法也都比较成熟，从测量体与被测介质接触与否，主要有接触式测温和非接触式测温两种方法。其中接触式测温方法简单、可靠，测量精度高，但是由于测温元件要与被测介质接触进行热交换才能达到热平衡，因而在测量中产生了滞后现象，同时测量体也可能与被测介质产生化学反应而影响测量精度，此外，测量体材料受温度限制大，不适于高温测量。相比之下，非接触式测温的上下限原则上不受限制，测温度速快，可以对运动体进行测量，但是其应用受到物体的辐射率、距离以及空气因素的影响，误差较大。温度控制目前最常用的PID控制，并对PID算法进行了优化，使PID算法更能适应现代温度控制的要求。

随着工业生产自动化的发展及需求，普通高校、职业院校也相继开办了相关专业及课程，但是目前大多数学校的过程控制类课程的教学还停留在书本教学的阶段，而实验仪器则相对匮乏，不能满足高等院校过程控制类专业教学实验的需求，而实验中若采用水温测量，则温度升高速度慢，涉及实验前后的取水、防水问题，并且因为实验仪表和上位机等设备都要与电源相连接，也容易造成潜在的安全隐患，因此，有必要设计提供一种满足过程控制类教学实验的装置，以满足课堂教学实验的要求，增强学生对课程内容及工业生产过程自动化的了解，也可为研究生和科研人员在复杂系统及先进控制系统的研究提供工业过程自动化相关的物理模拟对象和实验手段。

发明内容

本发明创作的目的在于针对现有过程控制类课程教学实验装置的不足，提供一种单回路快速温度控制实验教学装置，该装置结构简单、合理，直观明了，热源升温快，缩短了实验时间，实现了直观式单回路控制原理学习、操作、实时演示、性能分析等系列技能和实验设计功能，可同时满足本科生的课堂实验要求和研究生及科研人员对复杂控制系统和先进控制系统的研究。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种单回路快速温度控制实验教学装置，包括有被控对象、用于感应被控对象温度的温度传感器、连接温度传感器的温度变送器、连接温度变送器的智能调节仪表、以及与智能调节仪表连接的调压模块和上位机；其中，被控对象通过温度传感器和温度变送器与智能调节仪表相互连接，智能仪表实现温度的采集和控制量的输出，输出的控制量通过数据线送给调压模块，并通过RS232通讯口与上位机连接，上位机装有MCGS组态软件，可以通过调节PID参数使系统获得较好的动态性能指标。

进一步地，所述的被控对象为卤钨灯热源，卤钨灯热源采用1000W卤钨灯泡并设计反光罩罩在其外面；该反光罩采用复合抛物面结构的铸铁，将其表面抛光后镀金(银)，以提高抛物面的反射率。

进一步地，所述卤钨灯热源的温度值作为控制量，温度传感器测得卤钨灯热源的温度并将信号送给温度变送器，温度变送器将温度传感器的电压/电流信号转换为标准统一信号送给智能调节仪表，实现温度的采集与控制量的输出。

进一步地，所述温度传感器为热电偶或热电阻，热电偶或热电阻采集的信息通过温度转换器转换为标准电压/电流信号，并通过数据线将标准信号送到智能调节仪表，智能仪表根据温度设定值和测量值的差值，通过自身的PID调节功能调节调压模块的输出电压。

进一步地，所述调压模块包括有移相触发器与随机型固态继电器，两者相匹配使用，实现移相调压功能；其中，所述移相触发器以负载交流电压为相同相位，随着控制电压变化，内部产生相对负载交流电压180°-0°的触发脉冲，驱动随机型固态继电器实现负载端电压的连续调节。

进一步地，所述智能调节仪表包括有两个显示窗可同时显示温度设定值和温度实时测量值，且可以手动调节也可以自动调节。

进一步地，所述温度转换器、智能调节仪表和调压模块安装在同一综合支架上，并设置于实验台的一侧。

相较于现有技术，本发明创作结构简单合理，直观明了，便于接线操作，而且维修比较方便，可广泛用于课堂演示和学生实验，不仅可以满足本科生的实验要求，增强其对课程内容及工业生产过程自动化物理对象和管理平台的了解，也可为研究生和科研人员在复杂系统及先进控制系统的研究提供工业过程自动化相关的物理模拟对象和实验手段。

附图说明

图1本发明的整体结构原理图。

图2本发明的卤钨灯热源原理图。

图3本发明的总体电路原理图。

图4本发明MCGS组态软件运行环境界面图示。

图5本发明的调压模块电路原理图。

具体实施方式

为了使本创作的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本创作进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在本发明实施例的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，一体地连接，也可以是可拆卸连接；可以是两个元件内部的连通；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。

参照图1所示，本发明一种单回路快速温度控制实验教学装置包括有被控对象1、用于感应被控对象温度的温度传感器2、连接温度传感器2的温度变送器3、连接温度变送器3的智能调节仪表4、与智能调节仪表4连接的调压模块5、以及上位机6。

在本发明实施例中，被控对象1为卤钨灯热源，其温度值作为系统的控制量，系统的给定信号为一定值，要求实现被控制量即卤钨灯热源的温度在稳态时等于给定值，由反馈原理可知，应把卤钨灯热源的温度经温度传感器2检测后的信号作为系统的反馈信号。温度传感器2测得卤钨灯热源的温度并将信号送给温度变送器3，温度变送器3将温度传感器2的电压/电流信号转换为标准统一信号送给智能调节仪表4，实现温度的采集与控制量的输出.在本发明实施例中，智能调节仪表4为天辰XSC5系列智能调节仪表，天辰XSC5系列智能调节仪表可以利用自身的PID调节功能实现控制量的输出，输出的控制量作为执行机构即调压模块5的输入信号，调压模块5输出0-220V电压信号作为卤钨灯热源的供电电压从而实现热源温度的调节，智能调节仪表通过RS232通讯口10与上位机6实现双向通讯，上位机6上装有MCGS组态软件，在MCGS组态运行环境中可以对PID参数进行调节从而实现对控制量的调节，并实时记录系统的温度值及响应曲线。

如图1所示，卤钨灯热源和温度传感器2安放在实验台8的同一侧上，其中卤钨灯热源采用卤钨灯泡加热，其温度变化范围为0～800℃，并在反光罩的球面铸铁表面镀金抛光以提高光照强度，加快升温速度。温度传感器2采用K型热电偶和铂电阻，温度转换器3、智能调节仪表4、以及调压模块5安装在同一综合支架9上，它们和上位机6在实验台的另一侧，这也考虑了实验过程中的安全性问题，这样的设置降低了实验过程中的安全隐患。

图2为本发明的卤钨灯热源原理图，卤钨灯热源包括有卤钨灯泡18和反光罩19，反光罩19罩在卤钨灯泡18外面，其中卤钨灯泡18具有体积小、发光效率高、色温稳定、几乎无光衰等优点，因此它比一般白炽灯的亮度和效率要高；反光罩19采用复合抛物面结构，一方面，在抛物面结构的铸铁表面抛光后镀金(银)，金(银)对光具有较高的反射率，能够提高复合抛物面结构的光反射区的出光效率，另一方面，卤钨灯泡18安装于复合抛物面的焦平面上，卤钨灯泡发射的光经抛物面反射后能够聚焦在聚焦面上，因此，可以使卤钨灯热源使温度快速升高，实现本实验装置快速升温的目的，温度传感器2探头位于抛物面聚焦面范围内，以保证所测温度的精确性。

温度传感器2为采用热电偶或热电阻，热电偶选择结构简单、精度高、热惯性小的K型热电偶，热电阻选用测温范围宽、线性度好、精度高、制作误差小、结构简单那并已有同一国际标准的铂电阻温度传感器。

图3所示为本发明的电路原理图，也包含了信号的流向，热电偶或热电阻温度传感器2采集的信息通过温度转换器3转换为标准电压/电流信号，并通过数据线将标准信号送到天辰XSC5系列PID智能调节仪表，智能调节仪表的输入电流为标准的4-20mA直流电流，输出为0-5V电压信号，智能仪表能够同时显示温度测量值和设定值，根据温度设定值和测量值的差值，智能调节仪表通过自身的PID调节功能调节调压模块5的输出电压，调压模块5的输入信号为智能调节仪表输出的0-5V电压信号，输出为0-220V连续变化的电压信号，从而使卤钨灯的供电电源11的电压在0～220V之间连续变化进而控制卤钨灯的温度值，智能调节仪表也可以通过RS232通讯口10与上位机6进行双向通讯，上位机6装有MCGS组态软件，通过组态软件可以进行PID参数的设定，从而寻找一组使系统动态性能较好的PID参数，同时实现温度值的实时曲线显示和数据保存。

图4为MCGS组态软件的运行环境界面，其中左侧为系统的组态，通过这种组态方式将所有仪表和设备连接，右侧的PID参数设置窗口可以对PID参数进行设置，中间一栏温度设定值窗口可以设置温度值，温度测量值窗口显示的是温度的实时测量值，控制输出窗口的值在0-100之间变化，表示的是电压的百分比，对应卤钨灯供电电源0-220V的电压变化,中间一栏下侧的窗口显示为温度的设定值和测量值曲线。

图5为调压模块电路原理图，本发明实施例采用移相触发器与随机型固态继电器相匹配使用，实现移相调压功能。移相触发器以负载交流电压为相同相位，随着控制电压（0-5V）变化，内部产生相对负载交流电压180°-0°的触发脉冲，驱动随机型固态继电器实现负载端电压连续调节。移相触发器模块与固态继电器分别采用百特电器的YXCF-Y型移相触发器16和P2542-14G型固态继电器17。其中，移相触发器16的12、13脚接同步变压器的副边绕组9Vac，供给移相触发器16电源和同步基准；14脚位输出端，COM端为内部地，当移相触发器16由外电路控制时，如本系统的情况，COM端与外电路的地相连；CON端为控制端，当该脚接入0-5V的电压信号时，输出端变产生180°-0°的可移相的宽脉冲，驱动固态继电器17实现负载15端电压在0-220V之间连续调节，输入为0～5V的电压信号，输出电压在0～220V之间连续调节，实现调压功能，进而控制热源的加热过程。

具体应用时候，按如下实验步骤进行：

1)按照实验要求，完成系统各部分之间的连线，接通电源。

2)启动计算机，运行MCGS组态软件界面程序，完成本系统的组态。

3)在上位机MCGS操作界面中进行温度设定值的设置以及PID参数的设置，调节PID参数直到系统具有较满意的动态性能指标。

4)系统在开环状态下，利用阶跃响应曲线发求得系统传递函数，利用MATLAB仿真软件实现PID仿真，增强学生对PID调节参数的理解。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种单回路快速温度控制实验教学装置，包括有上位机，其特征在于：还包括有被控对象、用于感应被控对象温度的温度传感器、连接温度传感器的温度变送器、连接温度变送器的智能调节仪表、以及与智能调节仪表连接的调压模块；被控对象通过温度传感器和温度变送器与智能调节仪表相互连接，智能仪表实现温度的采集和控制量的输出，输出的控制量通过数据线送给调压模块，并通过RS232通讯口与上位机连接，上位机装有MCGS组态软件，可以通过调节PID参数使系统获得较好的动态性能指标。

2.如权利要求1所述的单回路快速温度控制实验教学装置，其特征在于：所述的被控对象为卤钨灯热源，卤钨灯热源采用1000W卤钨灯泡并设计反光罩罩在其外面；该反光罩采用复合抛物面结构的铸铁，将其表面抛光后镀金(银)，以提高抛物面的反射率。

3.如权利要求2所述的单回路快速温度控制实验教学装置，其特征在于：所述卤钨灯热源的温度值作为控制量，温度传感器测得卤钨灯热源的温度并将信号送给温度变送器，温度变送器将温度传感器的电压/电流信号转换为标准统一信号送给智能调节仪表，实现温度的采集与控制量的输出。

4.如权利要求3所述的单回路快速温度控制实验教学装置，其特征在于：所述温度传感器为热电偶或热电阻，热电偶或热电阻采集的信息通过温度转换器转换为标准电压/电流信号，并通过数据线将标准信号送到智能调节仪表，智能仪表根据温度设定值和测量值的差值，通过自身的PID调节功能调节调压模块的输出电压。

5.如权利要求4所述的单回路快速温度控制实验教学装置，其特征在于：所述调压模块包括有移相触发器与随机型固态继电器，两者相匹配使用，实现移相调压功能；其中，所述移相触发器以负载交流电压为相同相位，随着控制电压变化，内部产生相对负载交流电压180°-0°的触发脉冲，驱动随机型固态继电器实现负载端电压的连续调节。

6.如权利要求5所述的单回路快速温度控制实验教学装置，其特征在于：所述智能调节仪表包括有两个显示窗可同时显示温度设定值和温度实时测量值，且可以手动调节也可以自动调节。

7.如权利要求6所述的单回路快速温度控制实验教学装置，其特征在于：所述温度转换器、智能调节仪表和调压模块安装在一综合支架上，并设置于实验台的一侧。

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