盘管出水口水温与热水流量性能测试

1、PINGDINGSHAN UNIVERSITY过程控制班级：测控技术与仪器学号：131130142姓名：杨航盘管出水口水温与热水流量性能测试导读：1.1过程控制介绍，1.1.1过程控制的发展概况，做为工业自动化重要分支的过程控制的任务也愈来愈繁重，初期的过程控制系统采用基地式仪表和部分单元组合仪表，过程控制系统结构大多是单输入，单输出系统，过程控制理论是以频率法和根轨迹法为主体的经典控制理论，流量的稳定和消除主要扰动为控制目的过程，串级控制，比值控制和前馈控制等复杂过程控制系统逐步应用于工业生产中，同时电子技术和计算机技术开始应用于过程1.1过程控制介绍关键词:串级控制;MCGS;PID参数整

2、定法1.1.1 过程控制的发展概况随着人们物质生活水平的提高以及市场竞争的日益激烈，产品的质量和功能也向更高的档次发展，制造产品的工艺过程变得越来越复杂，为满足优质、高产、低消耗，以及安全生产、保护环境等要求，做为工业自动化重要分支的过程控制的任务也愈来愈繁重。初期的过程控制系统采用基地式仪表和部分单元组合仪表，过程控制系统结构大多是单输入，单输出系统，过程控制理论是以频率法和根轨迹法为主体的经典控制理论，以保持被控参数温度，液位，压力，流量的稳定和消除主要扰动为控制目的过程。其后，串级控制，比值控制和前馈控制等复杂过程控制系统逐步应用于工业生产中，气动和电动单元组合仪表也开始大量采用，同时电

3、子技术和计算机技术开始应用于过程控制领域，实现了直接数字控制（DDC）和设定值控制（SPC） 。之后，以最小二乘法为基础的系统辨识，以极大值和动态规划为主要方法的最优控制和 以卡尔曼滤波理论为核心的最佳估计所组成的现代控制理论，开始应用于解决过程控制生产 中的非线性，耦合性和时变性等问题，使得工业过程控制有了更好的理论基础。同时新型的 分布式控制系统（DCS）集计算机技术、控制技术、通讯技术、故障诊断技术和图形显示技术为一体，使工业自动化进入控制管理一体化的新模式。现今工业自动化己进入计算机集成过程系统（CIPS）时代，并依托人工智能，控制理论和运筹学相结合的智能控制技术向工厂 综合自动化的方

4、向发展。1.1.2过程计算机控制系统现代化过程工业向着大型化和连续化的方向发展，生产过程也随之日趋复杂，而对生产质量、经济效益的要求，对生产的安全、可靠性要求以及对生态环境保护的要求却越来越高。不仅如此，生产的安全性和可靠性，生产企业的经济效益都成为衡量当今自动控制水平的重要指标。因此继续采用常规的调节仪表（模拟式与数字式）已经不能满足对现代化过程工业的控制要求。由于计算机具有运算速度快、精度高、存储量大、编程灵活以及具有很强的通信能力等特点， 目前以微处理器、单片微处理器为核心的工业控制几与数字调节器过程计算机设备，正逐步取代模拟调节器，在过程控制中得到十分广泛的作用。在控制系统中引入计算机

5、，可以充分利用计算机的运算、逻辑判断和记忆等功能完成多种控制任务和实现复杂控制规律。在系统中，由于计算机只能处理数字信号，因而给定值和反馈量要先经过 A/D 转换器将其转换为数字量，才能输入计算机。当计算机接受了给定值和反馈量后，依照偏差值，按某种控制规律（PID）进行运算，计算结果再经 D/A 转换器，将数字信号转换成模拟信号输出到执行机构，从而完成对系统的控制作用。过程计算机控制系统的组成包括硬件和软件（除了被控对象、检测与执行装置外）。（1）过程计算机系统的硬件部分：1）由中央处理器、时钟电路、内存储器构成的计算机主机是组成计算机控制系统的核心部分，进行数据采集、数据处理、逻辑判断、控制

6、量计算、越限报警等，通过接口电路向系统发出各种控制命令，指挥系统安全可靠的协调工作。2）包括各种控制开关、数字键、功能键、指示灯、声讯器和数字显示器等的控制台是人机对话的联系纽带， 操作人员可以通过操作台向计算机输入和修改控制参数，发出操作命令；计算机向操作人员显示系统运行状态，发出报警信号。3）通用外围设备包括打印机、记录仪、图形显示器、闪存等，它们用来显示、存储 、打印、记录各种数据。4）I/O 接口和 I/O 通道是计算机主机与外部连接的桥梁。I/O 通道有模拟量通道和数字量通道。模拟量 I/O 通道将有传感变送器得到的工业对象的生产过程参数（标准电信号）变换成二进制代码传送给计算机；同

7、时将计算机输出的数字控制量变换为控制操作执行机构的模拟信号，实现对生产过程的控制。（2）过程计算机系统的软件部分：1）系统软件由计算机及过程控制系统的制造厂商提供，用来管理计算机本身资源，方便用户使用计算机。2）应用程序由用户根据要解决的控制问题而编写的各种程序，应用软件的优劣将影响到控制系统的功能 、精度和效率。2.1 总体方案的设计原理本设计的控制系统的主控量为锅炉内胆的水温T，副控量为锅炉内胆循环水流量Q，它是一个辅助的控制变量。内胆内的电热管持续恒压加热，执行元件为电动调节阀，它控制管道中流过的冷水的流量大小，以改变内胆中的水温。副回路是一个随动系统，要求副回路的输出能正确、快速地复现

8、主调节器输出的变化规律，以达到对主控制量T的控制目的，因而副调节器可采用P控制。但选择流量作副控参数时，为了保持系统稳定，比例度必须选得较大，这样比例控制作用偏弱，为此需引入积分作用，即采用PI控制规律。引入积分作用的目的不是消除静差，而是增强控制作用。显然，由于副对象管道的时间常数远小于主对象锅炉内胆的时间常数，因而当主扰动（二次扰动）作用于副回路时，通过副回路的调节作用可快速消除扰动的影响。本实验系统结构图和方框图如图所示。3.1 系统设备1）实验对象及控制屏、SA-11挂件一个、计算机一台、万用表一个；2）SA-12挂件一个、RS485/232转换器一个、通讯线一根。3.2 RS485/

9、232转换器3.2.1 概述随着计算机在工业的广泛应用 控制局域网络也深入应用到各行各业之中 现行的 诸多控制系统 若采用单机控制方式已越来越难以满足设备控制的要求 因为往往我们 所控制的设备只是整个系统的一个基本单元 它既需要外部输入一些必要的信息 同时 也需要向外部输出自身的运行参数和状态 所有这些 都要求我们采用控制网络技术 将众多设备有机地连成一体 以保证整个系统安全可靠地运行。目前， 在我国应用的现场总线中 RS-485/RS-422 使用最为普遍 当用户要将基于 标准的 RS-232 接口设备。如PC机连接至由 RS-485/RS-422 构成的通讯网络时，则必须作RS-232 和

10、RS-485/RS-422 之间的电平转换，传统的做法是在设备内扩展一个通讯适配卡.由通讯适配卡实现电平转换内部主机再通过并行总线读出或写入数据。显然，这种设计方法存在下列缺点 ：1）由于适配卡是基于某一种总线标准扩展的 而不是基于 RS-232 电平标准 所以 其应用范围受到限制 只能一种适配卡适用一种总线 如 ISA 适配卡不可能插 其通用性较差 入 STD 总线或用户自定义的总线 。2）虽然实现的仅仅是电平转换 但是由于需要考虑与扩展总线的接口和增加一个 标准的 UART 并且需要占用系统的其它宝贵资源 使硬件和软件变得过于复杂 。3）复杂的硬件设计大大增加了元器件的数目和电路板面 使适

11、配卡的成本过高 。4）由于采用内置插卡方式 使变更通信方式比较麻烦 如将半双工通信方式设置 为全双工方式等 另外 维修和测试也比较麻烦。5）对于现有的基于RS-232的设备在无法变动系统软件和硬件的情况下显然适配卡无，为了克服上述缺点同时考虑到RS-232接口的自身特点我们设计了一种小巧的无须外部，本智能转换器作为一个独立的电平转换控制器，即如何从RS-232线上获得电路和RS-485/RS-422接口驱动所需的功率和，我们设计一个效率为85%输出电压为3V的DC-DC转，2）智能控制收发使能，适用于点-点通讯无须专门的收发使3.2.2 功能描述及结构框图本智能转换器作为一个独立的电平转换控制

12、器，涉及线上取电、发送和接收状态的低功耗微处理器微处理器通过监测TXD信号的变化 决定是否允许数据发送和数据接收，另外有关通信方式，波特率和半/双工工作方式选择也是通过TXD信号或 I/O口来设定的RS-232电平与TTL电平之间的转换。RS-485/RS-422电平与TTL电平之间的转换。+3.0V 或+5V RS-DTR RS-RTS RS-TXD TTL-TXD DC-DC 转换器发送使能低功耗 微处理器接收使能 RS-RXD RS-232 接口 TTL-RXD RS-485/RS-4 22 接口 半双工/ 全双工 接口 半/全双工跳线3.2.3 工作原理该智能转换器必须解决两个关键问题

13、，即如何从 RS-232 线上获得电路和 RS-485/RS-422 接口驱动所需的功率和如何智能控制 RS-485/RS-422 的收发使能。1）电源方案标准的RS-232定义中有三个发送信号TXD RTS和DTR每根线上的典型输出电流为8mA/ 12V考虑到TXD为负电平，处于停止发送或发送数字 1 时的时间较多，因而电源转换决定采用负电源输入以最大限度地增加电源输入功率 升压至所需的工作电源，从 RTS 和 DTR 上输入功率=2*8*12mW=192mW。另外，由于通讯为间歇工作方式。所以输入电源端的储能电容和 TXD 为负电平时，能够补充一定的 功率。假设 ，我们设计一个效率为 85

14、% 输出电压为 3V 的 DC-DC 转换器，则输出电流可达 54.4mA。2）智能控制收发使能RS-232 通讯接口采用电平方式传输，适用于点-点通讯无须专门的收发使能控制。而对于 RS-485/RS-422 通讯接口则不同 由于采用差分电平方式传输，且允许在 一条通讯总线上挂接多个节点。必然要求各个节点能够独立地控制总线驱动器关断或打开，保证不会影响到其它节点的正常通讯。为了简化与转换器 RS-232 接口端相连的软件工作。更重要的是为了提高本转换器的通用性和灵活性，即插即用无须要求。用户更改任何相关软件和硬件本转换器内置微处理器实现收发使能的智能控制具体方法微处理器在检测到 UART 的

15、通信起始位后 打开发送使能允许串行数据发送至 RS-485/RS-422 通讯网络 微处理器根据所设定的波特率延时至 UART 停止位 发送一半时。例如 11 位格式时，延时10.5T,T=1/fBAUD ,开始检测是否有下一个起始位到来。在时间 T 内，若有下一个起始位到来，则保持发送状态。否则将关闭发送使能结束数据发送。3.2.4 硬件设计由于本转换器供电来自 RS-232信号线，其输入功率受到限制。因而在本设计中将尽，可能地采用+3V 供电的低功耗器件保证总电流小于 54.4mA 主要包括4个部分DC-DCRSRS-485/RS RSRS-232至RS-485/RS-422智能转换器RS

16、-232接口RS-485/RS-422接口和微处理器 分别介绍如下：1）DC-DC 转换器显然，还没有一个DC-DC转换器能够直接实现-12V输入+3V输出的IC但是如果我们利用现有的IC稍作改动即可实现该功能DC-DC 转换电路。就是利用MAX761实现的-12V输入+3V输出效率高于85%的升压DC-DC转换器该转换器。实际输入电压范围为-2.5V至-13.5V 静态工作电流仅I1=120 A具有输出电流大于54.4mA的能力。如果前端输入功率未受到限制，则输出电流可达300mA以上。由于MAX761采用高效率的PFM 控制方式,而且在本电路中,开关损耗较小(因为开关电流小于负载电 流),

17、所以能够达到比 MAX761典型应用更高的效率(MAX761典型 应用效率为 86%)输出电压由下列方程确定VOUT=VREF*R1/R2+0.7(V) 其中 VREF=1.5V 根据所需选取 R2=100K 要的输出电压 计算 R12）RS-232 接口本转换器只需要一片单发/单收 RS-232 接口就可以满足要求 但必须要求+3V 单电源 工作 工作电流尽可能地小的接口电路 MAX3221/MAX3221E 带 15kVESD 保护 刚好能 够满足上述要求 具有 1TX/1RX 其工作电压+3V 至+5.5V, 仅 1 A 的静态电流 负载电 流小于 I2=2mA 4.3. RS-485/

18、RS-422 接口 为兼顾RS-485/RS-422 接口中半双工和全双工的要求 本转换器采用 MAX3491 作为 RS-485/RS-422 接口电路 其主要指标为 +3V 至+3.6V 单电源工作 工作电流 1mA,驱动 60 负载时 半双工时 两个 120 终端匹配电阻的并联值 峰值电流可达 I3=3V/60 =50mA 半双工和全双工工作方式是通过跳线器来设置的. 微处理器 在本转换器中 微处理器所要 完成的任务很简单 仅需要几根 I/O 线即可实现参数的设置和发送 使能的自动控制 实际选择中 采 用 Microchip 公司的 PIC12C508A 其主要指标为 工作电流 I4&l

19、t;1.0mA( 工 作 电 压 3V 频 率 4MHz),6 条 I/O 线 512kByte 的 ROM 其中 GP0 GP1 GP4 和 GP5 四个引脚设定对应于 16 种常用波 特率 300 600 1200 至 38.4Kbps 等 8 种 以 及 900 1800 至 115.4Kbps 等 8 种 的延时时间 GP3 对应于 10 位或 11 位串行数据格式 GP2 为 TXD 输入 用来检测 UART 何时发送和停止数据 GP1 为复用输出引脚 用来控制 MAX3491 的发送使能控 制端 GP0 也为复用输出引脚 用来控制 MAX3491 的接收使能本转换器的最大电流总和&

20、lt;I1+I2+I3+I4=0.12+2.0+ 50.0+1.0=53.12mA 小于 DC-DC 转换器的最小输出电流54.4mA 因而通过 RS-232 信号线为本电路供电是完全可行的。实际上由于输入电源端的储能电容E1和TXD为负电平时能够为电路补充一定的功率所以设计上留有较大的电源功率裕量.3.2.5 软件设计本转换器的软件设计较为简单微处理器复位后将所有的I/O口设为输入 并读入所有的I/O 状态保存到寄存器，将GP2和GP3改设为输出状态并输出低电平，使 RS-485/RS-422接口处于禁止发送允许接收的状态CPU根据GPIO的初始状态确定出用户设定的通讯波特率和串行数据格式。

21、从而预置内部的延时设定CPU检测到UART开始通讯后打开发送使能经内部预置延时后开始在一个位宽时间内检测是否有下一个起始位到来如检测到，则重新延时等待。否则，关闭发送使能结束当前通讯重新检测UART的起始位对于半双工通讯方式允许发送使能前应该关闭接收使能，而在发送使能关闭后才打开接收使能，对于全双工通讯方式其接收使能可以不受此信号控制而可以直接通过跳线接地始终允许接收 。实验流程1）将三个SA-12挂件挂到屏上，并将挂件的通讯线插头插入屏内RS485通讯口上，将控制屏右侧RS485通讯线通过RS485/232转换器连接到计算机串口2，并按照下面的控制屏接线图连接实验系统。2）接通总电源空气开关

22、和钥匙开关，打开24V开关电源，给压力变送器上电，按下启动按钮，合上单相、单相空气开关，给智能仪表1及电动调节阀上电。（1） 逐步逼近法所谓逐步逼近法，就是在主回路断开的情况下，按照单回路的整定方法求取副调节器的整定参数，然后将副调节器的参数设置在所求的数值上，使主回路闭合，按单回路整定方法求取主调节器的整定参数。而后，将主调节器参数设在所求得的数值上，再进行整定，求取第二次副调节器的整定参数值，然后再整定主调节器。依此类推，逐步逼近，直至满足质量指标要求为止。 （2） 两步整定法两步整定法就是第一步整定副调节器参数，第二步整定主调节器参数。 整定的具体步骤为：在工况稳定，主回路闭合，主、副调

23、节器都在纯比例作用条件下，主调节器的比例度置于100%，然后用单回路控制系统的衰减（如4：1）曲线法来整定副回路。记下相应的比例度2S和振荡周期T2S。2S将副调节器的比例度置于所求得的值上，且把副回路作为主回路中的1S一个环节，用同样方法整定主回路，求取主回路的比例度和振荡周期T1S。根据求取的1S、T1S和2S、T2S值，按单回路系统衰减曲线法整定公式计算主、副调节器的比例度、积分时间TI和微分时间Td的数值。（4）按“先副后主”，“先比例后积分最后微分”的整定程序，设置主、副调节器的参数，再观察过渡过程曲线，必要时进行适当调整，直到过程的动态品质达到满意为止。 (3) 一步整定法由于两步整定法要寻求两个4：1的衰减过程，这是一件很花时间的事。因而对两步整定法做了简化，提出了一步整定法。所谓一步整定法，就是根据经验先确定副调节器的参数，然后将副回路作为主回路的一个环节，按单回路反馈控制系统的整定方法整定主调节器的参数。具体的整定步骤为：在工况稳定，系统为纯比例作用的情况下，根据K02/20.5这一关系式，通过副过程放大系数K02，求取副调节器的比例放大系数2或按经验选取，并将其设