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水塔温度过程控制系统学号：B11040924 姓名：刘华 1. 系统设计方案概述本次设计采用串级控制系统对水塔温度进行控制。过程控制系统由过程检测、变送和控制仪表、执行装置等组成，通过各种类型的仪表完成对过程变量的检测、变送和控制，并经执行装置作用于生产过程。串级控制系统是两只调节器串联起来工作，其中一个调节器的输出作为另一个调节器的给定值的系统。此系统改善了过程的动态特性，提高了系统控制质量，能迅速克服进入副回路的二次扰动，提高了系统的工作频率，对负荷变化的适应性较强。串级控制系统工程应用场合如下：（1）应用于容量滞后较大的过程。（2）应用于纯时延较大的过程。（3）应用于扰动变化激烈而且幅度大的过程。（4）应用于参数互相关联的过程。（5）应用于非线性过程。采用单片机作为主控制器，水塔温度为主被控对象，上水的流量为副被控对象，电磁阀为执行器，利用AD590传感器检测水塔温度，利用流量传感器检测上水流量。水塔温度串级控制系统框图如图1.1所示，系统原理图如图1.2所示。 图1.1水塔温度串级控制系统框图图1.2 水塔温度串级控制系统原理图2. 水塔温度串级控制系统仿真水塔温度串级控制系统仿真，积分环节 Initial=0，两个检测变送环节参数设定时间常数T=0.01s，扰动通道传函为时间常数T=2s。输入信号和扰动信号皆为单位阶跃信号。扰动作用时间F1为step time=50s，仿真波形如图1.2所示。图1.2 串级控制系统仿真波形3.系统对象特性设计水塔温度串级控制系统选择水塔温度为主被控对象，副被控对象为上水流量。当水塔温度变化的时候，通过控制上水流量改变水塔温度，并最终使其恒定。主被控对象：水塔温度W主s=Kp1e-sTP1S+1 （21）副被控对象：上水流量W副s=Kp2TP2S+1 （22）主控、副控回路检测环节传感器选择主控对象检测元件选择为温度传感器AD590。AD590是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源。它的主要特性如下：1、流过器件的电流（mA）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数，即： mA/K式中：流过器件（AD590）的电流，单位为mA； T热力学温度，单位为K。2、AD590的测温范围为-55+150。3、AD590的电源电压范围为4V30V。电源电压可在4V6V范围变化，电流 变化1mA，相当于温度变化1K。AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件反接也不会被损坏。4、输出电阻为710MW。5、精度高。副控回路检测元件选择电磁式流量传感器。导电性的液体在流动时切割磁力线，也会产生感生电动势。因此可应用电磁感应定律来测定流速，电磁流量传感器就是根据这一原理制成的。虽然电磁流量传感器的使用条件是要求流体是导电的，但它还是有许多优点。由于电极的距离正好为导管的内径，因此没有妨碍流体流动的障碍，压力损失极小。能够得到与容积流量成正比的输出信号。测量结果不受流体粘度的影响。由于电动势是在包含电极的导管的断面处作为平均流速测得的，因此受流速分布影响较小。测量范围宽，测量精度高。为了达到测量高精度的要求,选用温度传感器AD590,AD590具有较高精度和重复性，超低温漂移高精度运算放大器0P07将温度一电压信号进行放大,便于A/D进行转换,以提高温度采集电路的可靠性。采样检测电路如图2.1示。图2.1采样检测电路A/D转换电路采用ADC0809转换器。将采集来的模拟信号转换成数字信号输出转换完成的信号EOC经反相器接单片机的P3.2口，A/D转换电路如图2.2所示。图2.2 A/D转换电路4.控制器设计选用单片机作为控制器，对水塔温度进行控制。单片机以其功能强、体积小、可靠性高、造价低和开发周期短等优点，称为自动化和各个测控领域中广泛应用的器件，在工业生产中称为必不可少的器件，尤其是在日常生活中发挥的作用也越来越大。在温度控制系统中，单片机更是起到了不可替代的核心作用。2.3.1 CPU选择单片机接受A/D 转换电路输入的数字信号，并将输入的信号进行处理和运算，以控制控制电流或者控制电压的形式输出给被控制的电路，完成控电磁阀的任务。本设计的单片机选用Atmel 公司的AT89C51 单片机，采用双列直插封装（DIP），有40个引脚与MCS51 系列单片机的指令和引脚设置兼容。AT89C51引脚图,如图2.3所示。图2.3 AT89C51引脚图由10V交流电供电，经过桥式整流，电容滤波，得到12V的直流电压，12V的直流电压与MC7805T芯片，以及电容相接，产生+5V电压，给系统供电。图 2.6 电源电路5.参数整定控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。因为本设计中主控制器采用控制规律，故仅对控制器的参数进行整定。参数整定的一般步骤：（1）确定比例系数确定比例系数时，首先去掉的积分项，首先令，使为纯比例调节。输入设定为系统允许的最大值的60%70%，由0逐渐加大比例系数，直至系统出现振荡；再反过来，从此时的比例系数逐渐减小，直至系统振荡消失，记录此时的比例系数，设定的比例系数为当前值的60%70%。比例系数调试完成。 （2）确定积分时间常数比例系数P确定后，设定一个较大的积分时间常数Ti的初值，然后逐渐减小Ti，直至系统出现振荡，之后再反过来，逐渐加大Ti，直至系统振荡消失。记录此时的Ti，设定PI的积分时间常数Ti为当前值的150%180%。积分时间常数Ti调试完成。（3）再对PI参数进行微调，直至满足要求。执行器选择气开型电磁阀，通过控制阀的开度来实现流量控制。气开型是当膜头上空气压力增加时，阀门向增加开度方向动作，当达到输入气压上限时，阀门处于全开状态。反过来，当空气压力减小时，阀门向关闭方向动作，在没有输入空气时，阀门全闭。故有时气开型阀门又称故障关闭型。气关型动作方向正好与气开型相反。当空气压力增加时，阀门向关闭方向动作，空气压力减小或没有时，阀门向开启方向或全开为止。故有时又称为故障开启型。气动调节阀的气开或气关，通常是通过执行机构的正反作用和阀态结构的不同组装方式实现。气开气关的选择是根据工艺生产的安全角度出发来考虑。当气源切断时，调节阀是处于关闭位置安全还是开启位置安全。6.主程序流程图 如图3.开始初始化采集温度e=0 ？调主PID控制程序NY输出结束采样流量调副控制器算法程序输出执行器1所示。图3.1 水塔温度控制系统主程序流程图 7. 温度控制算法程序设计本次设计采用增量式PID控制算法，来实现温度控制。增量式PID控制算法公式如下：uk=uk-uk-1=Kpek-ek-1+TTiek+Tdek-2ek-1+ek-2T =Kp1+TdT+TTiek-Kp1+2TdTek-1+KpTdTek-2 (3-1)程序流程图如图3.2所示。图3.2温度控制算法程序子程序入口计算ek=r-y ek=r-y eeek=r-y计算 Kp1+TdT+TTiek计算 Kp1+2TdTek-1计算KpTdTek-2计算uk子程序返回 温度控制算法程序如下：/*PID Function The PID (比例、积分、微分) function is used in mainly control applications.PIDCalc performs one iteration of the PID algorithm. While the PID function works, main is just a dummy program showing a typical usage. */ typedef struct PID int SetPoint; /设定目标 Desired Value long SumError; /误差累计 double Proportion; /比例常数 Proportional Const double Integral; /积分常数 Integral Const double Derivative; /微分常数 Derivative Const int LastError; /Error-1 int PrevError; /Error-2 PID;static PID sPID; static PID *sptr = &sPID; void IncPIDInit(void) sptr-SumError = 0; sptr-LastError = 0; /Error-1 sptr-PrevError = 0; /Error-2 sptr-Proportion = 0; /比例常数 Proportional Const sptr-Integral = 0; /积分常数Integral Const sptr-Derivative = 0; /微分常数 Derivative Const sptr-SetPoint = 0; int IncPIDCalc(int NextPoint) register int iError, iIncpid; /当前误差 iError = sptr-SetPoint - NextPoint; /增量计算 iIncpid = sptr-Proportion * iError /Ek项 - sptr-Integral * sptr-LastError /Ek1项 + sptr-Derivative * sptr-PrevError; /Ek2项 /存储误差，用于下次计算 sptr-PrevError = sptr-LastError; sptr-LastError = iError; /返回增量值 return(iIncpid); 8. 设计结论本次设计的水塔温度控制系统，采用串级控制系统实现对温度的控制。此系统改善了过程的动态特性，提高了系统控制质量，能迅速克服进入副回路的二次扰动，提高了系统的工作频率，对负荷变化的适应性较强。本系统采用单片机