課程設計說明書 第 I 頁 化學反應溫度控制系統設計 摘 要 本課題是利用溫度傳感器 AD590 運用化學反應原理設計一個水塔溫度控制系統 溫度是工業生產中常見的工藝參數之一 任何物理變化和化學反應過程都與溫度密切相 關 在科學研究和生產實踐的諸多領域中 溫度控制占據著極為重要的地位 特別是在冶金 化工 建材 食品 機械 石油等工業領域作用舉足輕重 該設計采用單片機作為主控 制器 水塔溫度為主被控對象 上水的流量為副被控對象 電磁閥為執行器 利用 AD590 傳感器檢測水塔溫度 利用流量傳感器檢測上水流量 系統設計的溫度控制系統是一種基于模糊 PID 控制 由溫度信號采集與轉換模塊 溫度傳感器 AD590 顯示模塊組成的控制系統 通過測試 系統具有很好的溫度控制 能力 能夠提供完善的人機交互界面 系統總體設計本系統利用 AT89C51 單片機實現對 溫度的檢測與控制 能夠控制電熱絲持續加熱或電風扇持續降溫 系統溫度控制范圍是 55 150 本系統電路包括溫度信號采集模塊 鍵盤設定模塊 主機控制模塊 溫度控制模塊 顯示模塊等 系統硬件設計本系統電路分為五個模塊 溫度信號采集與 轉換模塊 鍵盤設定模塊 主機控制模塊 溫度控制模塊 顯示模塊 簡化了硬件電 路設計 降低了設計成本 關鍵詞 溫度傳感器 AD590 MC7805T 芯片 ADC0809 轉換器 課程設計說明書 第 II 頁 目 錄 1 水塔溫度控制系統設計方案 3 2 水塔溫度控制系統硬件設計 4 2 1 系統對象特性設計 4 2 2 系統檢測回路設計 4 2 2 1 主控 副控回路檢測環節傳感器選擇 4 2 2 2 采樣檢測電路設計 5 2 2 3 A D 轉換電路 6 2 3 控制器設計 6 2 4 參數整定 7 2 5 執行器選擇 8 3 水塔溫度控制系統軟件設計 8 4 水塔溫度串級控制系統仿真 9 總 結 11 致 謝 12 參考文獻 13 課程設計說明書 第 1 頁 1 水塔溫度控制系統設計方案 本次設計采用串級控制系統對水塔溫度進行控制 過程控制系統由過程檢測 變送和控制儀表 執行裝置等組成 通過各種類型的 儀表完成對過程變量的檢測 變送和控制 并經執行裝置作用于工業生產過程 1 串級控制系統是兩只調節器串聯起來工作 其中一個調節器的輸出作為另一個調 節器的給定值的系統 此系統改善了過程的動態特性 提高了系統控制質量 能迅速 克服進入副回路的二次擾動 提高了系統的工作頻率 對負荷變化的適應性較強 串級控制系統工程應用場合如下 1 應用于容量滯后較大的過程 2 應用于純時延較大的過程 3 應用于擾動變化激烈而且幅度大的過程 4 應用于參數互相關聯的過程 5 應用于非線性過程 正因為串級控制系統具有上述特點 所以本次設計采用串級控制系統對鍋爐汽包 溫度進行控制 2 水塔溫度為主被控對象 上水的流量為副被控對象 電磁閥為執行器 利用 AD590 傳感器檢測水塔溫度 利用流量傳感器檢測上水流量 水塔溫度串級控制系統 框圖如圖 1 所示 圖 1 水塔溫度串級控制系統框圖 課程設計說明書 第 2 頁 2 水塔溫度控制系統硬件設計 2 1 系統對象特性設計 水塔溫度串級控制系統選擇水塔溫度為主被控對象 副被控對象為上水流量 當 水塔溫度變化的時候 通過控制上水流量改變水塔溫度 并最終使其恒定 3 主被控對象 水塔溫度 主 1 1 1 副被控對象 上水流量 副 2 2 1 2 2 系統檢測回路設計 2 2 1 主控 副控回路檢測環節傳感器選擇 主控對象檢測元件選擇為溫度傳感器 AD590 4 AD590 是美國模擬器件公司生產的單片集成兩端感溫電流源 5 它的主要特性如 下 1 流過器件的電流 mA 等于器件所處環境的熱力學溫度 開爾文 度數 即 mA K 式中 流過器件 AD590 的電流 單位為 mA T 熱力學溫度 單位為 K 2 AD590 的測溫范圍為 55 150 3 AD590 的電源電壓范圍為 4V 30V 電源電壓可在 4V 6V 范圍變化 電流 變化 1mA 相當于溫度變化 1K AD590 可以承受 44V 正向電壓和 20V 反向電壓 因 而器件反接也不會被損壞 4 輸出電阻為 710MW 5 精度高 副控回路檢測元件選擇電磁式流量傳感器 課程設計說明書 第 3 頁 導電性的液體在流動時切割磁力線 也會產生感生電動勢 因此可應用電磁感應 定律來測定流速 電磁流量傳感器就是根據這一原理制成的 雖然電磁流量傳感器的 使用條件是要求流體是導電的 但它還是有許多優點 由于電極的距離正好為導管的內徑 因此沒有妨礙流體流動的障礙 壓力損失極 小 能夠得到與容積流量成正比的輸出信號 測量結果不受流體粘度的影響 由于電 動勢是在包含電極的導管的斷面處作為平均流速測得的 因此受流速分布影響較小 測量范圍寬 測量精度高 2 2 2 采樣檢測電路設計 為了達到測量高精度的要求 選用溫度傳感器 AD590 AD590 具有較高精度和重復 性 超低溫漂移高精度運算放大器 0P07 將溫度一電壓信號進行放大 便于 A D 進行轉 換 以提高溫度采集電路的可靠性 6 采樣檢測電路如圖 2 示 圖 3 采樣檢測電路 2 2 3 A D 轉換電路 A D 轉換電路采用 ADC0809 轉換器 將采集來的模擬信號轉換成數字信號輸出轉 換完成的信號 EOC 經反相器接單片機的 P3 2 口 A D 轉換電路如圖 2 所示 課程設計說明書 第 4 頁 圖 3 A D 轉換電路 2 3 控制器設計 選用作為控制器 對水塔溫度進行控制 單片機以其功能強 體積小 可靠性高 造價低和開發周期短等優點 7 稱為自動化和各個測控領域中廣泛應用的器件 在工業 生產中稱為必不可少的器件 尤其是在日常生活中發揮的作用也越來越大 由 10V 交流電供電 經過橋式整流 電容濾波 得到 12V 的直流電壓 12V 的直 流電壓與 MC7805T 芯片 以及電容相接 產生 5V 電壓 給系統供電 圖 4 電源電路 2 4 參數整定 控制器的參數整定是控制系統設計的核心內容 它是根據被控過程的特性確 PID 定控制器的比例系數 積分時間和微分時間的大小 8 因為本設計中主控制器采用 PID 課程設計說明書 第 5 頁 控制規律 故僅對控制器的參數進行整定 PIPI 參數整定的一般步驟 1 確定比例系數P 確定比例系數時 首先去掉的積分項 首先令 使為純比例調節 PPI 0 i T PI 輸入設定為系統允許的最大值的 60 70 由 0 逐漸加大比例系數 直至系統出 P 現振蕩 再反過來 從此時的比例系數逐漸減小 直至系統振蕩消失 9 記錄此時的 P 比例系數 設定的比例系數為當前值的 60 70 比例系數 PPIP 2 確定積分時間常數 i T 比例系數確定后 設定一個較大的積分時間常數的初值 然后逐漸減小 P i T i T 直至系統出現振蕩 之后在反過來 逐漸加大 直至系統振蕩消失 記錄此時的 i T i T 設定的積分時間常數為當前值的 150 180 積分時間常數調試完成 PI i T i T 3 再對參數進行微調 直至滿足要求 PI 2 5 執行器選擇 執行器選擇氣開型電磁閥 通過控制閥的開度來實現流量控制 氣開型是當膜頭 上空氣壓力增加時 閥門向增加開度方向動作 當達到輸入氣壓上限時 閥門處于全 開狀態 反過來 當空氣壓力減小時 閥門向關閉方向動作 在沒有輸入空氣時 閥 門全閉 故有時氣開型閥門又稱故障關閉型 氣關型動作方向正好與氣開型相反 當 空氣壓力增加時 閥門向關閉方向動作 空氣壓力減小或沒有時 閥門向開啟方向或 全開為止 故有時又稱為故障開啟型 氣動調節閥的氣開或氣關 通常是通過執行機 構的正反作用和閥態結構的不同組裝方式實現 10 氣開氣關的選擇是根據工藝生產的 安全角度出發來考慮 當氣源切斷時 調節閥是處于關閉位置安全還是開啟位置安全 3 水塔溫度控制系統軟件設計 課程設計說明書 第 6 頁 子程序入口 計算 ee 計算 1 計算 1 2 1 計算 2 計算 子程序返回 圖 5 主程序流程圖 4 水塔溫度串級控制系統仿真 水塔溫度串級控制系統仿真 積分環節 Initial 0 兩個檢測變送環節參數設定時 間常數 T 0 01s 擾動通道傳函為時間常數 T 2s 輸入信號和擾動信號皆為單位階躍 信號 擾動作用時間 F1 為 step time 50s 仿真波形和系統波形如圖 6 和圖 7 所示 課程設計說明書 第 7 頁 圖 6 串級控制系統仿真波形 圖 7 串級控制系統波形圖 課程設計說明書 第 8 頁 總 結 本次設計的水塔溫度控制系統 采用串級控制系統實現對溫度的控制 此系統改 善了過程的動態特性 提高了系統控制質量 能迅速克服進入副回路的二次擾動 提 高了系統的工作頻率 對負荷變化的適應性較強 本系統采用單片機作為主控制器 單片機以其功能強 體積小 可靠性高 造價 低和開發周期短等優點 稱為自動化和各個測控領域中廣泛應用的器件 在工業生產 中稱為必不可少的器件 尤其是在日常生活中發揮的作用也越來越大 在溫度控制系 統中 單片機更是起到了不可替代的核心作用 本系統選取水塔溫度為主被控對象 上水的流量為副被控對象 電磁閥為執行器 利用 AD590 傳感器檢測水塔溫度 利用流量傳感器檢測上水流量 通過調節電磁閥開 度實現上水流量控制 進而控制水塔溫度 課程設計說明書 第 9 頁 致 謝 經過兩周的學習和實踐 我的課程設計終于順利完成 我必須感謝我的指導老師 付老師和我的同學們 沒有他們的幫助 我這次課程設計就不可能完成 首先是我的 指導老師給我提供了很多資料和設計步驟 并且耐心給我講解 其間有好多關鍵性的 問題 都是因為老師的幫助才能很快的解決 在此我表示深深的謝意 其次 是我同 組成員們 是他們和我共同的努力才有今天設計的完成 對此 我也要表示感謝 最 后 在設計時 實驗室的同學們也給了我很多幫助 在很多時候給我指點迷津 幫我 解決了不少的問題 對此也表示感謝 今后 不管是在學習還是工作中 我都會積極 幫助他人 并回報每一個幫助過我的人 做一個對社會有用的人 課程設計說明書 第 10 頁 參考文獻 1 孫優賢 工業過程控制技術 應用篇 M 北京 化學工業出版社 2006 1 79 135 2 翁維勤 過程控制系統及工程 M 北京 化學工業出版社 2010 7 42 62 3 何衍慶 工業生產過程控制 M 北京 化學工業出版社 2009 3 77 88 4 邵裕森 過程控制工程 第二版 M 北京 機械工業出版社 2011 8 45 90 5 薛定宇 反饋控制系統設計與分析 M 北京 清華大學出版社 2000 6 6 何希才 傳感器及其應用電路 M 北京 電子工業出版