过程控制系统课程设计(锅炉汽包温度控制系统论文)

1、下载可编辑理工学院过程控制系统课程设计题目：水塔温度控制系统.专业 .整理 .下载可编辑目录第 1章 水塔温度控制系统设计方案 . .11. 1系统设计方案概述 .11.2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 .32.2系统检测回路设计 .32.3控制器设计 .52.4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 . .8第 4章 设计结论 . .11参考文献. .12.专业 .整理 .下载可编辑第 1 章 水塔温度控制系统设计方案1. 1 系统

2、设计方案概述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。正

3、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 1.1 所示，系统原理图如图 1.2 所示。图 1.1 水塔温度串级控制系统框图.专业 .整理 .下载可编辑图 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

4、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.专业 .整理 .下载可编辑第 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。主被控对象：水塔温度错误 ! 未找到引用源。 =错误 ! 未找到引用源。（ 21）副被控对象：上水流量错误 ! 未找到引用源。 =错误 ! 未找到引用源。（ 22）2.2 系统检测回路设计主控、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AD5

5、90。AD590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的测温围为 -55 +150。3、AD590的电源电压围为4V30V。电源电压可在 4V6V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。导电性的液体在流动时切割磁力线

6、，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。.专业 .整理 .下载可编辑由于电极的距离正好为导管的径，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。 测量围宽，测量精度高。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

7、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2.1 示。图 2.1 采样检测电路转换电路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。.专业 .整理 .下载可编辑图 2.2 A/D转换电路2.3 控制器设计选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

8、不可替代的核心作用。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 单片机，采用双列直插封装（DIP），有 40 个引脚与MCS51 系列单片机的指令和引脚设置兼容。AT89C51引脚图 , 如图 2.3 所示。图 2.3 AT89C51 引脚图.专业 .整理 .下载可编辑电源设计由 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

9、。图 2.6电源电路4、参数整定PID 控制器的参数整定是控制系统设计的核心容。它是根据被控过程的特性确定PID 控制器的比例系数、 积分时间和微分时间的大小。 因为本设计中主控制器采用PI 控制规律，故仅对 PI 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确定比例系数 P 时，首先去掉 PI 的积分项，首先令 Ti0 ，使 PI 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 ，设定 PI 的比例系数 P 为当前值的 60% 7

10、0%。比例系数 P 调试完成。（2）确定积分时间常数 Ti比例系数 P 确定后，设定一个较大的积分时间常数Ti 的初值，然后逐渐减小 Ti，直至系统出现振荡，之后在反过来，逐渐加大Ti ，直至系统振荡消失。记录此时的 Ti，设定 PI 的积分时间常数Ti为当前值的。积分时间常数Ti 调试完成。150% 180%.专业 .整理 .下载可编辑（3）再对 PI 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

11、，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。第 3 章 水塔温度控制系统软件设计3.1程序设计主程序流程图如图3.1 所示。开始初始化采集温度.专业 .整理 .Ye=0 ？下载可编辑3.2温度控制算法程序设计图 3.1 水塔温度控制系统主程序流程图本次设计

12、采用增量式PID 控制算法，来实现温度控制。增量式 PID 控制算法公式如下：错误 ! 未找到引用源。(3-1).专业 .整理 .下载可编辑程序流程图如图 3.2 所示。子程序入口计算错误! 未找计算错误 ! 未找到引用计算错误 ! 未找到引用计算错误 ! 未找到计算错误!子程序返回图 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 ) functionis used in mainly controlapplications.PIDCalc performs one iteration of the PID algorithm.

13、While the PID functionworks, main is justa dummyprogram showing a typicalusage. */typedef struct PIDint SetPoint; /设定目标 Desired Value.专业 .整理 .下载可编辑long 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 LastErro

14、r; /Error-1int PrevError; /Error-2 PID;static PID sPID;static PID *sptr = &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

15、; /积分常数 Integral Constsptr->Derivative = 0; /微分常数 Derivative Constsptr->SetPoint = 0;/*=增量式 PID 计算部分=*/int IncPIDCalc(int NextPoint)register int iError, iIncpid; /当前误差.专业 .整理 .下载可编辑iError = sptr->SetPoint - NextPoint; /增量计算iIncpid = sptr->Proportion * iError /Ek项- sptr->Integral * spt

16、r->LastError /Ek1 项+ sptr->Derivative * sptr->PrevError; /Ek2 项 /存储误差，用于下次计算sptr->PrevError = sptr->LastError;sptr->LastError = iError; /返回增量值return(iIncpid);第4章设计结论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。.专业 .整理 .下载可编辑参考文献1 优贤 .