單片機(jī)課程設(shè)計(jì)（論文）溫度與液位選擇控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、目錄1.引言12.設(shè)計(jì)任務(wù)和方案分析12.1任務(wù)分析12.2 控制系統(tǒng)分析22.2.1什么是選擇控制系統(tǒng)22.2.2選擇控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)23.系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)施53.1 系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型53.2系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)73.2.1溫度檢測(cè)器73.2.2 液位變送器83.2.3 a/d 轉(zhuǎn)換83.2.4 d/a轉(zhuǎn)換104.系統(tǒng)的仿真114.1參數(shù)整定114.2 控制器的正反作用134.3 仿真135.心得體會(huì)15參考文獻(xiàn)17溫度與液位選擇控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1. 引言為了適應(yīng)在不同工況下能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，在控制回路中需要引入選擇器，設(shè)計(jì)兩個(gè)或兩個(gè)以上控制系統(tǒng)，當(dāng)工況改變時(shí)，自動(dòng)選擇一個(gè)適當(dāng)?shù)目刂葡到y(tǒng)投入運(yùn)行，這種控制方案

2、叫做選擇控制方法。在現(xiàn)實(shí)工業(yè)中，這種控制方案應(yīng)用的比較多，例如在對(duì)液氨蒸發(fā)器的控制中，通常需要被冷卻物料出口溫度穩(wěn)定.此時(shí)液氨液位在一定允許范圍內(nèi)。而在非正常工況下，液位高度是不超過(guò)給定的上限的，所以需要使用選擇控制方法，通過(guò)對(duì)液位的檢測(cè)，來(lái)判斷液位高度是否工作在正常情況，在正常情況下，使用被冷物料出口溫度回路控制系統(tǒng)，非正常情況下，使用液位單回路控制系統(tǒng)，二者的切換通過(guò)選擇器自動(dòng)根據(jù)工況實(shí)現(xiàn)。2. 設(shè)計(jì)任務(wù)和方案分析2.1任務(wù)分析本文要設(shè)計(jì)溫度液位選擇控制系統(tǒng)，要求通過(guò)單片機(jī)對(duì)熱水流量的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)混合水槽的溫度和液位的控制，可以通過(guò)對(duì)熱水流量控制來(lái)使混合槽中的水溫穩(wěn)定，同時(shí)使液位高度在一定

3、允許范圍，并可實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前溫度值和越限報(bào)警。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，推動(dòng)了自動(dòng)化生產(chǎn)。把計(jì)算機(jī)控制應(yīng)用在溫度液位控制上，使控制精度提高，得到了良好的控制品質(zhì)。本文不但要實(shí)現(xiàn)一單片機(jī)為核心的電爐溫度采集，實(shí)現(xiàn)對(duì)其溫度的設(shè)定、調(diào)節(jié)、顯示和越限報(bào)警。2.2 控制系統(tǒng)分析2.2.1 什么是選擇控制系統(tǒng)在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，要求設(shè)計(jì)的過(guò)程控制系統(tǒng)不但能夠在正常工況下克服外來(lái)的擾動(dòng)，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)操作，而且也必須考慮事故狀態(tài)下也能安全生產(chǎn)。選擇性控制是把生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)某些工業(yè)參數(shù)的限制條件所構(gòu)成的邏輯關(guān)系迭加到正常的自動(dòng)控制系統(tǒng)上去的組合控制方案。系統(tǒng)由正常控制部分和取代控制部分組成，正常情況下正常控制部分工作，取

4、代控制部分不工作；當(dāng)生產(chǎn)過(guò)程某個(gè)參數(shù)趨于危險(xiǎn)極限時(shí)但還未進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域時(shí)，取代控制部分工作，而正?？刂撇糠植还ぷ鳎钡缴a(chǎn)重新恢復(fù)正常，然后正常控制部分又重新工作。這種能自動(dòng)切換使控制系統(tǒng)在正常和異常情況下均能工作的控制系統(tǒng)叫選擇性控制系統(tǒng)。 在本文中是通過(guò)檢測(cè)液位的高度來(lái)對(duì)液位和溫度進(jìn)行選擇性控制，它通過(guò)選擇器實(shí)現(xiàn)其功能。選擇器可以接在兩個(gè)或多個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出端，對(duì)控制信號(hào)進(jìn)行選擇，也可以接在幾個(gè)變送器的輸出端，對(duì)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行選擇，以適應(yīng)生產(chǎn)條件的功能需要。2.2.2選擇控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)這里針對(duì)如下圖一所示溫度液位的選擇性控制系統(tǒng)方案，設(shè)計(jì)可分為以下步驟。圖1：溫度液位選擇性控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖2.2

5、.2.1 正常調(diào)節(jié)器回路的設(shè)計(jì)選擇性控制系統(tǒng)正常情況下是正常調(diào)節(jié)器回路工作而取代調(diào)節(jié)器回路不工作；事故時(shí)取代調(diào)節(jié)器回路工作，正常調(diào)節(jié)器回路不工作，所以2個(gè)回路系統(tǒng)可單獨(dú)按單回路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。正常調(diào)節(jié)器回路可按一般單回路系統(tǒng)設(shè)計(jì)；先確定被控量(即圖1)，控制量，據(jù)工藝要求確定執(zhí)行器氣開(kāi)、氣關(guān)型式，被控過(guò)程(被控對(duì)象)特性來(lái)確定正常調(diào)節(jié)器的正、反作用。正常調(diào)節(jié)器的規(guī)律一般采用pi調(diào)節(jié)器或pid調(diào)節(jié)器，而調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定可按一般工程整定方法整定，如臨界比例度法、4：1衰減曲線(xiàn)等。2.2.2.2 取代調(diào)節(jié)器回路的設(shè)計(jì)取代調(diào)節(jié)器回路測(cè)量值y：是生產(chǎn)過(guò)程中的某一個(gè)工業(yè)參數(shù)，它與正常調(diào)節(jié)器回路中的被控參數(shù)y

6、，并非一個(gè)參數(shù)，當(dāng)其達(dá)到某一個(gè)極限值(或大或小)時(shí)，生產(chǎn)就會(huì)出現(xiàn)事故狀態(tài)，這時(shí)整個(gè)系統(tǒng)應(yīng)該由取代調(diào)節(jié)器回路工作，這時(shí)要求取代回路的等效增益大一些，以便有較強(qiáng)的控制作用，產(chǎn)生及時(shí)的保護(hù)作用，使系統(tǒng)迅速脫離危險(xiǎn)狀態(tài)而回到正常狀態(tài)，然后又切回到正常調(diào)節(jié)器回路工作。所以取代調(diào)節(jié)器也是一個(gè)單回路控制系統(tǒng)，可按單回路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，一般取代調(diào)節(jié)器回路為了滿(mǎn)足快速性都只用比例規(guī)律，且該回路的比例增益k，要大一些，這是和正常調(diào)節(jié)器的主要區(qū)別。2.2.2.4選擇器高低值型式的選擇選擇器在選擇性控制系統(tǒng)中是重要的部件，它的功能相當(dāng)于一個(gè)二選一的開(kāi)關(guān)，它接受正常調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)a和取代調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)b，其輸出信號(hào)c

7、去驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器。高值選擇器是接收a信號(hào)和b信號(hào)數(shù)值高者作為選擇器輸出；低值選擇器是選a信號(hào)和b信號(hào)低值作為輸出。看上去問(wèn)題較簡(jiǎn)單，但針對(duì)一個(gè)實(shí)際系統(tǒng)如何確定選擇器高低值型式呢?我們首先統(tǒng)計(jì)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程可能出現(xiàn)的情況，做出選擇器高低值選擇的表格，如表1所示。表1選擇器型號(hào)選擇統(tǒng)計(jì)表取代調(diào)節(jié)器回路正常調(diào)節(jié)器回路氣開(kāi)閥氣關(guān)閥正作用反作用正作用反作用氣開(kāi)閥正作用高值高值反作用低值低值氣關(guān)閥正作用低值低值反作用高值高值該表格是根據(jù)正常調(diào)節(jié)器回路的靜態(tài)特性和取代調(diào)節(jié)器回路的靜態(tài)特性聯(lián)合考慮的。表中打的 是指不可能出現(xiàn)的組合。為清楚起見(jiàn)，我們用靜態(tài)特性交叉圖說(shuō)明，如正常調(diào)節(jié)器回路的調(diào)節(jié)閥為氣開(kāi)式，調(diào)節(jié)器為反作

8、用；取代調(diào)節(jié)器回路的調(diào)節(jié)閥(與正常調(diào)節(jié)器一樣)為氣開(kāi)式，取代調(diào)節(jié)器為反作用，畫(huà)出其靜態(tài)交叉圖(見(jiàn)圖2)。圖2：靜態(tài)特性交叉圖a-a：表示正常調(diào)節(jié)器的靜態(tài)特性，b-b：表示取代調(diào)節(jié)器的靜態(tài)特性。兩靜態(tài)交叉點(diǎn)為g點(diǎn)。箭頭表示調(diào)節(jié)器變化方向。從靜態(tài)特性圖中可以看出選擇器應(yīng)選低值選擇器。注意這種情況取代調(diào)節(jié)器回路的靜態(tài)增益要大于正常調(diào)節(jié)器回路的靜態(tài)增益。3. 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)施3.1 系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型非自主加熱水槽溫度及液位調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)如圖3 所示。它由熱水源、冷水源、調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、溫度、液位傳感器組成。熱水源具有非恒溫性。圖3：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖為了便于分析作如設(shè)：1 混合水槽與周?chē)h(huán)境熱交換可忽略。2 混合

9、水槽熱水瞬間充分混合。3 系統(tǒng)穩(wěn)定后混合水槽出水流量與輸入流量相等。根據(jù)系統(tǒng)輸入、輸出關(guān)系則有： (1)式中，a為混合槽的底面積，為熱水源流量，為冷水源流量，是混合槽的液面高度，為混合槽初出水流量，而： （2）公式中為混合水槽的阻力系數(shù)，為折算系數(shù)所以公式（1）變?yōu)椋?（3）而根據(jù)前面的假設(shè)可知熱平衡關(guān)系為： (4)式中 , ，其中：，為穩(wěn)定時(shí)混合水槽液位高度與溫度； ，為冷水穩(wěn)態(tài)時(shí)的流量 ，為相應(yīng)變化量； ， 分別為熱源水，冷水源的水溫。對(duì)公式（3）進(jìn)行拉氏變換，可得： （5）當(dāng)上述系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)，混合水槽液面保持不變對(duì)公式（4）進(jìn)行拉氏變換，可得： （6）通過(guò)上述機(jī)理法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模，可以得到

10、液位，溫度與流量的拉氏變換表達(dá)式之間的關(guān)系，分別見(jiàn)上次公式（5），（6）所示，3.2系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)3.2.1溫度檢測(cè)器在本文中，溫度變送器選擇的是熱電阻，熱電阻是中低溫區(qū)最常用的一種溫度檢測(cè)器。它的主要特點(diǎn)是測(cè)量精度高，性能穩(wěn)定。其中鉑熱是阻的測(cè)量精確度是最高的，它不僅廣泛應(yīng)用于工業(yè)測(cè)溫，而且被制成標(biāo)準(zhǔn)的基準(zhǔn)儀。 與熱電偶的測(cè)溫原理不同的是，熱電阻是基于電阻的熱效應(yīng)進(jìn)行溫度測(cè)量的，即電阻體的阻值隨溫度的變化而變化的特性。因此，只要測(cè)量出感溫?zé)犭娮璧淖柚底兓?，就可以測(cè)量出溫度。目前主要有金屬熱電阻和半導(dǎo)體熱敏電阻兩類(lèi)。金屬熱電阻的電阻值和溫度一般可以用以下的近似關(guān)系式表示，即 （7）式中，為溫度

11、t時(shí)的阻值；為溫度時(shí)的阻值在此處使用的是金屬熱電阻變送器，使用三線(xiàn)制接法，即在熱電阻的根部的一端連接一根引線(xiàn)，另一端連接兩根引線(xiàn)的方式稱(chēng)為三線(xiàn)制，這種方式通常與電橋配套使用，可以較好的消除引線(xiàn)電阻的影響，是工業(yè)過(guò)程控制中的最常用的。采用三線(xiàn)制是為了消除連接導(dǎo)線(xiàn)電阻引起的測(cè)量誤差。這是因?yàn)闇y(cè)量熱電阻的電路一般是不平衡電橋。熱電阻作為電橋的一個(gè)橋臂電阻，其連接導(dǎo)線(xiàn)（從熱電阻到中控室）也成為橋臂電阻的一部分，這一部分電阻是未知的且隨環(huán)境溫度變化，造成測(cè)量誤差。采用三線(xiàn)制，將導(dǎo)線(xiàn)一根接到電橋的電源端，其余兩根分別接到熱電阻所在的橋臂及與其相鄰的橋臂上，這樣消除了導(dǎo)線(xiàn)線(xiàn)路電阻帶來(lái)的測(cè)量誤差。熱電阻與熱電

12、偶的選擇最大的區(qū)別就是溫度范圍的選擇，熱電阻是測(cè)量低溫的溫度傳感器，一般測(cè)量溫度在-200800，而熱電偶是測(cè)量中高溫的溫度傳感器，一般測(cè)量溫度在4001800，在選擇時(shí)如果測(cè)量溫度在200左右就應(yīng)該選擇熱電阻測(cè)量，如果測(cè)量溫度在600就應(yīng)該選擇k型熱電偶，如果測(cè)量溫度在12001600就應(yīng)該選擇s型或者b型熱電偶熱電阻與熱電偶相比有以下特點(diǎn)：（1）同樣溫度下輸出信號(hào)較大，易于測(cè)量。（2）測(cè)電阻必須借助外加電源。（3）熱電阻感溫部分尺寸較大，而熱電偶工作端是很小的焊點(diǎn)，因而熱電阻測(cè)溫的反應(yīng)速度比熱電偶滿(mǎn)；（4）同類(lèi)材料制成的熱電阻不如熱電偶測(cè)溫上限高。在綜合分析熱電阻和熱電偶的特點(diǎn)，結(jié)合本設(shè)計(jì)

13、的特點(diǎn)，在選擇溫度檢測(cè)器時(shí)選擇的是熱電阻溫度檢測(cè)器。3.2.2 液位變送器液位變送器在本設(shè)計(jì)中使用的是超聲波液位計(jì)，超聲波液位計(jì)是由微處理器控制的數(shù)字物位儀表。在測(cè)量中脈沖超聲波由傳感器（換能器）發(fā)出，聲波經(jīng)物體表面反射后被同一傳感器接收，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。并由聲波的發(fā)射和接收之間的時(shí)間來(lái)計(jì)算傳感器到被測(cè)物體的距離。 由于采用非接觸的測(cè)量，被測(cè)介質(zhì)幾乎不受限制，可廣泛用于各種液體和固體物料高度的測(cè)量。超聲波液位計(jì)的測(cè)量精度主要受聲速隨溫度變化的影響。3.2.3 a/d 轉(zhuǎn)換此部分由adc0809模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片和8051連接而成，本電路的作用是將采集的溫度和液位信號(hào)輸入的模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，然后送

14、入計(jì)算機(jī)內(nèi)進(jìn)行判別和運(yùn)算。adc0809是一種帶有8通道模擬開(kāi)關(guān)的8位逐次逼近式a/d轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時(shí)間為100us左右，線(xiàn)性誤差為lsb。它由8通道模擬開(kāi)關(guān)、通道選擇邏輯（地址鎖存與譯碼）、8位a/d轉(zhuǎn)換器以及三態(tài)輸出鎖存緩沖器組成。當(dāng)start上收到一個(gè)啟動(dòng)轉(zhuǎn)換命令（正脈沖）后， 8位a/d轉(zhuǎn)換器開(kāi)始工作， 對(duì)輸入端的信號(hào)vi 進(jìn)行轉(zhuǎn)換， 100us左右（64個(gè)時(shí)鐘周期）后轉(zhuǎn)換結(jié)束（相應(yīng)的時(shí)鐘頻率為640khz），轉(zhuǎn)換結(jié)果d（d=028-1）存入三態(tài)鎖存緩沖器。 轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，eoc信號(hào)由低電平變?yōu)楦唠娖?，通知cpu讀結(jié)果。啟動(dòng)后，cpu可用查詢(xún)方式（將轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)接至一條i/o線(xiàn)上時(shí)）或中斷

15、方式（eoc作為中斷請(qǐng)求信號(hào)引入中斷邏輯）了解a/d轉(zhuǎn)換過(guò)程是否結(jié)束。adc0809被選通道和地址關(guān)系如下表2所示。設(shè)計(jì)中用通道0和1采集模擬量。表2：被選通道和地址的關(guān)系d0d7是轉(zhuǎn)換后的二進(jìn)制輸出端，受輸出允許信號(hào)oe的控制，oe信號(hào)由程序或外部設(shè)備提供。oe為“0”時(shí)，d0-d7呈高阻態(tài)；oe為“1”時(shí)，d6d7輸出轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)。a，b，c是三個(gè)采樣地址輸入端，它們的8種組合用來(lái)選擇8個(gè)模擬量輸入通路in0in7中的一個(gè)通路并進(jìn)行轉(zhuǎn)換。ale是地址鎖存選通信號(hào)。該信號(hào)上升沿把地址狀態(tài)選通入地址鎖存器。該信號(hào)也可以用來(lái)作為開(kāi)始轉(zhuǎn)換的啟動(dòng)信號(hào)，但此時(shí)要求信號(hào)有一定的寬度，典型值為100s最大

16、值為200s，sc為啟動(dòng)轉(zhuǎn)換脈沖輸入端，其上跳變復(fù)位轉(zhuǎn)換器，下降沿啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，該信號(hào)寬度應(yīng)大于100s，它也可由程序或外部設(shè)備產(chǎn)生。若希望自動(dòng)連續(xù)轉(zhuǎn)換（即上次轉(zhuǎn)換結(jié)束又重新啟動(dòng)轉(zhuǎn)換），則可將sc與eoc短接。eoc轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)從sc信號(hào)上升沿開(kāi)始經(jīng)1-8個(gè)時(shí)鐘周期后由高電平變?yōu)榈碗娖剑@一過(guò)程表示正在進(jìn)行轉(zhuǎn)換。每位轉(zhuǎn)換要8個(gè)時(shí)鐘周期，8位共需64個(gè)時(shí)鐘周期，若時(shí)鐘頰率為500khz，則一次轉(zhuǎn)換要128s。該信號(hào)也可作為中斷請(qǐng)求信號(hào)。clk是時(shí)鐘信號(hào)輸入端，最高可達(dá)1280khz。ref(+)和ref(-)為基準(zhǔn)電壓輸入端，它們決定了輸入模擬電壓的最大值和最小值。通常，ref(+)和電源vcc一起

17、接到基準(zhǔn)電壓5.12v（或5v）上， ref(-)接在地端gnd上。此時(shí)最低住所表示的輸入電壓值為5.12/28=20mvref(+)和ref(-)也比一定要分別接在vcc和gnd上，但要滿(mǎn)足以下條件 (8) (9)當(dāng)adc0809由程序控制進(jìn)行a/d轉(zhuǎn)換時(shí)，輸入通路選定后由輸出指令啟動(dòng)a/d轉(zhuǎn)換（sc為正脈沖）。轉(zhuǎn)換結(jié)束產(chǎn)生eoc高電平信號(hào)作為中斷請(qǐng)求。當(dāng)微處理器執(zhí)行輸入指令后，oe變?yōu)楦唠娖?，選通三態(tài)輸出鎖存器，輸入轉(zhuǎn)換后的代碼。3.2.4 d/a轉(zhuǎn)換本設(shè)計(jì)的d/a轉(zhuǎn)換器為dac0832，模擬量輸出通道不論采用哪一種結(jié)構(gòu)形式，都要解決d/a轉(zhuǎn)換器與微處理器的接口問(wèn)題。d/a轉(zhuǎn)換器要數(shù)字量并

18、行輸入，且其輸入應(yīng)在一定時(shí)間范圍內(nèi)保持穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)模擬量輸出。8位或少于8位的d/a轉(zhuǎn)換器，只需通過(guò)相應(yīng)位數(shù)鎖存器與8位微處理器總線(xiàn)連接。d/a轉(zhuǎn)換器主要有兩種類(lèi)型：一類(lèi)內(nèi)部有數(shù)據(jù)寄存器，帶片選和寫(xiě)信號(hào)引腳，可作一個(gè)i/o擴(kuò)展口直接與微處理器接口；另一類(lèi)無(wú)內(nèi)部鎖存器，須外加鎖存器與微處理器相接。dac0832是一個(gè)具有兩級(jí)數(shù)據(jù)緩沖器的8位d/a芯片（20個(gè)引腳）。這種芯片適用于系統(tǒng)中多個(gè)模擬器同時(shí)輸出的系統(tǒng)，它可以與各種微處理器直接接口。其內(nèi)部還有r-2r梯形電阻解碼網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)d/a轉(zhuǎn)換。ac0832的主要特性為：輸入電平與ttl相兼容，基準(zhǔn)電壓vref的工作范圍為+10-10v，電流穩(wěn)定時(shí)間為

19、1s，功耗為20mw，電源電壓vcc范圍為+5-15v。使用da0832時(shí)，應(yīng)注意選通脈沖的寬度一般不小于500s，寄存器保持?jǐn)?shù)據(jù)的時(shí)間不應(yīng)小于90s，否則鎖存數(shù)據(jù)會(huì)出錯(cuò)。由于dac0832具有兩級(jí)數(shù)據(jù)鎖存器，所以，它具有雙緩沖、單緩沖及直通數(shù)據(jù)輸入3種工作方式。這里采用雙緩沖方式。雙緩沖工作方式時(shí)，8位輸入寄存器和8位dac寄存器可分別由le1和le2控制，先由wr1和cs控制輸入數(shù)據(jù)鎖存到8位輸入寄存器。這種方式可用于需要同時(shí)輸出多個(gè)模擬信號(hào)的多個(gè)dac0832的系統(tǒng)，當(dāng)多個(gè)數(shù)據(jù)已分別存入各自的輸入寄存器后，再同時(shí)使用所有dac0832的wr和xfer（傳遞控制）有效，數(shù)據(jù)鎖存入8位dac

20、寄存器并同時(shí)輸出多個(gè)模擬信號(hào)。這時(shí)，需要有兩個(gè)地址譯碼，分別選通cs和xfer。單緩沖工作方式時(shí)，只用輸入寄存器鎖存數(shù)據(jù)，另一級(jí)8位dac寄存器接成直通方式，即把wr2和xfer接地，或者兩級(jí)寄存器同時(shí)鎖存，如把wr2與wr1接在一起，而把xfer接地。直通方式時(shí)，應(yīng)把所有控制信號(hào)接成有效形式：cs，wr1，wr2和xfer接地，ile接+5v。dac0832有兩個(gè)輸出端lout1和lout2，為電流輸出形式，輸入數(shù)據(jù)為ffh，iout1電流最大。電流之和為一個(gè)常數(shù)，為使輸出電流線(xiàn)性轉(zhuǎn)移成電壓，在輸出端接運(yùn)算放大器。4. 系統(tǒng)的仿真4.1參數(shù)整定目前工業(yè)上常用的控制器主要有三種控制規(guī)律；比例控

21、制規(guī)律、比例積分控制規(guī)律和比例積分微分控制規(guī)律，分別簡(jiǎn)寫(xiě)為p、pi和pid。選擇哪種控制規(guī)律主要是根據(jù)廣義對(duì)象的特性和工藝的要求來(lái)決定的。下面分別說(shuō)明各種控制規(guī)律的特點(diǎn)及應(yīng)用場(chǎng)合。比例控制器是具有比例控制規(guī)律的控制器，它的輸出p與輸入偏差e(實(shí)際上是指它們的變化量)之間的關(guān)系為： (10)比例控制器的可調(diào)整參數(shù)是比例放大系數(shù)或比例度，對(duì)于單元組合儀表來(lái)說(shuō)。它們的關(guān)系為： (11)比例控制器的特點(diǎn)是：控制器的輸出與偏差成比例，即控制閥門(mén)位置與偏差之間具有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。當(dāng)負(fù)荷變化時(shí)，比例控制器克服干擾能力強(qiáng)、控制及時(shí)、過(guò)渡時(shí)間短。在常用控制規(guī)律中，比例作用是最基本的控制規(guī)律，不加比例作用的控制規(guī)律

22、是很少采用的。但是，純比例控制系統(tǒng)在過(guò)渡過(guò)程終了時(shí)存在余差。負(fù)荷變化越大，余差就越大。比例控制器適用于控制通道滯后較小、負(fù)荷變化不大、工藝上沒(méi)有提出無(wú)差要求的系統(tǒng)，例如中間貯槽的液位、精餾塔塔釜液位以及不太重要的蒸汽壓力控制系統(tǒng)等。比例積分控制器是具有比例積分控制規(guī)律的控制器。它的輸出p與輸人偏差e的關(guān)系為： (12)比例積分控制器的可調(diào)整參數(shù)是比例放大系數(shù) (或比例度)和積分時(shí)間。比例積分控制器的持點(diǎn)是：由于在比例作用的基礎(chǔ)上加上積分作用，而積分作用的輸出是與偏差的積分成比例、只要偏差存在、控制器的輸出就會(huì)不斷變化，直至消除偏差為止。所以采用比例積分控制器，在過(guò)渡過(guò)程結(jié)束時(shí)是無(wú)余差的、這是它

23、的顯著優(yōu)點(diǎn)。 但是，加上積分作用，會(huì)使穩(wěn)定性降低，雖然在加積分作用的同時(shí)，可以通過(guò)加大比例度，使穩(wěn)定性基本保持不變，但超調(diào)量和振蕩周期都相應(yīng)增大，過(guò)渡過(guò)程的時(shí)間也加長(zhǎng)。比例積分控制器是使用最普遍的控制器。它適用于控制通道滯后較小、負(fù)荷變化不大、工藝參數(shù)不允許有余差的系統(tǒng)。例如流量、壓力和要求嚴(yán)格的液位控制系統(tǒng)，常采用比例積分控制器。比例積分微分控制器是具有比例積分微分控制規(guī)律的控制器，常稱(chēng)為三作用（pid）控制器。理想的pid控制器，其輸出p與輸入偏差e之間具有下列關(guān)系： (13) 比例積分微分控制器的特點(diǎn)是：微分作用使控制器的輸出與輸入偏差的變化速度成比例，它對(duì)克服對(duì)象的滯后有顯著的效果。在

24、比例的基礎(chǔ)上加上微分作用能提高穩(wěn)定性，再加上積分作用可以消除余差。所以，適當(dāng)調(diào)整、三個(gè)參數(shù)、可以使控制系統(tǒng)獲得較高的控制質(zhì)量。比例積分微分控制器適用于容量滯后較大、負(fù)荷變化大、控制質(zhì)量要求較高的系統(tǒng)，應(yīng)用最普遍的是溫度控制系統(tǒng)與成分控制系統(tǒng)。對(duì)于滯后很小或噪聲嚴(yán)重的系統(tǒng)，應(yīng)避免引入微分作用，否則會(huì)由于被控變量的快速變化引起控制作用的大幅度變化，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致控制系統(tǒng)不穩(wěn)定。對(duì)于溫度液位選擇控制系統(tǒng)參數(shù)的整定，先按經(jīng)驗(yàn)法，按照“先正后取”的原則，把正常、取代調(diào)節(jié)器的比例度調(diào)到某一適當(dāng)值，然后由大到小進(jìn)行調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程呈緩慢的非周期衰減變化，最后根據(jù)過(guò)程的具體情況，可給主調(diào)節(jié)器加上積分環(huán)節(jié)，

25、調(diào)積分時(shí)間較大。取代調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定，可以通過(guò)停留時(shí)間法，停留時(shí)間是指介質(zhì)在被控過(guò)程的被控參數(shù)允許變化范圍內(nèi)流過(guò)的時(shí)間。過(guò)程時(shí)間常數(shù)等于停留時(shí)間的兩倍，即 (14)4.2 控制器的正反作用生產(chǎn)過(guò)程中希望借助自動(dòng)控制保持恒定值(或按一定規(guī)律變化)的變量稱(chēng)為被控變量。在構(gòu)成一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)時(shí)，被控變量的選擇十分重要、它關(guān)系到系統(tǒng)能否達(dá)到穩(wěn)定操作、增加產(chǎn)量、提高質(zhì)量、改善勞動(dòng)條件、保證安全等目的，關(guān)系到控制方案的成敗。在本設(shè)計(jì)中，由于控制對(duì)象，當(dāng)閥門(mén)打開(kāi)時(shí)，液位，溫度都上升，所以均為正對(duì)象，而閥門(mén)時(shí)氣開(kāi)閥，根據(jù)整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成負(fù)反饋的性質(zhì)，控制器應(yīng)均選擇反租用控制器。4.3 仿真設(shè)水槽非自主溫度加熱及液位調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)溫度、液位雙目標(biāo)系統(tǒng)參數(shù)如下：混合水槽的水溫=70， 底面積=10；阻力系數(shù);熱水源的水溫；冷水源的水溫；時(shí)間滯后，時(shí)滯常數(shù)。通過(guò)上述條件可知道被控對(duì)象的溫度和液位的拉氏變換和熱水源，冷水源的流量之間的關(guān)系為： (15) (16)系統(tǒng)的控制框圖為：圖4：系統(tǒng)方框圖經(jīng)過(guò)整定參數(shù)可以得到60.550.90.32.410.36系統(tǒng)仿真可得：圖5：液位曲線(xiàn)圖圖6：溫度曲線(xiàn)圖5. 心得體會(huì)這次過(guò)程控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)可以學(xué)到很多很多的的東西，同時(shí)不僅可以鞏固了以前所學(xué)過(guò)的知識(shí)，而且學(xué)到了很多在書(shū)