過程控制大作業(yè)

1、1、系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案概述本次設(shè)計(jì)采用串級控制系統(tǒng)對水塔溫度進(jìn)行控制。過程控制系統(tǒng)山過程檢測、變送與控制儀表、執(zhí)行裝置等組成,通過各種類型得儀表 完成對過程變量得檢測、變送與控制，并經(jīng)執(zhí)行裝置作用于生產(chǎn)過程。串級控制系統(tǒng)就是兩只調(diào)節(jié)器串聯(lián)起來工作，其中一個(gè)調(diào)節(jié)器得輸出作為另一個(gè)調(diào) 節(jié)器得給定值得系統(tǒng)。此系統(tǒng)改善了過程得動態(tài)特性,提高了系統(tǒng)控制質(zhì)量，能迅速克服 進(jìn)入副回路得二次擾動，提高了系統(tǒng)得工作頻率,對負(fù)荷變化得適應(yīng)性較強(qiáng)。串級控制系統(tǒng)工程應(yīng)用場合如下：(1) 應(yīng)用于容量滯后較大得過程。(2) 應(yīng)用于純時(shí)延較大得過程。(3) 應(yīng)用于擾動變化激烈而且幅度大得過程。(4) 應(yīng)用于參數(shù)互相關(guān)聯(lián)得過程。(

2、5) 應(yīng)用于非線性過程。釆用單片機(jī)作為主控制器，水塔溫度為主被控對象,上水得流量為副被控對象，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)框圖熬汽：；：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二0,兩個(gè)檢測變送環(huán)節(jié)參數(shù)設(shè)定時(shí)間常數(shù)T二0、01s,擾動通道傳函為時(shí)間常數(shù)T二2s。輸入信號與擾動信號皆為單位階躍信號。 擾動作用時(shí)間F1為step time二50s,圖1、2串級控制系統(tǒng)仿真波形3、系統(tǒng)對

3、象特性設(shè)計(jì)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 溫度變化得時(shí)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8s(2-(2-W 主(s) Jpg + 11)副被控對象:上水流量P2(s) Tp S + 1=62)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就是美國模擬器件公司生產(chǎn)得單片集成兩端感溫電流源。它得主要特性如下:1、流過器件得電流(mA)等于器件所處環(huán)境得熱力學(xué)溫度(開爾文)度數(shù)，即：mA/K式 中:一流過器件(AD590)得電流，單位為mA; T熱力學(xué)溫度,單位為K。2、AD590

4、得測溫范圍為-55C+150C。3、AD590得電源電壓范圍為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1KoAD590可以承受44V正向電壓與20V反向電壓，因而器件反接也 不會被損壞。4、輸出電阻為7lOMWo5、精度高。副控回路檢測元件選擇電磁式流量傳感器。導(dǎo)電性得液體在流動時(shí)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，電磁流量傳感器就就是根據(jù)這一原理制成得。雖然電磁流量傳感器得使用條 件就是要求流體就是導(dǎo)電得，但它還就是有許多優(yōu)點(diǎn)。由于電極得距離正好為導(dǎo)管得內(nèi)徑，因此沒有妨礙流體流動得障礙，壓力損失極小。 能夠得到與容積流量成正

5、比得輸出信號。測量結(jié)果不受流體粘度得影響。山于電動勢就 是在包含電極得導(dǎo)管得斷面處作為平均流速測得得，因此受流速分布影響較小。測量范圉 寬,測量精度高。為了達(dá)到測量高精度得要求，選用溫度傳感器AD590, AD590具有較高精度與重復(fù)性, 超低溫漂移高精度運(yùn)算放大器0P07將溫度一電壓信號進(jìn)行放大，便于A/D進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以提 高溫度采集電路得可靠性。采樣檢測電路如圖2、1示。A/D轉(zhuǎn)換電路采用ADC0809轉(zhuǎn)換器。將采集來得模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸出轉(zhuǎn)換 完成得信號EOC經(jīng)反相器接單片機(jī)得P3、2 1=1, A/D轉(zhuǎn)換電路如圖2、2所示。4、控制器設(shè)計(jì)選用單片機(jī)作為控制器，對水塔溫度進(jìn)行控制。單

6、片機(jī)以其功能強(qiáng)、體積小、可靠性 高、造價(jià)低與開發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)，稱為自動化與各個(gè)測控領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用得器件，在工業(yè)生 產(chǎn)中稱為必不可少得器件,尤其就是在日常生活中發(fā)揮得作用也越來越大。在溫度控制系統(tǒng)中，單片機(jī)更就是起到了不可替代得核心作用。2.3.1 CPU 選擇單片機(jī)接受A/D轉(zhuǎn)換電路輸入得數(shù)字信號，并將輸入得信號進(jìn)行處理與運(yùn)算，以控 制控制電流或者控制電圧得形式輸出給被控制得電路,完成控電磁閥得任務(wù)。本設(shè)計(jì)得單 片機(jī)選用Atmel公司得AT89C51單片機(jī)，采用雙列直插封裝(DIP),有40個(gè)引腳與MCS51系列單片機(jī)得指令與引腳設(shè)置兼容。AT89C51引腳圖，如圖2、3所示。1PIOPOO

7、PO1P02P03P04P05P06P07392333P12 P13 PM PLSP13 PL?3?436535634733B32IKT) INTOP202122P22 P23 P24 P2S P2623352441 1TOEAAT253L26 2?2$】9Zl】89RESETOTXD)14叵xrrvALDP PSEH30圖2、3 AT89C51引腳圖山10V交流電供電,經(jīng)過橋式整流，電容濾波，得到12V得直流電壓，12V得直流電壓 與MC7805T芯片，以及電容相接，產(chǎn)生+5V電壓,給系統(tǒng)供電。-5V5、參數(shù)整定控制器得參數(shù)整定就是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)得核心內(nèi)容。它就是根據(jù)被控過程得特性確定 控制器

8、得比例系數(shù)、積分時(shí)間與微分時(shí)間得大小。因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)中主控制器釆用控制規(guī)律, 故僅對控制器得參數(shù)進(jìn)行整定。參數(shù)整定得一般步驟：(1) 確定比例系數(shù)確定比例系數(shù)時(shí)，首先去掉得積分項(xiàng)，首先令，使為純比例調(diào)節(jié)。輸入設(shè)定為系統(tǒng)允許 得最大值得60%70%,山0逐漸加大比例系數(shù),直至系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩;再反過來，從此時(shí)得比 例系數(shù)逐漸減小，直至系統(tǒng)振蕩消失，記錄此時(shí)得比例系數(shù)，設(shè)定得比例系數(shù)為當(dāng)前值得 60%70%。比例系數(shù)調(diào)試完成。(2) 確定積分時(shí)間常數(shù)比例系數(shù)P確定后，設(shè)定一個(gè)較大得積分時(shí)間常數(shù)Ti得初值，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(shí)得Ti,設(shè)

9、定PI 得積分時(shí)間常數(shù)Ti為當(dāng)前值得150%180%o積分時(shí)間常數(shù)Ti調(diào)試完成。(3) 再對PI參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，直至滿足要求。執(zhí)行器選擇氣開型電磁閥，通過控制閥得開度來實(shí)現(xiàn)流量控制。氣開型就是當(dāng)膜頭上空氣圧力增加時(shí)，閥門向增加開度方向動作，當(dāng)達(dá)到輸入氣壓上限時(shí)，閥門處于全開狀態(tài)。 反過來，當(dāng)空氣壓力減小時(shí)，閥門向關(guān)閉方向動作，在沒有輸入空氣時(shí)，閥門全閉。故有時(shí) 氣開型閥門乂稱故障關(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(shí), 閥門向關(guān)閉方向動作，空氣壓力減小或沒有時(shí)，閥門向開啟方向或全開為止。故有時(shí)乂稱 為故障開啟型。氣動調(diào)節(jié)閥得氣開或氣關(guān)，通常就是通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)得正反作用與閥態(tài)結(jié)構(gòu)

10、得不同組裝方式實(shí)現(xiàn)。氣開氣關(guān)得選擇就是根據(jù)工藝生產(chǎn)得安全角度出發(fā)來考慮。當(dāng)氣 源切斷時(shí)，調(diào)節(jié)閥就是處于關(guān)閉位置安全還就是開啟位置安全。6.主程序流程圖如圖3、1所示圖3、1水塔溫度控制系統(tǒng)主程序流程圖7、牛伏巧hi木川卩目里no 了工巾增量式PID控制算法公式如下：結(jié)束1 + + Ck KT TjkP=KPAuk = uk-uk-i = KPek-ek-l+f.ek + Td2TaTd（3-1）1 + + 叫）。?程序流程圖如圖3、2所示。fiS 圖1、2溫度控制算法程序/*PID FunctionThe PID （比例、積分、微分）function is used in mainly con

11、trol applications aPIDCalc performs one iteration of the PID algorithm、While the PID function works, main is just a dummy program showing a typical usage、 */typedef stnict PID int SetPoint; /設(shè)定目標(biāo) Desired Valuelong SumError; /誤差累計(jì)double Proportion; 比例常數(shù) Proportional Constdouble Integral; /積分常數(shù) Integr

12、al Constdouble Derivative; /微分常數(shù) Derivative Constint 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卜2 sptr-Proportion = 0; 比例常數(shù) Proportional Const sptr-Integral =

13、 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, ilncpid; /當(dāng)前誤差iError = sptr-SetPoint - NextPoint; 增量計(jì)算ilncpid = sptr-Proportion * iError /Ek項(xiàng)-sptr-Integral * sptr-LastError /Ek 1 項(xiàng)+ sptr-Derivative * sptr-PrevError; /Ek2項(xiàng)存儲誤差，用于下次計(jì)算 sptr-PrevError = sptr-LastError;sptr-LastError = iError; /返回增量值return(訂 ncpid);8、設(shè)計(jì)結(jié)論本次設(shè)訃得水塔溫度控制系統(tǒng)，釆用串級控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對溫度得控制。此系統(tǒng)改善了過程 得動態(tài)特性，提高了系統(tǒng)控制質(zhì)量,能迅速克服進(jìn)入副回路得二次擾動，提高了系統(tǒng)得工作 頻率,對負(fù)荷變化得適應(yīng)性較強(qiáng)。本系統(tǒng)采用單片機(jī)作為主控制器,