过程控制系统课程设计(锅炉汽包温度控制系统论文)[1]

1、红河学院过程控制系统课程设计题目：水塔温度控制系统目录第1章 水塔温度控制系统设计方案 01. i系统设计方案概述01.2水塔温度串级控制系统仿真 2第2章 水塔温度控制系统硬件设计 32.1系统对象特性设计322系统检测回路设计32. 3控制器设计524执行器选择72. 5参数整定9第3章 水塔温度控制系统软件设计103.1程序设计113.2温度控制算法程序设计9第4章设计结论11参考文献12第1章水塔温度控制系统设计方案11系统设计方案概述木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

2、，并经执行装置作用丁生产过程。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。止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。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

3、对象，电 磁阀为执行器，利用ad590传感辭检测水塔温度，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1.1所示，系统原理图如图1.2所示。扰动扰动图1.1水塔温度串级控制系统框图图1.2水塔温度串级控制系统原理图1.2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initials,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=2so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,仿真波形如图1.2所示。图1.2串级控制系统仿真波形第2章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吊级控制系统

4、选择水塔温度为主被控对彖，副被控对彖为上水流量。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。主被控对象：水塔温度tps+1(21)副被控对象：上水流量2.2系统检测回路设计(22)2.2.1主控、副控回路检测环节传感器选择主控对彖检测元件选择为温度传感器ad590oad590是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源。它的主要特性如下：1、流过器件的电流（ma）等于骼件所处环境的热力学温度（开尔文）度数，即：ma/k 式中：一流过器件(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°c+150°c。3、

5、ad590的电源电压范围为4v30v。电源电压可在4v6v范围变化，电流 变 化1ma,相当于温度变化ik。ad590可以承受44v止向电压和20v反向电压，因而器 件反接也不会被损坏。4、输岀电阻为710mwo5、精度高。副控回路检测元件选择电磁式流量传感器。导电性的液休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

6、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。采样检测电路如图2示。图2.1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2.2所示。图2.2 a/d转换电路2.3控制器设计选

7、用单片机作为控制器，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，称为自动化和各个测控领域屮广泛应用的器件，在 工业生产屮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。在温度控制系统屮，单片机更是起到了不可替代的核心作用。2.3.1 cpu 选择单片机接受a/d转换电路输入的数字信号，并将输入的信号进行处理和运算，以控 制控制电流或者控制电压的形式输出给被控制的电路，完成控电磁阀的任务。本设计的 单片机选用atmel公司的at89c51单片札 采用双列直插封装（dip）,有40个引脚与 mcs-51系列单片机的指令和引脚设置兼容。at89c5

8、1引脚图，如图2.3所示。inti intot1 toeatvpxix2reset匣wr0123456711 1a 11 la 1a 11 11 14 ppppppppat89c510001020330506072021 pppppppp p p222324252627p p p p p prxdtxdale/ppsen3938373635343332212223242526272810ii3029图2.3at89c51引脚图2.3.4电源设计由1ov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。h2v

9、0ac10v+5vmn5c1o5t二 zo.luf5vlougytjz zo.luf e4图2.6电源电路4、参数整定p/d控制器的参数整运是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确疋 p/d控制器的比例系数、积分时间和微分时间的人小。因为木设计中主控制器采用p/控 制规律，故仅对円控制器的参数进行整定。参数整定的一 般步骤：(1) 确定比例系数p确主比例系数p时，首先去掉p/的积分项，首先令3=0,使円为纯比例调节。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p,直至系统出现振荡; 再反过来，从此时的比例系数p逐渐减小，直至系统振荡消失，记录此时的比例系数p, 设

10、定円的比例系数p为当前值的60%70%。比例系数p调试完成。（2）确定积分时间常数7；比例系数p确定后，设定一个较大的积分时间常数7；的初值，然后逐渐减小7；,直 至系统出现振荡，z后在反过来，逐渐加大7；,直至系统振荡消失。记录此时的7；,设 定p/的积分时间常数7；为当前值的150%180%。积分时间常数7；调试完成。（3）再对p/参数进行微调，直至满足要求。2.4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

11、，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。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。3.1程序设计第3章水塔温度控制系统软件设计主程序流程图如图3所示。图3.1水塔温度控制系统主程序流程图3.2温度控制算法程序设计本次设计采用增量式pid控制算法，来实现温度控制。岂一 2弘_1 +弘_2t.增量式p

12、id控制算法公式如下:tek_ ek-i + tek +td丄i(3-1)=耳（1 +学+彳）弧一吟（1 +半）ek_t + %辛ek_2程序流程图如图3.2所不。图3.2温度控制算法程序温度控制算法程序如下：/*pid functionthe pid （比例、积分、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 show

13、ing a typical usage. */ typedef struct pidint setpoint; 设定目标 desired valuelong sumerror; /误差累计double proportion; 比例常数 proportional constdouble integral; 积分常数 integral constdouble derivative; 微分常数 derivative constint lasterror; /error-1int preverror; /error-2pid;static pid spid;static pid *sptr = &am

14、p;spid;/*=initialize pid structure pid 参数初始化=*/ void incpidinit(void)sptr->sumerror = 0;sptr->lasterror = 0; /error-1sptr->preverror = 0; /error-2sptr->proportion = 0; /比例常数 proportional constsptr->integral = 0; /积分常数 integral constsptr->derivative = 0; 微分常数 derivative constsptr-&g

15、t; setpoint = 0;增量式pid计算部分=*/int incpidcalc(int nextpoint)register int ierror, ilncpid; /当前误差ierror = sptr->setpoint nextpoint; 增量计算ilncpid = sptr->proportion * ierror/ek项-sptr->integral * sptr->lasterror /ek 1项+ sptr->derivative * sptr->preverror; /ek2项存储误差，用于卜次计算sptr->preverro

16、r = sptr->lasterror;sptr->lasterror = ierror; /返回增量值return(ilncpid);第4章设计结论木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，称为口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h常生活中发挥的作用也越来越人。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。木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