東南大學(xué)過程控制試驗綜合設(shè)計

東南大學(xué)自動化學(xué)院實驗報告課程名稱： 過程控制 綜合設(shè)計實驗名稱： 基于DSP的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計 院（系）： 自動化 專業(yè)：自動化姓名：學(xué)號：同組人員：實驗時間：2017年6月3日評定成績：審閱教師：TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument".設(shè)計背景 3\o"CurrentDocument".設(shè)計目的 3\o"CurrentDocument".系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 3\o"CurrentDocument".系統(tǒng)設(shè)計 5五?總結(jié) 8一、設(shè)計背景其溫度控制，在工業(yè)自動化控制中占有非常重要的地位。單片機系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用給現(xiàn)代工業(yè)測控領(lǐng)域帶來了一次新的技術(shù)革命，自動化、智能化均離不開單片機的應(yīng)用。將單片機控制方法運用到溫度控制系統(tǒng)中，可以克服溫度控制系統(tǒng)中存在的嚴(yán)重滯后現(xiàn)象，同時在提高采樣頻率的基礎(chǔ)上可以很大程度的提高控制效果和控制精度。溫度的控制問題是一個工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常會遇到的問題。本文以它為例進(jìn)行介紹，希望能收到舉一反三和觸類旁通的效果。現(xiàn)代自動控制越來越朝著智能化發(fā)展，在很多自動控制系統(tǒng)中都用到了工控機，小型機、甚至是巨型機處理機等，當(dāng)然這些處理機有一個很大的特點，那就是很高的運行速度，很大的內(nèi)存，大量的數(shù)據(jù)存儲器。但隨之而來的是巨額的成本。在很多的小型系統(tǒng)中，處理機的成本占系統(tǒng)成本的比例高達(dá)20%，而對于這些小型的系統(tǒng)來說，配置一個如此高速的處理機沒有任何必要，因為這些小系統(tǒng)追求經(jīng)濟效益，而不是最在乎系統(tǒng)的快速性，所以用成本低廉的單片機控制小型的，而又不是很復(fù)雜，不需要大量復(fù)雜運算的系統(tǒng)中是非常適合的。隨著電子技術(shù)以及應(yīng)用需求的發(fā)展，單片機技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，在高集成度，高速度，低功耗以及高性能方面取得了很大的進(jìn)展。伴隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電子技術(shù)有了更高的飛躍，我們現(xiàn)在完全可以運用單片機和電子溫度傳感器對某處進(jìn)行溫度檢測，而且我們可以很容易地做到多點的溫度檢測，如果對此原理圖稍加改進(jìn)，我們還可以進(jìn)行不同地點的實時溫度檢測和控制。二、設(shè)計目的以DSP為控制器，結(jié)合工業(yè)過程實驗室已有設(shè)備，按照定值系統(tǒng)的控制要求，應(yīng)用PID算法，自行設(shè)計，構(gòu)成單回路溫度控制系統(tǒng)，并整定現(xiàn)相關(guān)的PID參數(shù)以使系統(tǒng)穩(wěn)定運行，最終實現(xiàn)溫度控制系統(tǒng)的PID控制。三、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖根據(jù)控制要求，溫度單回路控制系統(tǒng)的控制參數(shù)是水的溫度，測量便采用溫度傳感器，被控參數(shù)是加熱器的功率，控制器是計算機，執(zhí)行器是加熱器，所以溫度單回路控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。SP控制器SP控制器圖1溫度單回路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖儀表選擇(1)溫度傳感器測量水溫的傳感器采用電熱阻Cu50。熱電阻Cu50在一50?150℃測量范圍內(nèi)電熱阻和溫度之間呈線性關(guān)系，溫度系數(shù)越大，測量精度越高，熱補償性好，在過程控制領(lǐng)域使用廣泛。系統(tǒng)采用三線制Cu50,溫度信號經(jīng)過變送單元轉(zhuǎn)換成4?20mADC電流信號，便于計算機采集。(2)加熱器采用電阻絲作為加熱器件，采用可控硅移相觸發(fā)單元調(diào)節(jié)電阻絲的發(fā)熱功率，輸入控制信號為4—20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號，其移相觸發(fā)與輸入控制電流成正比。輸出交流電壓來控制加熱器電阻絲的兩端電壓，從而控制加熱罐的溫度。輸入4mA電流時，加熱器電阻絲的兩端溫度為0丫，輸入為20mA電流時，加熱器電阻絲的兩端溫度為220V。(3)電動調(diào)節(jié)閥采用電動調(diào)節(jié)閥對控制回路的水的流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。采用2DYP-16P型智能電動調(diào)節(jié)閥，無需配伺服放大器，驅(qū)動電路采用高性能稀土磁性材料制造的同步電機運行平穩(wěn)，體積小，力矩大，抗堵轉(zhuǎn)，控制精度高。控制單元與執(zhí)行機構(gòu)一體化，可靠性高、操作方便，并可與計算機配套使用，組成最佳調(diào)節(jié)回路。由輸入控制信號4?20mA及單相電源即可控制運轉(zhuǎn)實現(xiàn)對壓力流量溫度液位等參數(shù)的調(diào)節(jié)，具有體積小，重量輕，連線簡單，泄漏量少的優(yōu)點。采用電子式直行程執(zhí)行機構(gòu)，4?20mA閥位反饋信號輸出雙導(dǎo)向單座柱塞式閥芯，流量具有等百分比特性，直線特性和快開特性，閥門采用柔性彈簧連接，可預(yù)置閥門關(guān)斷力，保證閥門的可靠關(guān)斷防止泄露。性能穩(wěn)定可靠，控制精度高，使用壽命長等優(yōu)點。(4)其他設(shè)備在控制回路中所涉及到的設(shè)備還有水泵，變頻器，電磁閥，開關(guān)電源等。水泵采用循環(huán)水泵。噪音低，壽命長，揚程可達(dá)10米，功耗小，220V即可供電，在水

泵出水口裝有壓力變送器，與變頻器一起可構(gòu)成恒壓供水系統(tǒng)。系統(tǒng)流程圖根據(jù)系統(tǒng)組成框圖和組成的儀表單元，得到系統(tǒng)流程圖如圖2所示。圖2系統(tǒng)流程圖220VAC根據(jù)系統(tǒng)組成框圖和組成的儀表單元，得到系統(tǒng)流程圖如圖2所示。圖2系統(tǒng)流程圖220VAC四、系統(tǒng)設(shè)計4.1系統(tǒng)硬件設(shè)計4.1系統(tǒng)硬件設(shè)計圖3硬件設(shè)計數(shù)字濾波與非線性處理數(shù)字濾波處理在溫度控制系統(tǒng)中，由于輸入通道的參數(shù)范圍不相同，精度要求也不一樣.往往攜帶有現(xiàn)場和過程通道中的各種干擾信號。因此采樣數(shù)據(jù)并不能直接用來進(jìn)行有效控制，必須對其進(jìn)行加T和處理。數(shù)字濾波的實質(zhì)是一種程序濾波，即通過一定的計算程序，對采集來的信號進(jìn)行平滑加工，提高有用信號在采樣值中的比重，減少乃至消除干擾及噪聲。與模擬濾波器相比，數(shù)字濾波具有以下優(yōu)點：（1）因為用程序濾波，無需增加硬件設(shè)備，且可多通道共享一個濾波器，從而降低了成本。（2）由于不用硬件設(shè)備，各回路問不存在阻抗匹配等問題?？煽啃愿?、穩(wěn)定性好。（3）可以對頻率很低的信號進(jìn)行濾波。（4）根據(jù)需要選擇不同的濾波方法或改變?yōu)V波器的參數(shù)。使用方便靈活。中值濾波是對某一參數(shù)連續(xù)采樣n次（n取奇數(shù)），然后把n次采樣值順序排列（正序或逆序），再取中間值作為本次采樣值。中值濾波對于去掉由于偶然因素引起的波動或采樣器不穩(wěn)定所引起的脈動干擾十分有效。對緩慢變化過程變量采用此法有良好的效果，本設(shè)計選擇中值濾波的方法，進(jìn)行溫度測量時。在一點處間隔時間很短的時間內(nèi)采樣五次，對這五個采樣值進(jìn)行排序取中間值。由此去掉采樣器不穩(wěn)定引起的脈動和由于WD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生的尖端脈沖。非線性處理溫度傳感器的非線性特性是影響溫度精度的主要因素.因此直接作為線性數(shù)據(jù)進(jìn)行處理會有較大的誤差。在本系統(tǒng)中采用軟件程序補償來消除非線性誤差。查表法是一種非數(shù)值計算方法，利用這種方法可以完成數(shù)據(jù)補償、計算、轉(zhuǎn)換等各項工作，具有程序設(shè)計簡單、速度快等優(yōu)點。查表法中最直接的方法是通過熱敏電阻廠商提供的相關(guān)溫度與阻值關(guān)系的特性表建立數(shù)據(jù)表，在程序運行時直接查表，實現(xiàn)非線性數(shù)據(jù)的線性化。表格的建立要經(jīng)過反復(fù)對溫度與電壓的關(guān)系曲線進(jìn)行理論分析與實驗測試來確定。用較高精度的測溫儀對被測溫度進(jìn)行測量，得到精確的溫度值.如此反復(fù)操作即可獲得與所有A,D值對應(yīng)的溫度值，按A巾值從小到大的順序，將對應(yīng)的溫度值排列成表，即為線性化處理的溫度表。PID算法分析與系統(tǒng)程序設(shè)計PID算法分析'在溫度控制系統(tǒng)中，溫度存在較大的延遲和慣性，為了實現(xiàn)最優(yōu)控制通常采用PID控制，它是溫度控制系統(tǒng)的核心。通過對PID的位置算法分析可知，積分項有較大的累積值容易出現(xiàn)“積分飽和”，因此在此采用增量式PID算法?？刂扑惴ū磉_(dá)式為：/=%%-小+K島+心（%-21_Jk2）式中：號是比例系數(shù)K,是積分系數(shù)勺是微分系數(shù)在PID控制中，引入積分的目的是為了消除靜差提高精度，但積分作用過強，會產(chǎn)生過大的超調(diào)引起系統(tǒng)振蕩，這是某些生產(chǎn)過程絕對不允許的。為了克服這種現(xiàn)象，可利用數(shù)字機的邏輯判斷功能，采用積分分離PID算法。積分分離式PID算法的基本思路是：當(dāng)被控量與設(shè)定值偏差大時，取消積分作用，以免積分作用使系統(tǒng)穩(wěn)定性減弱，超調(diào)量加大。當(dāng)被控量接近設(shè)定值時，才將積分作用投入，以便消除靜差，提高控制精度。在PID控制中微分信號的作用改善了系統(tǒng)的動態(tài)特性，但也容易引起高頻干擾。因此在控制算法中加上低通濾波，則性能可顯著改善。具體方法有如下幾種：（1）不完全微分PID。是將低通濾波器直接加在微分環(huán)節(jié)上，或是將低通濾波器加在整個PID控制器之后。（2）微分算法的另一種改進(jìn)形式是微分先行PID，它同樣能起平滑微分的作用。它們的特點是微分作用在前，然后再進(jìn)行比例放大和積分，這樣可避免因提降設(shè)定值時所引起的超調(diào)量過大，閥門動作過分劇烈。（3）帶死區(qū)的PID。有些生產(chǎn)過程的控制精度不太高，不希望系統(tǒng)頻繁動作，如中間容量的液位控制等，這時可采用帶死區(qū)的PID算法。溫度控制系統(tǒng)程序設(shè)計在基于DSP的溫度控制系統(tǒng)程序設(shè)計中，主要考慮TMS320LF2407存儲器空間的分配，TMS320LF2407與外部器件的接口控制，溫度控制的PID算法實現(xiàn)以及系統(tǒng)的中斷產(chǎn)生與中斷響應(yīng)等。系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計，包括：程序的初始化模塊、PID算法子程序、鍵盤和顯示子程序以及串行通信子程序、其主程序流程圖如圖4所示。

主程序圖4溫度控制系統(tǒng)主程序流程圖五、