油/水浴锅作为典型的温度控制装置,具有控制精度高,输出产品质量稳定等特点,在蒸馏、干燥、浓缩、生物制品及化工生产等领域有着广泛的应用。随着科技发展,对油/水浴锅控制性能的要求不断提高,传统的PID控制策略已无法满足快响应、高精度、强鲁棒的技术需求。同时,现有的油/水浴锅智能化、自动化水平低,主要依赖操作人员现场监控,一旦设备异常,很可能出现严重事故,并且带来巨大的经济损失。因此,本文从系统整体结构入手、开展了实验室用智能油/水浴锅温控系统建模、控制策略优化、硬件电路设计和云端软件开发等研究。具体研究内容如下:实验室用智能油/水浴温度控制系统总体方案设计。根据油/水浴锅智能化需求,提出了智能油/水浴锅总体设计方案。研究了基于WIFI模块的远程通讯原理。搭建了智能油/水浴锅总体结构框架。分析了STM32单片机的主控硬件、人机接口电路、智能控制策略和云端平台监控的可行性。采用MODBUS通讯协议,使上位机能对单片机设备进行远程控制和信息采集。智能油/水浴锅温控系统建模及控制系统设计。研究了油/水浴锅装置组成结构与工作原理。针对油/水浴锅系统的耦合性和大滞后性特点,提出了基于最小二乘法的油/水浴锅温控系统建模方法,根据系统的开环特性,建立了外锅与内锅的温控模型。提出了串级PID的控制策略,设计了油/水浴锅串级PID控制系统,采用粒子群算法优化了控制器参数,与单回路PID控制器进行了对比。结果表明:串级PID控制器的响应速度、控制精度、鲁棒性均优于单回路PID控制器,能够实现内锅温度的高效、精准、稳定控制。智能油/水浴锅主控器硬件电路设计。采用STM32单片机作为主控器。开展了数模转换电路、温度测量电路和恒流源电路研究。搭建了温度控制、电机驱动、电压转换电路。针对电源电路中信号输出和反馈问题,提出了整流滤波、箝位保护、输出反馈的电源优化方法。通过仿真分析了所设计电路的可行性。制备了智能油/水浴锅PCB电路板。智能油/水浴锅温控系统软件设计及实验验证。开展了数模转换模块、液晶屏显示模块、温度控制模块设计。搭建了云组态可视化监控界面。利用WIFI模块,实现了智能油/水浴锅数据与云端的互联。实验验证了智能油/水浴锅的工作性能。结果表明:所设计的串级PID控制器控制效果良好,能够精准控制智能油/水浴锅内锅温度,实验结果与数值仿真保持高度一致。并且,可以随时通过电脑或者手机查看油/水浴锅温度的变化,实现了油/水浴锅的智能化。
