温度与液位选择控制系统的设计

/书目1. 引言 12. 设计任务和方案分析 12.1任务分析 12.2限制系统分析 2 什么是选择限制系统 2选择限制系统的设计 23. 系统设计和实施 53.1系统的数学模型 53.2系统的硬件设计 7温度检测器 73.2.2液位变送器 83.2.3A/D转换 83.2.4D/A转换 104. 系统的仿真 114.1参数整定 114.2限制器的正反作用 134.3仿真 135. 心得体会 15参考文献 17温度和液位选择限制系统的设计引言为了适应在不同工况下能实现自动限制，在限制回路中须要引入选择器，设计两个或两个以上限制系统，当工况变更时，自动选择一个适当的限制系统投入运行，这种限制方案叫做选择限制方法。在现实工业中，这种限制方案应用的比较多，例如在对液氨蒸发器的限制中，通常须要被冷却物料出口温度稳定.此时液氨液位在肯定允许范围内。而在非正常工况下，液位高度是不超过给定的上限的，所以须要运用选择限制方法，通过对液位的检测，来推断液位高度是否工作在正常状况，在正常状况下，运用被冷物料出口温度回路限制系统，非正常状况下，运用液位单回路限制系统，二者的切换通过选择器自动依据工况实现。设计任务和方案分析2.1任务分析本文要设计温度液位选择限制系统，要求通过单片机对热水流量的限制来实现对混合水槽的温度和液位的限制，可以通过对热水流量限制来使混合槽中的水温稳定，同时使液位高度在肯定允许范围，并可实时显示当前温度值和越限报警。随着计算机技术的发展，推动了自动化生产。把计算机限制应用在温度液位限制上，使限制精度提高，得到了良好的限制品质。本文不但要实现一单片机为核心的电炉温度采集，实现对其温度的设定、调整、显示和越限报警。2.2限制系统分析什么是选择限制系统在现代工业生产过程中，要求设计的过程限制系统不但能够在正常工况下克服外来的扰动，实现平稳操作，而且也必需考虑事故状态下也能平安生产。选择性限制是把生产过程中对某些工业参数的限制条件所构成的逻辑关系迭加到正常的自动限制系统上去的组合限制方案。系统由正常限制部分和取代限制部分组成，正常状况下正常限制部分工作，取代限制部分不工作；当生产过程某个参数趋于危急极限时但还未进入危急区域时，取代限制部分工作，而正常限制部分不工作，直到生产重新复原正常，然后正常限制部分又重新工作。这种能自动切换使限制系统在正常和异样状况下均能工作的限制系统叫选择性限制系统。在本文中是通过检测液位的高度来对液位和温度进行选择性限制，它通过选择器实现其功能。选择器可以接在两个或多个调整器的输出端，对限制信号进行选择，也可以接在几个变送器的输出端，对测量信号进行选择，以适应生产条件的功能须要。选择限制系统的设计这里针对如下图一所示温度液位的选择性限制系统方案，设计可分为以下步骤。图1：温度液位选择性限制系统结构框图2.2.2.1正常调整器回路的设计选择性限制系统正常状况下是正常调整器回路工作而取代调整器回路不工作；事故时取代调整器回路工作，正常调整器回路不工作，所以2个回路系统可单独按单回路限制系统设计。正常调整器回路可按一般单回路系统设计；先确定被控量(即图1)，限制量，据工艺要求确定执行器气开、气关型式，被控过程(被控对象)特性来确定正常调整器的正、反作用。正常调整器的规律一般采纳PI调整器或PID调整器，而调整器的参数整定可按一般工程整定方法整定，如临界比例度法、4：1衰减曲线等。2.2.2.2取代调整器回路的设计取代调整器回路测量值Y：是生产过程中的某一个工业参数，它和正常调整器回路中的被控参数Y，并非一个参数，当其达到某一个极限值(或大或小)时，生产就会出现事故状态，这时整个系统应当由取代调整器回路工作，这时要求取代回路的等效增益大一些，以便有较强的限制作用，产生刚好的爱护作用，使系统快速脱离危急状态而回到正常状态，然后又切回到正常调整器回路工作。所以取代调整器也是一个单回路限制系统，可按单回路限制系统设计，一般取代调整器回路为了满意快速性都只用比例规律，且该回路的比例增益K，要大一些，这是和正常调整器的主要区分。选择器凹凸值型式的选择选择器在选择性限制系统中是重要的部件，它的功能相当于一个二选一的开关，它接受正常调整器的输出信号a和取代调整器的输出信号b，其输出信号c去驱动执行器。高值选择器是接收a信号和b信号数值高者作为选择器输出；低值选择器是选a信号和b信号低值作为输出。看上去问题较简洁，但针对一个实际系统如何确定选择器凹凸值型式呢?我们首先统计工业生产过程可能出现的状况，做出选择器凹凸值选择的表格，如表1所示。表1选择器型号选择统计表取代调整器回路正常调整器回路气开阀气关阀正作用反作用正作用反作用气开阀正作用高值高值反作用低值低值气关阀正作用低值低值反作用高值高值该表格是依据正常调整器回路的静态特性和取代调整器回路的静态特性联合考虑的。表中打的是指不行能出现的组合。为清晰起见，我们用静态特性交叉图说明，如正常调整器回路的调整阀为气开式，调整器为反作用；取代调整器回路的调整阀(和正常调整器一样)为气开式，取代调整器为反作用，画出其静态交叉图(见图2)。

图2：静态特性交叉图a-a：表示正常调整器的静态特性，b-b：表示取代调整器的静态特性。两静态交叉点为G点。箭头表示调整器变更方向。从静态特性图中可以看出选择器应选低值选择器。留意这种状况取代调整器回路的静态增益要大于正常调整器回路的静态增益。系统设计和实施3.1系统的数学模型非自主加热水槽温度及液位调整限制系统如图3所示。它由热水源、冷水源、调整执行机构、温度、液位传感器组成。热水源具有非恒温性。图3：系统结构示意图为了便于分析作如设：混合水槽和四周环境热交换可忽视。混合水槽热水瞬间充分混合。系统稳定后混合水槽出水流量和输入流量相等。依据系统输入、输出关系则有：(1)式中，A为混合槽的底面积，为热水源流量，为冷水源流量，是混合槽的液面高度，为混合槽初出水流量，而： （2）公式中为混合水槽的阻力系数，为折算系数所以公式（1）变为：（3）而依据前面的假设可知热平衡关系为：(4)式中,，其中：，为稳定时混合水槽液位高度和温度；，为冷水稳态时的流量，，为相应变更量；，分别为热源水，冷水源的水温。对公式（3）进行拉氏变换，可得：（5）当上述系统稳定时，混合水槽液面保持不变对公式（4）进行拉氏变换，可得：（6）通过上述机理法对系统进行建模，可以得到液位，温度和流量的拉氏变换表达式之间的关系，分别见上次公式（5），（6）所示，3.2系统的硬件设计温度检测器在本文中，温度变送器选择的是热电阻，热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。它的主要特点是测量精度高，性能稳定。其中铂热是阻的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。和热电偶的测温原理不同的是，热电阻是基于电阻的热效应进行温度测量的，即电阻体的阻值随温度的变更而变更的特性。因此，只要测量出感温热电阻的阻值变更，就可以测量出温度。目前主要有金属热电阻和半导体热敏电阻两类。金属热电阻的电阻值和温度一般可以用以下的近似关系式表示，即（7）式中，为温度t时的阻值；为温度时的阻值在此处运用的是金属热电阻变送器，运用三线制接法，即在热电阻的根部的一端连接一根引线，另一端连接两根引线的方式称为三线制，这种方式通常和电桥配套运用，可以较好的消退引线电阻的影响，是工业过程限制中的最常用的。采纳三线制是为了消退连接导线电阻引起的测量误差。这是因为测量热电阻的电路一般是不平衡电桥。热电阻作为电桥的一个桥臂电阻，其连接导线（从热电阻到中控室）也成为桥臂电阻的一部分，这一部分电阻是未知的且随环境温度变更，造成测量误差。采纳三线制，将导线一根接到电桥的电源端，其余两根分别接到热电阻所在的桥臂及和其相邻的桥臂上，这样消退了导线线路电阻带来的测量误差。热电阻和热电偶的选择最大的区分就是温度范围的选择，热电阻是测量低温的温度传感器，一般测量温度在-200~800℃，而热电偶是测量中高温的温度传感器，一般测量温度在400~1800℃，在选择时假如测量温度在200℃左右就应当选择热电阻测量，假如测量温度在600℃就应当选择K型热电偶，假如测量温度在1200~1600℃就应当选择S型或者B型热电偶热电阻和热电偶相比有以下特点：（1）同样温度下输出信号较大，易于测量。（2）测电阻必需借助外加电源。（3）热电阻感温部分尺寸较大，而热电偶工作端是很小的焊点，因而热电阻测温的反应速度比热电偶满；（4）同类材料制成的热电阻不如热电偶测温上限高。在综合分析热电阻和热电偶的特点，结合本设计的特点，在选择温度检测器时选择的是热电阻温度检测器。3.2.2液位变送器液位变送器在本设计中运用的是超声波液位计，超声波液位计是由微处理器限制的数字物位仪表。在测量中脉冲超声波由传感器（换能器）发出，声波经物体表面反射后被同一传感器接收，转换成电信号。并由声波的放射和接收之间的时间来计算传感器到被测物体的距离。由于采纳非接触的测量，被测介质几乎不受限制，可广泛用于各种液体和固体物料高度的测量。超声波液位计的测量精度主要受声速随温度变更的影响。A/D转换此部分由ADC0809模数转换芯片和8051连接而成，本电路的作用是将采集的温度和液位信号输入的模拟量信号转换成数字量，然后送入计算机内进行判别和运算。ADC0809是一种带有8通道模拟开关的8位逐次靠近式A/D转换器，转换时间为100us左右，线性误差为LSB。它由8通道模拟开关、通道选择逻辑（地址锁存和译码）、8位A/D转换器以及三态输出锁存缓冲器组成。当START上收到一个启动转换吩咐（正脉冲）后，8位A/D转换器起先工作，对输入端的信号VI进行转换，100us左右（64个时钟周期）后转换结束（相应的时钟频率为640kHz），转换结果D（D=0～28-1）存入三态锁存缓冲器。转换结束时，EOC信号由低电平变为高电平，通知CPU读结果。启动后，CPU可用查询方式（将转换结束信号接至一条I/O线上时）或中断方式（EOC作为中断恳求信号引入中断逻辑）了解A/D转换过程是否结束。ADC0809被选通道和地址关系如下表2所示。设计中用通道0和1采集模拟量。表2：被选通道和地址的关系D0～D7是转换后的二进制输出端，受输出允许信号OE的限制，OE信号由程序或外部设备供应。OE为“0”时，D0-D7呈高阻态；OE为“1”时，D6～D7输出转换后的数据。A，B，C是三个采样地址输入端，它们的8种组合用来选择8个模拟量输入通路IN0～IN7中的一个通路并进行转换。ALE是地址锁存选通信号。该信号上升沿把地址状态选通入地址锁存器。该信号也可以用来作为起先转换的启动信号，但此时要求信号有肯定的宽度，典型值为100μs最大值为200μs，SC为启动转换脉冲输入端，其上跳变复位转换器，下降沿启动转换，该信号宽度应大于100μs，它也可由程序或外部设备产生。若希望自动连续转换（即上次转换结束又重新启动转换），则可将SC和EOC短接。EOC转换结束信号从SC信号上升沿起先经1-8个时钟周期后由高电平变为低电平，这一过程表示正在进行转换。每位转换要8个时钟周期，8位共需64个时钟周期，若时钟颊率为500KHz，则一次转换要128μs。该信号也可作为中断恳求信号。CLK是时钟信号输入端，最高可达1280KHz。REF(+)和REF(-)为基准电压输入端，它们确定了输入模拟电压的最大值和最小值。通常，REF(+)和电源Vcc一起接到基准电压5.12V（或5V）上，REF(-)接在地端GND上。此时最低居处表示的输入电压值为5.12/28=20mVREF(+)和REF(-)也比肯定要分别接在Vcc和GND上，但要满意以下条件

(8)(9)当ADC0809由程序限制进行A/D转换时，输入通路选定后由输出指令启动A/D转换（SC为正脉冲）。转换结束产生EOC高电平信号作为中断恳求。当微处理器执行输入指令后，OE变为高电平，选通三态输出锁存器，输入转换后的代码。3.2.4D/A转换本设计的D/A转换器为DAC0832，模拟量输出通道不论采纳哪一种结构形式，都要解决D/A转换器和微处理器的接口问题。D/A转换器要数字量并行输入，且其输入应在肯定时间范围内保持稳定，实现模拟量输出。8位或少于8位的D/A转换器，只需通过相应位数锁存器和8位微处理器总线连接。D/A转换器主要有两种类型：一类内部有数据寄存器，带片选和写信号引脚，可作一个I/O扩展口干脆和微处理器接口；另一类无内部锁存器，须外加锁存器和微处理器相接。DAC0832是一个具有两级数据缓冲器的8位D/A芯片（20个引脚）。这种芯片适用于系统中多个模拟器同时输出的系统，它可以和各种微处理器干脆接口。其内部还有R-2R梯形电阻解码网络，实现D/A转换。AC0832的主要特性为：输入电平和TTL相兼容，基准电压VREF的工作范围为+10～-10V，电流稳定时间为1μs，功耗为20mW，电源电压Vcc范围为+5～-15V。运用DA0832时，应留意选通脉冲的宽度一般不小于500μs，寄存器保持数据的时间不应小于90μs，否则锁存数据会出错。由于DAC0832具有两级数据锁存器，所以，它具有双缓冲、单缓冲及直通数据输入3种工作方式。这里采纳双缓冲方式。双缓冲工作方式时，8位输入寄存器和8位DAC寄存器可分别由LE1和LE2限制，先由WR1和CS限制输入数据锁存到8位输入寄存器。这种方式可用于须要同时输出多个模拟信号的多个DAC0832的系统，当多个数据已分别存入各自的输入寄存器后，再同时运用全部DAC0832的WR和XFER（传递限制）有效，数据锁存入8位DAC寄存器并同时输出多个模拟信号。这时，须要有两个地址译码，分别选通CS和XFER。单缓冲工作方式时，只用输入寄存器锁存数据，另一级8位DAC寄存器接成直通方式，即把WR2和XFER接地，或者两级寄存器同时锁存，如把WR2和WR1接在一起，而把XFER接地。直通方式时，应把全部限制信号接成有效形式：CS，WR1，WR2和XFER接地，ILE接+5V。DAC0832有两个输出端LOUT1和LOUT2，为电流输出形式，输入数据为FFH，IOUT1电流最大。电流之和为一个常数，为使输出电流线性转移成电压，在输出端接运算放大器。系统的仿真4.1参数整定目前工业上常用的限制器主要有三种限制规律；比例限制规律、比例积分限制规律和比例积分微分限制规律，分别简写为P、PI和PID。选择哪种限制规律主要是依据广义对象的特性和工艺的要求来确定的。下面分别说明各种限制规律的特点及应用场合。比例限制器是具有比例限制规律的限制器，它的输出p和输入偏差e(事实上是指它们的变更量)之间的关系为：(10)比例限制器的可调整参数是比例放大系数或比例度，对于单元组合仪表来说。它们的关系为：(11)比例限制器的特点是：限制器的输出和偏差成比例，即限制阀门位置和偏差之间具有一一对应关系。当负荷变更时，比例限制器克服干扰实力强、限制刚好、过渡时间短。在常用限制规律中，比例作用是最基本的限制规律，不加比例作用的限制规律是很少采纳的。但是，纯比例限制系统在过渡过程终了时存在余差。负荷变更越大，余差就越大。比例限制器适用于限制通道滞后较小、负荷变更不大、工艺上没有提出无差要求的系统，例如中间贮槽的液位、精馏塔塔釜液位以及不太重要的蒸汽压力限制系统等。比例积分限制器是具有比例积分限制规律的限制器。它的输出p和输人偏差e的关系为：(12)比例积分限制器的可调整参数是比例放大系数(或比例度)和积分时间。比例积分限制器的持点是：由于在比例作用的基础上加上积分作用，而积分作用的输出是和偏差的积分成比例、只要偏差存在、限制器的输出就会不断变更，直至消退偏差为止。所以采纳比例积分限制器，在过渡过程结束时是无余差的、这是它的显著优点。但是，加上积分作用，会使稳定性降低，虽然在加积分作用的同时，可以通过加大比例度，使稳定性基本保持不变，但超调量和振荡周期都相应增大，过渡过程的时间也加长。比例积分限制器是运用最普遍的限制器。它适用于限制通道滞后较小、负荷变更不大、工艺参数不允许有余差的系统。例如流量、压力和要求严格的液位限制系统，常采纳比例积分限制器。比例积分微分限制器是具有比例积分微分限制规律的限制器，常称为三作用（PID）限制器。志向的PID限制器，其输出p和输入偏差e之间具有下列关系：(13)比例积分微分限制器的特点是：微分作用使限制器的输出和输入偏差的变更速度成比例，它对克服对象的滞后有显著的效果。在比例的基础上加上微分作用能提高稳定性，再加上积分作用可以消退余差。所以，适当调整、、三个参数、可以使限制系统获得较高的限制质量。比例积分微分限制器适用于容量滞后较大、负荷变更大、限制质量要求较高的系统，应用最普遍的是温度限制系统和成分限制系统。对于滞后很小或噪声严峻的系统，应避开引入微分作用，否则会由于被控变量的快速变更引起限制作用的大幅度变更，严峻时会导致限制系统不稳定。 对于温度液位选择限制系统参数的整定，先按阅历法，依据“先正后取”的原则，把正常、取代调整器的比例度调到某一适当值，然后由大到小进行调整，使系统的过渡过程呈缓慢的非周期衰减变更，最终依据过程的详细状况，可给主调整器加上积分环节，调积分时间较大。 取代调整器的参数整定，可以通过停留时间法，停留时间是指介质在被控过程的被控参数允许变更范围内流过的时间。过程时间常数等于停留时间的两倍，即(14)4.2限制器的正反作用生产过程中希望借助自动限制保持恒定值(或按肯定规律变更)的变量称为被控变量。在构成一个自动限制系统时，被控变量的选择非常重要、它关系到系统能否达到稳定操作、增加产量、提高质量、改善劳动条件、保证平安等目的，关系到限制方案的成败。在本设计中，由于限制对象，当阀门打开时，液位，温度都上升，所以均为正对象，而阀门时气开阀，依据整个系统构成负反馈的性质，限制器应均选择反租用限制器。4.3仿真设水槽非自主温度加热及液位调整限制系统温度、液位双目标系统参数如下：混合水槽的水温=70，底面积=10；阻力系数;热水源的水温；；冷水源的水温；；时间滞后，时滞常数。通过上述条件可知道被控对象的温度和液位的拉氏变换和热水源，冷水源的流量之间的关系为：(15)