过程控制大作业.docx

过程控制大作业.docx

《过程控制大作业.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《过程控制大作业.docx（9页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

过程控制大作业

水塔温度过程控制系统

学号：

B

姓名：

刘华

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。

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所示，系统原理图如图所示。

图水塔温度串级控制系统框图

图水塔温度串级控制系统原理图

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=，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，

仿真波形如图所示。

图串级控制系统仿真波形

3.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）

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。

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。

采样检测电路如图示。

图采样检测电路

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口，A/D转换电路如图所示。

图A/D转换电路

4.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,如图所示。

图AT89C51引脚图

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。

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P确定后，设定一个较大的积分时间常数Ti的初值，然后逐渐减小Ti，直至系统出现振荡，之后再反过来，逐渐加大Ti，直至系统振荡消失。

记录此时的Ti，设定PI的积分时间常数Ti为当前值的150%～180%。

积分时间常数Ti调试完成。

（3）再对PI参数进行微调，直至满足要求。

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。

6.主程序流程图如图所示。

7.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）

程序流程图如图所示。

温度控制算法程序如下：

/*PIDFunction

ThePID（比例、积分、微分）functionisusedinmainlycontrolapplications.

PIDCalcperformsoneiterationofthePIDalgorithm.

WhilethePIDfunctionworks,mainisjustadummyprogramshowingatypicalusage.*/

typedefstructPID{intSetPoint;设计结论

本次设计的水塔温度控制系统，采用串级控制系统实现对温度的控制。

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。

本系统采用单片机作为主控制器，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。

本系统选取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。

通过调节电磁阀开度实现上水流量控制，进而控制水塔温度。