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过程控制设计实验报告材料压力控制

第一章过程控制仪表课程设计的目的1

1.1设计目的1

1.2课程在教学计划中的地位和作用1

第二章液位控制系统（实验部分）2

2.1控制系统工艺流程2

2.2控制系统的控制要求4

2.3系统的实验调试5

第三章水箱压力控制系统设计7

3.1引言12

3.2系统总体设计13

3.3系统软件部分设计16

3.4总结19

第四章收获、体会24

参考文献25

第一章过程控制仪表课程设计的目的意义

1.1设计目的

本课程设计主要是通过对典型工业生产过程中常见的典型工艺参数的测量方法、信号处理技术和控制系统的设计，掌握测控对象参数检测方法、变送器的功能、测控通道技术、执行器和调节阀的功能、过程控制仪表的PID控制参数整定方法，进一步加强对课堂理论知识的理解与综合应用能力，进而提高学生解决实际工程问题的能力。

基本要求如下:

1.掌握变送器功能原理，能选择合理的变送器类型型号；

2.掌握执行器、调节阀的功能原理，能选择合理的器件类型型号；

3.掌握PID调节器的功能原理，完成相应的压力、流量、液位及温度控制系统的总体设计，并画出控制系统的原理图和系统主要程序框图。

4．通过对一个典型工业生产过程（如煤气脱硫工艺过程）进行分析，并对其中的一个参数（如温度、压力、流量、液位）设计其控制系统。

1.2课程设计的基本要求

本课程设计是为《过程控制仪表》课程而开设的综合实践教学环节，是对《现代检测技术》、《自动控制理论》、《过程控制仪表》、《计算机控制技术》等前期课堂学习内容的综合应用。

其目的在于培养学生综合运用理论知识来分析和解决实际问题的能力，使学生通过自己动手对一个工业过程控制对象进行仪表设计与选型，促进学生对仪表及其理论与设计的进一步认识。

课程设计的主要任务是设计工业生产过程经常遇到的压力、流量、液位及温度控制系统，使学生将理论与实践有机地结合起来，有效的巩固与提高理论教学效果。

课程设计主要是通过对典型工业生产过程中常见的典型工艺参数的测量方法、信号处理技术和控制系统的设计，掌握测控对象参数检测方法、变送器的功能、测控通道技术、执行器和调节阀的功能、过程控制仪表的PID控制参数整定方法，进一步加强对课堂理论知识的理解与综合应用能力，进而提高学生解决实际工程问题的能力。

基本要求如下:

1.掌握变送器功能原理，能选择合理的变送器类型型号；

2.掌握执行器、调节阀的功能原理，能选择合理的器件类型型号；

3.掌握PID调节器的功能原理，完成相应的压力、流量、液位及温度控制系统的总体设计，并画出控制系统的原理图和系统主要程序框图。

4．通过对一个典型工业生产过程（如煤气脱硫工艺过程）进行分析，并对其中的一个参数（如温度、压力、流量、液位）设计其控制系统。

第二章液位控制系统（实验部分）

2.1控制系统工艺流程

液位控制系统装置由三个相同大小的容器、液位检测变送仪表及执行机构组成，配套的仪表屏上安装了配有带连接信号插座孔的整个工艺过程模拟流程图、调节控制仪表、手操器、显示仪表等。

工艺过程模拟流程图如图2.1所示。

图2.1带连接信号插座孔的液位装置工艺模拟流程图

上图2.1中，标有字母的方块为各种仪表，○为各仪表输入、输出信号的单线接插件的插座孔（＋，－插孔）。

其中:

C：

控制器（调节器）。

该装置配有三个单回路调节器C1、C2和C3，控制输出信号为4~20mA，每个调节器设有三对插座孔（＋，－插孔）。

PV孔为测量值输入，SV孔为外设定输入或阀位反馈信号输入，O孔为调节器输出。

R：

记录仪为无纸3通道记录仪，输入信号4~20mA，其中R1孔为1号通道，R2孔为2号通道，R3孔为3号通道。

每个通道有两个插座孔，其中上孔（＋）接变送器来的信号，下孔（－）用来转接到其他仪表作为输入信号，注意不能接错。

HT：

液位变送器。

液位变送器为LSRY或LSRT，1#~3#输入量程均为0~100mmH2O，变送输出为4~20mA。

VL：

电子式电动调节阀为电子小流量调节阀，电动调节阀输入4~20mA电流信号，对应阀门输出开度0~100%。

V1~2和I1~2：

两路电压/电流转换器。

其中V1为第1路电压输入信号端，I1为第1路电流输出信号端，V2为第2路电压输入信号端，I2为第2路电流输出信号端，O上孔（＋）插孔接电压/电流转换器来的正信号，下孔（－）插孔接电压/电流转换器来的负信号，不能接错。

三级串联水箱如图2.2所示，它由三个水箱组成，稳压水由两路经过电动调节阀VL1和VL2以及手动阀V1～V6，分别流入三个水箱。

调节阀VL1和VL2可以一个作为控制回路的执行机构，另一个用于产生扰动信号。

若以进入水箱的水流量作为输入量，水位作为其输出量，则每一个水箱可以看成是一阶惯性环节的被控对象。

当VL1作为控制回路执行机构，通过手动阀V1、V3和V5的打开关闭不同组合使水箱构成不同阶次的被控对象。

选择第3个水箱的液位H3作为被调变量，关闭手动阀V1和V3，只打开V5，则构成一阶被控对象；关闭手动阀V1和V5，只打开V3，使两个水箱串联，则两个惯性环节串联构成二阶被控对象；关闭手动阀V3和V5，只打开手动阀V1，使三个水箱串联，则三个惯性环节串联构成三阶被控对象。

当然，第一个水箱的液位H1和第二个水箱的液位H2也可以作为被调变量，构成二阶或一阶被控对象。

图2.2液位控制系统实验装置原理图

2.2控制系统的控制要求

1.单回路液位控制系统

单回路液位控制系统是由下列4部分组成的：

（1）被控对象—水箱；

（2）电子阀；（3）液位变送器；（4）PID智能调节器等组成。

它们连接成控制系统的方框图如图2.3所示。

图2.3单回路液位控制系统方框图

图2.3中被控对象是三级串联的水箱，被控制量是水箱的液位Hs，调节参数是流入水箱的水流量Q，水箱液位由液位变送器检测得到液位反馈信号Hf，它和液位设定信号Hs进行比较，得到偏差信号Hi，调节器对输入偏差Hi进行PID运算，输出变化量u控制信号，控制电子调节阀门的阀位，改变调节参数Q，使被调参数H保持在设定值。

其中f为系统扰动信号。

控制要求：

稳态误差在2%以内，响应时间少于100s

2.双回路串级控制

串级PID控制就是将两个PID控制器串联在一起，控制一个执行阀，实现定值控制。

在大多数控制情况下，主控制器采用比例、积分、微分控制，副控制器采用比例或者比例、积分控制。

图2.4是水箱液位串级控制系统的方框图。

有主、副两个控制回路，主、副调节器相串联工作，其中主调节器有自己独立的给定值Hs，它的输出U1作为副调节器的给定值，副调节器的输出u2控制执行器，以改变主参数H1。

图2.4串级液位控制系统方框图

其中，Hs是主参数的给定值，H1是被控的主参数，H2是副参数，f1是作用在主对象上的扰动，f2是作用在副对象上的扰动。

液位串级控制系统具有两个调节器、两个闭环回路和两个执行对象，由于着眼点不同，使得主调节器和副调节器的控制规律选择不一样。

设置副回路的目的主要是为了提高主变量的控制质量，因此，副回路具有快速抗干扰的功能，起着“粗调”和“先调”的作用，对副变量本身没有严格的要求。

因此，副控制器一般只选择比例或比例积分作用，而主变量是需要严格控制的，主控制器常采用比例积分或者比例积分微分控制器。

控制要求：

响应时间和稳态误差都要尽可能的小，动态响应曲线接近理想曲线，超调量σ＜20%，调节时间Ts≤100s，余差＜5%

系统的实验调试

（1）按设计好的线路图接线，确定无误后方可合上电源。

（2）按照课本要求设置PID智能控制调节器控制参数（包括二级参数）。

（3）先设定主、副调节器的控制规律、PID参数。

智能调节器1主给定量SV设为100，智能调节器2设定为外给定。

打开手动阀1，回水阀1打开50%，启动水泵1并运行系统。

在上位监控系统观察液位串级过程控制系统的输出特性。

该系统为复杂系统，用工程的方法反复调整PID参数，直到系统动态、静态特性满足要求为止。

其中PID参数调节按照以下原则

对于液位系统：

P（%）20--80，I（分）1--5

参数整定找最佳，从小到大顺序查

先是比例后积分，最后再把微分加

曲线振荡很频繁，比例度盘要放大

曲线漂浮绕大湾，比例度盘往小扳

曲线偏离回复慢，积分时间往下降

曲线波动周期长，积分时间再加长

曲线振荡频率快，先把微分降下来

动差大来波动慢。

微分时间应加长

理想曲线两个波，前高后低4比1

一看二调多分析，调节质量不会低

（4）记录各个参数

主回路T0=3s,P=50,I=40,D=5,Kp=2,Ki=0.3,Kd=5/3

副回路T0=3s,P=100,I=45,D=3,Kp=1,Ki=2/15,Kd=0.5

最终调节达到的效果：

调节时间90s；超调量0.16；余差0.02

第三章水箱压力控制系统设计

摘要

本文设计了以PC机为上位机、AT89C51单片机为下位机，并辅之以传感器、变频器以及相关接口部件的二级集散压力控制系统。

着重介绍了基于TLC2543单片机的数据采集与处理系统。

1、引言

本课题来自某管道的流量、液位控制系统，主要研究的是基于单片机的压力参数的控制和调节，即以单片机为调节器，辅助以配套的A/D,D/A转换单元及电路，通过执行数字PID程序实现自动调整。

图1为该压力控制系统简图，这是一个单回路反馈控制系统，控制的任务是使水箱的压力等于某定值，减小或消除来自系统内部或外部扰动的影响。

交流电动机带动齿轮泵通过阀1向上水箱供水，调节阀2使之同时向外排水，达到被控压力参数的动态调整。

单回路控制系统由于结构简单、投资小、操作方便、且能满足一般生产过程的要求，故它在过程控制中得到广泛应用。

当一个单回路系统设计安装就绪之后，控制质量的好坏与控制器参数的选择有着很大的关系。

合适的控制参数，可以带来满意的控制效果。

反之，控制器参数选择的不合适，则会使控制质量变坏，达不到预期的效果。

因此，当一个单回路系统搭建好以后，如何整定好控制器的参数是一个很重要的问题。

图1单容水箱压力控制系统简图

2、系统总体设计

2.1单片机监控系统的作用和功能

该系统实现控制功能的主要单元是一个基于单片机的压力控制系统，其结构框图如图2所示。

主要组成部分有：

基于扩散硅传感器的压力检测单元、A/D转换单元、以AT89C51单片机为核心的控制单元以及调节水箱进水量的变频调速单元具体的工作过程是：

设定欲稳定的水箱的液位高度，通过压力检测元件获取当前水箱的液位压力值，经模/数转换芯片将模拟信号转换为数字信号，送单片机与设定值进行比较，得到偏差信号，该信号经过调节器做PID运算后，输给变频器一个转速控制信号，通过数/模转换器将变频器调速信号由数字信号转换成模拟信号，由于变频器的输出频率与输入电压成比例，可变的输出频率调整电动机和水泵的转速，从而调节流量，达到调节水箱压力的目的。

上位机

电动机与泵

D/A转换器

单片机

A/D转换器

检测单元

水箱

图2单片机控制系统结构框图

2.2数据采集与处理系统

在本实验装置中，数据采集与处理系统的任务是将检测元件获取的当前水箱的实际液位高度转换成相应的电压值，以便单片机将该电压值与设定的电压值进行比较，从而按所得偏差信号进行控制运算。

本实验装置针对压力缓慢变化的模拟信号，考虑到经济、实用等因素，在原有控制器的基础上，以AT89C51单片机为核心，利用少量的I/O接口，采用TLC2543串行A/D转换芯片，扩展出一个数据采集系统。

AT89C51单片机是ATEML公司出产的一款经济、高性能单片机，其主要特性如下：

1）工作频率为0~24MHz

2）两个标准16位定时/计数器

3）32条可编程I/O口线，5个中断源

4）4K字节快闪ROM,128字节RAM

5）40引脚，DIP封装

模数转换器选用TI公司的12位串行TLC2543，其分辨率较高，使用开关电容逐次逼近技术完成A/D转换过程，且采用的串行输入结构。

TLC2543有12个输入通道，有三种输出数据长度，每种数据又可以设定为不同的数据顺序（高位在前还是低位在前）。

通道的选择、数据格式的设定，都是通过控制器向TLC2543写控制字来实现的。

控制字格式如表1所示。

表1控制寄存器中各位定义

通道选侧

输入数据长度

输入数据顺序

极性选择

D7（MSB）

D6

D5

D7

D3

D2

D2

D0

本装置中液位的测量采用的是MPX201ODP型传感器。

其工作原理是在单晶硅的基础上扩散出P型或N型电阻条，接成电桥。

在压力作用下，根据半导体的压—阻效应，把压力的变化转换成电阻的变化，经过测量电路所测的输出电压反映出所受压力的变化，即液位的变化。

当硅膜片上受到压力1P和2P作用时，由于它们对膜片产生的压力正好相反，因此作用在膜片上的压力ΔP=P−P从而可以进行压差测量。

实验中具体的测量方式为空气管传感方式：

将一根管子竖直立起，其一端放于液体容器中，另一端完全敞开，则在管子里面的液面与容器中的是完全相同的。

若将管子的上端封住（接到MPX201ODP的压力面），管子内就会留有一定体的气体。

当容器内液位变化时，管内空气的压力将会成比例地变化，则MPX201ODP传感器的压力面会将其所感知的压力变化传送给TLC2543串行A/D转换芯片，将该压力的变化转换成电信号。

2.3PID控制器设计

常规PID控制作为一种传统的控制方法，综合了关于系统的过去（I）、现在（P）和未来（D）三方面信息，以其计算量小、实时性好、易于实现等优点广泛应用于过程控制中。

PID有两种基本结构，即完全微分型PID和不完全微分型PID。

不完全微分型PID又有三种变异法。

为了达到最优的控制效果，PID调节参数Kp（比例增益）、Td（微分时间）、Ti（积分时间）以及微分增益r必须合理设置。

由于本实验装置的过程控制具有惯性大、滞后时间长等特点。

理论证明，对于具有Ke-t/（1+T1+T2S）特点的控制对象，PID是一种最优控制。

但常规PID算法的积分系数是一个常数，实际上是一个兼顾几个方面的折中值。

从尽快消除控制系统的静态误差的角度考虑，希望PID算法的积分系数尽量的大；但从降低控制过程中超调量的角度考虑，又希望PID控制算法的积分系数尽量的小。

因此在本实验装置的控制系统中，我们采用变速积分PID算法，根据控制系统的当前状态，动态、合理地改变PID控制算法的积分常数，以提高控制品质。

3、系统软件部分设计

3.1数据采集子程序

对于串行输入输出数模转换器，在编程应特别注意TLC2543的工作时序，其I/OCLOCK引脚接收串行输入信号，在I/OCLOCK的前8个上升沿，DIN引脚的8位输入数据存入数据存储器；在I/OCLOCK的第4个下降沿，被选通的模拟输入电压开始向电容器充电，直到I/OCLOCK的最后一个下降沿为止；将前一次转换数据的其余11位输出到DATAOUT端，在I/OCLOCK的下降沿时，数据开始变化；I/OCLOCK的最后一个下降沿，将转换的控制信号传送到内部状态控制位。

因此，TLC2543在每次I/O周期读取到的数据都是前一次的转换结果，应该丢弃，再读一次，即为当前转换值。

数据采集子程序的程序流程图如图3所示。

读出12位数据的低8位

写入通道方式控制字，并读出12位数据的高8位

功能选择CS开启

等待转换结束标志位为1

功能选择CS关闭

通道左移4位

结束

6个字节数据是

否发送完毕

将TI清零

等待TI为1

设置串口波特率为9600b/s

串口初始化

将一个字节数据写入SBUF寄存器中

I/OCLOCK时间清零

图3数据采集子程序流程图图4数据传送子程序流程图

3.2数据传输子程序

单片机数据传输子程序的功能是将单片机通过TLC2543采集到的数据，通过单片机的串行口以一个固定的波特率发送到PC机。

本实验中采用的是9600b/s的波特率。

为简单起见，发送数据以6个字节为一帧，其传输格式为前16位的同步码，中间16位数据（其中后12位有效，即为系统采集到的数据），最后16为CRC校验码。

其程序流程图如图4所示。

3.3PID控制子程序

PID控制程序的入口参数是经A/D转换的实际值，而它的各个系数均由初始化时确定，若要修改，则通过单片机控制屏来完成。

PID增量型的出口参数是直接输入D/A转换的数值。

本设计是将PID控制作为主要控制方法，将其放在初始程序中。

不需要时，只要将其入口地址改变即可。

PID控制子程序流程如图5所示。

该PID控制算法的主要目的是消除静差和提高控制精度，系统短时间内输出偏差很大会导致控制量超出执行机构允许的最大动作范围，从而使系统出现较大的超调量甚致发生系统振荡。

采用变速积分法根据系统偏差的大小改变积分项的累积速度，对提高系统的品质十分有效。

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4、系统其他部分设计

上位机和下位机之间采用基于RS232C通信标准的半双工数据通信方式，为提高系统抗干扰能力的设计了看门狗电路。

文中的数据采集与处理程序、上位机与下位机之间的通信程序都使用执行效率较高的汇编语言来完成，上位机的人机交互界面与数据输出程序采用高级语言C来开发。

5、总结

本系统以AT89C51单片机为核心，利用少量的I/O接口，采用TLC2543串行A/D转换芯片，扩展出一个数据采集系统，在某液压控制试验系统中得到了利用，并表现出良好的效果。

该基于单片机的过程控制系统具有体积小、简单实用、成本低、性能价格比高等特点，且系统不易受到干扰，可靠性好，具有很大的市场价值。

第四章收获与体会

经过这一段时期的课程设计，我对水箱压力控制系统有了很大的了解。

主要运用了微机原理、单片机原理及应用、DSP原理及应用、计算机控制技术、控制理论与系统的等理论知识，掌握控制系统的设计方法与步骤，了解控制系统构造的特点、组成和接口电路，本系统是基于单片机的锅炉压力控制，在设计中主要有压力检测、按键控制、循环控制、压力控制、显示部分、故障报警等几部分组成来实现压力控制。

主要用压力传感器检测锅炉压力，用三位显示器来完成显示部分，用压力传感器检测锅炉内部压力。

并且通过模数转换把这些信号送入单片机中。

本设计用单片机控制易于实现压力控制、而且有造价低、程序易于调试、一部分出现故障不会影响其他部分的工作、维修方便、等优点。

本系统通过给定值给单片机，然后进行信号检测通过D/A转换将模拟量转换成数字量给执行机构进行PID整定，这里采用的是临界比例度整定方法将调节器置于纯比例作用下，从小到大逐渐改变调节器的比例度，得到等幅振荡的过渡过程。

得到相应的比例度和振荡周期，根据经验公式得到PID整定下的系数，得到单位阶跃响应曲线。

参考文献资料

[1]《运动控制系统》主编阮毅陈伯时机械工业出版社

[2]《微型计算机控制技术》主编赖寿宏机械工业出版社

[3]《数字电子技术》主编阎石高等教育出版社

[4]《单片机原理及应用》主编张毅刚高等教育出版社

[5]《信号分析与处理》主编赵光宙机械工业出版社

[6]《MCS-51系列单片机实用子程序集锦》陈伟人清华大学出版社