1、目錄第一章 過程控制儀表課程設計的目的 仁1.1 設計目的1.1.2 課程在教學計劃中的地位和作用 1第二章 液位控制系統（實驗部分） 2.2.1 控制系統工藝流程 2.2.2 控制系統的控制要求4.2.3 系統的實驗調試5.第三章水箱壓力控制系統設計73.1 引言1.2.3.2 系統總體設計.13.3.3 系統軟件部分設計16.3.4 總結19.第四章收獲、體會24.參考文獻25.第一章 過程控制儀表課程設計的目的意義1.1 設計目的本課程設計主要是通過對典型工業生產過程中常見的典型工 藝參數的測量方法、信號處理技術和控制系統的設計，掌握測控對象 參數檢測方法、變送器的功能、測控通道技術、執

2、行器和調節閥的功 能、過程控制儀表的 PID控制參數整定方法，進一步加強對課堂理 論知識的理解與綜合應用能力，進而提高學生解決實際工程問題的能 力。基本要求如下：1. 掌握變送器功能原理，能選擇合理的變送器類型型號；2. 掌握執行器、調節閥的功能原理，能選擇合理的器件類型型 號；3. 掌握PID調節器的功能原理，完成相應的壓力、流量、液位 及溫度控制系統的總體設計，并畫出控制系統的原理圖和系統主要程 序框圖。4 .通過對一個典型工業生產過程（如煤氣脫硫工藝過程）進行 分析，并對其中的一個參數（如溫度、壓力、流量、液位）設計其控 制系統。1.2課程設計的基本要求本課程設計是為過程控制儀表課程而開

3、設的綜合實踐教學環節，是對現代檢測技術、自動控制理論、過程控制儀表、計算機控制技術等前期課堂學習內容的綜合應用。其目的在于培 養學生綜合運用理論知識來分析和解決實際問題的能力，使學生通過 自己動手對一個工業過程控制對象進行儀表設計與選型，促進學生對 儀表及其理論與設計的進一步認識。 課程設計的主要任務是設計工業 生產過程經常遇到的壓力、流量、液位及溫度控制系統，使學生將理 論與實踐有機地結合起來，有效的鞏固與提高理論教學效果。課程設計主要是通過對典型工業生產過程中常見的典型工藝參數的測量方法、信號處理技術和控制系統的設計，掌握測控對象參數 檢測方法、變送器的功能、測控通道技術、執行器和調節閥的

4、功能、 過程控制儀表的PID控制參數整定方法，進一步加強對課堂理論知 識的理解與綜合應用能力，進而提高學生解決實際工程問題的能力。 基本要求如下：1. 掌握變送器功能原理，能選擇合理的變送器類型型號；2. 掌握執行器、調節閥的功能原理，能選擇合理的器件類型型號；3. 掌握PID調節器的功能原理，完成相應的壓力、流量、液位 及溫度控制系統的總體設計，并畫出控制系統的原理圖和系統主要程 序框圖。4 .通過對一個典型工業生產過程（如煤氣脫硫工藝過程）進行 分析，并對其中的一個參數（如溫度、壓力、流量、液位）設計其控 制系統。PV 8V 0 +O +O| -qp | sO第二章液位控制系統（實驗部分）

5、2.1控制系統工藝流程液位控制系統裝置由三個相同大小的容器、 液位檢測變送儀表及 執行機構組成，配套的儀表屏上安裝了配有帶連接信號插座孔的整個 工藝過程模擬流程圖、調節控制儀表、手操器、顯示儀表等。工藝過 程模擬流程圖如圖2.1所示。PV SV 0 +o rw sI +0+0 +0+0I入出入出II0I3E11e1 I I i圖2.1帶連接信號插座孔的液位裝置工藝模擬流程圖上圖2.1中，標有字母的方塊為各種儀表，O為各儀表輸入、輸 出信號的單線接插件的插座孔（ + ,插孔）。其中：C:控制器（調節器）。該裝置配有三個單回路調節器 C1、C2 和C3,控制輸出信號為420mA ,每個調節器設有三

6、對插座孔（+, 插孔）。PV孔為測量值輸入，SV孔為外設定輸入或閥位反饋信號輸入， O孔為調節器輸出。R:記錄儀為無紙3通道記錄儀，輸入信號420mA，其中R1 孔為1號通道，R2孔為2號通道，R3孔為3號通道。每個通道有 兩個插座孔，其中上孔（+ ）接變送器來的信號，下孔（）用來轉接到其他儀表作為輸入信號，注意不能接錯。HT:液位變送器。液位變送器為 LSRY或LSRT, 1#3#輸入 量程均為0100mmH20 ，變送輸出為420mA。VL :電子式電動調節閥為電子小流量調節閥，電動調節閥輸入 420 mA 電流信號，對應閥門輸出開度 0100%。V12和112 :兩路電壓/電流轉換器。其

7、中V1為第1路電壓 輸入信號端，11為第1路電流輸出信號端，V2為第2路電壓輸入信 號端，12為第2路電流輸出信號端，0上孔（+ ）插孔接電壓/電流 轉換器來的正信號，下孔（-）插孔接電壓/電流轉換器來的負信號， 不能接錯。三級串聯水箱如圖2.2所示，它由三個水箱組成，穩壓水由兩路 經過電動調節閥VL1和VL2以及手動閥V1V6，分別流入三個水 箱。調節閥VL1和VL2可以一個作為控制回路的執行機構，另一個 用于產生擾動信號。若以進入水箱的水流量作為輸入量， 水位作為其 輸出量，則每一個水箱可以看成是一階慣性環節的被控對象。當VL1作為控制回路執行機構，通過手動閥 V1、V3和V5的打開關閉不

8、同 組合使水箱構成不同階次的被控對象。 選擇第3個水箱的液位H3作 為被調變量，關閉手動閥V1和V3，只打開V5，則構成一階被控對 象；關閉手動閥V1和V5，只打開V3，使兩個水箱串聯，則兩個慣 性環節串聯構成二階被控對象；關閉手動閥 V3和V5，只打開手動 閥V1，使三個水箱串聯，則三個慣性環節串聯構成三階被控對象。當然，第一個水箱的液位H1和第二個水箱的液位H2也可以作為被調變量，構成二階或一階被控對象圖2.2液位控制系統實驗裝置原理圖2.2 控制系統的控制要求1.單回路液位控制系統單回路液位控制系統是由下列 4部分組成的：（1）被控對象一 水箱；（2）電子閥；（3）液位變送器；（4） P

9、ID智能調節器等組 成。它們連接成控制系統的方框圖如圖 2.3所示。圖2.3 單回路液位控制系統方框圖圖2.3中被控對象是三級串聯的水箱，被控制量是水箱的液位Hs，調節參數是流入水箱的水流量Q，水箱液位由液位變送器檢測得到液位反饋信號Hf,它和液位設定信號Hs進行比較，得到偏差信 號Hi，調節器對輸入偏差Hi進行PID運算，輸出變化量u控制信號, 控制電子調節閥門的閥位，改變調節參數 Q，使被調參數H保持在 設定值。其中f為系統擾動信號。控制要求：穩態誤差在2%以內，響應時間少于100s2.雙回路串級控制串級PID控制就是將兩個PID控制器串聯在一起，控制一個執 行閥，實現定值控制。在大多數控

10、制情況下，主控制器采用比例、積 分、微分控制，副控制器采用比例或者比例、積分控制。圖2.4是水箱液位串級控制系統的方框圖。 有主、副兩個控制回 路，主、副調節器相串聯工作，其中主調節器有自己獨立的給定值 Hs，它的輸出U1作為副調節器的給定值，副調節器的輸出 u2控制 執行器，以改變主參數H1。圖2.4串級液位控制系統方框圖其中，Hs是主參數的給定值，H1是被控的主參數，H2是副參 數，fl是作用在主對象上的擾動，f2是作用在副對象上的擾動。液位串級控制系統具有兩個調節器、 兩個閉環回路和兩個執行對 象，由于著眼點不同，使得主調節器和副調節器的控制規律選擇不一 樣。設置副回路的目的主要是為了提

11、高主變量的控制質量，因此，副 回路具有快速抗干擾的功能，起著“粗調”和“先調”的作用，對副 變量本身沒有嚴格的要求。因此，副控制器一般只選擇比例或比例積 分作用，而主變量是需要嚴格控制的，主控制器常采用比例積分或者 比例積分微分控制器。控制要求：響應時間和穩態誤差都要盡可能的小， 動態響應曲線 接近理想曲線，超調量20%，調節時間Ts100s，余差v 5%系統的實驗調試(1) 按設計好的線路圖接線，確定無誤后方可合上電源。(2) 按照課本要求設置PID智能控制調節器控制參數(包括二 級參數)。(3) 先設定主、副調節器的控制規律、PID參數。智能調節器1主給定量SV設為100，智能調節器2設定

12、為外給定。打開手動閥1，回水閥1打開50%，啟動水泵1并運行系統。在上位監控系統觀 察液位串級過程控制系統的輸出特性。該系統為復雜系統，用工程的 方法反復調整PID參數，直到系統動態、靜態特性滿足要求為止。其中PID參數調節按照以下原則對于液位系統：P（%）20-80，I （分）1-5參數整定找最佳，從小到大順序查先是比例后積分，最后再把微分加曲線振蕩很頻繁，比例度盤要放大曲線漂浮繞大灣，比例度盤往小扳曲線偏離回復慢，積分時間往下降曲線波動周期長，積分時間再加長曲線振蕩頻率快，先把微分降下來動差大來波動慢。微分時間應加長理想曲線兩個波，前高后低4比1一看二調多分析，調節質量不會低（4）記錄各個

13、參數主回路 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最終調節達到的效果：調節時間 90s ;超調量0.16 ;余差0.02第三章水箱壓力控制系統設計摘要本文設計了以PC機為上位機、AT89C51單片機為下位機，并輔之以傳感器、變頻器以及相關接口部件的二級集散壓力控制系統。著重介紹了基于TLC2543單片機的數據采集與處理系統。1、引言本課題來自某管道的流量、液位控制系統，主要研究的是基于單 片機的壓力參數的控制和調節，即以

14、單片機為調節器，輔助以配套的 A/D , D/A 轉換單元及電路，通過執行數字 PID程序實現自動調整。 圖1為該壓力控制系統簡圖，這是一個單回路反饋控制系統，控制的 任務是使水箱的壓力等于某定值，減小或消除來自系統內部或外部擾 動的影響。交流電動機帶動齒輪泵通過閥1向上水箱供水，調節閥2 使之同時向外排水，達到被控壓力參數的動態調整。 單回路控制系統 由于結構簡單、投資小、操作方便、且能滿足一般生產過程的要求， 故它在過程控制中得到廣泛應用。當一個單回路系統設計安裝就緒之 后，控制質量的好壞與控制器參數的選擇有著很大的關系。合適的控 制參數，可以帶來滿意的控制效果。反之，控制器參數選擇的不合

15、適， 則會使控制質量變壞，達不到預期的效果。因此，當一個單回路系統 搭建好以后，如何整定好控制器的參數是一個很重要的問題。給2、系統總體設計2.1單片機監控系統的作用和功能該系統實現控制功能的主要單元是一個基于單片機的壓力控制 系統，其結構框圖如圖2所示。主要組成部分有：基于擴散硅傳感器 的壓力檢測單元、A/D轉換單元、以AT89C51單片機為核心的控制 單元以及調節水箱進水量的變頻調速單元具體的工作過程是：設定欲穩定的水箱的液位高度，通過壓力檢測元件獲取當前水箱的液位壓力 值，經模/數轉換芯片將模擬信號轉換為數字信號，送單片機與設定 值進行比較，得到偏差信號，該信號經過調節器做PID運算后，

16、輸給變頻器一個轉速控制信號，通過數/模轉換器將變頻器調速信號由 數字信號轉換成模擬信號，由于變頻器的輸出頻率與輸入電壓成比 例，可變的輸出頻率調整電動機和水泵的轉速，從而調節流量，達到調節水箱壓力的目的。上位A/D轉換D/A轉換電動機與圖2單片機控制系統結構框圖2.2數據采集與處理系統在本實驗裝置中，數據采集與處理系統的任務是將檢測元件獲取的當前水箱的實際液位高度轉換成相應的電壓值，以便單片機將該電壓值與設定的電壓值進行比較，從而按所得偏差信號進行控制運算。本實驗裝置針對壓力緩慢變化的模擬信號，考慮到經濟、實用等因素, 在原有控制器的基礎上，以AT89C51單片機為核心，利用少量的I/O 接口

17、，采用TLC2543串行A/D轉換芯片，擴展出一個數據采集系統。AT89C51單片機是ATEML公司出產的一款經濟、高性能單片機， 其主要特性如下：1）工作頻率為024MHz2 ）兩個標準16位定時/計數器3) 32條可編程I/O 口線，5個中斷源4) 4K字節快閃ROM, 128 字節RAM5) 40引腳，DIP封裝模數轉換器選用TI公司的12位串行TLC2543，其分辨率較高， 使用開關電容逐次逼近技術完成 A/D轉換過程，且采用的串行輸入 結構。TLC2543有12個輸入通道，有三種輸出數據長度，每種數 據又可以設定為不同的數據順序(高位在前還是低位在前)。通道的選 擇、數據格式的設定，

18、都是通過控制器向 TLC2543寫控制字來實現 的。控制字格式如表1所示。表1控制寄存器中各位定義通道選側輸入數據長度輸入數據順序極性選擇D7(MSB)D6D5D7D3D2D2D0本裝置中液位的測量采用的是 MPX201 ODP 型傳感器。其工作 原理是在單晶硅的基礎上擴散出P型或N型電阻條，接成電橋。在 壓力作用下，根據半導體的壓一阻效應，把壓力的變化轉換成電阻的 變化，經過測量電路所測的輸出電壓反映出所受壓力的變化，即液位的變化。當硅膜片上受到壓力1 P和2 P作用時，由于它們對膜片產 生的壓力正好相反，因此作用在膜片上的壓力AP = P - P從而可以進行壓差測量。實驗中具體的測量方式為

19、空氣管傳感方式：將一根管子豎直立 起，其一端放于液體容器中，另一端完全敞開，則在管子里面的液面 與容器中的是完全相同的。若將管子的上端封住（接到MPX201ODP 的壓力面），管子內就會留有一定體的氣體。當容器內液位變化時， 管內空氣的壓力將會成比例地變化，則 MPX201ODP 傳感器的壓力 面會將其所感知的壓力變化傳送給TLC2543串行A/D轉換芯片，將 該壓力的變化轉換成電信號。2.3 PID控制器設計常規PID控制作為一種傳統的控制方法，綜合了關于系統的過去（I）、現在（P）和未來（D）三方面信息，以其計算量小、實時性好、易于實現等優點廣泛應用于過程控制中。PID有兩種基本結構，即完

20、全微分型PID和不完全微分型PID。不完全微分型PID又有三種 變異法。為了達到最優的控制效果，PID調節參數Kp （比例增益）、 Td （微分時間）、Ti （積分時間）以及微分增益r必須合理設置。由于本實驗裝置的過程控制具有慣性大、滯后時間長等特點。理論證明，對于具有Ke-t /（1+T 1+T2S）特點的控制對象，PID是一種 最優控制。但常規PID算法的積分系數是一個常數，實際上是一個 兼顧幾個方面的折中值。從盡快消除控制系統的靜態誤差的角度考 慮，希望PID算法的積分系數盡量的大；但從降低控制過程中超調 量的角度考慮，又希望PID控制算法的積分系數盡量的小。因此在 本實驗裝置的控制系統

21、中，我們采用變速積分 PID算法，根據控制 系統的當前狀態，動態、合理地改變 PID控制算法的積分常數，以 提咼控制品質。3、系統軟件部分設計3.1數據采集子程序對于串行輸入輸出數模轉換器，在編程應特別注意 TLC2543的 工作時序，其I/O CLOCK引腳接收串行輸入信號，在I/O CLOCK的 前8個上升沿，DIN引腳的8位輸入數據存入數據存儲器；在I/O CLOCK的第4個下降沿，被選通的模擬輸入電壓開始向電容器充 電，直到I/O CLOCK的最后一個下降沿為止；將前一次轉換數據的 其余11位輸出到DATA OUT端，在I/O CLOCK的下降沿時，數據 開始變化；I/O CLOCK的

22、最后一個下降沿，將轉換的控制信號傳送 到內部狀態控制位。因此，TLC2543在每次I/O周期讀取到的數據 都是前一次的轉換結果，應該丟棄，再讀一次，即為當前轉換值。數 據采集子程序的程序流程圖如圖3所示。圖3數據采集子程序流程圖圖4數據傳送子程序流程圖3.2數據傳輸子程序單片機數據傳輸子程序的功能是將單片機通過 TLC2543采集 到的數據，通過單片機的串行口以一個固定的波特率發送到PC機。本實驗中采用的是9600b/s的波特率。為簡單起見，發送數據以6個 字節為一幀，其傳輸格式為前16位的同步碼，中間16位數據（其 中后12位有效，即為系統采集到的數據），最后16為CRC校驗碼。 其程序流程

23、圖如圖4所示。3.3 PID控制子程序PID控制程序的入口參數是經A/D轉換的實際值，而它的各個 系數均由初始化時確定，若要修改，則通過單片機控制屏來完成。PID 增量型的出口參數是直接輸入D/A轉換的數值。本設計是將PID控制作為主要控制方法，將其放在初始程序 中。不需要時，只要將其入口地址改變即可。PID控制子程序流程如圖5所示。該PID控制算法的主要目的是消除靜差和提高控制精 度，系統短時間內輸出偏差很大會導致控制量超出執行機構允許的最 大動作范圍，從而使系統出現較大的超調量甚致發生系統振蕩。采用 變速積分法根據系統偏差的大小改變積分項的累積速度，對提高系統的品質十分有效。4、系統其他部分設計上位機和下位機之間采用基于RS232C通信標準的半雙工數據通 信方式，為提高系統抗干擾能力的設計了看門狗電路。文中的數據采集與處理程序、上位機與下位機之間的通信程序都使用執行效率較高 的匯編語言來完成，上位機的人機交互界面與數據輸出程序采用高級 語言C來開發。