温度与液位选择控制系统的设计.docx
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温度与液位选择控制系统的设计
温度与液位选择控制系统的设计
1.引言
为了适应在不同工况下能实现自动控制，在控制回路中需要引入选择器，设计两个或两个以上控制系统，当工况改变时，自动选择一个适当的控制系统投入运行，这种控制方案叫做选择控制方法。
在现实工业中，这种控制方案应用的比较多，例如在对液氨蒸发器的控制中，通常需要被冷却物料出口温度稳定.此时液氨液位在一定允许范围内。
而在非正常工况下，液位高度是不超过给定的上限的，所以需要使用选择控制方法，通过对液位的检测，来判断液位高度是否工作在正常情况，在正常情况下，使用被冷物料出口温度回路控制系统，非正常情况下，使用液位单回路控制系统，二者的切换通过选择器自动根据工况实现。
2.设计任务和方案分析
2.1任务分析
本文要设计温度液位选择控制系统，要求通过单片机对热水流量的控制来实现对混合水槽的温度和液位的控制，可以通过对热水流量控制来使混合槽中的水温稳定，同时使液位高度在一定允许范围，并可实时显示当前温度值和越限报警。
随着计算机技术的发展，推动了自动化生产。
把计算机控制应用在温度液位控制上，使控制精度提高，得到了良好的控制品质。
本文不但要实现一单片机为核心的电炉温度采集，实现对其温度的设定、调节、显示和越限报警。
2.2控制系统分析
2.2.1什么是选择控制系统
在现代工业生产过程中，要求设计的过程控制系统不但能够在正常工况下克服外来的扰动，实现平稳操作，而且也必须考虑事故状态下也能安全生产。
选择性控制是把生产过程中对某些工业参数的限制条件所构成的逻辑关系迭加到正常的自动控制系统上去的组合控制方案。
系统由正常控制部分和取代控制部分组成，正常情况下正常控制部分工作，取代控制部分不工作；当生产过程某个参数趋于危险极限时但还未进入危险区域时，取代控制部分工作，而正常控制部分不工作，直到生产重新恢复正常，然后正常控制部分又重新工作。
这种能自动切换使控制系统在正常和异常情况下均能工作的控制系统叫选择性控制系统。
在本文中是通过检测液位的高度来对液位和温度进行选择性控制，它通过选择器实现其功能。
选择器可以接在两个或多个调节器的输出端，对控制信号进行选择，也可以接在几个变送器的输出端，对测量信号进行选择，以适应生产条件的功能需要。
2.2.2选择控制系统的设计
这里针对如下图一所示温度液位的选择性控制系统方案，设计可分为以下步骤。
图1：
温度液位选择性控制系统结构框图
2.2.2.1正常调节器回路的设计
选择性控制系统正常情况下是正常调节器回路工作而取代调节器回路不工作；事故时取代调节器回路工作，正常调节器回路不工作，所以2个回路系统可单独按单回路控制系统设计。
正常调节器回路可按一般单回路系统设计；先确定被控量（即图1），控制量，据工艺要求确定执行器气开、气关型式，被控过程（被控对象）特性来确定正常调节器的正、反作用。
正常调节器的规律一般采用PI调节器或PID调节器，而调节器的参数整定可按一般工程整定方法整定，如临界比例度法、4：
1衰减曲线等。
2.2.2.2取代调节器回路的设计
取代调节器回路测量值Y：
是生产过程中的某一个工业参数，它与正常调节器回路中的被控参数Y，并非一个参数，当其达到某一个极限值（或大或小）时，生产就会出现事故状态，这时整个系统应该由取代调节器回路工作，这时要求取代回路的等效增益大一些，以便有较强的控制作用，产生和时的保护作用，使系统迅速脱离危险状态而回到正常状态，然后又切回到正常调节器回路工作。
所以取代调节器也是一个单回路控制系统，可按单回路控制系统设计，一般取代调节器回路为了满足快速性都只用比例规律，且该回路的比例增益K，要大一些，这是和正常调节器的主要区别。
2.2.2.4选择器高低值型式的选择
选择器在选择性控制系统中是重要的部件，它的功能相当于一个二选一的开关，它接受正常调节器的输出信号a和取代调节器的输出信号b，其输出信号c去驱动执行器。
高值选择器是接收a信号和b信号数值高者作为选择器输出；低值选择器是选a信号和b信号低值作为输出。
看上去问题较简单，但针对一个实际系统如何确定选择器高低值型式呢?
我们首先统计工业生产过程可能出现的情况，做出选择器高低值选择的表格，如表1所示。
表1选择器型号选择统计表
取代调节器回路
正常调节器回路
气开阀
气关阀
正作用
反作用
正作用
反作用
气
开
阀
正作用
高值
高值
反作用
低值
低值
气
关
阀
正作用
低值
低值
反作用
高值
高值
该表格是根据正常调节器回路的静态特性和取代调节器回路的静态特性联合考虑的。
表中打的是指不可能出现的组合。
为清楚起见，我们用静态特性交叉图说明，如正常调节器回路的调节阀为气开式，调节器
为反作用；取代调节器回路的调节阀（与正常调节器一样）为气开式，取代调节器
为反作用，画出其静态交叉图（见图2）。
图2：
静态特性交叉图
a-a：
表示正常调节器的静态特性，b-b：
表示取代调节器的静态特性。
两静态交叉点为G点。
箭头表示调节器变化方向。
从静态特性图中可以看出选择器应选低值选择器。
注意这种情况取代调节器回路的静态增益要大于正常调节器回路的静态增益。
3.系统设计与实施
3.1系统的数学模型
非自主加热水槽温度和液位调节控制系统如图3所示。
它由热水源、冷水源、调节执行机构、温度、液位传感器组成。
热水源具有非恒温性。
图3：
系统结构示意图
为了便于分析作如设：
1．混合水槽与周围环境热交换可忽略。
2．混合水槽热水瞬间充分混合。
3．系统稳定后混合水槽出水流量与输入流量相等。
根据系统输入、输出关系则有：
（1）
式中，A为混合槽的底面积，
为热水源流量，
为冷水源流量，
是混合槽的液面高度，
为混合槽初出水流量，而：
（2）
公式中
为混合水槽的阻力系数，
为折算系数
所以公式
（1）变为：
（3）
而根据前面的假设可知热平衡关系为：
（4）
式中
，
其中：
，
为稳定时混合水槽液位高度与温度；
，
为冷水稳态时的流量，
，
为相应变化量；
，
分别为热源水，冷水源的水温。
对公式（3）进行拉氏变换，可得：
（5）
当上述系统稳定时，混合水槽液面保持不变
对公式（4）进行拉氏变换，可得：
（6）
通过上述机理法对系统进行建模，可以得到液位，温度与流量的拉氏变换表达式之间的关系，分别见上次公式（5），（6）所示，
3.2系统的硬件设计
3.2.1温度检测器
在本文中，温度变送器选择的是热电阻，热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。
它的主要特点是测量精度高，性能稳定。
其中铂热是阻的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。
与热电偶的测温原理不同的是，热电阻是基于电阻的热效应进行温度测量的，即电阻体的阻值随温度的变化而变化的特性。
因此，只要测量出感温热电阻的阻值变化，就可以测量出温度。
目前主要有金属热电阻和半导体热敏电阻两类。
金属热电阻的电阻值和温度一般可以用以下的近似关系式表示，即
（7）
式中，
为温度t时的阻值；
为温度
时的阻值
在此处使用的是金属热电阻变送器，使用三线制接法，即在热电阻的根部的一端连接一根引线，另一端连接两根引线的方式称为三线制，这种方式通常与电桥配套使用，可以较好的消除引线电阻的影响，是工业过程控制中的最常用的。
采用三线制是为了消除连接导线电阻引起的测量误差。
这是因为测量热电阻的电路一般是不平衡电桥。
热电阻作为电桥的一个桥臂电阻，其连接导线（从热电阻到中控室）也成为桥臂电阻的一部分，这一部分电阻是未知的且随环境温度变化，造成测量误差。
采用三线制，将导线一根接到电桥的电源端，其余两根分别接到热电阻所在的桥臂和与其相邻的桥臂上，这样消除了导线线路电阻带来的测量误差。
热电阻与热电偶的选择最大的区别就是温度范围的选择，热电阻是测量低温的温度传感器，一般测量温度在-200~800℃，而热电偶是测量中高温的温度传感器，一般测量温度在400~1800℃，在选择时如果测量温度在200℃左右就应该选择热电阻测量，如果测量温度在600℃就应该选择K型热电偶，如果测量温度在1200~1600℃就应该选择S型或者B型热电偶
热电阻与热电偶相比有以下特点：
（1）同样温度下输出信号较大，易于测量。
（2）测电阻必须借助外加电源。
（3）热电阻感温部分尺寸较大，而热电偶工作端是很小的焊点，因而热电阻测温的反应速度比热电偶满；
（4）同类材料制成的热电阻不如热电偶测温上限高。
在综合分析热电阻和热电偶的特点，结合本设计的特点，在选择温度检测器时选择的是热电阻温度检测器。
3.2.2液位变送器
液位变送器在本设计中使用的是超声波液位计，超声波液位计是由微处理器控制的数字物位仪表。
在测量中脉冲超声波由传感器（换能器）发出，声波经物体表面反射后被同一传感器接收，转换成电信号。
并由声波的发射和接收之间的时间来计算传感器到被测物体的距离。
由于采用非接触的测量，被测介质几乎不受限制，可广泛用于各种液体和固体物料高度的测量。
超声波液位计的测量精度主要受声速随温度变化的影响。
3.2.3A/D转换
此部分由ADC0809模数转换芯片和8051连接而成，本电路的作用是将采集的温度和液位信号输入的模拟量信号转换成数字量，然后送入计算机内进行判别和运算。
ADC0809是一种带有8通道模拟开关的8位逐次逼近式A/D转换器，转换时间为100us左右，线性误差为LSB。
它由8通道模拟开关、通道选择逻辑（地址锁存与译码）、8位A/D转换器以和三态输出锁存缓冲器组成。
当START上收到一个启动转换命令（正脉冲）后，8位A/D转换器开始工作，对输入端的信号VI进行转换，100us左右（64个时钟周期）后转换结束（相应的时钟频率为640kHz），转换结果D（D=0～28-1）存入三态锁存缓冲器。
转换结束时，EOC信号由低电平变为高电平，通知CPU读结果。
启动后，CPU可用查询方式（将转换结束信号接至一条I/O线上时）或中断方式（EOC作为中断请求信号引入中断逻辑）了解A/D转换过程是否结束。
ADC0809被选通道和地址关系如下表2所示。
设计中用通道0和1采集模拟量。
表2：
被选通道和地址的关系
D0～D7是转换后的二进制输出端，受输出允许信号OE的控制，OE信号由程序或外部设备提供。
OE为“0”时，D0-D7呈高阻态；OE为“1”时，D6～D7输出转换后的数据。
A，B，C是三个采样地址输入端，它们的8种组合用来选择8个模拟量输入通路IN0～IN7中的一个通路并进行转换。
ALE是地址锁存选通信号。
该信号上升沿把地址状态选通入地址锁存器。
该信号也可以用来作为开始转换的启动信号，但此时要求信号有一定的宽度，典型值为100μs最大值为200μs，SC为启动转换脉冲输入端，其上跳变复位转换器，下降沿启动转换，该信号宽度应大于100μs，它也可由程序或外部设备产生。
若希望自动连续转换（即上次转换结束又重新启动转换），则可将SC与EOC短接。
EOC转换结束信号从SC信号上升沿开始经1-8个时钟周期后由高电平变为低电平，这一过程表示正在进行转换。
每位转换要8个时钟周期，8位共需64个时钟周期，若时钟颊率为500KHz，则一次转换要128μs。
该信号也可作为中断请求信号。
CLK是时钟信号输入端，最高可达1280KHz。
REF（+）和REF（-）为基准电压输入端，它们决定了输入模拟电压的最大值和最小值。
通常，REF（+）和电源Vcc一起接到基准电压5.12V（或5V）上，REF（-）接在地端GND上。
此时最低住所表示的输入电压值为5.12/28=20mV
REF（+）和REF（-）也比一定要分别接在Vcc和GND上，但要满足以下条件
（8）
（9）
当ADC0809由程序控制进行A/D转换时，输入通路选定后由输出指令启动A/D转换（SC为正脉冲）。
转换结束产生EOC高电平信号作为中断请求。
当微处理器执行输入指令后，OE变为高电平，选通三态输出锁存器，输入转换后的代码。
3.2.4D/A转换
本设计的D/A转换器为DAC0832，模拟量输出通道不论采用哪一种结构形式，都要解决D/A转换器与微处理器的接口问题。
D/A转换器要数字量并行输入，且其输入应在一定时间范围内保持稳定，实现模拟量输出。
8位或少于8位的D/A转换器，只需通过相应位数锁存器与8位微处理器总线连接。
D/A转换器主要有两种类型：
一类内部有数据寄存器，带片选和写信号引脚，可作一个I/O扩展口直接与微处理器接口；另一类无内部锁存器，须外加锁存器与微处理器相接。
DAC0832是一个具有两级数据缓冲器的8位D/A芯片（20个引脚）。
这种芯片适用于系统中多个模拟器同时输出的系统，它可以与各种微处理器直接接口。
其内部还有R-2R梯形电阻解码网络，实现D/A转换。
AC0832的主要特性为：
输入电平与TTL相兼容，基准电压VREF的工作范围为+10～
-10V，电流稳定时间为1μs，功耗为20mW，电源电压Vcc范围为+5～-15V。
使用DA0832时，应注意
选通脉冲的宽度一般不小于500μs，寄存器保持数据的时间不应小于90μs，否则锁存数据会出错。
由于DAC0832具有两级数据锁存器，所以，它具有双缓冲、单缓冲和直通数据输入3种工作方式。
这里采用双缓冲方式。
双缓冲工作方式时，8位输入寄存器和8位DAC寄存器可分别由LE1和LE2控制，先由WR1和CS控制输入数据锁存到8位输入寄存器。
这种方式可用于需要同时输出多个模拟信号的多个DAC0832的系统，当多个数据已分别存入各自的输入寄存器后，再同时使用所有DAC0832的WR和XFER（传递控制）有效，数据锁存入8位DAC寄存器并同时输出多个模拟信号。
这时，需要有两个地址译码，分别选通CS和XFER。
单缓冲工作方式时，只用输入寄存器锁存数据，另一级8位DAC寄存器接成直通方式，即把WR2和XFER接地，或者两级寄存器同时锁存，如把WR2与WR1接在一起，而把XFER接地。
直通方式时，应把所有控制信号接成有效形式：
CS，WR1，WR2和XFER接地，ILE接+5V。
DAC0832有两个输出端LOUT1和LOUT2，为电流输出形式，输入数据为FFH，IOUT1电流最大。
电流之和为一个常数，为使输出电流线性转移成电压，在输出端接运算放大器。
4.系统的仿真
4.1参数整定
目前工业上常用的控制器主要有三种控制规律；比例控制规律、比例积分控制规律和比例积分微分控制规律，分别简写为P、PI和PID。
选择哪种控制规律主要是根据广义对象的特性和工艺的要求来决定的。
下面分别说明各种控制规律的特点和应用场合。
比例控制器是具有比例控制规律的控制器，它的输出p与输入偏差e（实际上是指它们的变化量）之间的关系为：
（10）
比例控制器的可调整参数是比例放大系数
或比例度
，对于单元组合仪表来说。
它们的关系为：
（11）
比例控制器的特点是：
控制器的输出与偏差成比例，即控制阀门位置与偏差之间具有一一对应关系。
当负荷变化时，比例控制器克服干扰能力强、控制和时、过渡时间短。
在常用控制规律中，比例作用是最基本的控制规律，不加比例作用的控制规律是很少采用的。
但是，纯比例控制系统在过渡过程终了时存在余差。
负荷变化越大，余差就越大。
比例控制器适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、工艺上没有提出无差要求的系统，例如中间贮槽的液位、精馏塔塔釜液位以和不太重要的蒸汽压力控制系统等。
比例积分控制器是具有比例积分控制规律的控制器。
它的输出p与输人偏差e的关系为：
（12）
比例积分控制器的可调整参数是比例放大系数
（或比例度
）和积分时间
。
比例积分控制器的持点是：
由于在比例作用的基础上加上积分作用，而积分作用的输出是与偏差的积分成比例、只要偏差存在、控制器的输出就会不断变化，直至消除偏差为止。
所以采用比例积分控制器，在过渡过程结束时是无余差的、这是它的显著优点。
但是，加上积分作用，会使稳定性降低，虽然在加积分作用的同时，可以通过加大比例度，使稳定性基本保持不变，但超调量和振荡周期都相应增大，过渡过程的时间也加长。
比例积分控制器是使用最普遍的控制器。
它适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、工艺参数不允许有余差的系统。
例如流量、压力和要求严格的液位控制系统，常采用比例积分控制器。
比例积分微分控制器是具有比例积分微分控制规律的控制器，常称为三作用（PID）控制器。
理想的PID控制器，其输出p与输入偏差e之间具有下列关系：
（13）
比例积分微分控制器的特点是：
微分作用使控制器的输出与输入偏差的变化速度成比例，它对克服对象的滞后有显著的效果。
在比例的基础上加上微分作用能提高稳定性，再加上积分作用可以消除余差。
所以，适当调整
、
、
三个参数、可以使控制系统获得较高的控制质量。
比例积分微分控制器适用于容量滞后较大、负荷变化大、控制质量要求较高的系统，应用最普遍的是温度控制系统与成分控制系统。
对于滞后很小或噪声严重的系统，应避免引入微分作用，否则会由于被控变量的快速变化引起控制作用的大幅度变化，严重时会导致控制系统不稳定。
对于温度液位选择控制系统参数的整定，先按经验法，按照“先正后取”的原则，把正常、取代调节器的比例度
调到某一适当值，然后由大到小进行调节，使系统的过渡过程呈缓慢的非周期衰减变化，最后根据过程的具体情况，可给主调节器加上积分环节，调积分时间较大。
取代调节器的参数整定，可以通过停留时间法，停留时间
是指介质在被控过程的被控参数允许变化范围内流过的时间。
过程时间常数
等于停留时间的两倍，即
（14）
4.2控制器的正反作用
生产过程中希望借助自动控制保持恒定值（或按一定规律变化）的变量称为被控变量。
在构成一个自动控制系统时，被控变量的选择十分重要、它关系到系统能否达到稳定操作、增加产量、提高质量、改善劳动条件、保证安全等目的，关系到控制方案的成败。
在本设计中，由于控制对象，当阀门打开时，液位，温度都上升，所以均为正对象，而阀门时气开阀，根据整个系统构成负反馈的性质，控制器应均选择反租用控制器。
4.3仿真
设水槽非自主温度加热和液位调节控制系统温度、液位双目标系统参数如下：
混合水槽的水温
=70
，
底面积
=10
；阻力系数
;
热水源的水温；
；冷水源的水温；
；
时间滞后
，时滞常数
。
通过上述条件可知道被控对象的温度和液位的拉氏变换和热水源，冷水源的流量之间的关系为：
（15）
（16）
系统的控制框图为：
图4：
系统方框图
经过整定参数可以得到
6
0.55
0.9
0.3
2.41
0.36
系统仿真可得：
图5：
液位曲线图
图6：
温度曲线图
5.心得体会
这次过程控制系统课程设计可以学到很多很多的的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。
以前在上课的时候，老师会给我讲解一些原理性的知识，但是开始做课设时发现我们做的都是与生活很相关的实例。
在做设计的过程中，我们每一步要做什么，每一步要完成什么任务都有一个很清楚的思路。
通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。
在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。
在课程设计这段期间我失落过，也曾一度热情高涨。
从开始时饱满激情到最后汗水背后的复杂心情，点点滴滴无不令我回味。
此次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。
在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，过程是比较辛苦的。
但是收获也不少，在课程设计的过程中发现了自己的很多不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。
此次课程设计对以后的学习和生活也有一定的帮助。
这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多硬件问题，最后在同学的热情指导下，终于游逆而解。
同时，在老师的身上我学得到很多实用的知识，在次我表示感谢！
同时，对给过我帮助的所有同学和各位指导老师再次表示忠心的感谢！
参考文献
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