化學(xué)反應(yīng)溫度控制系統(tǒng).doc

課程設(shè)計(jì)說明書 第 I 頁 化學(xué)反應(yīng)溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 摘 要 本課題是利用溫度傳感器 AD590 運(yùn)用化學(xué)反應(yīng)原理設(shè)計(jì)一個(gè)水塔溫度控制系統(tǒng) 溫度是工業(yè)生產(chǎn)中常見的工藝參數(shù)之一 任何物理變化和化學(xué)反應(yīng)過程都與溫度密切相 關(guān) 在科學(xué)研究和生產(chǎn)實(shí)踐的諸多領(lǐng)域中 溫度控制占據(jù)著極為重要的地位 特別是在冶金 化工 建材 食品 機(jī)械 石油等工業(yè)領(lǐng)域作用舉足輕重 該設(shè)計(jì)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 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的溫度控制系統(tǒng)是一種基于模糊 PID 控制 由溫度信號(hào)采集與轉(zhuǎn)換模塊 溫度傳感器 AD590 顯示模塊組成的控制系統(tǒng) 通過測(cè)試 系統(tǒng)具有很好的溫度控制 能力 能夠提供完善的人機(jī)交互界面 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)本系統(tǒng)利用 AT89C51 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì) 溫度的檢測(cè)與控制 能夠控制電熱絲持續(xù)加熱或電風(fēng)扇持續(xù)降溫 系統(tǒng)溫度控制范圍是 55 150 本系統(tǒng)電路包括溫度信號(hào)采集模塊 鍵盤設(shè)定模塊 主機(jī)控制模塊 溫度控制模塊 顯示模塊等 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)電路分為五個(gè)模塊 溫度信號(hào)采集與 轉(zhuǎn)換模塊 鍵盤設(shè)定模塊 主機(jī)控制模塊 溫度控制模塊 顯示模塊 簡(jiǎn)化了硬件電 路設(shè)計(jì) 降低了設(shè)計(jì)成本 關(guān)鍵詞 溫度傳感器 AD590 MC7805T 芯片 ADC0809 轉(zhuǎn)換器 課程設(shè)計(jì)說明書 第 II 頁 目 錄 1 水塔溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 3 2 水塔溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 4 2 1 系統(tǒng)對(duì)象特性設(shè)計(jì) 4 2 2 系統(tǒng)檢測(cè)回路設(shè)計(jì) 4 2 2 1 主控 副控回路檢測(cè)環(huán)節(jié)傳感器選擇 4 2 2 2 采樣檢測(cè)電路設(shè)計(jì) 5 2 2 3 A D 轉(zhuǎn)換電路 6 2 3 控制器設(shè)計(jì) 6 2 4 參數(shù)整定 7 2 5 執(zhí)行器選擇 8 3 水塔溫度控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 8 4 水塔溫度串級(jí)控制系統(tǒng)仿真 9 總 結(jié) 11 致 謝 12 參考文獻(xiàn) 13 課程設(shè)計(jì)說明書 第 1 頁 1 水塔溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 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)行裝置作用于工業(yè)生產(chǎn)過程 1 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 2 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 所示 圖 1 水塔溫度串級(jí)控制系統(tǒng)框圖 課程設(shè)計(jì)說明書 第 2 頁 2 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 3 主被控對(duì)象 水塔溫度 主 1 1 1 副被控對(duì)象 上水流量 副 2 2 1 2 2 系統(tǒng)檢測(cè)回路設(shè)計(jì) 2 2 1 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 AD590 4 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 5 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)溫范圍為 55 150 3 AD590 的電源電壓范圍為 4V 30V 電源電壓可在 4V 6V 范圍變化 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 課程設(shè)計(jì)說明書 第 3 頁 導(dǎo)電性的液體在流動(dòng)時(shí)切割磁力線 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) 由于電極的距離正好為導(dǎo)管的內(nèi)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)量范圍寬 測(cè)量精度高 2 2 2 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 A D 進(jìn)行轉(zhuǎn) 換 以提高溫度采集電路的可靠性 6 采樣檢測(cè)電路如圖 2 示 圖 3 采樣檢測(cè)電路 2 2 3 A D 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 所示 課程設(shè)計(jì)說明書 第 4 頁 圖 3 A D 轉(zhuǎn)換電路 2 3 控制器設(shè)計(jì) 選用作為控制器 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) 7 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 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 圖 4 電源電路 2 4 參數(shù)整定 控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容 它是根據(jù)被控過程的特性確 PID 定控制器的比例系數(shù) 積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小 8 因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)中主控制器采用 PID 課程設(shè)計(jì)說明書 第 5 頁 控制規(guī)律 故僅對(duì)控制器的參數(shù)進(jìn)行整定 PIPI 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)時(shí) 首先去掉的積分項(xiàng) 首先令 使為純比例調(diào)節(jié) PPI 0 i T PI 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) 直至系統(tǒng)出 P 現(xiàn)振蕩 再反過來 從此時(shí)的比例系數(shù)逐漸減小 直至系統(tǒng)振蕩消失 9 記錄此時(shí)的 P 比例系數(shù) 設(shè)定的比例系數(shù)為當(dāng)前值的 60 70 比例系數(shù) PPIP 2 確定積分時(shí)間常數(shù) i T 比例系數(shù)確定后 設(shè)定一個(gè)較大的積分時(shí)間常數(shù)的初值 然后逐漸減小 P i T i T 直至系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩 之后在反過來 逐漸加大 直至系統(tǒng)振蕩消失 記錄此時(shí)的 i T i T 設(shè)定的積分時(shí)間常數(shù)為當(dāng)前值的 150 180 積分時(shí)間常數(shù)調(diào)試完成 PI i T i T 3 再對(duì)參數(shù)進(jìn)行微調(diào) 直至滿足要求 PI 2 5 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 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)行機(jī) 構(gòu)的正反作用和閥態(tài)結(jié)構(gòu)的不同組裝方式實(shí)現(xiàn) 10 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 3 水塔溫度控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 課程設(shè)計(jì)說明書 第 6 頁 子程序入口 計(jì)算 ee 計(jì)算 1 計(jì)算 1 2 1 計(jì)算 2 計(jì)算 子程序返回 圖 5 主程序流程圖 4 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)皆為單位階躍 信號(hào) 擾動(dòng)作用時(shí)間 F1 為 step time 50s 仿真波形和系統(tǒng)波形如圖 6 和圖 7 所示 課程設(shè)計(jì)說明書 第 7 頁 圖 6 串級(jí)控制系統(tǒng)仿真波形 圖 7 串級(jí)控制系統(tǒng)波形圖 課程設(shè)計(jì)說明書 第 8 頁 總 結(jié) 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 課程設(shè)計(jì)說明書 第 9 頁 致 謝 經(jīng)過兩周的學(xué)習(xí)和實(shí)踐 我的課程設(shè)計(jì)終于順利完成 我必須感謝我的指導(dǎo)老師 付老師和我的同學(xué)們 沒有他們的幫助 我這次課程設(shè)計(jì)就不可能完成 首先是我的 指導(dǎo)老師給我提供了很多資料和設(shè)計(jì)步驟 并且耐心給我講解 其間有好多關(guān)鍵性的 問題 都是因?yàn)槔蠋煹膸椭拍芎芸斓慕鉀Q 在此我表示深深的謝意 其次 是我同 組成員們 是他們和我共同的努力才有今天設(shè)計(jì)的完成 對(duì)此 我也要表示感謝 最 后 在設(shè)計(jì)時(shí) 實(shí)驗(yàn)室的同學(xué)們也給了我很多幫助 在很多時(shí)候給我指點(diǎn)迷津 幫我 解決了不少的問題 對(duì)此也表示感謝 今后 不管是在學(xué)習(xí)還是工作中 我都會(huì)積極 幫助他人 并回報(bào)每一個(gè)幫助過我的人 做一個(gè)對(duì)社會(huì)有用的人 課程設(shè)計(jì)說明書 第 10 頁 參考文獻(xiàn) 1 孫優(yōu)賢 工業(yè)過程控制技術(shù) 應(yīng)用篇 M 北京 化學(xué)工業(yè)出版社 2006 1 79 135 2 翁維勤 過程控制系統(tǒng)及工程 M 北京 化學(xué)工業(yè)出版社 2010 7 42 62 3 何衍慶 工業(yè)生產(chǎn)過程控制 M 北京 化學(xué)工業(yè)出版社 2009 3 77 88 4 邵裕森 過程控制工程 第二版 M 北京 機(jī)械工業(yè)出版社 2011 8 45 90 5 薛定宇 反饋控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析 M 北京 清華大學(xué)出版社 2000 6 6 何希才 傳感器及其應(yīng)用電路 M 北京 電子工業(yè)出版