過(guò)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、紅河學(xué)院 過(guò)程控制系統(tǒng) 課程設(shè)計(jì)題目： 水塔溫度控制系統(tǒng) 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8 2.5參數(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)10第4章 設(shè)計(jì)結(jié)論13參考文獻(xiàn)14第1章 水塔溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案1. 1系統(tǒng)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(guò)程控制系統(tǒng)由過(guò)程檢測(cè)、變送和控制儀表、執(zhí)行裝置等組成，通過(guò)各種類型的儀表完成對(duì)過(guò)程

2、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(guò)程。串級(jí)控制系統(tǒng)是兩只調(diào)節(jié)器串聯(lián)起來(lái)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(guò)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(guò)程。（2）應(yīng)用于純時(shí)延較大的過(guò)程。（3）應(yīng)用于擾動(dòng)變化激烈而且幅度大的過(guò)程。（4）應(yīng)用于參數(shù)互相關(guān)聯(lián)的過(guò)程。（5）應(yīng)用于非線性過(guò)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。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

3、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

4、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(guò)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= （21）副被控對(duì)象：上水流量= （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AD590。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(guò)器件的電流（mA）等于器件所處環(huán)境的熱力學(xué)溫度（開(kāi)爾文）度數(shù)，即： mA/K式中：流過(guò)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4V30V。電

5、源電壓可在4V6V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。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(lái)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(méi)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

6、的，因此受流速分布影響較小。測(cè)量范圍寬，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(lái)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。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

7、性高、造價(jià)低和開(kāi)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(lái)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。 CPU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 電源設(shè)計(jì)由10V交流電供電，

8、經(jīng)過(guò)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 2.6 電源電路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(guò)程的特性確定控制器的比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小。因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)中主控制器采用控制規(guī)律，故僅對(duì)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)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)。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)出現(xiàn)振蕩；再反過(guò)來(lái)，從此時(shí)的比例系數(shù)逐漸減小，直至系統(tǒng)振蕩消失，記錄此時(shí)的比例系數(shù)，設(shè)定的比例系數(shù)為

9、當(dāng)前值的60%70%。比例系數(shù)調(diào)試完成。 （2）確定積分時(shí)間常數(shù)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，直至系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩，之后在反過(guò)來(lái)，逐漸加大，直至系統(tǒng)振蕩消失。記錄此時(shí)的，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。 （3）再對(duì)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(kāi)型電磁閥，通過(guò)控制閥的開(kāi)度來(lái)實(shí)現(xiàn)流量控制。氣開(kāi)型是當(dāng)膜頭上空氣壓力增加時(shí)，閥門向增加開(kāi)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(kāi)狀態(tài)。反過(guò)來(lái)，當(dāng)空氣壓力減小時(shí)，閥門向關(guān)閉方向動(dòng)作，在沒(méi)有輸入空氣時(shí)，閥門全閉。故有時(shí)氣開(kāi)型閥門又稱故障關(guān)閉型。氣關(guān)型動(dòng)作方向正好

10、與氣開(kāi)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(méi)有時(shí)，閥門向開(kāi)啟方向或全開(kāi)為止。故有時(shí)又稱為故障開(kāi)啟型。氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的氣開(kāi)或氣關(guān)，通常是通過(guò)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)。氣開(kāi)氣關(guān)的選擇是根據(jù)工藝生產(chǎn)的安全角度出發(fā)來(lái)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(kāi)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)主程開(kāi)始初始化采集溫度e=0 ？調(diào)主PID控制程序NY輸出結(jié)束采樣流量調(diào)副控制器算法程序輸出執(zhí)行器序流程圖如圖3.1所示。圖3.1 水塔溫度控制系統(tǒng)主程序流程圖3.2 溫度控制算法程序設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)采用增量式PID控制算法，來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度控制。增

11、量式PID控制算法公式如下： (3-1)程序流程圖如圖3.2所示。圖3.2溫度控制算法程序子程序入口計(jì)算 ee計(jì)算計(jì)算計(jì)算計(jì)算子程序返回溫度控制算法程序如下：/*PID Function The PID (比例、積分、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 showing a typical usage. */

12、 typedef struct PID int SetPoint; /設(shè)定目標(biāo) Desired Value long SumError; /誤差累計(jì) double Proportion; /比例常數(shù) Proportional Const double Integral; /積分常數(shù) Integral Const double Derivative; /微分常數(shù) Derivative Const int LastError; /Error-1 int PrevError; /Error-2 PID;static PID sPID; static PID *sptr = &sPID; /*

13、= Initialize PID Structure PID參數(shù)初始化=*/void IncPIDInit(void) sptr->SumError = 0; sptr->LastError = 0; /Error-1 sptr->PrevError = 0; /Error-2 sptr->Proportion = 0; /比例常數(shù) Proportional Const sptr->Integral = 0; /積分常數(shù)Integral Const sptr->Derivative = 0; /微分常數(shù) Derivative Const sptr->S

14、etPoint = 0; /*= 增量式PID計(jì)算部分 =*/ int IncPIDCalc(int NextPoint) register int iError, iIncpid; /當(dāng)前誤差 iError = sptr->SetPoint - NextPoint; /增量計(jì)算 iIncpid = sptr->Proportion * iError /Ek項(xiàng) - sptr->Integral * sptr->LastError /Ek1項(xiàng) + sptr->Derivative * sptr->PrevError; /Ek2項(xiàng) /存儲(chǔ)誤差，用于下次計(jì)算 sp

15、tr->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(guò)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(kāi)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(lái)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