硝酸生產(chǎn)氧化爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、本科生課程設(shè)計(jì)（論文）遼 寧 工 業(yè) 大 學(xué)計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 課程設(shè)計(jì)（論文）題目：硝酸生產(chǎn)氧化爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)院（系）： 電氣工程學(xué)院 專業(yè)班級(jí)： 學(xué) 號(hào)： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 起止時(shí)間： 2013.12.30-2014.01.10 20課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)及評(píng)語(yǔ)院（系）：電氣工程學(xué)院 教研室：自動(dòng)化 學(xué) 號(hào)學(xué)生姓名專業(yè)班級(jí)課程設(shè)計(jì)（論文）題目硝酸生產(chǎn)氧化爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)課題完成的設(shè)計(jì)任務(wù)及功能、要求、技術(shù)參數(shù)實(shí)現(xiàn)功能氧化爐是硝酸生產(chǎn)中的關(guān)鍵設(shè)備，氨氣與空氣混合后進(jìn)入爐內(nèi)，在鉑觸媒作用下進(jìn)行氧化反應(yīng)氨氣氧化生成一氧化氮是一種放熱反應(yīng)過(guò)程，工藝要求反應(yīng)溫度為850&#

2、177;5。影響溫度的主要因素是氨氣和空氣的比值。當(dāng)溫度受擾動(dòng)而變化時(shí)，均以改變氨量來(lái)補(bǔ)償。試設(shè)計(jì)硝酸生產(chǎn)中氧化爐溫度控制系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)要求采用單片機(jī)作為控制器，控制算法采用不完全微分PID控制，由鍵盤進(jìn)行溫度控制值的選擇，并顯示溫度。設(shè)計(jì)任務(wù)及要求1、確定系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，包括控制器的選擇，輸入輸出通道，鍵盤顯示電路；2、建立被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型；3、設(shè)計(jì)PID算法的程序流程圖；4、仿真研究，驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)果；5. 按學(xué)校規(guī)定的書(shū)寫格式，撰寫、打印設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)一份；設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)應(yīng)在4000字以上。技術(shù)參數(shù)測(cè)量范圍：01000；控制溫度：850±5； 最大偏差：10。進(jìn)度計(jì)劃1、布置任務(wù)，查閱資料，

3、確定系統(tǒng)的組成（1天）2、對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行分析（1天）3、系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)（3天）4、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)（2天）5、撰寫、打印設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（2天）6、對(duì)設(shè)計(jì)任務(wù)進(jìn)行答辯（1天）指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ)及成績(jī)平時(shí)： 論文質(zhì)量： 答辯： 總成績(jī)： 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日注：成績(jī)：平時(shí)20% 論文質(zhì)量60% 答辯20% 以百分制計(jì)算摘 要硝酸生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，分布大量NH3和NOx有毒氣體，嚴(yán)重危害工人健康。對(duì)硝酸銨生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行自動(dòng)控制對(duì)于提高生產(chǎn)效率，保障工人安全、改善生產(chǎn)環(huán)境和促進(jìn)企業(yè)快速發(fā)展有著積極的作用。本文介紹的是一種基于硝酸生產(chǎn)氧化爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并從軟件和硬件兩方面介紹了基于硝酸生產(chǎn)氧化爐溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

4、思路，并對(duì)硬件原理圖和程序框圖作了的描述。設(shè)計(jì)了一個(gè)以AT89S52單片機(jī)為核心，由溫度傳感器模塊、變送器模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、光電隔離模塊、固態(tài)繼電器模塊、報(bào)警電路模塊等多個(gè)模塊組成的控制系統(tǒng)。本文通過(guò)單片機(jī)實(shí)現(xiàn)了對(duì)硝酸氧化爐的控制檢測(cè)，并根據(jù)所測(cè)的數(shù)據(jù)及時(shí)進(jìn)行調(diào)整。氧化爐控制中，建立了氧化爐溫度的數(shù)學(xué)模型，采用了不完全微分PID控制算法，確保氧化爐溫度在安全范圍內(nèi)變化。采用基于單片機(jī)控制氧化爐的控制器，減少了工業(yè)生產(chǎn)中需要的人力，減少了系統(tǒng)維護(hù)的成本，提高了系統(tǒng)的工作效率，從而提高了整個(gè)工業(yè)生產(chǎn)的效率，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)自動(dòng)化、智能化、現(xiàn)代化的生產(chǎn)。 關(guān)鍵詞： 氧化爐；單片機(jī)；溫度控制目

5、 錄第1章 緒論11.1課題研究的目的和意義11.2硝酸發(fā)展的概況1第2章 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)22.1 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求22.2 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)2第3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)33.1單片機(jī)的選型與最小系統(tǒng)33.1.1 AT89S52簡(jiǎn)介33.1.2單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)33.1.3 鍵盤電路43.1.4顯示電路43.2溫度傳感器53.3 A/D轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)63.4 報(bào)警電路設(shè)計(jì)63.5光電隔離73.6固態(tài)繼電器設(shè)計(jì)83.7過(guò)零檢測(cè)8第4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)104.1 系統(tǒng)軟件流程圖104.2 數(shù)學(xué)模型的建立11第5章 仿真實(shí)驗(yàn)14第6章 課程設(shè)計(jì)總結(jié)16參考文獻(xiàn)17附錄1 系統(tǒng)總電路圖18附錄2 系統(tǒng)程序19第1章 緒論

6、1.1課題研究的目的和意義硝酸在產(chǎn)品規(guī)模上，僅次于硫酸。硝酸和它的鹽類在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中有著及其重要的地位，它主要用于農(nóng)業(yè)和炸藥工業(yè)。農(nóng)業(yè)中用硝酸的鹽類作土壤的肥料，在炸藥工業(yè)中，用濃硝酸將甲苯、酚及環(huán)六次甲基四羥(優(yōu)洛托品)硝化制成三硝基甲苯、苦昧酸及環(huán)形三次甲基三硝基胺。濃硝酸也用來(lái)制造硝化纖維、硝化甘油等等。1.2硝酸發(fā)展的概況由十七世紀(jì)開(kāi)始到二十世紀(jì)前，硝酸工業(yè)主要是采用蒸餾硝石和硫酸的混合物制造硝酸。自然界中存在的天然硝石是制造硝酸的唯一原料。在二十世紀(jì)初，解決了大氣氮固定的問(wèn)題，科學(xué)家主要研究如何將大氣氮轉(zhuǎn)化為氮氧化物，于是有了電弧法，將空氣中的氮直接固定成為一氧化氮的工藝該工藝原料來(lái)自

7、大氣，設(shè)備簡(jiǎn)單，但它需要消耗大量的電能。與此同時(shí)，蘇聯(lián)科學(xué)家安德烈耶夫開(kāi)始研究氨接觸氧化生成硝酸的工藝。他分析出該工業(yè)制造過(guò)程中，一氧化氮的氧化率與氣體流速、溫度及氨空混和氣成分的關(guān)系，為后來(lái)氨氧化制造硝酸的工業(yè)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。在合成氨工業(yè)的推動(dòng)下，氨接觸氧化制取硝酸工藝得到大力廣泛推廣，在經(jīng)歷了常壓法、綜合法和中壓法之后，目前，發(fā)展成為工藝先進(jìn)的全高壓法和雙加壓法。其中雙加壓法最為先進(jìn)。雙加壓法的氧化壓力和吸收壓力是不同，它氧化壓力由來(lái)自空氣壓縮機(jī)一次空氣提供(0.40.5MPa)，吸收壓力由來(lái)自氧化氮壓縮機(jī)的二次空氣提供(0.81.4MPa)單加壓法中，氧化壓力和吸收壓力都由空氣壓縮機(jī)提供

8、(0.81.0MPa)。吸收壓力越高，其吸收效率越高。單加壓法的鉑耗較高，是雙加壓法的兩倍。雙加壓法蒸汽自給自足，所以雙加壓法的生產(chǎn)消耗很少。但單加壓法投資少，資金回報(bào)快，以及其環(huán)保效益高等特點(diǎn)，促使其在市場(chǎng)中具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。我國(guó)于2003年成功地開(kāi)發(fā)研制了全國(guó)首套全高壓法硝酸“三合一”機(jī)組。其機(jī)組配置的合理性、安全性以及經(jīng)濟(jì)性都優(yōu)于從國(guó)外進(jìn)口的二手設(shè)備。第2章 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)2.1 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求本文首先確定了設(shè)計(jì)方案，畫出了方案框圖。然后進(jìn)行了控制器的硬件的選擇。包括控制器的選擇，輸入輸出通道，鍵盤電路以及顯示電路等。之后繪制出了溫度傳感器器的原理圖、固態(tài)繼電器的原理圖、光電隔離的原理圖

9、。軟件方面首先建立了被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，然后繪制出了PID算法程序流程圖，最后，進(jìn)行了仿真研究，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)結(jié)果。本文要求認(rèn)真獨(dú)立的完成了所規(guī)定的全部?jī)?nèi)容，并要求所設(shè)計(jì)的內(nèi)容要求正確、合理。2.2 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)本文采用了AT89S52為控制核心，提高了編程效率。AT89S52單片機(jī)首先根據(jù)爐溫的給定值和測(cè)量值計(jì)算出溫度偏差然后進(jìn)PID控制并計(jì)算出相應(yīng)的控制數(shù)據(jù)。然后將輸出的控制數(shù)據(jù)送往光電耦合隔離器的輸入端，最后達(dá)到使?fàn)t溫控制在某一設(shè)定溫度的目的。AT89S52單片機(jī)還負(fù)責(zé)按鍵處理、溫度顯示等工作。測(cè)溫時(shí)，熱電阻輸出熱電勢(shì)，必須經(jīng)過(guò)變送器變換成0-5V的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。本系統(tǒng)選用DWB型溫度變送器，并

10、將其直接安裝溫度傳感器偶的接線盒內(nèi)，構(gòu)成一體化的溫度變送器，不僅可以節(jié)省補(bǔ)償導(dǎo)線，而且可以減少溫度信號(hào)在傳遞過(guò)程中產(chǎn)生的失真和干擾。光電隔離器采用了6N137，能夠較好的抑制干擾，使接收的數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確。A/D轉(zhuǎn)換器采用了10位8通道得A/D轉(zhuǎn)換器AD7812。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了氧化爐溫度的控制，從而實(shí)現(xiàn)了工業(yè)上生產(chǎn)硝酸的目的。系統(tǒng)總體控制結(jié)構(gòu)框圖如圖2.1所示：圖2.1 系統(tǒng)總體控制結(jié)構(gòu)框圖第3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1單片機(jī)的選型與最小系統(tǒng)3.1.1 AT89S52簡(jiǎn)介AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程FLASH存儲(chǔ)器。使用Atmel公司高密度非易失性存儲(chǔ)器技

11、術(shù)制造，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。有兩級(jí)或三級(jí)程序存儲(chǔ)器保密系統(tǒng)，防止E²PROM中的程序被非法復(fù)制。不用紫外線擦除，提高了編程效率。程序存儲(chǔ)器E²PROM容量可達(dá)256字節(jié)。其引腳如圖3.1所示：3.1.2單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用AT89S52單片機(jī)構(gòu)成了控制系統(tǒng)的核心，其基本模塊就主要包括復(fù)位電路和晶體震蕩電路。復(fù)位電路設(shè)計(jì)的好壞直接影響單片機(jī)系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性，由于單片機(jī)上電瞬間電源電壓不穩(wěn)定，此時(shí)單片機(jī)不能立即投入工作，需要繼續(xù)保持一段時(shí)間的復(fù)位狀態(tài)，待電源穩(wěn)定后單片機(jī)才開(kāi)始工作。單片機(jī)中都有晶振，在單片機(jī)系統(tǒng)中晶振作用非常大，全稱叫做晶體振蕩器，他結(jié)合單

12、片機(jī)內(nèi)部電路產(chǎn)生單片機(jī)所需的時(shí)鐘頻率，單片機(jī)提供的時(shí)鐘頻率越高，那么單片機(jī)運(yùn)行速度越快，單片機(jī)的一切指令的執(zhí)行都是建立在單片機(jī)晶振提供的時(shí)鐘頻率上。單片機(jī)最小系統(tǒng)的接線如圖3.2所示：圖3.2 最小系統(tǒng)3.1.3 鍵盤電路本次設(shè)計(jì)選用的是單片機(jī)的P1口來(lái)控制信號(hào)的輸入，所以把按鍵開(kāi)關(guān)和P1口連接起來(lái)，當(dāng)按下開(kāi)關(guān)S1時(shí)，相當(dāng)于給P1.0口一個(gè)低電平；當(dāng)按下開(kāi)關(guān)S2時(shí)，相當(dāng)于給P1.1口一個(gè)低電平；當(dāng)按下開(kāi)關(guān)S3時(shí)，相當(dāng)于給P1.2口一個(gè)低電平；當(dāng)按下開(kāi)關(guān)S4時(shí)，相當(dāng)于給P1.3口一個(gè)低電平；當(dāng)按下開(kāi)關(guān)S5時(shí)，相當(dāng)于給P1.4口一個(gè)低電平，然后通過(guò)單片機(jī)實(shí)行相應(yīng)的操作。如圖3.3所示： 圖3.3

13、按鍵電路3.1.4顯示電路溫度顯示采用LCD1602，顯示采用8位共陰極LCD動(dòng)態(tài)顯示方式，顯示內(nèi)容有溫度值的百位、十位及個(gè)位。指令數(shù)據(jù)選擇引腳RS連P15，讀寫控制引腳RW連 P16，使能引腳E連P17，數(shù)據(jù)引腳DB0DB7使用P30P37驅(qū)動(dòng)。其電路如圖3.4所示：圖3.4顯示電路3.2溫度傳感器溫度檢測(cè)電路主要完成對(duì)溫度信號(hào)的采集和放大，使其變成A/D轉(zhuǎn)換器可識(shí)別的電壓信號(hào)。集成溫度傳感器AD590具有線性度好、性價(jià)比高、價(jià)格低、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，所以在檢測(cè)電路設(shè)計(jì)種采用該溫度傳感器檢測(cè)爐溫。AD590的工作特性如下：溫度每增加1,輸出電流相應(yīng)增加1µA；其輸出電流I=（273+

14、T）µA（T為攝氏溫度），負(fù)載電阻R上的輸出電壓V=IR。其電路如圖3.5所示：圖3.5 溫度檢測(cè)電路電路中R取10k，電壓跟隨器的輸出電壓V2=（2.73+T/100）V;使用齊納二極管作為穩(wěn)壓元件，經(jīng)可變電阻分壓，將輸出電壓V1調(diào)整到2.73V；則差動(dòng)放大器的輸出電壓V0=(100k/10K)*(V2-V1)。由以上分析可知，電壓V0和攝氏溫度成線形比例關(guān)系。3.3 A/D轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)溫度傳感器轉(zhuǎn)換后的輸出電壓值不能直接送入單片機(jī)中進(jìn)行處理還必須在它們之間增加A/D轉(zhuǎn)換裝置。本文中選擇AD7812作為A/D轉(zhuǎn)換器。AD7812是由 Analog Devices公司生產(chǎn)的一種串行接

15、口的10位8通道A/D轉(zhuǎn)換器。與一般的并行接口A/D轉(zhuǎn)換器相比，它的優(yōu)點(diǎn)在于能夠節(jié)省處理器的引腳資源節(jié)省下來(lái)的引腳資源可以進(jìn)一步的對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展，以使其功能更加強(qiáng)大。在AD7812內(nèi)部有8路模擬開(kāi)關(guān)可以采集8路模擬信號(hào)，這里只需要將經(jīng)放大的傳感器輸出信號(hào)輸入到其中任意一路即可。為了簡(jiǎn)便起見(jiàn)就取其中的第1路模擬開(kāi)關(guān)作為輸入信號(hào)的通道。由于AD7812內(nèi)部具有轉(zhuǎn)換時(shí)鐘源，因而不需要外部提供時(shí)鐘源。單片機(jī)只需要通過(guò)它的串行時(shí)鐘輸入、數(shù)據(jù)輸出、數(shù)據(jù)輸入、轉(zhuǎn)換輸入4根引腳就可以對(duì)其進(jìn)行控制。該部分電路設(shè)計(jì)如圖3.6所示：圖3.6 A/D轉(zhuǎn)換電路3.4 報(bào)警電路設(shè)計(jì)報(bào)警電路的作用是在出現(xiàn)異常情況時(shí)及時(shí)地提

16、醒工作人員盡快采取措施，減少危險(xiǎn)避免災(zāi)難性后果的出現(xiàn)。因此，在設(shè)計(jì)報(bào)警電路時(shí)，應(yīng)該讓它的報(bào)警行為能夠迅速被人察覺(jué)，以進(jìn)一步采取相應(yīng)措施，避免或減少危害帶來(lái)的損失。外界環(huán)境中的溫度被溫度傳感器所采集，溫度傳感器會(huì)將此時(shí)的溫度轉(zhuǎn)換成電壓值，該電壓值經(jīng)過(guò)匹配后送入A/D轉(zhuǎn)換器。經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換之后的數(shù)據(jù)送入單片機(jī)進(jìn)行處理，單片機(jī)按照編制好的程序進(jìn)行處理，如果確實(shí)此時(shí)的溫度超過(guò)了人們憑借經(jīng)驗(yàn)設(shè)定的閾值，單片機(jī)將通過(guò)指令使得揚(yáng)聲器產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。如圖3.7所示：圖3.7 報(bào)警電路3.5光電隔離為了進(jìn)一步抑制干擾，系統(tǒng)中需要加入光電隔離電路，隔離電路6N137的結(jié)構(gòu)原理如圖3.8所示，信號(hào)從腳2和腳3輸入，發(fā)光二極

17、管發(fā)光，經(jīng)片內(nèi)光通道傳到光敏二極管，反向偏置的光敏管光照后導(dǎo)通，經(jīng)電流一電壓轉(zhuǎn)換后送到與門的一個(gè)輸入端，與門的另一個(gè)輸入為使能端，當(dāng)使能端為高時(shí)與門偷出高電平，經(jīng)輸出三極管反向后光電隔離器輸出低電平。當(dāng)輸入信號(hào)電流小于觸發(fā)值或使能端為低時(shí)輸出高電平但這個(gè)邏輯高是集電極開(kāi)路的針對(duì)接收電路加上拉電阻或電壓調(diào)整電路。若以B方法聯(lián)結(jié),TTL電平輸入Voc1為5V時(shí)，Rf可選500歐左右。如果不加限流電阻或阻值很小，6N137仍能工作，但發(fā)光二極管導(dǎo)通電流很大，對(duì)Vcc1有較大沖擊，尤其是數(shù)字波形較陡時(shí),上升、下降沿的頻譜很寬,會(huì)造成相當(dāng)大的尖峰脈沖噪聲，而通常印刷電路板的分布電感會(huì)使地線吸收不了這種噪

18、聲，其峰一峰值可達(dá)100mV以上，足以使模擬電路產(chǎn)生自激,A/D不能正常工作。所以在可能的情況下,Rf應(yīng)盡量取大。圖3.8 6N137結(jié)構(gòu)原理圖3.6固態(tài)繼電器設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)選用交流過(guò)零觸發(fā)型固態(tài)繼電器SSR作為執(zhí)行元件，固態(tài)繼電器是一種全部由固態(tài)電子元器件組成的新型無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)器件，它利用電子器件的開(kāi)關(guān)特性，達(dá)到無(wú)觸點(diǎn)無(wú)火花的接通和斷開(kāi)電路的目的?？刂品绞讲捎眠^(guò)零觸發(fā)，當(dāng)控制信號(hào)發(fā)出后，SSR在交流電源為零電壓附近導(dǎo)通，其控溫電路如圖3.9所示：圖3.9 固態(tài)繼電器電路3.7過(guò)零檢測(cè)為了實(shí)現(xiàn)晶閘管在交流電壓過(guò)零時(shí)刻觸發(fā)的目的，需要設(shè)計(jì)交流電壓過(guò)零檢測(cè)電路。如圖3.10所示：圖中電壓比較器LM311

19、將50HZ正弦交流電壓變成方波。方波的正、負(fù)跳沿分別作為兩個(gè)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的觸發(fā)信號(hào)，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出的窄脈沖經(jīng)二極管或門，得到對(duì)應(yīng)于220V市電過(guò)零時(shí)刻的同步脈沖。將此脈沖接至雙向可控硅的控制端，使可控硅在交流電壓過(guò)零時(shí)刻觸發(fā)導(dǎo)通。圖中MC14528是一種CMOS集成電路?？山M成可重復(fù)觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路。可以廣泛的應(yīng)用在定時(shí)電路,延時(shí)電路.多諧振蕩器等電路中。圖3.10過(guò)零檢測(cè)電路第4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1 系統(tǒng)軟件流程圖整個(gè)系統(tǒng)的應(yīng)用程序主要包括主程序、PID控制程序和一些子程序。為便于程序的設(shè)計(jì)使用，系統(tǒng)軟件采用模塊化編程方法。主程序完成了系統(tǒng)的初始化功能，包括寄存器的初始化和PID參

20、數(shù)的初始化。并完成了A/D采樣以及變換的功能，通過(guò)報(bào)警電路實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的功能，并通過(guò)顯示電路顯示出來(lái)。經(jīng)過(guò)溫度傳感器轉(zhuǎn)換后的輸出電壓值不能直接送入單片機(jī)中進(jìn)行處理還必須在它們之間增加A/D轉(zhuǎn)換裝置，所以在輸入數(shù)據(jù)之前需要進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。該流程為氧化爐溫度控制系統(tǒng)而設(shè)計(jì)，使整個(gè)系統(tǒng)的操作變得更加合理方便，將大大提高產(chǎn)品的合格率。也以此來(lái)說(shuō)明AT89S52單片機(jī)在實(shí)現(xiàn)不完全微分型PID算法中的應(yīng)用。其主程序流程圖，如圖4.1所示：圖4.1 系統(tǒng)主程序流程圖在硝酸氧化爐溫度控制系統(tǒng)中，主要利用單片機(jī)控制氧化爐溫度，影響溫度的主要因素是氨氣和空氣的比值。當(dāng)溫度受擾動(dòng)而變化時(shí)，均以改變氨量來(lái)補(bǔ)

21、償?？刂扑惴ú捎貌煌耆⒎中涂刂扑惴?，PID控制是反饋控制系統(tǒng)中取偏差的比例、積分、微分的組合控制,在控制論中,有各種PID算法,實(shí)際中由于微分作用容易引起噪聲干擾,因此往往在數(shù)字PID調(diào)節(jié)器中串接低通濾波器的不完全微分型PID控制。隨著單片微型計(jì)算機(jī)的功能和運(yùn)算速度及可靠性的日益提高,利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)PID控制算法的控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、參數(shù)易于調(diào)整,廣泛地應(yīng)用在各種測(cè)控系統(tǒng)中。流程如圖4.2所示：圖4.2 PID調(diào)節(jié)器運(yùn)算流程圖4.2 數(shù)學(xué)模型的建立標(biāo)準(zhǔn)的PID控制算式，對(duì)具有高頻擾動(dòng)的成產(chǎn)過(guò)程，微分作用響應(yīng)過(guò)于靈敏，容易引起控制過(guò)程震蕩，降低音調(diào)品質(zhì)。尤其是計(jì)算機(jī)對(duì)每個(gè)控制系統(tǒng)回路輸出

22、時(shí)間是短暫的，而驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器動(dòng)作又需要一定時(shí)間，如果輸出較大，在短暫時(shí)間內(nèi)執(zhí)行器達(dá)不到應(yīng)有的相應(yīng)開(kāi)度，會(huì)使輸出失真。為了克服這一缺點(diǎn)，同時(shí)又要使微分作用有效，可以在PID控制輸出串聯(lián)一階慣性環(huán)節(jié)，這就組成了不完全微分PID控制器。常規(guī)PID調(diào)節(jié)器節(jié)器的控制規(guī)律為：Uc(t)=Kpe(t)+dt+Td令t=nT，其中T為采樣周期，則離散化后位置形式算法為： Uc（nT）=Kpe(nT)+e(nT)-e(nT-T)濾波環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為： Uc(S)=Uc(S)微分方程為： Tf+Uc（t）=Uc（t）位置形式算法為： Uc(nT)=Uc(nT-T)+Uc（nT）這樣，不完全微分PID調(diào)節(jié)器的增量形式

23、算法為： Uc（nT）=Kpe(nT)+e(nT)+e(nT)-e（nT-T）Uc(nT)=Uc（nT-T）+Uc（nT）微分作用的引入，主要是為了改善控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，使控制信號(hào)的相位超前，提高系統(tǒng)的相位裕度，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，但由于對(duì)于干擾特別敏感，同時(shí)也會(huì)放大系統(tǒng)噪聲，從而增加了參數(shù)整定的難度許多整定方法就將PI控制器和PID控制器分別設(shè)計(jì)，來(lái)回避何時(shí)需要在控制器中加入微分控制的問(wèn)題，或者簡(jiǎn)單地將PID控制的積分系數(shù)與微分系數(shù)比例Ti/Td定為4:1因此如何確定何時(shí)使用PI或PID控制,PID控制的積分與微分項(xiàng)比例如何確定仍然需要進(jìn)一步研究,為此提出了不完全微分PI

24、D控制算法。其控制器結(jié)構(gòu)原理框圖如圖4.3所示：圖4.3 PID 控制系統(tǒng)原理框圖只在微分項(xiàng)中加入慣性環(huán)節(jié)，也就是將圖4.3中開(kāi)關(guān)1放在b處，開(kāi)關(guān)2放在c處，可求得其傳遞函數(shù)為： U(s)=(Kp+)E(s)由拉普拉斯變換的微分定理可將頻域部分方程轉(zhuǎn)化為時(shí)域微分方程并離散化可求得，則不完全微分法一的PID位置算式為：u（k）=Kpe(k)+e(k)-e(k-1)+ud(k-1)在比例、積分、微分項(xiàng)滯后加入慣性環(huán)節(jié)，也就是將圖4.3中開(kāi)關(guān)1放在a處，開(kāi)關(guān)2放在d處。其傳遞函數(shù)為：U(s)=(Kp+KpTdS)E(s)由拉普拉斯變換的微分定理和積分定理可將頻域方程轉(zhuǎn)化為時(shí)域微分方程并離散化可求得，

25、則不完全微分法二的PID位置算式為：u（k）=Kpe(k)+e(k)-e(k-1)+u(k-1)第5章 仿真實(shí)驗(yàn)MATLAB是一套高性能的數(shù)值計(jì)算和可視化軟件，它集數(shù)值分析、矩陣運(yùn)算、信號(hào)處理和圖形顯示于一體，構(gòu)成了一個(gè)方便的、界面友好的用戶環(huán)境。MATLA可以方便地設(shè)計(jì)漂亮的界面，具有豐富的函數(shù)庫(kù)，已經(jīng)成為國(guó)際上最為流行的科學(xué)與工程計(jì)算的軟件工具，受到了科研工作者的歡迎。PID控制器的參數(shù)會(huì)分別對(duì)系統(tǒng)的性能產(chǎn)生不同的影響，是PID調(diào)節(jié)的成敗的關(guān)鍵所在。為了詳細(xì)說(shuō)明各個(gè)參數(shù)的具體作用，使用MATLAB中Simulink環(huán)境來(lái)進(jìn)行仿真，PID控制器的參數(shù)按照穩(wěn)定邊界法進(jìn)行整定。對(duì)PID控制參數(shù)調(diào)

26、整實(shí)行先比例、后積分，再微分的整定步驟。具體步驟為：先給比例較大的值，使之運(yùn)行，其余的參數(shù)為零；逐漸增大比例系數(shù)，直到系統(tǒng)出現(xiàn)震蕩，記錄臨界振蕩周期；按照經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行校正，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。對(duì)PID的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，確定系數(shù)。搭建數(shù)據(jù)方框圖如圖5.1所示：圖5.1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)方框圖由整定公式可知，若得到了系統(tǒng)的振蕩角頻率（振蕩周期）及對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)臨界增益，就可以容易地設(shè)計(jì)出PID控制器。繼電型PID整定的基本思想是，在控制系統(tǒng)中設(shè)置兩種模態(tài)：測(cè)試模態(tài)和調(diào)節(jié)模態(tài)在測(cè)試模態(tài)下，由一個(gè)繼電非線性環(huán)節(jié)來(lái)測(cè)試系統(tǒng)的振蕩角頻率和臨界增益；而在調(diào)節(jié)模態(tài)下，由系統(tǒng)的特征參數(shù)得出PID控制器，再對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行調(diào)

27、節(jié)。確定系統(tǒng)的振蕩角頻率及臨界增益有多種方法，比較常用的是描述函數(shù)方法通過(guò)在閉環(huán)系統(tǒng)中接入繼電非線性環(huán)節(jié)，從而使系統(tǒng)產(chǎn)生極限環(huán)周期振蕩，來(lái)測(cè)取振蕩周期和幅值，即可求出臨界周期和臨界增益。下面再通過(guò)例子的控制模型仿真來(lái)驗(yàn)證用一階滯后環(huán)節(jié)（不完全微分算法）來(lái)近似純微分環(huán)節(jié)（完全微分算法）的減小超調(diào)量的控制效果。例：被控對(duì)象的傳遞函數(shù)為：G(s)=通過(guò)測(cè)試模態(tài)下的振蕩曲線求出周期T和振幅A，再由公式求得：臨界增益K= 4d/(3.14A)=3.42,可得Kp=0.6；K=2.05；Ti=0.5；K=24.7；Td=0.125；K=6.2則PID 控制器的傳遞函數(shù)為：U(S)=(Kp+KpTdS)E(

28、s)=(2.05+12.71s)E(s)實(shí)際上，為了避免純微分運(yùn)算，經(jīng)常用一階滯后環(huán)節(jié)來(lái)近似純微分環(huán)節(jié)，即將 PID控制器寫成：U(S)=Kp（1+）E(s)其中N趨近于無(wú)窮時(shí)，則為純微分運(yùn)算，在實(shí)際應(yīng)用中取一個(gè)較大的值就可以很好的進(jìn)行近似，一般實(shí)際應(yīng)用中，N不必取太大，取2以上就可以得到相對(duì)較好的效果。第6章 課程設(shè)計(jì)總結(jié)本系統(tǒng)是針對(duì)硝酸氧化爐溫度系統(tǒng)控制而設(shè)計(jì)的，溫度控制系統(tǒng)通常具有慣性大，滯后嚴(yán)重的特點(diǎn)。傳統(tǒng)的PID控制系統(tǒng)因執(zhí)行元件不能對(duì)被控制量的變化做出快速反應(yīng)，因?yàn)橄到y(tǒng)的滯后較大，系統(tǒng)在較小的增益下也不容易穩(wěn)定，傳統(tǒng)的PID控制系統(tǒng)很難達(dá)到滿意的控制要求。為使這樣的系統(tǒng)更容易穩(wěn)定，

29、消除滯后環(huán)節(jié)的影響，采用不完全微分PID的控制方法。本文通過(guò)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)，采用AT89S52為核心部件，采用LCD1602為顯示電路，光電隔離器為6N137，AD7812作為A/D轉(zhuǎn)換器，采用AD590為集成溫度傳感器，并完成了全部的設(shè)計(jì)任務(wù)，具體功能如下：完成了整個(gè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件編程，能通過(guò)鍵盤電路控制進(jìn)行溫度控制值的選擇，并顯示溫度。實(shí)現(xiàn)了在氨氣與空氣混合后進(jìn)入爐后，在鉑觸媒作用下進(jìn)行氧化反應(yīng)氨氣氧化生成一氧化氮，當(dāng)溫度受擾動(dòng)而變化時(shí)，均以改變氨量來(lái)補(bǔ)償。從而實(shí)現(xiàn)了控制硝酸氧化爐溫度的控制。通過(guò)對(duì)本次設(shè)計(jì)的思考，使我在很大程度上提高了自己的獨(dú)立思考能力和操作能力，加

30、深了對(duì)單片機(jī)及PID算法等專業(yè)知識(shí)的認(rèn)識(shí)，更對(duì)基于硝酸氧化爐的溫度控制有了更深刻的認(rèn)識(shí)與了解。但是由于時(shí)間的和個(gè)人能力的限制，本系統(tǒng)還存在諸多地方需要進(jìn)一步完善。 參考文獻(xiàn)1于海生編著.微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)M.北京:清華大學(xué)出版社,2009.2萬(wàn)光毅,嚴(yán)義編著.單片機(jī)實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐教程M.北京航空航天大學(xué)出版社,2003. 3張友德.單片微型機(jī)原理、應(yīng)用與實(shí)驗(yàn)M.上海:復(fù)旦大學(xué)出版社,2005.4黃忠霖,黃京.控制系統(tǒng)MATLAB計(jì)算和仿真M.北京:國(guó)防工業(yè)出版社,20095何克忠,李偉.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)M.北京:清華大學(xué)出版社,20006胡漢才.單片機(jī)原理及接口技術(shù)M.北京:清華大學(xué)出版社,1996

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33、位置B_BIT1 EQU 32H ;數(shù)碼管十位數(shù)存放內(nèi)存位置D_BIT1 EQU 35H 數(shù)碼管百位數(shù)存放內(nèi)存位置DS18CD1 EQU 42H ;DS18CD1-DS18CD8暫存64位ROMDS18CD2 EQU 43H ;從低到高DS18CD3 EQU 44HDS18CD4 EQU 45HDS18CD5 EQU 46HDS18CD6 EQU 47HDS18CD7 EQU 48HDS18CD8 EQU 49HDS1864B EQU 4AHDS18ADS EQU 4BHDS18DQ EQU P1.0 ;30H,31H,32H,33H: X 個(gè)位 十位 XMOD7: MOV SP,#

34、60HLCALL GET_TEMPER ;調(diào)用讀溫度子程序LCALL READCODEAJMP MOD7INIT_1820:    ;DS18B20初始化SETB DS18DQCLR DS18DQ 延時(shí),500US低MCMOV R7,#250DJNZ R7,$MOV R7,#150DJNZ R7,$SETB DS18DQ   ;釋放總線LCALL DELAY60US   ;15-60US的等待時(shí)間MOV R6,#4SETDSDQ:LCALL DELAY60USJNB DS18DQ,SETDSDQFH ;60-240US內(nèi)是否有返回信號(hào),為0跳DJNZ R6,SETDSD