基于儀表的鍋爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、吉林建筑大學(xué)城建學(xué)院電氣信息工程系課程設(shè)計(jì)第1章 緒論 1.1 課題設(shè)計(jì)背景根據(jù)國(guó)內(nèi)實(shí)際情況和環(huán)保問(wèn)題的考慮和要求，燃燒鍋爐由于污染并效率不高，已經(jīng)逐漸被淘汰；燃油和燃?xì)忮仩t也存在著燃料供應(yīng)不方便和安全性等問(wèn)題。因些在人口密集的居民區(qū)、旅館、醫(yī)院和學(xué)校，電加熱鍋爐完全替代燃煤、燃油、燃?xì)忮仩t。自70年代以來(lái)，由于工業(yè)過(guò)程控制的需要，特別是在微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展以及自動(dòng)控制理論和設(shè)計(jì)方法發(fā)展的推動(dòng)下，國(guó)內(nèi)外溫度控制系統(tǒng)的發(fā)展迅速，并在智能化，自適應(yīng)、參數(shù)整定等方面，以日本、美國(guó)、德國(guó)、瑞典等國(guó)技術(shù)領(lǐng)先，都生產(chǎn)出了一批商品化的、性能優(yōu)異的溫度控制器及儀表，并在各行廣泛應(yīng)用。電加熱鍋爐采

2、用全新加熱方式，它具有許多優(yōu)點(diǎn)，使其比其他形式的鍋爐更具有吸引力：(1) 無(wú)污染。不會(huì)排放出有害氣體、飛塵、灰渣，完全符合環(huán)保方面的要求。(2) 能量轉(zhuǎn)化效率高。加熱元件直接與水接觸，能量轉(zhuǎn)換效率很高，可達(dá)95%以上。(3) 鍋爐本體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安全性好。不需要布管路，沒(méi)有燃燒室、煙道，不會(huì)出現(xiàn)燃煤、燃油、燃?xì)獾男孤┖捅ㄎｋU(xiǎn)。(4) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕，占地面積小。(5) 啟動(dòng)、停止速度快，運(yùn)行負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍大，調(diào)節(jié)速度快，操作簡(jiǎn)單。由于加熱元件工作由外部電氣開(kāi)關(guān)控制，所以啟停速度快。(6) 可采用計(jì)算機(jī)監(jiān)控，完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。其溫度的控制都能通過(guò)微控制芯片完成，使鍋爐的運(yùn)行完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，

3、最大程度地將控制器應(yīng)用于傳統(tǒng)的鍋爐行業(yè)。本課題主要研究鍋爐溫度的過(guò)程控制。新型鍋爐是機(jī)電一體化的產(chǎn)品，可將電能直接轉(zhuǎn)化成熱能，具有效率高，體積小，無(wú)污染，運(yùn)行安全可靠，供熱穩(wěn)定，自動(dòng)化程度高的優(yōu)點(diǎn)，是理想的節(jié)能環(huán)保的供暖設(shè)備。加上目前人們的環(huán)保意識(shí)的提高，電熱鍋爐越來(lái)越受人們的重視，在工業(yè)生產(chǎn)和民用生活用水中應(yīng)用越來(lái)越普及。電熱鍋爐目前主要用于供暖和提供生活用水。主要是控制水的溫度，保證恒溫供水。隨著計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的高速發(fā)展，單片機(jī)廣泛的應(yīng)用于工業(yè)控制中。工業(yè)控制也越來(lái)越多的采用計(jì)算機(jī)控制，在這里我們采用51系列單片機(jī)來(lái)做控制器。由于電加熱鍋爐是一個(gè)具有非線性、大滯后、大慣性、時(shí)變性、升溫單

4、向性等特點(diǎn)的控制對(duì)象，很難用數(shù)學(xué)方法建立精確的數(shù)學(xué)模型，因此用傳統(tǒng)的控制理論和方法很難達(dá)到很好的控制效果。而這下符合PID控制使用的條件，因而PID控制被廣泛地用于電熱鍋爐的控制中，用來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的控制方法，并獲得良好的控制效果。 根據(jù)偏差的比例（P）、積分（I）、微分（D）、進(jìn)行控制（PID控制），是控制系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的一種控制規(guī)律。PID控制器問(wèn)世至今有近70年歷史，它以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確定，這時(shí)應(yīng)用

5、PID控制技術(shù)最為方便。1.2 課題目的及意義 本控制器主要是針對(duì)現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中鍋爐溫度控制裝置而設(shè)計(jì)的，用PID控制代替?zhèn)鹘y(tǒng)的控制方法，以獲得良好的控制效果。通過(guò)這個(gè)課題能鍛煉我的能力，給我提供了一個(gè)理論和實(shí)踐相結(jié)合的機(jī)會(huì)。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，我能對(duì)單片機(jī)程序設(shè)計(jì)、自動(dòng)控制理論、檢測(cè)技術(shù)與儀表方面的知識(shí)有進(jìn)一步的了解，以鞏固學(xué)過(guò)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，開(kāi)拓我的視野。同時(shí)，由于學(xué)過(guò)的知識(shí)有限，讓我認(rèn)識(shí)到了自己的不足，為以后有針對(duì)性地提高有了一個(gè)明確的方向，同時(shí)也鍛煉和提高我們的自學(xué)能力，為提高我們以后的自身競(jìng)爭(zhēng)能力打下基礎(chǔ)。1.3設(shè)計(jì)指標(biāo)此系統(tǒng)主要以?xún)x表為控制器，并對(duì)顯示電路，溫度檢測(cè)電路，人機(jī)接

6、口電路，鍵盤(pán)電路，報(bào)警電路，執(zhí)行電路等進(jìn)行具體設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)鍋爐水溫的控制。具體指標(biāo)要求如下：1、 用儀表作為控制器，采用模塊設(shè)計(jì)方法，對(duì)系統(tǒng)硬件、軟件進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)2、 鍋爐溫度控制在0-100左右。3、 通過(guò)鍵盤(pán)輸入上下限溫度、恒溫溫度，以及通過(guò)手動(dòng)停機(jī)的功能。4、 顯示電路用于顯示用戶(hù)設(shè)定的溫度、上限溫度、下限溫度和當(dāng)前溫度值等，精確到小數(shù)點(diǎn)后一位。5、 水溫高于上限溫度和低于下限溫度時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警；誤輸入時(shí)報(bào)警。6、 加熱執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。第2章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案此方案用儀表作為主要控制器的核心，利用熱電偶作為測(cè)溫器件，然后通過(guò)一個(gè)變送器將溫度轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，送入到A/D轉(zhuǎn)換

7、器進(jìn)行模擬到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)轉(zhuǎn)送入儀表，由控制器根據(jù)給定值與測(cè)量值的大小作比較得到一個(gè)偏差，再由D/A將偏差數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量來(lái)調(diào)節(jié)加熱絲的工作時(shí)間或者通過(guò)調(diào)節(jié)不同電壓來(lái)調(diào)節(jié)加熱絲的加熱功率，最終達(dá)到鍋爐恒溫控制的目的。系統(tǒng)原理框圖如下圖2-1所示： 實(shí)際溫度加熱給定值D/A轉(zhuǎn)換儀表A/D轉(zhuǎn)換變送器熱電偶圖2-1 原理框圖2.2 控制方式確定 自動(dòng)控制方式一般有兩種：即開(kāi)環(huán)控制和閉環(huán)控制。 開(kāi)環(huán)控制是指控制裝置與被控對(duì)象之間只有按順序工作，沒(méi)有反向聯(lián)系的控制過(guò)程,按這種方式組成的系統(tǒng)稱(chēng)為開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng),其特點(diǎn)是系統(tǒng)的輸出量不會(huì)對(duì)系統(tǒng)的控制作用發(fā)生影響，沒(méi)有自動(dòng)修正或補(bǔ)償?shù)哪芰?。開(kāi)環(huán)控制沒(méi)有反

8、饋環(huán)節(jié)，系統(tǒng)的穩(wěn)定性不高,響應(yīng)時(shí)間相對(duì)來(lái)說(shuō)很長(zhǎng),精確度不高,使用于對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性精確度要求不高的簡(jiǎn)單的系統(tǒng).。人工控制一般是開(kāi)環(huán)控制。比如人工轉(zhuǎn)換電扇檔位實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的控制。閉環(huán)控制有反饋環(huán)節(jié)，從輸出量變化取出控制信號(hào)作為比較量反饋給輸入端控制輸入量，一般這個(gè)取出量和輸入量相位相反，所以叫負(fù)反饋控制。通過(guò)反饋系統(tǒng)使系統(tǒng)的精確度提高,響應(yīng)時(shí)間縮短,適合于對(duì)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間,穩(wěn)定性要求高的系統(tǒng)。自動(dòng)控制通常是閉環(huán)控制。比如家用空調(diào)溫度的控制。閉環(huán)控制又包含有單回路控制和串級(jí)控制等。串級(jí)控制系統(tǒng)與單回路控制系統(tǒng)相比有一個(gè)顯著的區(qū)別，即其在結(jié)構(gòu)上多了一個(gè)副回路，形成了兩個(gè)閉環(huán)-雙閉環(huán)或稱(chēng)雙環(huán)。串級(jí)控制系統(tǒng)在結(jié)

9、構(gòu)上與電力傳動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)中的雙環(huán)系統(tǒng)相同，就其主回路（外環(huán)）來(lái)看是一個(gè)定值控制系統(tǒng)，而副回路（內(nèi)環(huán)）則為一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)。以加熱爐串級(jí)控制系統(tǒng)為例，在控制過(guò)程中，副回路起著對(duì)爐出口溫度的“粗調(diào)”作用，而主回路則完成對(duì)爐出口溫度的“細(xì)調(diào)”任務(wù)。與單回路控制系統(tǒng)相比，串級(jí)控制系統(tǒng)多用了一個(gè)測(cè)量變送器與一個(gè)控制器（調(diào)節(jié)器），增加的投資并不多（對(duì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，僅增加了一個(gè)測(cè)量變送器），但控制效果卻有顯著的提高。其原因是在串級(jí)控制系統(tǒng)中增加了一個(gè)包含二次擾動(dòng)的副回路，使系統(tǒng)改善了被控過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性，提高了系統(tǒng)的工作頻率； 對(duì)二次擾動(dòng)有很強(qiáng)的克服能力；提高了對(duì)一次擾動(dòng)的克服能力和對(duì)回路參數(shù)變化的自適應(yīng)

10、能力。綜上所述，根據(jù)系統(tǒng)工藝要求，決定在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用閉環(huán)串級(jí)控制方式。第3章 鍋爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)備配置3.1 鍋爐溫度控制系統(tǒng)概述過(guò)程控制綜合實(shí)驗(yàn)裝置（ProcEss Control SystEm，簡(jiǎn)稱(chēng)PCS），是模仿現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中常見(jiàn)的物理量，諸如溫度、流量、液位、壓力等參數(shù)，對(duì)其進(jìn)行測(cè)量、控制，分析過(guò)程參數(shù)變化特性，研究過(guò)程控制規(guī)律的教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，過(guò)程控制綜合實(shí)驗(yàn)裝置選用智能化的工業(yè)用儀器儀表，接近工業(yè)實(shí)際，使用安全，運(yùn)行穩(wěn)定，維護(hù)簡(jiǎn)單，性?xún)r(jià)比優(yōu)越。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、功能多樣、既能進(jìn)行驗(yàn)證性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn),又能提供綜合性實(shí)驗(yàn)。PCS-E型是在PCS-C型配置的基礎(chǔ)上發(fā)展更新的新產(chǎn)品，P

11、CS-E型優(yōu)化了結(jié)構(gòu)，增加了配置，擴(kuò)展可實(shí)驗(yàn)內(nèi)容（涵蓋了PCS-C型全部功能），以滿(mǎn)足用戶(hù)更多的實(shí)驗(yàn)要求。PCS-E型過(guò)程控制綜合實(shí)驗(yàn)裝置主要是由實(shí)驗(yàn)控制對(duì)象、實(shí)驗(yàn)控制臺(tái)及上位監(jiān)控PC機(jī)三部分組成。有儀表控制、PLC控制和DDC控制三種控制方式。本裝置：·兩路獨(dú)立供水系統(tǒng)；·雙容液位實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)；·流量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)；·溫控實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)； ·可滿(mǎn)足“自動(dòng)調(diào)節(jié)原理”，“過(guò)程控制”，“控制儀表”，“自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)與傳感器”及相關(guān)課程的教學(xué)實(shí)驗(yàn)需求； ·可作為有關(guān)企業(yè)技術(shù)人員、儀表操作人員、系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)控人員的實(shí)習(xí)、培訓(xùn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備。 設(shè)備特點(diǎn)：（1）分體設(shè)計(jì)，

12、模塊化組裝式結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)不同的需要選擇儀表控制、PLC控制和DDC控制，組成不同的控制系統(tǒng)。（2）雙實(shí)驗(yàn)水箱配置，雙路供水系統(tǒng)。（3）實(shí)驗(yàn)柜采用不銹鋼全開(kāi)放式結(jié)構(gòu)，內(nèi)部器件全部可視，有利直觀教學(xué)和維護(hù)。（4）人性化設(shè)計(jì)，配有儲(chǔ)水箱，進(jìn)排水自控裝置，減輕工作人員勞動(dòng)強(qiáng)度。配有實(shí)驗(yàn)專(zhuān)用線的掛線板，取線掛線方便、整潔、美觀。為實(shí)驗(yàn)文明操作提供條件。（5）裝置的儀表、部件均選用現(xiàn)代化技術(shù)工業(yè)級(jí)產(chǎn)品。智能化程度高。精度好，規(guī)格多樣。有利直觀教學(xué)和拓寬學(xué)生工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)知識(shí)。（6）安全度高，系統(tǒng)配有漏電保護(hù)，帶保護(hù)套的專(zhuān)用實(shí)驗(yàn)電源連線，非操作部分的殼體門(mén)加有鎖，及溫控箱防止無(wú)水加溫自動(dòng)控制等，力求保護(hù)人身、設(shè)

13、備安全。（7）開(kāi)放度好，在教師指導(dǎo)下，學(xué)生可觀察、可自己動(dòng)手參與操作、可自行編程進(jìn)行驗(yàn)證、可根據(jù)記錄的實(shí)時(shí)曲線進(jìn)行理論分析等。3.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備系統(tǒng)控制對(duì)象 圖3-1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象流程圖 3.2.1 被控對(duì)象由不銹鋼儲(chǔ)水箱、有機(jī)玻璃上下水箱、不銹鋼溫控鍋爐和敷塑不銹鋼管道及配件等組成。1水箱：包括上下水箱、儲(chǔ)水箱。有一個(gè)上水箱，一個(gè)下水箱，它們均采用淡黃色優(yōu)質(zhì)有機(jī)玻璃，不但堅(jiān)實(shí)耐用，而且透明度高，便于學(xué)生直接觀察液位的變化和記錄結(jié)果。上下水箱尺寸為：D=22cm，H=30cm；水箱結(jié)構(gòu)獨(dú)特，由三個(gè)槽組成，分別為緩沖槽、工作槽和出水槽，進(jìn)水時(shí)水管的水先流入緩沖槽，出水時(shí)工作槽的水經(jīng)過(guò)帶燕尾槽的隔板流入

14、出水槽，這樣經(jīng)過(guò)緩沖和線性化的處理，工作槽的液位較為穩(wěn)定，便于觀察。上下水箱底部均接有擴(kuò)散硅壓力傳感器與變送器，可對(duì)水箱的壓力和液位進(jìn)行檢測(cè)和變送。儲(chǔ)水箱為不銹鋼儲(chǔ)水體，尺寸為：長(zhǎng)×寬×高=100cm×3.5×3.5。并在兩側(cè)各與一磁力泵相連，為整個(gè)系統(tǒng)儲(chǔ)水和供水，內(nèi)有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和不銹鋼過(guò)濾網(wǎng)，拆洗維護(hù)方便，以防雜物進(jìn)入水泵和管道。2鍋爐：鍋爐為不銹鋼制作，里面安裝一個(gè)加熱換，用以對(duì)鍋爐內(nèi)水進(jìn)行加熱，表面附加水標(biāo)，方便觀察鍋爐內(nèi)水位。3管道及閥門(mén)：整個(gè)系統(tǒng)管道由敷塑不銹鋼管連接而成，所有的手動(dòng)閥門(mén)均采用優(yōu)質(zhì)球閥，徹底避免了管道系統(tǒng)生銹的可能性。有效提

15、高了實(shí)驗(yàn)裝置的使用年限。3.2.2 檢測(cè)裝置 溫度傳感器/變送器：裝置中采用了1個(gè)Pt100鉑熱電阻溫度傳感器，用來(lái)檢測(cè)鍋爐內(nèi)的水溫。經(jīng)過(guò)控制臺(tái)中的溫度變送器，可將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成420mA直流電流信號(hào)。 溫度變送器的量程：0+100，精度：0.5級(jí)，輸出：420mADC，供電：24VDC，接線方式：二線制。Pt100傳感器精度高，熱補(bǔ)償性較好。3.2.3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)1電動(dòng)調(diào)節(jié)閥：本裝置采用的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥是由是Honeywell的ML7420A6033型電動(dòng)閥門(mén)執(zhí)行器和三通線性閥門(mén)組成。其執(zhí)行器采用智能直行程調(diào)節(jié)，根據(jù)控制的信號(hào)變化，來(lái)調(diào)節(jié)執(zhí)行器的行程，從而調(diào)節(jié)三通線性閥門(mén)的開(kāi)度，進(jìn)而對(duì)控制回路的流

16、量進(jìn)行調(diào)節(jié)；具有精度高、技術(shù)先進(jìn)、體積小、重量輕、推動(dòng)力大、功能強(qiáng)、控制單元與電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)一體化、可靠性高、使用和校正非常方便等優(yōu)點(diǎn)；工作時(shí)需提供24V交流電源（此電壓由變壓器提供） ，軸桿推力：600N ，執(zhí)行器行程：20mm ，輸入信號(hào) :0-10Vdc或2-10Vdc ；本裝置中的執(zhí)行器已被設(shè)置為輸入信號(hào)為2-10Vdc，由于從實(shí)驗(yàn)控制臺(tái)輸出的信號(hào)為420mADC,故接到執(zhí)行器的信號(hào)線兩端加500歐的電阻。其三通線性閥門(mén)的直徑為20mm.2水泵：本裝置采用上海新西山有限公司生產(chǎn)的磁力驅(qū)動(dòng)泵，型號(hào)為MP-55RM及MP-15RM，其中MP-

17、55RM的進(jìn)口直徑：25，出口直徑：25，流量為60升/分，揚(yáng)程為4米，功率為90W；MP-15RM的進(jìn)口直徑為25mm ;出口直徑：25，流量為8升/分，揚(yáng)程為2.4米，功率為10W 。泵體完全采用不銹鋼材料，以防止生銹，使用壽命長(zhǎng)。此裝置兩只磁力驅(qū)動(dòng)循環(huán)泵均接為單相變頻220V輸出驅(qū)動(dòng)控制，分別為兩條水路供水。3單相電加熱環(huán)：本裝置中采用的是一根功率為2000W電加熱環(huán)，用來(lái)對(duì)鍋爐的水進(jìn)行加溫，加熱環(huán)的電阻值約為50左右。4全隔離單相交流調(diào)壓模塊：本裝置采用了全隔離單相交流調(diào)壓模塊，來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度的連續(xù)控制.它是集同步變壓器、相位檢測(cè)電路、移相觸發(fā)電路和可控硅于一體，當(dāng)改變控制信號(hào)（即420m

18、ADC標(biāo)準(zhǔn)電流）的大小，就可以自動(dòng)控制改變輸出可控硅的觸發(fā)角，從而來(lái)實(shí)現(xiàn)負(fù)載電壓從0V到電網(wǎng)全電壓的可調(diào)，即實(shí)現(xiàn)單相交流調(diào)壓。 圖3-2 調(diào)壓模塊接線圖3.3 系統(tǒng)控制臺(tái)“PCS-E型過(guò)程控制綜合實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)控制臺(tái)”主要由電氣控制接線底板、信號(hào)控制板，智能儀表組成。3.3.1 電氣控制接線底板該電氣控制接線底板位于控制臺(tái)柜的底部，其主要有4個(gè)接觸器，一個(gè)溫度變送器，兩個(gè)開(kāi)關(guān)電源以及幾排接線端子等器件組成，通過(guò)它們之間和信號(hào)控制板間特定的連線來(lái)形成符合實(shí)驗(yàn)要求的整體統(tǒng)一控制系統(tǒng)。3.3.2 信號(hào)及控制板 圖3-3 信號(hào)及控制板示意此面板左側(cè)裝有具有安全保護(hù)作用的漏電保護(hù)器, 當(dāng)發(fā)生漏電和觸電時(shí)，

19、就立即在限定的時(shí)間內(nèi)動(dòng)作自動(dòng)斷開(kāi)電源進(jìn)行保護(hù)。旋合上電源控制鑰匙開(kāi)關(guān)，此時(shí)其上面的信號(hào)燈亮，并且電源電壓表顯示為220V左右電壓。并在電壓表與控制開(kāi)關(guān)之間裝有3A熔斷保險(xiǎn)絲對(duì)器件進(jìn)行保護(hù)。該面板右上側(cè)是信號(hào)模板，主要包括有兩路液位/壓力輸出信號(hào)實(shí)驗(yàn)插孔、一路流量輸出信號(hào)實(shí)驗(yàn)插孔、一路溫度輸出信號(hào)實(shí)驗(yàn)插孔、一路電動(dòng)閥輸入信號(hào)實(shí)驗(yàn)插孔、一路溫度輸入信號(hào)實(shí)驗(yàn)插孔以及相配的開(kāi)關(guān)按鈕。其主要是通過(guò)與控制底板的連線與對(duì)象系統(tǒng)連接，將各傳感器檢測(cè)信號(hào)及執(zhí)行器控制信號(hào)同面板上實(shí)驗(yàn)插孔相連，便于學(xué)生自行連線組成不同的控制系統(tǒng)。該面板下側(cè)是控制模板，包括有四個(gè)控制開(kāi)關(guān)，分別為電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、水泵1、水泵2、加熱器。其

20、可對(duì)對(duì)象系統(tǒng)中的相應(yīng)器件設(shè)備進(jìn)行開(kāi)關(guān)起?？刂啤８鏖_(kāi)關(guān)上端安有0.5A熔斷保險(xiǎn)絲和220VAC供電的信號(hào)燈。3.3.3 儀表控制單元圖3-4 智能控制儀表儀表控制：本裝置儀表控制是采用上海萬(wàn)迅儀表有限公司生產(chǎn)的AI系列全通用人工智能調(diào)節(jié)儀表，為AI-808型。AI-808型儀表可以實(shí)現(xiàn)PID控制，可以輸入為05vDC信號(hào)；輸出為420mADC信號(hào)；也可以輸出為繼電器觸點(diǎn)型開(kāi)關(guān)量信號(hào)。AI系列儀表通過(guò)RS485串口通信協(xié)議與上位計(jì)算機(jī)通訊，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。AI儀表常用參數(shù)設(shè)置：CtrL：控制方式。CtrL0，采用位式控制；CtrL1，采用AI人工智能調(diào)節(jié)/PID調(diào)節(jié)；CtrL2，啟動(dòng)自整定

21、參數(shù)功能；CtrL3，自整定結(jié)束。Sn：輸入規(guī)格。Sn21，Pt100熱電阻輸入；Sn32，0.21VDC電壓輸入；Sn33，15VDC電壓輸入。DIL：輸入下限顯示值，一般DIL0。DIH：輸入上限顯示值。輸入為液位信號(hào)時(shí)，DIH50.0；輸入為熱電阻信號(hào)時(shí)，DIH100；輸入為流量信號(hào)時(shí)，DIH100。OP1：輸出方式，一般OP14為420mA線性電流輸出。CF：系統(tǒng)功能選擇。CF0為內(nèi)部給定，反作用調(diào)節(jié)；CF1為內(nèi)部給定，正作用調(diào)節(jié)；CF8為外部給定，反作用調(diào)節(jié)；CF9為外部給定，正作用調(diào)節(jié)。Addr：通訊地址。單回路實(shí)驗(yàn)Addr1；串級(jí)實(shí)驗(yàn)主控為Addr1，副控為Addr2；實(shí)驗(yàn)中各儀

22、表通訊地址不允許相同。P、I、D參數(shù)可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要調(diào)整，其他參數(shù)請(qǐng)參考默認(rèn)設(shè)置。3.4 PID控制程序設(shè)計(jì)模擬量閉環(huán)控制較好的方法之一是PID控制，PID在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)有60多年，現(xiàn)在依然廣泛地被應(yīng)用。人們?cè)趹?yīng)用的過(guò)程中積累了許多的經(jīng)驗(yàn)，PID的研究已經(jīng)到達(dá)一個(gè)比較高的程度。比例控制(P)是一種最簡(jiǎn)單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。其特點(diǎn)是具有快速反應(yīng)，控制及時(shí)，但不能消除余差。在積分控制(I)中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。積分控制可以消除余差，但具有滯后特點(diǎn)，不能快速對(duì)誤差進(jìn)行有效的控制。在微分控制(D)中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分（即誤差

23、的變化率）成正比關(guān)系。微分控制具有超前作用，它能猜測(cè)誤差變化的趨勢(shì)。避免較大的誤差出現(xiàn)，微分控制不能消除余差。PID控制，P、I、D各有自己的長(zhǎng)處和缺點(diǎn)，它們一起使用的時(shí)候又和互相制約，但只有合理地選取PID值，就可以獲得較高的控制質(zhì)量。3.4.1 PID控制算法圖3-5 閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖3-5所示，PID控制器可調(diào)節(jié)回路輸出，使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。偏差e和輸入量r、輸出量c的關(guān)系: 控制器的輸出為：（公式3-1） ：PID回路輸出 ：比例系數(shù)P ：積分系數(shù)I ：微分系數(shù)DPID調(diào)節(jié)的傳輸函數(shù)為： （公式3-2） 數(shù)字計(jì)算機(jī)處理這個(gè)函數(shù)關(guān)系式，必須將連續(xù)函數(shù)離散化，對(duì)偏差周期采樣后，計(jì)算機(jī)輸出值

24、。其離散化的規(guī)律如表3.4所示：表3.4 模擬與離散形式模擬形式離散化形式所以PID輸出經(jīng)過(guò)離散化后，它的輸出方程為:（公式3-3） 式中，稱(chēng)為比例項(xiàng)稱(chēng)為積分項(xiàng)稱(chēng)為微分項(xiàng)上式中，積分項(xiàng)是包括第一個(gè)采樣周期到當(dāng)前采樣周期的所有誤差的累積值。計(jì)算中，沒(méi)有必要保留所有的采樣周期的誤差項(xiàng)，只需要保留積分項(xiàng)前值，計(jì)算機(jī)的處理就是按照這種思想。故可利用PLC中的PID指令實(shí)現(xiàn)位置式PID控制算法量。3.4.2 PID參數(shù)整定PID參數(shù)整定方法就是確定調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)P、積分時(shí)間Ti和和微分時(shí)間Td，改善系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性，使系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程達(dá)到最為滿(mǎn)意的質(zhì)量指標(biāo)要求。一般可以通過(guò)理論計(jì)算來(lái)確定，但誤差太大

25、。目前，應(yīng)用最多的還是工程整定法：如經(jīng)驗(yàn)法、衰減曲線法、臨界比例帶法和反應(yīng)曲線法。經(jīng)驗(yàn)法又叫現(xiàn)場(chǎng)湊試法，它不需要進(jìn)行事先的計(jì)算和實(shí)驗(yàn)，而是根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，利用一組經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，根據(jù)反應(yīng)曲線的效果不斷地改變參數(shù)，對(duì)于溫度控制系統(tǒng)，工程上已經(jīng)有大量的經(jīng)驗(yàn)，其規(guī)律如表3.2所示。表3.2 溫度控制器參數(shù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)被控變量規(guī)律的選擇比例度積分時(shí)間（分鐘）微分時(shí)間（分鐘）溫度滯后較大20603100.53 根據(jù)反復(fù)的試湊，調(diào)處比較好的結(jié)果是P=15，I=2.0，D=0.5。3.5 通信配置與通信方式3.5.1 串行數(shù)據(jù)傳送和并行數(shù)據(jù)傳送(1)并行數(shù)據(jù)傳送：并行數(shù)據(jù)傳送時(shí)所有數(shù)據(jù)位是同時(shí)進(jìn)行的，以字或字節(jié)為單位傳

26、送。并行傳輸速度快，但通信線路多、成本高，適合近距離數(shù)據(jù)高速傳送。(2)串行數(shù)據(jù)傳送：串行數(shù)據(jù)傳送時(shí)所有數(shù)據(jù)是按位(bit)進(jìn)行的。串行通信僅需要一對(duì)數(shù)據(jù)線就可以。在長(zhǎng)距離數(shù)據(jù)傳送中較為合適。網(wǎng)絡(luò)傳送數(shù)據(jù)的方式絕大多數(shù)為串行方式，而計(jì)算機(jī)或PLC內(nèi)部數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)都是并行的。若要串行發(fā)送、接收數(shù)據(jù)，則要進(jìn)行相應(yīng)的串行、并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，即在數(shù)據(jù)發(fā)送前，要把并行數(shù)據(jù)先轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)；而在數(shù)據(jù)接收后，要把串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)后再處理。3.5.2 異步方式與同步方式根據(jù)串行通信數(shù)據(jù)傳輸方式的不同可以分為異步方式和同步方式。(1)異步方式：又稱(chēng)起止方式。它在發(fā)送字符時(shí)，要先發(fā)送起始位，然后才是字符本身，

27、最后是停止位。字符之后還可以加入奇偶校驗(yàn)位。異步傳送較為簡(jiǎn)單，但要增加傳送位，將影響傳輸速率。異步傳送是靠起始位和波特率來(lái)保持同步的。(2)同步方式：同步方式要在傳送數(shù)據(jù)的同時(shí)，也傳遞時(shí)鐘同步信號(hào)，并始終按照給定的時(shí)刻采集數(shù)據(jù)。同步方式傳遞數(shù)據(jù)雖提高了數(shù)據(jù)的傳輸速率，但對(duì)通信系統(tǒng)要求較高。第4章 實(shí)驗(yàn)步驟及結(jié)果分析4.1實(shí)驗(yàn)步驟1、 按圖4-1接好實(shí)驗(yàn)導(dǎo)線和通訊線。 圖4-1 鍋爐溫度控制實(shí)驗(yàn)接線圖2、 先將手動(dòng)閥門(mén)1V3、1V10、打開(kāi)，V3關(guān)閉。3、先打開(kāi)實(shí)驗(yàn)對(duì)象的系統(tǒng)電源，然后打開(kāi)控制臺(tái)上的總電源，再打開(kāi)DDC控制單元電源。4、打開(kāi)水泵1開(kāi)關(guān)。待水標(biāo)內(nèi)水位超過(guò)總高度的2/3，打開(kāi)V3，手

28、動(dòng)調(diào)節(jié)1V3，V3，使水標(biāo)高度基本不變。其他閥門(mén)關(guān)閉。5、打開(kāi)計(jì)算機(jī)上的PCS-E-PLC MCGS運(yùn)行環(huán)境，選擇系統(tǒng)管理菜單中的用戶(hù)登錄，登錄用戶(hù)。6、選擇單回路控制實(shí)驗(yàn)的鍋爐溫度控制實(shí)驗(yàn)。7、選擇PLC控制方式。8、按本章第一節(jié)中的經(jīng)驗(yàn)法或動(dòng)態(tài)特性參數(shù)法整定調(diào)節(jié)器參數(shù)，選擇PI控制規(guī)律，并按整定后的PI參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)置。9、設(shè)置參數(shù)Tc,Sv,Kc,Ti,Td。10、在信號(hào)板上打開(kāi)加熱信號(hào)輸入、溫度信號(hào)輸出、打開(kāi)加熱開(kāi)關(guān)11、觀察計(jì)算機(jī)上的實(shí)時(shí)曲線和歷史曲線。12、待系統(tǒng)穩(wěn)定后，給定加個(gè)階躍信號(hào)，觀察其液位變化曲線。13、再等系統(tǒng)穩(wěn)定后，給系統(tǒng)加個(gè)干擾信號(hào)，觀察液位變化曲線。實(shí)驗(yàn)?zāi)M

29、圖如下： 圖4-2 實(shí)驗(yàn)?zāi)M圖 參數(shù)設(shè)置：采樣周期為10微妙，設(shè)定溫度為55度，比例系數(shù)為5，積分系數(shù)200，微分系數(shù)為0如下圖：圖4-3 參數(shù)設(shè)置 實(shí)驗(yàn)控制界面： 圖4-4 實(shí)驗(yàn)控制窗口 歷史曲線圖（根據(jù)時(shí)間順序）：圖4-5 歷史曲線1 圖4-6 歷史曲線2 圖4-7 歷史曲線34.2 結(jié)果分析 經(jīng)過(guò)12分鐘的加熱調(diào)節(jié)之后，鍋爐的額溫度穩(wěn)定在了設(shè)定的值55度，如圖4-8所示： 圖4-8 溫度恒定55° 本次試驗(yàn)是通過(guò)調(diào)節(jié)PID參數(shù)來(lái)影響鍋爐中水溫調(diào)節(jié)的歷史曲線（水溫調(diào)節(jié)過(guò)程），通過(guò)對(duì)PID調(diào)節(jié)的了解來(lái)認(rèn)識(shí)分析實(shí)驗(yàn)中過(guò)程曲線的形成。 結(jié) 論本課題設(shè)計(jì)了基于儀表的鍋爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

30、儀器儀表正向著多功能化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、計(jì)算機(jī)化逐步發(fā)展，制造技術(shù)的高精尖與跨學(xué)科綜合設(shè)計(jì)都使儀器儀表能夠更簡(jiǎn)捷、可靠、靈敏、高速地獲得被控制、檢測(cè)、分析對(duì)象的全面信息。PID閉環(huán)控制是控制系統(tǒng)中應(yīng)用很廣泛的一種控制算法，對(duì)大部分控制對(duì)象都有良好的控制效果。組態(tài)軟件組態(tài)王因其簡(jiǎn)單易用的特點(diǎn)，在HMI設(shè)計(jì)中深受用戶(hù)的喜歡而得到廣泛的使用。在組態(tài)軟件組態(tài)王的基礎(chǔ)上，我們成功設(shè)計(jì)出了溫度控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)達(dá)到了快、準(zhǔn)、穩(wěn)的效果，也達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。再加上由組態(tài)王設(shè)計(jì)的人機(jī)界面，整個(gè)系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，控制方便，大大提高了系統(tǒng)的自動(dòng)化程度和實(shí)用性。該溫度控制系統(tǒng)也有一些有不足的地方需要改進(jìn)，控制時(shí)我們用了控制軟件自帶的PID指令向?qū)K，這樣雖然方便，但是使得控制系統(tǒng)超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間都稍微偏大，若不直接調(diào)用該模塊，而是自己編寫(xiě)PID控制子程序的話，控制效果可能會(huì)更好。還有人機(jī)界面內(nèi)容不夠豐富。日后，隨著對(duì)儀表控制和通信方式的深入了解，還可以豐富遠(yuǎn)程控制指令，以應(yīng)對(duì)運(yùn)行過(guò)程中的各種突發(fā)事件，通過(guò)構(gòu)建復(fù)雜的多級(jí)網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)大型的工業(yè)控制，使該系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)更加穩(wěn)定可靠，性能更加完善。致 謝本課題的研究是胡老師的