过程控制大作业

1、水塔温度过程控制系统学号： B11040924名字：刘华1 .系统设计方案的概要在这次设计中，使用串联控制系统来控制塔的温度。过程控制系统由过程检测、传送和控制仪表、执行装置等组成，用各种类型的仪表完成过程变量的检测、传送和控制，通过执行装置作用于生产过程。串行控制系统是两个调节器串联动作，一个调节器的输出成为另一个调节器的规定值的系统。 该系统改善了过程的动态特性，提高了系统的控制质量，快速克服了进入副电路的二次干扰，提高了系统的工作频率，对负载变化的适应性强。串行控制系统的工程应用如下(1)适用于容量延迟大的过程。(2)适用于纯延迟大的过程。(3)适用于干扰变化剧烈且幅度大的过程。(4)参

2、数适用于相互关联的过程。(5)适用于非线性过程。以单片机为主控制器，以塔温度为主控制对象，以上水的流量为子控制对象，以电磁阀为致动器，用AD590传感器检测塔温度，用流量传感器检测上水流量。 水塔温度串联级控制系统的框图如图1.1所示，系统的电路图如图1.2所示。图1.1水塔温度串行控制系统的框图图1.2水塔温度串联水平控制系统的概念图2 .水塔温度串行控制系统的模拟水塔温度串联级控制系统的仿真，积分环节Initial=0，两个测量传输环节参数设定为时间常数T=0.01s，扰动通道的传递函数设定为时间常数T=2s。 输入信号和干扰信号都是单位步进信号。 干扰作用时间F1为step time=5

3、0s模拟波形如图1.2所示。图1.2串行控制系统的仿真波形3 .系统对象特性设计水塔温度级联控制系统以水塔温度为主要被控制对象，副被控制对象为上水流量。 在水塔的温度变化的情况下，通过控制上水的流量来使水塔的温度变化，最终使之恒定。主要被控制对象：水塔温度w主s=Kp1e-sTP1S 1 (21)辅助被控制对象：上水流量w子s=Kp2TP2S 1 (22)主控制副控制电路检测环节传感器选择主目标检测元件被选择为温度传感器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。 主要特征如下：1 .流过装置的电流(mA )等于装置所在环境的热力学温度(开尔文)的度数，即，在mA/K

4、式中，是流过装置(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。 电源电压可以在4V6V的范围内变化，电流变化相当于1mA，温度变化相当于1K。 由于AD590能够承受44V的正向电压和20V的反向电压，所以元件的反向连接也不会损坏。4、输出电阻为710MW。5、精度高。副控制电路检测元件选择电磁式流量传感器。导电性液体流动时切断磁力线的话，也会产生感应电动势。 因此，可以应用电磁感应定律来测量流速，电磁流量传感器是基于该原理建立的。 电磁流量传感器的使用条件要求流体是电的，但有很多优点。因为电极

5、的距离正好是导管的内径，所以没有阻碍流体流动的障碍，压力损失极小。 可以得到与容积流量成比例的输出信号。 测定结果不受流体粘度的影响。 电动势在包含电极的导管截面上作为平均流速被测量，所以流速分布的影响很小。 测量范围广，测量精度高。为了实现测量的高精度要求，温度传感器AD590、AD590具有高精度和再现性，超低温漂移高精度运算放大器0P07放大温度一电压信号，容易进行A/D转换，提高温度采集电路的可靠性。 采样检测电路如图2.1所示。图2.1采样检测电路A/D转换电路使用ADC0809转换器。 将收集到的模拟信号转换成数字信号后的信号EOC经由反相器与单片机的P3.2端口连接，如图2.2所

6、示。图2.2 A/D转换电路4 .控制器设计采用单片机作为控制器，控制塔式机的温度. 单片机由于其功能强、体积小、可靠性高、成本低、开发周期短等优点，被称为自动化和各测量领域广泛应用的器件，被称为工业生产中不可或缺的器件，特别是在日常生活中的作用也越来越大在温度控制系统中，单片机发挥着不可替代的核心作用。2.3.1 CPU选择单片机接收从A/D转换电路输入的数字信号，对输入的信号进行处理和运算，将输入的信号作为控制电流或控制电压输出到控制的电路，完成控制电磁阀的工作。 本设计的单片机选择了Atmel公司的AT89C51单片机，采用双列直插式封装(DIP )，有40个与MCS51系列单片机指令和

7、管脚安装兼容的管脚。AT89C51管脚图如图2.3所示。图2.3 AT89C51管脚图从10V的交流供电，经过桥整流，经过电容器滤波，得到12V的直流电压，12V的直流电压与MC7805T芯片和电容器接触，产生5V的电压，向系统供电。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。 根据控制过程的特性，确定控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。 本设计中主控制器采用了控制规则，因此只调整控制器的参数。参数整定的一般步骤：(1)确定比例系数为了确定比例系数，首先把去除的积分项作为单纯的比例调整。 输入设定为系统允许的最大值的60%70%，从0开始逐渐增大比例系数，直

8、到系统振动为止，相反，此时的比例系数逐渐减少，直到系统没有振动为止，记录此时的比例系数，设定的比例系数为现在值的60%70%。 比例系数的调整完成了。(2)确定积分时间常数比例系数p确定后，设定大的积分时间常数Ti的初始值，接着，直到系统振动为止逐渐减小Ti，然后，直到系统不振动为止逐渐增大Ti。 记录此时的Ti，将PI的积分时间常数Ti设定为现在值的150%180%。 积分时间常数Ti的调试完成。(3)对pi参数进行微调，直到满足要求。执行元件选择开阀型电磁阀，通过控制阀的开度实现流量控制。 气开型在膜头上的气压增加时，阀向增加开度的方向动作，达到输入气压的上限时，阀成为全开状态。 相反，气

9、压减少时，阀向关闭方向动作，没有空气时，阀全闭。 因此，气开型阀有时也被称为故障封闭型。 气闭型的工作方向正好与气开型相反。 空气压力增加时，阀向关闭方向动作，空气压力减少或消失时，阀向打开方向或全开。 有时也称为故障开放型。 空气调节阀的空气的接通/断开通常通过执行元件的正反作用和阀状态结构不同的组装方式来实现。 从工艺生产安全性的角度考虑燃气开关的选择。 气体源被切断时，调节阀是在关闭位置安全还是在开放位置安全？6 .主程序的流程图如图3所示初始化采集温度e=0？主PID控制程序ny输出结束。采样流量。子控制器算法输出致动器用1表示。图3.1水塔温度控制系统的主程序的流程图7 .温度控制算

10、法的编程本次设计采用增量式PID控制算法，实现了温度控制。增量PID控制算法的公式如下所示uk=uk-1=kpek-ek-1 ttiektdek-2ek-1ek-2t=KP1TDT tiek-KP1TD tek-1 kptdtek-2 (3-1)程序的流程图如图3.2所示。图3.2温度控制算法程序子程序入口。ek=r-y ek=r-y eeek=r-y的计算计算Kp1 TdT TTiek计算Kp1 2TdTek-1KpTdTek-2的计算计算PS子程序返回。温度控制算法的程序如下/*PID FunctionThe PID (比例、积分、微分) functionisusedinmainlycon

11、trolapplications。pidcalcpperformperformentityofthepidalgorithm。While the PID function works，mainisjustadummyprogramshowingatypicalusage./类型结构PID int setpoint； /设定目标Desired Value长和错误； /误差累计双倍拓扑； /比例常数Proportional Const双集成电路； /积分常数Integral Const双驱动器；双驱动器； /微分常数Derivative Constint LastError； /Error-1in

12、t PrevError； /Error-2 PID；静态PID spid；静态PID * sptr=spid；void IncPIDInit(void ) sptr-SumError=0；sptr-LastError=0； /Error-1sptr-PrevError=0； /Error-2sptr-Proportion=0； /比例常数Proportional Constsptr-Integral=0； /积分常数Integral Constsptr-Derivative=0； /微分常数Derivative Constsptr-SetPoint=0；以下int IncPIDCalc(int

13、 NextPoint )注册器int I error，iIncpid； /当前误差iserror=sptr-setpoint-next point； /增量计算iinc PID=sptr-proportion * IR error/e k 项- sptr-integral * sptr-lasterror/e k-1 项sptr-Derivative * sptr-PrevError； 存储/Ek-2项/误差，用于下次计算sptr-PrevError=sptr-LastError；sptr-LastError=iError； /返回增量值返回(iinc PID )以下8 .设计结论本次设计的塔式温度控制系统采用串行控制系统实现了温度控制。 该系统改善了过程的动态特性，提高了系统的控制质量，快速克服了进入副电路的二次干扰，提高了系