温液控制系统的设计

目录

i.引言

2.设计任务和方案分析

2.1任务分析

2.2控制系统分析

什么是选择控制系统

选择控制系统口勺设计

3.系统设计与实行

3.1系统的数学模型

3.2系统日勺硬件设计

温度检测器

3.2.2液位变送器

3.2.3A/D转奏

3.2.4D/A转换

4.系统日勺仿真

4.1参数整定

4.2控制器的正反作用

4.3仿真

5.心得体会

参照文献

温度与液位选择控制系统日勺设计

1.引言

为了适应在不一样工况下能实现自动控制，在控制回路中需要引入选搭器,

设计两个或两个以上控制系统，当工况变化时，自动选择一种合适日勺控制系统投

入运行，这种控制方案叫做选择控制措施。

在现实工业中，这种控制方案应用的比较多，例如在对液氨蒸发器的控制

中，一般需要被冷却物料出口温度稳定.此时液氨液位在一定容许范围内。而在

非正常工况下，液位高度是不超过给定口勺上限的，因此需要使用选择控制措施，

通过对液位的检测，来判断液位高度与否工作在正常状况，在正常状况下，使用

被冷物料出口温度回路控制系统，非正常状况下，使用液位单回路控制系统，两

者日勺切换通过选择器自动根据工况实现。

2.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控制系统，规定通过单片机对热水流量日勺控制来实

现对混合水槽的温度和液位H勺控制，可以通过对热水流量控制来使混合槽中的水

温稳定，同步使液位高度在一定容许范围，并可实时显示目前温度值和越限报警。

伴随计算机技术日勺发展，推进了自动化生产。把计算机控制应用在温度液位控制

上，使控制精度提高，得到了良好的控制品质。本文不仅要实现一单片机为关键

的电炉温度采集，实现对其温度日勺设定、调整、显示和越限报警。

2.2控制系统分析

2.2.1什么是选择控制系统

在现代工业生产过程中，规定设计日勺过程控制系统不仅可以在正常工况下克

服外来日勺扰动，实现平稳操作，并且也必须考虑事故状态下也能安全生产。选择

性控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H勺自动控制系统上去H勺组合控制方案。系统由正常控制部分和取代控制部分构

成，正常状况下正常控制部分工作，取代控制部分不工作；当生产过程某个参数

趋于危险极限时但尚未进入危险区域时，取代控制部分工作，而正常控制部分不

工作，直到生产重新恢复正常，然后正常控制部分又重新工作。这种能自动切换

控对象）特性来确定正常调整器日勺正、反作用。正常调整港欧I规律一般采用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措施整定，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种工业参数，它与正常调整

器回路中的被控参数Y,并非一种参数，当其到达某一种极限值（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，这时规定取

代回路日勺等效增益大某些，以便有较强的控制作用，产生及时的保护作用，使系

统迅速脱离危险状态而回到正常状态，然后乂切回到正常调整器回路工作。因此

取代调整器也是一种单回路控制系统，可按单回路控制系统设计，一般取代调整

器回路为了满足迅速性都只用比例规律，且该回路的比例增益K,耍大某些，这

是和正常调整器H勺重要区别。

选择器高下值型式日勺选择

选择器在选择性控制系统中是重要B勺部件，它日勺功能相称于一种二选一日勺开

关，它接受正常调整器日勺输出信号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。高值选择器是接受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。看上去问题较简朴，但针对一种实际系统

怎样确定选择器高下值型式呢?我们首先记录工业生产过程也许出现的状况，做

出选择器高下值选择日勺表格，如表1所示。

表1选择器型号选择记录表

正常调整器回路

取代调整器回路气开阀气关阀

K正作用反作用kci正作用kcl反作用

气高值高值

k正作用

开c2XX

阀低值低值

/2反作用XX

气

低值低值

关k正作用

c2XX

阀

高值高值

k反作用

c2XX

该表格是根据正常调整器回路静态特性和取代调整器回路的静态特性联合

x

考虑的。表中打的是指不也许出现日勺组合。为清晰起见，我们用静态特性交

叉图阐明，如正常调整器回路的I调整阀为气开式，调整器如为反作用；取代调

整器问路的I调整阀（与正常调整器同样）为气开式.取代调整器心为反作用.画

出其静态交叉图（见图2）。

网门开度

图2：静态特性交叉图

a-a：表达正常调整器口勺静态特性，b-b：表达取代调整器H勺静态特性。

两静态交叉点为G点。箭头表达调整器变化方向。从静态特性图中可以看出

选择器应选低值选择器。注意这种状况取代调整器回路日勺静态增益要不小于正常

调整器回路口勺静态增益。

3.系统设计与实行

3.1系统日勺数学模型

非自主加热水槽温度及液位调整控制系统如图3所示。它由热水源、冷水源、

调整执行机构、温度、液位传感器构成。热水源具有非恒温性。

图3：系统构造示意图

为了便于分析作如设:

1.混合水槽与周围环境热互换可忽视。

2.混合水槽热水瞬间充足混合。

3.系统稳定后混合水槽出水流量与输入流量相等。

根据系统输入、输出关系则有：

.dh

A7+%=弓十%⑴

at

式中，A为混合槽的底面积，%为热水源流量，利为冷水源流量，〃是混合槽的

液面高度，％为混合槽初出水流量，而：

h

%=A/（2）

公式中R为混合水槽的阻力系数，〃为折算系数

因此公式（1）变为：

4dh,h/、

A—Fk,—=q、+q、（3）

dtr

而根据前面H勺假设可知热平衡关系为：

A©=QE-T）+Q?（T「T）（4）

dt

式中Qi=1o+Al，丁="十八7Q[=%（）+△%

其中：力0,"为稳定期混合水槽液位高度与温度；

%0,%0为冷水稳态时口勺流量，△%,△%为对应变化量；

7；、分别为热源水，冷水源口勺水温。

9T

对公式（3）进行拉氏变换，可得:

Q(s)+G(s)

HG)=(5)

AsJ

R

当上述系统稳定期，混合水槽液面保持不变

对公式(4)进行拉氏变换，可得:

(T\~To)2i(s)+W-T0)。2($)

T(s)(6)

0R

通过上述机理法对系统进行建模，可以得到液位，温度与流量的拉氏变换

体现式之间的关系，分别见上次公式(5),(6)所示,

3.2系统日勺硬件设计

温度检测器

在本文中，温度变送器选择MJ是热电阻，热电阻是中低温区最常用FI勺一种温

度检测器。它日勺重要特点是测量精度高，性能稳定。其中伯热是阻日勺测量精确度

是最高日勺，它不仅广泛应用于工业测温，并且被制成原则的基准仪。

与热电偶的测温原理不一样日勺是，热电阻是基于电阻的热效应进行温度测量

时，即电阻体日勺阻值随温度的变化而变化日勺特性。因此，只要测量出感温热电阻

的阻值变化，就可以测量出温度。目前重要有金属热电阻和半导体热敏电阻两类。

金属热电阻H勺电阻值和温度一般可以用如下H勺近似关系式表达，即

吊=曲[1+。(10)](7)

式中，心为温度I时口勺阻值；心。为温度f。时的阻值

在此处使用的是金属热电阻变送器，使用三线制接法，即在热电阻日勺根部区I

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，这种方式一般与电

桥配套使用，可以很好H勺消除引线电阻H勺影响，足工业过程控制中的最常用的。

采用三线制是为了消除连接导线电阻引起的测量误差。这是由于测量热电阻的电

路一般是不平衡电桥。热电阻作为电桥的一种桥臂电阻，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化,

导致测量误差。采用三线制，将导线一根接到电标的电源端，其他两根分别接到

热电阻所在口勺桥臂及与其相邻的桥臂上，这样消除了导线线路电阻带来口勺测量误

差。

热电阻与热电偶H勺选择最大日勺区别就是温度范围日勺选择，热电阻是测量低

温日勺温度传感器，一般测量温度在-200~800C,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200C左右就

应当选择热电阻测量，假如测量温度在600C就应当选择K型热电偶，假如测量

温度在1200〜1600C就应当选择S型或者B型热电偶

热电阻与热电偶相比有如下特点：

（1）同样温度下输出信号较大，易于测量。

（2）测电阻必须借助外加电源。

（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

阻测温日勺反应速度比热电偶满；

（4）同类材料制成日勺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日勺特点，结合本设计的特点，在选择温度检测器

时选择日勺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使用的是超声波液位计，超声波液位计是由微处理器控制

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受，转换成电信号。并由声波日勺发射和接受之间的时间

来计算传感器到被测物体H勺距离。由于采用非接触的测量，被测介质几乎不受

限制，可广泛用于多种液体和固体物料高度日勺测量。超声波液位计日勺测量精度重

要受声速随温度变化的影响。

A/D转换

此部分由ADC0809模数转换芯片和8051连接而成，本电路日勺作用是将采

集日勺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鉴

别和运算。

ADC0809是一种带有8通道模拟开关的8位逐次迫近式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

址锁存与译码）、8位A/D转换器以及三态输出锁存缓冲器构成。当START上收

到一种启动转换命令（正脉冲）后，8位A/D转换器开始工作，对输入端的信

号VI进行转换，lOOus左右（64个时钟周期）后转换结束（对应的时钟频率

为640kHz）,转换成果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，告知CPU读成果。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作为中断祈求信号引

入中断逻辑）理解A/D转换过程与否结束。

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

CBA选通的通

道

000IN0

001IN1

010IN2

011IN3

100IN4

101IN5

110IN6

111IN7

Do〜D7是转换后日勺二进制输出端，受输出容许信号OE的控制，OE信号由

程序或外部设备提供。OE为“0”时,Do-D?呈高阻态；OE为“1”时，D6〜D7

输出转换后日勺数据。

A,B,C是三个采样地址输入端，它们日勺8种组合用来选择8个模拟量输

入通路INO~IN7中的I一种通路并进行转换。

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开始转换日勺启动信号，但此时规定信号有一定的宽度，经

典值为100Hs最大值为200gs,SC为启动转换脉冲输入端，其上跳变复位转换器,

卜.降沿启动转换，该信号宽度应不小于lOOps,它也可由程序或外部设备产生。

若但愿自动持续转换(即上次转换结束又重新启动转换)，则可将SC与EOC短

接。EOC转换结束信号从SC信号上升沿开始经1-8个时钟周期后由高电平变为

低电平，这一过程表达正在进行转换。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128四。该信号也可作为中

断祈求信号。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，它们决定了输入模拟电压的最大值和

最小值。一般，REF(+)和电源V”一起接到基准电压5.12V(或5V)上，REF(-)

接在地端GND上。此时最低住所示『、J输入电压值为5.12/28=20mV

REF(+)和REF(-)也比一定要分别接在和GND±.,但要满足如下条件

0<EREF(-)<EREF(+)<VCC(8)

E—(+)+EREFD=~y⑼

当ADC0809由程序控制进行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祈

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，

输入转换后日勺代码。

3.2.4D/A转换

本设计的D/A转换器为DAC0832,模拟量输出通道不管采用哪一种构造形

式，都要处理D/A转换器与微处理器的接口问题。

D/A转换器要数字量并行输入，且其输入应在一定期间范围内保持稳定，实

现模拟量输出°X位或少于8位的D/A转换器,只需通过对应位数锁存器与8位

微处理器总线连接。

D/A转换器重要有两种类型：一类内部有数据寄存器，带片选和写信号引脚,

可作一种I/O扩展口宜接与微处理器接口；另一类无内部锁存器，须外加锁存器

与微处理器相接。

DAC0832是一种具有两级数据缓冲器的8位D/A芯片（20个引脚）。这种

芯片合用于系统中多种模拟器同步输出的系统，它可以与多种微处理器直接接

口。其内部尚有R-2R梯形电阻解码网络，实现D/A转换。

AC0832的重要特性为：输入电平与TTL相兼容，基准电压VREFIT'J工作范

围为+10〜

-10V,电流稳定期间为Ws,功耗为20mW,电源电压V”范围为+5〜-15V。

使用DA0832时，应注意而选通脉冲的宽度一般不不不小于500g,寄存

器保持数据日勺时间不应不不小于90明，否则锁存数据会出错。由于DAC0832具

有两级数据锁存器，因此，它具有双缓冲、单缓冲及直通数据输入3种工作方式。

这里采用双缓冲方式。

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LE】和LE2

控制，先由WR.和CS控制输入数据锁存到8位输入寄存器。这种方式可用于需

要同步输出多种模拟信号的多种DAC0832的系统，当多种数据已分别存入各自

的输入寄存器后，再同步使用所有DAC0832口勺WR和XFER（传递控制）有效,

数据锁存入8位DAC寄存器并同步输出多种模拟信号。这时，需要有两个地址

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寄存错接成直通方式，即把WR?和XFER接地，或者两级寄存

器同步锁存，如把WR?与WRi接在一起，面把XFER接地。直通方式时，应把

所有控制信号接成有效形式：CS,WRi,WR2和XFER接地，ILE接+5V。

DAC0832有两个输出端LOUTI和LOUT2,为电流输出形式，输入数据为FFH,

IOUT1电流最大。电流之和为一种常数，为使输出电流线性转移成电压，在输出

端接运算放大器。

4.系统日勺仿真

4.1参数整定

目前工业上常用的控制器重要有三种控制规律；比例控制规律、比例积分控

制规律和比例积分微分控制规律，分别简写为P、PI和P1D。选择哪种控制规律

重要是根据广义对象的特性和工艺的规定来决定口勺。下面分别阐明多种控制规律

的特点及应用场所。

比例控制器是具有比例控制规律的控制器，它的输出p与输入偏差e(实际上

是指它们的变化量)之间的关系为：

P=Kpe(10)

比例控制器H勺可调整参数是比例放大系数勺,或比例度3,对于单元组合仪表来

说。它们的关系为：

I00%

b=/K*(H)

比例控制器的特点是：控制器的输出与偏差成比例，即控制阀门位置与偏差

之间具有一一对应关系。当负荷变化时，比例控制器克服干扰能力强、控制及时、

过渡时间短。在常用控制规律中，比例作用是最基本日勺控制规律，不加比例作用

的控制规律是很少采用H勺。不过，纯比例控制系统在过渡过程终了时存在余差。

负荷变化越大，余差就越大。比例控制器合用于控制通道滞后较小、负荷变化不

大、工艺上没有提出无差规定H勺系统，例如中间贮槽口勺液位、精储塔塔釜液位以

及不太重要的蒸汽压力控制系统等。

比例积分控制器是具有比例积分控制规律向控制器。它口勺输出p与输人偏差

e口勺关系为：

比例积分控制器的可调整参数是比例放大系数（或比例度5）和积分时间7；o

比例积分控制器的持点是：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与

偏差的积提成比例、只要偏差存在、控制器的输出就会不停变化，直至消除偏差为止。因此

采用比例积分控制器，在过渡过程结束时是无余差的、这是它的明显长处。不过，加上

积分作用，会使稳定性减少，虽然在加积分作用的同步，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对应增大，过渡过程的时间也加

长。

比例积分控制器是使用最普遍的控制器。它合用于控制通道滞后较小、负荷

变化不大、工艺参数不容许有余差日勺系统。例如流量、压力和规定严格日勺液位控

制系统，常采用比例积分控制器。

比例积分微分控制器是具有比例积分微分控制规律的控制器，常称为三作用

(PID)控制器。理想的PID控制器，其输出p与输入偏差e之间具有下列关系:

〃=勺1+打山+7；用(13)

比例积分微分控制器的特点是：微分作用使挖制器的输出与输入偏差的变化

速度成比例，它对克服对象的滞后有明显的效果。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除余差。因此，合适调整3、T「七三

个参数、可以使控制系统获得较高口勺控制质量。比例积分微分控制器合用于容量

滞后较大、负荷变化大、控制质量规定较高的系统，应用最普遍的是温度控制系

统与成分控制系统。对于滞后很小或噪声严重日勺系统，应防止引入微分作用，否

则会由于被控变量日勺迅速变化引起控制作用日勺大嗝度变化，严重时会导致控制系

统不稳定。

对于温度液位选择控制系统参数的整定，先按经验法，按照“先正后取”的

原则，把正常、取代调整器的比例度6调到某一合适值，然后由大到小进行调整,

使系统日勺过渡过程呈缓慢的非周期衰减变化，最终根据过程日勺详细状况，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

过程的被控参数容许变化范围内流过的时间。过程时间常数丁。等于停留时间的两

倍,即

"二2工(14)

4.2控制器的正反作用

生产过程中但愿借助自动控制保持恒定值(或按一定规律变化)的变量称为被

控变量。在构成一种自动控制系统时，被控变量的选择十分重要、它关系到系统

能否到达稳定操作、增长产量、提高质量、改善劳动条件、保证安全等目的，关

系到控制方案的成败。

在本设计中，由于咨制对象，当阀门打开时，液位，温度都上升，因此均为

正对象，而阀门时气开阀，根据整个系统构成负反馈的性质，控制器应均选择反

租用控制器。

4.3仿真

设水槽非自主温度加热及液位调整控制系统温度、液位双目H勺系统参数如下：

混合水槽的水温4二70七，

底面积4=1。2M；阻力系数R=l;

热水源日勺水温；7；=100℃；冷水源日勺水温；7；=20℃；

时间滞后""时滞常数7=15。

通过上述条件用懂得被控对象的温度和液位H勺拉氏变换和热水源，冷水源的

流量之间的关系为：

H(S)=QC)+Q")(15)

30Q(5)-50Q(S)

T（5）=z(16)

105+1

系统的控制框图为:

图4：系统方框图

通过整定参数可以得到

T