過程控制大作業(yè)

1、水塔溫度過程控制系統(tǒng)學(xué)號：B11040924 姓名：劉華 1. 系統(tǒng)設(shè)計方案概述本次設(shè)計采用串級控制系統(tǒng)對水塔溫度進行控制。過程控制系統(tǒng)由過程檢測、變送和控制儀表、執(zhí)行裝置等組成，通過各種類型的儀表完成對過程變量的檢測、變送和控制，并經(jīng)執(zhí)行裝置作用于生產(chǎn)過程。串級控制系統(tǒng)是兩只調(diào)節(jié)器串聯(lián)起來工作，其中一個調(diào)節(jié)器的輸出作為另一個調(diào)節(jié)器的給定值的系統(tǒng)。此系統(tǒng)改善了過程的動態(tài)特性，提高了系統(tǒng)控制質(zhì)量，能迅速克服進入副回路的二次擾動，提高了系統(tǒng)的工作頻率，對負(fù)荷變化的適應(yīng)性較強。串級控制系統(tǒng)工程應(yīng)用場合如下：（1）應(yīng)用于容量滯后較大的過程。（2）應(yīng)用于純時延較大的過程。（3）應(yīng)用于擾動變化激烈而且幅度

2、大的過程。（4）應(yīng)用于參數(shù)互相關(guān)聯(lián)的過程。（5）應(yīng)用于非線性過程。采用單片機作為主控制器，水塔溫度為主被控對象，上水的流量為副被控對象，電磁閥為執(zhí)行器，利用AD590傳感器檢測水塔溫度，利用流量傳感器檢測上水流量。水塔溫度串級控制系統(tǒng)框圖如圖1.1所示，系統(tǒng)原理圖如圖1.2所示。 圖1.1水塔溫度串級控制系統(tǒng)框圖圖1.2 水塔溫度串級控制系統(tǒng)原理圖2. 水塔溫度串級控制系統(tǒng)仿真水塔溫度串級控制系統(tǒng)仿真，積分環(huán)節(jié) Initial=0，兩個檢測變送環(huán)節(jié)參數(shù)設(shè)定時間常數(shù)T=0.01s，擾動通道傳函為時間常數(shù)T=2s。輸入信號和擾動信號皆為單位階躍信號。擾動作用時間F1為step time=50s，仿

3、真波形如圖1.2所示。圖1.2 串級控制系統(tǒng)仿真波形3.系統(tǒng)對象特性設(shè)計水塔溫度串級控制系統(tǒng)選擇水塔溫度為主被控對象，副被控對象為上水流量。當(dāng)水塔溫度變化的時候，通過控制上水流量改變水塔溫度，并最終使其恒定。主被控對象：水塔溫度W主s=Kp1e-sTP1S+1 （21）副被控對象：上水流量W副s=Kp2TP2S+1 （22）主控、副控回路檢測環(huán)節(jié)傳感器選擇主控對象檢測元件選擇為溫度傳感器AD590。AD590是美國模擬器件公司生產(chǎn)的單片集成兩端感溫電流源。它的主要特性如下：1、流過器件的電流（mA）等于器件所處環(huán)境的熱力學(xué)溫度（開爾文）度數(shù)，即： mA/K式中：流過器件（AD590）的電流，單

4、位為mA； T熱力學(xué)溫度，單位為K。2、AD590的測溫范圍為-55+150。3、AD590的電源電壓范圍為4V30V。電源電壓可在4V6V范圍變化，電流 變化1mA，相當(dāng)于溫度變化1K。AD590可以承受44V正向電壓和20V反向電壓，因而器件反接也不會被損壞。4、輸出電阻為710MW。5、精度高。副控回路檢測元件選擇電磁式流量傳感器。導(dǎo)電性的液體在流動時切割磁力線，也會產(chǎn)生感生電動勢。因此可應(yīng)用電磁感應(yīng)定律來測定流速，電磁流量傳感器就是根據(jù)這一原理制成的。雖然電磁流量傳感器的使用條件是要求流體是導(dǎo)電的，但它還是有許多優(yōu)點。由于電極的距離正好為導(dǎo)管的內(nèi)徑，因此沒有妨礙流體流動的障礙，壓力損失

5、極小。能夠得到與容積流量成正比的輸出信號。測量結(jié)果不受流體粘度的影響。由于電動勢是在包含電極的導(dǎo)管的斷面處作為平均流速測得的，因此受流速分布影響較小。測量范圍寬，測量精度高。為了達(dá)到測量高精度的要求,選用溫度傳感器AD590,AD590具有較高精度和重復(fù)性，超低溫漂移高精度運算放大器0P07將溫度一電壓信號進行放大,便于A/D進行轉(zhuǎn)換,以提高溫度采集電路的可靠性。采樣檢測電路如圖2.1示。圖2.1采樣檢測電路A/D轉(zhuǎn)換電路采用ADC0809轉(zhuǎn)換器。將采集來的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸出轉(zhuǎn)換完成的信號EOC經(jīng)反相器接單片機的P3.2口，A/D轉(zhuǎn)換電路如圖2.2所示。圖2.2 A/D轉(zhuǎn)換電路4.控制

6、器設(shè)計選用單片機作為控制器，對水塔溫度進行控制。單片機以其功能強、體積小、可靠性高、造價低和開發(fā)周期短等優(yōu)點，稱為自動化和各個測控領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用的器件，在工業(yè)生產(chǎn)中稱為必不可少的器件，尤其是在日常生活中發(fā)揮的作用也越來越大。在溫度控制系統(tǒng)中，單片機更是起到了不可替代的核心作用。2.3.1 CPU選擇單片機接受A/D 轉(zhuǎn)換電路輸入的數(shù)字信號，并將輸入的信號進行處理和運算，以控制控制電流或者控制電壓的形式輸出給被控制的電路，完成控電磁閥的任務(wù)。本設(shè)計的單片機選用Atmel 公司的AT89C51 單片機，采用雙列直插封裝（DIP），有40個引腳與MCS51 系列單片機的指令和引腳設(shè)置兼容。AT89C

7、51引腳圖,如圖2.3所示。圖2.3 AT89C51引腳圖由10V交流電供電，經(jīng)過橋式整流，電容濾波，得到12V的直流電壓，12V的直流電壓與MC7805T芯片，以及電容相接，產(chǎn)生+5V電壓，給系統(tǒng)供電。圖 2.6 電源電路5.參數(shù)整定控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計的核心內(nèi)容。它是根據(jù)被控過程的特性確定控制器的比例系數(shù)、積分時間和微分時間的大小。因為本設(shè)計中主控制器采用控制規(guī)律，故僅對控制器的參數(shù)進行整定。參數(shù)整定的一般步驟：（1）確定比例系數(shù)確定比例系數(shù)時，首先去掉的積分項，首先令，使為純比例調(diào)節(jié)。輸入設(shè)定為系統(tǒng)允許的最大值的60%70%，由0逐漸加大比例系數(shù)，直至系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩；再反過來，從

8、此時的比例系數(shù)逐漸減小，直至系統(tǒng)振蕩消失，記錄此時的比例系數(shù)，設(shè)定的比例系數(shù)為當(dāng)前值的60%70%。比例系數(shù)調(diào)試完成。 （2）確定積分時間常數(shù)比例系數(shù)P確定后，設(shè)定一個較大的積分時間常數(shù)Ti的初值，然后逐漸減小Ti，直至系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩，之后再反過來，逐漸加大Ti，直至系統(tǒng)振蕩消失。記錄此時的Ti，設(shè)定PI的積分時間常數(shù)Ti為當(dāng)前值的150%180%。積分時間常數(shù)Ti調(diào)試完成。（3）再對PI參數(shù)進行微調(diào)，直至滿足要求。執(zhí)行器選擇氣開型電磁閥，通過控制閥的開度來實現(xiàn)流量控制。氣開型是當(dāng)膜頭上空氣壓力增加時，閥門向增加開度方向動作，當(dāng)達(dá)到輸入氣壓上限時，閥門處于全開狀態(tài)。反過來，當(dāng)空氣壓力減小時，閥門

9、向關(guān)閉方向動作，在沒有輸入空氣時，閥門全閉。故有時氣開型閥門又稱故障關(guān)閉型。氣關(guān)型動作方向正好與氣開型相反。當(dāng)空氣壓力增加時，閥門向關(guān)閉方向動作，空氣壓力減小或沒有時，閥門向開啟方向或全開為止。故有時又稱為故障開啟型。氣動調(diào)節(jié)閥的氣開或氣關(guān)，通常是通過執(zhí)行機構(gòu)的正反作用和閥態(tài)結(jié)構(gòu)的不同組裝方式實現(xiàn)。氣開氣關(guān)的選擇是根據(jù)工藝生產(chǎn)的安全角度出發(fā)來考慮。當(dāng)氣源切斷時，調(diào)節(jié)閥是處于關(guān)閉位置安全還是開啟位置安全。6.主程序流程圖 如圖3.開始初始化采集溫度e=0 ？調(diào)主PID控制程序NY輸出結(jié)束采樣流量調(diào)副控制器算法程序輸出執(zhí)行器1所示。圖3.1 水塔溫度控制系統(tǒng)主程序流程圖 7. 溫度控制算法程序設(shè)計

10、本次設(shè)計采用增量式PID控制算法，來實現(xiàn)溫度控制。增量式PID控制算法公式如下：uk=uk-uk-1=Kpek-ek-1+TTiek+Tdek-2ek-1+ek-2T =Kp1+TdT+TTiek-Kp1+2TdTek-1+KpTdTek-2 (3-1)程序流程圖如圖3.2所示。圖3.2溫度控制算法程序子程序入口計算ek=r-y ek=r-y eeek=r-y計算 Kp1+TdT+TTiek計算 Kp1+2TdTek-1計算KpTdTek-2計算uk子程序返回 溫度控制算法程序如下：/*PID Function The PID (比例、積分、微分) function is used in ma

11、inly control applications.PIDCalc performs one iteration of the PID algorithm. While the PID function works, main is just a dummy program showing a typical usage. */ typedef struct PID int SetPoint; /設(shè)定目標(biāo) Desired Value long SumError; /誤差累計 double Proportion; /比例常數(shù) Proportional Const double Integral;

12、 /積分常數(shù) Integral Const double Derivative; /微分常數(shù) Derivative Const int LastError; /Error-1 int PrevError; /Error-2 PID;static PID sPID; static PID *sptr = &sPID; void IncPIDInit(void) sptr->SumError = 0; sptr->LastError = 0; /Error-1 sptr->PrevError = 0; /Error-2 sptr->Proportion = 0; /

13、比例常數(shù) Proportional Const sptr->Integral = 0; /積分常數(shù)Integral Const sptr->Derivative = 0; /微分常數(shù) Derivative Const sptr->SetPoint = 0; int IncPIDCalc(int NextPoint) register int iError, iIncpid; /當(dāng)前誤差 iError = sptr->SetPoint - NextPoint; /增量計算 iIncpid = sptr->Proportion * iError /Ek項 - sptr

14、->Integral * sptr->LastError /Ek1項 + sptr->Derivative * sptr->PrevError; /Ek2項 /存儲誤差，用于下次計算 sptr->PrevError = sptr->LastError; sptr->LastError = iError; /返回增量值 return(iIncpid); 8. 設(shè)計結(jié)論本次設(shè)計的水塔溫度控制系統(tǒng)，采用串級控制系統(tǒng)實現(xiàn)對溫度的控制。此系統(tǒng)改善了過程的動態(tài)特性，提高了系統(tǒng)控制質(zhì)量，能迅速克服進入副回路的二次擾動，提高了系統(tǒng)的工作頻率，對負(fù)荷變化的適應(yīng)性較強。本系統(tǒng)采