计算机控制技术课程设计（论文）-氨冷却器出口温度控制系统设计.doc

计算机控制技术计算机控制技术 课程设计（论文）课程设计（论文） 题目：题目：氨冷却器出口温度控制系统设计氨冷却器出口温度控制系统设计 III 摘 要 氨冷器主要的作用是为了使醋酸铜氨液再生以便循环使用。为了达到生产过 程对控制系统的要求，在简单温度控制系统基础上叠加一个液位超驰系统，即温 度控制系统。该控制系统中需要用到温度，传统的调节器采用 DDZ-型电动组合 仪表，而随着单片机在控制领 域广泛应用, 利用计算机软件实现控制算法, 具 有更大的灵活性、可靠性和更好的控制效果。 因此，本论文主要设计智能化的温度控制系统，该系统以 AT89C51 单片机为 主控单元，采用温度传感器 DS18B20 进行温度采集，使用液位变送器采集液位信 号，使用 ADC0809 作为 A/D 转化器，具有温度的自动调节功能，采用 LCD12864 液晶模块进行数字显示。同时，本文还详细的给出了部分相关的硬件电路图和软 件流程图，并编制了汇编程序。 关键词：超驰控制系统;89C51 单片机;DS18B20;A/D 转化器 IV 目 录 第 1 章 绪论 .3 第 2 章 课程设计方案 .3 2.1 系统工作原理 .3 2.2 显示电路方案的选择 .3 2.3 声光报警电路的选择 .3 2.4 系统总体设计 .3 第 3 章 硬件电路设计 .3 3.1 AT89C51 单片机 .3 3.2 温度采集模块的设计 .3 3.4 AD 和 DA 转换器 .3 第 4 章 软件设计 .3 4.1 主程序的设计 .3 4.2 T0 中断模块 .3 4.3 PID 算法的设计 .3 4.4 各功能模块子程序的设计 .3 4.5 显示程序 .3 第 5 章 系统测试与分析/实验数据及分析 .3 第 6 章 总结 .3 参考文献 .3 1 第 1 章 绪论 在合成氨生产过程中，采用醋酸铜氨液吸收变化气体中的一氧化碳和二氧化 碳，吸收是一个放热反应，吸收一氧化碳与二氧化碳的醋酸铜氨液温度高达 80 以上，为了使醋酸铜氨液再生以便循环使用。其关键性的一个步骤就是将饱和的 醋酸铜氨液冷却到 810，其冷却过程主要是借助于氨冷器来实现的，氨冷器 是依靠液氨汽化吸收醋酸铜氨液的热量，使铜氨液的温度下降这一原理进行的， 液氨在氨冷器中汽化需要一定的时间，氨冷器在某一个液位高度上汽化面积为最 大，因此，当液氨高度超过最大的汽化面积高度后，液位越高汽化面积越小，调 节过程会出现反常现象，这是氨冷器调节的一个重要特点。为了达到生产过程对 控制系统的要求，在简单温度控制系统的基础上叠加上一个液位超驰调节系统。 正常工况下，如果温度升高，温度控制器输出控制液氨流量。增加液氨量， 经液氨的蒸发，使出口温度下降。如果液位上升到软限液位设定仍不能降低温度， 由液位控制器取代温度控制器，根据液位控制进氨量，保护了后续设备，一旦温 度下降，温度控制器输出与液位控制器输出相等，并继续下降时，温度控制器就 自动取代液位控制器，工艺操作恢复到正常工况。 在该控制系统中，调节器既可安装在液氨管线上，也可安装在氨气管线上， 调节阀安装在氨气管线上对象迟后较小，反应比较灵敏，但缺点是需要用一个较 的气体阀门，这种阀门成本比较高，而且受氨气的腐蚀比液氨严重得多，所以调 节阀一般是安装在液氨管线上。 无论在正常工况下，还是在异常工况下，总是有调节器处于开环待命状态。 对于处于开环的调节器，其偏差长时间存在，如果有积分控制作用，其输出将进 入深度饱和状态。一旦选择器选中这个调节器工作，调节器因处于饱和状态而失 去控制能力，只能等到退出饱和以后才能正常工作。所以在超驰控制系统中，对 有积分作用的调节器必须采取抗积分饱和措施。而对于计算机在线运行的控制系 统，只要利用计算机的逻辑判断功能进行适时切换即可。 目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。同时， 控制理论的发展也经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。 自动控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。一个控制系统包括控制器、 传感器、变送器、执行机构、输入输出接口。控制器的输出经过输出接口、执行 机构，加到被控系统上；控制系统的被控量，经过传感器，变送器，通过输入接 口送到控制器。不同的控制系统，其传感器、变送器、执行机构是不一样的。比 如压力控制系统要采用压力传感器。电加热控制系统采用的传感器是温度传感器。 2 传统的PID调节器多为模拟调节器, 这种调节器多用电动或气动单元组合仪 表来完成, 随着微机的不断发展和应用,特别是单片机在控制领域广泛应用, 利 用计算机软件实现控制算法, 具有更大的灵活性、可靠性和更好的控制效果。因 此, 以单片微机为中心、采用数字算法的数字调节器正不断代替模拟调节器。自 从80年代初期数字调节器推出以来,随着微处理机技术的发展,数字调节器不断向 智能化、微型化调节器发展，调节器的功能也不断进步,由于数字设定、运算功 能的增强,不仅使调节器的功能大幅度提高,而且由PID自整定、多种信号制输入、 自由电源、EEPROM等新技术的使用,使用户操作变得简单化,并且减少了库存,方 便了备品备件的管理。 PID 控制及其控制器或智能 PID 控制器（仪表）已经很多，产品已在工程实 际中得到了广泛的应用，有各种各样的 PID 控制器产品，各大公司均开发了具有 PID 参数自整定功能的智能调节器(intelligent regulator)，其中 PID 控制器参 数的自动调整是通过智能化调整或自校正、自适应算法来实现。 通过本次毕业设计对掌握电路设计和 89C51 程序设计的思路与方法，掌握氨 冷器控制系统的意义与运用，结合单片机与传感器技术对温度及液位进行检测和 控制以使系统的响应速度加快，超调量减少，过渡过程时间缩短，振荡次数减少 控制，生产安全成为本系统研究的主要目的和意义。 3 第 2 章 课程设计方案 2.1 系统工作原理 在温控部分，用 89C51 单片机为中央处理器，通过温度传感器 DS18B20 采集 温度信号，ADC0809 将采集到的温度信号传输给单片机，再由单片机控制显示器， 并进行 PID 处理，然后经 DAC0832 输出模拟信号驱动电气转换器 QZD-1000，继 而控制液氨调节阀，调节液氨的进出量，实现对温度的控制。 总体设计方案方案一：采用传统的热电阻传感器测量温度值，再将信号送 入温度变送器，输出标准电信号，经 ADC0809 转化为数字信号送入单片机。成本 简单，但结构较复杂，涉及多个元器件。 方案二：采用集成温度传感器 DS18B20，DS18B20 温度传感器是美国 DALLAS 半导体公司最新推出的一种改进型智能温度传感器，与传统的热敏电阻等测温元 件相比，它能直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现 912 位的数字值读数方式。独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信，不 需经过 ADC 转换再送入单片机中 综合各项因素，选择方案二。 2.2 显示电路方案的选择 方案一：显示电路采用 4 位共阳 LED 数码管，从 P3 口 RXD,TXD 串口输出段码。 显示电路是使用的串口显示，最大的优点就是使用口资源比较少，该显示电路只 使用单片机的 3 个端口 P1.7，P3.0,P3.1。并配以 4 片串入并出移位寄存器 74LS164（LED 驱动）四只数码管采用 74LS164 右移寄存器驱动，显示比较清晰。 但结构为复杂。 方案二：采用 LCD12864 作为显示信息器件，与用户进行友好交互。LCD12864 是专门用于显示汉字、字母、数字、符号的显示模块，具有功耗低、体积小、显 示内容丰富等诸多优点，在低功耗应用系统中得到很广泛。LCD12864，即像素为 128*64 的显示液晶。其每一行最多可以显示 8 个中文，16 个半宽字体。由该模 块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结 构或显示程序都要简洁得多。 4 2.3 声光报警电路的选择 方案一：采用蜂鸣器和高亮发光二极管组成声光报警电路。它是高电平报警， 一旦监测到温度、液位值达到报警限时，就发出报警。该电路简单、可靠。 方案二：采用语音芯片，在超过上下限时能够通过语音进行报警，其人机交 互友好，但控制复杂，成本较高。 综合考虑，选用方案一。 2.4 系统总体设计 本系统通过温度采集模块对氨冷器出口温度信号进行采样，同时液位采集模 块也对氨冷器中液氨高度进行采样，将采集到的信号送到 89C51 单片机进行处理， 当在正常工况时，采用温度调节程序，最后单片机将处理过的数字信号通过 D/A 转换为模拟信号输出，驱动电气转换器，将电流信号转化为标准气压信号，推动 执行机构，控制液氨的进入量，从而实现温度的调节；在液位超过最大汽化面积 高度时，单片机自动转向液位调节程序，使液位高度恢复正常值，又重新由温度 调节程序对液氨调节阀进行控制。另外，本设计实现了当前温度值和液位值超限 的报警等功能。 图 2.1 总体设计图 单片机 AT89C51 液晶显示模块 执行机构 温度传感器 液位传感器 键盘输入 报警模块 5 第 3 章 硬件电路设计 3.1 AT89C51 单片机 AT89C51 是美国 ATMEL 公司生产的低电压，高性能 CMOS8 位单片机，片内含 4k bytes 的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和 128 bytes 的随机存取数 据存储器（RAM） ，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼 容标准 MCS-51 指令系统，片内置通用 8 位中央处理器（CPU）和 Flash 存储单元， 功能强大 AT89C51 单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各 种控制领域。 AT89C51 提供以下标准功能：4k 字节 Flash 闪速存储器，128 字节内部 RAM，32 个 IO 口线，两个 16 位定时计数器，一个 5 向量两级中断结构，一 个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C51 可降至 0Hz 的静 态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止 CPU 的工作， 但允许 RAM，定时计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存 RAM 中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。 3.2 温度采集模块的设计 DS18B20 温度传感器是美国 DALLAS 半导体公司最新推出的一种改进型智能温 度传感器，与传统的热敏电阻等测温元件相比，它能直接读出被测温度，并且可 根据实际要求通过简单的编程实现 912 位的数字值读数方式。 DS18B20 采用 3 脚 PR35 封装或 8 脚 SOIC 封装，64 位 ROM 的结构开始 8 位 是产品类型的编号，接着是每个器件的惟一的序号，共有 48 位，最后 8 位是前 面 56 位的 CRC 检验码，这也是多个 DS18B20 可以采用一线进行通信的原因。温 度报警触发器 TH 和 TL，可通过软件写入户报警上下限。 DS18B20 温度传感器的内部存储器还包括一个高速暂存 RAM 和一个非易失性 的可电擦除的 EERAM。高速暂存 RAM 的结构为 8 字节的存储器，结构如图 3-5 所 示。头 2 个字节包含测得的温度信息，第 3 和第 4 字节 TH 和 TL 的拷贝，是易失 的，每次上电复位时被刷新。第 5 个字节，为配置寄存器，它的内容用于确定温 度值的数字转换分辨率。DS18B20 工作时寄存器中的分辨率转换为相应精度的温 度数值。该字节各位的定义如图 3-5 所示。低 5 位一直为，TM 是工作模式位， 用于设置 DS18B20 在工作模式还是在测试模式，DS18B20 出厂时该位被设置为 0，用户要去改动，R1 和 R0 决定温度转换的精度位数，来设置分辨率。 6 3.4 AD 和 DA 转换器 液位变送器采集到的信号需经过 AD 转换送入单片机中进行处理，而由单 片机处理过的数字信号，需经过 DA 转换送入执行机构，驱动调节阀调节液氨 的流量。 本系统分别采用 ADC0809 和 DAC0832 作为模数转化器。它们都是较为通用的 转换器，性能稳定。 ADC0809 是 8 位 8 通路逐次逼近式 AD 转换器，输入电压在(05)V，最大 不可调误差小1LSB，它具有高速、高精度、温度依赖度低以及在长期工作条件 下能耗小、重复性好等优点。 ADC0809 是带有 8 位 A/D 转换器、8 路多路开关以及与微型计算机兼容的控 制逻辑的 CMOS 组件，其转换方法为逐次逼近型。在 A/D 转换器内部含有一个高 阻抗斩波稳定比较器，一个带有模拟开关树组的 256 电阻分压器，以及一个逐次 逼近型寄存器。8 路的模拟开关由地址锁存器和译码器控制，可以在 8 个通道中 任意访问一个通道的模拟信号。由于多路开关的地址输入部分能够进行锁存和译 码，而且三态 TTL 输出也可以锁存，所以它易于与微型计算机接口。 DAC0832 是美国资料公司研制的 8 位双缓冲器 D/A 转换器。芯片内带有资料锁 存器，可与数据总线直接相连。电路有极好的温度跟随性，使用了 COMS 电流开 关和控制逻辑而获得低功耗、低输出的泄漏电流误差。芯片采用 R-2RT 型电阻网 络，对参考电流进行分流完成 D/A 转换。转换结果以一组差动电流 IOUT1和 IOUT2 输出。 DAC0832 主要性能参数：分辨率 8 位；转换时间 1s；参考电压10V；单电 源+5V+15V；功耗 20mW。 图 3.1 硬件连接图 温度传感器 液位传感器 键盘输入 AT89C51 执行机构 报警模块 液晶显示模块 7 第 4 章 软件设计 本设计软件所要实现的功能：实时控制液氨调节阀；实时检测是否超温度液 位出上下限；低选；实时显示检测的数据、上下限数值；实时监控键盘输入；报 警控制。 4.1 主程序的设计 本系统各功能模块子程序主要包括：温度处理程序、A/D 转换程序、液位处 理程序、低选、D/A 转化程序、显示程序、温度液位设定程序。主程序完成整个 系统的初始化工作，包括堆栈设置及有关标志，内存地址单元分配，暂存单元和 动态显示缓冲区数据清零等，主程序还需要调用 T0 中断程序。主程序软件流程 图如图 4-1 所示。 开始 初始化 参数设置 TO 初始化 开中断 等待 TO 中断 8 图 4.1 主程序软件流程图 4.2 T0 中断模块 T0 中断程序主要完成整个系统的温度液位控制工作，包括 A/D 转换，报警 处理，调用 PID 子程序，D/A 转换等。T0 中断模块的程序流程图如图 4-2 所示。 9 Y N Y N N Y 开始 关中断 保护现场 读取温度值计算偏差 温度有偏差 计算控制量 PID 调节 低于液位输出 D/A 转化 温度显示 圣光报警 AD 转换 有偏差 计算控制量 PID 调节 D/A 转化 液位显示 声光报警 返回 图 4.2 T 中断模块图 4.3 PID 算法的设计 氨冷器这样的设备可以选择积分外反馈型的比例积分调节器，在一个控制系统中至少由 被控对象、测量变送器、控制器及执行器等部分组成。由于外界的各种扰动不断产生，被控 对象在各种扰动作用下，使得被控信号偏离给定值 SV，要想达到被控信号的恒定值，首先 由变送器对被测值进行检测，电流信号送给执行器，最后执行器自动地根据控制器送来的信 号值相应地改变流入(或流出)被控对象的液氨量，克服扰动的影响，最终实现 PID 控制要求。 PID 控制也就是比例积分微分控制(本系统只使用比例和积分两个参数进行控制)，它是控制 器控制规律中的一种。把变送器送来的信号与给定值进行比较，得到偏差信号，并以预先设 定的参数 (比例系数、积分时间)进行运算。且将运算结果送至执行器，本设计中的执行器是 小气动调节阀，温度测量采用 DS18B20 智能型温度测量仪测量温度变化，液位测量变送器为 静压采集。 本系统的 PID 程序采用的是增量型算法如图 4-3 所示。采用增量型算法的原 图 4.3 PID 流程图 10 因是增量型算法具有很多优点： (1)由于计算机输出增量，所以误动作影响小，必要时可用逻辑判断的方法 去掉。 (2)在位置型控制算法中，由手动到自动切换时，必须首先使计算机的输出 值等于阀门的原始开度，才能保证手动/自动无扰动切换，这将给程序设计带来困 难。而增量设计只与本次的偏差值有关，与阀门原来的位置无关，因而增量算法 易于实现手动/自动无扰动切换； (3)不产生积分失控，所以容易获得较好的调节效果。 这些特点已经得到了广泛的应用。但是，这种控制也有不足之处：积分截断 效应大，有静态误差；溢出的影响大。所以，本设计结合位置型 PID 控制算法和 增量型控制算法二者的优点，将二者结合起来，相互补充其不足。利用增量型算 法其算法简单，使用的数据少，只要采集连续三次的数据偏差，就可以算出输出 量，再结合位置型算法使输出值等于上次的输出值加上这次采样的偏差值。输出 的信号给到电动调节阀上，就是这次采样后，实际要输出的值。 模拟 PID 调节器，其控制规律如公式 4-1 所示。式中，KP 为比例系数，TI 为积分时间常数，TD 为微分时间常数。 (4-1) 还有一种是数字 PID 调节器，其算法是利用偏差增量，比位置型算法一直累 加历史偏差要简单的多。增量型算法只需知道连续三个采样值的偏差值就能计算 增量输出。增量输出入公式 4-2 所示。 = u(n)-u(n-1)= KPe(n)-e(n-1)+KIe(n)+KDe(n)-2e(n-1)+e(n-2) (4-2)(nu 最小拍设计中， 若 G(z)中有 j 个极点在单位圆上，当 jq 时，有 mwd nvjq 若 G（z）中有 j 个极点在单位圆上，当 jq 时，有 mwd nv 假设传递函数为 5 (1) ( ) s s G s td tde tdte 1 teptu t 0i D T T K zz-1za-1z-1z 1 1 - i -v 1i 1 - ie F zzb-1zz 2 w 1i 1 - i d- F 11 1111 1 1 21111 (1)55(1) ( )5(1)(1 )(1)(1)11 TT TT TzezTzez G zz zzezzez 令采样周期 T=1s 11 11 1.839(1 0.718) ( ) (1)(1 0.368) zz G z zz 当系统为单位阶跃输入时，d=0，w=0，v=1，j=1，q=1，则有 m=w+d=1，n=v-j+q=1 于是， 1111 111 1 ( )1( )(1)(1)( )(1)(1) vj ei i zza zzF zzf z 111 221 1 ( )(1)( )(10.718) w d i i zzb zF zzf z 于是有， 1212 11112122 1(1)10.718fzf zf zf z 1121 1121 1 0.718 ff ff 得到 1121 0.418,0.582ff 所以， 11 ( )(1)(10.418) e zzz 11 ( )0.582(10.718)zzz 4.4 各功能模块子程序的设计 本设计在软件方面采用了模块化的设计思想，主程序主要调用了 4 个子程序， 分别是 A/D 转换程序、显示程序、键盘子程序。此外，还有报警电路子程序。各 主要模块功能如下： 1.温度处理程序：从 DS18B20 中读取数据，进行数据转换， 将换算后的 温度信号送去显示模块显示。 2.A/D 转换程序：读取 ADC 送入单片机的模拟量电压信号，并换算为相对 应的液位信号。 3.显示程序：向 LCD 送数据显示，控制系统的显示部分。 4.键盘子程序：实现按键输入预设温度值。 12 4.5 显示程序 本设计采用的是液晶 12864 来显示相关参数,其流程图如图 4-7 所示。 图 4.2 显示程序图 开始 初始化 延时 显示 返回 13 第 5 章 系统测试与分析/实验数据及分析 对设定传递函数进行最小拍无纹波系统仿真，使用AEDK-labACT实验箱，仿 真接线图如图5.1。 图 5.1 最少拍无纹波系统仿真接线图 经计算，得到 0123123 0.316,0.116,0,0.418,0KKKKPPP 。 仿真得到曲线如图5.2。 图 5.2 仿真曲线 14 第 6 章 总结 在此次设计过程当中，首先对氨冷器温度-液位超驰控制系统进行了概述，分 析了智能化设计的背景和优点，其次又对它分别进行了总体方案设计、硬件设计、 软件设计以及对它的编程调试，最后再把它进行进一步的完善。 在整个设计的环节当中，对它的硬件设计环节相对来说比较简单，其中主处 理器选用的芯片是AT89C51,A/D转换部分选用的芯片是ADC0809，它接收的模拟 信号来自液位变送器，将0-5V的模拟量转换成0-255的数字量。LCD显示部分选用 12864液晶,八个按键实现对调节器参数的设定功能。而相对硬件设计而言，对它 软件的设计及对它的编程是一个比较复杂的过程。按照设计的要求，对于本设计， 它整个程序的设计和编写，主要采用了模块化的设计思想，分别将A/D