化学反应温度控制系统.doc

课程设计说明书 第 I 页 化学反应温度控制系统设计 摘 要 本课题是利用温度传感器 AD590 运用化学反应原理设计一个水塔温度控制系统 温度是工业生产中常见的工艺参数之一 任何物理变化和化学反应过程都与温度密切相 关 在科学研究和生产实践的诸多领域中 温度控制占据着极为重要的地位 特别是在冶金 化工 建材 食品 机械 石油等工业领域作用举足轻重 该设计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 系统设计的温度控制系统是一种基于模糊 PID 控制 由温度信号采集与转换模块 温度传感器 AD590 显示模块组成的控制系统 通过测试 系统具有很好的温度控制 能力 能够提供完善的人机交互界面 系统总体设计本系统利用 AT89C51 单片机实现对 温度的检测与控制 能够控制电热丝持续加热或电风扇持续降温 系统温度控制范围是 55 150 本系统电路包括温度信号采集模块 键盘设定模块 主机控制模块 温度控制模块 显示模块等 系统硬件设计本系统电路分为五个模块 温度信号采集与 转换模块 键盘设定模块 主机控制模块 温度控制模块 显示模块 简化了硬件电 路设计 降低了设计成本 关键词 温度传感器 AD590 MC7805T 芯片 ADC0809 转换器 课程设计说明书 第 II 页 目 录 1 水塔温度控制系统设计方案 3 2 水塔温度控制系统硬件设计 4 2 1 系统对象特性设计 4 2 2 系统检测回路设计 4 2 2 1 主控 副控回路检测环节传感器选择 4 2 2 2 采样检测电路设计 5 2 2 3 A D 转换电路 6 2 3 控制器设计 6 2 4 参数整定 7 2 5 执行器选择 8 3 水塔温度控制系统软件设计 8 4 水塔温度串级控制系统仿真 9 总 结 11 致 谢 12 参考文献 13 课程设计说明书 第 1 页 1 水塔温度控制系统设计方案 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 仪表完成对过程变量的检测 变送和控制 并经执行装置作用于工业生产过程 1 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 2 水塔温度为主被控对象 上水的流量为副被控对象 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 所示 图 1 水塔温度串级控制系统框图 课程设计说明书 第 2 页 2 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 3 主被控对象 水塔温度 主 1 1 1 副被控对象 上水流量 副 2 2 1 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 4 AD590 是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源 5 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 4V 30V 电源电压可在 4V 6V 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 课程设计说明书 第 3 页 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 6 采样检测电路如图 2 示 图 3 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 所示 课程设计说明书 第 4 页 图 3 A D 转换电路 2 3 控制器设计 选用作为控制器 对水塔温度进行控制 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 7 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 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 4 电源电路 2 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 PID 定控制器的比例系数 积分时间和微分时间的大小 8 因为本设计中主控制器采用 PID 课程设计说明书 第 5 页 控制规律 故仅对控制器的参数进行整定 PIPI 参数整定的一般步骤 1 确定比例系数P 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 PPI 0 i T PI 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 P 现振荡 再反过来 从此时的比例系数逐渐减小 直至系统振荡消失 9 记录此时的 P 比例系数 设定的比例系数为当前值的 60 70 比例系数 PPIP 2 确定积分时间常数 i T 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 P i T i T 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 i T i T 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 PI i T i T 3 再对参数进行微调 直至满足要求 PI 2 5 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 10 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 3 水塔温度控制系统软件设计 课程设计说明书 第 6 页 子程序入口 计算 ee 计算 1 计算 1 2 1 计算 2 计算 子程序返回 图 5 主程序流程图 4 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 仿真波形和系统波形如图 6 和图 7 所示 课程设计说明书 第 7 页 图 6 串级控制系统仿真波形 图 7 串级控制系统波形图 课程设计说明书 第 8 页 总 结 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 课程设计说明书 第 9 页 致 谢 经过两周的学习和实践 我的课程设计终于顺利完成 我必须感谢我的指导老师 付老师和我的同学们 没有他们的帮助 我这次课程设计就不可能完成 首先是我的 指导老师给我提供了很多资料和设计步骤 并且耐心给我讲解 其间有好多关键性的 问题 都是因为老师的帮助才能很快的解决 在此我表示深深的谢意 其次 是我同 组成员们 是他们和我共同的努力才有今天设计的完成 对此 我也要表示感谢 最 后 在设计时 实验室的同学们也给了我很多帮助 在很多时候给我指点迷津 帮我 解决了不少的问题 对此也表示感谢 今后 不管是在学习还是工作中 我都会积极 帮助他人 并回报每一个帮助过我的人 做一个对社会有用的人 课程设计说明书 第 10 页 参考文献 1 孙优贤 工业过程控制技术 应用篇 M 北京 化学工业出版社 2006 1 79 135 2 翁维勤 过程控制系统及工程 M 北京 化学工业出版社 2010 7 42 62 3 何衍庆 工业生产过程控制 M 北京 化学工业出版社 2009 3 77 88 4 邵裕森 过程控制工程 第二版 M 北京 机械工业出版社 2011 8 45 90 5 薛定宇 反馈控制系统设计与分析 M 北京 清华大学出版社 2000 6 6 何希才 传感器及其应用电路 M 北京 电子工业出版