过程控制系统课程设计锅炉汽包温度控制系统论文文档格式.doc
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参考文献 14
第1章水塔温度控制系统设计方案
1.1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。
正因为串级控制系统具有上述特点，所以本次设计采用串级控制系统对锅炉汽包温度进行控制。
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
1.2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steptime=50s，
仿真波形如图1.2所示。
图1.2串级控制系统仿真波形
第2章水塔温度控制系统硬件设计
2.1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
=（2—1）
副被控对象：
上水流量
=（2—2）
2.2系统检测回路设计
2.2.1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4V～30V。
电源电压可在4V~6V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。
2.2.2采样检测电路设计
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
2.2.3A/D转换电路
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2.2A/D转换电路
2.3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。
2.3.1CPU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MCS—51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2.3AT89C51引脚图
2.3.4电源设计
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
4、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
比例系数确定后，设定一个较大的积分时间常数的初值，然后逐渐减小，直至系统出现振荡，之后在反过来，逐渐加大，直至系统振荡消失。
记录此时的，设定的积分时间常数为当前值的150%～180%。
积分时间常数调试完成。
（3）再对参数进行微调，直至满足要求。
2.4执行器选择
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。
第3章水塔温度控制系统软件设计
3.1程序设计
主程开始
初始化
采集温度
e=0？
调主PID控制程序
N
Y
输出
结束
采样流量
调副控制器算法程序
输出执行器
序流程图如图3.1所示。
图3.1水塔温度控制系统主程序流程图
3.2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：
（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ee
计算
子程序返回
温度控制算法程序如下：
/*PIDFunction
ThePID（比例、积分、微分）functionisusedinmainlycontrolapplications.
PIDCalcperformsoneiterationofthePIDalgorithm.
WhilethePIDfunctionworks,mainisjustadummyprogramshowingatypicalusage.*/
typedefstructPID
{
intSetPoint;
//设定目标DesiredValue
longSumError;
//误差累计
doubleProportion;
//比例常数ProportionalConst
doubleIntegral;
//积分常数IntegralConst
doubleDerivative;
//微分常数DerivativeConst
intLastError;
//Error[-1]
intPrevError;
//Error[-2]
}PID;
staticPIDsPID;
staticPID*sptr=&
sPID;
/*==============================================================
InitializePIDStructurePID参数初始化
==============================================================*/
voidIncPIDInit（void）
sptr->
SumError=0;
LastError=0;
PrevError=0;
Proportion=0;
Integral=0;
//积分常数IntegralConst
Derivative=0;
SetPoint=0;
}
增量式PID计算部分
==============================================================*/
intIncPIDCalc（intNextPoint）
registerintiError,iIncpid;
//当前误差
iError=sptr->
SetPoint-NextPoint;
//增量计算
iIncpid=sptr->
Proportion*iError//E[k]项
-sptr->
Integral*sptr->
LastError//E[k－1]项
+sptr->
Derivative
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