温液控制系统的设计.docx

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1、1.引言2.设计任务和方案分析目录错误!未定义书签。错误!未定义书签。2.1任务分析错误!未定义书签。2.2控制系统分析错误!未定义书签。什么是选择控制系统错误!未定义书签。错误!未定义书签。3.系统设计与实行错误!未定义书签。4.3.1系统的数学模型3.2系统B硬件设计温度检测器3.2.2液位变送器3.2.3A/D转换3.2.4D/A转换.系统的仿真错误!未定义书签。错误!未定义书签。错误!未定义书签。错误!未定义书签。错误!未定义书签。错误!未定义书签。错误!未定义书签。选择控制系统的设计4.1参数整定错误!未定义书签。4.2控制器的正反作用.错误!未定义书签。4.3仿真错误!未定义书签。

2、5.心得体会错误!未定义书签。参照文献错误!未定义书签。温度与液位选择控制系统的设计1 .引言为了适应在不一样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，当工况变化时，自动选择一种合适B控制系统投入运行，这种控制方案叫做选择控制措施。在现实工业中，这种控制方案应用B比较多，例如在对液氨蒸发器的控制中，一般需要被冷却物料出口温度稳定.此时液氨液位在一定容许范围内。而在非正常工况下，液位高度是不超过给定0上限B,因此需要使用选择控制措施，通过对液位的检测，来判断液位高度与否工作在正常状况，在正常状况下，使用被冷物料出口温度回路控制系统，非正常状况下，使用液位单回路

3、控制系统，两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，规定通过单片机对热水流量B控制来实现对混合水槽B温度和液位0控制，可以通过对热水流量控制来使混合槽中的水温稳定，同步使液位高度在一定容许范围，并可实时显示目前温度值和越限报警。伴随计算机技术0发展，推进了自动化生产。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。本文不仅要实现一单片机为关键的电炉温度采集，实现对其温度的设定、调整、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，规定设计的过程控制系统不仅可以在正常工

4、况下克服外来0扰动，实现平稳操作，并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日勺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构成，正常状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尚未进入危险区域时，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状况下均能工作B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种调整

5、器的输出端，对控制信号进行选择，也可以接在几种变送器日勺输出端，对测量信号进行选择，以适应生产条件的功能需要。选择控制系统日勺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，设计可分为如下环节。图1：温度液位选择性控制系统构造框图2. 2.2.1正常调整器回路的设计选择性控制系统正常状况下是正常调整器回路工作而取代调整器回路不工作；事故时取代调整器回路工作，正常调整器回路不工作，因此2个回路系统可单独按单回路控制系统设计。正常调整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，据工艺规定确定执行器气开、气关型式，被控过程（被控对象）特性来确定正常调整器B正、反作用。正常调整

6、器日勺规律一般采用P1调整器或PID调整器，而调整器的参数整定可按一般工程整定措施整定，如临界比例度法、4：1衰减曲线等。3. 2.2.2取代调整器回路的设计取代调整器回路测量值Y：是生产过程中0某一种工业参数，它与正常调整器回路中B被控参数Y,并非一种参数，当其到达某一种极限值（或大或小）时，生产就会出现事故状态，这时整个系统应当由取代调整器回路工作，这时规定取代回路0等效增益大某些，以便有较强B控制作用，产生及时B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整器回路工作。因此取代调整器也是一种单回路控制系统，可按单回路控制系统设计，一般取代调整器回路为了满足迅速性都只

7、用比例规律，且该回路的比例增益K,要大某些，这是和正常调整器的重要区别。选择器高下值型式的选择选择器在选择性控制系统中是重要的部件，它的功能相称于一种二选一的开关，它接受正常调整器的输出信号a和取代调整器的输出信号b,其输出信号C去驱动执行器。高值选择器是接受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。看上去问题较简朴，但针对一种实际系统怎样确定选择器高下值型式呢?我们首先记录工业生产过程也许出现的状况，做出选择器高下值选择B表格，如表1所示。表1选择器型号选择记录表取代调整器回路正常调整器回路气开阀气关阀心正作用%反作用K正作用心反作用气开阀kc2正作用高

8、值高值XXkc2反作用低值低值XX气关阀kc2正作用XX低值低值kc2反作用XX高值高值该表格是根据正常调整器回路的静态特性和取代调整器回路的静态特性联合V考虑的。表中打的是指不也许出现的组合。为清晰起见，我们用静态特性交叉图阐明，如正常调整器回路B调整阀为气开式，调整器心为反作用；取代调整器回路B调整阀（与正常调整器同样）为气开式，取代调整器七为反作用，画出其静态交叉图（见图2）。a-a：表达正常调整器的静态特性，b-b：表达取代调整器口勺静态特性。两静态交叉点为G点。箭头表达调整器变化方向。从静态特性图中可以看出选择器应选低值选择器。注意这种状况取代调整器回路的静态增益要不小于正常调整器回

9、路的静态增益。4. 系统设计与实行4.1 系统日勺数学模型非自主加热水槽温度及液位调整控制系统如图3所示。它由热水源、冷水源、调整执行机构、温度、液位传感器构成。热水源具有非恒温性。为了便于分析作如设:1 .混合水槽与周围环境热互换可忽视。2 .混合水槽热水瞬间充足混合。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：.dhA-+%=0+%C1t式中，A为混合槽日勺底面积，名为热水源流量，%为冷水源流量，力是混合槽的液面高度，外为混合槽初出水流量，而：Qq=k(2)0R公式中R为混合水槽的阻力系数，Zz为折算系数因此公式(D变为：A+A:-=y1+q(3)dtr而根

10、据前面的假设可知热平衡关系为：A5-=1(7J-T)+2(7-n(4)at式中O=qo+A，r=7i+A7G2=+,29其中：,7；为稳定期混合水槽液位高度与温度；q7%。为冷水稳态时的流量，功，以为对应变化量；T1T2分别为热源水，冷水源B水温。对公式(3)进行拉氏变换，可得:H(S)=2+4(5)As+R当上述系统稳定期，混合水槽液面保持不变对公式(4)进行拉氏变换，可得：T(Ti-T0)QSs)-i-(T2-T0)Q2(S)iITU4%s+国R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体现式之间的关系，分别见上次公式(5),(6)所示，3.2系统的硬件设计温度检测器

11、在本文中，温度变送器选择B是热电阻，热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。它的重要特点是测量精度高，性能稳定。其中伯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，并且被制成原则的基准仪。与热电偶B测温原理不一样B是，热电阻是基于电阻日勺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。目前重要有金属热电阻和半导体热敏电阻两类。金属热电阻0电阻值和温度一般可以用如下的近似关系式表达，即M=R%1+(zTo)(7)式中，Rr为温度t时的阻值；放。为温度r。时的J阻值在此处使用0是金属热电阻变送器，使用三线制接法，即在热电

12、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，这种方式一般与电桥配套使用，可以很好0消除引线电阻0影响，是工业过程控制中0最常用时。采用三线制是为了消除连接导线电阻引起B测量误差。这是由于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种桥臂电阻，其连接导线（从热电阻到中控室）也成为桥臂电阻0一部分,这一部分电阻是未知0且随环境温度变化,导致测量误差。采用三线制，将导线一根接到电桥的电源端，其他两根分别接到热电阻所在的桥臂及与其相邻的桥臂上，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B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

13、-20080（C,而热电偶是测量中高温的温度传感器，一般测量温度在4001800C,在选择时假如测量温度在200左右就应当选择热电阻测量，假如测量温度在600C就应当选择K型热电偶，假如测量温度在12001600C就应当选择S型或者B型热电偶热电阻与热电偶相比有如下特点：（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0焊点，因而热电阻测温B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B特点，结合本设计B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

14、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受，转换成电信号。并由声波0发射和接受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，可广泛用于多种液体和固体物料高度时测量。超声波液位计的测量精度重要受声速随温度变化B影响。A/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鉴别和运算。ADC0809是一种带有8通道模拟开关的8位逐次迫近式A/D转换

15、器，转换时间为IOoUS左右，线性误差为1SB。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转换器以及三态输出锁存缓冲器构成。当START上收到一种启动转换命令（正脉冲）后，8位A/D转换器开始工作，对输入端日勺信号VI进行转换，IOoUS左右（64个时钟周期）后转换结束（对应的时钟频率为640kHz）,转换成果D（D=O28-1）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，告知CPU读成果。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作为中断祈求信号引入中断逻辑）理解A/D转换过程与否结束。ADC0809被选通道和地址关系如下表2所示。设计中用通道O和1采集模拟量。表2：被选通道和地址的关系CBA