過程控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)(鍋爐汽包溫度控制系統(tǒng)論文)

1、下載可編輯理工學(xué)院過程控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)題目：水塔溫度控制系統(tǒng).專業(yè) .整理 .下載可編輯目錄第 1章 水塔溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 . .11. 1系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案概述 .11.2水塔溫度串級(jí)控制系統(tǒng)仿真 . .2第 2章 水塔溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) . .32.1系統(tǒng)對(duì)象特性設(shè)計(jì) .32.2系統(tǒng)檢測(cè)回路設(shè)計(jì) .32.3控制器設(shè)計(jì) .52.4執(zhí)行器選擇 .72.5參數(shù)整定9第 3章 水塔溫度控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) . .103.1程序設(shè)計(jì) . .113.2溫度控制算法程序設(shè)計(jì) . .8第 4章 設(shè)計(jì)結(jié)論 . .11參考文獻(xiàn). .12.專業(yè) .整理 .下載可編輯第 1 章 水塔溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案1. 1 系統(tǒng)

2、設(shè)計(jì)方案概述本次設(shè)計(jì)采用串級(jí)控制系統(tǒng)對(duì)水塔溫度進(jìn)行控制。過程控制系統(tǒng)由過程檢測(cè)、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(duì)過程變量的檢測(cè)、變送和控制，并經(jīng)執(zhí)行裝置作用于生產(chǎn)過程。串級(jí)控制系統(tǒng)是兩只調(diào)節(jié)器串聯(lián)起來工作，其中一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出作為另一個(gè)調(diào)節(jié)器的給定值的系統(tǒng)。此系統(tǒng)改善了過程的動(dòng)態(tài)特性，提高了系統(tǒng)控制質(zhì)量，能迅速克服進(jìn)入副回路的二次擾動(dòng)，提高了系統(tǒng)的工作頻率，對(duì)負(fù)荷變化的適應(yīng)性較強(qiáng)。串級(jí)控制系統(tǒng)工程應(yīng)用場(chǎng)合如下：（1）應(yīng)用于容量滯后較大的過程。（2）應(yīng)用于純時(shí)延較大的過程。（3）應(yīng)用于擾動(dòng)變化激烈而且幅度大的過程。（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。正

3、因?yàn)榇?jí)控制系統(tǒng)具有上述特點(diǎn)，所以本次設(shè)計(jì)采用串級(jí)控制系統(tǒng)對(duì)鍋爐汽包溫度進(jìn)行控制。采用單片機(jī)作為主控制器，水塔溫度為主被控對(duì)象，上水的流量為副被控對(duì)象，電磁閥為執(zhí)行器，利用 AD590傳感器檢測(cè)水塔溫度，利用流量傳感器檢測(cè)上水流量。水塔溫度串級(jí)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(jí)控制系統(tǒng)框圖.專業(yè) .整理 .下載可編輯圖 1.2水塔溫度串級(jí)控制系統(tǒng)原理圖1.2水塔溫度串級(jí)控制系統(tǒng)仿真水塔溫度串級(jí)控制系統(tǒng)仿真，積分環(huán)節(jié)Initial=0，兩個(gè)檢測(cè)變送環(huán)節(jié)參數(shù)設(shè)定時(shí)間常數(shù) T=0.01s ，擾動(dòng)通道傳函為時(shí)間常數(shù)T=2s。輸入信號(hào)和擾動(dòng)信號(hào)皆為單位

4、階躍信號(hào)。擾動(dòng)作用時(shí)間F1 為 step time=50s ，仿真波形如圖1.2 所示。圖 1.2串級(jí)控制系統(tǒng)仿真波形.專業(yè) .整理 .下載可編輯第 2 章 水塔溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)2.1 系統(tǒng)對(duì)象特性設(shè)計(jì)水塔溫度串級(jí)控制系統(tǒng)選擇水塔溫度為主被控對(duì)象，副被控對(duì)象為上水流量。當(dāng)水塔溫度變化的時(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(duì)象：水塔溫度錯(cuò)誤 ! 未找到引用源。 =錯(cuò)誤 ! 未找到引用源。（ 21）副被控對(duì)象：上水流量錯(cuò)誤 ! 未找到引用源。 =錯(cuò)誤 ! 未找到引用源。（ 22）2.2 系統(tǒng)檢測(cè)回路設(shè)計(jì)主控、副控回路檢測(cè)環(huán)節(jié)傳感器選擇主控對(duì)象檢測(cè)元件選擇為溫度傳感器AD5

5、90。AD590是美國(guó)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，單位為 mA； T 熱力學(xué)溫度，單位為 K。2、 AD590的測(cè)溫圍為 -55 +150。3、AD590的電源電壓圍為4V30V。電源電壓可在 4V6V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(huì)被損壞。4、輸出電阻為 710MW。5、精度高。副控回路檢測(cè)元件選擇電磁式流量傳感器。導(dǎo)電性的液體在流動(dòng)時(shí)切割磁力線

6、，也會(huì)產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)。因此可應(yīng)用電磁感應(yīng)定律來測(cè)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(diǎn)。.專業(yè) .整理 .下載可編輯由于電極的距離正好為導(dǎo)管的徑，因此沒有妨礙流體流動(dòng)的障礙，壓力損失極小。能夠得到與容積流量成正比的輸出信號(hào)。測(cè)量結(jié)果不受流體粘度的影響。由于電動(dòng)勢(shì)是在包含電極的導(dǎo)管的斷面處作為平均流速測(cè)得的，因此受流速分布影響較小。 測(cè)量圍寬，測(cè)量精度高。采樣檢測(cè)電路設(shè)計(jì)為了達(dá)到測(cè)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(yùn)算放大器0P07將溫度一電壓信號(hào)進(jìn)行放大, 便于

7、A/D進(jìn)行轉(zhuǎn)換 , 以提高溫度采集電路的可靠性。采樣檢測(cè)電路如圖2.1 示。圖 2.1 采樣檢測(cè)電路轉(zhuǎn)換電路A/D 轉(zhuǎn)換電路采用ADC0809轉(zhuǎn)換器。將采集來的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸出轉(zhuǎn)換完成的信號(hào) EOC經(jīng)反相器接單片機(jī)的P3.2 口， A/D 轉(zhuǎn)換電路如圖2.2 所示。.專業(yè) .整理 .下載可編輯圖 2.2 A/D轉(zhuǎn)換電路2.3 控制器設(shè)計(jì)選用單片機(jī)作為控制器，對(duì)水塔溫度進(jìn)行控制。單片機(jī)以其功能強(qiáng)、體積小、可靠性高、造價(jià)低和開發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)，稱為自動(dòng)化和各個(gè)測(cè)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(jī)更是起到了

8、不可替代的核心作用。選擇單片機(jī)接受 A/D 轉(zhuǎn)換電路輸入的數(shù)字信號(hào)，并將輸入的信號(hào)進(jìn)行處理和運(yùn)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(jì)的單片機(jī)選用 Atmel 公司的 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)的指令和引腳設(shè)置兼容。AT89C51引腳圖 , 如圖 2.3 所示。圖 2.3 AT89C51 引腳圖.專業(yè) .整理 .下載可編輯電源設(shè)計(jì)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

9、。圖 2.6電源電路4、參數(shù)整定PID 控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心容。它是根據(jù)被控過程的特性確定PID 控制器的比例系數(shù)、 積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小。 因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)中主控制器采用PI 控制規(guī)律，故僅對(duì) PI 控制器的參數(shù)進(jìn)行整定。參數(shù)整定的一般步驟：（1）確定比例系數(shù) P確定比例系數(shù) P 時(shí)，首先去掉 PI 的積分項(xiàng)，首先令 Ti0 ，使 PI 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) P ，直至系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩；再反過來，從此時(shí)的比例系數(shù) P 逐漸減小，直至系統(tǒng)振蕩消失， 記錄此時(shí)的比例系數(shù) P ，設(shè)定 PI 的比例系數(shù) P 為當(dāng)前值的 60% 7

10、0%。比例系數(shù) P 調(diào)試完成。（2）確定積分時(shí)間常數(shù) Ti比例系數(shù) P 確定后，設(shè)定一個(gè)較大的積分時(shí)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，之后在反過來，逐漸加大Ti ，直至系統(tǒng)振蕩消失。記錄此時(shí)的 Ti，設(shè)定 PI 的積分時(shí)間常數(shù)Ti為當(dāng)前值的。積分時(shí)間常數(shù)Ti 調(diào)試完成。150% 180%.專業(yè) .整理 .下載可編輯（3）再對(duì) PI 參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，直至滿足要求。2.4 執(zhí)行器選擇執(zhí)行器選擇氣開型電磁閥，通過控制閥的開度來實(shí)現(xiàn)流量控制。氣開型是當(dāng)膜頭上空氣壓力增加時(shí)，閥門向增加開度方向動(dòng)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(dòng)作

11、，在沒有輸入空氣時(shí)，閥門全閉。故有時(shí)氣開型閥門又稱故障關(guān)閉型。氣關(guān)型動(dòng)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(dòng)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)又稱為故障開啟型。氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的氣開或氣關(guān)，通常是通過執(zhí)行的正反作用和閥態(tài)結(jié)構(gòu)的不同組裝方式實(shí)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(shí)，調(diào)節(jié)閥是處于關(guān)閉位置安全還是開啟位置安全。第 3 章 水塔溫度控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)3.1程序設(shè)計(jì)主程序流程圖如圖3.1 所示。開始初始化采集溫度.專業(yè) .整理 .Ye=0 ？下載可編輯3.2溫度控制算法程序設(shè)計(jì)圖 3.1 水塔溫度控制系統(tǒng)主程序流程圖本次設(shè)計(jì)

12、采用增量式PID 控制算法，來實(shí)現(xiàn)溫度控制。增量式 PID 控制算法公式如下：錯(cuò)誤 ! 未找到引用源。(3-1).專業(yè) .整理 .下載可編輯程序流程圖如圖 3.2 所示。子程序入口計(jì)算錯(cuò)誤! 未找計(jì)算錯(cuò)誤 ! 未找到引用計(jì)算錯(cuò)誤 ! 未找到引用計(jì)算錯(cuò)誤 ! 未找到計(jì)算錯(cuò)誤!子程序返回圖 3.2 溫度控制算法程序溫度控制算法程序如下：/*PID FunctionThe PID ( 比例、積分、微分 ) functionis used in mainly controlapplications.PIDCalc performs one iteration of the PID algorithm.

13、While the PID functionworks, main is justa dummyprogram showing a typicalusage. */typedef struct PIDint SetPoint; /設(shè)定目標(biāo) Desired Value.專業(yè) .整理 .下載可編輯long SumError; /誤差累計(jì)double Proportion; /比例常數(shù) Proportional Constdouble Integral; /積分常數(shù) Integral Constdouble Derivative; /微分常數(shù) Derivative Constint LastErro

14、r; /Error-1int PrevError; /Error-2 PID;static PID sPID;static PID *sptr = &sPID;/*=Initialize PID Structure PID參數(shù)初始化=*/void IncPIDInit(void)sptr->SumError = 0;sptr->LastError = 0; /Error-1sptr->PrevError = 0; /Error-2sptr->Proportion = 0; /比例常數(shù) Proportional Constsptr->Integral = 0

15、; /積分常數(shù) Integral Constsptr->Derivative = 0; /微分常數(shù) Derivative Constsptr->SetPoint = 0;/*=增量式 PID 計(jì)算部分=*/int IncPIDCalc(int NextPoint)register int iError, iIncpid; /當(dāng)前誤差.專業(yè) .整理 .下載可編輯iError = sptr->SetPoint - NextPoint; /增量計(jì)算iIncpid = sptr->Proportion * iError /Ek項(xiàng)- sptr->Integral * spt

16、r->LastError /Ek1 項(xiàng)+ sptr->Derivative * sptr->PrevError; /Ek2 項(xiàng) /存儲(chǔ)誤差，用于下次計(jì)算sptr->PrevError = sptr->LastError;sptr->LastError = iError; /返回增量值return(iIncpid);第4章設(shè)計(jì)結(jié)論本次設(shè)計(jì)的水塔溫度控制系統(tǒng)，采用串級(jí)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制。此系統(tǒng)改善了過程的動(dòng)態(tài)特性，提高了系統(tǒng)控制質(zhì)量，能迅速克服進(jìn)入副回路的二次擾動(dòng)，提高了系統(tǒng)的工作頻率，對(duì)負(fù)荷變化的適應(yīng)性較強(qiáng)。本系統(tǒng)采用單片機(jī)作為主控制器，單片機(jī)以其功能強(qiáng)、體積小、可靠性高、造價(jià)低和開發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)，稱為自動(dòng)化和各個(gè)測(cè)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(jī)更是起到了不可替代的核心作用。本系統(tǒng)選取水塔溫度為主被控對(duì)象，上水的流量為副被控對(duì)象，電磁閥為執(zhí)行器，利用 AD590傳感器檢測(cè)水塔溫度，利用流量傳感器檢測(cè)上水流量。通過調(diào)節(jié)電磁閥開度實(shí)現(xiàn)上水流量控制，進(jìn)而控制水塔溫度。.專業(yè) .整理 .下載可編輯參考文獻(xiàn)1 優(yōu)賢 .