毕业设计答辩基于NIPAC的模拟锅炉温度控制系统设计与实现PPT课件

1 南京理工大学 毕业答辩 能源与动力学院 2 毕业答辩 3 论文题目 基于NIPAC的模拟锅炉温度控制系统设计与实现 答辩人 黄永平 专业 热能与动力工程 指导老师 任登凤 2013 6 02 4 研究背景 5 研究背景 仪表控制 智能控制 人工控制 温度控制 温度控制技术的发展经历了从最初的人工控制到四五十年代的仪表监控 直到六十年代兴起的计算机控制这几个阶段 温度作为锅炉安全生产的重要指标之一 在很大程度上都直接和安全生产 提高生产力 保证产品质量 节约能源等重大经济技术指标休戚相关 因此不断研究先进的对锅炉进行温度控制的控制策略 对满足未来工业生产需求和提高生产效率举足轻重 6 研究现状 7 研究现状 智能控制 PID控制 定值开关法 温度控制 温度控制技术按照控制目标的不同可分为两类 动态温度跟踪与恒值温度控制 从工业温度控制器的发展过程来看 温度控制技术大致可分以下几种 8 研究现状 定值开关温度控制法 是通过硬件电路或软件程序计算并判别当前温度值与设定温度值之间的关系 进而对系统加热装置或冷却装置进行通断控制的控制方法 PID温度控制法 通过PID调节器对温度进行控制的方法 PID控制器基本上可分为两种 模拟PID控制器和数字PID控制器 智能温度控制法 即某些具有仿人工智能的工程控制系统 它能有效的获取 传递处理 再生和利用信息 从而在任意给定的环境下成功地完成工业控制的任务 9 研究框架 10 方案设计 分析总结 查看文献 引言 总体设计 硬件设计 软件设计 调试运行 系统设计 11 总体设计 12 总体设计 本次设计的锅炉内胆温度控制系统由基于PAC的主控制器 数据采集卡 移相调压器 水泵 模拟锅炉等组成 锅炉内有三相加热管 温度传感器 调节阀等部件组成 锅炉内胆的温度由铂电阻 Pt100 测量 然后经过温度变送器转换成相应的电信号 该电信号经A D转换成相应的标准数字量信号输入PAC主控制器进行数据处理运算 PAC根据已设计好的常规PID控制算法 得到相应的控制数据 通过I O接口输出信号给移相调压器 温度过低时 控制三相加热管加热 温度过高时通过移相调压器关闭三相加热管 13 总体框图 实验对象 模拟锅炉 温度传感器 连接端子 PXI 4351 PXI 6238 移相调压器 主控制器 计算机 读取 记录 显示 报警 14 硬件设计 15 硬件选型 温度传感器 数据采集卡 主控制器 16 温度传感器 温度传感器种类繁多 在日常生活以及大多数的工业测量中热电偶 铂电阻 RTD 和热敏电阻是测量温度时中最常用的温度传感器 在实际应用中选择什么样温度传感器跟具体的设计要求有关 本次设计测量的是精度要求很高的温度信号 所以选用的温度传感器是Pt100铂电阻 它又称为Pt100铂热电阻 是广泛应用于医疗 机械 电子航天 气象等方面高精温度设备 它的工作原理是 铂电阻随着温度的变化而发生相应的变化 因而只要测出铂电阻的电阻变化值 就能根据它的分度表查出温度的大小 17 数据采集卡 在选择所需的DAQ卡时 不仅要考虑到实际所测量或生成的是什么信号 而且更需要考虑的是模数转换的品质优劣 在现实工业应用中选择DAQ卡时最需要关注的品质参数是 采样率 分辨率和采样的精度 本次设计用到两种数据采集卡 NIPXI 4351和NIPXI 6238 NIPXI 4351 采集卡包含24位模数转换通道 差分输入 能准确测量热电偶和直流电压 精度分别为 0 12 RTD精度 NI4351 0 03 热敏电阻精度 NI4351 0 42 的热电偶精度 带冷端补偿 自动归零 开放式热电偶检测功能 24位精度电压测量 高达16路输入 高达8路数字I O线 低漏构造和模数过滤两个功能一起保证了精确的结果 良好的噪声隔绝 NIPXI 6238 它一共具备8路 20mA电流输入 16位分辨率 250ks s采样速率 2路0 20mA电流输出 6路数字输入 4路数字源级输出 工业24V 在编程时可以单独地设置每一个AI通道的输入范围 每个该系列设备有一个模数转换器 ADC 能将模拟电压信号转化为一个数字信号 18 主控制器 PXI PCIextensionsforInstrumentation 面向仪器系统的PCI扩展 是一种坚固的基于PC的测量和自动化平台 一个PXI系统由几项组件所组成 包含一个机箱 一个PXI背板 backplane 系统控制器 Systemcontrollermodule 以及数个外设模块 Peripheralmodules PXI结合了PCI的电气总线特性与CompactPCI的坚固性 模块化及机械封装的特性 并增加了专门的同步总线和主要软件特性 这使它成为测量和自动化系统的高性能 低成本运载平台 19 硬件平台 硬件平台的搭建涉及到的硬件包括 控制对象 模拟锅炉 温度传感器 Pt100 连接端子 CB 68T 数据采集卡 NIPXI 4351和NIPXI 6238 PAC控制器 NIPXI 1042Q 传统温度采集卡NIPXI 4351用到的是通道5 TT4 炉膛内胆的温度 NIPXI 6238用到的是输出通道AI1 它们所组成的硬件平台如下图所示 物理信号 电阻信号 4 20mA 数字信号 数字信号 数字信号 连接端子 PXI 4351 PXI 6238 20 软件设计 21 方案设计 软件部分主要完成数据采集与处理 温度的实时显示 记录以及报警等功能同时为用户提供一个方便的人际交互的操作界面 本次设计的基于Labview的锅炉温度系统的软件是采用模块化的思想来编写的 每个功能的实现由一个模块单独完成 然后由主控制程序调用各个子模块 实现数据采集 处理 显示 记录等功能 总而言之 本次设计的系统软件几个模块组成如下 软件模块 密钥控制 温度实时保存 历史数据读取 数据采集 越限报警 温度实时显示 22 控制算法 本次设计采用的是增量型PID算法 计算机输出的控制量 u k 对应的是本次执行机构位置的增量 而不是对应执行机构的实际位置 增量式PID控制算式如下 其中 u k 为输出增量 Kp为比例系数 Ki为积分系数 Kd为微分系数 e k e k 1 e k 2 分别为当前偏差以及前时刻的偏差 本次设计的采样周期T为默认的1秒 采用三个移位寄存器作为e k e k 1 e k 2 的寄存位置 使得误差的累加得以实现 所以一旦确定了Kp Ki Kd 只要使用前后3次测量的偏差值即可由上面的公式求出控制增量 23 界面设计 24 程序介绍 数据采集与输出 温度的采集要用到传统的DAQ 首先通过传统的DAQ通道设置采集通道实现对锅炉的温度信号进行采集 然后通过获取波形环节就可以的到所需要的温度信号 控制量的输出用到的是DAQassistant 所选通道是PXI 6238的通道AI0 其具体如图所示 25 程序介绍 密钥控制 通过在授权密钥字符串显示框中的输入字符与系统设定的密码进行比较 再将结果作为条件结构的条件 只有当两者相同条件为真时 授权才通过 才能对系统进行控制 其程序框图如图所示 26 程序介绍 越限报警 首先设定温度的上下限 将采集卡采集的温度与设定的温度上下限进行比较 如果温度越限 能够进行报警提示 当温度越限时 指示灯会变色并且发出蜂鸣声 程序图如下所示 27 程序介绍 温度的保存 将采集卡采集到的温度的大小通过控件连接字符串与采集的时间链接在一起 保存到指定的文本文件中 为了显示温度的保存状况 将保存的温度和时间实时的显示在一个字符串显示框中 其程序框图如图所示 28 程序介绍 温度的读取 通过读取按钮来控制一个条件事件 当按下按钮时 读取指定的数据文本 为假时清空字符串显示框 其程序框图如下 29 结论 30 结果分析 分别设定比例系数Kp为5和20 积分系数Ki为1 微分系数为Kd为5 温度设定值为20 采样周期T为1秒 得出的调节曲线如下 图1 比例系数为5 图2 比例系数为20 分析 从图1和图2可以看出当比例系数很小时 系统的响应速度慢 稳态误差为0 05 而当比例系数Kp为20时 系统的响应速度明显加快 稳态误差也明显减小仅为0 02 因此可以得出结论进行系统调解时在超调量满足条件的前提下可以将比例系数适当设定的稍大一些 31 结果分析 设定比例系数Kp为20 积分系数Ki为1和5 微分系数为Kd为5 温度设定值为20 采样周期T为1秒 得出的调节曲线如下 图3 积分系数为1 图4 积分系数为5 分析 比较图3和图4可以看出 当积分系数为5时 系统的超调量达到了1 9 稳态温差也达到了0 15 而在积分系数为1时 系统的超调量仅为0 75 稳态误差也仅为0 02 因此可以得出结论当积分系数过大时 系统的稳定性降低 稳态误差也较大 系统的控制精度降低 32 结果分析 设定比例系数Kp为20 积分系数Ki为1 微分系数分别为Kd为5和1 温度设定值为20 采样周期T为1秒 得出的调节曲线如下 图5 微分系数为5 图6 微分系数为1 分析 比较图5和图6可以看出 当微分系数偏小时 系统的超调量明显增大 调节时间也相对变长了 33 结论 比例系数过小时会使得调节时间变长 系统的响应速度变慢 比例系数过大时 又会使得系统的稳定性变差 震荡加剧 积分系数过大 会使系统的超调量过大 甚至产生振荡 微分系数过大 会使调节作用过强 引起系统的超调量过大 有时还会使系统出现振荡 微分系数过小又会使得调节时间变长 34 待解决问题 35 待解决的问题 1 温度记录的保存不能单独完成 而是和温度的实时显示相耦合 2 读取数据时温度不能以图形化的形式显现出来 3 传统的PID控制策略的超调量还是偏大 需要与更加先进的控制策略相结合 36 致谢 37 致谢 这篇论文的写作以及系统设计的过程 也是我越来越认识到自己知识与经验缺乏的过程 虽然 我尽可能地阅读文献 竭尽所能运用自己所学的知识进行系统开发 但系统还