串级过程控制系统设计专业技术实习.docx

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串级过程控制系统设计专业技术实习

专业技术实习报告

水塔温度控制系统设计

专业年级：

测控技术与仪器2009级

姓名：

刘德雄

学号：

0907010315

指导教师：

张禾石明江

报告日期：

一.水塔温度控制系统设计背景

随着科学技术的发展，自动控制在现代工业中起着主要的作用，目前已广泛应用于工农业生产及其他建设方面。

生产过程自动化是保持生产稳定、降低成本、改善劳动成本、促进文明生产、保证生产安全和提高劳动生产率的重要手段，是20世纪科学与技术进步的特征，是工业现代化的标志之一。

可以说，自动化水平是衡量一个国家的生产技术和科学水平先进与否的一项重要标志。

本次专业技术实习主要是针对水塔温度控制系统的设计。

水塔温度控制系统主要是使水塔内部温度保持在一个设定值范围内。

进水水量的增加会使得水塔内部温度降低。

同时，水的比热容大，吸热过程缓慢，系统滞后严重。

而本系统主干扰主要存在于进水水量中，故给控制系统的设计带来了困难，简单控制系统并不能达到控制要求。

二．水塔温度控制系统总体设计

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。

本次设计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，水塔温度控制系统硬件电路原理图如图1.3所示。

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

执行器

图1.3水塔温度控制系统硬件电路原理图

三．水塔温度控制系统硬件设计

3.1温度传感器的选择

主控对象检测元件选择为温度传感器AD590。

AD590是美国ANALOGDEVICES公司的单片集成两端感温电流源，其输出电流与绝对温度成比例。

在4V至30V电源电压范围内，该器件可充当一个高阻抗、恒流调节器，调节系数为1µA/K。

片内薄膜电阻经过激光调整，可用于校准器件，使该器件在298.2K（25°C）时输出298.2µA电流。

AD590适用于150°C以下、目前采用传统电气温度传感器的任何温度检测应用。

低成本的单芯图3.1AD590

片集成电路及无需支持电路的特点，使它成为许多温度测量应用的一种很有吸引力的备选方案。

应用AD590时，无需线性化电路、精密电压放大器、电阻测量电路和冷结补偿。

　　除温度测量外，还可用于分立器件的温度补偿或校正、与绝对温度成比例的偏置、流速测量、液位检测以及风速测定等。

AD590可以裸片形式提供，适合受保护环境下的混合电路和快速温度测量。

　　AD590特别适合远程检测应用。

它提供高阻抗

电流输出，对长线路上的压降不敏感。

任何绝缘良好的双绞线都适用，与接收电路的距离可达到数百英尺。

这种输出特性还便于AD590实现多路复用：

输出电流可以通过一个CMOS多路复用器切换，或者电源电压可以通过一个逻辑门输出切换。

AD590的主要特性：

（1）流过器件的电流（μA）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数：

Ir/T=1

（1）

　　式中，Ir—流过器件（AD590）的电流，单位为μA；T—热力学温度，单位为K；

（2）AD590的测温范围为-55℃~+150℃；

　　（3）AD590的电源电压范围为4～30V，可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件即使反接也不会被损坏；

　　（4）输出电阻为710mΩ；

（5）精度高，AD590在-55℃~+-150℃范围内，非线性误差仅为±0.3℃。

3.2流量传感器的选择

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，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。

测量结果不受流体图3.2电磁流量传感器

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。

测量范围宽，测量精度高。

3.3模拟多路开关的选择

多路开关选用CD4052。

CD4052/CC4052是一个差分4通道数字控制模拟开关，有A、B两个二进制控制输入端和INH输入，具有低导通阻抗和很低的截止漏电流。

幅值为4.5～20V的数字信号可控制峰峰值至20V的模拟信号。

例如，若VDD=+5V，VSS=0，VEE=-13.5V，则0～5V的数字信号可控制-13.5～4.5V的模拟信号，这些开关电路在整个VDD-VSS和VDD-VEE电源范围内具有极低的静态功耗，与控制信号的逻辑状态无关，当INH输入端=“1”时，所有通道截止。

二位二进制输入信号选通4对通道中的一通道，可连接该输入至输出。

3.4运算放大器的选择

运算放大器选用超低温漂移高精度运算放大器OP07。

OP07芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性（双电源供电）运算放大器集成电路。

由于OP07具有非常低的输入失调电压（对于OP07A最大为25μV），所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。

OP07同时具有输入偏置电流低（OP07A为±2nA）和开环增益高（对于OP07A为300V/mV）的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。

特点：

超低偏移：

150μV最大。

低输入偏置电流：

1.8nA。

低失调电压漂移：

0.5μV/℃。

超稳定，时间：

2μV/month

最大高电源电压范围：

±3V至±22V

3.5AD转换器的选择

A/D转换电路采用ADC0809转换器。

ADC0809是美国国家半导体公司生产的CMOS工艺8通道，8位逐次逼近式A/D模数转换器。

其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。

是目前国内应用最广泛的8位通用A/D芯片。

主要特性：

（1）8路输入通道，8位A/D转换器，即分辨率为8位。

（2）具有转换起停控制端。

　　（3）转换时间为100μs（时钟为640kHz时），130μs（时钟为500kHz时）　

　　（4）单个+5V电源供电

　　（5）模拟输入电压范围0～+5V，不需零点和满刻度校准。

　　（6）工作温度范围为-40～+85摄氏度

（7）低功耗，约15mW。

ADC0809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3.3所示。

图3.3A/D转换电路

3.6单片机的选择

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，单片机更是起到了不可替代的核心作用。

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，以控制图3.4AT89C51引脚图

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MCS—51系列单片机的指令和引脚设置兼容。

AT89C51引脚图,如图3.4所示。

3.7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。

图3.5电源电路

3.8执行器的选择

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，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。

3.8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3.6示。

图3.6采样检测电路

四．水塔温度控制系统软件设计

4.1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阶跃信号。

扰动作用时间F1为steptime=50s，

仿真波形如图4.1所示。

图4.1串级控制系统仿真波形

4.2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

=

副被控对象：

上水流量

=

4.3PID控制器参数整定

PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。

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

控制规律，故仅对

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

确定比例系数

时，首先去掉

的积分项，首先令

，使

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

，直至系统出现振荡；再反过来，从此时的比例系数

逐渐减小，直至系统振荡消失，记录此时的比例系数

，设定

的比例系数

为当前值的60%～70%。

比例系数

调试完成。

（2）确定积分时间常数

比例系数

确定后，设定一个较大的积分时间常数

的初值，然后逐渐减小

，直至系统出现振荡，之后在反过来，逐渐加大

，直至系统振荡消失。

记录此时的

，设定

的积分时间常数

为当前值的150%～180%。

积分时间常数

调试完成。

（3）再对

参数进行微调，直至满足要求。

4.4程序设计

主程

序流程图如图4.2所示。

图4.2水塔温度控制系统主程序流程图

本次设计采用增量式PID控制算法，来实现温度控制。

4.5温度控制算法程序设计

增量式PID控制算法公式如下：

在模拟控制系统中，控制器中最常用的控制规律是PID控制规律。

PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值与实际输出值构成控制偏差。

PID控制规律写成传递函数的形式为

式中，

为比例系数；

为积分系数；

为微分系数；

为积分时间常数；

为微分时间常数；简单来说，PID控制各校正环节的作用如下：

（1）比例环节：

成比例地反映控制系统的偏差信号，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。

（2）积分环节：

主要用于消除静差，提高系统的无差度。

积分作用的强弱取决于积分时间常数

，

越大，积分作用越弱，反之则越强。

（3）微分环节：

反映偏差信号的变化趋势（变化速率），并能在偏差信号变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。

实验过程

1、在MATLAB命令窗口中输入“simulink”进入仿真界面。

2、构建PID控制器：

（1）新建Simulink模型窗口（选择“File/New/Model”）,在SimulinkLibraryBrowser中将需要的模块拖动到新建的窗口中，根据PID控制器的传递函数构建出如下模型：

图4.3PID控制器

各模块如下：

MathOperations模块库中的Gain模块，它是增益。

拖到模型窗口中后，双击模块，在弹出的对话框中将‘Gain’分别改为‘Kp’、‘Ki’、‘Kd’，表示这三个增益系数。

Continuous模块库中的Integrator模块，它是积分模块；Derivative模块，它是微分模块。

MathOperations模块库中的Add模块，它是加法模块，默认是两个输入相加，双击该模块，将‘ListofSigns’框中的两个加号（++）后输入一个加号（+），这样就改为了三个加号，用来表示三个信号的叠加。

Ports&Subsystems模块库中的In1模块（输入端口模块）和Out1模块（输出端口模块）。

（2）将上述结构图封装成PID控制器。

①创建子系统。

选中上述结构图后再选择模型窗口菜单“Edit/CreatSubsystem”

②封装。

选中上述子系统模块，再选择模型窗口菜单“Edit/MaskSubsystem”

③根据需要，在封装编辑器对话框中进行一些封装设置，包括设置封装文本、对话框、图标等。

本次试验主要需进行以下几项设置：

Icon（图标）项：

“Drawingcommands”编辑框中输入“disp（‘PID’）”，如下

左图示：

Parameters（参数）项：

创建Kp,Ki,Kd三个参数，如下右图示：

图4.4PID控制器

至此，PID控制器便构建完成，它可以像Simulink自带的那些模块一样，进行拖拉，或用于创建其它系统。

3、搭建一单回路系统结构框图如下图所示：

图4.5PID控制器

所需模块及设置：

Sources模块库中Step模块；Sinks模块库中的Scope模块；CommonlyUsedBlocks模块库中的Mux模块；Continuous模块库中的Zero-Pole模块。

Step模块和Zero-Pole模块设置如下：

图4.6PID控制器

4、构建好一个系统模型后，就可以运行，观察仿真结果。

运行一个仿真的完整过程分成三个步骤：

设置仿真参数、启动仿真和仿真结果分析。

选择菜单“Simulation/ConfiurationParameters”，可设置仿真时间与算法等参数，如下图示：

其中默认算法是ode45（四/五阶龙格-库塔法），适用于大多数连续或离散系统。

5、双击PID模块，在弹出的对话框中可设置PID控制器的参数Kp,Ki,Kd：

6.对PI参数进行整定：

（1）只有P调节：

P=8I=0

图4.7PID控制器

（2）只有I调节：

P=0I=8

图4.8PID控制器

（3）PI调节：

P=8I=5

图4.9PID控制器

（3）PI调节：

P=6I=2

图4.10PID控制器

通过多次仿真比较，可发现当P=6I=2时的参数比较适合，故本设计采用P=6I=2的PI调节。

五.总结

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，在工业生产中为必不可少的器件，尤其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。

六.收获与体会

通过专业技术实习，使我掌握了测控技术与仪器专业的基本技能，掌握自动检测、自动控制技术，并加强了如下能力的培养：

（1）独立工作能力和创造力；

（2）综合运用专业及基础知识，解决实际工程技术问题的能力；

（3）查阅图书资料、产品手册和各种工具书的能力；

（4）工程绘图的能力；

（5）编写技术报告和编制技术资料的能力。

参考文献

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机械工业出版社，2007.5：

[2]孙优贤.工业过程控制技术-应用篇.北京：

化学工业出版社，2006.1：

[3]何衍庆.工业生产过程控制.北京：

化学工业出版社，2004.3：

[4]邵裕森.过程控制工程（第二版）.北京：

机械工业出版社，2004.8：

[5]翁维勤.过程控制系统及工程.北京：

化学工业出版社，2002.7：

[6]张毅刚.单片机原理及应用.北京：

高等教育出版社，2003：

[7]何希才.传感器及其应用电路.北京：

电子工业出版社，2001.3：

附录：

单片机控制程序

#include

sbitin=P3.2//传感器输入

sbitout=P0.0//单片机输出

voidmain（）

{

unsignedx0;//x0为设定值

while

（1）

{

if（in-x0!

=0）//有偏差

out=1;//输出

}

}