过程控制系统课程设计(锅炉汽包温度控制系统论文).doc

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1、辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书（论 文） 目 录第1章 水塔温度控制系统设计方案11. 1系统设计方案概述11.2 水塔温度串级控制系统仿真2第2章 水塔温度控制系统硬件设计32.1系统对象特性设计32.2系统检测回路设计32.3控制器设计52.4执行器选择8 2.5参数整定9 第3章 水塔温度控制系统软件设计103.1 程序设计113.2 温度控制算法程序设计10第4章 设计结论13参考文献14第1章 水塔温度控制系统设计方案1. 1系统设计方案概述本次设计采用串级控制系统对水塔温度进行控制。过程控制系统由过程检测、变送和控制仪表、执行装置等组成，通过各种类型的仪表完成对

2、过程变量的检测、变送和控制，并经执行装置作用于生产过程。串级控制系统是两只调节器串联起来工作，其中一个调节器的输出作为另一个调节器的给定值的系统。此系统改善了过程的动态特性，提高了系统控制质量，能迅速克服进入副回路的二次扰动，提高了系统的工作频率，对负荷变化的适应性较强。串级控制系统工程应用场合如下：（1）应用于容量滞后较大的过程。（2）应用于纯时延较大的过程。（3）应用于扰动变化激烈而且幅度大的过程。（4）应用于参数互相关联的过程。（5）应用于非线性过程。正因为串级控制系统具有上述特点，所以本次设计采用串级控制系统对锅炉汽包温度进行控制。采用单片机作为主控制器，水塔温度为主被控对象，上水的流

3、量为副被控对象，电磁阀为执行器，利用AD590传感器检测水塔温度，利用流量传感器检测上水流量。水塔温度串级控制系统框图如图1.1所示，系统原理图如图1.2所示。图1.1水塔温度串级控制系统框图图1.2 水塔温度串级控制系统原理图1.2 水塔温度串级控制系统仿真水塔温度串级控制系统仿真，积分环节 Initial=0，两个检测变送环节参数设定时间常数T=0.01s，扰动通道传函为时间常数T=2s。输入信号和扰动信号皆为单位阶跃信号。扰动作用时间F1为step time=50s，仿真波形如图1.2所示。图1.2 串级控制系统仿真波形第2章 水塔温度控制系统硬件设计2.1系统对象特性设计水塔温度串级控

4、制系统选择水塔温度为主被控对象，副被控对象为上水流量。当水塔温度变化的时候，通过控制上水流量改变水塔温度，并最终使其恒定。主被控对象：水塔温度= （21）副被控对象：上水流量= （22）2.2系统检测回路设计2.2.1主控、副控回路检测环节传感器选择主控对象检测元件选择为温度传感器AD590。AD590是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源。它的主要特性如下：1、流过器件的电流（mA）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数，即： mA/K式中：流过器件（AD590）的电流，单位为mA； T热力学温度，单位为K。2、AD590的测温范围为-55+150。3、AD590的电源电压范围为

5、4V30V。电源电压可在4V6V范围变化，电流 变化1mA，相当于温度变化1K。AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件反接也不会被损坏。4、输出电阻为710MW。5、精度高。副控回路检测元件选择电磁式流量传感器。导电性的液体在流动时切割磁力线，也会产生感生电动势。因此可应用电磁感应定律来测定流速，电磁流量传感器就是根据这一原理制成的。虽然电磁流量传感器的使用条件是要求流体是导电的，但它还是有许多优点。由于电极的距离正好为导管的内径，因此没有妨碍流体流动的障碍，压力损失极小。能够得到与容积流量成正比的输出信号。测量结果不受流体粘度的影响。由于电动势是在包含电极的导管的断面处作

6、为平均流速测得的，因此受流速分布影响较小。测量范围宽，测量精度高。2.2.2采样检测电路设计为了达到测量高精度的要求,选用温度传感器AD590,AD590具有较高精度和重复性，超低温漂移高精度运算放大器0P07将温度一电压信号进行放大,便于A/D进行转换,以提高温度采集电路的可靠性。采样检测电路如图2.1示。图2.1采样检测电路2.2.3 A/D转换电路A/D转换电路采用ADC0809转换器。将采集来的模拟信号转换成数字信号输出转换完成的信号EOC经反相器接单片机的P3.2口，A/D转换电路如图2.2所示。图2.2 A/D转换电路2.3控制器设计选用单片机作为控制器，对水塔温度进行控制。单片机

7、以其功能强、体积小、可靠性高、造价低和开发周期短等优点，称为自动化和各个测控领域中广泛应用的器件，在工业生产中称为必不可少的器件，尤其是在日常生活中发挥的作用也越来越大。在温度控制系统中，单片机更是起到了不可替代的核心作用。2.3.1 CPU选择单片机接受A/D 转换电路输入的数字信号，并将输入的信号进行处理和运算，以控制控制电流或者控制电压的形式输出给被控制的电路，完成控电磁阀的任务。本设计的单片机选用Atmel 公司的AT89C51 单片机，采用双列直插封装（DIP），有40个引脚与MCS51 系列单片机的指令和引脚设置兼容。AT89C51引脚图,如图2.3所示。图2.3 AT89C51引

8、脚图2.3.4 电源设计由10V交流电供电，经过桥式整流，电容滤波，得到12V的直流电压，12V的直流电压与MC7805T芯片，以及电容相接，产生+5V电压，给系统供电。图 2.6 电源电路4、参数整定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控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。因为本设计中主控制器采用控制规律，故仅对控制器的参数进行整定。参数整定的一般步骤：（1）确定比例系数确定比例系数时，首先去掉的积分项，首先令，使为纯比例调节。输入设定为系统允许的最大值的60%70%，由0逐渐加大比例系数，直至系统出现振荡；再反过来，从此时的比例系数逐渐减小，直至系统振

9、荡消失，记录此时的比例系数，设定的比例系数为当前值的60%70%。比例系数调试完成。 （2）确定积分时间常数比例系数确定后，设定一个较大的积分时间常数的初值，然后逐渐减小，直至系统出现振荡，之后在反过来，逐渐加大，直至系统振荡消失。记录此时的，设定的积分时间常数为当前值的150%180%。积分时间常数调试完成。 （3）再对参数进行微调，直至满足要求。2.4执行器选择执行器选择气开型电磁阀，通过控制阀的开度来实现流量控制。气开型是当膜头上空气压力增加时，阀门向增加开度方向动作，当达到输入气压上限时，阀门处于全开状态。反过来，当空气压力减小时，阀门向关闭方向动作，在没有输入空气时，阀门全闭。故有时

10、气开型阀门又称故障关闭型。气关型动作方向正好与气开型相反。当空气压力增加时，阀门向关闭方向动作，空气压力减小或没有时，阀门向开启方向或全开为止。故有时又称为故障开启型。气动调节阀的气开或气关，通常是通过执行机构的正反作用和阀态结构的不同组装方式实现。气开气关的选择是根据工艺生产的安全角度出发来考虑。当气源切断时，调节阀是处于关闭位置安全还是开启位置安全。第3章 水塔温度控制系统软件设计3.1 程序设计主程开始初始化采集温度e=0 ？调主PID控制程序NY输出结束采样流量调副控制器算法程序输出执行器序流程图如图3.1所示。图3.1 水塔温度控制系统主程序流程图3.2 温度控制算法程序设计本次设计

11、采用增量式PID控制算法，来实现温度控制。增量式PID控制算法公式如下： (3-1)程序流程图如图3.2所示。图3.2温度控制算法程序子程序入口计算 ee计算计算计算计算子程序返回温度控制算法程序如下：/*PID Function The PID (比例、积分、微分) function is used in mainly control applications.PIDCalc performs one iteration of the PID algorithm. While the PID function works, main is just a dummy program showi

12、ng a typical usage. */ typedef struct PID int SetPoint; /设定目标 Desired Value long SumError; /误差累计 double Proportion; /比例常数 Proportional Const double Integral; /积分常数 Integral Const double Derivative; /微分常数 Derivative Const int LastError; /Error-1 int PrevError; /Error-2 PID;static PID sPID; static PID

13、 *sptr = &sPID; /*= Initialize PID Structure PID参数初始化=*/void IncPIDInit(void) sptr-SumError = 0; sptr-LastError = 0; /Error-1 sptr-PrevError = 0; /Error-2 sptr-Proportion = 0; /比例常数 Proportional Const sptr-Integral = 0; /积分常数Integral Const sptr-Derivative = 0; /微分常数 Derivative Const sptr-SetPoint =

14、0; /*= 增量式PID计算部分 =*/ int IncPIDCalc(int NextPoint) register int iError, iIncpid; /当前误差 iError = sptr-SetPoint - NextPoint; /增量计算 iIncpid = sptr-Proportion * iError /Ek项 - sptr-Integral * sptr-LastError /Ek1项 + sptr-Derivative * sptr-PrevError; /Ek2项 /存储误差，用于下次计算 sptr-PrevError = sptr-LastError; spt

15、r-LastError = iError; /返回增量值 return(iIncpid); 第4章 设计结论本次设计的水塔温度控制系统，采用串级控制系统实现对温度的控制。此系统改善了过程的动态特性，提高了系统控制质量，能迅速克服进入副回路的二次扰动，提高了系统的工作频率，对负荷变化的适应性较强。本系统采用单片机作为主控制器，单片机以其功能强、体积小、可靠性高、造价低和开发周期短等优点，称为自动化和各个测控领域中广泛应用的器件，在工业生产中称为必不可少的器件，尤其是在日常生活中发挥的作用也越来越大。在温度控制系统中，单片机更是起到了不可替代的核心作用。本系统选取水塔温度为主被控对象，上水的流量为

16、副被控对象，电磁阀为执行器，利用AD590传感器检测水塔温度，利用流量传感器检测上水流量。通过调节电磁阀开度实现上水流量控制，进而控制水塔温度。参考文献1 孙优贤.工业过程控制技术-应用篇.北京：化学工业出版社，2006.1：79-1352 何衍庆.工业生产过程控制.北京：化学工业出版社，2004.3：77-883 邵裕森.过程控制工程（第二版）.北京：机械工业出版社，2004.8：45-904 翁维勤.过程控制系统及工程. 北京：化学工业出版社，2002.7：42-625 张毅刚.单片机原理及应用.北京：高等教育出版社，2003：126-1356 何希才.传感器及其应用电路.北京： 电子工业出版社，2001.3：134-15012