压力控制系统课程设计.doc

中南大学过程控制仪表课程设计报告设计题目 压力控制系统指导老师 王 莉 吴同茂 设计者 专业班级 自动化0703设计日期 2010年6月 目 录第一章 过程控制仪表课程设计的目的意义21.1 设计目的21.2 课程在教学计划中的地位和作用2第二章 压力控制系统（实验部分）32.1 控制系统工艺流程32.2 控制系统的控制要求42.3 系统的实验调试4第三章 压力控制系统工艺流程及控制要求53.1 控制系统工艺流程53.2 设计内容及要求5第四章 总体设计方案64.1 设计思想64.2 总体设计流程图8第五章 硬件设计10 5.1 硬件设计概要105.2 硬件选型105.3 硬件电路设计系统原理图及其说明15第六章 软件设计156.1 软件设计流程图及其说明156.2 源程序及其说明17第七章 系统调试及使用说明18第八章 收获、体会20参考文献21第一章 过程控制仪表课程设计的目的意义1.1 设计目的本课程设计主要是通过对典型工业生产过程中常见的典型工艺参数的测量方法、信号处理技术和控制系统的设计，掌握测控对象参数检测方法、变送器的功能、测控通道技术、执行器和调节阀的功能、过程控制仪表的PID控制参数整定方法，进一步加强对课堂理论知识的理解与综合应用能力，进而提高学生解决实际工程问题的能力。1.2 课程在教学计划中的地位和作用本课程是理论性和应用性均较强的课程，教学环节包括课堂讲授，学生自学，实验，作业，答疑，期中考试，课程设计，期末考试。教师在课堂上应对建立过程控制概念，研究过程控制对象的建模方法、动静态特性、控制规律、控制方法等进行必要的讲授。并详细讲授每章的重点、难点内容；讲授中应注意理论联系实际，加深学生对有关概念、控制理论等内容的理解。本课程实验学时为18学时；实验前教师预先布置实验题目；学生在做实验前应必须了解控制原理、接线方法、所需的实验设备。实验结束学生提交实验报告。教师应布置一定量的作业，加深学生对所学知识的理解、运用。整门课程结束后，要布置综合性较强的课程设计题目，并要求学生提交课程设计报告，以进一步训练学生的程序设计能力。控制仪表与装置是实现生产自动化的重要工具。在自动控制系统中，由检测仪表将生产工艺参数变为电信号或气压信号后，不仅要由仪表显示或记录，让人们了解生产过程的情况，还需将信号传送给控制仪表和装置，对生产过程进行自动控制，使工艺参数符合工艺要求。 本课程在教学计划中的目的和作用是培养行学生单元操作原理的工程概念。通过本课程的学习，学生能够掌握压力控制系统的设计与基本原理，让学生理论与实践能力相结合，更好的加深对过程控制这门课程的理解。更好的锻炼学生的动手实践能力。第二章 压力控制系统（实验部分）2.1 控制系统工艺流程该装置有嵌套的两个容器、电加热装置、流体输送装置及相关的检测、变送、执行仪表组成。配套的仪表屏上安装了控制、显示、记录等仪表和水泵的启动、停止按钮，并配有带连接信号插座孔的工艺模拟流程图。C：控制器。改装耗子配有4个单回路调节器，其中C1、C2和C3的控制输出信号为420ma，C4的控制输出信号为固态继电器控制信号，每个调节器设有三对插座孔，其中：PV孔位测量值输入，SV孔位外设定输入或阀位反馈信号输入，O孔位调节器输出。R：记录仪为无纸4号通道记录仪，输入信号420ma，其中R1为1号通道，R2为2号通道，R3为3号通道，R4为4号通道，到每个通道有两个插座孔，其中上孔接变送器来的信号，下孔用来转接到气压仪表作为输入信号，不能接错2.2 控制系统的控制要求压力传感器测量被控压力，并转换成便于利用的信号形式，如电压、电流、位移、转角等。比较装置将反映压力大小的信号与给定压力值比较，产生偏差信号。偏差信号通过压力控制器作用到压力调节机构上，按照消除偏差的方向来改变被测点的压力，将其调节到给定的希望值。比较复杂的系统常采用改变泵的速度或降低泵的效率的办法来调节压力。在简单的压力控制系统中则多用节流阀调节压力。 压力控制系统同其他反馈控制系统一样，也存在自激振荡的可能性。如果对应于一定的压力偏差，阀门开启或关闭的速度过快，就可能产生自激振荡。这种振荡可用限制反馈的办法加以消除。描述压力控制系统性能和设计的基本理论，同任何其他反馈控制系统的基本理论是一样的2.3 系统的实验调试2.3.1PID的作用 P能迅速反映误差，消除大的偏差，比例系数kP大,系统快速性强，稳态误差减小。但不能消除稳态误差， kP过大则振荡较强，甚至引起系统不稳定；I无差调节（消除小的偏差）,只要系统存在误差，积分控制作用就不断积累，并且输出控制量以消除误差，因而只要有足够的时间，积分作用将能完全消除误差。但是如果(Ti太小)积分作用太强会使系统的调节时间加长，超调量加大，甚至出现振荡。D改善动态性能，对偏差的变化做出反应。减小超调量，克服振荡，使系统稳定性提高，同时加快系统的动态响应速度，减小调整时间。但对噪声敏感，且参数值难以调整。2.3.2、数字PID位置型控制算法(差分处理)根据现实的响应曲线，反复调试P、I、D参数。最优PID参数，主控回路，P：125.0I:17D:5 ；副控回路，P：100I:30D:2 第三章 压力控制系统工艺流程及控制要求3.1 控制系统工艺流程压力控制器有许多类型。这次设计所用的是一种常用的气动比例加微分压力控制器的。它由喷嘴挡板气动放大器引入延滞负反馈构成。输入为挡板的机械位移e,被控制量为气动放大器的输出压力Pc。当输入信号e有一个阶跃变化e时，气动放大器便产生一个相应的压力变化Pc。由于节流阀R的滞后作用,波纹管不能立即感受到这个压力变化，因此气动放大器在开始阶段将感受到挡板位移的全部作用。随着节流阀输出端压力的变化，反馈波纹管膨胀或收缩，使负反馈作用增强，输出压力开始减小或增加。输出压力的变化包括正比于输入改变量的分量和正比于输入变化速度的分量，因而就能实现比例加微分的控制作用。在稳态时，反馈波纹管所起的作用与普通比例反馈机构相同。3.2 设计内容及要求基本要求如下: 1. 掌握变送器功能原理，能选择合理的变送器类型型号； 2. 掌握执行器、调节阀的功能原理，能选择合理的器件类型型号； 3. 掌握PID调节器的功能原理，完成相应的压力、流量、液位及温度控制 系统的总体设计，并画出控制系统的原理图和系统主要程序框图。 4 通过对一个典型工业生产过程（如煤气脱硫工艺过程）进行分析，并对其中的一个参数（如温度、压力、流量、液位）设计其控制系统。其基本内容如下： 1了解典型工业生产过程（如煤气脱硫工艺过程）的工艺流程和控制要求； 2分别设计典型工业生产过程中相应的压力、流量、液位及温度控制系统（包括控制系统的软硬件的总体设计，如参数检测变送器、控制器、执行器及调节阀的选型和控制算法的程序设计及控制系统参数整定）； 3提交系统设计报告一份，阐述系统设计思想和方案，包括对所选取工业生产过程的工艺分析、控制要求、总体方案设计。第四章 总体设计方案4.1 设计思想工业生产过程中，对于生产装置的温度、压力、流量、液位等工艺变量常常要求维持在一定的数值上，或按一定的规律变化，以满足生产工艺的要求。PID控制器是根据PID控制原理对整个控制系统进行偏差调节，从而使被控变量的实际值与工艺要求的预定值一致。不同的控制规律适用于不同的生产过程，必须合理选择相应的控制规律，否则PID控制器将达不到预期的控制效果。PID控制器（比例-积分-微分控制器），由比例单元 P、积分单元 I 和微分单元 D 组成。通过Kp， Ki和Kd三个参数的设定。PID控制器主要适用于基本线性和动态特性不随时间变化的系统。P称为调节器的比例带（或称比例度），它是输入相对变化量和输出相对变化量的比值，它表示输出变化范围所对应的输入变化范围。比例调节的作用是能够迅速反应误差，从而减小误差，但不能消除稳态误差，Kp的增大还会引起系统的不稳定。积分作用的特点是：调节器的输出与偏差的存在时间有关。只要变差处在，输出就会随时间不断增长，直到偏差消除，调节器的输出才不会变化。因此，积分作用能消除静差。但是，积分作用动作缓慢，在偏差出现时，调节器的作用很弱，不能及时克服扰动的影响，致使被调节参数的动态偏差增大，调解过程拖长。微分作用的特点是：输出只能反应偏差输入的速度，对于一个固定不变的偏差，不管他的数值多大，根本不会有微分作用输出，因此它不能克服静差。当偏差变化很慢，但经长时间积累达到很大的数值时，微分作用也无能为力。 最为理想的控制当属比例-积分-微分控制规律。它集三者之长：既有比例作用的及时迅速，又有积分作用的消除余差能力，还有微分作用的超前控制功能。 当偏差阶跃出现时，微分立即大幅度动作，抑制偏差的这种跃变；比例也同时起消除偏差的作用，使偏差幅度减小，由于比例作用是持久和起主要作用的控制规律，因此可使系统比较稳定；而积分作用慢慢把余差克服掉。只要三个作用的控制参数选择得当，便可充分发挥三种控制规律的优点，得到较为理想的控制效果。 PID控制器调试方法如下：比例系数的调节：比例系数P的调节范围一般是：0.1-100.如果增益值取 0.1，PID 调节器输出变化为十分之一的偏差值。如果增益值取 100， PID 调节器输出变化为一百倍的偏差值。 可见该值越大，比例产生的增益作用越大。初调时，选小一些，然后慢慢调大，直到系统波动足够小时，再该调节积分或微分系数。过大的P值会导致系统不稳定，持续振荡；过小的P值又会使系统反应迟钝。合适的值应该使系统由足够的灵敏度但又不会反应过于灵敏，一定时间的迟缓要靠积分时间来调节。积分系数的调节:积分时间常数的定义是，偏差引起输出增长的时间。积分时间设为 1秒，则输出变化 100%所需时间为 1 秒。初调时要把积分时间设置长些，然后慢慢调小直到系统稳定为止。 微分系数的调节:微分值是偏差值的变化率。例如，如果输入偏差值线性变化，则在调节器输出侧叠加一个恒定的调节量。大部分控制系统不需要调节微分时间。因为只有时间滞后的系统才需要附加这个参数。如果画蛇添足加上这个参数反而会使系统的控制受到影响。如果通过比例、积分参数的调节还是收不到理想的控制要求，就可以调节微分时间。初调时把这个系数设小，然后慢慢调大，直到系统稳定。在一般的PID控制中，当较大的扰动或大幅度的改变给定值时，由于此时有较大的偏差，以及系统有惯性和滞后，故在微分作用下会产生较大的超调和长时间的波动。特别是对压力这一变化缓慢的过程，该现象就会更加的严重。为此可以采用积分分离的措施，即偏差e（k）较大时，取消积分作用，当偏差较小时才将积分作用投入使用，即：|e(k)|，使用PD算法；|e(k)|，使用PID算法。4.2 总体设计流程图过程控制系统从结构形式可以分为单回路系统和多回路系统（串级）。单回路控制系统包含一个测量变送器、一个调节器、一个执行器和对象，对对象的某一个被控制参数进行闭环负反馈控制。 总体设计流程图压力单闭环系统结构图如下，压力串级控制系统结构图如下，第五章 硬件设计 5.1 硬件设计概要本系统的任务是对压力进行实时检测和控制，单片机定时对压力进行检测，通过压力传感器把压力值转换成微弱的电信号，该电压经变送器变成420mA标准信号，后通过A/D转换得到相应的数字量，再经数字滤波和查表程序得到当前的采样压力TX通过串行通讯送给计算机。将采样压力与设定压力进行比较，如果TXT，则按照设计好的PID算法对偏差（采样压力设定压力）进行运算、处理，得到一个调节量。利用这各调节量对冷却塔中冷却水阀门开度和外冷器的执行机构进行控制，从而达到对压力的控制要求。整个控制系统电路由 CPU模块，人机交互模块，采集变送模块和执行机构模块组成。其中，CPU实现压力信号的采集、滤波、算法控制、控制量输出、电源保护以及报警输出等功能；人机交互模块主要是由各种信号灯、控制按键、功能指示和显示器件组成。采集变送模块主要负责对压力信号进行采集，通过压力传感器把压力值转换成微弱的电信号，该电经变送器变成420mA标准信号，后通过A/D转换得到相应的数字量，送CPU进行处理。执行机构利用来自CPU的控制信号对调节阀进行控制，从而实现压力控制。5.2 硬件选型5.2.1 CPU的选择 主机选用ATMEL公司的89C51单片机来实现，利用单片机软件编程灵活自由度大的特点，力求用软件完善各种控制算法和逻辑控制。本系统选用的89C51芯片时钟可达12MHz，运算速度快，控制功能完善。其内部具有128字节RAM，而且内部含有4KB的EPROM不需要外扩展存储器，可使系统整体结构更为简单、实用。5.2.2 采集变送电路设计 数据采集电路主要由AD590，MCl403，0P07，74LS373组成。因为压力信号为低电平缓变信号，对AD转换速度要求不高，为此，选用实效价廉的ADC0809，而且，还可以根据需要扩展测量8路压力信号。 本系统采用铂电阻Pt100做为压力传感器。铂电阻 Pt100在压力为0时输出的阻值为100欧，压力为 1000Pa时输出的阻值为138.5欧。在01000Pa之间线性变化时输出的阻值也在100138.5之间几乎线性变化，能够很好地满足系统的要求。由铂电阻 Pt100测量到的电阻信号在输入 A/D口之前，必须经过信号调理电路转换成标准电压信号，信号调理电路如图5.1所示： 图5.1变送器选用XTR101芯片，它是美国BURRBROW公司生产的变送器通用电路芯片。1组成：由仪用放大器，双匹配电流源和输出驱动电路等三部分组成。 2)性能指标：偏置电压30mV，电压漂移0.75mV/，非线性0.01工作电压：11.640VDC，一般采用24VDC压力：4085。采用小型14引脚双列直插式封装。它构成热电阻压力变送器的原理图如图5.2所示： 图5.2 本系统采用单片机的I/O线去控制冷却器的通或断，由于要经常地接通和断开，而这些被测控动作都要和强电联系在一起，为避免强电控制电路可能对单片机系统产生严重的干扰，故必须在单片机输出口和驱动电路之间采用光电隔离器，使输入与输出完全绝缘。具体电路如图5.3所示，图中的R0为LED限流电阻，当89C51的P1.0脚为高电平经非门为低电平时，光耦导通，经驱动器后就能驱动加热工作；反之，当89C51的P1.0脚为高电平时，光耦断开，因此不能驱动加热器工作。 图5.3 5.2.3 人机交互模块硬件电路人机交互的部分主要是键盘和显示电路，键盘和显示器是人/机对话的接口。89C51单片机具有4个8位的I/O，即P0、P1、P2、P3。从原理上说，这4 个口均可用作双向并行I/O接口，但在实际应用中，P0口和P2口常被用作扩展总线，P3口的某些位又常被用作它的第二功能，特别是无ROM型的单片机。所以若一个89C51应用系统需要连接较多的并行输入输出外围设备（如打印机、键盘、显示器等），就必需扩展并行接口。故采用8279芯片进行扩展。INTEL8279是一种通用可编程键盘/显示器接口芯片，可直接与INTEL微型单片机接口，在我们设计的闭环PID水温控制系统中就采用8279来实现系统的键盘/显示器扩展功能，降低了电路的复杂度，提高了稳定性及可靠性。8279能自动完成键盘输入和显示控制两种功能。键盘控制部分提供一种扫描工作方式，可与64个按键的矩阵键盘连接，能对键盘进行自动扫描、自动消抖、自动识别出按下的键并给出编码。8279提供了按扫描方式工作的显示接口，其内部有一个168的显示缓冲器，能对4位或8位LED自动进行扫描，将显示缓冲器的内容在LED上显示出来。8279通过74LS164译码器扩展22键盘、4位显示器。由38译码器对SL0SL2译出键扫描线，由另一36译码器译出显示器的位扫描线，并采用了编码扫描方式。电路图如图5.4所示： 图5.45.2.4 执行机构调节阀的选择根据生产工艺安全的原则，适宜选用气关式调节阀；根据过程特性与控制要求，宜选用对数流量特性的调节阀。调节阀的尺寸通常用公称直径Dg和阀座直径dg表示，它们的确定是合理应用执行器的前提条件。确定调节阀尺寸的主要依据是流通能力，它定义为调节阀全开、阀前后压差为0.1MPa、流体重度为1g/cm3时，每小时通过阀门的流体流量（m3或kg）。可见流通能力直接代表了调节阀的容量。由流体力学理论可知，当流体为不可压缩时，通过调节阀的体积流量为：式中，为流量系数，它取决于调节阀的结构形状和流体流动状况，可从有关手册查阅或由实验确定；A0为调节阀接管截面积；g为重力加速度；r为流体重度。 依据流通能力的定义，则有 流通能力C与调节阀的结构参数有确定的对应关系。这就是确定调节阀尺寸的理论依据可得流通能力与流体重度、阀前后压差和介质流量三者的定量关系，即 调节阀尺寸的确定过程为根据通过调节阀的最大流量qmax，r流体重度 ，以及调节阀的前后压差 ，先由式求得最大的流通能力，然后选取大于 的最低级别的C值，即可依据表5.1确定出Dg和dg的大小。 表5.1对于执行器的选择选用智能电动执行器，智能电动执行器按控制电源划分有单相和三相两大类。与传统的电动执行器相比主要有如下特点：主要技术指标先进，超过国内现有的DDZ-、型电动执行器，如工作死区、基本误差、回差等指标已达到很高水平。采用了微处理器技术和数字显示技术，以智能伺服放大器取代传统的伺服放大器，以数字式操作器取代原有的模拟指针式操作器。它具有功能强，使用方便，具有自诊断、自调整和PI调节功能。增加了流量特性软件修正。使一种固有特性的调节器可以拥有多种输出特性，使不能进行阀芯形状修正（蝶阀）的阀也可改变流量特性，可以使非标准特性修正为标准特性。该功能将改变长期以来靠阀芯加工修正特性的现状。在调节中采用了电制动技术和断续调节技术，对具有自锁功能的执行机构可以取消机械摩擦制动器，大大提高了整机的可靠性。主要技术指标输入信号：010mA；420mA；RS-232位置发送信号：010mA；420mA；1KV电位器输入通道：2个（电隔离）基本误差：士1（单相）； 士2.5（三相）死 区： 0.5特性修正：固有特性标准直线 固有特性等百分比主要功能：工作方式选择、故障诊断与报警，电制动、PI调节。5.3 硬件电路设计系统原理图及其说明单片机压力监控系统实现控制功能的主要单元是一个基于单片机的压力控制系统，其结构框图如图2所示。主要组成部分有：给予扩散硅传感器的压力检测单元、A/D转换单元、以AT89C51单片机为核心的控制单元以及调节水箱进水量的变频调速单元。具体的工作过程是：设定欲稳定的水箱的液位高度，通过压力检测元件获取当前谁想的液位压力值，经模/数转换芯片将模拟信号转换为数字信号，送单片机与设定值进行比较，得到偏差信号，该信号经过调节器做PID运算后，输给变频器一个转速控制信号，通过数/模转换器将变频器调速信号由数字信号转换成模拟信号，由于变频器的输出频率与输入电压成比例，可变的输出频率调整电动机和水泵的转速，从而调节流量，达到调节水箱压力的目的。第六章 软件设计6.1 软件设计流程图及其说明6.11主程序在主程序中首先给定PID算法的参数值，然后通过循环显示当前压力，并且设定键盘外部中断为最高优先级，以便能实时响应键盘处理；软件设定定时器T0为5秒定时，在无键盘响应时每隔5秒响应一次，以用来采集经过AD转换的压力信号；设定定时器T1为嵌套在T0之中的定时中断，初值由PID算法子程序提供，以用来执行机构的控制。主程序流程图如图6.1。 图6.16.1.3 T0中断子程序该中断是单片机内部5s定时中断，优先级设为最低，但却是最重要的子程序。在该中断响应中，单片机要完成AD数据采集转换、数字滤波、判断是否越限、标度转换处理、继续显示当前压力、与设定值进行比较，调用PID算法子程序并输出控制信号等功能。6.1.4 T1中断子程序T1定时中断嵌套在P0中断之中，优先级高于P0中断，其定时初值由PID算法子程序提供，P1中断响应的时间用于输出执行器的控制信号。6.1.5 压力查表子程序为解决铂热电阻压力/电压变换电路中的非线性，采用模拟数据拟合法，利用已调好的硬件电路，用电压表产生模拟的热电势信号。该信号经放大及A/D转换后，由单片单板机读出对应该热电势的数字量，这个数字量与模拟的压力标准值构成一个数据对，在使用的压力范围内逐点获得全部数据对后再采用曲线拟合法的方法建立A/D值与压力之间的函数关系式，由此得到A/D转换值与压力值的对应关系，由这些一一对应关系制成表格存贮在ROM中，供实际测试与程序运行过程中查表用。6.1.6 标度转换子程序该子程序作用是将温度信号(00HFFH)转换为对应的温度值，以便送显示或与设定值在相同量纲下进行比较。所用线形标度变换公式为：式中，Ax：实际测量的温度值；Nx：经过AD转换的温度量；Am90；Ao=40；NmFEH；No01H单片机运算采用定点数运算，并且在高温区和低温区分别用程序作矫正处理。6.1.7 PID算法子程序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，形成了变速积分PID积分分离PID控制相结合的自动识别的控制算法。该方法不仅大大减小了超调量，而且有效地克服了积分饱和的影响，使控制精度大大提高。实现思想：ui(k)为第k次采样温度值，Ur为设定值。ui(k)-ur=e(k)|e(k)|，使用PD算法；|e(k)|，使用PID算法； 6.2 源程序及其说明压力测试系统MyCase1.h#includestdafx.h#includeStressCase.hclassMyCase1:publicStressCasepublic:DECLARE_DYNCREATE(MyCase1)boolOneStep(CString&strErrorMessage);MyCase1.cpp#includestdafx.h#includeStressCase.h#includeMyCase1.hIMPLEMENT_DYNCREATE(MyCase1,StressCase)boolMyCase1:OneStep(CString&strErrorMessage)/dosomething.returntrue;上面的例子仅实现了OneStep()方法。需要时，也可以实现OnInitialize()和OnUninitialize()方法。测试者在测试用例代码内可以通过StressCase类的成员变量获得与自身相关的各种信息，包括案例名称、线程号、测试次数等，也可以在测试失败时通过参数strErrorMessage返回错误信息（该错误信息将显示在测试界面中），或者调用StressCase类的LogEvent()方法记录系统日志第七章 系统调试及使用说明7.1设计说明7.1.1主、副回路采样周期的选择 主、副回路采样周期相同，称为同步采样。 主、副回路采样周期不同，称为异步采样。在许多串级控制系统中，主、副回路对象特性相差悬殊，如流量和温度串级控制系统中，流量对象的响应速度比较快，温度对象的响应速度较慢。 此时，主、副回路应根据对象特性选择相应