铂热电阻温度自动控制系统的设计_课程设计论文.doc

课课 程程 设设 计计 题题 目目 铂热电阻恒温自动控制系统的设计 学学 院院自动化 专专 业业自动化 班班 级级 姓姓 名名 指导教师指导教师 2014 年1月10日 课程设计任务书课程设计任务书 学生姓名：学生姓名： 专业班级：专业班级： 指导教师：指导教师： 工作单位：工作单位： 自动化学院 题题 目目: : 铂热电阻恒温自动控制系统的设计 初始条件：初始条件： 1. 课程设计辅导资料：“过程控制系统和应用” 、 “过程控制系统与仪表” 、 “过程控制 仪表及控制系统” 、 “过程控制系统及仪表”等； 2. 先修课程：仪表与过程控制系统等。 3. 主要涉及的知识点： 过程控制仪表、控制系统、被控过程等 要求完成的主要任务要求完成的主要任务: : （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求） 1. 课程设计时间：1.5 周； 2. 课程设计内容：根据指导老师给定的题目，按规定选择其中 1 套完成； 本课程设计统一技术要求：研读辅导资料对应章节，对选定的设计题目所涉及的生 产工艺和控制原理进行介绍，针对具体设计选择相应的控制参数、被控参数以及过 程检测控制仪表，并画出控制流程图及控制系统方框图。 3. 课程设计说明书按学校“课程设计工作规范”中的“统一书写格式”撰写，具体包 括： 目录； 摘要； 生产工艺和控制原理介绍； 控制参数和被控参数选择； 控制仪表及技术参数； 控制流程图及控制系统方框图； 总结与展望；（设计过程的总结，还有没有改进和完善的地方） ； 课程设计的心得体会（至少 500 字） ； 参考文献（不少于 5 篇） ； 其它必要内容等。 时间安排：时间安排： 具体时间设计内容 1 月 1 日指导老师就课程设计内容、设计要求、进度安排、评分 标准等做具体介绍。学生确定选题，明确设计要求 1 月 2 日开始查阅资料，了解系统生产工艺和控制原理。 1 月 3 日确定系统所需检测元件、执行元件、调节仪表技术参数 1 月 6 日1 月 7 日确定控制流程图及控制系统方框图 1 月 8 日1 月 9 日撰写课程设计说明书 1 月 10 日答辩并上交课程设计说明书 指导教师签名：指导教师签名： 20132013 年年 1212 月月 2727 日日 系主任（或责任教师）签名：系主任（或责任教师）签名： 年年 月月 日日 目录 摘要 1 1 生产工艺和控制原理介绍.2 2 控制参数和被控参数选择.3 2.1 被控参数的选择.3 2.2 控制参数的选择.3 3 控制仪表及技术参数.6 3.1 铂热电阻传感器.6 3.2 调节阀的选择.7 3.3 调节器及技术参数的选择.7 3.3.1 调节规律的选择 .7 3.3.2 技术参数的选定 10 4 控制流程图及控制系统方框图11 4.1 控制系统流程图11 4.2 控制系统方框图 .11 5 总结与展望12 6 课程设计的心得体会13 参考文献 .14 仪表与过程控制系统课程设计说明书 1 摘要 过程控制系统是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。 本温度控制系统通过铂热电阻测量被控系统的温度，引入单片机作为核心控制调 节器，并且运用 pid 算法，实现温度的精确控制。由温度传感器返回被控系统温度值 与设定值比较，通过单片机的处理后发出相应的控制信号使一定空间范围内的温度保 持基本恒定，通过实例加深对过程控制系统设计的理解及该课程理论知识与相关学科 的联系。 关键词： 过程控制 pid 算法 铂热电阻 单片机 仪表与过程控制系统课程设计说明书 2 1 生产工艺和控制原理介绍 温度控制是工业生产过程中经常遇到的过程控制，特别是在冶金、化工、建材、 食品、机械、石油等工业中，具有举足轻重的作用，其温度的控制效果直接影响着产 品的质量。因此设计一种较为理想的温度控制系统是非常有价值的。对于不同场所、 不同工艺、所需温度高低范围不同、精度不同，则采用的测温元件、测温方法以及对 温度的控制方法也将不同；产品工艺不同、控制温度的精度不同、时效不同，则对数 据采集的精度和采用的控制算法也不同。因而，对温度的测控方法多种多样。随着电 子技术和微型计算机的迅速发展，微机测量和控制技术也得到了迅速的发展和广泛的 应用，同时实现温度测量的各类传感器层出不穷。本文采用的是以铂热电阻作为温度 传感器，单片机作为核心控制器来控制系统温度的简单控制系统，具体实施过程如下： 铂热电阻传感器接收的温度信号经过 a/d 转换为单片机可接受的数字信号，通过单片 机内设定的相应算法控制加热介质流量的大小从而控制系统的温度。 原理框图如下： 图 1 控制系统原理框图 仪表与过程控制系统课程设计说明书 3 2 控制参数和被控参数选择 被控系统 热介质 热交换器 调节阀 1 调节阀 2 传导介质 图 2 控制系统示意图 如图 2 所示，热介质（比热值大的液体）经热交换器与传导介质婚后后，进入加 热间。通过热传导效应将热能传给被控系统，从而控制其温度。 2.1 被控参数的选择 题以给出要求控制的是被控系统的温度，但由于直接用铂热电阻测系统空气或液 体中的温度较难以实现且存在测量不准确和不及时的缺点。设被控系统为一容器，可 将铂热电阻安置在容器的底部，从而测得的温度值能较客观地反应出整个容器的温度。 2.2 控制参数的选择 从图中可知，影响被控系统温度（或加热间温度）的变量有热介质旁路流量、 1(t) f 传导介质流量，两者分别通过调节阀 1 和调节阀 2 控制。分别以这两个变量作为 2(t) f 控制变量，得到如下两种控制方案： 方案一方案一：以旁路热介质流量为控制变量（由调节阀 1 进行控制） ，对被控系统 1(t) f 温度进行控制； 方案二方案二：以传导介质流量为控制变量（由调节阀 2 进行控制） ，对被控系统温 2(t) f 度进行控制。 两种方案的框图如图 3 中的 a,b 所示（若选择两个变量其中之一为控制变量，则另 一变量视为干扰） 。 仪表与过程控制系统课程设计说明书 4 调节器调节阀 1加热间(t)x(t)y 铂热电阻温度传感器 热交换器 2(t) f + - _ + 1(t) f 3-a 调节器调节阀 2加热间(t)x(t)y 铂热电阻温度传感器 1(t) f + - + - 热交换器 2(t) f 3-b 图 3 温度控制过程 2 种方案控制系统示意框图 在分析、比较两个方案前，先对影响各个方案通道特性的主要环节进行定性分析。 （1）传导介质对加热间介质的温度，传导介质对热介质温度的影响为一个双容过 程，其传递函数可近似为 12 (s) (t s 1)(t s 1) h h hh k g 式中，时间常数、都比较大。 1 th 2 th 仪表与过程控制系统课程设计说明书 5 （2）传导介质与热介质混合后，通过管道进入加热间，旁路热介质对进入加热间 流量的影响，可用一阶惯性环节加纯滞后近似 (s) (t s 1) s m m m k ge 式中，时间常数较小。tm （3）调节阀 1、调节阀 2 到热交换器的滞后时间较小，可忽略不计。 （4）两个方案控制通道都包含调节器、调节阀、温度检测单元，他们的特性不影 响比较结果；加热间的特性对于连两个方案的影响是一致的，同样可以忽略不考虑。 在以上定性结论的基础上，对三个可选方案进行分析、比较，从中选出合理的控 制方案及对应的控制变量。 方案方案 1 从其对应的控制系统框图（图 3-a）可以看出，由调节阀 1 控制的旁路热介 质流量经过热交换器中与传导介质混合和滞后传递函数为之后进入加热间。 1(t) f(s) m g 由于一阶惯性环节时间常数和纯滞后的滞后因数，控制通道有一定的滞后。(s) m gtm 干扰进入通道的位置距调节阀 1 很近，干扰通道环节多，引起的动差小而且平缓。 2(t) f 方案方案 2 从其对应的控制系统框图（图 3-b）可以看出，由调节阀 2 控制的传导介质 流量对流过热交换器的热介质进行冷却中和传递函数为，介质经过混合和 2(t) f(s) h g 滞后传递函数为之后进入加热间。由于有二个时间常数和、(s) m g(s) h g 1 th 2 th 的时间常数、管道的纯滞后多种因素共同影响，控制通道（相对于方案 1）(s) m gtm 的时间滞后很大，控制变量对被控系统温度的控制作用很慢；干扰进入控制 2(t) f 1(t) f 通道的位置距调节阀 2 较远且干扰通道环节少，引起的动差大。所以方案二的控制品 质相对于方案一有很大的下降。 通过以上分析可知，从控制品质角度来看，方案 1 高于方案二。而从生产安全的 角度来看，选用方案一并且令调节阀 1 为气开式可有效地保证在故障发生时加热间的 温度不至于过高，从而使得整个控制系统的安全得到保障。经过综合比较分析后，确 定选择方案 1 较为合理。既选定以旁路热介质流量为控制变量。 1(t) f 仪表与过程控制系统课程设计说明书 6 3 控制仪表及技术参数 3.1 铂热电阻传感器 电阻值随温度的变化程度称为温漂系数,大部分金属材料的温漂系数是正数,而且许 多纯金属材料的温漂系数在一定温度范围内保持恒定,具体应用中选用哪一种金属材料 (铂、铜、镍等) 取决于被测温度的范围。金属铂(pt) 电阻的温度响应特性较好,成本较 低,可测量温度较高;它在0 的额定电阻值100 ,是一种标准化器件。工作温度范围: - 200 + 850 ,考虑到工业的实际应用,本系统设计的测量范围为0100 。因为热敏 电阻的阻值和温度呈正比关系,只需知道流过该电阻的电流就可以得到与温度成正比的 输出电压。根据已知的电阻-温度关系,可以计算出被测量的温度值。pt100温度测器是 一种以铂( pt) 做成的电阻式温度检测器,其电阻和温度变化的关系式为: 23 0 1 10(0 ) t rratbtc tt 式中: r0 为0 下的电阻值,r0 = 100 ; t 为摄氏温度。 因此,用铂做成的电阻式温度检测器,又称为pt100 温度传感器,即: , , 13 3.908 3 10a 7 5.775 10b 12 00 4.183 100 tc c tc 显然,电阻与温度呈非线性关系,但当测量精度要求较低时,电阻值与温度的函数关系 可以简化为: 0( 1) t rrat 实际应用中, pt100 的连接方式可以为两线制、三线制或四线制。该系统采用三线 制接法即可满足要求。二线制连接时,由于引线电阻与pt100 串联,增大了电阻,会影响测 量;三线制连接时,对pt100 额外增加了第三条线,由于引线电阻具有相同特性,能够对线 电阻进行补偿;四线制连接时,可以实现kelvin 检测,消除了两线连线的压差。 对 pt100 温度传感器进行了硬件设计,其整个数据采集系统结构框图如图 4 所示。 利用铂热电阻特性来检测温度,将温度转换成电压信号;再通过 v/i 转换单元,将电压信号 转为 420 ma 的标准电流信号输出,这样既省去昂贵的补偿导线,又提高了信号长距离传 送过程中的抗干扰能力;在单片机系统上再由电流电压转换芯片 rcv420 将 420 ma 转 仪表与过程控制系统课程设计说明书 7 换为 05 v 电压信号。经过 a/d 转换成数字信号,单片机系统把读取到的数字信号进行 识别处理,并换算成与温度对应的数字信号,最后再由液晶显示器显示输出温度值。cpu 主要完成对 a/d 采集到的数据进行处理,包括 a/d 值的滤波处理和 a/d 值向实际温度 转换,最后送给显示器显示。 +24v 输入 （420ma ） 稳压单元放大/线性化v/i 转换 热电阻 pt100 i/v 转换a/d 转换，cpu 处理器 图4 数据采集系统结构框图 3.2 调节阀的选择 前文已经提到，出于安全生产的角度考虑，应选择气开式调节阀，以保证在发生 故障时加热间不至于过热从而引发安全事故。此外，由于温度控制过程是通过热传导 效应来实验的，而热传导效应本身存在一定的延时，所以在选择调节阀时希望能具有 快开/关特性在一定程度上抵消传导效应的延时。而对于单双座的选择也同样遵循对流 量影响较大的原则，选择双座形。综上所述，可以选择平板形阀芯（具有快开特性） 的气开式直通双座阀。 3.3 调节器及技术参数的选择调节器及技术参数的选择 3.3.1 调节规律的选择 系统算法控制采用工业上常用的位置型 pid 数字控制，并且结合特定的系统加以算 法的改进，形成了开关量控制积分分离 pid 控制相结合的自动识别的控制算法。该方 法不仅减小了超调量，而且有效地克服了积分饱和的影响，使控制精度提高。长期以来 国内外科技工作者对温度控制器进行了广泛深入的研究，产生了大批温度控制器，如性 能成熟应用广泛的 pid 调节器、智能控制 pid 调节器、自适应控制等。此处主要对一些 控制器特性进行分析以便选择适合的控制方法应用于改造。 常用的控制算法有以下几种： （1）经典的比例积分微分控制算法； 仪表与过程控制系统课程设计说明书 8 （2）根据动态系统的优化理论得到的自适应控制和最优控制方法； （3）根据模糊集合理论得到模糊控制算法。 自适应控制、最优控制方法以及模糊控制算法是建立在精确的数学模型基础上的， 在实时过程控制中，由于控制对象的精确数学模型难于建立，系统参数经常发生变化， 运用控制理论进行综合分析要花很大代价，主要是时间。同时由于所得到的数学模型过 于复杂难于实现，在实时控制系统中要求系统的控制信号的给出要及时，所以在目前的 过程控制系统中较少采用自适应控制、最优控制方法和模糊控制算法。目前在过程控制 中应用较多的还是 pi 控制算法、pd 控制算法和 pid 控制算法。 温度控制系统的控制对象具有热储存能力大，惯性也较大的特点，空气的流动或加 热片热量传递都存在一定的阻力，因而可以归于具有纯滞后的一阶大惯性环节。 对于大惯性系统的过渡过程控制，一般可采用以下几种控制方案： （1）开关量控制 这种方法通过比较给定值与被控参数的偏差来控制输出的状态，开通或关断，因此控 制过程十分简单，也容易实现；但由于输出控制量只有两种状态，使被控参数在两个 方向上变化的速率均为最大，因此容易引起反馈回路振荡，控制精度不高；这种控制 方案一般在大惯性系统对控制精度和动态特性要求不高的情况下采用。如图5a所示。 （2）比例控制(p 控制) 比例控制的输出与偏差成比例关系，当负荷变化时，抗干扰能力强，过渡过程时间 短，但过程终了存在余差；适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、允许被控量在一定 范围内变化的系统。如图 5b 所示。 （3）比例积分控制(pi 控制) 控制器的输出与偏差的积分成比例，积分的作用使过渡过程结束时无余差，但降低 了系统的稳定性；pi 控制适用于滞后较小，负荷变化不大，被控量不允许有余差的控制 系统。如图 5c 所示。 （4）比例积分加微分控制(pid 控制) 微分的作用是使控制器的输出与偏差变化的速度成比例，它对克服对象的容量滞后 有显著的效果；在比例基础上加入微分作用，使稳定性提高，再加上积分作用，可以消除 余差；pid 控制适用于负荷变化大、容量滞后较大、控制品质要求又很高的控制系统。如 图 5d 所示。 仪表与过程控制系统课程设计说明书 9 t y t y 5a 5b t y t y 5c 5d 图 5 控制算法图示 pid 调节器是一种线性调节器，这种调节器是将设定值 x 与实际输出值 y 进行比较 构成偏差。 e=x-y 并将其比例、积分、微分通过线性组合构成控制量。其动态方程为： 0 11(t) (t)(t)(t)dt t t d i de uee ptdt 对上式进行拉式变换，既得到pid调节器的传递函数： 2 1(s)111 1 (s) idi cd ii tt stsu gt s eptspts 其中-为调节器的比例度p -为积分时间常数 i t -为微分时间常数 d t 仪表与过程控制系统课程设计说明书 10 3.3.2 技术参数的选定 调节器技术参数的选定可根据工程整定法中的稳定边界法来选定，具体方法如下： 在生产工艺容许的情况下，先让调节器按比例比例调节工作。从小到大逐渐改变 调节器的比力度，直至系统产生等幅振荡；记录此时的（临界）比例度和等幅振荡 m p 周期，再通过经验公式的简单计算，求出调节器的整定参数。步骤归纳如下： m t （1）首先取，根据广义对象特性选择一个较大的比例度p值，并在 i t 0 d t 工况稳定的情况下，将控制系统投入自动运行状态。 （2）等系统平稳运行后，对设定值施加一个阶跃扰动，并减小p，直到系统出现 等幅振荡临界振荡过程。记录下此时的临界比例度和系统等幅振荡周期。 m p m t （3）根据所记录的和，按图6中表格所给出的经验公式计算调节器 的整定 m p m t 参数、和，并按计算结果设置调节器参数，再做设定值扰动实验，如此反复，p i t d t 直至得到满意的结果为止。 整定参数 调节规律 （%）p i t d t p2 m p pi2.2 m p0.85 m t pid1.7 m p0.5 m t0.125 m t 图6 稳定边界法整定参数计算表 稳定边界法经验公式的理论依据是在纯比例调节时，系统的最佳放大倍数约等于 临界放大倍数的一半。 m k 仪表与过程控制系统课程设计说明书 11 4控制流程图及控制系统方框图 4.1控制系统流程图 被控系统 热介质 热交换器 调节阀 1 调节阀 2 传导介质 tttc 图7 控制系统流程图 如图所示，该控制系统假定被控系统为一容器，通过安置在容器底部的铂热电阻 传感器（所测温度在0-500）。温度控制过程是通过调节器（采用单片机）控制加入 加热间加热介质的温度以热传导的效应将热能传给被控系统。 4.2 控制系统方框图 调节器调节阀 1加热间(t)x(t)y 铂热电阻温度传感器 热交换器 (t)f + - _ + 图8 控制系统方框图 本控制系统采用的是单闭环回路控制，以热介质的流量作为控制变量，则传导介质 的流量为干扰量，控制规律采用pid调节控制，经过理论分析该系统能够在控制品质和 抗干扰方便有较好的效果。 仪表与过程控制系统课程设计说明书 12 5总结与展望 该温度自动控制系统是以铂热电阻为传感器测量已设容器底端温度（既为容器内温 度），通过a/d转换将信号传送给调节器单片机。调节器控制热介质旁路阀门的开关量 从而控制其流量，间接控制了进入加热间介质的温度，既加热的程度。而调节器内预 写入的pid控制规律使得温度控制系统对于突然的干扰及客观存在的通过滞后特性都有 了一定程度上的抵消，令控制效果大为改善。 同时系统也存在不足和改善的空间：（1）由于系统是通过液体对液态系统控制， 从系统的可操作性及简洁性上考虑，并未设计完善的火花防爆系统； （2）控制系统 没有对故障发生预设方案，若系统发生故障，则调节阀1关闭，但热介质仍源源不断地 进入热交换器与传导介质混合，虽然不足以构成安全问题，但造成了资源的浪费； （3）随着科技进步与理论体系的不断发展，该控制系统中的部分设备及数学公式存在 改进的空间。 仪表与过程控制系统课程设计说明书 13 6课程设计的心得体会 本学期的过程控制系统的学习到此告一段落了，经过半年的学习，使得我对过程 控制有了初步的了解。过程控制系统是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，