水塔温度过程控制系统
学号：B********
姓名：***
1. 系统设计方案概述
本次设计采用串级控制系统对水塔温度进行控制。
过程控制系统由过程检测、变送和控制仪表、执行装置等组成，通过各种类型的仪表完成对过程变量的检测、变送和控制，并经执行装置作用于生产过程。
串级控制系统是两只调节器串联起来工作，其中一个调节器的输出作为另一个调节器的给定值的系统。此系统改善了过程的动态特性，提高了系统控制质量，能迅速克服进入副回路的二次扰动，提高了系统的工作频率，对负荷变化的适应性较强。
串级控制系统工程应用场合如下：
（1）应用于容量滞后较大的过程。
（2）应用于纯时延较大的过程。
（3）应用于扰动变化激烈而且幅度大的过程。
（4）应用于参数互相关联的过程。
（5）应用于非线性过程。
采用单片机作为主控制器，水塔温度为主被控对象，上水的流量为副被控对象，电磁阀为执行器，利用AD590传感器检测水塔温度，利用流量传感器检测上水流量。水塔温度串级控制系统框图如图1.1所示，系统原理图如图1.2所示。
图1.1水塔温度串级控制系统框图
图1.2 水塔温度串级控制系统原理图
2. 水塔温度串级控制系统仿真
水塔温度串级控制系统仿真，积分环节 Initial=0，两个检测变送环节参数设定时
间常数T=0.01s，扰动通道传函为时间常数T=2s。输入信号和扰动信号皆为单位阶跃信号。扰动作用时间F1为step time=50s，
仿真波形如图1.2所示。
图1.2 串级控制系统仿真波形
3.系统对象特性设计
水塔温度串级控制系统选择水塔温度为主被控对象，副被控对象为上水流量。当水塔温度变化的时候，通过控制上水流量改变水塔温度，并最终使其恒定。
主被控对象：水塔温度
=（2—1）副被控对象：上水流量
=（2—2）主控、副控回路检测环节传感器选择
主控对象检测元件选择为温度传感器AD590。
AD590是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源。它的主要特性如下：
1、流过器件的电流（mA）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数，即： mA/K 式中：—流过器件（AD590）的电流，单位为mA； T—热力学温度，单位为K。
2、AD590的测温范围为-55℃～+150℃。
3、AD590的电源电压范围为4V～30V。电源电压可在4V~6V范围变化，电流变化1mA，相当于温度变化1K。AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件反接也不会被损坏。
4、输出电阻为710MW。
5、精度高。
副控回路检测元件选择电磁式流量传感器。
导电性的液体在流动时切割磁力线，也会产生感生电动势。因此可应用电磁感应定律来测定流速，电磁流量传感器就是根据这一原理制成的。虽然电磁流量传感器的使用条件是要求流体是导电的，但它还是有许多优点。
由于电极的距离正好为导管的内径，因此没有妨碍流体流动的障碍，压力损失极小。能够得到与容积流量成正比的输出信号。测量结果不受流体粘度的影响。由于电动势是在包含电极的导管的断面处作为平均流速测得的，因此受流速分布影响较小。测量范围
宽，测量精度高。
为了达到测量高精度的要求,选用温度传感器AD590,AD590具有较高精度和重复性，超低温漂移高精度运算放大器0P07将温度一电压信号进行放大,便于A/D进行转换,以提高温度采集电路的可靠性。采样检测电路如图2.1示。
图2.1采样检测电路
A/D转换电路采用ADC0809转换器。将采集来的模拟信号转换成数字信号输出转换完成的信号EOC经反相器接单片机的P3.2口，A/D转换电路如图2.2所示。
图2.2 A/D转换电路
4.控制器设计
选用单片机作为控制器，对水塔温度进行控制。单片机以其功能强、体积小、可靠性高、造价低和开发周期短等优点，称为自动化和各个测控领域中广泛应用的器件，在工业生产中称为必不可少的器件，尤其是在日常生活中发挥的作用也越来越大。
在温度控制系统中，单片机更是起到了不可替代的核心作用。
2.3.1 CPU选择
单片机接受A/D 转换电路输入的数字信号，并将输入的信号进行处理和运算，以控制控制电流或者控制电压的形式输出给被控制的电路，完成控电磁阀的任务。本设计的单片机选用Atmel 公司的AT89C51 单片机，采用双列直插封装（DIP），有40个引脚与MCS—51 系列单片机的指令和引脚设置兼容。
AT89C51引脚图,如图2.3所示。
图2.3 AT89C51引脚图
由10V 交流电供电，经过桥式整流，电容滤波，得到12V 的直流电压，12V 的直流电压与MC7805T 芯片，以及电容相接，产生+5V 电压，给系统供电。
图 2.6 电源电路
5.参数整定
PID 控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定
PID 控制器的比例系数、
积分时间和微分时间的大小。因为本设计中主控制器采用PI 控制规律，故仅对PI 控制器的参数进行整定。
参数整定的一般步骤： （1）确定比例系数P
确定比例系数P 时，首先去掉PI 的积分项，首先令0 i T ，使PI 为纯比例调节。输入设定为系统允许的最大值的60%～70%，由0逐渐加大比例系数P ，直至系统出现振荡；再反过来，从此时的比例系数P 逐渐减小，直至系统振荡消失，记录此时的比例系数P ，设定PI 的比例系数P 为当前值的60%～70%。比例系数P 调试完成。
（2）确定积分时间常数
比例系数P 确定后，设定一个较大的积分时间常数Ti 的初值，然后逐渐减小Ti ，直至系统出现振荡，之后再反过来，逐渐加大Ti ，直至系统振荡消失。记录此时的Ti ，设定PI 的积分时间常数Ti 为当前值的150%～180%。积分时间常数Ti 调试完成。
（3）再对PI 参数进行微调，直至满足要求。
执行器选择气开型电磁阀，通过控制阀的开度来实现流量控制。气开型是当膜头上
