煤浆浓度控制系统.doc

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1、计算机控制系统课程设计课题： 煤浆浓度控制系统系 别： 电气与电子工程系专 业： 自动化姓 名： 学 号： 指导教师： 2011年12月1日成绩评定一、指导教师评语（根据学生设计报告质量、答辩情况及其平时表现综合评定）。二、评分（按下表要求评定）评分项目设计报告评分答辩评分平时表现评分合 计 （100分）任务完成情 况（20分）课程设计报告质量（40分）表达情况（10分）回答问题情 况（10分）工作态度与纪律（10分）独立工作能力（10分）得分课程设计成绩评定班级 姓名 学号成绩： 分（折合等级 ）指导教师签字 年 月 日目录摘要 （4）一、设计目的 （4）二、设计要求 （4）三、设计思路 （

2、4）四、设计主要设备 （5）五、设计原理及内容 （5）1、煤浆系统工艺流程简介 （5）2、原理结构图 （5）3、PID控制器 （6）4、系统结构分析 （8）5、系统硬软件设计 （8）5.1系统硬件部分设计 （9）5.2 软件部分设计 （10）六、心得体会 （11）参考文献煤浆浓度控制系统 【摘要】在工业生产过程中，煤浆的稳定输送是气化炉正常运行的先决条件，因此稳定的煤浆浓度控制系统是生产中必不可少的部分。本文介绍了煤浆浓度控制系统，重点讨论了系统的组成、软硬件的具体设计和实现。【关键词】煤浆 浓度 控制 软硬件【Abstract】In the industrial production pro

3、cess, the stability of coal slurry gasifier feeding is the normal operation of the prerequisites, so the stability of coal slurry concentration control system is an essential part of production. This paper introduces the coal slurry concentration control system were discussed, and the system composi

4、tion, the hardware and software of the specific design and implementation.【keyword】coalpaste concentration controlthe hardware and software一、设计目的1了解双回路过程控制系统工业用调节器的结构，特性和基本使用方法。2学习调节器重要参数整定的含义，学习并掌握调节器参数的整定方法。3学习用调节器，变送器，给料闭环控制系统组成的煤浆浓度控制系统。4领会调节器控制规律改变或系统参数变化对系统被控参数和系统性能的影响作用。二、设计要求 设计一个煤浆浓度控制系统，确定

5、设计方案，完成系统软硬件设计。三、设计思路在水煤浆制备过程中, 需要对球磨机中的给煤、给水、给药量进行严格控制。这些参数对产品质量有很大影响, 需要根据给煤皮带的给煤量及时调整。由于系统存在较大的惯性和滞后性, 而且影响给煤、给水、给药量的扰动因素较多, 所以要采取措施对给煤、给水、给药实现快速、稳定、精确的控制,减少能源消耗和设备磨损, 以满足生产需要。影响煤浆浓度的因素有原料煤内的水分含量，外表水分含量，原料煤与工艺水，煤浆添加剂的添加比例，原料煤的成浆比例等。根据以上所述可以将其列为： X= M(1-Y)/N-M-Z N=M(1-Y)/(X+Z+M)X工艺水的用量（m3/h）Y入磨机原料

6、煤的全水含量（%）Z煤浆添加剂的用量（m3/h）M入磨机的原料煤量（t/h）N煤浆浓度（wt%） 从上式可以看出想要提高浓度不外乎两条：1.增大“M(1-Y)”的值，也就是说尽量增大入磨机煤量或者是减小原料煤的全水含量；2.减小“（X+Z+M）”的值，也就是说减小工艺水、添加剂和煤量。四、设计主要设备 1 给料机 2 球磨机 3 控制器 4 密度计 5 流量计数个 6 PID调节器 7 变频器3个 8 MSP430F149 9 D/A转换器五、设计原理及内容1、煤浆系统工艺流程简介煤贮斗中预破碎的煤经称量给料机后自流人煤磨机。为了改善煤浆特性, 在煤磨机中分别加人石浆（作为助熔剂）, 添加剂（

7、改善煤浆流动性）、氨水（控制 ph 值）及工艺水(调浓度), 它们在煤磨机中被碾制成一定浓度的煤浆后进人出料槽。煤浆由出料槽泵送人振动筛, 除去不利于氧化反应的大颗粒后进人煤浆槽, 再经高压煤浆泵送人气化炉。停车时, 气化炉安全联锁启动, 使高压煤浆泵至气化炉的切断阀关闭, 煤浆通过循环阀。2、原理结构图 图1 煤浆浓度控制系统原理结构图该控制系统是一个闭环控制系统，能够自动控制煤浆浓度的大小。主回路根据生产的需要来设定煤浆浓度的给定值，控制器根据密度计检测得到的煤浆浓度实际值与给定值的偏差来分别控制加水阀、给料机和分散剂的用量。当实际浓度值偏低时，控制器给出信号调节给料机，加大给料或控制给水

8、阀减少给水量来升高球磨机中煤浆浓度，煤浆浓度升高达到给定值时，通过控制器的比较并送入副回路中，控制各个调节阀的流量大小从而实现煤浆浓度在给定值范围。该控制系统可以及时的修正因为原煤性质等变化而产生的扰动，实现煤浆浓度的稳定。3、PID控制器 在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的 其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们

9、不完全了解一个系统和被控对象，或 不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、 积分、微分计算出控制量进行控制的。PID控制公式如下 u(t) = Kp*e(t) + Kie(t) + Kde(t) e(t-1)+u0 比例（P）控制 比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-state error）。 积分（I）控制 在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存

10、在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的 或简称有差系统（System with Steady-state Error）。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积 分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳 态误差。 微分（D）控制 在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。 自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节

11、）或有滞后(delay)组件，具有抑制误差的作用， 其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入 “比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能 够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD)控制器能改善系统在 调节过程中的动态特性。 PID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PID控制器

12、的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法。它主要是 依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主 要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应 曲线法和衰减法。三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需 要在实际运行中进行最后调整与完善。现在一般采

13、用的是临界比例法。利用该方法进行 PID控制器参数的整定步骤如下：(1)首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作；(2)仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡， 记下这时的比例放大系数和临界振荡周期；(3)在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。 在实际调试中，只能先大致设定一个经验值，然后根据调节效果修改。 对于温度系统：P（%）20-60，I（分）3-10，D（分）0.5-3 对于流量系统：P（%）40-100，I（分）0.1-1 对于压力系统：P（%）30-70，I（分）0.4-3 对于液位系统：P（%）20-80，I（分）1-54、系统结构分析给煤皮带变频

14、器给煤计量泵变频器给水计量泵变频器状 态 显 示打 印 机液 晶 显 示 器MSP430F149单 片 机给煤皮带秤给药流量计给水流量计键 盘串行通讯接口 图2 单片机检测控制系统框图由流量计对给水、给药量进行实时检测。信号经A/D 转换、PID 调节、D/A 转换后送入计量泵变频器; 调节计量泵电机的运行频率, 改变电机的转速, 从而使给水、给药量符合需要。软件设计采用模块化结构, 使友好的人机界面、中文显示与提示简洁易懂。5、系统硬软件设计系统中, 控制器采用T I 公司的M SP430F149单片机, 使控制系统自动化水平大大提高。（1）内置2KBRAM、60KB 的FlashROM ,

15、RAM、ROM 和全部外围模块都位于同一个地址空间内, 具有丰富的片内外围, 性价比很高。(2) 6 个8 位并行I/O 端口, 完全可实现该系统所有信号的输入、输出, 不需要硬件扩展。其中, P1、P2 端口的每个引脚都具有中断功能。(3) 带有12 位A /D 转换器ADC, 完成模拟设定功能, 可以与端口结合实现A /D 转换。5.1系统硬件部分设计(1) A /D 转换的设计。MSP430F149 单片机自身带有12 位精度的A/D 转换器ADC12。此模块带有采样及转换时序电路, 使转换接口的设计相当简单, 只进行必要的设计即可实现此功能。(2) D/A 转换的设计。D/A 转换器采

16、用2 片双通道的AD9751。它是一种高达300M SPS 的高速数模转换器, 内含高性能的10 位D/A 内核、一个基准电压和一个数字接口电路。具有优异的交直流特性,在2.7 3.6V 下工作。通过一个外部电位器使电流在2 20 mA 范围内输出, 转换精度高, 功耗小。(3) 键盘接口电路的设计。M SP430F149 的P1、P2 口具有中断功能。这2 个端口的8 个引脚都有各自的控制寄存器; 每个引脚可以单独控制, 而且引脚可以作为中断源, 单独选择中断触发沿, 允许中断。P1、P2 口各使用一个中断向量。P1.0 P1.7 产生同一个中断, P210 P217 也产生同一个中断。这种

17、结构较适合实现基于中断的键盘输入响应程序。此系统中, 我们使用44 行列式键盘。因此,只用P2 口即可实现。键盘程序采用行扫描法, 即P1.0、P1.1、P1.2、P1.3 接4 根列线, 列线定义为输出口; P1.4、P1.5、P1.6、P1.7 接4 根行线, 行线定义为输入口, 行线需接上拉电阻。键盘输入响应程序的设计按照中断方式运行。当有键按下时, 产生中断把MCU 唤醒, 并启动定时为12 m s 的定时器。定时器产生中断时, 再次唤醒微处理器并扫描键盘判断是否有键按下。如果确认有键按下, 计算出键值并执行与该键值对应的程序,完成相应功能。(4) 液晶显示模块与接口电路。系统中, 使

18、用M212864T 液晶显示模块。M212864T 模块供电电压为5 V 直流电源, 工作电流3.3 mA , 可以显示12864 的点阵。MSP430F149通过并行接口实现对液晶显示模块的控制。我们需要一个8 位的并行接口和一个3 位的并行口,MSP430F149 的P5口作为数据总线; P4.0、P4.1、P4.2 作为读、写及寄存器选择信号。由于并行接口只用于液晶显示模块, 可以将/CE 信号接地, 如下图3 所示。内藏T 6963C 控制驱动器作为液晶显示屏与MCU 的接口,可以直接驱动M 212864T 液晶, 控制字符、汉字以及图形的显示。因此,由于M SP430F149 具有6

19、 个I/O 端口,借助于T 6963C,可以直接利用M SP430F149 的I/O 口控制液晶显示器。5.2 软件部分设计系统软件模块如下图4系 统 主 程 序状态显示子程序液晶显示子程序打印输出子程序中断系统子程序键盘输入子程序给药量检测控制子程序给水量检测控制子程序给煤量检测控制子程序 图4 软件模块组成系统启动后先初始化, 在各模块的配置完成后,MSP430F149 开始读取流量计的输入, 经A/D 转换后送入MSP430F149 内部并显示瞬时值。转换后的数字信号在控制信号作用下送给比较机构, 经PID调节后到达变频器; 由变频器调节计量泵转速从而改变流量大小。信号的采集、传送每隔5

20、00ms进行一次, 具体任务由单片机内部定时器触发的中断程序来执行。（1）系统主程序的设计。此模块主要完成一些基本的设置工作。对系统进行初始化并监测系统运行情况, 其中包括对看门狗、定时器、中断系统等进行设置。(2) 键盘输入子程序的设计。此模块完成按键的一些操作。主要包括是否有按键按下的判断、消除抖动、键盘的扫描、键值的确认、按键的释放等子程序。(3) 液晶显示子程序的设计。显示时, 主要包括读状态字子程序、写指令和写数据子程序、读数据子程序, 用于处理使用说明、检测控制系统功能介绍、生产状况监测、系统运行状态的显示, 把电磁流量计检测到的流量值、变频器频率、计量泵运行状态等信息显示于液晶显

21、示器上, 使系统运行状况简洁易懂, 增强了人机界面的功能。(4) 中断系统子程序的设计。当确认有按键按下或定时器产生中断时, 根据预定的算法进行相应处理及对突发事件处理。六、心得体会 实践出真知，通过这次课程设计，我们把平时所学的理论知识充分的应用到实践中，做到理论与实践融会贯通，这样更加巩固了我们所学，同时也锻炼了我们的实际操作能力，提高了我们的团队合作精神。 必然，我们在实际操做的过程中也遇到了许多实际问题。比如开始对各个器件模块了解不够深不太熟悉，没有方向不知从何下手，通过老师的讲解指导，我们有了初步的思路。最后通过我们团体不断的努力与合作，我们顺利的完成了本次设计。在整个课程设计中，我

22、们不仅对PID控制及其调节过程有了深刻的认识和了解，而且也认识到控制系统在自动化领域中的重要性，学会了如何更好的设计电路选择正确的方案。总之，整个设计过程让我们受益匪浅。我们认识到只有多动脑多动手，才能更好的将理论知识应用到实践，才能学以致用。事实上我们的不足之处还是平时动手比较少，我们应该增强这方面的锻炼。最后，感谢老师的耐心指导！参考文献1王兆安 黄俊 电力电子技术（第4版） 西安：机械工业出版社 2009 2郭一楠 樊晓虹 过程控制系统 机械工业出版社 20083夏德铃 翁贻方 自动控制理论 机械工业出版社 20094王平 谢昊飞 蒋建春 计算机控制技术及应用机械工业出版社 201012